100 años de la mecánica cuántica. El debate entre la certeza y la probabilidad
CIENCIA Y TECNOLOGÍA CUÁNTICA.
2025 es el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas.
Este 2025 se cumplen 100 años de que el joven Werner Heisenberg publicara su artículo “Reinterpretación de la Mecánica Cuántica de las Relaciones Cinemáticas y Mecánicas”. Era el año de 1925 y con esta publicación se establecía por primera vez el formalismo (es decir, las reglas y sistemas simbólicos para representar conceptos) que sentó las bases para desarrollar a la mecánica cuántica.
Aunque esto suele tomarse como el inicio de esta historia, 25 años antes, a finales de 1900 el físico Max Planck reportó un descubrimiento experimental que contravenía algunos principios de la física hasta entonces conocida. Planck observó que la luz no siempre podía describirse como la simple variación continua de los campos electromagnéticos, como se pensaba en ese momento, sino que se emitía y absorbía en paquetes de color, a los cuales se les llamó cuantos de luz.
Ese descubrimiento fue muy sorprendente, incluso para el mismo Planck y otros físicos de la época, quienes se mantenían escépticos sobre los resultados.
Al mismo tiempo se realizaron otros experimentos que no respondían a las leyes de la física hasta entonces descrita, por ejemplo, se estudiaba la emisión de electrones por metales o las características espectrales que tiene la luz que emiten las estrellas o los gases.
Con todos estos experimentos se empezó a hacer una “formulación bastante rudimentaria de la física cuántica”, explica la doctora Rocío Jáuregui Renaud, investigadora del Instituto de Física de la UNAM.
Por ello, cuando en 1925 Heisenberg publicó su artículo y estableció el formalismo que establece las ideas conceptuales y las formulaciones matemáticas –que incluso hoy, 100 años después siguen siendo consistentes con lo que se observa– se estableció formalmente el inicio de la mecánica cuántica, aquella rama de la física que explica el comportamiento de la luz, la materia a nivel subatómico y las interacciones entre éstas.
“¿Qué celebramos en 2025? En cuanto a ciencia, el formalismo descrito originalmente por Werner Heisenberg, en forma de unas ecuaciones lineales matriciales, y el formalismo descrito por Schrödinger planteado en 1926, en forma de ecuaciones diferenciales. Ambos formalismos son equivalentes”, explica la investigadora.
Para entenderlo mejor, habría de explicar que la mecánica cuántica no establece resultados certeros, sino que está basada en probabilidades y nunca presupone certezas, como ocurre con la mecánica clásica.
“La física clásica nos permite, a través de las leyes de Newton, describir qué movimiento esperar para una pelota que golpeamos de una forma específica; ahora, si yo tengo una partícula como un electrón, ¿puedo decir cuál es la trayectoria que sigue? La cuántica nos dice que no, nada más te puedo decir la probabilidad de que siga una u otra trayectoria; de hecho, nunca podré decirte con certeza cuál es la trayectoria que seguirá un electrón”, explica la investigadora.
Revoluciones cuánticas.
Este año internacional de la mécanica cuántica también se celebra la tecnología cuántica, es decir, la aplicación de esta ciencia en objetos que las personas utilizan de forma cotidiana. La doctora Jáuregui destaca que desde hace 100 años ha habido dos revoluciones tecnológicas basadas en la cuántica.
La primera se dio aproximadamente a partir de la década de 1950, cuando se empezaron a crear dispositivos basados en la cuántica. Es decir, se utilizaron los conocimientos que se tenían sobre la mecánica cuántica hasta ese momento para desarrollar una tecnología.
Algunas de las más conocidas y que utilizamos en nuestro día a día son la luz láser y el transistor. Ambos son la base de distintos aparatos como el televisor, los refrigeradores, los celulares, los tomógrafos, los automóviles, las computadoras, los lectores de códigos de barras, las impresoras, etcétera.
La segunda revolución cuántica se da en la década de 1980 cuando se utilizan los dispositivos que se crearon en la primera revolución para controlar al máximo el estado de la materia. Es decir, este control incluye, en nuestros días, la manipulación del estado de átomos individuales o conjuntos de átomos que se mueven como un todo, explica la doctora Jáuregui.
Así, lo que aprovecha esta segunda revolución cuántica es el control y manipulación de los estados cuánticos y, por ende, busca aprovechar las propiedades cuánticas para diseñar tecnologías novedosas y en lo posible de alta eficiencia temporal o energética.
Un ejemplo de una propiedad cuántica y de esta segunda revolución es el entrelazamiento cuántico por el cual en 2022 recibieron el Premio Nobel de Física el francés Alain Aspect, el estadounidense John Clauser y el austriaco Anton Zeilinger.
El entrelazamiento cuántico señala que dos partículas subatómicas mantienen correlaciones independientes a su separación espacial. Esta propiedad es base de las propuestas novedosas al manejo de información y ha permitido el desarrollo de la criptografía cuántica (transmisión y codificación de información encriptada segura) y las computadoras cuánticas (cómputo eficiente con base en el manejo simultáneo de posibles estados de un sistema).
¿Y en México?
El primer científico mexicano que estuvo involucrado en el mundo de la mecánica cuántica fue Manuel Sandoval Vallarta, quien en la década de 1920 conoció a Heisenberg, Einstein y Schrödinger. Desde entonces se han trabajado en distintas áreas de la física cuántica en el país.
En la actualidad, un ejemplo de ello es el Laboratorio Nacional de Materia Cuántica, que aglutina los esfuerzos de más de una docena de laboratorios dedicados a realizar experimentos de frontera en esta área, por ejemplo, estableciendo comparativos entre física clásica y cuántica, y generando sistemas átomos-fotones en estados controlados.
Asimismo, con el auge que ha tenido esta ciencia en la comunidad científica el interés de los estudiantes por estas áreas ha crecido y se han acercado a participar en los laboratorios enfocados en esta ciencia en México.
“Lo importante de este año es pensar que la gente joven es capaz de crear cosas de fuerte impacto a futuro. Heisenberg hizo su propuesta a los 23 años, muy joven, y tuvo el valor de hacerla; se necesita creatividad y la creatividad muchas veces la vamos destruyendo a partir de prejuicios. La gente joven suele tener menos prejuicios y concebir ideas novedosas. Ojalá que este año sea un año de creatividad y de conocimiento, y que la gente joven puede participar en el desarrollo de la ciencia y de la tecnología”, concluye la investigadora.
Por: María Luisa Santillán.
Sitio Fuente: Ciencia UNAM