Imagen: Órdenes de magnitud atómica.
En el mundo de lo infinitamente pequeño, los orbitales del electrón pueden tomar diferentes formas características dependiendo de la naturaleza del átomo. Por ejemplo, los orbitales del hidrógeno tienen forma esférica, los orbitales del oxígeno tienen la forma de dos gotas de agua, los orbitales del hierro tienen la forma de cuatro gotas de agua. Esta forma del orbital atómico define el tamaño del átomo.
Los tamaños característicos de los átomos o las distancias entre los núcleos de las moléculas son del orden de los angstroms (una diezmillonésima de milímetro) de acuerdo con los experimentos. Podemos decir que los átomos están separados unos de otros por unos pocos angstroms.
Sin embargo, la nube electrónica de un átomo no tiene una dimensión bien definida porque es una superposición de orbitales atómicos de carácter probabilístico. Por tanto, no existe una medida muy precisa del tamaño de los átomos porque la forma de esta región del espacio atómico depende de la energía del electrón y de su momento angular. Las energías características de los átomos son del orden de un electrón-voltio.
Los tamaños y energías de los átomos o moléculas son obviamente demasiado pequeños para ser observables directamente a nuestra escala. Pero sus efectos pueden amplificarse y hacerse visibles gracias a la colosal cantidad de átomos que componen el mundo a nuestra escala.
1 mol de hidrógeno (1H) pesa 1 g.
1 mol de hierro (56Fe) pesa 56 g.
Esta cantidad de materia está formada por 6,02 x 1023 entidades elementales.
Crédito de la imagen: vulgarisation.fr
Rareza cuántica
"Creo que es seguro decir que nadie entiende realmente la física cuántica". Richard Feynman (1918-1988), teórico de la física cuántica.
Efectivamente, la física cuántica es un misterio, pero un siglo después de su formulación, gracias a ella, los científicos comprenden completamente los fenómenos que nos rodean. Sin embargo, las implicaciones de la física cuántica son tan complejas e inusuales que gran parte de la comunidad científica ha decidido eludirlas. Los físicos están de acuerdo en cómo realizar los cálculos para dar cuenta de los fenómenos cuánticos, pero no hay consenso sobre una forma única de explicarlos. Esto deja el campo abierto a todas las divulgaciones de las que debemos tener cuidado. Muchos artículos o videos nos explican que todo es cuántico.
El término cuántico suele utilizarse indistintamente en muchas áreas de la vida cotidiana (física nuclear, química, física del estado sólido, óptica, cosmología, electrónica, medicina, biología, etc.). Esta rareza cuántica de la materia y la luz se ha extendido por todo nuestro mundo clásico.
Efectivamente a escala de partículas, el átomo es cuántico, el fotón es cuántico y por lo tanto por extrapolación todo el universo (materia y energía) es cuántico. Por lo tanto, es fácil generalizar el término cuanto a todo lo que existe.
Pero aunque la física cuántica tiene repercusiones a escala macroscópica, concierne principalmente al mundo de lo infinitamente pequeño, el de las partículas, los átomos, las moléculas de unas pocas decenas de átomos.
Sólo a esta escala atómica y subatómica aparecen los conceptos cuánticos de la materia. Entre estos conceptos que no serán explicados aquí, se encuentran la dualidad onda-partícula, la superposición de estados, el entrelazamiento cuántico o la no-localidad. Es gracias a estos conceptos que la física cuántica describe con gran precisión la estructura de la materia con sus propiedades físicas (masa, radio, naturaleza del enlace químico, estabilidad, nivel de energía, etc.).
Es probable que el futuro sea cuántico y que cada vez aparezcan más fenómenos cuánticos en nuestro mundo clásico. Pero hoy simplemente aclararé bajo qué condiciones emergen estas propiedades puramente cuánticas de la materia y la luz.
De ahí la pregunta de fondo: dado que la materia en nuestra escala está formada por objetos cuánticos, ¿por qué no obedece a los principios de superposición, dualidad, entrelazamiento?
Por ejemplo :
- El átomo cuando está aislado, es una onda del orden de un nanómetro.
- Un átomo de hierro aislado en un vacío sin luz ocupa infinidad de posiciones diferentes al mismo tiempo.
- Dos fotones cuando se producen juntos permanecen entrelazados independientemente de la distancia entre ellos.
¿Por qué estos estados cuánticos desaparecen a escala macroscópica?
Estos estados de la materia son contrarios a la intuición porque no los observamos en nuestro mundo de miles de millones y miles de millones de partículas.
A escala microscópica, un objeto cuántico aislado se comporta más como una onda que ocupa todo el espacio y es imposible localizarlo con precisión. Esto significa que cuando sobre él actúa una interacción, se encuentra con un objeto difuso, más bien borroso y no con un corpúsculo que tendría un determinado volumen situado en un lugar muy preciso.
Es la teoría de la decoherencia la que goza de amplia aceptación. Nos dice que cuando el objeto es demasiado grande o interactúa con demasiada materia en el ambiente (aire, líquido, sólido, luz, etc.) deja de ser cuántico.
Al interactuar con el entorno, el objeto cuántico cambiará a otra escala. Durante sus andanzas encontrará otros objetos en el entorno (materia y luz) e interactuará con ellos.
La complejidad de estas interacciones es tal que habrá que tomar posición porque todos sus estados cuánticos se vuelven rápidamente incoherentes, de ahí el nombre de teoría de la decoherencia.
Matemáticamente estas interacciones destruyen la fase cuántica del objeto, es decir la manifestación de la onda. Este cambio de fase eventualmente se convierte en cero y el objeto aparecerá en nuestro mundo macroscópico en uno de los estados físicos del sistema, el más probable.
En otras palabras, cualquier colisión con los átomos del entorno reduce el objeto cuántico. Esto se denomina "reducción de paquetes de ondas".
Dado que un objeto cuántico no se puede extraer del entorno terrestre, ¿cómo sabemos que existen sus estados cuánticos?
Todos los experimentos de física cuántica se llevan a cabo en condiciones extremas, bajo ultravacío oa temperaturas muy bajas (cerca del cero absoluto) o ambas. A veces incluso a presiones muy altas, cientos de veces la de nuestro entorno.
En cualquier caso, nuestra partícula nunca debe encontrarse con otras partículas hasta que sea medida.
Incluso la superconductividad (ausencia de resistencia eléctrica) o la superfluidez (ausencia de cualquier viscosidad) que actúan sobre objetos macroscópicos no pueden ocurrir a temperatura ambiente. Se observan cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto. Por ejemplo, cuando el helio líquido se lleva a menos de dos grados del cero absoluto, los corpúsculos vuelven a convertirse en ondas y se unen en una sola onda gigante, correspondiente al condensado de Bose-Einstein.
Mientras persistan las condiciones extremas de vacío y temperatura, la onda resistirá la decoherencia y persistirá. Es por eso que el helio líquido a dos grados del cero absoluto pasa a través de los nanoagujeros en la pared del vidrio (la onda ya no tiene viscosidad). Una vez fuera del vidrio, la onda interactuará con el material (aire) y desaparecerá para aparecer como corpúsculos, las gotas de helio se condensarán debajo del vidrio.
Sin sus condiciones extremas, en nuestra vida cotidiana no existen efectos cuánticos, nuestro entorno es demasiado rico, demasiado caótico, demasiado agitado, demasiado desordenado.
Sin embargo, los efectos cuánticos no están repentinamente presentes o ausentes. No pasamos de un entorno demasiado rico donde no hay efectos cuánticos a un entorno muy pobre en información donde aparecen efectos cuánticos. La función de onda φ(r,t) o densidad de probabilidad de presencia no desaparece instantáneamente sino que se atenúa lentamente antes de desaparecer en el mundo clásico. Todos los objetos cuánticos se caracterizan por esta función de onda (psi). Describe la probabilidad de que una partícula se encuentre en un lugar del espacio. Es solo durante la medición que la partícula se encogerá (interactuará con su entorno) a un lugar probable pero impredecible con precisión.
El objeto cuántico siempre tiene un tiempo de decoherencia para aparecer en el estado clásico, es pequeño pero no nulo; esto es lo que nos permite medirlo.
En resumen, el objeto cuántico es muy frágil; su fragilidad se debe a la cualidad de ultraalto vacío o ultrafrío. Los conceptos de la física cuántica en estas condiciones extremas se entienden bien y durante un siglo, ningún experimento ha fallado en sus ecuaciones.