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QUÉ ES LA FÍSICA CUÁNTICA |
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La naturaleza atómica de la materia es algo ahora aceptado. Sin embargo, la comprensión del mundo microscópico entraña muchas dificultades, ya que el comportamiento de sus componentes es muy diferente al de los que conforman el mundo de la vida cotidiana. Para explicar ese comportamiento fue necesario construir la física cuántica. Lo común es pensar que al aceptar que la materia tiene una estructura atómica se acepta también que toda sustancia está compuesta por partes irreducibles –átomos en su sentido literal– y que éstas son las partículas estudiadas en la mecánica newtoniana. Lo primero es correcto pero lo segundo no, ya que suponer que toda sustancia está compuesta por partículas puntuales conduce a predicciones falsas como las que tuvo que enfrentar Plack al estudiar la radiación del cuerpo negro. Veamos por qué.
Para estudiar el comportamiento de los fotones la mecánica cuántica no empieza presuponiendo que tiene una forma específica, pues la noción de partícula que esa teoría ha elaborado es muy flexible y ajustable. Ese comportamiento se define en relación con el tipo de observación o experimento en el que intervendrá la partícula y ésta puede ser imaginada con modelos de la física clásica: una partícula o una onda. Así, cuando se trata de determinar imágenes formadas por cuerpos luminosos, como las estrellas, se emplea la noción de "rayo de luz", trayectoria análoga a la que seguiría una partícula de las tratadas en los libros de mecánica newtoniana. Si para estudiar el mismo cuerpo se hace que la luz que emite provoque un efecto de interferencia, convendrá emplear la noción de onda luminosa, aunque el detector de luz sea un contador de fotones. Esto hace que muchos hablen de la "dualidad partícula-onda" cuando explican los fenómenos luminosos. La mecánica cuántica describe el comportamiento del fotón que incide en la superficie de un vidrio afirmando que se trata de un asunto de probabilidad: el fotón puede atravesar el vidrio o reflejarse de acuerdo con las propiedades de transparencia y reflectividad del vidrio. Suponiendo que éstas sean en alguna forma igualmente posibles, la probabilidad de transmisión y de reflexión será la misma, esto es, el 50%. Lo que hay que subrayar es que el fotón pasa o no pasa, es decir, no pierde su individualidad. Esta forma de explicación ilustra una de las características básicas de la física cuántica: sólo da probabilidades y no las certezas a las que nos había acostumbrado la física clásica. En la física cuántica la probabilidad entra como un elemento fundamental e irreducible de la descripción de la naturaleza. En el ejemplo anterior no podemos decir si un fotón determinado pasará o no pasará hasta que no lo hayamos observado y esto no se debe a que nos falte información, sino a que hemos aprendido que así es su comportamiento. Lo dicho para los fotones –los "átomos" de luz– es válido para todas las partículas microscópicas. Los electrones, los protones y los neutrones, por ejemplo, se comportan a veces como ondas y a veces como partículas. Por eso los electrones pueden interferir y defractarse como los fotones cuando manifiestan su naturaleza ondulatoria, o bien seguir trayectorias determinadas cuando exhiben el comportamiento de partículas. Pero aunque la descripción cuántica de las partículas parezca vaga ha sido de una utilidad asombrosa. La mecánica cuántica nos ha permitido explicar en "forma atómica" fenómenos que a primera vista no parecería admitir tal tipo de explicación. Un ejemplo es describir la transmisión del sonido en una red cristalina como el paso de un haz de partículas llamadas fonones. De esta manera se explican ahora, en forma análoga a la propagación de la luz, las propiedades de la conducción del calor en muchos materiales sólidos.
Hay muchas más particularidades de la física cuántica que nos están ayudando a entender los fenómenos del mundo microscópico y no hay lugar aquí para siquiera enumerarlos. Sin embargo, es imposible no mencionar algo que esa teoría nos ha mostrado: toda observación altera lo observado.
La física cuántica hoy Entre los logros más difundidos de la teoría cuántica está la física atómica moderna, disciplina que explica las propiedades de las componentes básicas de los elementos químicos. Así sabemos, por ejemplo, que el helio es un gas cuyos átomos están formados por dos electrones unidos por una fuerza eléctrica producida por un núcleo muy pesado. Las propiedades de este elemento pueden explicarse satisfactoriamente en términos de la teoría cuántica, tanto en forma cualitativa como cuantitativa. Esa misma teoría nos ha permitido construir la física nuclear, que explica cómo está formado el núcleo atómico y por qué tiene las propiedades que lo caracterizan. En el caso del helio esta disciplina también ha dilucidado por qué es tan pesado su núcleo y por qué su forma natural es estable. Sabemos asimismo que los protones y neutrones que componen los núcleos atómicos están a su vez compuestos por otras partículas y que sus propiedades pueden describirse en términos cuánticos. Todo lo que hemos aprendido del mundo microscópico está ahora escrito en el lenguaje de la física cuántica.
OTRA EXPLICACIÓN DE LA MECÁNICA CUÁNTICA A Manera de Introducción (del libro "Qué es la Mecánica Cuántica", del ruso V.I. Ridnik) Energía atómica. Isótopos radiactivos. Semiconductores. Partículas elementales. Generadores cuánticos. Estas palabras son hoy de todos conocidas. Su existencia se debe a la física del siglo XX. En nuestro tiempo los conocimientos humanos se desarrollan con una rapidez fantástica. Y cada adelanto descubre a los hombres nuevos mundos. Las antiguas ciencias han llegado a una segunda juventud. Literalmente ante nuestros ojos se lanzó rauda hacia adelante la física y ocupo la primera línea de ataque a lo desconocido. Y prosigue esta ofensiva en un frente cada vez más amplio, cada vez con mayor empuje, cuyo avance solo se retarda con objeto de reagrupar fuerzas para un nuevo y decisivo salto adelante. Para descubrir los secretos de la naturaleza la física necesitaba un arma poderosa. Y la física forjo esta arma. Su arsenal cuenta ya con la poderosa artillería de los experimentos exactos y convincentes. Su estado mayor, con centenares y millares de teóricos que trazan el camino por el cual se lleva a cabo la ofensiva, estudiando minuciosamente los trofeos logrados en los experimentos. La física no desarrolla a ciegas esta ofensiva. Alumbra el campo de batalla contra lo desconocido con los reflectores de las poderosas teorías físicas. Los más potentes reflectores de la física moderna son: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. La mecánica cuántica es coetánea de nuestro impetuoso siglo. Coetánea en el sentido estricto de la palabra, porque la historia de las ciencias cuenta la edad de la teoría cuántica a partir del 17 de Diciembre de 1900. Este día el científico alemán Max Planck dio a conocer en la sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín su intento de vencer una de las dificultades de la teoría de la radiación térmica. En la ciencia surgen dificultades a cada paso. Y cada día tratan de superarlas los científicos. Pero el intento de Planck tuvo una importancia trascendental: predetermino el desarrollo de la física en un futuro de muchos anos. De la semilla de la nueva concepción de las radiaciones expuesta por Planck creció el árbol gigantesco de los nuevos conocimientos de hoy. De esta misma semilla nacieron también admirables descubrimientos, que ni la fuerza imaginativa de los novelistas de ciencia ficción mas perspicaces pudo prever. De la hipótesis de Planck surgió la mecánica cuántica que expuso a la observación de los hombres un mundo absolutamente nuevo. Un mundo que hasta entonces columbraban vagamente y que con más vaguedad aun se figuraban: el mundo de las cosas súper pequeñas, de los átomos, de los núcleos atómicos y de las partículas elementales.
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