La construcción del edificio

Aunque se afirma que la física cuántica nació con el descubrimiento de Planck, en 1900, lo cierto es que su formulación se inició hasta 1925, con los trabajos de otro físico alemán, Werner Heisenberg. Es indudable que la mecánica cuántica, como casi todas las teorías científicas modernas, es una obra colectiva resultante de una gran variedad de esfuerzos personales realizados durante muchos años y en diversos lugares. Sin embargo, buscando los antecedentes determinantes de lo que ahora sabemos de ese campo, es imposible pasar por alto un artículo –fechado en 1925– en el que Heisenberg señaló la importancia de cambiar la formulación matemática de los fenómenos que ocurren en el mundo atómico.

A partir de 1926, el desarrollo de la mecánica cuántica fue espectacular. En ese año Erwin Schrödinger (físico austriaco) formuló la famosa ecuación que desde entonces lleva su nombre y con ella los físicos iniciaron la construcción del gran edificio que alberga ahora las explicaciones de los fenómenos atómicos y moleculares. Poco después se puso en limpio la estructura matemática de la teoría cuántica, especialmente por los trabajos del físico inglés Paul Adrien, Maurice Dirac y del matemático estadounidense, de origen húngaro, John von Neumman. Los logros de la mecánica cuántica fueron tantos que enumerarlos llenaría esta revista. Sin embargo no todo era miel sobre hojuelas, pues la lista de problemas pendientes también fue creciendo.

 

.....Cuando un conjunto de átomos es sometido a una acción externa –un calentamiento o el paso de una corriente eléctrica– éstos emiten radiación electromagnética, por ejemplo luz. El caso del hidrógeno gaseoso fue el favorito de los laboratorios de física, por lo que el arreglo de las líneas luminosas que emite –su espectro– constituyó una especie de modelo para el estudio de la emisión atómica. No obstante, en 1947 el físico estadounidense Willis Lamb, aprovechando las técnicas para el manejo de microondas desarrolladas durante la segunda Guerra Mundial, descubrió algo inesperado: una de las líneas luminosas del hidrógeno era compuesta y podía separarse en dos, lo que se pensaba era imposible de acuerdo con la teoría aceptada en esos momentos. Unos cuantos meses después los estadounidenses Julian Schwinger y Richard Feynman publicaron una reformulación de la mecánica cuántica con la cual se podía explicar –y calcular– la separación de líneas descubierta por Lamb. El desarrollo de la física cuántica ha continuado hasta nuestros días y no es este el lugar para seguir esbozando su historia.

 

¿Qué es la física cuántica?

La naturaleza atómica de la materia es algo ahora aceptado. Sin embargo, la comprensión del mundo microscópico entraña muchas difilcutades, ya que el comportamiento de sus componentes es muy direfente al de los que conforman el mundo de la vida cotidiana. Para explicar ese comportamiento fue necesario construir la física cuántica. Lo común es pensar que al aceptar que la materia tiene una estructura atómica se acepta también que toda sustancia está compuesta por partes irreducibles –átomos en su sentido literal– y que éstas son las partículas estudiadas en la mecánica newtoniana. Lo primero es correcto pero lo segundo no, ya que suponer que toda sustancia está compuesta por partículas puntuales conduce a predicciones falsas como las que tuvo que enfrentar Plack al estudiar la radiación del cuerpo negro. Veamos por qué.

Cuando un haz luminoso incide en un vidrio parte de él lo atraviesa y la otra parte se refleja. Si consideramos que la luz está formada por fotones explicaríamos la experiencia anterior diciendo que la superficie del vidrio admite que algunos fotones sigan su camino y que otros boten y regresen. La aceptación de la estructura atómica obliga a responder qué sucede a cada componente por lo que cabe preguntarse qué ocurriría si incide un sólo fotón en la superficie del vidrio; ¿el fotón pasa o se regresa? Antes de tener una respuesta surge, inevitablemente, otra pregunta: ¿el fotón es una partícula puntual?

 

Para estudiar el comportamiento de los fotones la mecánica cuántica no empieza presuponiendo que tiene una forma específica, pues la noción de partícula que esa teoría ha elaborado es muy flexible y ajustable. Ese comportamiento se define en relación con el tipo de observación o experimento en el que intervendrá la partícula y ésta puede ser imaginada con modelos de la física clásica: una partícula o una onda. Así, cuando se trata de determinar imágenes formadas por cuerpos luminosos, como las estrellas, se emplea la noción de "rayo de luz", trayectoria análoga a la que seguiría una partícula de las tratadas en los libros de mecánica newtoniana. Si para estudiar el mismo cuerpo se hace que la luz que emite provoque un efecto de interferencia, convendrá emplear la noción de onda luminosa, aunque el detector de luz sea un contador de fotones. Esto hace que muchos hablen de la "dualidad partícula-onda" cuando explican los fenómenos luminosos.