Mecánica cuántica

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La mecánica cuántica es el estudio del movimiento de entidades muy pequeñas que no siguen las leyes de la física clásica de Newton. En este ámbito, las reglas del mundo macroscópico dejan de aplicarse, dando lugar a comportamientos inesperados y probabilísticos.

Las partículas fundamentales como protones, neutrones y en especial electrones fueron clave en el desarrollo de los modelos atómicos de Bohr. En este modelo, los electrones no se mueven de manera continua, sino que se distribuyen en niveles de energía entre los que pueden saltar de manera cuántica, absorbiendo o emitiendo energía en cantidades discretas.

Figura 1. En la relatividad de Einstein, nada puede viajar más rápido que la luz, lo que impone un límite de velocidad en el universo. Sin embargo, el entrelazamiento cuántico parece desafiar esta regla. Cuando dos partículas están entrelazadas, un cambio en una afecta instantáneamente a la otra sin importar la distancia. Einstein llamó a esto "acción fantasmal a distancia", ya que parecía violar la relatividad. Aunque el efecto es real, no permite enviar información más rápido que la luz, ya que cualquier intento de medirlo introduce incertidumbre. Actualmente, el entrelazamiento se usa en criptografía cuántica, ya que impide que la información transmitida sea espiada sin ser detectada, garantizando comunicaciones ultra seguras en el futuro.

El modelo ondulatorio moderno llevó estos conceptos más allá, considerando que los electrones vibran como ondas tridimensionales y no siguen órbitas fijas, sino que presentan cuatro tipos de “movimientos” alrededor del núcleo. La evolución de este modelo pasó por varias etapas: primero, De Broglie propuso que los electrones podían describirse como ondas lineales o circulares, luego Sommerfeld extendió el modelo de Bohr permitiendo órbitas elípticas, hasta llegar a la interpretación final basada en ondas estacionarias tridimensionales o volumétricas, descritas matemáticamente por la ecuación de Schrödinger.

Gracias a este desarrollo matemático, se logró definir cuatro estados cuánticos, conocidos como números cuánticos, los cuales no solo identifican a cada electrón, sino que describen sus relaciones de energía y espacio dentro del átomo.

Figura 2. Louis de Broglie (1892-1987) fue un físico francés que revolucionó la comprensión de la mecánica cuántica al proponer la dualidad onda-partícula. En su tesis doctoral de 1924, sugirió que los electrones y otras partículas subatómicas no solo se comportan como partículas, sino también como ondas, idea que fue confirmada experimentalmente y se convirtió en un pilar de la física cuántica. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física en 1929. Su trabajo influyó en el desarrollo del modelo ondulatorio moderno y en la ecuación de Schrödinger. También contribuyó a la teoría de la información cuántica y la interpretación causal de la mecánica cuántica. Fue miembro de la Academia Francesa de Ciencias y un referente en la física teórica.

El número cuántico principal en el modelo de Bohr representaba las órbitas en su concepto planetario del átomo. Sin embargo, en el modelo actual, este número, denotado como $n$, indica la energía de vibración de un electrón dentro del átomo.

El subnivel, o segundo número cuántico, también llamado número cuántico azimutal ($l$), está relacionado con la forma de la onda en la que vibra el electrón. A su vez, los orbitales, o tercer número cuántico, conocidos como número cuántico magnético ($m_l$), describen la orientación espacial de dicha onda en torno al núcleo. Finalmente, el spin o giro, denominado cuarto número cuántico o número cuántico de spin ($m_s$), se refiere a la rotación intrínseca del electrón, lo que influye en su interacción con otros electrones y campos magnéticos.

La suma de todos los estados cuánticos fundamentales, aquellos de menor energía en un átomo no excitado y no enlazado iónica o polarmente, se denomina configuración electrónica.

Los números cuánticos y los estados del electrón se rigen por principios fundamentales de la mecánica cuántica. Uno de estos es el salto cuántico, que establece que una partícula puede desplazarse de un punto a otro sin recorrer el espacio intermedio, eliminándose de la existencia en un punto y recreándose simultáneamente en otro. Otro principio fundamental es el principio de indeterminación de Heisenberg, que sostiene que es imposible conocer con precisión simultánea la posición y la velocidad de una partícula, ya que cuanto más se mide una propiedad, más incierta se vuelve la otra. Además, la dualidad onda-partícula explica que las entidades subatómicas pueden comportarse como proyectiles o como ondas tridimensionales, dependiendo del tipo de medición que se realice y la forma en que se mida.

Figura 3. Werner Heisenberg (1901-1976) fue un físico alemán y uno de los fundadores de la mecánica cuántica. En 1927 formuló el principio de incertidumbre, que establece que es imposible conocer simultáneamente la posición y velocidad de una partícula con precisión absoluta. Su trabajo revolucionó la física, estableciendo límites fundamentales en la medición de sistemas cuánticos. Recibió el Premio Nobel de Física en 1932 por su contribución al desarrollo de la mecánica cuántica, particularmente la formulación en matrices. Durante la Segunda Guerra Mundial, lideró el programa nuclear alemán, aunque su papel en el desarrollo de armas atómicas es debatido. Después de la guerra, promovió el uso pacífico de la energía nuclear y dejó un legado clave en la física moderna.

Los principios de la mecánica cuántica son contraintuitivos y desconcertantes, a tal punto que sus propios proponentes los rechazaron en un principio al derivar consecuencias que parecían imposibles. Un ejemplo de ello es la paradoja Einstein-Podolski-Rosen (EPR), que plantea que si la mecánica cuántica es correcta, entonces dos partículas entrelazadas pueden influirse instantáneamente a cualquier distancia, lo que parecería violar el principio de localidad y la velocidad límite impuesta por la relatividad especial. Otro ejemplo famoso es la paradoja del gato de Schrödinger, que describe un experimento mental en el que un gato dentro de una caja puede estar simultáneamente vivo y muerto hasta que se observa, reflejando la superposición cuántica. Este concepto sirve como base para los qubits en las computadoras cuánticas, dispositivos que aprovechan la superposición y el entrelazamiento para realizar cálculos exponencialmente más rápidos que los ordenadores clásicos, con aplicaciones en el comercio, la criptografía militar, la biología molecular y otros campos emergentes.

A pesar de la oposición de muchos científicos a lo largo de su desarrollo, las matemáticas de la mecánica cuántica han resultado ser tan consistentes que las paradojas que una vez parecieron absurdas terminaron por descubrirse como fenómenos naturales reales con aplicaciones tecnológicas. El entrelazamiento cuántico, que Einstein llamó "acción fantasmal a distancia", es hoy una propiedad fundamental en el desarrollo de la teletransportación cuántica y las redes cuánticas de comunicación. La superposición cuántica, ilustrada en el experimento de Schrödinger, es clave en la computación cuántica y en la simulación de sistemas químicos y físicos complejos. Así, la mecánica cuántica no solo ha transformado nuestra comprensión del universo, sino que también ha dado lugar a una nueva revolución tecnológica que continúa expandiendo los límites de la ciencia y la ingeniería.

Figura 4. Erwin Schrödinger (1887-1961) fue un físico austriaco y uno de los principales arquitectos de la mecánica cuántica. En 1926 desarrolló la ecuación de Schrödinger, que describe matemáticamente el comportamiento de las ondas de probabilidad asociadas a las partículas subatómicas. Su trabajo permitió predecir la distribución y evolución de los electrones en los átomos. Recibió el Premio Nobel de Física en 1933 por sus contribuciones a la teoría cuántica. Es conocido también por la paradoja del gato de Schrödinger, un experimento mental que ilustra la superposición cuántica. Más tarde exploró cuestiones filosóficas y biológicas, escribiendo ¿Qué es la vida?, un libro influyente en la biología molecular. Su legado sigue siendo fundamental en la física teórica moderna.