¿Qué es la mecánica cuántica?


By Quantum:

Este es un tema que seguro dará para mucho y que trataremos de explicar como buenamente podamos.

¿Qué es la mecánica?

Cuando en física hablamos de mecánica nos referimos al estudio de las interacciones, de los cambios en el movimiento de los sistemas bajos esas interacciones, a sus características energéticas y a los intercambios de distintas cantidades permitidos en los fenómenos involucrados (intercambio de energía, de momento lineal, de momento angular, etc.)

Mecánica cuántica

Al hablar de mecánica cuántica nos estamos refiriendo al estudio de todo lo anterior cuando los intercambios energéticos en los sistemas son del orden de la constante de Planck.  Dicha constante determina el rango donde los efectos cuánticos son importantes.

La constante de Planck es una constante universal que se mide en términos de Energía x Tiempo.  Y en los valores que le asignamos en el sistema internacional es una constante muy pequeña.  De ahí podemos entender por qué no vemos efectos cuánticos evidentes a nuestro alrededor, nuestros intercambios de energía soy mucho mayores que la escala dada por la constante de Planck.

Hasta aquí hemos hablado de mecánica cuántica, efectos cuánticos, regímenes cuánticos, etc.  Pero no hemos dicho ni una palabra de qué es cuántico.  Vayamos a ello.

En nuestra vida diaria es posible determinar posiciones, velocidades, energías y tiempos de duracción de los fenómenos que se dan en los fenómenos físicos.  Uno es capaz de dar la trayectoria de una partícula que está sometida a una determinada fuerza.

La mecánica cuántica es muy diferente, y por eso se dice que va en contra del sentido común, según la cuántica no podemos conocer con total exactitud la posición y la velocidad (el momento lineal para ser precisos) de una partícula.  Esto conlleva que no podamos hablar de trayectorias bien definidas, a ojos de la cuántica dichas trayectorias no tienen ningún sentido. La razón que hay detrás de ello es que la determinación de la posición de una partícula hace imposible determinar su velocidad y viceversa (esto está contenido en el conocido principio de indeterminación de Heisenberg).  Esto es así porque estos observables (observable es toda característica física que se puede medir) no son compatibles entre sí.  Matemáticamente hablando estos observables no conmutan entre sí.

Esta es la diferencia esencial entre la física clásica (la del día a día, la de Newton) y la física cuántica.

Ahora hablemos de los mitos que circulan sobre la física o mecánica cuántica:

1.-  Una partícula puede estar en cualquier punto.

Esta es una interpretación un tanto arriesgada de lo que de verdad nos dice la cuántica.  Es cierto  que debido a la incapacidad de determinar trayectorias (porque carecen de sentido en esté régimen físico) la cuántica sólo da la probabilidad de ocurrencia de un determinado proceso.

Por ejemplo, si estamos interesados en conocer la posición de una partícula, la cuántica nos dice qué probabilidad tienen la partícula de estar en un determinado punto del espacio.  Ahora bien, cada sistema tiene restricciones, no todos los sistemas permiten a sus partículas tener probabilidad no nula de estar en cualquier punto.  Si hay interacciones presentes, las probabilidades de estar en determinadas regiones son nulas.  Por lo tanto, no es cierto que una partícula tenga una probabilidad distinta de cero de estar en cualquier lugar.

2.-  La cuántica permite cualquier cosa.

Esta frase, que se puede leer en muchos sitios, no es cierta en absoluto.  En primer lugar, si bien la cuántica nos da probabilidades de ocurrencia de procesos en un sistema físico no es cierto que permita cualquier cosa o que cualquier cosa sea probable.  Las leyes físicas de conservación de la energía, conservación del momento, etc (incluyendo que nada se puede propagar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío) se siguen manteniendo en cuántica.  Por lo tanto, los sistemas están constreñidos a satisfacer esas leyes de conservación.

Este tipo de frases están siendo usados por pseudo-científicos para proclamar eso que circula bajo el nombre de psicología cuántica.  Diciendo que la cuántica permite cualquier cosa y que si lo deseamos mucho y somos positivos podemos favorecer la posibilidad de que nos pase algo bueno.  Esto evidentemente no tiene nada que ver con la física.

3.-  La mecánica cuántica no es determinista.

El determinismo hace referencia a que dada una condición inicial el desarrollo ulterior es único.  Es decir, en física clásica, cuando uno aplica las leyes de Newton al movimiento de una partícula.  Si conocemos su posición y su velocidad iniciales, entonces aplicando las ecuaciones del movimiento, podemos saber donde estará en cualquier instante en el futuro y dónde ha estado en cualquier instante en el pasado.

Mucha gente hace referencia a que la cuántica, al no tratar con trayectorias, no es determinista.  Pero eso no es correcto porque el determinismo hace referencia a que dada una ecuación y unas condiciones iniciales la solución es única.  Y eso pasa en cuántica, en cuántica tratamos con estados cuánticos que matemáticamente vienen descritos por unas funciones llamadas funciones de onda.  Si uno tiene la función de onda inicial de un sistema y le aplica las ecuaciones cuánticas del movimiento (Ecuación de Schrödinger) la solución es única.  En ese sentido la cuántica es determinista.

El problema en realidad es otro, sí es cierto que hay una fuente de indeterminismo en la cuántica y es lo que se conoce como problema de la medida.  Este problema será explicado en breve en este blog, pero resumiendo brevemente:  El problema de la medida nos dice que dado un estado que representa a un sistema físico, al medir sus propiedades (posición, momento lineal, energía, etc) el estado cambia y se convierte en un estado diferente dentro de un conjunto de estados (que se conocen).  La cuántica lo que sí nos dice es con qué probabilidad el cambio será en un estado u otro de los posibles partiendo de uno inicial.

4.-  La mecánica cuántica no es causal.

La causalidad nos dice que todo fenómeno tiene una causa que lo provoca y que es temporalmente precedente.  Muchos dicen, con total desconocimiento, que la cuántica a causa de su caracter probabilístico no es causal.

Esto no es correcto, la causalidad, es decir que uno reciba un mensaje despues de haber sido enviado y nunca antes, es un requerimiento esencial de las leyes física (de hecho está relacionado con el principio de relatividad y como se ha dicho ya aquí en este blog, toda la física es relativista).  Por tanto, en cuántica todo fenómeno tiene una causa que lo precede y la causalidad se ve preservada en cuántica.

Podríamos extendernos más y ver las implicaciones que tiene la causalidad en cuántica, valga decir que eso que circula por ahí con el nombre de antimateria se justifica única y exclusivamente porque la cuántica es causal.  Y la antimateria es una realidad experimental hoy día que incluso se emplea en diagnósticos clínicos a través de los aparatos llamados PET.

Seguiremos con estos temas más adelante, por ahora ya nos ha quedado un post un tanto largo y el personal se puede aburrir 😛

Anuncios

4 Respuestas a “¿Qué es la mecánica cuántica?

  1. me fascina este tema, muy buen post!
    hace poco encontré este blog con mogollón de vídeos en español
    link

  2. Pingback: LHC para dummies (II) « jsarrio

  3. Como ya comenté con un amigo, mi relación con la física cuántica es como la de una polilla con el fuego…no tiene ni idea de lo que es, pero le atrae tanto que no tiene más remedio que acercarse y revolotear alrededor…si se acerca demasiado las consecuencias pueden ser terribles.
    Un Saludo

  4. Pingback: ¿Para qué gastar dinero en el LHC? « Cuentos Cuánticos

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s