GUÍA BREVE
50 TEMAS FASCINANTES DE LA FÍSICA CUÁNTICA QUE INVITAN A REFLEXIONAR
Brian Clegg
Título original 30-Second Quantum Theory Dirección artística Michael Whitehead Dirección creativa Peter Bridgewater Edición Caroline Earle, Susan Kelly, Jamie Pumfrey Ilustraciones Ivan Hissey Texto de glosarios Brian Clegg Traducción Dr. Ing. Alfonso Rodríguez Arias Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2015 Nueva edición en rústica 2016 © 2015 Art Blume, S. L. Carrer de les Alberes, 52, 2.º 08017 Vallvidrera, Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail info@blume.net © 2014 The Ivy Press Limited East Sussex, Reino Unido I.S.B.N.: 978-84-9801-971-1 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
WWW.BLUME.NET Este libro se ha impreso sobre papel manufacturado con materia prima procedente de bosques de gestión responsable. En la producción de nuestros libros procuramos, con el máximo empeño, cumplir con los requisitos medioambientales que promueven la conservación y el uso responsable de los bosques, en especial de los bosques primarios. Asimismo, en nuestra preocupación por el planeta, intentamos emplear al máximo materiales reciclados, y solicitamos a nuestros proveedores que usen materiales de manufactura cuya fabricación esté libre de cloro elemental (ECF) o de metales pesados, entre otros.
CONTENIDO 6
Introducción
12 14 16 18 20
El nacimiento de la teoría GLOSARIO La catástrofe ultravioleta Los cuantos de Planck Einstein explica el efecto fotoeléctrico El espectro predecible de Balmer El átomo de Bohr perfil: Niels Bohr Dualidad onda-partícula Ondas de materia de De Broglie Doble rendija cuántica
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Principios básicos GLOSARIO Espín cuántico Mecánica matricial Ecuación de Schrödinger perfil: Erwin Schrödinger El gato de Schrödinger Principio de incertidumbre de Heisenberg 50 Colapso de la función de onda 52 Decoherencia
54 56 58 60 62 64 66 68 70 72
La física de la luz y la materia GLOSARIO Principio de exclusión de Pauli Ecuación de Dirac perfil: Paul Dirac Teoría cuántica de campos Electrodinámica cuántica (QED) Peligros de la renormalización Diagramas de Feynman Regreso al pasado
114 116 118 120 122 124 126 128 130 132
Aplicaciones cuánticas GLOSARIO Láser Transistor Microscopio electrónico Escáneres de resonancia magnética Uniones de Josephson perfil: Brian Josephson Puntos cuánticos Óptica cuántica
74 Efectos cuánticos e interpretación 76 GLOSARIO 78 Divisores de haz 80 Efecto túnel 82 Experimentos superlumínicos 84 Interpretación de Copenhague 86 Interpretación de Bohm 88 perfil: David Bohm 90 Colapso y consciencia 92 Interpretación de los universos múltiples
134 136 138 140 142 144 146 148 150 152
Extremos cuánticos GLOSARIO Energía del punto cero Superconductores Superfluidos Condensados de Bose-Einstein perfil: Satyendra Nath Bose Cromodinámica cuántica Biología cuántica Gravedad cuántica
154 156 158 160
Fuentes Notas sobre los colaboradores Índice Agradecimientos
94 96 98 100 102 104 106 108 110 112
Entrelazamiento cuántico GLOSARIO «EPR» Desigualdad de Bell perfil: John Bell Criptografía cuántica Qubits Computación cuántica Teleportación cuántica Efecto Zenón cuántico
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG el tema en 30 segundos En 1927, el físico teórico alemán SUMARIO EN 3 SEGUNDOS
Las partículas son como los políticos: cuanto más intentas que se definan, tanto más cambian de posición.
REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS
El principio de incertidumbre es la razón por la que los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, son tan grandes. Para poder manejar distancias mil veces menores que el tamaño de un protón, se requieren haces de partículas cuyas energías son billones de veces mayores que las de las partículas a temperatura ambiente. Por ello se necesitan los grandes aceleradores, para aportar a los haces tales magnitudes de energía.
48 g Principios básicos
Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, una propiedad fundamental de los sistemas cuánticos. Enuncia que es imposible medir simultáneamente con exactitud perfecta ciertos pares de propiedades físicas (las denominadas variables complementarias) de un átomo o una partícula, como, por ejemplo, su posición y su momento angular, o saber con seguridad cuál es su energía en un instante preciso en el tiempo. Cuanto más precisa es la medición de una de las variables, tanto menos lo es la medida o el control de la otra. El efecto de este fenómeno es tan pequeño que se puede ignorar en los aspectos normales de la vida cotidiana, pero es espectacular para las partículas subatómicas y forma la base de la mecánica cuántica, que describe el movimiento y la dinámica de los átomos. Esta incertidumbre es un límite intrínseco a nuestra capacidad para medir los fenómenos naturales en pequeñas distancias; es una propiedad fundamental de la mecánica cuántica, no un simple fallo de los instrumentos de medida. Una consecuencia de este hecho es que la energía total de una partícula puede variar en un determinado valor, ǻE, por un corto tiempo, ǻt, siempre que se verifique ǻE.ǻt ≥ h/4ʌ, donde h es la constante de Planck. Esto implica a su vez que la ley de la conservación de la energía puede dejar de cumplirse durante períodos de tiempo muy cortos.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER pág. 42 ECUACIÓN DE DIRAC pág. 60 DIAGRAMAS DE FEYNMAN pág. 70
MINIBIOGRAFÍAS ERWIN SCHRÖDINGER
1887-1961
Físico austriaco que creó una ecuación no relativista para la mecánica cuántica y la ecuación que incluye la relatividad WERNER HEISENBERG
1901–1976
Físico teórico alemán que enunció el principio de incertidumbre
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Frank Close
Cuanto más precisamos la posición de una partícula cuántica, menos sabemos de su momento (y viceversa).
ECUACIÓN DE DIRAC el tema en 30 segundos Niels Bohr propuso en 1913 que los SUMARIO EN 3 SEGUNDOS
Para llegar a su ecuación, Dirac tuvo que combinar la física de lo muy pequeño con la de lo muy rápido.
REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS
La importancia real de la ecuación de Dirac puede llegar más allá del desarrollo de la teoría cuántica de campos: un trabajo de matemática pura había predicho correctamente la existencia de una nueva partícula fundamental: el electrón de energía negativa de Dirac. Podía ser el equivalente al electrón con carga positiva. El descubrimiento de la partícula real que encajaba con la descripción, el positrón, identificado por Carl Anderson en 1932, puede indicar que las matemáticas están íntimamente ligadas con el tejido real de nuestro universo.
60 g La física de la luz y la materia
espectros atómicos se crean cuando los átomos emiten o absorben diferentes longitudes de onda de la luz al saltar los electrones de una órbita a otra. El problema surgió cuando las mediciones del espectro del hidrógeno no coincidieron exactamente con la teoría de Bohr. Por ello, en el verano de 1927 el físico teórico británico Paul Dirac se puso a resolver este rompecabezas analizando el comportamiento de los electrones. Para hacerlo, combinó las ecuaciones ondulatorias de la mecánica cuántica desarrolladas por Erwin Schrödinger con la descripción matemática de las partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz que se encuentra en la teoría de la relatividad especial. Otros físicos habían intentado este enfoque, pero se habían topado con la dificultad de incorporar el hecho de que el electrón posee espín en una estructura relativista. Dirac resolvió el problema utilizando inteligentes métodos algebraicos con la incorporación de matrices de orden cuatro en la ecuación. El resultado fue una ecuación de onda cuántica relativista que se conoce hoy como ecuación de Dirac, que tenía soluciones para electrones de energías tanto positiva como negativa, lo que predecía la existencia de la antimateria. La brillante aportación de Dirac condujo directamente al desarrollo de la teoría cuántica de campos, base de la física de partículas moderna.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también EL ÁTOMO DE BOHR pág. 24 ESPÍN CUÁNTICO pág. 38 ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER pág. 42 TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS pág. 64
MINIBIOGRAFÍAS WILLIAM CLIFFORD
1845–1879
Matemático británico que fue el primero en desarrollar el álgebra que Dirac utilizó más tarde CARL ANDERSON
1905–1991
Avanzado experimentador estadounidense que encontró antielectrones en los rayos cósmicos
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Leon Clifford
Dirac estableció el marco para poner la teoría de la relatividad en línea con el espectro atómico observado.
ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO GLOSARIO
bit Acrónimo de BInary digiT. Unidad básica de almacenamiento en la computación que puede tener los valores de 0 y 1. cavidad de microondas Cámara metálica que confina una onda electromagnética en la región de microondas del espectro. La cámara actúa como resonador, del mismo modo que una cuerda puede vibrar a una determinada frecuencia, pero en lugar de ser una onda física entre los dos puntos fijos de la cuerda, en una cavidad de microondas es una onda electromagnética que «cabe» entre dos puntos «fijos» creados por las paredes metálicas de la cámara. conservación de la cantidad de movimiento La cantidad de movimiento de un objeto es el producto de su masa por su velocidad. La cantidad de movimiento se conserva, es decir que, si una partícula estacionaria (con cantidad de movimiento nula) se divide en dos partículas en movimiento, estas deben tener cantidades de movimiento iguales y opuestas. criptografía Uso de códigos y cifras para ocultar el significado de una información.
96 g Entrelazamiento cuántico
entrelazamiento cuántico Aspecto fundamental de la teoría cuántica: dos (o más) partículas cuánticas pueden ser vinculadas entre sí de tal modo que un cambio en el estado de una partícula se refleja instantáneamente en la otra, independientemente del espacio que las separe. Einstein creía que esto era imposible, ya que las partículas «se comunican» a una velocidad superior a la de la luz, pero ha sido demostrado experimentalmente en numerosas ocasiones. escáner de resonancia magnética Equipo médico que utiliza imanes superconductores para manipular el espín de los protones en el núcleo de los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, normalmente las de los seres vivientes. Cuando las moléculas se alteran, actúan como diminutos transmisores cuya emisión es detectada por el escáner. libreta de un solo uso Sistema indescifrable de cifrado diseñado en 1918. Cada uno de los caracteres del mensaje que se debe cifrar tiene un valor que se le añade aleatoriamente. El mensaje final es aleatorio en sí y no se puede descifrar. A pesar de ello, no fue muy utilizado ya que la lista de valores (la «libreta») tiene que darse a los dos extremos de la comunicación, y podría ser interceptada.
puntos cuánticos Nanopartículas de un semiconductor que actúan como un átomo artificial. Se utilizan en la tecnología cuántica, especialmente en la electrónica y las células solares, y como qubits en los ordenadores cuánticos. Véase página 130. qubit Equivalente al bit en la computación cuántica. En tanto que el bit puede tener solo los valores 0 y 1, un qubit puede estar en superposición de estados que representa la probabilidad de ser 0 y 1. Los qubits también se pueden entrelazar, multiplicando las combinaciones de valores, de modo que con los qubits se tiene mucha mayor capacidad de computación que con los bits. realidad local La idea de que una partícula cuántica solo puede influir en otra partícula si está cercana (posición local) y si sus propiedades tienen valores reales (realidad). El experimento mental «EPR» de Einstein (véase pág. 98) establece que la teoría cuántica es falsa o la realidad local no existe para las partículas cuánticas.
superposición Cuando una partícula cuántica tiene un estado que, por ejemplo, puede tener dos valores, no tendrá un valor real, sino una superposición (una colección de probabilidades de estar en esos estados) hasta que se mida, cuando se colapsa en un valor real. Una moneda lanzada al aire no tiene superposición. Antes de mirar, la moneda ya tiene uno de los dos estados. Sin embargo, una partícula cuántica no tiene un valor, solo probabilidades, mientras está en superposición. variables ocultas Einstein y algunos otros dudaban de la naturaleza basada en la probabilidad de la teoría cuántica. Ellos creían que existe una realidad subyacente que proporciona el valor real observado, en lugar de depender de la probabilidad. Los valores ocultos reciben el nombre de variables ocultas.
Glosario g 97
TELEPORTACIÓN CUÁNTICA el tema en 30 segundos En una oscura noche sin luna de 2012, SUMARIO EN 3 SEGUNDOS
En la teleportación cuántica, toda la información sobre un objeto cuántico se escanea y se recrea en un nuevo lugar utilizando las partículas entrelazadas que constituyen los extremos de una línea de comunicación cuántica. REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS
La teleportación cuántica no permite una comunicación más rápida que la luz, ya que para reconstruir el objeto cuántico se necesitan las instrucciones del emisor, que se envían a través de una línea de comunicación clásica. Sin embargo, supera la regla de la no clonación, que impide hacer una copia perfecta de un objeto cuántico. La teleportación trabaja de modo que mueve aquello en lo que está localizada la información cuántica, y en el proceso destruye el original.
110 g Entrelazamiento cuántico
un grupo de científicos establecieron el récord de distancia de teleportación cuántica de 144 km, utilizando un láser para enviar fotones entre dos de las islas Canarias. Estos fotones estaban íntimamente conectados entre sí a través de la propiedad cuántica del entrelazamiento, de tal modo que cualquier acción sobre uno del par entrelazado afectara inmediatamente al otro, aunque estuvieran muy separados. El equipo, dirigido por Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, envió por el aire, desde una de las islas, uno de los fotones de un par entrelazado a un detector situado en la otra isla. Después utilizaron el par como línea de comunicación para enviar información sobre el estado de otro objeto cuántico, reconstruyéndolo en el otro lado de la línea. La teleportación cuántica suena mucho a ciencia ficción, por lo que, cuando el científico experto en computación Charles Bennett (de IBM, en Nueva York) y sus colegas la propusieron por primera vez en 1993, atrajo inmediatamente el interés general. En la actualidad es un área seria de investigación, con aplicaciones en las tecnologías cuánticas para la computación y las telecomunicaciones. Ha sido demostrada en varios sistemas, como entre nubes de átomos de cesio y dentro de circuitos eléctricos. Los científicos dirigen ahora sus miradas al espacio: la teleportación a satélites en órbita podría ser fundamental para crear una red global de comunicaciones cuántica.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS pág. 64 REGRESO AL PASADO pág. 72
TRANSISTOR pág. 120
MINIBIOGRAFÍAS CHARLES H. BENNETT
1943–
Investigador que trabaja en los laboratorios de investigación de IBM; su trabajo está enfocado en la relación entre la física y la información ANTON ZEILINGER
1945–
Físico cuántico austriaco y jefe del equipo que fue pionero en los experimentos de teleportación cuántica a larga distancia
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Sophie Hebden
La teleportación cuántica entre las islas Canarias fue precursora de los enlaces por satélite.
Seguramente, ya lo sabe todo sobre el gato de Schrödinger, pero ¿conoce su ecuación? ¿Cómo funcionan los láseres, los transistores y el microscopio electrónico? ¿Cuáles son los peligros de la renormalización? ¿Qué convierte un fluido en un superfluido? Y ¿qué será capaz de hacer un ordenador cuántico? Descubra la historia de algunos de los más grandes descubrimientos científicos y reflexione sobre el futuro de la física y la tecnología con esta fascinante guía por la física cuántica. 50 temas fascinantes de la física cuántica aborda un apasionante ámbito de la física con sus 50 temas y conceptos más importantes. En un momento en el que la mecánica cuántica de la electrónica es indispensable en la vida cotidiana y los nuevos descubrimientos cuánticos ocupan los titulares de los informativos, tendrá la ocasión de visitar universos múltiples, viajar por la teoría de ondas y aprender lo suficiente para hablar con propiedad sobre el principio de incertidumbre y los misterios del entrelazamiento cuántico. Brian Clegg estudió Ciencias naturales, con especialización en Física experimental, en la Universidad de Cambridge. Ha escrito en revistas y periódicos como Nature, The Times y The Wall Street Journal, y ha dado conferencias en Oxford, Cambridge y la Royal Institution. Es autor de otros libros sobre el tema y editor de la página web de crítica de libros científicos www.popularscience.co.uk.
Preservamos el medio ambiente • Reciclamos y reutilizamos. • Usamos papel de bosques gestionados de manera responsable.
ISBN 978-84-9801-971-1
9 788498 019711
la catástrofe ultravioleta los cuantos de planck einstein explica el efecto fotoeléctrico el espectro predecible de balmer el átomo de bohr dualidad onda-partícula ondas de materia de de broglie doble rendija cuántica espín cuántico mecánica matricial ecuación de schrödinger el gato de schrödinger principio de incertidumbre de heisenberg colapso de la función de onda decoherencia principio de exclusión de pauli ecuación de dirac teoría cuántica de campos electrodinámica cuántica (qed) peligros de la renormalización diagramas de feynman regreso al pasado divisores de haz efecto túnel experimentos superlumínicos interpretación de copenhague interpretación de bohm colapso y consciencia interpretación de los universos múltiples «epr» desigualdad de bell criptografía cuántica qubits computación cuántica teleportación cuántica efecto zenón cuántico láser transistor microscopio electrónico escáneres de resonancia magnética uniones de josephson puntos cuánticos óptica cuántica energía del punto cero superconductores superfluidos condensados de bose-einstein cromodinámica cuántica biología cuántica gravedad cuántica