Hoy quisiera adentrarme en un campo misterioso de la física teórica. Mucho se habla de la física cuántica y muy pocos logran entenderla, entre ellos yo mismo. Sus conceptos son extraños y contrarios a la experiencia diaria del mundo que vemos, y sin embargo está muy presente en nuestra vida cotidiana.
¿Qué es la física cuántica?
La física cuántica es una rama de la física que se ocupa del estudio de la materia y la energía a nivel subatómico, es decir, a escalas muy pequeñas, en las que las leyes de la física clásica ya no son válidas y se requiere una descripción cuántica.
La teoría cuántica se basa en la idea de que la energía y la materia no son continuas, sino que se presentan en pequeñas unidades llamadas cuantos. Además, en la física cuántica, las partículas subatómicas pueden estar en un estado de superposición, lo que significa que pueden estar en dos estados a la vez y entrelazadas, lo que significa que están íntimamente relacionadas incluso cuando se encuentran separadas por grandes distancias.
Los cuantos
Los cuantos son las unidades básicas de medida en la física cuántica. Esta teoría describe la naturaleza de la materia y la energía a nivel subatómico, y en este nivel la materia y la energía se presentan en paquetes discretos, llamados cuantos.
El término «cuanto» fue introducido por Max Planck en 1900, cuando desarrolló su teoría de la radiación del cuerpo negro. Planck propuso que la energía se presenta en pequeños paquetes, o cuantos, en lugar de como una onda continua como se creía en aquel momento.
El concepto de cuantos es fundamental en la física cuántica, y se aplica a todos los aspectos de la materia y la energía a nivel subatómico, incluyendo partículas elementales como los electrones y los quarks, así como la radiación electromagnética, como la luz.
En la física cuántica, los cuantos se describen matemáticamente por medio de funciones de onda y se caracterizan por su energía, momento, posición y otros atributos. Los cuantos son una de las principales razones por las que la física cuántica es tan diferente de la física clásica, ya que los objetos macroscópicos se describen en términos de cantidades continuas, en contraste con los paquetes discretos de energía y materia de la física cuántica.
El gato de Schrödinger
El gato de Schrödinger es un experimento mental propuesto por el físico austriaco Erwin Schrödinger en 1935 para ilustrar el extraño comportamiento de las partículas subatómicas en la teoría cuántica.
En el experimento, se coloca un gato en una caja cerrada junto con un dispositivo que contiene una partícula radiactiva y un mecanismo que, cuando la partícula se desintegra, libera un gas venenoso que mata al gato. Según la teoría cuántica, la partícula radiactiva se encuentra en un estado de superposición, es decir, está en dos estados a la vez, desintegrada y no desintegrada, hasta que se mide.
En este caso, como la caja está cerrada, no se puede observar el estado de la partícula radiactiva, lo que significa que el gato se encuentra en un estado de superposición, vivo y muerto, hasta que se abre la caja y se mide la partícula radiactiva.
El gato de Schrödinger se ha convertido en un ejemplo popular para explicar la idea de la superposición y el colapso de la función de onda en la teoría cuántica. Aunque el experimento es solo una idea teórica y no se ha llevado a cabo en la práctica, sigue siendo un recurso útil para ayudar a comprender los conceptos complejos de la física cuántica.
El estado de superposición
El estado de superposición es un concepto fundamental en la física cuántica que describe el estado de una partícula subatómica que puede estar en dos o más estados cuánticos a la vez.
En el estado de superposición, la partícula se encuentra en una combinación lineal de diferentes estados cuánticos, lo que significa que se encuentra en múltiples posibles estados simultáneamente. Esto contrasta con la física clásica, donde una partícula solo puede tener un estado definido en cualquier momento.
El ejemplo más comúnmente utilizado para ilustrar el estado de superposición es el experimento de la doble rendija. En este experimento, un haz de partículas (como electrones) se dispara a través de dos rendijas en una pantalla y se proyecta en otra pantalla detrás. Si se observa el resultado, se verá un patrón de interferencia, lo que indica que las partículas se encuentran en un estado de superposición, pasando por ambas rendijas al mismo tiempo.
El estado de superposición es uno de los conceptos fundamentales de la física cuántica y ha sido confirmado experimentalmente en numerosas ocasiones. La superposición es esencial para la funcionalidad de muchos dispositivos cuánticos, como los ordenadores cuánticos, y se está investigando para posibles aplicaciones en criptografía y otras áreas de la tecnología.
Las aplicaciones prácticas de la física cuántica
Quizás todo eso que hasta ahora he ido exponiendo te parecerá lejano y juegos de científicos que elucubran cuando están aburridos, pero como como podrás ver a continuación está muy presente en muchos aspectos de nuestra vida tecnológica y mucho más que lo estará en el futuro que ya se entrevé. La física cuántica ha permitido el desarrollo de tecnologías revolucionarias como los transistores, los láseres, la criptografía cuántica y los ordenadores cuánticos entre otras.
- Los transistores
La física cuántica también tiene una relación importante con los transistores, uno de los componentes fundamentales de la electrónica moderna. Los transistores son dispositivos electrónicos que pueden actuar como interruptores o amplificadores de señales eléctricas. Se utilizan en una amplia variedad de dispositivos electrónicos, desde computadoras y teléfonos móviles hasta radios y televisores.
Los transistores se basan en el principio de que la conductividad eléctrica de un material puede ser controlada por la aplicación de un campo eléctrico externo. En un transistor de efecto de campo (FET) por ejemplo, un campo eléctrico aplicado a una capa de material semiconductor controla el flujo de electrones a través del dispositivo.
El funcionamiento de los transistores se basa en los principios de la física cuántica, ya que la conductividad de los materiales semiconductores utilizados en los transistores está influenciada por los niveles de energía discretos de los átomos en el material. Los electrones en los átomos del material semiconductor se encuentran en estados de energía discretos, y la aplicación de un campo eléctrico externo puede modificar estos estados de energía y la conductividad eléctrica del material.
Los transistores han sido una parte fundamental de la revolución digital, permitiendo la creación de circuitos electrónicos cada vez más complejos y eficientes. La física cuántica ha proporcionado una base teórica para el diseño y la comprensión de los transistores, permitiendo avances significativos en su funcionamiento y eficiencia.
- El láser
La física cuántica y el láser están estrechamente relacionados. El láser (acrónimo de «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que produce luz coherente y monocromática mediante la emisión estimulada de fotones por átomos excitados.
El funcionamiento del láser se basa en los principios de la física cuántica, específicamente en la emisión estimulada de fotones por átomos excitados. Según la teoría cuántica, los átomos tienen niveles de energía discretos, y cuando se excitan, pueden caer de un nivel de energía a otro emitiendo fotones.
En un láser, los átomos son excitados por una fuente de energía externa, como una corriente eléctrica o un flash de luz. Cuando los átomos excitados vuelven a su estado de energía original, emiten fotones. Estos fotones interactúan con otros átomos excitados, estimulando la emisión de más fotones y creando una cascada de emisión de fotones que produce una luz coherente y monocromática.
El láser ha tenido un impacto significativo en la tecnología moderna, ya que se utiliza en una variedad de aplicaciones, como la comunicación por fibra óptica, la cirugía láser, la impresión láser y la tecnología de lectura de códigos de barras. Además, la física cuántica también ha proporcionado una base teórica para el desarrollo de la tecnología láser y ha permitido avances significativos en su diseño y funcionalidad.
- La Criptografía Cuántica
La criptografía cuántica es un campo de la criptografía que se basa en los principios de la física cuántica para proporcionar un nivel de seguridad muy alto en la transmisión de datos. La criptografía se refiere a la ciencia de proteger la información mediante técnicas de codificación y decodificación.
La criptografía clásica utiliza algoritmos matemáticos complejos para proteger los datos, pero estos algoritmos pueden ser vulnerables a ataques de fuerza bruta o a la factorización de números enteros grandes. La criptografía cuántica, en cambio, utiliza los principios de la física cuántica para proteger la información.
La criptografía cuántica se basa en el principio de la incertidumbre de Heisenberg, que establece que la medida de una propiedad cuántica, como la polarización de un fotón, altera el estado cuántico del sistema. Esto significa que cualquier intento de escuchar una comunicación protegida mediante criptografía cuántica alterará la información y será detectado.
La criptografía cuántica utiliza el proceso de entrelazamiento cuántico para garantizar la seguridad de la transmisión de información. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos partículas subatómicas están tan estrechamente relacionadas que las propiedades cuánticas de una partícula están determinadas por las de la otra partícula. Si se intenta espiar la información que se transmite a través de un canal de comunicación cuántica entrelazado, el entrelazamiento se rompe y se detecta la intromisión.
La criptografía cuántica es una tecnología en constante desarrollo y aún se encuentra en sus primeras etapas de uso práctico, pero se considera una tecnología muy prometedora para la seguridad de la comunicación en el futuro.
- Los ordenadores cuánticos
Un ordenador cuántico es una máquina que utiliza los principios de la física cuántica para realizar cálculos y procesamiento de información. A diferencia de los ordenadores clásicos, que utilizan bits binarios (1 y 0) para representar la información, los ordenadores cuánticos utilizan qubits, que pueden tener valores superpuestos y entrelazados, lo que les permite realizar cálculos de manera mucho más eficiente en algunos casos.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de ser mucho más rápidos y eficientes que los ordenadores clásicos para resolver ciertos tipos de problemas, como la factorización de números grandes o la optimización de procesos complejos. Sin embargo, el diseño y la construcción de ordenadores cuánticos es un desafío técnico muy grande debido a la fragilidad de los qubits y la dificultad de controlarlos y mantenerlos estables.
En la actualidad, se han construido ordenadores cuánticos con un número limitado de qubits, que son capaces de realizar cálculos simples y demostrar los principios de la computación cuántica. Sin embargo, aún se necesitan avances significativos en la tecnología de los qubits y el control de la decoherencia para construir ordenadores cuánticos prácticos y escalables.
A medida que se avanza en la investigación en el campo de la computación cuántica, se espera que los ordenadores cuánticos sean capaces de resolver problemas que son actualmente imposibles para los ordenadores clásicos, y que tengan un gran impacto en campos como la criptografía, la simulación de sistemas complejos y la inteligencia artificial.
- Los LEDs
La tecnología de los LED se basa en la física cuántica, ya que la emisión de luz en los LED es el resultado de la recombinación de electrones en un material semiconductor. Este proceso se produce en la banda de conducción y en la banda de valencia del material, y está gobernado por los principios de la mecánica cuántica.
Los LED utilizan un material semiconductor que tiene una banda prohibida de energía, que es la cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón se mueva de la banda de valencia a la banda de conducción. Cuando se aplica una tensión eléctrica al material semiconductor, los electrones se mueven de la banda de valencia a la banda de conducción, donde se recombinan con huecos (lugares vacíos en la banda de valencia) y emiten fotones de luz.
La energía de los fotones emitidos por los LED está determinada por la diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia del material semiconductor. Esta diferencia de energía es muy precisa y está gobernada por los principios de la mecánica cuántica.
Además, los LED también utilizan materiales dopados para controlar las propiedades del material semiconductor y ajustar la longitud de onda de la luz emitida. Estos materiales dopados son dopantes específicos que están diseñados para proporcionar átomos adicionales que pueden ayudar a controlar los electrones y los huecos en el material semiconductor.
En resumen, los LED son un ejemplo de cómo la física cuántica se aplica en la tecnología moderna para crear dispositivos electrónicos eficientes y de alta tecnología.
¿… y fuera de la ciencia y la tecnología?
Además de estos aspectos tecnológicos que acabamos de exponer, la física cuántica ha tenido un impacto significativo en la filosofía, la ciencia cognitiva y hasta en la teología.
- La física cuántica en la filosofía y la religión
La relación entre la física cuántica y la religión ha sido objeto de mucho debate y discusión. Algunos sugieren que la física cuántica puede proporcionar una base para ciertas creencias religiosas, mientras que otros argumentan que la física cuántica es una ciencia y no tiene relación directa con la religión.
Algunos creen que la física cuántica puede proporcionar una explicación para la naturaleza fundamental del universo y la conciencia, lo que podría apoyar ciertas creencias religiosas en la existencia de un Dios o una fuerza creadora. Por ejemplo, la idea de que los electrones y otras partículas subatómicas existen en múltiples estados simultáneamente, conocida como superposición, ha sido interpretada por algunos como una evidencia de que la realidad es más compleja y misteriosa de lo que parece, lo que podría respaldar la idea de una realidad divina.
Sin embargo, otros argumentan que la física cuántica es una ciencia y no tiene relación directa con la religión. Aunque la física cuántica puede proporcionar una comprensión más profunda del universo, no proporciona una prueba o evidencia de la existencia de un Dios o una fuerza creadora.
En última instancia, la relación entre la física cuántica y la religión es compleja y está sujeta a interpretaciones individuales. Algunos encuentran inspiración en la física cuántica para sus creencias religiosas, mientras que otros no ven una conexión directa entre la ciencia y la religión. En cualquier caso, es importante recordar que la física cuántica es una ciencia basada en la observación y el razonamiento matemático, mientras que la religión se basa en la fe y la interpretación de las escrituras sagradas.
- Ciencia cognitiva y la física cuántica
La ciencia cognitiva y la física cuántica son dos campos de estudio que pueden parecer muy diferentes a primera vista, pero en realidad comparten algunos aspectos en común. Ambos campos buscan entender y explicar el funcionamiento de la realidad en términos fundamentales y con una perspectiva interdisciplinaria.
La ciencia cognitiva se enfoca en cómo funciona la mente humana, y utiliza herramientas y enfoques de la psicología, la neurociencia, la lingüística, la filosofía y la inteligencia artificial, entre otros. La física cuántica, por otro lado, se enfoca en el estudio de las partículas subatómicas y las leyes que gobiernan su comportamiento.
Aunque los objetos y sistemas estudiados en ambos campos son muy diferentes, ambos comparten una visión del mundo que cuestiona la realidad en términos absolutos y explora la interacción entre el observador y lo observado. Por ejemplo, la teoría de la mecánica cuántica plantea que la observación de una partícula subatómica puede alterar su comportamiento, lo que sugiere que la forma en que se observa un objeto puede afectar su realidad. La ciencia cognitiva también considera el papel del observador y su influencia en la percepción y el conocimiento.
Además, la física cuántica también ha inspirado algunos modelos teóricos en la ciencia cognitiva, como la teoría de la superposición cuántica en la toma de decisiones y la teoría de los universos paralelos en la comprensión de la creatividad y la imaginación.
En resumen, aunque la ciencia cognitiva y la física cuántica abordan diferentes aspectos de la realidad, ambos comparten una visión interdisciplinaria que cuestiona la realidad y la influencia del observador en la percepción y el conocimiento.
Amable lector: Si has llegado hasta aquí y he conseguido despertar tu curiosidad e interesarte me daré por muy satisfecho. Aun no siendo un experto en esta disciplina, mi curiosidad me hizo leer todo lo que caía en mis manos sobre esta disciplina y tenía ganas de compartirlo. Gracias por leerme.
 Albert Mesa Rey es de formación Diplomado en Enfermería y Diplomado Executive por C1b3rwall Academy 2022. Soldado Enfermero de 1ª (rvh) y Clinical Research Associate (jubilado). Escritor y divulgador. Actualmente director del diario digital «Benemérita al día» del Círculo Ahumada – Amigos de la Guardia Civil . |
