Este artículo es un extracto de la guía Shortform sobre «Una breve historia del tiempo», de Stephen Hawking. Shortform los mejores resúmenes y análisis del mundo sobre los libros que deberías leer.
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¿Qué es la teoría cuántica? ¿Qué fenómenos intenta explicar la teoría de la mecánica cuántica?
La teoría cuántica (también conocida como física cuántica o mecánica cuántica) es una de las teorías fundamentales de los fenómenos materiales. Explica las propiedades y el comportamiento de la energía y la materia a nivel de átomos, moléculas y partículas subatómicas.
Aprende los fundamentos de la teoría de la mecánica cuántica, explicados en términos sencillos.
Mecánica cuántica: conceptos básicos
A principios del siglo XX, el físico alemán Max Planck propuso que las ondas (como la luz, las ondas de radio y las microondas) no emiten energía de forma aleatoria o arbitraria, sino en cantidades discretas a las que denominó «cuantos». La cantidad de energía liberada en un cuanto es proporcional a la frecuencia de onda del tipo de radiación en cuestión. La frecuencia de onda es, sencillamente, el número de ondas que pasan por un punto fijo en una unidad de tiempo determinada.
El principio de incertidumbre
Werner Heisenberg dedujo de la teoría de Planck que el mero hecho de incidir un cuanto de luz de alta frecuencia sobre una partícula (lo cual era la única forma de medir su posición y velocidad) perturbaría, por sí mismo, a la partícula y alteraría su velocidad. Sin embargo, era totalmente imposible predecir exactamente cómo se vería alterada. El mero intento de observación hacía imposible medir con precisión la posición y la velocidad de la partícula. Este era el principio de incertidumbre. Marcó el comienzo del nuevo campo de la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica adopta un enfoque probabilístico en lugar de uno absoluto. Siguiendo el principio de incertidumbre, no pretende establecer una única interpretación o resultado definitivo; además, la mecánica cuántica y el principio de incertidumbre nos indican que no resulta tan útil concebir el mundo físico como compuesto por ondas (como la luz y las ondas de radio) y partículas (como los átomos que conforman toda la materia). Es mejor pensar en nuestras observaciones del mundo en términos de ondas y partículas:dependiendo del fenómeno, a veces es más útil pensar en las partículas como ondas, y otras veces es más útil pensar en las ondas como partículas.
Estas teorías, que defienden el comportamiento variable de las partículas y las ondas, han tenido un profundo impacto en nuestra comprensión de la estructura de los átomos y las moléculas. Aunque nunca podremos predecir el movimiento de los electrones dentro de los átomos con una certeza del 100 %, sí podemos predecir las probabilidades de que se produzcan distintos fenómenos, dentro de los límites impuestos por el principio de incertidumbre. Cualquier observación. Predice una serie de resultados posibles e intenta calcular las probabilidades de cada uno de ellos.
Números imaginarios
Un aspecto de la teoría cuántica es que las partículas no siguen una única trayectoria, sino que, por el contrario, siguen una serie de trayectorias posibles a lo largo de todo el espacio-tiempo. Calculamos la probabilidad de cada trayectoria para determinar la probabilidad de que una partícula se haya encontrado en un punto concreto del espacio-tiempo. Por lo tanto, la teoría cuántica conlleva un cierto grado de imprevisibilidad y aleatoriedad.
Podemos extender los principios de la mecánica cuántica al concepto matemático de los «números imaginarios». Los números imaginarios son un concepto bien establecido que se refiere a los números situados perpendicularmente a los de una recta numérica tradicional positiva-negativa (cuyos valores podrían representarse visualmente como una línea que va de izquierda a derecha).
Los números imaginarios, a diferencia de los números reales, dan como resultado valores negativos cuando se multiplican por sí mismos. La mecánica cuántica admite que las partículas tengan valores distintos de los negativos y positivos (o «hacia atrás» y «hacia adelante»). En este modelo, el espacio-tiempo tendría una extensión finita, pero sería ilimitado (como la Tierra, que tiene una masa y un volumen finitos, pero carece de bordes o límites).
El problema clásico de la relatividad general es la singularidad, esa zona del espacio-tiempo anterior al Big Bang o en un agujero negro: los límites del universo observable donde la previsibilidad dejaría de ser válida. Pero la mecánica cuántica elude este problema porque postula que no hay límites. El universo simplemente existe, sin verse afectado por nada de lo que se encuentre fuera de él.
En un mundo de números imaginarios, donde el tiempo es indistinguible del espacio, es posible que simplemente estemos viviendo en una de las posibles historias del universo, mientras que otras innumerables historias se desarrollan en algún otro plano de la existencia que nunca podremos ver ni que nos afectará.
La mecánica cuántica frente a la relatividad
La teoría de la mecánica cuántica es incompatible con las predicciones de la relatividad, aunque, paradójicamente, ambas sean teorías ampliamente contrastadas que ofrecen predicciones precisas sobre el universo. Las predicciones de la relatividad, que tratan fenómenos a escala universal y a gran escala, se desmoronan cuando se aplican al nivel subatómico de la mecánica cuántica. Gran parte de lo que creemos saber sobre la física simplemente se desmorona a nivel cuántico, donde las partículas se comportan de formas extrañas y —gracias al principio de incertidumbre— impredecibles. Unir la mecánica cuántica y la relatividad es uno de los grandes retos para establecer una teoría completa del universo.
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Esto es lo que encontrarás en nuestro resumen completo de «Una breve historia del tiempo» :
- La búsqueda de una teoría que explique la historia y la evolución de nuestro universo
- Las reflexiones de Stephen Hawking sobre el tiempo, el espacio, las dimensiones y la teoría cuántica
- Cómo funcionaría, en teoría, el viaje en el tiempo
