¿Qué es la Mecánica Cuántica?

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Orbitales

La Mecánica Cuántica es, junto con la teoría de la relatividad,? una de las dos grandes teorías de la Física del siglo XX.? Ambas surgieron a principios del siglo pasado para explicar fenómenos que contradecían las predicciones de la Física Clásica,? nacida con Isaac Newton.?

La Mecánica Cuántica describe el mundo microscópico, es decir, el mundo de las moléculas, átomos, núcleos atómicos y partículas elementales tales como electrones y quarks, y como tal resulta imprescindible para explicar todas las propiedades de la materia.

Es la base de los desarrollos tecnológicos de mayor éxito de la segunda mitad del siglo XX, constituyendo, por ejemplo, el fundamento de la química moderna y de la microelectrónica actual? (incluyendo las computadoras).

La mecánica cuántica nos revela aspectos sorprendentes de la naturaleza, aún más increíbles que los que predichos por la teoría de la relatividad, que resultan muy lejanos a nuestra intuición. Esto es natural, pues nuestra intuición se ha desarrollado en el mundo macroscópico cotidiano (donde las distancias son mucho mayores que las atómicas y las velocidades mucho menores que la velocidad de la luz),? el cual está correctamente descripto por la Física Clásica.?

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?Porqué se llama Mecánica Cuántica? Porque en esta teoría, las magnitudes físicas tales como la energía y otras cantidades importantes están normalmente cuantizadas:

No pueden tomar cualquier valor, sino sólo ciertos valores posibles,? que? pueden ser determinados en experimentos o mediante complejas (pero elegantes!) ecuaciones matemáticas.

Veamos un ejemplo: Mientras que una rueda de bicicleta puede en principio girar alrededor de su eje con cualquier velocidad de rotación,? y por lo tanto tener cualquier energía (energía cinética de rotación), una molécula rotante (rotador cuántico) puede tener sólo determinadas energías de rotación!.

Así, mientras la energía de la rueda de bicicleta puede variarse en forma continua incrementando su velocidad, la energía de rotación de una molécula sólo puede incrementarse de a saltos. Por más increíble que esto parezca.

Y más increíble aún resultan los valores que puede tomar la energía.

Por ejemplo, para una molécula diatómica como la del cloruro de hidrógeno (HCl, que en solución acuosa se denomina ácido clorhídrico o comunmente ácido muriático) los valores son

0,? 2,? 6,? 12,? 20, ?. etc.,

en unidades de energía apropiadas! Es decir,? no son valores al azar sino ciertos múltiplos enteros de una determinada unidad de energía. Parece mágico, ?no es cierto?

Estos valores son los predichos por la teoría cuántica y coinciden, por supuesto, con los medidos experimentalmente.

(Para los interesados en conocer más detalles,? las energías son EL=(h/2p) 2 L(L+1)/(2I), donde h es la famosa constante de Planck, L un número entero (L=0,1,2,3,?) e I el momento de inercia de la molécula. La constante de Planck tiene unidades de energía por tiempo y es muy pequeña medida en unidades macroscópicas:?? tan sólo

0.000000000000000000000000000000000662 Joules x segundo (33 ceros después de la coma).

Esto explica porqué el efecto cuántico no es observable en una rueda de bicicleta: En este caso el salto de energía es muy pequeño, del orden de

0.0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0000004 Joules! (68 ceros después de la coma).

Pero en el caso de la molécula diatómica, el salto energético es mucho mayor? (0.0000000000 0000000000 042 Joules) porque el momento de inercia es mucho menor, resultando observable. Origina el denominado espectro rotacional de la molécula).??

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Otros ejemplos notables los encontrarás aquí. La cuantización de la energía explica en particular las señales de luz (espectro) emitidas por átomos. (Ver más detalles aquí).?

Si lo anterior te pareció sorprendente, esto es sólo el comienzo de las grandes e inimaginables sorpresas que nos depara la mecánica cuántica? (Dicen que Einstein decía que la mecánica cuántica era magia negra.)

El principio de superposición:

En nuestro mundo cotidiano (que de aquí en más llamaremos el mundo clásico),? uno puede estar vivo o muerto, es decir, en un estado vivo, o en un estado muerto, pero claramente no en una superposición de ambos estados, es decir, vivo y muerto al mismo tiempo.

Sin embargo, un sistema cuántico sí puede estar en una superposición de? estados. El principio de superposición, uno de los principios fundamentales de la Mecánica Cuántica, establece que si un sistema cuántico puede estar en un estado A (por ejemplo vivo) o en un estado B (muerto),? puede también estar en una superposición de ambos!?

?Qué significa esto?: Supongamos un sistema cuántico que puede tener energías? A y B.?? Si el sistema está en el estado de energía A, cuando medimos su energía? se obtiene el valor A. Y si está en el estado de energía B, al? medir obtenemos la energía B.? Pero? cuando está en una superposición de ambos estados, cuando medimos se puede obtener tanto la energía A como la B, con ciertas probabilidades, las cuales quedan determinadas por el tipo de superposición. Es importante destacar que no se obtiene un valor intermedio entre A y B.

No es sólo un problema de probabilidades!

En este punto, algunos lectores pensaran que la situación es confusa pero ?controlable?. Es decir, podrían pensar? ?Ah!? bueno, lo que pasa es que cuando el sistema cuántico está en una superposición de estados, tiene una cierta probabilidad de estar en el? estado con energía A, y otra de estar en el estado con energía B. Cuando se mide, se sabe entonces en cual de los dos estados estaba?.?

Pero ahora viene una nueva sorpresa de la mecánica cuántica (no para de sorprender!). Resulta que no es posible suponer que el sistema YA ESTABA en el estado A o en el estado B, sino, para decirlo en forma breve, esto se decide en el momento de la medición, como consecuencia de la interacción entre nuestro aparato de medida y el sistema cuántico que es medido.

Es decir, que no es posible interpretar la superposición cuántica desde un punto de vista probabilístico tradicional. No existe un modelo clásico puramente probabilístico que pueda predecir los resultados que predice la mecánica cuántica.? Este aspecto se ha investigado profundamente en los últimos años y las predicciones de la? mecánica cuántica han salido siempre victoriosas en los experimentos! (Ver detalles sobre las desigualdades de Bell? y la muy famosa paradoja EPR aquí).

Entre otras cosas, el principio de superposición permite el increíble fenómeno del entrelazamiento cuántico, el cual a su vez posibilita? la aún más increíble teleportación cuántica.?? Y como si fuera poco, la superposición de estados hace factible una forma completamente nueva de computación, denominda computación cuántica, todavía no implementada pero actualmente objeto de intensa investigación, la cual está basada en qubits (quantum bits) en lugar de bits, y permitiría reducciones extraordinarias en el tiempo de cómputo de ciertos cálculos.

?Y hay? más sorpresas!

Principio de Incertidumbre

Otro aspecto fundamental de la Mecánica Cuántica es el Principio de Incertidumbre, debido a Werner Heisenberg. Dicho principio dice que a mayor precisión sobre la medida de la posición de una partícula, menos precisión habrá sobre su velocidad y viceversa. Esto implica que en mecánica cuántica no podemos hablar ni siquiera de trayectoria? (si sabemos donde está, no sabemos para donde se mueve y viceversa). Por supuesto que en estas consideraciones interviene nuevamente la? constante de Planck h, y por ello estos efectos se vuelven insignificantes en el mundo macroscópico cotidiano. Más detalles interesantes sobre el principio de incertidumbre pueden encontrarse ?aquí.

Efecto túnel

?En nuestro universo cotidiano gobernado por las leyes de la Física Clásica, sabemos que es imposible que al arrojar una pelota contra una pared, la pelota pase a través de ella. Sin embargo, en la mecánica cuántica un objeto sí puede atravesar una pared (que en el mundo microscópico corresponde a una ?barrera de potencial?), con una cierta probabilidad.? Este fenómeno, que es uno de los más interesantes y curiosos del mundo cuántico, se conoce como efecto túnel y es la base del funcionamiento de los circuitos integrados que se usan? para construir computadoras (y es también la base de la fisión nuclear!)

?Ondas o partículas? ?Ambas!

En la física clásica, las ondas son ondas y las partículas son partículas. Sin embargo, ?esto no es así en la mecánica cuántica!, donde las ondas electromagnéticas (que de acuerdo a su frecuencia se manifiestan como luz, rayos infrarrojos, ondas de radio, TV,? rayos ultravioleta, rayos X, rayos Gamma, etc.)? pueden exhibir propiedades de partícula (fotones),? mientras que las partículas pueden también exhibir propiedades de onda!

Puede decirse que tanto la luz y la materia existen en la mecánica cuántica como partículas, y lo que se comporta como onda es la probabilidad de encontrar dichas partículas en algún lugar.? Más detalles aquí.