Teoría cuántica: características y definición

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.

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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.

1. 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.
2. 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:

1. En primer lugar, todos los corpúsculos, no sólo los fotones y los electrones, se defi­nen como corpúsculos cuánticos.
2. 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.

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