¿Qué es la mecánica cuántica?

La Mecánica Cuántica es la rama de la Física encargada de estudiar los sistemas a escala atómica y subatómica, su interacción con la radiación electromagnética y toda clase de fuerzas que de ellos se derivan.

Los primeros conceptos cuánticos provienen de trabajos de Planck y Einstein sobre la radiación electromagnética, si bien, la teoría cuántica empieza a tomar forma años después. En este artículo veremos algunos de los principios cuánticos más conocidos y que más dolor de cabeza han dado a los físicos.

Cuantización de la energía

A principios del siglo XX, el físico alemán Max Planck formula la siguiente hipótesis: “la luz se emite y absorbe en paquetes discretos de energía: los cuantos”. Al contrario de lo que podríamos pensar, la energía no es una magnitud continua, sino que está cuantizada; siendo esta propiedad la que da nombre a la teoría.

Una magnitud es continua cuando evoluciona sin “dar saltos”, es decir, toma todos los posibles valores dentro de un intervalo. Un ejemplo de ello  sería la velocidad que lleva un coche, si éste acelera de 50 a 60 km/h, estaremos pasando por los infinitos valores entre 50 y 60 (50,00001; 50.001; 50,1; 50,99; 50,9999, etc.). 

Por contrario, el número de reproducciones de una cierta canción es una magnitud discreta: pueden ser 3, 3000 o 3M de reproducciones, pero nunca tendremos 3,5 reproducciones. Se dice que el número de reproducciones, al igual que la energía, son magnitudes discretas: se producen “a saltos”.

Dualidad onda-partícula

Podemos entender el concepto de partícula como una “bola pequeña de materia”, que tiene masa y ocupa un cierto volumen en el espacio. Por su parte, una onda es una agitación no puntual que se propaga por el espacio de forma periódica.

Un electrón es una partícula y la luz es una onda electromagnética, al menos hasta la llegada de la Mecánica cuántica.

Según esta teoría, la luz es una onda (el rayo de luz) y también una partícula (el fotón). De la misma forma ocurre con el electrón, se comporta como onda y como partícula: esta es la dualidad onda – partícula. Cuando tratamos de medir sus propiedades, observamos cualidades de onda y cualidades de partícula, todo depende del experimento que llevemos a cabo.

Función de onda

Como hemos visto, según la teoría cuántica: las partículas también tienen un comportamiento ondulatorio. El comportamiento de estas partículas como ondas viene descrito por la función de onda. Veamos un ejemplo para aclarar esto último:

Si en física clásica empleamos las leyes de Newton para saber cómo se mueve un objeto (su posición en cada instante), en física cuántica utilizamos la ecuación de Schrödinger, que nos permite conocer cuál es la función de onda (Y) de la partícula en cada instante. En este ejemplo, la función de onda no nos permite conocer la posición exacta de la partícula, sino la probabilidad con la que podemos encontrarla.

Esta función no es un simple punto en una gráfica, más bien una distribución de probabilidades; la partícula se encuentra en varios sitios a la vez (superposición cuántica) con más probabilidad en unos que en otros.

“La mecánica cuántica es una teoría de probabilidades, que sólo se materializan cuando medimos u observamos un sistema”.

En conclusión, la Mecánica Cuántica es una teoría que trata de explicar las leyes que rigen el mundo subatómico, es “la física de lo pequeño”, y es una teoría de naturaleza probabilística.