¿Cómo se complementan la física clásica y la cuántica? – Cambio de ciencia

La física clásica, iniciada por figuras legendarias como Newton y Maxwell, revela un universo ordenado de relojes con leyes matemáticas precisas que gobiernan el movimiento, la gravedad y la energía. Sin embargo, a principios del siglo XX, el surgimiento de la física cuántica reveló un reino microscópico donde reinan la incertidumbre, las probabilidades y las conexiones espeluznantes.

Durante décadas, estos dos marcos parecieron irreconciliables. Sin embargo, la física moderna ilumina una sutil interconexión entre el mundo clásico y su base cuántica. La dinámica gravitacional de Isaac Newton parece distinta de los gatos cuánticos difusos de Erwin Schrödinger. Pero si miramos más profundamente, encontraremos una relación matizada de complementariedad en lugar de contradicción directa.

Física Clásica

La física clásica sentó las bases de la ciencia moderna y fue pionera en las descripciones matemáticas del movimiento, la gravedad y otras fuerzas. La era de la física clásica se extendió desde el siglo XVII al XIX, con Isaac Newton y James Clerk Maxwell como dos luminarias.

Algunas ideas innovadoras de la física clásica incluyen:

Leyes del movimiento de Newton:

Newton describió cómo los objetos persisten en su estado de movimiento a menos que actúe sobre ellos una fuerza. Dio la famosa ecuación F=ma, que relaciona fuerza, masa y aceleración. También afirmó que las fuerzas siempre vienen en pares iguales y opuestos, y explicó cómo interactúan las fuerzas. Juntas, estas leyes proporcionan un marco para predecir el movimiento.

Gravedad universal:

Newton también propuso la ley de la gravedad del cuadrado inverso, que establece que todo objeto en el universo ejerce una atracción gravitacional sobre todos los demás objetos. La fuerza de la gravedad depende de las masas de los objetos y de la distancia entre ellos. Esta fuerza universal explica eventos terrenales mundanos como las manzanas que caen de los árboles, así como los grandes ballets cósmicos de los planetas que orbitan alrededor de estrellas.

Leyes termodinámicas:

Las leyes de la termodinámica establecen que la energía sólo puede cambiar de forma pero nunca crearse ni destruirse. La energía térmica parece fluir espontáneamente de los objetos calientes a los fríos hasta que se alcanza el equilibrio. Estas leyes también demuestran definitivamente que las máquinas de movimiento perpetuo que generan energía de la nada son imposibles.

Ecuaciones de Maxwell:

James Clerk Maxwell desarrolló un conjunto de ecuaciones que combinan elegantemente las teorías de la electricidad, el magnetismo y la luz. Su trabajo demostró que todos estos fenómenos se propagan por el espacio como ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad constante de la luz. Las innovadoras ecuaciones de Maxwell sentaron las bases matemáticas para una serie de tecnologías modernas en campos como la electrónica, las telecomunicaciones y la óptica.

Estas ecuaciones describen la mecánica de nuestro mundo cotidiano con una precisión asombrosa, desde montañas rusas hasta planetas, desde resortes hasta redes de energía. Sin embargo, este reloj determinista se estropea en el ámbito cuántico.

Física cuántica

La física cuántica surgió a principios del siglo XX a partir del trabajo pionero de científicos como Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger y Heisenberg. Cuando investigaron la materia y la energía en escalas infinitesimales, descubrieron comportamientos extraños como ningún otro en el mundo clásico.

Los principios particulares de la física cuántica incluyen:

Dualidad onda-partícula:

Uno de los hallazgos más sorprendentes de las primeras teorías cuánticas es que las partículas fundamentales, como los electrones y los fotones, pueden comportarse como partículas discretas y como ondas dispersas. Bajo ciertas condiciones, los electrones se difractan e interfieren entre sí en forma ondulatoria, mientras que la luz puede mostrar su naturaleza de partícula al llegar en paquetes de fotones localizados. Esta confusión de la distinción entre partículas y ondas sacudió los cimientos de la física clásica.

Principio de incertidumbre de Heisenberg:

Werner Heisenberg demostró que existe un límite fundamental a la precisión con la que podemos conocer ciertos pares de propiedades como la posición y el momento. Al observar la posición de una partícula, perturbamos su impulso de una manera incognoscible. Esto implica una incertidumbre intrínseca entretejida en el tejido cuántico de la realidad, en marcado contraste con las propiedades definidas con precisión de la física clásica.

Superposición cuántica:

Las partículas no existen en un estado definido como los objetos clásicos, sino que parecen girar en una superposición fantasmal de múltiples estados simultáneos. Este extraño efecto continúa hasta que se mide la partícula y se la obliga a «elegir» un resultado definido. Schrödinger enfatizó este principio con su gato ficticio atrapado en una superposición de estados vivos y muertos.

Entrelazamiento cuántico:

Aún más impactante es el hecho de que pares o grupos de partículas pueden entrelazarse de tal manera que pierden su individualidad y se comportan como un sistema unificado. Una medición de una partícula entrelazada afecta instantáneamente a las demás, incluso si están a años luz de distancia, en un proceso llamado «acción espeluznante a distancia» por un escéptico Einstein. Este fenómeno parece desafiar nuestros conceptos cotidianos de espacio, tiempo y realidad.

Estos efectos desaparecen en los objetos grandes, pero dominan el microcosmos cuántico. Las partículas diminutas residen en un reino probabilístico confuso, en contraste con las propiedades definidas con precisión de la física clásica.

Encontrar puntos en común

Al principio, la física clásica y la cuántica parecían completamente irreconciliables. ¿Cómo pueden las leyes deterministas ordenadas de la física clásica dar paso a la aleatoriedad e incertidumbre inherentes que dominan el mundo cuántico? Poco a poco, a lo largo de décadas de trabajo pionero, la sutil relación entre los dos marcos se hizo evidente.

El principio de correspondencia:

Niels Bohr demostró que en sistemas a gran escala con un gran número de partículas, las probabilidades cuánticas perturbadas se «promedian» de tal manera que la materia comienza a comportarse de manera clásica. Las partículas cuánticas convergen para aparecer como objetos bien definidos con propiedades precisas cuando se agregan a escala macroscópica.

Fluctuaciones cuánticas:

El espacio vacío no lo es tanto después de todo. Pequeñas fluctuaciones cuánticas en vacíos aparentemente perfectos intercambian espontáneamente pares de partículas de vida corta que existen durante un breve periodo de tiempo antes de recombinarse y desaparecer en la nada. Estas omnipresentes fluctuaciones cuánticas apuntan a una espuma cuántica subyacente que da lugar al vacío escocés de la física clásica.

Radiación de cuerpo negro:

Cuando la física clásica fracasó catastróficamente a la hora de explicar el espectro de la radiación del cuerpo negro, Max Planck se vio obligado a introducir audaces hipótesis cuánticas para resolver la catástrofe ultravioleta. Esto marcó el comienzo histórico de la teoría cuántica que abordaría los fracasos de la física clásica.

Así pues, la física clásica no es estrictamente correcta, sino más bien una aproximación a gran escala de una realidad cuántica subyacente. La sincronización clásica surge de la dinámica colectiva de un gran número de diminutos engranajes cuánticos.

La explotación de los Dos Mundos

La física clásica y cuántica proporciona a la humanidad una sólida caja de herramientas para comprender, predecir y explotar la naturaleza a escalas muy diferentes.

La física clásica potencia la ingeniería y la tecnología al permitir modelos matemáticos precisos para controlar sistemas macroscópicos, desde el diseño de puentes y rascacielos hasta la optimización de las operaciones de las centrales eléctricas. El marco clásico ayuda a optimizar sistemas a gran escala donde los efectos cuánticos «sobreviven a la media».

Mientras tanto, la física cuántica proporciona la base para tecnologías transformadoras como semiconductores, láseres, escáneres de resonancia magnética e imanes superconductores. Los fenómenos cuánticos como el túnel de electrones y la cuantificación de energía permiten estas aplicaciones. El Sistema de Posicionamiento Global se basa en la dilatación relativa del tiempo, un puente entre los reinos cuántico y clásico.

A medida que investigamos los misterios y extremos más fundamentales de la física actual, nos encontramos cada vez más en los límites borrosos donde chocan el universo clásico ordenado y el frenético mundo cuántico. Campos avanzados como la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas, la materia oscura, la evaporación de los agujeros negros y el universo primitivo nos alientan a desentrañar sus secretos utilizando conocimientos de ambos marcos de la física triunfantes.

La interacción entre las leyes clásicas que gobiernan los sistemas macroscópicos y las leyes cuánticas que gobiernan el reino microscópico continúa hoy. Ambos marcos son herramientas indispensables en nuestra búsqueda por comprender la naturaleza en su nivel más profundo.