La Mecánica cuántica es la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas. El concepto de partícula "muy pequeña" atiende al tamaño en el cual comienzan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud infinita y a la vez la posición y la velocidad de una partícula (véase Principio de indeterminación de Heisenberg), entre otros. A tales efectos suele denominárseles "efectos cuánticos". Así, la Mecánica cuántica es la que rige el movimiento de sistemas en los cuales los efectos cuánticos sean relevantes. Se ha documentado que tales efectos son importantes en materiales microscópicos (unos 1.000 átomos).
El estudio de fenómenos a escala microscópica mediante las hipótesis de la cuantización de la energía y la dualidad onda-partícula fue desarrollado bajo el nombre de Mecánica Cuántica por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, y otros alrededor de 1925-1926.
Erwin Schrödinger Paul Dirac Werner Heisenberg
A partir de 1930 la mecánica cuántica se aplicó con mucho éxito a
Problemas relacionados con núcleos atómicos, moléculas y materia en
Estado sólido. La mecánica cuántica hizo posible comprender un extenso
Conjunto de datos, de otra manera enigmáticos. Sus predicciones han sido
De una exactitud notable. Ejemplo de esto último es la increíble
Precisión de diecisiete cifras significativas del momento magnético
Del electrón calculadas por la EDC (Electrodinámica Cuántica)
Comparadas con el experimento.
Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:
- La energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio energético hay una cantidad mínima involucrada.
- Al ser imposible fijar a la vez la posición y la velocidad de una partícula, se renuncia al concepto de trayectoria, vital en Mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese momento (al menos, en la interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la probabilística o "de Copenhagen"). A partir de esa función, o función de onda, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.
La teoría cuántica fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera mitad del siglo XX. El hecho de que la energía se intercambiaba de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales como los siguientes:
- Espectro de la radiación del Cuerpo negro, resuelto por Max Planck con la cuantización de la energía.
- Explicación del efecto fotoeléctrico, dada por Albert Einstein, en que volvió a aparecer esa "misteriosa" necesidad de cuantizar la energía.
- Efecto Compton.
Aplicaciones de la Teoría Cuántica
El marco de aplicación de la Teoría Cuántica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica (en el diseño de transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica (láseres, tomógrafos, etc.), en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano.
En la medicina, la teoría cuántica es utilizada en campos tan diversos como la cirugía láser, o la exploración radiológica. En el primero, son utilizados los sistemas láser, que aprovechan la cuantificación energética de los orbitales nucleares para producir luz monocromática, entre otras características. En el segundo, la resonancia magnética nuclear permite visualizar la forma de de algunos tejidos al ser dirigidos los electrones de algunas sustancias corporales hacia la fuente del campo magnético en la que se ha introducido al paciente.
Otra de las aplicaciones de la mecánica cuántica es la que tiene que ver con su propiedad inherente de la probabilidad. La Teoría Cuántica nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión.
Cualquier suceso, por muy irreal que parezca, posee una probabilidad de que suceda, como el hecho de que al lanzar una pelota contra una pared ésta pueda traspasarla. Aunque la probabilidad de que esto sucediese sería infinitamente pequeña, podría ocurrir perfectamente.
La teleportación de los estados cuánticos (qubits) es una de las aplicaciones más innovadoras de la probabilidad cuántica, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas técnicas. En 2001, un equipo suizo logró teleportar un fotón una distancia de 2 km, posteriormente, uno austriaco logró hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m., y lo último ha sido teleportar un átomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia.
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