La mecánica cuántica ha revolucionado la ciencia y la vida cotidiana

Staff/RG

• En 1925, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger sentaron las bases de la mecánica cuántica.
• La ONU proclamó 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas.
• Desde hace más de 30 años, el INAOE realiza investigación en el campo.

Con los objetivos de reconocer las contribuciones de la mecánica cuántica en la ciencia y su impacto en la vida cotidiana, y de celebrar el centenario de los descubrimientos científicos que revolucionaron nuestra comprensión del universo, 2025 fue proclamado por la Asamblea General de las Naciones Unidas (ONU) como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas.

En 1925, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger sentaron las bases de la mecánica cuántica. En el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), centro de la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación, se desarrolla investigación teórica en esta rama de la Física que estudia la materia a nivel atómico y subatómico.

Los doctores Francisco Soto Eguibar, Héctor Moya Cessa e Irán Ramos Prieto, investigadores de la Coordinación de Óptica, integran el Grupo de Óptica Cuántica de este Instituto. En entrevista, hablan brevemente sobre la mecánica cuántica, rama apasionante de la Física.

El INAOE tiene una tradición de más de 30 años de investigación en el área de la Óptica Cuántica. Al respecto, el doctor Irán Ramos informa que en este centro se hace investigación teórica, como sucede en casi todas las instituciones que estudian el área en México: “Nosotros investigamos la interacción de la luz con la materia, ambas entendidas como entes cuánticos”. El grupo, añade, además de realizar investigación básica, también forma y asesora a estudiantes de posgrado: “Los jóvenes tienen interés, pero aún sienten cierto temor”.

Por su parte, el doctor Francisco Soto Eguibar relata que hasta 1900 la Física explicaba el mesomundo y el macromundo, es decir, lo que nosotros vemos y experimentamos, la vida cotidiana: “Esa Física fue increíblemente exitosa, pero justo a fines del siglo diecinueve y principios del veinte empezaron a surgir muchos fenómenos que simple y sencillamente no tenían explicación con esa Física. De 1920 a 1928 se tuvo que crear una nueva Física, totalmente diferente, con conceptos increíblemente revolucionarios”.

La mecánica cuántica comenzó a tomar forma a principios del siglo veinte, cuando Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger desarrollaron teorías que desafiaron las ideas clásicas sobre la materia y la energía. En 1925, Heisenberg y Schrödinger realizaron avances fundamentales que establecieron los principios básicos de la mecánica cuántica.

“Hay muchos más, como los alumnos de Bohr, Louis de Broglie, pero todo eso culmina con dos trabajos independientes: uno de Heisenberg y otro de Schrödinger. Heisenberg inventó la mecánica matricial y Schrödinger la mecánica ondulatoria. Fue en 1925 que Schrödinger demuestra que las dos son una misma versión de una teoría general más abstracta”, explicó.

También son fundamentales los trabajos de Wolfgang Ernst Pauli y Paul Dirac: “La mecánica cuántica ya está terminada en 1928 cuando Dirac hace la formulación abstracta de la misma, pero 1925 es muy importante porque, aunque el artículo de Heisenberg es de 1924, regresó a Göttingen donde trabajó con Max Born y Pascual Jordan, que desarrollaron sus líneas. Schrödinger desarrolló su parte y esto lo hizo más bien en el 25”, subraya el Dr. Soto.

Este desarrollo revolucionó la ciencia y puso a prueba nuestro entendimiento sobre la materia, asevera a su vez el doctor Moya. Por ejemplo, todo el mundo tiene una imagen del átomo con un núcleo y un electrón dando vueltas alrededor: “La única teoría que puede describir al átomo es justamente la mecánica cuántica. Por otro lado, los radios en los que puede estar el electrón son definidos por la mecánica cuántica, el electrón puede saltar de un radio a otro sin pasar por la zona en medio de ambos radios. Hay una prohibición de que el electrón esté a cierta distancia del átomo, puede estar en una o en otra, pero no en medio de ambas. Y cómo pasa de un lado a otro, nadie lo sabe. Además, el electrón puede estar en un radio y en otro al mismo tiempo sin estar en medio”. El Dr. Moya apuntó que la teoría de láseres no puede ser entendida sin la mecánica cuántica y que esta tiene muchísimas aplicaciones en medicina.

Al respecto, el doctor Soto abunda: “Si tienes un electrón y no lo observas no está en ningún lado y está en todos a la vez. El electrón no tiene una posición en ciertos estados y a la vez está en todos los lugares. Si trasladas el ejemplo a un gato, éste puede ser blanco o negro. Un gato clásico es blanco o negro, simplemente tiene dos estados posibles y sólo ocupa uno. Pero cuánticamente sabemos que un gato no es ni blanco ni negro, es las dos cosas a la vez sin ser ninguna, no posee la propiedad de color, sólo la posibilidad de ser blanco o negro. Y cuando lo observas, hay un fenómeno que se llama colapso de la función de onda, el gato adquiere la propiedad de ser blanco o negro, con posibilidades totalmente al azar, pero bien definidas por la mecánica cuántica. Ese tipo de cosas nadie las acaba de entender. Van más de cien años de desarrollo al respecto y siguen saliendo interpretaciones e ideas de lo que está pasando en el micromundo porque no podemos trasladar nuestras ideas de este macromundo al micromundo. Ahí las cosas se comportan de manera radicalmente diferente”.

La mecánica cuántica ha revolucionado no sólo la ciencia, sino también la tecnología. Sin ella serían imposibles las tomografías por emisión de positrones, las imágenes por resonancia magnética, los láseres, las celdas solares, los relojes atómicos, entre otras tecnologías de uso cotidiano.

Sobre este tema, el doctor Irán Ramos explica que, a medida que la tecnología avanza hacia escalas cada vez más pequeñas, surgen fenómenos que la física clásica no puede describir completamente, y es la mecánica cuántica la que ofrece las respuestas adecuadas. Esto ha llevado al desarrollo de nuevas áreas, como la computación cuántica. “Ya existe computación cuántica. En la tradicional, los bits solo pueden estar en estado 0 o 1, pero en computación cuántica dejan de ser bits y se llaman qubits, los cuales pueden existir en una superposición de ambos estados simultáneamente. Aunque todavía no comprendemos completamente todos sus alcances, estamos utilizando una de las herramientas fundamentales de la mecánica cuántica, la superposición y el entrelazamiento, para mejorar el cómputo. Las computadoras cuánticas funcionan bajo este principio: mientras que un bit clásico solo puede estar en un estado definido (0 o 1), un qubit puede estar en ambos a la vez, lo que le da un enorme poder de procesamiento”.

Asimismo, comenta que la mecánica cuántica ha sido clave en el desarrollo de la tecnología moderna: “Los teléfonos móviles contienen transistores cuyo comportamiento, a escalas muy pequeñas, solo puede explicarse correctamente mediante la mecánica cuántica.”

El doctor Soto apunta que las ideas de la mecánica cuántica han traspasado todas las ciencias: “en biología se estudia que las plantas funcionan con fenómenos cuánticos. La fotosíntesis, por ejemplo”.

Para concluir, el doctor Irán Ramos notifica que el INAOE se unirá a los festejos del Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas con eventos a lo largo de 2025, los cuales se estarán anunciando en el portal institucional y en redes sociales.

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