MECÁNICA CUANTICA

 La Teoría de la Relatividad, La Mecánica Cuántica

1 Introducción En el campo de la ciencia, especialmente en el de la Física, los conceptos de la Mecánica Cuántica y la Teoría de la Relatividad, representan sin lugar a dudas, una revolución en el pensamiento científico, dando unos de los mayores impulsos en la historia de la humanidad al re-descubrimiento del funcionamiento del universo y la naturaleza. El bagaje de conceptual de sus ideas ha producido cambios hasta en los conceptos filosóficos y la Metafísica. Un punto importante, es que todas las ideas producidas por estas nuevas teorías están muy lejos de agotarse, por el contrario, ellas representan sólo la punta de la madeja que los científicos y pensadores deben comenzar a tirar para desenmarañar todo un universo de conocimientos... 

 2 La Mecánica Cuántica La Mecánica Cuántica, al igual que cualquier otra teoría de la Física, nació ligada a un nuevo campo de investigaciones experimentales; las que se iniciaron con el estudio de las propiedades de la radiación de un cuerpo negro por Max Planck; extendiéndose rápidamente a la interacción entre los cuerpos materiales y la radiación electromagnética, dando lugar a los conceptos de la dualidad onda-partícula; y posteriormente a las teorías atómicas y nucleares. Las propiedades de las partículas de los sistemas atómicos y sub-atómicos difieren en forma sustantiva respecto de las propiedades de los cuerpos macroscópicos. De tal forma, que las leyes y principios de la Mecánica Clásica y el Electromagnetismo Clásico son insuficientes para realizar una descripción adecuada de la Física de los átomos, moléculas y partículas elementales individualmente. La diferencia principal entre la Mecánica Clásica Newtoniana y la Mecánica Cuántica es lo que ambas describen; la primera describe el movimiento de partículas debido a la influencia de fuerzas aplicadas y admite por sentado que magnitudes como la posición, la masa, la velocidad, la aceleración, etc... pueden ser medidas en cualquier instante. Esta suposición es totalmente válida, puesto que la Mecánica Clásica es capaz de proporcionar la explicación correcta del comportamiento de los cuerpos en movimientos a bajas velocidades, cuando se las compara con la velocidad de la luz. 

2.1 Las magnitudes “observables” y el principio de indeterminación de Heisemberg Por otro lado, la Mecánica Cuántica también desarrolla relaciones entre las magnitudes observables, pero el principio de indeterminación de Heisemberg modifica sustancialmente el concepto de “magnitud observable”, sobre todo en el tratamiento en el campo de la Física Atómica y Nuclear. Según el principio de indeterminación, la posición y la cantidad de movimiento de una partícula pequeña, del orden atómico, no pueden ser medidos exactamente al mismo tiempo, cosa que si es posible en la Mecánica Newtoniana. Las cantidades “observables” que busca medir la Mecánica Cuántica son las probabilidades de obtener un valor determinado de la medición. En principio, esta situación de la Mecánica Cuántica, da la impresión de que ésta es un pobre sustituto de la Mecánica Clásica en el campo de las partículas atómicas y subatómicos, pero un análisis más profundo de la situación lleva a la conclusión de un hecho notable: La Mecánica Newtoniana no es más que una aproximación de la Mecánica Cuántica, resultado de los promedios de los valores posibles de las magnitudes que se desea describir, que cada átomo posee y que componen el cuerpo macroscópico. No existen dos áreas diferentes, el de las partículas atómicas y subatómicas, y el de los cuerpos macroscópicos, por el contrario, existe una sola área y desde donde se aborde el problema a resolver, los resultados deben ser consistentes con la otra óptica. En este marco, tal como ocurre con la teoría de la Relatividad y la Mecánica Clásica, ésta última es una aproximación de la Mecánica Cuántica incapaz de describir los fenómenos de partículas de escalas de tamaño del orden del átomo o menor.

2.2 La discretización (cuantificación) de las magnitudes Otras de las características fundamentales de la Mecánica Cuántica es el carácter discreto de algunas de las magnitudes físicas observables (cuantificación), como lo es la discretización de la energía de de los sistemas atómicos, que trae asociado como consecuencia sus transiciones discretas. Por ejemplo, cuando un sistema atómico pasa de un estado de mayor energía (excitado), a uno de menor energía, dado que la energía se conserva, la diferencia de energía del proceso es emitida como un fotón de luz a una frecuencia determinada. Pero la energía no es la única magnitud física medible que está cuantizada; la experiencia de Stern-Gerlach probó que la cantidad de movimiento angular L de los sistemas atómicos también posee un espectro discreto de valores. Esta situación de la Mecánica Cuántica, del carácter discreto de los valores de las magnitudes fundamentales que caracterizan a los sistemas atómicos, contradice abiertamente el conjunto de conceptos de la Mecánica Clásica. El carácter discreto de las magnitudes de partículas atómicas y sub-atómicas y los cambios discontinuos de sus estados, están en contradicción con las hipótesis generales de la Mecánica Newtoniana que expresan que una fuerza infinitamente pequeña determina una variación infinitesimal del estado en que se encuentra cualquier sistema, siendo posible determinar en cualquier momento las magnitudes físicas que intervienen en el proceso, cuyas magnitudes evolucionan infinitesimalmente tomando valores continuos. 

2.3 La naturaleza dual onda-partícula Uno de lo hechos más importantes que presenta la Mecánica Cuántica es que en el mundo físico de las partículas atómicas y sub-atómicas se unen de manera sorprendente las propiedades de las partículas ordinarias con las propiedades de los corpúsculos de las ondas (fotones). Esta propiedad fundamental es llamada el dualismo onda-partícula. Dicho en forma más precisa, bajo ciertas condiciones las micropartículas se comportan como cuerpos materiales, mientras que para otras condiciones las mismas micro-partículas presentan propiedades ondulatorias; y en algunas ocasiones, como en el caso de la resonancia magnética nuclear, manifiestan las propiedades de la naturaleza cospuscular y ondulatoria a la vez. Esta naturaleza onda-partícula de las partículas atómicas se manifestó por primera vez en las experiencias de cuantos de luz de Max Planck. En lo que concierne a las propiedades corpusculares de la radiación electromagnética se develaron en el descubrimiento del efecto Compton, que admite tan sólo esa interpretación del fenómeno, puesto que desde el electromagnetismo clásico no se puede explicar como una onda electromagnética incidente puede hacer retroceder una partícula de dimensiones atómicas sin poner en movimiento el resto de las partículas que se encuentran en las cercanías. 

Otra experiencia extraordinaria que confirma el fenómeno de comportamiento de propiedades corpusculares de la luz, es el conocido efecto Fotoeléctrico. Los datos experimentales obtenidos a partir de las numerosas experiencias realizadas en este campo de la Física, probaron que a cada fotón de luz se le puede atribuir una energía E y una cantidad de movimiento p dadas por las cantidades: E = hν p = E/c = h/λ Donde h = 6.625.10-34 Joule.s es conocida como la constante de Planck, y νyλ son la frecuencia y la longitud de onda de la onda electromagnética de luz respectivamente. 

 La Mecánica Cuántica es el mejor resultado de los esfuerzos de todos los científicos en la historia de la humanidad para describir en forma integral la dinámica de las partículas, independientemente de su tamaño. Pasando a ser la Mecánica Clásica una aproximación muy buena para el caso particular de los cuerpos macroscópicos.

 2.4 Principio de indistinguibilidad de las partículas cuánticas Si se estudia un sistema de partículas de una misma especie, por ejemplo un sistema de electrones, protones, neutrones, etc... En tales sistemas se manifiestan nuevas e importantes peculiaridades para las que no existen propiedades análogas en la Mecánica Clásica. Estas particularidades resultan obvias cuando se estudian los diferentes procesos de colisiones de partículas clásicas y partículas atómicas. En la Mecánica Clásica, las propiedades de cada partícula se caracterizan por su masa. Si las masas de dos partículas que chocan son iguales, ambas se consideran por completo equivalentes. El estado de cada una esta dado por las condiciones iniciales. Se mueven según trayectorias determinadas, chocan en cierto punto del espacio y divergen sus trayectorias correspondientes. Así, a lo largo de todo momento es posible identificar individualmente cada partícula a pesar de tener la misma masa