Descripción de la imagen: En el mundo de lo infinitamente pequeño, los orbitales de los electrones pueden tomar diferentes formas características dependiendo de la naturaleza del átomo. Los orbitales del hidrógeno tienen una 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" (≈ 10-10) aunque el tamaño de un átomo no tiene una medida precisa porque la forma de esta región del espacio atómico depende de la energía del electrón y de su momento angular. Crédito de la imagen: vulgarisation.fr
"Creo que puedo afirmar con seguridad que nadie entiende realmente la mecánica cuántica." Richard Feynman (1918-1988), teórico de la física cuántica.
Las implicaciones de la mecánica cuántica son tan complejas e inusuales que gran parte de la comunidad científica ha decidido evitarlas. Sin embargo, los físicos están de acuerdo en cómo realizar los cálculos para explicar los fenómenos cuánticos, pero no hay consenso sobre una única manera de explicarlos. Esto deja espacio para todo tipo de divulgaciones, que deben ser abordadas con cautela. Muchos artículos o videos nos dicen que todo es cuántico.
El término cuántico se usa a menudo de manera indiscriminada en muchas áreas de la vida cotidiana (física nuclear, química, física del estado sólido, óptica, cosmología, electrónica, medicina, biología, etc.). Esta extrañeza cuántica de la materia y la luz se ha difundido por todo nuestro mundo clásico.
A escala de partículas, el átomo es cuántico, el fotón es cuántico y, por extrapolación, todo el universo (materia y energía) es cuántico. Así, es fácil generalizar el término cuántico a todo lo que existe. Pero aunque la física cuántica tiene repercusiones a escala macroscópica, se refiere principalmente al mundo de lo infinitamente pequeño, el de las partículas, átomos, moléculas de unas pocas decenas de átomos. Es solo a esta escala atómica y subatómica que los conceptos cuánticos de la materia aparecen. Entre estos conceptos, que no se explicarán aquí, están la dualidad onda-partícula, la superposición de estados, el entrelazamiento cuántico y la no-localidad. Gracias a estos conceptos, la física cuántica describe con gran precisión la estructura de la materia y sus propiedades físicas (masa, radio, naturaleza del enlace químico, estabilidad, nivel de energía, etc.).
- El átomo, cuando está aislado, es una onda del orden del nanómetro.
- Un átomo de hierro aislado en el vacío ocupa una infinidad de posiciones diferentes al mismo tiempo.
- Dos fotones, cuando se producen juntos, permanecen entrelazados independientemente de la distancia que los separe después.
Estos estados de la materia son contraintuitivos porque no los observamos en nuestro mundo compuesto de miles de millones de partículas. A escala microscópica, un objeto cuántico aislado se comporta más como una onda que ocupa todo el espacio, lo que hace imposible localizarlo con precisión. Esto significa que cuando una interacción actúa sobre él, encuentra un objeto difuso, más bien borroso, no una partícula que tiene un cierto volumen situado en un lugar específico. La teoría de la decoherencia, que es ampliamente aceptada, nos dice que una vez que el objeto es demasiado grande o interactúa con demasiada materia del entorno (aire, líquido, sólido, luz, etc.), deja de ser cuántico.
Al interactuar con el entorno, el objeto cuántico pasará a otra escala. Durante sus andanzas, encontrará otros objetos del entorno (materia y luz) e interactuará con ellos.
La complejidad de estas interacciones es tal que tendrá que tomar posición porque todos sus estados cuánticos rápidamente se vuelven incoherentes, de ahí el nombre de la teoría de la decoherencia. Matemáticamente, estas interacciones destruyen la fase cuántica del objeto, es decir, la manifestación de la onda. Este desfase eventualmente se anula 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 llama "colapso de la función de onda."
Todos los experimentos en física cuántica se realizan bajo condiciones extremas, en ultraalto vacío o a temperaturas muy bajas (cerca del cero absoluto) o ambas. A veces incluso, a presiones muy altas, cientos de veces la de nuestro entorno.
En todos los casos, nuestra partícula nunca debe encontrarse con otras partículas hasta que se mida. Incluso la superconductividad (ausencia de resistencia eléctrica) o la superfluidez (ausencia de cualquier viscosidad) que ocurren en objetos macroscópicos no pueden manifestarse a temperatura ambiente. Se observan cuando la temperatura se acerca al cero absoluto. Por ejemplo, cuando el helio líquido se lleva a menos de dos grados por encima del cero absoluto, las partículas vuelven a ser ondas y se unen en una única 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 por encima del cero absoluto pasa a través de los nano agujeros de la pared de vidrio (la onda ya no tiene ninguna viscosidad). Una vez fuera del vidrio, la onda interactúa con la materia (aire) y desaparece para manifestarse como partículas, con gotas de helio condensándose bajo el vidrio.
Sin estas condiciones extremas, en nuestra vida cotidiana, los efectos cuánticos no existen, nuestro entorno es demasiado rico, demasiado caótico, demasiado agitado, demasiado desordenado. Sin embargo, los efectos cuánticos no están presentes o ausentes de una sola vez. No pasamos de un entorno rico en el que no hay efectos cuánticos a un entorno muy pobre en información donde los efectos cuánticos aparecen. La función de onda φ(r,t) o la densidad de probabilidad de presencia no se anula instantáneamente, sino que se atenúa lentamente antes de desaparecer en el mundo clásico. Todos los objetos cuánticos están caracterizados por esta función de onda (psi). Describe la probabilidad de que una partícula se ubique en un punto del espacio. Solo durante la medición, la partícula se reducirá (interactuará con su entorno) a un lugar probable pero precisamente impredecible.
El objeto cuántico siempre tiene un tiempo de decoherencia para aparecer en el estado clásico, es pequeño pero no nulo; esto nos permite medirlo.
El objeto cuántico es muy frágil; su fragilidad se debe a la calidad del ultraalto vacío o del ultrafrío. Los conceptos de la física cuántica en estas condiciones extremas están bien comprendidos. Durante un siglo, ningún experimento ha invalidado sus ecuaciones.
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