Leyes de la mecánica cuántica

• Francisco María
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• • 29/11/2020 11:00
  • Actualizado: 29/11/2020 11:00

En solo unos pocos años, los científicos han ido desarrollando una teoría del átomo. Esta teoría puede explicar cómo está formado un átomo y cuáles pueden ser sus interacciones. Ha sido de gran importancia para el desarrollo de esta teoría, el descubrimiento que la luz y la materia tienen características tanto de onda como de partícula, a nivel atómico y subatómico. La nueva teoría no ha tenido en cuenta los postulados de Bohr, que consideraba a los electrones como partículas y los trató como ondas. En 1926, los físicos desarrollaron las leyes de la mecánica cuántica, también llamada mecánica de ondas, cuyo objetivo era explicar a través de estas leyes los fenómenos atómicos y subatómicos.

Principios básicos de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la rama de la física relacionada con lo más pequeño. Nos puede dar algunas conclusiones muy extrañas sobre el mundo físico ya que dejarían sin utilidad a las ya existentes en la mecánica clásica. Una de la diferencia que existe con la mecánica clásica es que dice que los objetos existen en un lugar específico y en momento específico. La mecánica cuántica establece que los objetos tienen la posibilidad de estar en el punto A, otra posibilidad de estar en el punto B y así sucesivamente.

Durante muchas décadas la mecánica cuántica se desarrolló con explicaciones matemáticas controvertidas basadas en experimentos que la matemática la mecánica clásica no podía explicar. Fue a principios del siglo XX, casi al mismo tiempo que Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad, realmente una revelación matemática, separada de la física, que describe el movimiento de los objetos a altas velocidades.

A diferencia de la relatividad, las leyes de la mecánica cuántica no pueden atribuirse a una sola persona. Son varios los científicos que contribuyeron a sentar las bases de tres principios revolucionarios que de a poco fueron ganando aceptación y verificación experimental entre 1900 y 1930. Ellos son:

Propiedades cuantificadas

Las cuantificadas son ciertas propiedades como la posición, la velocidad y el calor, en algunos casos solo pueden ocurrir en cantidades ya establecidas, como el dial que, “hace clic” de un número a otro. Este fue uno de los desafíos a la mecánica clásica, que establecía que tales propiedades deberían existir en un espectro continúo y uniforme. Para describir la idea de cómo se establecía el clic como un dial, con ajustes específicos, los científicos acuñaron la palabra “cuantificado”.

Partículas de luz

Con referencia a que la luz en ocasiones puede comportarse como una partícula, en un principio no fue aceptado, ya venía de más de 200 años de experimentos que demostraban que la luz se comportaba como una onda en calma. En forma similar, la luz se comporta en el sentido que rebota en las paredes y se dobla en las esquinas y que las crestas y valles puedan sumarse o cancelarse, dando como resultado una luz brillante, mientras que las ondas que se cancelan producen oscuridad. Se puede concebir una fuente de luz como una bola en un palo que se sumerge rítmicamente en el centro de un lago. El calor que se esparce a la distancia entre las crestas, está determinada por la velocidad del ritmo de la pelota.

Ondas de materia

Entre las leyes de la mecánica cuántica se establece que la materia puede comportarse como una onda. Esto también va en contra de lo que se establece desde hace casi 30 años de experimentos, en el sentido de que la materia, como los electrones, existe como partículas.

¿Propiedades cuantificadas?

En 1900, el físico alemán Max Planck trató de demostrar la distribución de la luz. Las leyes de la física explicaban así la ecuación que implicaba que se emitían combinaciones de solo ciertos colores, específicamente aquellos que eran múltiples enteros de algún valor de base.

Esto significa que de alguna manera los colores se cuantificaron, porque la luz actuaba como una onda, lo que da como resultado que los valores del color deberían ser un espectro continuo. El argumento era tan complicado que Planck describió a la cuantificación como un truco matemático. La ecuación de Planck también establecía un número que luego sería fundamental para el futuro desarrollo de la mecánica cuántica, conocida hoy como “Constante de Planck”.

La cuantificación influyó en otros misterios de la física. Así en 1907, Einstein aplicó la hipótesis de cuantificación de Planck.  Al explicar por qué la temperatura de un sólido, podía cambiar en diferentes cantidades si se aplicaba la misma cantidad de calor al material, pero se cambiaba la temperatura inicial.

La ciencia de la espectroscopia desde comienzos del siglo XIX ha experimentado que diferentes objetos emiten y absorben colores específicos de luz, llamados “líneas espectrales”. Aunque este era un método confiable para saber sobre cómo estaban formados los objetos, como las estrellas, los científicos no podían llegar a entender por qué cada elemento emitía esas líneas específicas.