Fundamentos de la Mecánica Cuántica y Cosmología Moderna

Mecánica Cuántica: Conceptos Básicos

La mecánica cuántica se ocupa del estudio de las propiedades de las moléculas, los átomos y sus partes, las partículas subatómicas y las relaciones entre ellas y con la radiación electromagnética. Se centra en realidades muy pequeñas, a diferencia de la física clásica.

Contribución de Max Planck

Max Planck demostró que la radiación electromagnética es absorbida y emitida en forma de cuantos de luz o fotones de energía. Además, encontró la constante que permite calcular la energía de un fotón, conocida como la constante de Planck.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Werner Heisenberg postuló que en una situación experimental no se pueden observar simultáneamente los aspectos ondulatorio y corpuscular. Un observador no puede determinar con exactitud la posición y el momento (velocidad) de una partícula al mismo tiempo.

Principio de Complementariedad de Bohr

Niels Bohr propuso que los resultados obtenidos en distintas condiciones experimentales son complementarios y no se pueden captar en una única imagen. Solo la totalidad de los fenómenos agotaría la información sobre el objeto de estudio, implicando que los resultados están sujetos a probabilidad.

Principio de Superposición

A nivel cuántico, un objeto (como un electrón) posee simultáneamente dos o más valores de una cantidad observable. Existe en parte en todos sus estados teóricos posibles a la vez, pero al ser observado, el resultado corresponde a una sola configuración.

Cosmología: Modelos del Universo

Modelos Cosmológicos del Siglo XX

A mediados del siglo XX, dos modelos cosmológicos se enfrentaban:

• Modelo del Estado Estacionario: Propuesto por Fred Hoyle, sugiere un universo sin principio ni fin, donde la expansión se compensa con la creación continua de materia.
• Modelo de la Gran Explosión (Big Bang): Desarrollado por Lamaître, propone que el universo se originó de una explosión primordial.

Radiación Cósmica de Fondo

George Gamow dedujo en 1948 que si el universo se originó por una explosión, debería existir una radiación cósmica de fondo. En 1965, Penzias y Wilson verificaron esta radiación, apoyando la teoría del Big Bang.

Cosmología Contemporánea

La cosmología actual describe un cosmos de aproximadamente 13,700 millones de años, en expansión acelerada, compuesto por 4% de materia ordinaria, 23% de materia oscura y 73% de energía oscura.

Limitaciones del Big Bang

La teoría del Big Bang no explica todo el origen del universo. No podemos retroceder más allá de 10^-43 segundos del inicio debido a limitaciones en la física conocida. Además, solo podemos observar hasta 380,000 años después de la explosión, cuando se generó la radiación cósmica.

Teorías de la Gravitación

Diferencias entre Newton y Einstein

La Teoría General de la Relatividad de Einstein (1917) explica la gravitación de manera diferente a Newton. En la física newtoniana, las partículas siguen trayectorias curvas en un campo gravitatorio. En la relatividad, las trayectorias son rectas y el espacio se curva, eliminando la acción a distancia.

Expansión del Universo

En 1929, Edwin Hubble verificó que las galaxias se alejan de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia, confirmando la expansión del universo. En 1931, George Lamaître propuso la hipótesis del átomo primitivo, anticipando la teoría del Big Bang, explicando la expansión del universo a partir de una explosión inicial.