Mecánica cuántica

Un acto de desesperación

A fines del siglo XIX la física parecía casi terminada, salvo algunos detalles incómodos. Uno de ellos era la luz que emiten los cuerpos calientes: las teorías clásicas predecían que un horno debía irradiar energía infinita en el ultravioleta, la llamada "catástrofe ultravioleta". El 14 de diciembre de 1900 el alemán Max Planck presentó una solución que él mismo describió como un acto de desesperación: la energía solo se emite en paquetes discretos, o cuantos, cuyo tamaño depende de la frecuencia, $E=h\nu$. La constante $h$ que introdujo es una de las más pequeñas de la naturaleza.

En 1905 Albert Einstein fue más lejos: la luz misma está hecha de cuantos, hoy llamados fotones. Así explicó el efecto fotoeléctrico, por qué la luz arranca electrones de un metal solo si supera cierta frecuencia, sin importar su intensidad.

Onda y partícula a la vez

En 1913 Niels Bohr aplicó la idea al átomo: los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía y, al saltar de uno a otro, emiten luz de colores precisos. En 1924 el francés Louis de Broglie propuso que también la materia se comporta como onda; en 1927 Davisson y Germer lo confirmaron al ver electrones difractarse en un cristal de níquel.

Entre 1925 y 1927 nació la teoría completa:

• Werner Heisenberg formuló la mecánica de matrices (1925) y el principio de incertidumbre (1927): no se puede conocer a la vez, con precisión ilimitada, la posición y el momento de una partícula.
• Erwin Schrödinger escribió en 1926 su ecuación de onda, que describe cómo evoluciona la función de onda de un sistema.
• Max Born interpretó esa función como una amplitud de probabilidad.
• Wolfgang Pauli enunció el principio de exclusión, clave para entender la tabla periódica.

En la Conferencia Solvay de 1927, en Bruselas, se enfrentaron Bohr y Einstein. Einstein se negaba a aceptar el azar fundamental y escribió en una carta a Born que Dios "no juega a los dados".

Rarezas comprobadas

En 1935 Schrödinger ideó su famoso gato, encerrado en una caja con un mecanismo que depende de un átomo radiactivo, para ilustrar lo absurdo de las superposiciones aplicadas a objetos cotidianos. Ese mismo año Einstein, Podolsky y Rosen señalaron el entrelazamiento: dos partículas pueden quedar correlacionadas sin importar la distancia. Lo que parecía una objeción terminó confirmándose en experimentos con fotones de Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, premiados con el Nobel de Física de 2022.

Dato curioso: la electrodinámica cuántica predice el momento magnético del electrón con un acuerdo experimental de alrededor de una parte en mil millones, una de las predicciones más precisas de toda la ciencia.

La teoría que usás todos los días

Sin mecánica cuántica no existirían el transistor (1947), los chips de la computadora, el láser (1960), los LED, la resonancia magnética ni los paneles solares. Explica por qué brillan las estrellas, cómo funciona la fotosíntesis y la estabilidad misma de los átomos. Hoy se construyen computadoras cuánticas que usan superposición y entrelazamiento para resolver ciertos problemas. Como advirtió Richard Feynman, se puede decir con seguridad que nadie entiende del todo la mecánica cuántica; pero funciona con una exactitud implacable.