Apuntes de Física: Teorías y leyes (6ª parte)

A partir del desarrollo teórico y el conocimiento experimental de la radiación electromagnética durante la segunda mitad del siglo XIX, surgirían ante la ciencia múltiples problemas y descubrimientos relacionados con el naciente campo de la electrodinámica. La mayoría de ellos obtuvieron su respuesta a la luz de las nuevas teorías, pero algunos de ellos, unos pocos, resultaron inexplicables para el paradigma teórico de la época; en concreto, estos casos serían el problema sobre la radiación del cuerpo negro, la cuestión del efecto fotoeléctrico, y el modelo atómico de Rutherford. Su resolución, junto con el desarrollo de las investigaciones acerca de la composición última de la materia, supondrían finalmente el inicio de una de las ramas físicas más importantes dentro del conjunto de innovaciones involucradas en la revolución científica del siglo XX; la física cuántica.

Ya en la 3ª parte de estos Apuntes de Física sobre Teorías y leyes, vimos de manera resumida en que consisten el problema de la radiación del cuerpo negro y la cuestión del efecto fotoeléctrico; para evitar la falla teórica conocida como catástrofe ultravioleta durante la interpretación del problema de la radiación del cuerpo negro mediante postulados de electrodinámica clásica, Max Planck (1858-1947) ideó en 1900 el concepto de cuantos de luz, y la ley sobre intensidad de radiación de un cuerpo negro (más conocida como Ley de Planck) de 1901, mientras que el famoso científico Albert Einstein (1879-1955) se valdría de estos mismos conceptos durante la elaboración de su artículo “Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz” de 1905 para la explicación del efecto fotoeléctrico. Ambas soluciones supondrían la adopción del cuanto de luz (posteriormente denominado fotón) como una realidad con carta de naturaleza, y en consecuencia, la reconsideración de todo el modelo teórico de la electrodinámica desde sus mismos fundamentos. Años más tarde, el físico danés Niels Bohr (1886-1962) daría un paso más en este sentido al proponer, en 1913, un nuevo modelo atómico sustitutivo del de Rutherford para el que el concepto de cuanto de luz resultaba fundamental; de acuerdo con las investigaciones del británico Ernest Rutherford (1871-1937) sobre la dispersión de rayos alfa en contacto con láminas de oro (Ver la entrada anterior de los apuntes), los electrones del átomo no se hallarían inmersos en una única masa de carga positiva, tal y como se establecía en un principio para el denominado modelo de Thomson, sino que, en realidad, dichas partículas se encontrarían flotando alrededor del núcleo en un movimiento presumiblimente orbital. Esta afirmación, junto con algunos otros postulados de carácter fundamental, supondrían la base teórica para el nuevo modelo atómico de Rutherford. Sin embargo, ciertas incoherencias, surgidas en parte de la intepretación del movimiento orbital de los electrones desde la electrodinámica clásica, acabarían convirtiendo en poco tiempo al modelo de Rutherford en un sistema obsoleto. De acuerdo con la física del momento, una partícula cargada y acelerada, como es el caso del electrón, emite radiación electromagnética a expensas de su energía, lo que significa que al agotarse esta, la partícula pierde su capacidad de movimiento. En el caso del electrón, dicha pérdida de movimiento tendría que traducirse en una caída hacia el núcleo y la consecuente desestabilización del átomo, algo que, por supuesto, no ocurre. Para explicar esto, Niels Bohr recurriría al cuanto de Planck, así como a un fenómeno inexplicado en física por aquel entonces, las líneas espectrales, para exponer en 1913 un tercer modelo atómico, el modelo de Bohr; según este, existen en el átomo órbitas permitidas en las que es posible que el electrón se mueva con celeridad constante sin emitir ningún tipo de radiación, lo que constituye para el átomo un estado estacionario (es decir, sus características no varían). Dichas órbitas permitidas son las únicas en las que el electrón puede moverse; su momento angular (cantidad de movimiento para un cuerpo de trayectoria curva) podrá medirse a partir de valores discretos, los cuales a partir de su relación con la constante de Planck permitirán obtener un número para la cuantización de los posibles valores del momento angular denominado número cuántico principal. En base a esto, el electrón orbital podrá pasar de una trayectoria permitida a otra absorbiendo (si se desplaza a una órbita superior) o emitiendo (si lo hace a una órbita inferior) energía cuantizada en forma de paquetes de luz o fotones. La actividad energética del electrón sería por otro lado la respuesta a los enigmáticos espectros de luz discontinuos, es decir, espectros electromagnéticos o franjas lineales del espectro para los que determinadas lineas o espectros de fondo (dependientes en todo caso del elemento o elementos químicos involucrados) resultaban ausentes, y que habían sido observados ya en las emisiones formadas por gases calientes o sometidos a una descarga eléctrica en tubos de baja presión; unas y otras mostraban ser el reflejo de la capacidad de absorción y emisión de energía por parte del electrón durante el cambio de órbita, representadas en el campo visual mediante espectros discontinuos (líneas de emisión y líneas de absorción). Los resultados obtenidos por Bohr se ajustarían así a las ecuaciones elaboradas por los científicos para la descripción de ciertas regularidades observadas en las líneas espectrales, como la descrita por el sueco Johannes Rydberg (1854-1919) en 1888 (fórmula de Rydberg), si bien su eficacia se limitaría únicamente al átomo de hidrógeno.

De esta forma, el cuanto de luz ideado por Planck provocaría una vez más el resurgir de las antiguas controversias acerca de la naturaleza ondulatoria o corpuscular de la luz en un momento en el que estas se creían superadas. Su resolución vendría dada en esta ocasión de la mano del científico francés Louis de Broglie (1892-1987), quien en su tesis doctoral de 1924 titulada “Investigaciones sobre la teoría cuántica” llegaría a la conclusión de que el mismo electrón poseía propiedades ondulatorias. La hipótesis de De Broglie establecía así una naturaleza dual de onda y corpúsculo tanto para la luz como para la materia (dualidad onda-corpúsculo), siendo avalada poco después de su publicación por la demostración empírica de la difracción de electrones. Estos precedentes harían surgir la necesidad de una nueva mecánica capaz de predecir y explicar el comportamiento de la realidad física a nivel cuántico o atómico, teniendo en cuenta además su naturaleza dual. Ese sería el objetivo de la física cuántica.

 

En esta misma época, algunos jovenes pioneros comenzaban a elaborar las primeras bases teóricas para la naciente mecánica cuántica. El primero de ellos, Werner Heisenberg (1901-1976), físico alemán experto en matemáticas, construiría su diseño a partir de la teoría de matrices (sistema matemático basado en tablas de números, utilizado por lo general para la descripción de ecuaciones lineales, seguimiento de coeficientes en una aplicación lineal, o registro de datos), contando para ello con la colaboración de los científicos Wolfgang E. Pauli (1900-1958), de Austria, y Max Born (1882-1970), de Alemania. La mecánica matricial de Heisenberg obtendría un importante éxito desde su publicación en 1925, si bien su concepción acerca del mundo cuántico terminaría por ser considerada obtusa e imprecisa entre la misma comunidad científica; para muchos, los intervalos de datos obtenidos a partir del sistema de matrices ideado por el premio Nobel resultaban insuficientes a la hora de reflejar los hechos, mientras que para otros representaban fielmente el carácter ambiguo de la propia realidad cuántica. El mejor ejemplo sobre esta cuestión lo presentaría el mismo Heisenberg al enunciar en 1927 su principio de incertidumbre, por el cual se establece la imposibilidad de determinación para ciertos pares de variables físicos relacionados con un objeto a nivel cuántico. Dicho principio sería también ilustrado a partir del conocido como experimento mental del microscopio de rayos gamma (un microscopio de rayos gamma no puede detectar electrones sin modificar su estado debido a la energía de sus fotones). En cualquier caso, uno y otro habrían de ser diferenciados siempre de la imprecisión del aparato o los posibles efectos del observador. El segundo de los grandes teóricos de estos años sería el físico austriaco nacionalizado irlandés Erwin Schrödinger (1887-1961), quien en oposición a la mecánica matricial de Heisenberg publicaría en 1926 su ecuación de mecánica ondulatoria. Esta nueva mecánica resultaría en la práctica mucho más sencilla que la matricial; además, Schrödinger tendría en cuenta en su diseño una interpretación ondulatoria de la propia materia. Posteriormente, Max Born perfeccionaría aún más este sistema al declarar que el único aspecto observable de la función de ondas de la mecánica ondulatoria es su cuadrado, siendo este en realidad una representación de la densidad de probabilidad existente a la hora de hallar una partícula en el espacio. Con todo, la ecuación de Schrödinger acabaría revelando al poco de su publicación ciertas taras atribuidas en un principio a la obra de Heisenberg; los resultados finales basados en números complejos dificultaban su interpretación a nivel físico, al tiempo que demostraba una ambigüedad cercana a la descrita por el propio principio de incertidumbre. Finalmente, sería necesaria la intervención de un nuevo aporte teórico para dar con el sistema cuántico apropiado.

Tras esta formación de bases establecidas durante las primeras décadas del siglo XX, serían varias las cuestiones, innovaciones y paradojas que cubrirían el nuevo campo de la física cuántica, así como algunos otros emparentados. A la luz de las teorías expuestas por Erwin Schrödinger y Max Born, por ejemplo, el modelo atómico de Bohr se vería necesariamente modificado para incluir el concepto de orbital atómico, una descripción ondulatoria del tamaño, forma y orientación del espacio en donde es probable encontrar un electrón. El problema de la partícula en una caja (también conocido como pozo de potencial infinito), en el que un electrón encerrado en una caja uni o multidimensional rebota sin perder energía planteaba un caso de solución intuitiva para la física clásica pero anti-intuitiva desde el punto de vista cuántico, al presentar en aquel ciertos patrones de probabilidad de ubicación y niveles de energía específicos dada su condición de onda estacionaria. En el caso del pozo de potencial finito, cuyos límites no poseen el potencial infinito del anterior, la partícula puede escapar de nuevo anti-intuitivamente al atravesar parcialmente sus muros. Otra variante del pozo de potencial conocida como efecto túnel, en el que la partícula encerrada logra superar totalmente las barreras de potencial finito, serviría al físico y astrónomo ucraniano George Gamow (1904-1968) en su explicación de las reacciones espontáneas propias de la desintegración alfa, así como en la creación de un microscopio para la visualización a escala atómica, el microscopio de efecto túnel.

La física cuántica fundaría así sus propias bases hasta constituir un primer modelo considerado `clásico´. Sin embargo, sería necesario aún una reformulación de sus sistemas teóricos para conseguir un diseño práctico y comprensible. Esta labor recaería finalmente en manos del físico británico Paul Dirac (1902-1984), quien con su sistema de notación bra-ket, basado en paréntesis, lograría una modernización del lenguaje utilizado para el tratamiento de problemas cuánticos. Dicho sistema incluiría muchos de los conceptos considerados hoy básicios en el estudio de la física cuántica; el estado cuántico, por ejemplo, que indica los valores específicos de las propiedades físicas observables en un sistema cuántico. El observable, descrito como toda propiedad del estado de un sistema que puede ser determinada por alguna secuencia de operaciones físicas. Los estados propios o autoestados, es decir, aquellos estados cuánticos que no cambian al medir el observable asociado a ellos y que se corresponden con ciertos valores concretos de dicho observable, denominados valores propios o autovalores. La superposición cuántica, que define la posesión simultánea de dos o más valores por parte de un observable… etc. Muchos de estos conceptos son además aplicables en el marco de los espacios de Hilbert, una generalización de la geometría euclidea creada para la aplicación de conceptos geométricos y algebraicos a espacios de dimensiones arbitrarias. Esta noción, denominada así en honor del matemático alemán David Hilbert (1862-1943), resultaría de importancia crucial en la formulación matemática de la mecánica cuántica. Otro concepto de gran relevancia en el proceso de mejora y remodelación de esta rama física sería el del principio de exclusión de Pauli de 1925, por el cual dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico en un átomo; es por esto que para cada espacio o tipo de orbital, solo es posible la existencia de, como máximo, dos electrones de spin contrario. Diez años más tarde, Erwin Schrödinger contribuiría a enriquecer aún más el amplio número de principios y paradojas inherentes al mundo de la mecánica cuántica al exponer su famoso experimento mental conocido como gato de Schrödinger, según el cual un gato, encerrado en una caja y sujeto a un sistema de envenenamiento regido por reacciones propias de la física cuántica, puede hallarse, bajo cierta interpretación, vivo y muerto simultáneamente. La paradoja del gato de Schrödinger es todavía hoy objeto de múltiples controversias.

Actualmente, la física cuántica tiene su aplicación en campos tan diversos como la informática (computación cuántica), la química (química cuántica), la electrónica (electrónica cuántica), la teoría de la información o la criptografía (criptografía cuántica, entrelazamiento cuántico), entre otros.

Ver también:
El jardín de los mundos que se ramifican: Borges y la mecánica cuántica

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