Fundamentos de la Física Moderna: Cuántica, Relatividad y Cuerdas

Física Cuántica: Los Fundamentos del Mundo Subatómico

Originalmente, se concebía que la materia era **corpuscular** (discontinua) y la energía **ondulatoria** (continua). Sin embargo, **Max Planck** descubrió que no solo la materia es discontinua (manifestándose en forma de átomos), sino también la energía (propagándose en forma de **cuantos**).

Teorías Principales en Física Cuántica

1. Mecánica Matricial

   Cada corpúsculo puede ser estudiado mediante una **matriz**. Sus consecuencias principales son:

   • **Indeterminismo**: La imposibilidad de predecir con certeza el resultado de un evento.
   • **Imposibilidad de separación sujeto-objeto**: El observador influye en el sistema observado.
   • **Probabilismo**: Ruptura de la **causalidad** determinista, los eventos se rigen por probabilidades.
   • **Instrumentalismo**: El enfoque se centra en la predicción de resultados, no en la descripción de una realidad subyacente.

   Una de sus consecuencias más destacadas es el **Principio de Incertidumbre de Heisenberg**: no se puede determinar al mismo tiempo y con precisión la posición y la velocidad de una partícula. **Niels Bohr**, junto con Heisenberg, es uno de sus principales autores.

2. Mecánica Ondulatoria

   En los procesos físicos, la materia exhibe un **comportamiento ondulatorio** (como la luz), lo que sugiere una continuidad en los procesos químicos. La materia puede ser estudiada mediante una **función de onda** (representada por la **ecuación de Schrödinger**).

   En consecuencia, se postula la **dualidad onda-partícula** (propuesta por **Louis de Broglie**). **Planck** y **Einstein** demostraron que la luz se comporta tanto como partícula como onda, al igual que los electrones. Esta dualidad es válida tanto para la energía como para la materia.

Conceptos Clave de la Física Cuántica

• Superposición: La posibilidad de que un objeto tenga dos o más propiedades distintas al mismo tiempo.
• Entrelazamiento Cuántico: El estado de dos o más sistemas puede ser una superposición, de modo que el estado de uno influye instantáneamente en el estado del otro, sin importar la distancia.
• Medida u Observación: El acto de observar un objeto cuántico altera su estado.

Teoría de la Relatividad: Espacio, Tiempo y Gravedad

**Albert Einstein** descubrió que las leyes de **Newton** no son válidas para velocidades próximas a la luz, ya que la **velocidad de la luz (c)** tiene un límite insuperable para cualquier móvil. Desarrolló su idea en dos teorías principales:

1. Relatividad Especial

Se aplica a **sistemas inerciales** (sin aceleración) y se basa en los siguientes principios:

• Las leyes de la física son válidas para todos los sistemas inerciales.
• La velocidad de la luz (c) es constante en el vacío para todos los observadores, independientemente de su movimiento.
• La masa y la energía son intercambiables (E=mc²).

Sus consecuencias incluyen:

• El **espacio-tiempo** es relativo y **cuatridimensional**.
• El **tiempo se dilata** (pasa más lento para objetos en movimiento).
• El **espacio se contrae** (las longitudes se acortan en la dirección del movimiento).

2. Relatividad General

Se aplica a **sistemas no inerciales** (con aceleración) y conjuga los sistemas inerciales con un campo gravitatorio constante. Propone sustituir conceptos newtonianos por:

• La **fuerza de gravedad** por un **campo gravitatorio**, donde las líneas de fuerza producen movimiento, no las lineales de la física clásica.
• La **recta** por la **geodésica**, que es la distancia más corta entre dos puntos en un espacio curvo.
• Las "cosas" por **sucesos** en el espacio-tiempo.

Sus consecuencias más importantes son:

• A mayor masa, el **espacio** se curva más y el **tiempo** transcurre más lento.
• El universo está en **expansión** (descrito por la **Ley de Hubble**). El espectro de las estrellas sufre un **desplazamiento hacia el rojo** (**Efecto Doppler**), lo que indica que las estrellas se alejan de nosotros.
• Esto implica la **Teoría del Big Bang**:
  
  • Si la densidad de la materia aumenta, el universo se contraería y después se expandiría (universo cíclico).
  • Si no aumenta, el universo seguirá en expansión y acabará enfriándose (muerte térmica).

Teoría de Cuerdas: Hacia una Teoría del Todo

Una preocupación central de los físicos es lograr que las tres fuerzas fundamentales de la física cuántica (fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y electromagnetismo) sean compatibles con la cuarta (la **gravedad**). Para ello, trabajan en la **Teoría de Cuerdas**, postulando que los últimos componentes de la materia serían **diminutas cuerdas** cuyas vibraciones producen la pluralidad de todos los corpúsculos que conocemos.

El principal problema de esta teoría es que requiere una matemática con un gran número de dimensiones (generalmente 10 u 11). Muchos físicos la rechazan al no poder aplicar el **método experimental** para su verificación directa.