Desvelando el Microcosmos: Fundamentos de la Física Cuántica y sus Implicaciones

C3 La Revolución del Microcosmos: La Física Cuántica

1. La Dualidad Onda-Corpúsculo

Tradicionalmente, se mantenía una clara oposición entre:

• Materia: De naturaleza corpuscular, formada por átomos; decimos que es discontinua. Todo lo formado por un agregado de partes es discontinuo.
• Energía: Es una onda y, como tal, carece de masa, siendo de naturaleza continua. Las propiedades corpusculares de la materia no son iguales a las propiedades ondulatorias de la energía. Los corpúsculos de la materia tienen masa y una única dirección. La energía, como onda, carece de masa y se desplaza multidireccionalmente.

Sin embargo, la física cuántica postula que la materia y la energía poseen propiedades tanto ondulatorias como corpusculares:

La luz o energía tiene propiedades corpusculares: El Efecto Fotoeléctrico

El experimento consiste en hacer que una luz incida en una placa, lo que provoca la liberación de electrones del metal. Estos electrones son detectados por un amperímetro. Si la luz se emitiera de manera continua, se deberían observar dos fenómenos:

• La emisión de electrones o se produce de forma instantánea o no se produce.
• Con luz roja no intensa no se detecta el paso de electrones; con luz azul, más intensa, sí.

Explicación de A. Einstein (1905): La luz no es continua, sino que se emite en paquetes o cuantos de luz (fotones). Las luces con mayor frecuencia producen fotones de más energía. Para que un fotón incida en un electrón y lo libere, debe tener una frecuencia mínima.

La materia tiene propiedades ondulatorias: De Broglie (1924)

De Broglie, en 1924, estableció esta propiedad mediante la siguiente relación: λ = h/mv (donde λ es la longitud de onda, h es la constante de Planck, m es la masa y v es la velocidad). Esta fórmula explica que cuando la masa o la velocidad de un cuerpo disminuyen, su longitud de onda asociada aumenta.

El experimento de prueba es la rendija de Young y la difracción de electrones, que demuestran el comportamiento ondulatorio de las partículas.

2. La Indeterminación de la Realidad a Nivel Microfísico: El Principio de Incertidumbre de Heisenberg

En la física clásica, medir significa dos cosas:

• Poner de manifiesto propiedades cuantificables y que, aunque el observador intervenga, estas no cambian.
• Que el resultado del proceso de medida es fijo, estable y determinado.

En la física cuántica, el proceso de medida y lo que se entiende por medir cambia, lo que implica:

• La realidad está indeterminada: Porque incluye azar y aleatoriedad. El proceso de medida de la posición y velocidad de un electrón nos ofrece resultados posibles y no uno fijo. El estado cuántico se basa en dos fundamentos:
  • Como las partículas se propagan de manera ondulatoria, su trayectoria es imprecisa y multidireccional, por lo que obtenemos muchos valores posibles.
  • Para conocer la posición de un electrón, se ilumina con fotones que modifican su velocidad y hacen impredecible el resultado.
• La realidad depende del observador: Porque, ya sea para conocer su velocidad o posición, el observador tiene que intervenir, ya que es su decisión que el electrón se comporte como onda o corpúsculo.

Todo lo anterior queda enunciado por el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que establece que no se puede conocer con exactitud y simultáneamente la posición y la velocidad de un electrón.

Este principio introduce en la realidad a nivel de las partículas subatómicas dos elementos clave:

• EXACTITUD: No se puede conocer con exactitud ni la posición ni la velocidad del electrón. Solo se le puede asignar un conjunto de valores posibles.
• SIMULTANEIDAD: El observador afecta a la realidad para que esta se comporte como onda o corpúsculo, impidiendo la medición simultánea y precisa de ambas propiedades.