¿Qué es la teoría cuántica?
La física cuántica es una de las áreas más prometedoras de la física moderna y puede conducir a avances considerables en el área de la tecnología de la información y la computación cuántica.
El solenoide de muón compacto es uno de los detectores de partículas construidos en el Gran Colisionador de Hadrones (GCH), el acelerador de partículas más grande del mundo, que mide 27 km de circunferencia. Situado cerca de Ginebra, Suiza, el GCH ha contribuido a descifrar algunos de los secretos de la teoría cuántica, como la partícula del bosón de Higgs, prevista inicialmente en 1964, pero detectada recién en 2012.
La teoría cuántica, también conocida como mecánica cuántica, es un área de la física cuyos principales objetos de estudio son los elementos que se encuentran a nivel microscópico. Átomos, electrones y moléculas son ejemplos de estructuras que habitan el mundo subatómico.
“Se trata del estudio de la naturaleza, los materiales, todo lo que conforma nuestro Universo en la escala más pequeña que podemos identificar, que es la escala atómica molecular”, explica el físico Marcelo Knobel, profesor del Departamento de Física de la Materia Condensada y del Instituto de Física Gleb Wataghin, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp).
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Según el profesor, la teoría cuántica también puede considerarse la base de toda la física y tiene profundas implicaciones en muchas áreas, desde la tecnología, con las computadoras cuánticas hasta la cosmología, que estudia la formación del Universo.
En la escala cuántica, según Knobel, ocurren diferentes fenómenos en comparación con el funcionamiento de nuestro mundo, que se llama macroscópico, un mundo que es lo suficientemente grande como para ser observado a simple vista.
Un físico intenta contar los átomos en esta esfera de silicio para establecer un estándar para el kilogramo.
¿Cuáles son los principales fenómenos de la física cuántica?
Para ejemplificar, el profesor explica que en la física convencional las partículas (que pueden ser ligeras, por ejemplo) se estudian como algo sólido, que tiene un estado, una energía y un movimiento determinado.
En física cuántica, el comportamiento y las magnitudes de estas partículas cambian en función de su interacción con otras partículas, generando lo que se denomina el “principio de incertidumbre de Heisenberg”.
“En el mundo cuántico sucede este fenómeno de que si sabes muy bien la posición de un objeto, por ejemplo, no sabes nada de su velocidad y viceversa. Es decir, no es posible conocer simultáneamente ciertos pares de propiedades cuánticas con absoluta precisión”, explica.
En otras palabras, en la física cuántica, cuanto más precisamente conocemos una propiedad del objeto de estudio, menos precisamente podemos conocer otra. Este principio fue formulado por el físico teórico alemán Werner Heisenberg, en 1927.
Otro fenómeno que define los estudios cuánticos es la dualidad onda-partícula. Según Knobel, este concepto describe la naturaleza dual de algunos elementos que pueden comportarse tanto como onda (una perturbación que se propaga en el espacio o en cualquier otro medio) cuanto partícula.
La luz, por ejemplo, es una de ellas. Knobel explica que, en algunos fenómenos, la luz se estudia como una onda, como la refracción, la difracción y los colores, en los que cada longitud de onda de luz se ve con un color diferente. Pero cuando hablamos de luz en forma de fotones (pequeños “paquetes” que la componen), se estudia en partículas sueltas.
Los átomos, electrones y neutrones (las partes más pequeñas de una molécula) también pueden exhibir un comportamiento tanto de partículas como de ondas. Sin embargo, para definir si una entidad cuántica (átomos, electrones, etcétera) es una onda o una partícula, es necesario observarla. Según Knobel, antes de la observación, la entidad no tiene un estado definido, poseyendo ambas propiedades al mismo tiempo.
Solo midiendo u observando una entidad cuántica es posible obtener información exacta sobre su estado, que también depende de la elección del experimento o dispositivo de medición utilizado. Esta característica también forma parte del fenómeno de la dualidad onda-partícula, “uno de los fenómenos más curiosos e interesantes de la física cuántica, que no tiene paralelo en el mundo macroscópico”, concluye el profesor.
