La mecánica cuántica 100 años después: una revolución incompleta

Es raro que una idea o teoría científica cambie fundamentalmente nuestra visión de la realidad. Uno de estos momentos revolucionarios se celebra en el año 2025, declarado por las Naciones Unidas Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas. Esto marca el centenario de la mecánica cuántica, que comenzó con una oleada de investigaciones hace 100 años. Así como sería imposible entender la biología moderna sin la teoría de la evolución de Charles Darwin, nuestra comprensión básica del mundo físico ahora tiene sus raíces en principios cuánticos. La física moderna es física cuántica.

Lo cuántico se refiere a la forma en que la materia absorbe o libera energía: en paquetes discretos o cuantos. Su uso en física proviene de la palabra alemana CantidadProviene de un término latino que significa “cuánto”. Alrededor de 1900, físicos como Max Planck y Albert Einstein comenzaron a describir, de manera ad hoc, por qué muchos fenómenos del mundo subatómico no podían explicarse utilizando la mecánica clásica desarrollada por Isaac Newton y otros unos dos siglos antes. Luego, en 1925, se utilizó la cuántica para describir los fundamentos de una forma completamente nueva de mecánica: la rama de la física que describe la relación entre las fuerzas y el movimiento de los cuerpos físicos.

Cómo surgió la mecánica cuántica en unos meses revolucionarios hace 100 años

Como describe el historiador de la ciencia Christian Camilleri en su artículo Un artículo sobre los sorprendentes acontecimientos de ese año. A continuación, el físico Werner Heisenberg viajó a la isla alemana de Heligoland en el Mar del Norte en el verano de 1925 en busca de alivio para una grave fiebre del heno. Poco después presentó a la revista Revista de Física Un artículo cuyo título se traduce como “Sobre la reinterpretación teórica cuantitativa de las relaciones cinéticas y mecánicas” (W. Heisenberg Z. Física 33879-893; 1925). Esto llevó a que Heisenberg y sus colaboradores más cercanos realizaran más estudios en los meses siguientes, así como a un trabajo con un enfoque alternativo de Erwin Schrödinger.

La revolución no comenzó cuando los físicos descartaron las leyes de la mecánica clásica, sino con su reinterpretación radical de conceptos clásicos como energía y momento. Sin embargo, requirió que sus iniciadores abandonaran ideas lógicas comunes; por ejemplo, la expectativa de que los objetos subatómicos, como las partículas, tuvieran una posición y un impulso bien definidos en un momento dado. En cambio, los físicos descubrieron que los fenómenos naturales tienen una naturaleza inherentemente desconocida. En otras palabras, la física clásica es sólo una representación aproximada de la realidad, y sólo se manifiesta a nivel macroscópico. Un siglo después, esta comprensión de la naturaleza del mundo material sigue siendo apasionante y seductora a partes iguales. mucho naturaleza Los lectores aprenderán sobre los dilemas filosóficos que plantean los gatos cuánticos que están vivos y muertos, y sobre la industria que… Creciendo en torno a la computación cuántica.

Otros aprenderán cómo las ideas cuánticas llevaron a los láseres que transmiten información a través de cables de Internet y a los transistores que proporcionan la potencia de procesamiento de los chips electrónicos. Pero las ideas cuánticas también moldean nuestra comprensión de la naturaleza, en todos los niveles, explicando por qué los objetos sólidos no colapsan y cómo las estrellas brillan y finalmente mueren.

año cuántico

Se están planificando eventos conmemorativos en todo el mundo durante los próximos 12 meses. incluye Ceremonia de apertura de las Naciones Unidas En la sede de la organización científica de las Naciones Unidas UNESCO en París en febrero; Eventos especiales en A Reunión de la Sociedad Americana de Física en Anaheim, California, en marzo; y un Taller de físicos en Heligoland En junio. La ambición colectiva de los organizadores es celebrar no sólo el centenario de la mecánica cuántica, sino también las ciencias y aplicaciones que han surgido de ella en el último siglo, y explorar cómo la física cuántica podría generar más cambios en el próximo siglo.

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En mayo, Ghana, el país que originalmente propuso que las Naciones Unidas declararan 2025 como el Año de la Ciencia Cuántica, acogerá en Kumasi una conferencia internacional sobre el tema. En agosto, historiadores de la ciencia se reunirán para celebrar el siglo cuántico en Salvador de Bahía, Brasil.

Esta reunión será la culminación de una programa de investigación de 20 años El cual se propuso reconsiderar el desarrollo de la teoría cuántica. Uno de los principales objetivos de este trabajo es demostrar las contribuciones de un grupo de académicos, muchos de los cuales (especialmente mujeres) no han sido reconocidos en la historia de este campo, dice el historiador Michel Janssen de la Universidad de Minnesota en Minneapolis.

Estas “figuras ocultas” incluyen a Lucy Mensing, que era miembro del mismo grupo en el que Heisenberg ideó algunas de las primeras aplicaciones de su teoría de la mecánica cuántica, dice Daniela Monaldi, historiadora de la Universidad de York en Toronto, Canadá. Uno de los platos fuertes de este año será la publicación de un volumen de ensayos biográficos sobre 16 de ellos, Mujeres en la historia de la física cuántica.

A pesar de todo lo que la revolución cuántica ya ha traído, todavía tiene asuntos pendientes. En los años en que los investigadores estaban sentando las bases de la mecánica cuántica, también comenzaron a reconstruir otras ramas de la física, como el estudio del electromagnetismo y los estados de la materia, a partir de fundamentos cuánticos. También intentaron ampliar sus teorías para incluir objetos que se movían a una velocidad cercana a la de la luz, algo que la teoría cuántica original no hacía. Estos esfuerzos ampliaron enormemente el alcance de la ciencia cuántica y llevaron a los investigadores a desarrollar el Modelo Estándar de partículas y campos, un proceso que finalmente llegó a buen término en la década de 1970.

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El modelo estándar ha tenido un éxito increíble y culminó en 2012 con el descubrimiento de su partícula fundamental, el bosón de Higgs. Pero estas extensiones se basan en una base teórica menos sólida que la mecánica cuántica y dejan muchos fenómenos sin explicación, como la naturaleza de la “materia oscura” que parece pesar mucho más que la materia convencional visible en el universo en general. Además, un fenómeno importante, la gravedad, todavía se resiste a ser cuantificado.

Otros problemas conceptuales de la física cuántica siguen abiertos. En particular, los investigadores están luchando por comprender exactamente qué sucede cuando los experimentos “combinan” las misteriosas probabilidades de los objetos cuánticos en una única medición precisa, un paso clave en la creación del mundo microscópico (y todavía implacablemente clásico) en el que vivimos. Se han desarrollado métodos para transformar estas peculiaridades de la realidad cuántica en tecnologías útiles. Las aplicaciones resultantes en informática, comunicaciones e instrumentos científicos innovadores de alta seguridad están todavía en sus primeras etapas.

La teoría cuántica sigue dando resultados Este año es una oportunidad para celebrar y educar al público en general sobre el papel que desempeña la física cuántica en sus vidas y para inspirar a las generaciones futuras, sean quienes sean y estén donde estén en el mundo, a contribuir a otro siglo cuántico. .