Mecánica Cuántica

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Este es un artículo sobre Mecánica Cuántica no-relativista. Si busca información sobre versiones más modernas de la teoría, vea Mecánica Cuántica de Campos.
Esta es una introducción muy breve. Para una introducción más larga y detallada, lea el artículo de la Wikipedia.


La Mecánica Cuántica (MC) es una teoría física que fue desarrollada a principios del siglo XX por varios físicos, entre ellos Bohr, Schroedinger, Planck, Heisenberg y otros. La Mecánica Cuántica describe el comportamiento de la partículas elementales pero, aunque a veces se hable de ella en esos términos, no se ocupa solamente del mundo microscópico: dado que el universo entero está hecho de partículas elementales, la MC nos da una descripción de cualquier sistema, microscópico o no. El comportamiento de sistemas macroscópicos, como los ordenadores, es inexplicable sin su ayuda. La gran mayoría de nuestra tecnología actual está basada, directa o indirectamente, en la MC.
La MC tiene varias características que la hacen antiintuitiva, casi delirante. Como dijo John Wheeler, “si no te sientes absolutamente confundido por la Mecánica Cuántica, es que no la entiendes.”
Una de las características más chocantes de la MC es el hecho de que no predice resultados experimentales definidos, sino sus probabilidades, lo cual está relacionado con el hecho de que las partículas en la teoría se comportan como partículas y ondas a la vez, dependiendo del tipo de experimento al que se las someta. Es lo que se ha dado en llamar la “dualidad onda-partícula.”
Para obtener una idea general de la teoría y cómo funciona, es recomendable fijarse en algunos experimentos relacionados con ella e intentar entender sus resultados. Uno de los ejemplos más claros es el experimento de la doble rendija.
Imaginemos lo siguiente: tenemos una pistola, una pared con dos rendijas y una pantalla al final. Ahora, supongamos que alguien coge la pistola y empieza a disparar aleatoriamente. La mayoría de las balas acabarán en la pared, mientras que otras llegarán a la pantalla. Después de un tiempo, tendremos algo parecido al dibujo debajo de estas líneas:
Two-Slit Experiment Particles
Se puede hacer un experimento similar, pero usando ondas en lugar de balas. En este caso, sumergiríamos la pared y la pantalla en agua y veríamos qué sucede si emitimos ondas desdde la posición donde se encontraba la pistola. En este caso, las ondas se dividirán en las rendijas y luego golpearán la pared, produciendo una situación como se muestra a continuación.
Two-Slit Experiment Light
Aquí se produce un fenómeno llamado “interferencia”. En un punto cualquiera de la pared, habrá dos ondas que choquen, una proveniente de cada una de las rendijas. Cuando las ondas chocan, pueden pasar dos cosas: o bien se reforzarán mutuamente o se cancelarán, como puede verse en la imagen que se muestra a continuación.
Interference of two waves
Dos picos en el mismo sitio harán que la intensidad sea doble; un pico y un valle se cancelarán mutuamente. Así pues, dependiendo de la posición en la pantalla, tendremos ondas que se retroalimenten o que se cancelen. Eso da lugar a zonas de intensidad doble y zonas donde no golpea onda alguna, tal y como aparece en el diagrama anterior, detrás de la pantalla.
La situación se vuelve más interesante al repetir el experimento, pero esta vez con un cañón de electrones. Este dispara electrones aleatoriamente, uno por uno, como en el primer caso. Y la pregunta que nos hacemos es qué va a pasar esta vez. En el dibujo debajo de estas líneas se pueden ver diferentes fases de este experimento, donde los puntos blancos señalan sitios donde ha caído un electrón.
Doubleslitexperiment results Tanamura 1
Es fácil ver que, después de suficientes repeticiones, el patrón acaba pareciéndose al del experimento con ondas, no al de partículas.
Lo siguiente es buscar una explicación. En primer lugar, el hecho de que cada electrón deje una señal en forma de punto nos dice que los electrones tienen que ser partículas. Sin embargo, el patrón final es como el que producen las ondas, no las balas. Así pues, en algún lado debe estar pasando algo relacionado con las ondas. Una posible explicación es que los electrones interfieren entre sí antes de golpear la pantalla. Pero eso no es plausible, porque los electrones son disparados de uno en uno. La siguiente explicación que a uno se le ocurre es que el electrón, de alguna forma, se divide en dos, interfiere consigo mismo y luego golpea la pantalla.
Si el electrón se dividiese, tendría que ser posible detectarlo al pasar por las dos rendijas a la vez. Para ello, habría que poner un detector de electrones en cada una de las rendijas y ver qué pasa. Si uno hace eso, se obtiene un resultado inesperado: los detectores muestran que los electrones pasan por una de las dos rendijas, no por las dos a la vez. Sin embargo, el patrón que obtenemos en la pantalla cambia: los electrones dejan de comportarse como ondas y se empiezan a comportar como balas.
Para explicar esta aparente contradicción, los físicos tuvieron que ser muy creativos. El rompecabezas no se resolvió por completo hasta que Schroedinger sugirió su famosa ecuación, que gobierna el comportamiento de algo llamado “la función de onda”. La idea básica es la siguiente: cada partícula tiene una onda asociada, que se comporta según le dicta la ecuación de onda. El comportamiento de la onda, al mismo tiempo, determina el de la partícula. Así pues, si disparamos un electrón desde un cañón de electrones, la onda asociada pasará por ambas rendijas y formará un patrón de interferencia, como se observa en el primer experimento.
Sin embargo, las cosas se complican al realizar una medida. Cuando lo hacemos, la función de onda “se colapsa”. Es decir, si la onda está extendida por el espacio, al medir la posición del electrón obtenemos solo una respuesta, no muchas. El electrón estará en alguna de las posiciones que ocupa la onda. ¿Dónde exactamente? No lo sabemos. No lo podemos saber. Todo lo que nos dice la MC es cómo se comportará la onda, pero la onda no nos dice dónde estará la partícula: nos dice dónde podría estar. Y, por suerte, nos da algo más: la probabilidad de encontrar la partícula en esa posición en particular. Esa probabilidad viene dada por el cuadrado de la amplitud de la onda (la amplitud de una onda en el agua sería, por ejemplo, su altura). Así pues, la MC nos permite predecir la distribución en los resultados de medidas hechas a conjuntos grandes de partículas, pero no nos permite saber el resultado de un experimento concreto, sólo su probabilidad. Eso confundió e irritó a muchos físicos de la época, Einstein entre ellos, y le llevó a su famosa cita: “Dios no juega a los dados con el Universo”. Sin embargo, todas las pruebas apuntan a lo contrario: parece ser que Dios es un jugador impenitente.
Para las diferentes interpretaciones de la Mecánica Cuántica, vea Interpretaciones de la Mecánica Cuántica.

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