Teoría cuántica

·         Teoría del movimiento de las partículas atómicas que intenta explicar los fenómenos en el átomo, y la relatividad. teoría que pretende explicar el comportamiento de los cuerpos a velocidades muy grandes cercanas a la velocidad de la luz.

 La mecánica cuántica ha permitido mediante el conocimiento del comportamiento de los fenómenos atómicos y de la estructura de la materia el desarrollo de nuevas disciplinas como la física de altas energías o la electrodinámica cuántica, ha posibilitado importantes avances en múltiples disciplinas, desde la biología molecular y la bioquímica a la informática o la superconductividad. Avances que están en la base de algunas innovaciones tecnológicas más trascendentes de los últimos treinta años y que nos sitúan a las puertas de desarrollos aún más espectaculares. La mecánica cuántica ha permitido en el ámbito de la biología molecular avances sustanciales que han desembocado en el conocimiento de la estructura del DNA y en el comportamiento de los procesos bioquímicos básicos en el interior de la célula, contribuyendo de manera decisiva a la nueva teoría evolutiva que se ha levantado sobre la base de los resultados de la genética mendeliana y de la reinterpretación de la teoría darwinista.

Historia

La mecánica cuántica es la base de los estudios del átomo, los núcleos y las partículas elementales (siendo ya necesario el tratamiento relativista) pero también en teoría de la información, criptografía y química.

La mecánica cuántica es la última de las grandes ramas de la física. Comienza a principios del siglo XX, en el momento en que dos de las teorías que intentaban explicar lo que nos rodea, la ley de gravitación universal y la teoría electromagnética clásica, se volvían insuficientes para explicar ciertos fenómenos. La teoría electromagnética generaba un problema cuando intentaba explicar la emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio, llamada radiación térmica, que es la que proviene de la vibración microscópica de las partículas que lo componen. Pues bien, usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la energía que emitía esta radiación térmica daba infinito si se suman todas las frecuencias que emitía el objeto, con ilógico resultado para los físicos.

Es en el seno de la mecánica estadística donde nacen las ideas cuánticas en 1900. Al físico Max Planck se le ocurrió un truco matemático: que si en el proceso aritmético se sustituía la integral de esas frecuencias por una suma no continua se dejaba de obtener un infinito como resultado, con lo que eliminaba el problema y, además, el resultado obtenido concordaba con lo que después era medido. Fue Max Planck quién entonces enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética es absorbida y emitida por la materia en forma de cuantos de luz o fotones de energía mediante una constante estadística, que se denominó constante de Planck, y que vale: 6.626 ×10-34 julios por segundo. Su historia es inherente al siglo XX, ya que la primera formulación cuántica de un fenómeno fue dada a conocer el 14 de diciembre de 1900 en una sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín por el científico alemán Max Planck.

La idea de Planck hubiera quedado muchos años sólo como hipótesis si Albert Einstein no la hubiera retomado, proponiendo que la luz, en ciertas circunstancias, se comporta como partículas independientes de energía (los cuantos de luz o fotones). Fue Albert Einstein quién completó en 1905 las correspondientes leyes de movimiento con lo que se conoce como teoría especial de la relatividad, demostrando que el electromagnetismo era una teoría esencialmente no mecánica. Culminaba así lo que se ha dado en llamar física clásica, es decir, la física no-cuántica. Usó este punto de vista llamado por él “heurístico”, para desarrollar su teoría del efecto fotoeléctrico. Publicó esta hipótesis en 1905 y le valió el Premio Nobel de 1921. Esta hipótesis fue aplicada también para proponer una teoría sobre el calor específico, es decir la que resuelve cual es la cantidad de calor necesaria para aumentar en una unidad la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo.

El siguiente paso importante se dió, hacia 1925, cuando Louis de Broglie propuso que cada partícula material tiene una longitud de onda, asociada inversamente proporcional a su masa, (le llamó momentum), y dada por su velocidad. Poco tiempo después Erwin Schrödinger formuló una ecuación de movimiento para las “ondas de materia” cuya existencia había propuesto de Broglie y varios experimentos sugerían eran reales.

La mecánica cuántica introduce una serie de hechos contra intuitivos que no aparecían en los paradigmas físicos anteriores, con ella se descubre que el mundo atómico no se comporta como esperaríamos. Los conceptos de incertidumbre, indeterminación o cuantización son introducidos por primera vez aquí. Además la mecánica cuántica es la teoría científica que ha proporcionado las predicciones experimentales más exactas hasta el momento, a pesar de estar sujeta a las probabilidades.

Las velocidades de las partículas constituyentes no deben ser muy altas, o próximas a la velocidad de la luz.

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 intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales como los siguientes, inexplicables con las herramientas teóricas “anteriores” de la mecánica clásica o la electrodinámica:

Las propiedades físicas de objetos con historias relacionadas pueden ser correlacionadas en una amplitud prohibida por cualquier teoría clásica, en una amplitud tal que sólo pueden ser descritos con precisión si nos referimos a ambos a la vez. Este fenómeno es llamado entrelazamiento cuántico y la desigualdad de Bell describe su diferencia con la correlación ordinaria. Las medidas de las violaciones de la desigualdad de Bell fueron de las mayores comprobaciones de la mecánica cuántica.
Explicación del efecto fotoeléctrico, dada por Albert Einstein, en que volvió a aparecer esa “misteriosa” necesidad de cuantizar la energía.

El desarrollo formal de la teoría fue obra de los esfuerzos conjuntos de varios físicos y matemáticos de la época como Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Bohr y Von Neumann entre otros (la lista es larga). Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría están siendo aún estudiados activamente. La mecánica cuántica ha sido también adoptada como la teoría subyacente a muchos campos de la física y la química, incluyendo la física de la materia condensada, la química cuántica y la física de partículas.

La región de origen de la mecánica cuántica puede localizarse en la Europa central, en Alemania y Austria, y en el contexto histórico del primer tercio del siglo XX.

Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:

En la formulación matemática rigurosa, desarrollada por Dirac y von Neumann, los estados posibles de un sistema cuántico están representados por vectores unitarios (llamados estados) que pertenecen a un Espacio de Hilbert complejo separable (llamado el espacio de estados). La naturaleza exacta de este espacio depende del sistema; por ejemplo, el espacio de estados para los estados de posición y momento es el espacio de funciones de cuadrado integrable. La evolución temporal de un estado cuántico queda descrita por la Ecuación de Schrödinger, en la que el Hamiltoniano, el operador correspondiente a la energía total del sistema, tiene un papel central.

El principio de incertidumbre de Heisenberg se representa por la aseveración de que los operadores correspondientes a ciertos observables

La mecánica cuántica en relación con las

ciencias naturales

La biología molecular es asimismo deudora de la física cuántica. Sin las técnicas de difracción de rayos X difícilmente se habría podido avanzar en el conocimiento de la estructura y funcionamiento de los procesos biológicos en el nivel molecular. En esta labor desempeñaron un papel pionero los británicos William Henry y William Lawrence Bragg. William Henry Bragg desentrañó en 1921 la estructura del naftaleno y del antraceno, mientras sus colaboradores Müller y Shearer investigaron la de los hidrocarburos. Su hijo William Lawrence Bragg se ocupó por esos años de la estructura de los minerales, sobre todo de los feldespatos. En 1938 Lawrence Bragg se hizó cargo de la dirección del laboratorio Cavendish en Cambridge, a raíz de la muerte de Rutherford en 1937, donde permaneció hasta 1953, convirtiendo el laboratorio de cristalografía en líder mundial de la física de materiales, con la ayuda financiera del Medical Research Centre. Las investigaciones impulsadas por Lawrence Bragg desembocaron en el descubrimiento de la estructura de la hemoglobina por Max Perutz entre 1953 y 1957. La aplicación de la difracción de rayos X permitió otro de los grandes logros científicos del siglo XX, el descubrimiento de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), la famosa doble hélice, por James Watson y Francis Crick en 1953 en el Cavendish. Dos acontecimientos que marcan la consolidación de la biología molecular y su transcendencia para el avance de las ciencias biomédicas.

En el descubrimiento de la estructura del DNA desempeñó un papel de primer orden la química cuántica y uno de sus máximos representantes Linus Pauling, su concepción de la biología molecular derivaba de su formación como físico y su conocimiento de la teoría cuántica, según sus palabras ésta era: "una parte de la química estructural, un campo que estaba comenzando a desarrollarse cuando empecé a trabajar en la determinación de estructuras de cristales mediante difracción de rayos X en el California Institute of Technology en 1922". Pauling estaba convencido de que el futuro de la biología molecular pasaba por el conocimiento de la química de las macromoléculas, y que la clave de los procesos biológicos se encontraba en el comportamiento de los enlaces químicos de los átomos, especialmente del carbono. Esta convicción y la financiación de la Fundación Rockefeller concedida para investigaciones en el campo biomolecular desembocaron en 1950 en el descubrimiento por Pauling y Robert Corey de la estructura en forma de hélice de las cadenas de polipéptidos, base sobre la que se sustentaría el descubrimiento de la estructura de doble hélice del DNA.

Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones de la Mecánica Cuántica, en la actualidad, son los semiconductores, los superconductores, los láseres, las imágenes por resonancia magnética nuclear, la computación cuántica, la encriptación, el condensado de Bose-Einstein, etc. Para terminar, unos ligeros apuntes sobre computación cuántica, la resonancia magnética nuclear y el condensado de Bose-Einstein.

La computación cuántica es una de las áreas de investigación más recientes. La potencia de los futuros ordenadores cuánticos es de tal magnitud que no deberían escatimarse esfuerzos en su desarrollo.

Los ordenadores actuales están basados en semiconductores, los pioneros lo estaban en lámparas...todos los componentes de los ordenadores actuales obedecen las leyes de la Física clásica: la única diferencia entre un ordenador de primera generación y uno actual es el espacio que ocupa y la velocidad de cálculo.

En la interpretación de Everett de los Universos paralelos, es como si nuestro ordenador calculase en cada uno de estos Universos y, por lo tanto, como si tuviéramos muchos ordenadores calculando a la vez. Sin embargo, a la hora de mirar los resultados, sabemos que no veremos la superposición: en el proceso de la medida perderemos toda la información de la superposición. Por otra parte, el resultado no es seguro ya que sólo podremos predecir las probabilidades de obtener ciertos resultados. Así pues, la cuántica se muestra como un cuchillo de doble filo, con grandes ventajas aparentes y grandes inconvenientes, lo cual implica que debe trabajarse con una técnica especial.

El desarrollo de la tecnología MRI (imágenes por resonancia magnética) permite examinar casi todos los tipos de tejidos del cuerpo humano sin necesidad alguna de cirugía, mostrando imágenes del interior y permitiendo ver si existe alguna anormalidad en el órgano o tejido examinado. Nuestro cuerpo está constituido por una gran cantidad de agua y los núcleos de hidrógeno son buenos imanes cuánticos. Sometiendo al paciente a un campo magnético muy intenso, se detectan los puntos en los que se produce absorción de energía. Si usamos la información obtenida desde cada punto y la superponemos, un ordenador podrá calcular y reproducir en una pantalla la situación exacta donde se encontraban los átomos según la posición y las intensidades de las señales. Con esta técnica se consigue ver no sólo diferentes tejidos, sino también cuándo están dañados y cuándo están sanos.

Los imanes superconductores son cada día más potentes y el poder de computación de los ordenadores que tratan las imágenes es cada día mayor. Sin embargo, de todas las disciplinas que intervienen, la que constituye la base (aunque probablemente poca gente sea consciente de ello), es la Mecánica.








Véase:http://www.youtube.com/watch?v=e5Nrm479lcg&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=6IiE_Gu4Eqw&feature=related