Introducción a la física cuántica

La idea

Qué vas a aprender

• La física clásica se queda cortaconcepto

  La física clásica describe muy bien objetos grandes y lentos: pelotas, autos, planetas. Ahí, la energía puede tomar cualquier valor y variar de forma continua, como el agua que sale de una canilla. Pero a comienzos del 1900, al estudiar la radiación que emite un cuerpo caliente (como un metal al rojo) y cómo la luz interactúa con la materia, los físicos se toparon con resultados que la teoría clásica no podía predecir. Algo fallaba en la idea de que la energía fluye de manera continua.

• La cuantización de la energíaconcepto

  Max Planck, en 1900, propuso una hipótesis audaz para resolver ese problema: la energía no se emite ni se absorbe de forma continua, sino en paquetes discretos llamados cuantos. Es como si en vez de poder servirte cualquier cantidad de agua de una canilla, solo pudieras llenar vasos enteros, nunca una fracción de vaso. La energía de cada cuanto depende de la frecuencia $f$ de la radiación:

  $$E = h \cdot f$$

  donde $h$ es la constante de Planck ($h \approx 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$), un número minúsculo que muestra por qué esta "granulación" de la energía es invisible en la vida cotidiana y solo se nota a escala atómica.

• El efecto fotoeléctrico: la prueba claveconcepto

  El efecto fotoeléctrico ocurre cuando la luz incide sobre la superficie de un metal y arranca electrones de él. La física clásica esperaba que, con luz más intensa, los electrones salieran con más energía, sin importar el color (frecuencia) de la luz. Pero los experimentos mostraban otra cosa: si la frecuencia de la luz era baja, no salía ningún electrón, sin importar cuán intensa fuera; y si la frecuencia superaba cierto umbral, salían electrones incluso con luz débil.

  Albert Einstein explicó esto en 1905 retomando la idea de Planck: la luz misma viaja en paquetes de energía, los fotones, cada uno con energía $E = h \cdot f$. Un electrón solo se libera si un fotón individual tiene suficiente energía para arrancarlo (superar la llamada función trabajo del metal); aumentar la intensidad de la luz agrega más fotones, no más energía por fotón. Este trabajo le valió a Einstein el Premio Nobel y fue una de las primeras pruebas sólidas de que la luz tiene naturaleza de partícula.

• Dualidad onda-partículaconcepto

  Antes se sabía que la luz se comporta como onda (produce interferencia y difracción, fenómenos típicos de las ondas). El efecto fotoeléctrico mostró que también se comporta como partícula. La conclusión no es que una descripción esté mal y la otra bien, sino que la luz —y, como se descubrió después, también la materia (electrones, por ejemplo)— tiene una doble naturaleza: según el experimento que se haga, se manifiesta como onda o como partícula. Esta dualidad onda-partícula es una de las ideas más originales y más difíciles de "visualizar" de la física cuántica, porque no tiene equivalente en la experiencia cotidiana con objetos grandes.

• Una ruptura con la física clásicaconcepto

  Estas ideas —cuantización, fotón, dualidad— muestran que en el mundo de lo muy pequeño las reglas de la física clásica dejan de alcanzar. No es que la física de Newton esté "mal": sigue funcionando perfecto para autos, puentes y planetas. Lo que ocurre es que tiene un límite de aplicación, y más allá de ese límite —a escala atómica y subatómica— hace falta un marco nuevo: la física cuántica.

Ejemplos resueltos

• Antes se sabía que la luz se comporta como onda (produce interferencia y difracción, fenómenos típicos de las ondas). El efecto fotoeléctrico mostró que también se comporta como partícula. La conclusión no es que una descripción esté mal y la otra bien, sino que la luz —y, como se descubrió después, también la materia (electrones, por ejemplo)— tiene una doble naturaleza: según el experimento que se haga, se manifiesta como onda o como partícula. Esta dualidad onda-partícula es una de las ideas más originales y más difíciles de "visualizar" de la física cuántica, porque no tiene equivalente en la experiencia cotidiana con objetos grandes.

Errores comunes

• "Más intensidad de luz siempre saca más electrones en el efecto fotoeléctrico".

  No: si la frecuencia de la luz está por debajo del umbral del metal, no sale ningún electrón, sin importar cuán intensa sea la luz.

  Cómo corregirlo: No: si la frecuencia de la luz está por debajo del umbral del metal, no sale ningún electrón, sin importar cuán intensa sea la luz.

• "La luz es onda O partícula, hay que elegir".

  No hay que elegir: la luz tiene una naturaleza dual, se comporta como una u otra cosa según el experimento.

  Cómo corregirlo: No hay que elegir: la luz tiene una naturaleza dual, se comporta como una u otra cosa según el experimento.

• "La cuantización significa que la energía 'desaparece' entre un valor y otro".

  No desaparece: simplemente no puede tomar valores intermedios, como no podés comprar media entrada de cine.

  Cómo corregirlo: No desaparece: simplemente no puede tomar valores intermedios, como no podés comprar media entrada de cine.

• "La física cuántica dice que la física clásica está mal".

  No está mal: sigue siendo válida y precisa para el mundo macroscópico. La cuántica extiende la descripción al mundo atómico, donde la clásica deja de funcionar.

  Cómo corregirlo: No está mal: sigue siendo válida y precisa para el mundo macroscópico. La cuántica extiende la descripción al mundo atómico, donde la clásica deja de funcionar.

• "$h$ es una constante inventada sin sentido físico".

  Es una constante fundamental de la naturaleza, medida experimentalmente, que fija la escala en la que los efectos cuánticos se vuelven notorios.

  Cómo corregirlo: Es una constante fundamental de la naturaleza, medida experimentalmente, que fija la escala en la que los efectos cuánticos se vuelven notorios.

En resumen