Este material tiene como objetivo explicar la relevancia de la mecánica cuántica, como rama de la física fundamental y por la importancia de sus aplicaciones, y porque creemos que debe ser parte de la cultura de todo profesionista.

Presentar como es la descripción del mundo cuántico, cómo se distingue del clásico. Discutir aspectos como la dualidad onda-partícula,  el principio de incertidumbre, así como las aplicaciones más impactantes: efecto túnel, la descripción de la estructura atómica, el mundo delas partículas elementales.

(Autor: Dr. J. Lorenzo Diaz Cruz)

El curso se encuentra en revisión y generación de guion para su posterior producción y liberación.

Lista de temas o conceptos:

• Física clásica y física cuántica
• La enseñanza moderna de la física
• El origen de la física cuántica
• Ondas y partículas
• Saltos cuánticos y tunelamiento
• Átomos y números cuánticos
• Partículas elementales

Cuerpo del video (Explicación del tema, experimento o fenómeno)

1. Mucha es la información científica que debemos conocer para poder tomar buenas desiciones como ciudadanos. Por ejemplo para comprar un producto, elegir un tratamiento médico, creer en una noticia, tener un punto de vista sobre temas de gran trascendencia, como el cambio climático, etc etc.

2.Entre esos conocimientos básicos que todo ciudadano debe tener se encuentran algunos conceptos de física, y en particular de física cuántica.  Para apreciar la relevancia de la física cuántica, basta mirar la tecnología que usamos a nuestro alrededor, tenemos celulares, pantallas de plasma,  apuntadores laser, cirugías con laser, etc etc. Todo eso funciona gracias a la física cuántica.

3.El sistema educativo nos debería dar en secundaria y prepa, las bases de conocimiento en ciencias para defendernos en la vida. Lamentablemente no es así.  La emoción y pasión del trabajo científico no se refleja en esas etapas de aprendizaje. Casi todo mundo termina odiando la física, cuando en realidad ni siquiera se enteró de los temas más interesantes y reciente del campo.

4.En algunos países se han hecho esfuerzos para mejorar los contenidos de los programas en ciencias al nivel básico. Por ejemplo, en USA se juntaron las academias de ciencia para diseñar los contenidos mínimos que todo estudiante debe aprender. En ese plan (K12) se propone trabajar en 3 dimensiones: conocer la práctica científica, identificar conceptos comunes en diferentes campos y presentar los conceptos centrales de cada campo.

5.Para estudiar el origen y las ideas centrales de la física cuántica, podríamos repasar los problemas que se enfrentaron a finales desligo XIX e inicios del XX, cuando se identificaron algunos fenómenos que la física conocida en la época no podía resolver. O bien saltar a la presentación de aquellos fenómenos tan cuánticos, que salen de nuestra intuición, con tal impacto que nos deja ver el rol que juegan esas ideas centrales.

6.(La Física clásica) Cuando dejamos caer una pelota, no tenemos duda de que llegará al piso, es decir: sabemos que seguirá una trayectoria hacia el suelo debido a la  fuerza de gravedad que la tierra ejerce sobre la pelota. Esta capacidad de predecir el movimiento ocurre para todo cuerpo material de tamaño microscópico (pelotas, carros, aviones, balas, etc etc); lo único que necesitamos saber es la fuerza que actúa sobre el cuerpo en cuestión. Por ejemplo, para los planetas de nuestro sistema solar sabemos que su movimiento de debe a la atracción gravitacional que produce el sol sobre ellos, y así podemos predecir que posición ocuparan en todo tiempo futuro.

7. (Incertidumbre en el mundo atómico) Por otra parte, existen fenómenos al nivel atómico (microscópico), que no son deterministas. No sabemos el resultado de esos experimentos, aunque los preparemos de manera idéntica. Algunas veces se obtendrá un resultado, otras veces uno diferente. Lo más que podemos conocer es la probabilidad de que se obtenga un resultado A o B .

8.(Experimento de doble rendija) Por ejemplo, si hacemos incidir un haz de electrones sobre un pared que tiene dos rendijas (A y B), y luego contamos como llegan dichos electrones a una pared posterior, el resultado es tal que no podemos saber a ciencia cierta por cual rendija pasó un electrón.   Pareciera con si electrón para por ambas rendijas, lo cual es sorpresivo, ya que se considera que el electrón es indivisible.

9.(La luz tiene una propiedad llamada polarización) De manera similar, cuando un rayo de luz incide sobre un espejo que dejar pasar solo cierta polarización, no es posible determinar para un rayo de luz cual si pasará o será reflejado.

10.(Pozo de potencial) Existen situaciones en física atómica, en la cual se puede representar un átomo como un pozo de potencial, y si la energía de un electrón es menor que la altura del pozo, dicho electrón estará confinado dentro del pozo. Si analizamos esta situación con la física clásica, el electrón no puede salir para nada del pozo. Sin embargo, si este problema se analiza con los principios cuánticos, existe una probabilidad de que el electrón salga un poco del pozo.

11.(Función de onda) La descripción matemática del electrón usa una formula matemática que se denomina ¨función de onda¨, y donde sea mayor el valor de dicha función es más probable encontrar el electrón. Resulta que cuando se analiza la función de onda del electrón en la caja, la función de onda no es cero fuera de la caja, así es  probable encontrar al electrón fuera de la caja (Si yo fuera preso, pediría serlo con las leyes de la mecánica cuántica ).

12.  (Barrera de potencial) En otras situaciones, como en la física nuclear, un núcleo esta encerrado en una cierta región limitada por una barrera de potencial. Dicha barrera puede visualizarse  como un obstáculo de cierta longitud que un corredor debe saltar. De acuerdo a la física clásica, si el corredor tiene energía suficiente puede brincar la barrera, caso contrario no la puede saltar. 

13. (Efecto túnel) Por otra parte, si el corredor es un objeto cuántico,  aun cuando no tenga energía suficiente para saltar la barrera, si puede pasar al otro lado. No es que la brinque, sino más bien su función de onda tiene una valor diferente de cero al otro lado de la barrera. Luego, si el corredor se lanza sobre la barrera, algunas veces no la pasará, pero unas veces si pasará al otro lado. Este fenómenos se conoce como efecto túnel.

14. (Decaimiento alfa) El efecto túnel nos permite explicar porqué los núcleos pesados, como el plutonio, pueden decaer en uno más ligero, como uranio, y emitir una partícula alfa ( que es un núcleo de Helio). En el núcleo de plutonio hay muchos neutrones y protones moviéndose, cambiando de un lado a otro, y algunas veces pueden acercarse mucho 2 protones y 2 neutrones, para formar un núcleo de helio. Pero existe una barrera de potencial que impide que dicho núcleo de helio se libere del núcleo. Sin embargo, dicho núcleo puede liberarse gracias al efecto túnel. 

15. (Estructura  atómica)Sabemos que el átomo consiste de un núcleo de carga eléctrica positiva y los electrones de carga negativa. Si el átomo fuera clásico, sería como un sistema solar en miniatura, con el núcleo jugando el papel del sol y los electrones haciendo el rol de los planetas. Pero por ser el átomo un objeto que se rige por la física cuántica,  no podemos saber con precisión donde está un electrón en un átomo.; sólo podemos saber la probabilidad de que el electrón este localizado a una cierta distancia del núcleo. De hecho, los electrones sólo pueden ocupar ciertas órbitas y para poder saltar de una a otra, se debe invertir una cierta cantidad de energía, esto es la base para explicar los llamados espectros atómicos, como veremos en el siguiente capítulo en detalle.

16. La física cuántica nos permite estudiar las propiedades de los átomos y moléculas, pero no solo eso, también nos permite estudiar con gran éxito las propiedades de los núcleos del átomo. También nos permite estudiar las propiedades de sistemas de muchos átomos o moléculas.  

17. En los años más recientes hemos extendido las aplicaciones de la física cuántica, más allá del núcleo y los protones y neutrones. Lo más actual es nuestro conocimiento de la estructura más íntima de la materia, la cual sabemos que es constituida por los quarks y leptones. Los quarks forman el protón y neutrón, y muchas otras partículas compuestas conocidas como hadrones  (que a su vez se clasifican en mesones y bariones). A su vez los leptones incluyen al electrón y sus parientes pesados: el muon y el tau, y cada uno de ellos tiene como compañero a un neutrino, que es la partícula más elusiva.

18. Finalmente, la física cuántica nos ha permitido identificar y estudiar las fuerzas fundamentales, que incluyen: electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuera nuclear débil y la gravitación,

Datos relacionados para profundizar el tema (importantes pero que no tienen que estar en el video)

1. La energía puede ser continua o discreta,

2. La constante de Planck (h) nos permite escribir la energía de la luz (E) como: E = h f, donde f=frecuencia de la luz,

3. (Determinismo) Así pues, en la física clásica estamos seguros que si repetimos un experimento con las mismas con las mismas condiciones, obtendremos el mismo resultado, y este determinismo es parte angular de dicha física clásica (Newton). Estamos seguros que, modulo una catástrofe, el sol saldrá todos los días, la luna tendrá sus mismas fases, que nuestros autos seguirán funcionando, etc etc.

Datos Curiosos.

1. ¿Sabías que el ojo humanos tiene una sensibilidad para detectar del orden de unos cientos de fotones? Gracias a esa sensibilidad es posible que podamos notar el encendido de una lampara de 100 Watts (en el vacío) desde una distancia de varios cientos de kilómetros.

2. ¿Sabías que las ondas que recibe un celular de unos cienos de megaHertz, son apenas una pequeña fracción de la energía requerida para dañar el tejido humano?

3. En estos momentos llegan miles de millones de neutrinos provenientes del sol, pero ni siquiera lo notamos por la interacción tan débil de los neutrinos con el resto de la materia.