El concepto de los cuantos (del latín quantum) es una de las aportaciones teóricas más importantes de la ciencia moderna. Prácticamente no existe un sólo campo científico en el que no se observen huellas de su influencia. En CurioSfera-Ciencia.com, te explicamos qué es la teoría cuántica y sus características.
Qué es la teoría cuántica
El concepto de cuanto tiene su origen en el ámbito de la termodinámica y viene a ser, en resumen, la culminación de una serie de teorías que se habían ido emitiendo desde mediados del siglo XIX. En 1859, el alemán Gustav Robert Kirchhoff propuso su ley de las radiaciones. Según la cual, la potencia de emisión de una fuente de radiaciones depende de la capacidad de absorción del medio.
Más tarde, el austríaco Josef Stefan estableció la relación existente entre un cuerpo negro y la cuarta potencia de su temperatura. Un cuerpo negro es un concepto abstracto que se aplica a un cuerpo capaz de absorber completamente todo tipo de radiaciones en un estado termodinámico dado. Basándose en esta propuesta, su compatriota Ludwig Eduard Boltzmann concibió las bases matemáticas de dicha relación. Conocidas desde entonces con el nombre de ley de Stefan- Boltzmann.
El alemán Max Planck, que se consagró al estudio de los fenómenos regidos por dicha ley, observó el aspecto discontinuo de las emisiones de radiaciones características de estos cuerpos. Según Planck, estas emisiones se efectuaban en «paquetes» o «cuantos». En lenguaje corriente, en cantidades. Nacía así en el año 1900 el principio de los cuantos de Plank y el concepto de la constante de Plank.
Este concepto ejerció una poderosa fascinación sobre todos los físicos de la época. La posibilidad de estudiar las radiaciones bajo la forma de cuantos desencadenó una verdadera revolución en un mundo. Hasta entonces solo se operaba con los conceptos correspondientes a dos categorías de objetos: los corpúsculos y las ondas.
- Los corpúsculos eran entidades que ocupaban una región definida y limitada del espacio, manteniendo en todo momento una posición y una velocidad determinadas. La dinámica de estas entidades venía definida por su cantidad de energía, su cantidad de movimiento y su velocidad.
- Las ondas eran fenómenos continuos, no localizados, que ocupaban todo el espacio. Por tanto, cualquier fenómeno ondulatorio podía ser considerado como una superposición de ondas periódicas en el tiempo y en el espacio, caracterizadas por su longitud.
Desde 1817, varios experimentos habían indicado la insuficiencia de estas definiciones limitadas de los fenómenos físicos.
Confirmación de la teoría cuántica de Plank
Ese mismo año, en 1817, el inglés Thomas Young había demostrado mediante un célebre experimento que los fotones pueden comportarse a la vez como corpúsculos y como ondas.
Al estudiar las interferencias luminosas, Thomas Young había postulado que estas partículas no se propagan longitudinalmente, en el sentido de su movimiento aparente, sino en ángulo recto. Esta intuición genial explicaba un fenómeno hasta entonces incomprensible: la polarización.
Pero presentaba el grave inconveniente (desde el punto de vista del dogma científico vigente) de que no se correspondía exactamente ni con la concepción que entonces se tenía de los corpúsculos, según las teorías del inglés Isacc Newton, ni con la de las ondas, según las teorías del holandés Christian Huygens.
Estas partículas que vibraban «al revés» resultaban inconcebibles y Young llegó incluso a ser acusado de faltar a sus deberes patrióticos: ¿acaso pretendía traer la deshonra sobre Inglaterra? Sin embargo, el experimento de Young, repetido con un haz de fotones únicos y por tanto no susceptibles de difractarse, resultaría crucial para la comprensión de los cuantos:
Si se proyecta un único fotón hacia una pared en la que se han practicado dos orificios, detrás de la cual se ha situado una pantalla, se observan interferencias en ésta, igual que si se tratase de varios haces de fotones.
Como es lógico, esto sólo podría explicarse si el fotón pasase simultáneamente por dos orificios, algo que precisamente es imposible. En realidad, este fotón se comporta a la vez como una partícula y como una onda, conducta absolutamente inexplicable de no contar con el concepto operativo de los cuantos.
El mismo experimento, reproducido esta vez con electrones, llevó a la misma conclusión: los fotones y los electrones no se corresponden con los corpúsculos ni con las ondas clásicos.
Para definirlos es preciso convenir previamente que las nociones de onda y de corpúsculo son meras aproximaciones y recurrir al concepto de partícula cuántica. Aunque sea imposible describirlas recurriendo a imágenes, según Planck es posible acercarse a su definición sugiriendo que son paquetes de energía que se propagan según amplitudes de probabilidad.
A partir de aquí se puede empezar a comprender que cuando estas partículas, fotones o electrones, choquen contra la pantalla situada detrás de los dos orificios que antes describíamos no lo harán como partículas individuales, sino como amplitudes.
La mecánica cuántica
Planck también descubrió la ley de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a cierta temperatura, denominada ley de Planck, que sentó una de las bases de la mecánica cuántica.
El fantástico trabajo realizado por este físico alemán, fue verificado por otros científicos que avalaron su teoría. De este modo, nació un campo totalmente nuevo en la física: la mecánica cuántica. Quedan por señalar dos consecuencias inmediatas de la aplicación de los cuantos a la mecánica que han permitido elaborar esa herramienta fundamental para la ciencia que es la mecánica cuántica:
- En primer lugar, todos los corpúsculos, no sólo los fotones y los electrones, se definen como corpúsculos cuánticos.
- En segundo lugar, la noción de intensidad de la mecánica ondulatoria clásica se sustituye por la de densidad de probabilidad, definida por el cuadrado de la amplitud.
Habría que mencionar una tercera consecuencia. Que empezó a insinuarse a partir de los años veinte del siglo XX, y es que la descripción de un sistema físico general podía hacerse ya mediante herramientas matemáticas exclusivamente. Lo que entrañaba una representación del mundo según un formalismo matemático.
A partir de este momento, la descripción gráfica del universo físico como un sistema compuesto por partículas distintas quedó obsoleta. De hecho, la mecánica cuántica se funda esencialmente en la utilización de la herramienta matemática.
Cuarta y última consecuencia, ésta con implicaciones filosóficas: el determinismo que desde Laplace venían defendiendo los hombres de ciencia. Ardientemente defendido también por Albert Einstein en contra de las evidencias. Ya no es admisible: ha sido sustituido por un probabilismo estadístico.
Aplicaciones de la teoría cuántica
La teoría de los cuantos ha significado una verdadera revolución que afecta a múltiples disciplinas científicas. Desde la electrónica a la óptica, pasando por la física molecular o la astronomía.
Tocando el siglo XX a su fin, las aportaciones de esta teoría todavía no habían sido exploradas en toda su riqueza. Es preciso observar, sin embargo, que el propio Max Planck no se adhirió jamás al probabilismo cuántico. El cual se desarrolló esencialmente bajo el impulso del alemán Werner Heisenberg y el danés Niels Bohr. En general, de los discípulos de la llamada «escuela de Copenhague».
Es posible que la formación clásica de Planck explique su rechazo hacia lo que consideraba una «desviación». Pero también es posible que la correspondencia más o menos correcta entre los fenómenos macroscópicos (como entonces se denominaban) y la mecánica clásica justificase este rechazo.
En cualquier caso, en la actualidad existen también fenómenos macroscópicos que la mecánica clásica no parece capaz de explicar por completo. Especialmente en astrofísica. Por otra parte, el probabilismo cuántico parece imponerse también en la explicación de ciertos fenómenos cuyo descubrimiento es relativamente reciente. Como sucede con los láseres y la superconductividad.
Es preciso subrayar que la importancia de este debate conceptual afecta sobre todo al valor de las dimensiones científicas. Y, que todavía existen diversas corrientes que se niegan a admitir el probabilismo cuántico al que consideran, en resumidas cuentas, un mero artificio epistemológico.
Einstein y la teoría de los cuantos
Uno de los capítulos más notables en la historia de la física contemporánea es el de la oposición de Albert Einstein a la mecánica cuántica. Después de haber reconocido y elogiado su pertinencia, a comienzos del siglo XX, Einsten rechazó sin embargo esta formidable herramienta conceptual. Lo que más le molestaba de la teoría de Planck era su aspecto probabilístico.
En efecto, como testimonian dos de sus citas más célebres («Dios no juega a los dados» y «Dios es imprevisible, pero no malicioso»), Einstein era determinista.
En 1910, se esforzó por frenar el avance irresistible de la mecánica cuántica. Publicó su proyecto de campo unificado de la relatividad general. Inmediatamente se comprobó que sus conclusiones eran prematuras. Y, hasta la fecha nadie ha abordado todavía las conclusiones de la proposición einsteniana de campo unificado de la forma que Einstein se había propuesto hacerlo. Es decir, prescindiendo por completo de la mecánica cuántica.
A partir de los años 1920, la obstinación del gran científico fue causa de consternación entre algunos de sus más ilustres colegas. Entre ellos Born, que deploraba que la ciencia hubiera perdido al valioso «adalid» que había sido Einstein. En sus últimos años de trabajo en el Institute for Advanced Studies de Princenton, Einstein, desencantado, se esforzó vanamente en rebatir los argumentos que sostenían la supremacía de la mecánica cuántica.
Otros artículos interesantes
¿Qué es la materia? ¿Qué son los criptatos? ¿Qué son las moléculas? ¿Cuáles son los nuevos materiales del futuro?
¿Quieres saber más sobre ciencia?
Desde CurioSfera-Ciencia.com, esperamos que este artículo científico titulado Qué es la teoría cuántica y sus características, te haya sido de utilidad. Para leer más información similar, puedes visitar la categoría de ciencia. Y recuerda, si te ha gustado, puedes dejarnos un comentario.