Historias Cuánticas
Experimentos Cuánticos
La historia de la física cuántica comienza en el siglo 20, cuando Max Planck, para algunos el padre de la cuántica, comprueba matemáticamente una hipótesis propuesta originalmente por Ludwig Boltzman. Esta hipótesis señalaba una idea controversial, que la energía era una variable discreta y no continua. Y... ¿qué quiere decir esto?, te preguntaras. Bueno, esto quiere decir que tiene que haber una unidad mínima de energía, el cuánto. Durante el inicio del nuevo siglo algunos científicos comprobaron la idea del cuanto y se hicieron algunos experimentos que empezaron a colocar la física cuántica como un tema de interés. Esto es solo el inicio de esta rama de la ciencia, pero posteriormente otros científicos van a contribuir a la teoría explicando el comportamiento de las partículas que conforman todo lo que conocemos y que van a interaccionar con los cuantos de energía, quien diría que una idea tan simple puede crear una ciencia nueva y tan compleja y a la vez divertida.
Con el paso del tiempo se fueron explicando experimentos antiguos usando las recientes ideas cuánticas, mientras que se fueron describiendo nuevos efectos y observaciones que no se podían sostener con las ideas clásicas. Ahora vamos a seguir contando algunas curiosidades de la cuántica y además vamos a hablar de algunos de los experimentos que comienzan a surgir y ser explicados con ideas cuánticas, por ejemplo vamos a hablar del experimento de doble rendija de Thomas Young, y del efecto fotoeléctrico que le dio un Nobel a Albert Einstein, que son experimentos que nos muestran el comportamiento de la luz, y además hablaremos de mi experimento favorito de todos, pero no sabrás cuál de todos es hasta que lo observes.
Experimentos (y explicación cuántica)
Vayámonos un par de siglos atrás, específicamente al año 1801, en este año Thomas Young genera un interesante experimento que nos permite comprobar que la luz es una onda, el experimento de doble rendija. En este experimento, tenemos que hacer pasar un haz de luz por una rendija y después tiene que pasar por otras 2 separadas y paralelas. Si lo hacemos bien, debería formarse un patrón de interferencia en la pared. El nuevo problema llega cuando queremos saber por qué rendija está pasando el haz de luz, específicamente cada fotón que pasa por ellas. Si ponemos un medidor para detectar el fotón, nuestro patrón desaparece y se forma un patrón de 2 líneas paralelas. Esto se explica según en qué momento decante la función de onda, obligando al fotón a mostrar el estado en el que está. Dependiendo de cuando decante la función, la luz se comportara como una onda o una partícula, lo que se conoce como dualidad.
Efecto fotoeléctrico: Ahora nos vamos al año 1887, año en el cual Heinrich Hertz describe por primera vez el efecto fotoeléctrico, efecto que posteriormente explicaría Albert Einstein para ganar el premio Nobel de física. Este experimento consiste en irradiar luz hacia un metal para extraer sus electrones y formar una corriente eléctrica. En ese tiempo se creía que mientras más intensa fuera la luz que se emitiera contra el metal, mas electrones y más rápido saldrían disparados del metal. Contrario a la lógica, se observó que la frecuencia de la luz era responsable de decidir si sale o no despedido el electrón, y que la intensidad decidía cuantos electrones terminaban escapando. Esto también se observaba cuando hay luz muy poco intensa que tiene frecuencia alta y logra sacar electrones del metal.
Einstein explica este efecto con una analogía, tirar piedras por una colina para botar un árbol. Si el peso de la piedra no es el suficiente para botar el árbol, no importa si tiramos 100 piedras del mismo peso porque no haremos nada (en este caso el peso es la frecuencia). En cambio, si tiramos una piedra con el peso suficiente, botaremos el árbol. Este experimento nos permite comprobar que la energía es un valor discreto, ya que hay una energía mínima para que un electrón salte del metal o al menos para que pase de un orbital a otro. Como un electrón no puede estar en fases intermedias, necesita mínimos de energía, los denominados Cuantos que proponen Planck y Boltzmann. Otro detalle sobre la luz que nos muestra este efecto es que esta se compone de una partícula llamada fotón, que tiene propiedades de onda como tener frecuencia y longitud de onda. Según esto, el cuanto mínimo de la luz es una partícula que se comporta como onda, nos encontramos por segunda vez a la dualidad onda-partícula.
Por fin llegamos a mi experimento favorito, y para ver este experimento tenemos que ir al año 1835, año en el que Erwin Schrödinger propone el experimento mental del gato de Schrödinger, experimento que nos permite imaginar la superposición de estados cuánticos, como por ejemplo la luz siendo partícula y onda a la vez. El experimento consiste en colocar dentro de una caja a un gato y un dispositivo que, dependiendo si se desintegra o no una partícula radioactiva en cierto tiempo, se liberara un veneno mortal para el gato. Antes de abrir la caja, no sabemos si el gato estará vivo o muerto, estaríamos viendo un gato de estados superpuestos, un gato vivo y muerto a la vez, un Gato Zombi desde cierto punto de vista. Esto explica la importancia de un observador para comprobar, y así obligar a la función de onda a decantar, es decir ver en qué estado se encuentra nuestro experimento, en este caso si el gato se encuentra vivo o muerto. NO INTENTES NUNCA ESTE EXPERIMENTO, respeta a los animales por favor.
Este experimento nació cuando la teoría cuántica ya estaba desarrollada y su fin es el de burlarse por un lado de la teoría cuántica, intentando demostrar que es imposible esta superposición de estados, aunque finalmente termina siendo un ejemplo que comprueba que esto puede pasar. Actualmente, la superposición de estados que se ve en el experimento esta corroborada por la interpretación de Copenhague, que surge como un el consenso definitivo sobre la teoría cuántica y que trata de explicarla.