Mecánica cuántica: curiosidades y consecuencias

¿Sabías que muchos de los equipos que usas a diario le deben su existencia a la mecánica cuántica antigua? Hoy te invito a conocer el origen de esta ciencia física, algunas de las realidades que son posibles gracias a ella, y a hacer un viaje al pasado para conocer algunas curiosidades en su historia.

La mecánica cuántica antigua fue fundada por Max Plankc en el año 1900. Gracias a ella nació otro tipo de física necesaria para la moderna tecnología que vendría a continuación, que es la tecnología que actualmente usamos. Así resultó el efecto fotoeléctrico que se utiliza en las plantas de energía eléctricas para capturar la luz solar en celdas de silicio, dando lugar a la creación de las corrientes eléctricas. A su vez, gracias a la energía eléctrica es posible hacer funcionar diferentes maquinarias, alumbrarnos en la noche, encender la calefacción y el aire acondicionado, elevar los ascensores, entre tantas otras cosas cotidianas.

La mecánica cuántica antigua es la responsable del reloj atómico que funciona bajo el principio de emisión y absorción de energía. En ese sentido, cabe recordar que con la velocidad, el tiempo sufre distorsión y los satélites se mueven a elevada velocidad, por lo que se vuelve necesario sincronizar o ajustar el tiempo en los distintos dispositivos GPS (en español, Sistema de Posicionamiento Global) colocados en los satélites. 

Además del nuevo tipo de física neceasario para la tecnología, con la mecánica cuántica antigua también surgió el salto cuántico. Este es el único fenómeno responsable de la emisión y absorción de la radiación electromagnética que nos más que la luz visible.

Algunas curiosidades de la historia

Los experimentos que llevaron a cabo Rutherford y Hans Geiger en el laboratorio, mostraron que los electrones se mueven en órbitas alrededor del núcleo y que siguen órbitas clásicas tal como lo hacen los planetas en el Sistema Solar, lo cual parece ser coherente en tanto se ha observado que semejante modelo funciona puesto que el movimiento planetario es estable.

Sin embargo, encontramos una contradicción con la electrodinámica clásica. Si aplicamos la electrodinámica ordinaria a este modelo, llegamos a una contradicción puesto que en todo movimiento acelerado de las cargas, los electrones que las portan deberían radiar de manera continua  ondas electromagnéticas perdiendo energía que los llevaría a caer en trayectoria espiral hacia el núcleo. Pero esto último, no se ha observado.

Niel Bohr, apoyándose en el trabajo de Max Planck sobre la cuantización de la energía, ideó que, como ésta última está cuantizada, también lo podía estar el radio de las órbitas de los electrones. De este modo cada electrón puede estar solo a cierta distancia discreta y no continua del núcleo atómico, lo que evita que estos caigan en trayectoria espiral sobre el núcleo. Con esta suposición, Bohr pudo explicar por qué los electrones no caen y con ello, también pudo explicar la estabilidad del átomo y la materia en general.

En el modelo que Bohr realizó, cuando un electrón salta de una órbita permitida a otra, emite o absorbe energía. Si se acerca al núcleo, emite un fotón y si se aleja, absorbe un fotón; todo esto sin atravesar el espacio intermedio. Esta genial idea es la que conduce a un enigma muy profundo al que opositores como Albert Einstein y Max Plankc se negaron a creer, éste último a pesar de que el modelo implicaba sus propias ideas. Pero el resto de los científicos la aceptaron ya que estaba en concordancia con la observación y la teoría.

Algunas consecuencias

Cuando ponemos a calentar un material, le suministramos energía a sus átomos. Como resultado, el material comienza a radiar y cuanto más lo calentemos, mayor será la radiación emitiendo colores. Este se trata del mismo fenómeno que Planck resolvió como radiación del cuerpo negro y que fue utilizado por Bohr para explicar la estabilidad de los electrones al orbitar el núcleo atómico.

Actualmente, los relojes atómicos son los más precisos y su funcionamiento se basa en el fenómeno del salto cuántico que Bohr ideó, con lo que pudo explicar las líneas espectrales del átomo de hidrógeno. Estas consisten en suministrar energía a un átomo que los físicos experimentales elijen de acuerdo con sus propiedades. uno de los que más utilizan es el cesio, entre otros.

Cuando el átomo recibe energía desde su medio exterior, emite fotones en respuesta que le sirven para balancear su energía y quedar estable. Durante la recepción de energía, emite un cuanto tal como un fotón, y acerca un electrón al núcleo atómico. Como su energía es limitada como cualquier sistema, al recibir del exterior más energía, continúa emitiendo fotones a costa de la energía recibida a la misma frecuencia, la que es aprovechada pues contiene pulsaciones regulares en intervalos muy cortos y precisos de tiempos periódicos.

Cada período es tan corto y regular que es ínfimo en comparación con el segundo utilizado por el convenio internacional. Esto hace del reloj atómico el más exacto y con ayuda de ellos, ha sido posible confirmar la teoría de la relatividad espacial de Einstein sobre la elasticidad del tiempo con el movimiento.

Muy interesante, ¿no crees? ¿Habías escuchado hablar de la mecánica cuántica antigua?