¿Qué es la Física Cuántica y cuál es su objeto de estudio?

“Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no entiendes la mecánica cuántica”.

Así describía Richard Feynman, astrofísico estadounidense ganador del Premio Nobel y uno de los padres de la Física Cuántica, la complejidad de esta disciplina científica. Con la mecánica cuántica, estamos entrando en el ámbito más complicado pero a la vez más asombroso y apasionante de la ciencia.

La Teoría Cuántica nace de un problema con el que se toparon los físicos hace aproximadamente un siglo, terminando de ser descrita hace 50 años. El problema en cuestión es que, a nivel subatómico, las leyes físicas clásicas no encajaban. Si íbamos a un nivel inferior del átomo, las reglas del juego cambiaban.

Nos encontramos en el mundo cuántico. El mundo de las partículas subatómicas. Un mundo en el que la relatividad general y las leyes clásicas de Newton no encajan. Estas partículas se comportan de una manera totalmente distinta a la que dictamina nuestra lógica y sentido común.

Pero, ¿qué es exactamente la Física Cuántica? ¿Qué es lo que estudia? ¿Por qué es tan complicada? ¿Por qué no podemos unificar el mundo cuántico y el macroscópico? En el artículo de hoy daremos respuesta a estas y muchas otras preguntas, pues describiremos de forma sencilla el objeto de estudio de la mecánica cuántica.

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¿Qué es exactamente la Física Cuántica?

Nada más empezar nos encontramos con un problema. Ni siquiera los expertos en esta disciplina saben exactamente qué es la Física Cuántica. Aun así, la primera definición es bastante sencilla: la mecánica cuántica es la física de lo pequeño. Puede sonar infantil, pero es importante tener esto en mente.

Y ahora, la más acertada: La Física o Mecánica Cuántica es una teoría de carácter probabilístico que estudia la naturaleza a escalas atómicas y subatómicas, uno niveles de organización de la materia que no están sujetos a las leyes de la relatividad especial.

En este sentido, la Física Cuántica se centra en analizar las interacciones que se dan entre las distintas partículas subatómicas y que explicarían la naturaleza más primitiva de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo: la gravedad, el electromagnetismo, la nuclear débil y la nuclear fuerte.

Dicho de otra manera, la mecánica cuántica es la disciplina que estudia cómo se comportan las partículas subatómicas, pues su comportamiento no sigue las reglas del juego de la física clásica. Por ello, el mundo cuántico, necesitaba sus propias leyes. Nuevas ecuaciones matemáticas y nuevos enfoques. Y así fue cómo nació la Física Cuántica.

En resumen, la Física Cuántica es la rama de la Física que estudia la naturaleza e interacciones fundamentales que se dan a nivel atómico y especialmente subatómico, con partículas que no siguen las leyes clásicas y que se comportan de un modo que atenta contra nuestro sentido común. La Mecánica Cuántica es una mirada hacia lo más pequeño y primitivo del Cosmos que nos permite entender la naturaleza más fundamental del Universo.

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¿Por qué no se llevan bien la Física Clásica y la Física Cuántica?

Como hemos comentado, los cimientos de la Física Cuántica se establecieron hace aproximadamente un siglo, con unas primeras aproximaciones que se desprendieron del trabajo de físicos como Albert Einstein. Aun así, al principio, muchos científicos (Einstein incluido) creyeron que la mecánica cuántica era un sinsentido.

Pero pongámonos en contexto. Albert Einstein, en 1915, presentó una teoría que cambiaría para siempre el mundo de la ciencia: la relatividad general o relatividad especial. Con esta teoría, Einstein afirmaba que lo único constante en el Universo era la velocidad de la luz y, por lo tanto, que todo lo demás era relativo (incluido el tiempo). Y, además, que espacio y tiempo estaban tan relacionados que formaban un único pack inamovible: el espacio-tiempo.

Con la llegada de esta teoría, los científicos estaban de enhorabuena. Y es que por primera vez, una única teoría explicaba la razón de ser de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo: la gravedad, el electromagnetismo, la nuclear débil y la nuclear fuerte.

La relatividad general permitía hacer predicciones, deducciones lógicas y aproximaciones matemáticas de todos los cuerpos del Universo a todos los niveles: desde un supercúmulo galáctico hasta nosotros mismos e incluso a nivel molecular. Todo lo que sucedía en el Universo a nivel macroscópico cuadraba perfectamente con la relatividad general.

Pero, ¿qué pasó cuando se describió la estructura del átomo? Que todo se vino abajo. Siguiendo las leyes de la relatividad general, los electrones del átomo, al girar, deberían emitir luz. Y al emitir luz, irían perdiendo energía. Y si perdieran energía, caerían sobre el núcleo y el átomo se rompería. Acabábamos de ver que, al sobrepasar el nivel atómico y llegar al de las partículas subatómicas, las leyes físicas clásicas no encajaban.

Todo lo que funcionaba a nivel macroscópico (desde el átomo hacia arriba), “por arte de magia”, dejaba de hacerlo a nivel de partículas subatómicas. El nivel subatómico sigue unas reglas de juego totalmente distintas a las nuestras, yendo en contra ya no solo de las predicciones de las leyes físicas clásicas, sino incluso de nuestra lógica y sentido común.

Esto hizo que, en la década de los años 30, empezaran a establecerse los principios de la mecánica cuántica. El mundo de las partículas subatómicas era distinto al nuestro. Y al ser un mundo diferente, necesitaba sus propias leyes. Pero, ¿cómo es posible que haya una frontera tan grande entre el mundo de la relatividad general y el cuántico? ¿Cómo puede ser que no haya conexión entre ellos si los cuerpos macroscópicos estamos hechos, en principio, de partículas subatómicas? ¿No formamos parte del mundo cuántico?

Buenas preguntas. De hecho, responderlas es la mayor ambición de la física moderna. Y es que desde su propia formulación, vamos en búsqueda de una teoría que una la física clásica y la cuántica. Una teoría del todo que consiga unificar el mundo de la relatividad general y el de la cuántica. Una teoría que, por fin, nos haga entender la naturaleza fundamental del Universo.

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¿Qué estudia la mecánica cuántica?

El objeto de estudio de la mecánica cuántica está muy claro: el comportamiento de las partículas subatómicas. Ahora bien, más allá de esto, cuanto más creemos descubrir acerca de ellas, más misteriosas se vuelven y más preguntas por responder aparecen. Aun así, estos son los fundamentos y ámbitos de estudio más importantes de la Física Cuántica.

1. Cuantización de la energía

Como ya hemos comentado, el mundo cuántico está regido por unas leyes que van en contra de nuestro sentido común. Así que a partir de ahora, debemos abrir la mente y tener en cuenta que las partículas subatómicas no siguen ningún principio lógico ni están sujetas a las leyes físicas clásicas.

Y empezamos por uno de los fenómenos más importantes y más estudiados de la Física Cuántica. De hecho, es precisamente este el que le da nombre. Pero, ¿qué es la cuantización de la energía? Pongámonos en contexto. En nuestro mundo relativista sujeto a las leyes físicas clásicas, cuando tú estás yendo en tren, por ejemplo, este tren va acelerando de forma continua. Es decir, para pasar de una velocidad X a otra Y, tiene que pasar por todos los valores que hay entre ambas velocidades. La energía es continua, en el sentido que no da saltos.

En el mundo cuántico, la cosa cambia por completo. Digamos que un “tren cuántico”, al acelerar, no iría pasando por todos los valores entre X e Y, sino que iría dando saltos entre los valores. En este sentido, las partículas subatómicas presentan un comportamiento energético que se define como discreto, lo que significa que no es continuo. En el mundo cuántico, la energía sigue un flujo en saltos. En paquetes energéticos. Y cada uno de estos paquetes es un cuanto. De ahí el nombre de la teoría.

2. Superposición cuántica

Si el primer punto te ha parecido extraño, espera a ver este. El principio de superposición nos dice que una partícula nunca está en un punto concreto del espacio. Una partícula subatómica está, de forma simultánea, en todos aquellos lugares del espacio en los que pueda estar. Somos nosotros, como observadores, los que, al mirar, veremos que está en uno u otro. La mecánica cuántica es una teoría de probabilidades, lo que significa que solo cuando miras una partícula, esta aparecerá en uno de los posibles estados. Pero a nivel cuántico, está existiendo al mismo tiempo en todos los lugares donde pueda existir.

3. Dualidad onda-partícula

Uno de los principios más importantes y famosos de la Física Cuántica. La dualidad onda-partícula nos dice que los objetos cuánticos son, al mismo tiempo, ondas y partículas. No tiene ningún sentido desde nuestra perspectiva macroscópica, pero ya hemos avisado de que el mundo cuántico sigue sus propias normas. La dualidad hace referencia a que las partículas subatómicas se comportan, de forma simultánea, como puntos esféricos en el espacio y como ondas que viajan por el espacio. La luz, sin ir más lejos, es una partícula (el fotón) pero también una onda.

4. Efecto túnel

El efecto túnel es otro de los principios de la Física Cuántica más importantes y consiste en un fenómeno cuántico en el que una partícula es capaz de penetrar una barrera de impedancia mayor que la energía cinética de dicha partícula. En otras palabras: las partículas subatómicas pueden atravesar paredes. Si nuestro cuerpo fuera cuántico, podrías atravesar muros. ¿Tiene algún sentido? No. Nada en la mecánica cuántica lo tiene, pero la cosa es que las partículas subatómicas se comportan así.

5. Principio de incertidumbre

El principio de incertidumbre es uno de los pilares de la Física Cuántica. Nos dice que es físicamente imposible conocer, de forma simultánea, la posición exacta y la velocidad de una partícula subatómica. Desde nuestra perspectiva, a pesar de saber que una partícula concreta tiene unas probabilidades concretas de estar en un sitio A y unas probabilidades determinadas de estar en un sitio B, nunca podremos saber en cuál está exactamente porque, básicamente, está en los dos al mismo tiempo. Si está en dos sitios de forma simultánea, no podremos saber nunca su posición exacta.

6. Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual los estados cuánticos de dos o más partículas subatómicas quedan enlazados. Dicho de otra manera, este principio defiende que los distintos estados superpuestos de las partículas quedan entrelazados, por lo que si observamos un estado determinado, inmediatamente la siguiente partícula tendrá el otro estado. Sí, es complicado. Pero es cuántica. Nada es sencillo.

7. Teoría de Cuerdas

Incluimos la Teoría de Cuerdas porque es la que nos hace estar más cerca de una teoría del todo. Esta hipótesis defiende la idea de que la naturaleza más primitiva de la materia no son partículas subatómicas esféricas y tridimensionales, sino cuerdas unidimensionales en vibración que, fruto de esta vibración, nacen las fuerzas fundamentales del Universo. A diferencia del modelo estándar de partículas subatómicas, esta teoría sí que explica la naturaleza de la gravedad desde un punto de vista cuántico.