En el mundo de la cuántica

Cada vez con más frecuencia leemos o escuchamos, generalmente relacionado con temas de física, el término cuántico, pero...

¿Qué significa cuántico?

En física, el término cuanto o quantum deriva del latín (Quantum, que representa una cantidad de algo) y en la física cuántica primitiva describía el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un estado discreto a otro.

Einstein explicó esto de manera clara, haciendo una analogía con la vida cotidiana acerca del significado de la palabra cuántica y cuantos.

En su libro “La física, aventura del pensamiento” dice que por ejemplo en una mina de carbón la producción puede variar en un modo continuo, si aceptamos cualquier unidad de medida por mas pequeña que sea. Es decir podríamos decir que se produjo 1 granito más de carbón que ayer. Lo que no podemos hacer es expresar la variación de personal en forma continua, no tiene sentido hablar de que se aumento el personal en 1,80 personas, es decir la medida de la cantidad de personal es discreta y no continua.

Otro ejemplo, una suma de dinero solo puede variar de a saltos, discontinuamente.
La unidad mínima para el dinero es el centavo. Decimos entonces que ciertas magnitudes cambian de una manera continua y otras de una manera discontinua o discreta, o sea por cantidades elementales o pasos que no pueden reducirse indefinidamente. A estos pasos mínimos e indivisibles, se los llama cuantos elementales de la magnitud en cuestión.

Es evidente que al aumentar la precisión de cómo se realizan las medidas de cualquier tipo de magnitud, unidades que se consideraban indivisibles dejen de serlo y adoptan un valor aun menor. O sea ciertas magnitudes que se consideran continuas pueden tener una naturaleza discreta.
En física, ciertas magnitudes consideradas por muchos años como continuas, en realidad están compuestas de cuantos elementales. La energía es una de estas magnitudes que al estudiar los fenómenos del mundo de los átomos, se detecto que su naturaleza no era continua sino discreta y que existe una unidad mínima o cuanto elemental de energía. Este fue el descubrimiento de Max Planck con el que se inicia la teoría cuántica.

Cuanto o quantum utilizado como un sustantivo se refiere a la cantidad más pequeña de algo que es posible tener. En el mundo de la física clásica existe el concepto de que todos los parámetros físicos como por ejemplo la energía, la velocidad, la distancia recorrida por un objeto, son continuos. Para entender que es esto de continuos, pensemos en el termómetro que mide la temperatura, cuando vemos que la misma aumenta en un grado en realidad aumento primero en una décima de grado y así siguiendo antes en una millonésima de grado etc., etc.
Es decir el proceso de aumento de temperatura que medimos con el termómetro decimos que es continuo. Bien en el mundo de la física cuántica esto no es así, en concreto cuando Max Planck estudió como se producía la radiación desde un cuerpo incandescente, su explicación fue que los átomos que componen el cuerpo incandescente, cuando liberaban energía en forma de radiación, lo hacían no en forma continua, sino en pequeños bloques a los que él denominó cuantos de energía.

Lo extraño de todo este proceso o de la explicación de Planck es que no existen posiciones intermedias, es decir no existen medios cuantos o un cuarto de cuanto. Es como si en el caso del termómetro no existiera la fracción de grado, simplemente la temperatura que está en 20º pasa de golpe a 21º. Decimos extraño porque lo que el sentido común indica es que la temperatura de un objeto aumenta cuando este recibe calor/energía; si el cuerpo está en 20º y le doy calor en una pequeña cantidad, no será suficiente para que aumente en un grado a 21º pero si para que algo aumente.

En el microscópico mundo cuántico es como si esas pequeñas cantidades se van almacenando en algún lugar sin manifestarse de ninguna forma (sin aumento de temperatura del cuerpo), para que de repente cuando la cantidad de calor transmitida alcanzó un valor tal que el termómetro muestra ahora sí un aumento de 1º, marcando 21º. ¿qué pasó en el medio?. Bueno esto que si bien no ocurre en el caso de la temperatura sino que es solo una analogía para entender, es lo que efectivamente ocurre en el mundo cuántico.

Todas las partículas que componen el universo físico se deben mover en saltos cuánticos.

Un cuerpo no puede absorber o emitir energía luminosa en cualquier cantidad arbitraria sino solo como múltiplos enteros de una cantidad básica o cuanto.

Volviendo a la extrañeza de estos fenómenos, imaginemos por un momento otra analogía: estamos arrojando piedras en un estanque de agua tranquilo.

El sentido común dado por nuestra experiencia nos dice que al hacer esto se producirán ondas en el estanque que son producto de la energía que la piedra transmitió al caer al agua. Un estanque cuántico, se comportaría de diferente forma, al arrojar una o varias piedras nada ocurrirá, y de repente sin que medie ninguna conexión entre la causa (arrojar piedras) y el efecto (se generan ondas en la superficie), el estanque comenzará a vibrar con ondas, hasta que de repente se tranquilizará nuevamente por mas que en ese momento estemos lanzando piedras. Si todas las piedras son del mismo tamaño, y arrojadas desde la misma altura, entregarán al caer la misma cantidad de energía al agua. Si dicha cantidad de energía resulta ser inferior al cuanto de energía, entonces debemos arrojar mas de una piedra para iniciar el movimiento.

El cuanto no es una cantidad que pueda subdividirse, es decir, el concepto de continuidad pierde significación, entre 0 y el cuanto no existe nada. Son estados que la naturaleza no permite. Esta es la característica esencial del descubrimiento de Planck al estudiar los fenómenos llamado radiación del cuerpo negro, existe un límite inferior al cambio de energía (absorción o emisión de energía en forma de luz) que un átomo puede experimentar.

¿y con el tiempo que sucede?

Esta visto que considerarlo como una línea es un error, una ilusión. Se dice entonces que es como un punto, una sucesión de momentos, pero, entre cada momento ¿que hay?

¿Podemos considerar al tiempo como un fenómeno cuántico?

El problema con el tiempo comenzó hace un siglo, cuando las Teorías de la Relatividad Especial y General de Einstein derrumbaron la idea del tiempo como una constante universal.

Una consecuencia derivada de esto es que pasado, presente y futuro no son absolutos, es decir, son relativos.

Las teorías de Einstein también abrieron una grieta en la física debido a que las reglas de la relatividad general (que describen la gravedad y la estructura a gran escala del cosmos) parecen incompatibles con las de la física cuántica (que gobierna el dominio de lo diminuto).

Unas cuatro décadas más tarde, el renombrado físico John Wheeler, entonces en Princeton, y el posteriormente Bryce DeWitt, entonces en la Universidad de Carolina del Norte, desarrollaron una extraordinaria ecuación que proporciona un posible marco de trabajo para unificar la relatividad y la mecánica cuántica. Pero la ecuación de Wheeler-DeWitt siempre ha sido controvertida, en parte debido a que añade otro, si cabe, giro aún más desconcertante a nuestra comprensión del tiempo.
“Uno se encuentra con que el tiempo simplemente desaparece en la ecuación de Wheeler-DeWitt”. Este es un tema que ha desconcertado a muchos científicos. Puede que la mejor forma de pensar en la realidad cuántica sea abandonando la noción de tiempo — la descripción fundamental del universo debe ser atemporal.

Nadie ha tenido éxito en el uso de la ecuación de Wheeler-DeWitt para integrar la teoría cuántica con la relatividad general.

No obstante, una minoría considerable de físicos, como Carlo Rovelli de la Universidad Meditarránea en Marsella, creen que alguna fusión exitosa de las dos grandes teorías de la física moderna inevitablemente describirán un universo en el que, finalmente, no hay tiempo.