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Introducción a la Mecánica Cuántica
Juan Carlos López Vieyra
vieyra@nucleares.unam.mxInstituto de Ciencias Nucleares de la UNAM
"... I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics"
La Mecánica Cuántica es la ciencia de lo muy pequeño: el cuerpo de principios que explica el comportamiento de la materia y sus interacciones con la energía en la escala de átomos y partículas subatómicas 10,000,000,000 más pequeñas que la escala humana. La experiencia diaria no nos sirve para intuir cómo se mueven esos objetos. (Extractos de Wikipedia)
A Manera de Introducción
(del libro Qué es la Mecánica Cuántica, del ruso V.I. Ridnik)
Energía atómica. Isótopos radiactivos. Semiconductores. Partículas elementales. Generadores cuánticos. Estas palabras son hoy de todos conocidas. Su existencia se debe a la física del siglo XX.
En nuestro tiempo los conocimientos humanos se desarrollan con una rapidez fantástica. Y cada adelanto descubre a los hombres nuevos mundos.
Las antíguas ciencias han llegado a una segunda juventud. Literalmente ante nuestros ojos se lanzó rauda hacia adelante la física y ocupó la primera línea de ataque a lo desconocido. Y prosigue esta ofensiva en un frente cada vez más amplio, cada vez con mayor empuje, cuyo avance sólo se retarda con objeto de reagrupar fuerzas para un nuevo y decisivo salto adelante.
Para descubrir los secretos de la naturaleza la física necesitaba un arma poderosa. Y la física forjo esta arma. Su arsenal cuenta ya con la poderosa artillería de los experimentos exactos y convincentes. Su estado mayor, con centenares y millares de teóricos que trazan el camino por el cual se lleva a cabo la ofensiva, estudiando minuciosamente los trofeos logrados en los experimentos. La física no desarrolla a ciegas esta ofensiva. Alumbra el campo de batalla contra lo desconocido con los reflectores de las poderosas teorías físicas. Los más potentes reflectores de la física moderna son: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica es coetánea de nuestro impetuoso siglo. Coetánea en el sentido estricto de la palabra, porque la historia de las ciencias cuenta la edad de la teoría cuántica a partir del 17 de Diciembre de 1900. Este día el científico alemán Max Planck dio a conocer en la sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín su intento de vencer una de las dificultades de la teoría de la radiación térmica.
En la ciencia surgen dificultades a cada paso. Y cada día tratan de superarlas los científicos. Pero el intento de Planck tuvo una importancia trascendental: predeterminó el desarrollo de la física en un futuro de muchos años.
De la semilla de la nueva concepción de las radiaciones expuesta por Planck creció el árbol gigantesco de los nuevos conocimientos de hoy. De esta misma semilla nacieron también admirables descubrimientos, que ni la fuerza imaginativa de los novelistas de ciencia ficción mas perspicaces pudo prever. De la hipótesis de Planck surgió la mecánica cuántica que expuso a la observación de los hombres un mundo absolutamente nuevo. Un mundo que hasta entonces columbraban vagamente y que con más vaguedad aun se figuraban: el mundo de las cosas súperpequeñas, de los átomos, de los núcleos atómicos y de las partículas elementales.
A continuación un relato …
Del breviario del Sr. Tompkins
(del libro El Breviario del Sr. Tompkins del físico ruso George Gamow)
El Sr. Tompkins volvía a su casa un día, muy cansado después de la larga jornada de trabajo en el banco, que estaba realizando un catastro. Al pasar por una taberna, decidió detenerse a tomar un vaso de cerveza. Al vaso siguieron otros, hasta que el Sr. Tompkins empezó a sentirse mareado. Había al fondo una sala de billar, llena de hombres en mangas de camisa que jugaban en la mesa central. Recordó vagamente haber estado antes en el lugar, al que uno de sus compañeros de oficina lo había llevado para enseñarle a jugar. Se acercó a la mesa y empezó a mirar la partida. Pero sucedía algo muy extraño! Un jugador puso una bola en la mesa y le dió con el taco. Al mirarla rodar, el Sr. Tompkins advirtió con gran sorpresa que la bola empezaba a "desplazarse". No podía describir con otra palabra el extraño comportamiento de la bola, la cual, mientras recorría el tapete verde, se veía cada vez mas desleída, y perdía sus límites claros. Parecía que no era una sola bola la que rodaba por la mesa, sino muchas, que se penetraban parcialmente entre si. El Sr. Tompkins había observado fenómenos análogos en otras ocasiones, pero ahora sólo había tomado algo de cerveza y no veía la razón de que se le presentasen tan pronto. -Bueno -pensó-, vamos a ver cómo choca esa bola pastosa con otra.
El jugador que golpeó la bola era evidentemente un experto, pues esta choco de frente con otra, con la mayor precisión. Sonó un golpe seco y tanto la bola incidente como la golpeada (el Sr. Tompkins no podía decidir con certeza cuál era cual) se dispersaron "en todas direcciones". Era extraordinario en efecto: no se trataba ya de dos bolas, de aspecto más o menos difuminado, sino que se diría que una multitud de ellas -todas muy vagas y confusas- se desplegaban en un ángulo de 180 grados en torno a la dirección del impacto original. Parecía una onda peculiar que partiese del punto de la colisión.
El Sr. Tompkins notó, sin embargo, que por donde corrían mas bolas era en la dirección del impacto.
-Dispersión de la onda S-dijo una voz familiar detrás de él, y el sr. Tompkins reconoció al Profesor.
-Así es- respondió el Profesor-. ... lo que esta usted observando es en realidad un fenómeno mecánico cuántico.
- Ah, las matrices!- insinuó el Sr. Tompkins con sorna.
-O, mejor, la incertidumbre del movimiento- replicó el Profesor-. El propietario de este billar ha reunido aquí varios objetos que padecen, valga la expresión, de "elefantiasis cuántica". Es claro que todos los cuerpos del universo están sometidos a leyes cuánticas, pero la llamada constante cuántica, que gobierna semejantes fenómenos, es muy pequeña: tiene nada menos que 27 ceros después del punto decimal. Pero para estas bolas, sin embargo, la constante es muchísimo mayor, próxima a la unidad; así puede usted contemplar fenómenos que la ciencia solo consiguió descubrir aplicando métodos de observación muy sensibles y rebuscados --al llegar a este punto el Profesor se quedo unos instantes reflexionando.
-No es mi intención criticar- siguió diciendo-, pero quisiera saber de dónde salieron estas bolas. Estrictamente hablando, no pueden existir en nuestro mundo, por que todos los cuerpos comprendidos en él poseen la misma constante cuántica muy pequeña.
-A lo mejor las trajeron de otro mundo- propuso el Sr. Tompkins-. Pero el Profesor no quedó conforme y siguió con aire suspicaz.
-Habrá notado usted- prosiguió- que las bolas "se despliegan". O sea que su posición sobre la mesa no es del todo definida. En realidad, es imposible señalar exactamente la posición de una bola: lo más que puede decirse es que determinada bola esta "aquí en su mayor parte" y "el resto en otros lugares".
-Lo cual es extrañísimo- murmuró el Sr. Tompkins.
- Por el contrario- insistió el Profesor-, es de lo más natural, puesto que lo mismo sucede en todo momento a cualquier cuerpo material. Lo que pasa es que, a causa del pequeño valor de la constante cuántica y la tosquedad de los métodos de observación, la gente no advierte la incertidumbre, lo cual lleva a la errónea conclusión de que la velocidad y la posición son magnitudes definidas. En realidad, ambas son indefinidas hasta cierto punto, y al definir una con precisión creciente, la otra se "dispersa" cada vez más, haciéndose mas incierta. Precisamente es la constante cuántica la que gobierna la relación entre estas dos incertidumbres. Mire usted: voy a poner límites a la posición de esta bola, encerrándola en un triángulo de madera.
En cuanto la bola quedó encerrada, la superficie interior del triángulo se lleno enteramente con el lustre del marfil.
-Vea! - dijo el profesor-. Definí la posición de la bola limitándola a las dimensiones del triángulo, solo unos cuantos centímetros. Y esa conduce a una considerable incertidumbre en la velocidad. La bola se esta moviendo muy de prisa dentro del triángulo.
-Es posible detenerla? - pregunto el Sr. Tompkins.
-No. Sería físicamente imposible. Cualquier cuerpo en un espacio limitado posee cierto movimiento: el "movimiento del punto cero", como decimos los físicos. Es el caso, por ejemplo, del movimiento de los electrones en cualquier átomo.
El Sr. Tompkins contemplaba agitarse la bola en su encierro, como un tigre enjaulado, cuando sucedió algo inesperado: la bola se "escapo" a través de la pared del triángulo, y un instante después corría hacia la esquina opuesta de la mesa. Lo raro del caso es que no saltó sobre la pared de madera, sino que la atravesó, sin levantarse de la mesa.
-Ahí tiene- dijo el Sr.Tompkins-. Su "movimiento del punto cero" se ha escapado. También eso está en las reglas?
-No faltaría más. Se trata, es verdad, de una de las consecuencias más interesantes de la teoría cuántica. Es imposible mantener un objeto encerrado mientras tenga energía suficiente para correr después de atravesar la pared. Siempre acabará por "escaparse".
-Entonces no volveré jamás al zoológico- dijo el Sr. Tompkins con decisión, mientras su vívida imaginación le presentaba un cuadro aterrador de tigres y leones "cruzando" las paredes de sus jaulas. Y en seguida sus pensamientos tomaron otro rumbo: se imaginó un coche, perfectamente resguardado en un garaje, saliendo por la pared, como un viejo fantasma medieval.
-Cuánto tiempo tendría que esperar para que un coche de acero ordinario (no de la materia de estas bolas) "atravesara", digamos, la pared de un garaje de ladrillo? -preguntó al Profesor-. Me encantaría verlo!
El Profesor hizo algunos rápidos cálculos mentales y respondió al fin:
-Aproximadamente harían falta digamos unos 1 000 000 000 000 000 de años.
El Sr. Tompkins estaba acostumbrado a las grandes cifras de las cuentas bancarias, pero perdió el número de ceros mencionados por el Profesor. En cualquier caso, bastaban para no tener que preocuparse por la huída del coche.
-Supongamos que me creo todo lo que usted dice. No puedo concebir, sin embargo, cómo podrían observarse estas cosas sin las bolas que tenemos aquí.
-Objeción muy razonable- admitió el Profesor-. No he tenido la intención de decir que los fenómenos cuánticos pudieran observarse en los grandes objetos que manejamos en la vida ordinaria. Lo que pasa es que los efectos de las leyes cuánticas son mucho más apreciables en las masas diminutas, como los átomos y electrones. En estas partículas los efectos cuánticos son tan importantes, que la mecánica corriente resulta del todo inaplicable. La colisión entre dos átomos se parece muchísimo al choque de las bolas que vimos hace un momento, y el movimiento de los electrones de un átomo corresponde de cerca al "movimiento del punto cero" que mostraba la bola de billar cuando la encerré en el triángulo de madera.
-Y los átomos escapan del garaje muy a menudo?
-Si, por cierto. Indudablemente usted habrá oído hablar de los cuerpos radiactivos, cuyos átomos se desintegran espontáneamente, emitiendo partículas velocísimas. Un átomo así, o mejor dicho, su parte central, el núcleo, es análogo a un garaje lleno de coches, o sea partículas. Y esas partículas escapan atravesando las paredes del núcleo; a veces no están dentro ni un segundo. En semejantes núcleos los fenómenos cuánticos están verdaderamente a la orden del día!
El Sr. Tompkins, cansado de esta larga exposición, miraba distraídamente a su alrededor. Un gran reloj colocado en un rincón atrajo su atención. El largo y anticuado péndulo oscilaba sosegadamente de izquierda a derecha.
-Veo que le interesa el reloj -intervino el Profesor-. Es otro mecanismo no del todo corriente, pero hoy en día esta pasado de moda. Este reloj da una idea de cómo se describían al principio los fenómenos cuánticos. El péndulo esta dispuesto de tal forma que su amplitud sólo puede recibir incrementos finitos. Pero actualmente todos los relojeros prefieren los péndulos patentados, de despliegue.
-Cómo me gustaría entender estas cosas tan complicadas -suspiro el Sr. Tompkins.
-Muy bien -repuso el profesor-yo entré en esta taberna por que lo ví a usted por la ventana cuando me dirigía a dictar mi conferencia sobre la teoría cuántica. Ya no puedo quedarme mas tiempo si es que no quiero llegar tarde a mi conferencia. No viene usted?
-Claro que si! -exclamo el Sr. Tompkins.
El gran auditorio estaba, como siempre, atestado de estudiantes, y el Sr. Tompkins pudo tenerse por afortunado cuando halló donde sentarse en un escalón.
Gamow, George., 1985. El breviario del Señor Tompkins : En el pais de las maravillas. La Investigación del átomo (Fondo de Cultura Económica : México)
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