Física Cuántica y Relatividad: Conceptos Fundamentales

Dualidad Onda-Partícula

Históricamente, se había considerado que la materia es discontinua y de naturaleza corpuscular (formada por partículas indivisibles), mientras que la energía se consideraba continua y de naturaleza ondulatoria. Según la física cuántica, tanto la materia como la energía presentan un comportamiento dual, actuando como partículas y como ondas.

Max Planck descubrió que la energía no se emite de manera continua, sino en paquetes discretos llamados cuantos, de naturaleza discontinua. Posteriormente, Albert Einstein identificó los cuantos de luz, a los que llamó fotones. Louis de Broglie propuso que no solo los fotones, sino también otras partículas como los electrones, se comportan tanto como partículas como ondas. Experimentos posteriores demostraron que todas las partículas elementales exhiben este comportamiento ondulatorio.

La física cuántica elaboró dos formulaciones teóricas principales:

• Mecánica Matricial de Heisenberg: Prefiere la interpretación de los procesos físicos como fenómenos discontinuos de naturaleza corpuscular.
• Mecánica Ondulatoria de Schrödinger: Prefiere la interpretación de los procesos físicos como fenómenos continuos de naturaleza ondulatoria.

Teoría de la Relatividad

La Teoría de la Relatividad, desarrollada principalmente por Albert Einstein, afirma que no existen un espacio y un tiempo absolutos e independientes del sujeto que los experimenta. El espacio y el tiempo son medidas que obtiene un observador y que, entre otras variables, dependen de la velocidad a la que este se halle. El tiempo transcurre de distinta manera para dos observadores que viajan a distinta velocidad.

A causa de esta relatividad del espacio y el tiempo, para dar una descripción del universo que sea válida para todos los observadores, hay que considerar que existe una interdependencia entre la dimensión temporal y las espaciales, porque los cambios en una afectan a la otra. Espacio y tiempo forman un continuo cuatridimensional (espacio-tiempo).

Dado que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío, Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad General. Introdujo la idea del campo gravitatorio: la materia deforma la geometría del espacio-tiempo que la rodea, influyendo sobre la trayectoria de los cuerpos que están en él. En las proximidades de una gran masa, el espacio está más curvado y el tiempo transcurre más lentamente. Aunque la tendencia natural de los cuerpos celestes sea recorrer la distancia entre dos puntos por el camino más corto (geodésica), si el espacio-tiempo está curvado por una masa, esta trayectoria puede convertirse en una órbita a su alrededor. Esto explica los movimientos orbitales de los planetas y de ella se deduce también que el universo está en expansión.

Principio de Incertidumbre

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg establece que la mecánica cuántica no puede determinar simultáneamente y con precisión absoluta ciertos pares de variables físicas conjugadas de una partícula, como la posición y la velocidad (o momento lineal) de un electrón. Una de las causas fundamentales es la inevitable interrelación entre el observador y lo observado, ya que no puede haber observación sin una interacción por parte del observador. Toda observación implica una interacción entre el observador y el sistema observado que altera las condiciones de este último, introduciendo una incertidumbre inherente en la medición.

Superposición Cuántica

La teoría cuántica, a través de la ecuación de Schrödinger, predice que un sistema cuántico puede existir en una combinación de múltiples estados a la vez, un fenómeno conocido como superposición cuántica. Dos realidades diferentes y opuestas (por ejemplo, un átomo desintegrado y no desintegrado) pueden llegar a superponerse simultáneamente en el mundo cuántico.

La teoría considera que es el acto de la observación o medición el que fuerza al sistema a 'decantarse' por uno de los estados posibles. Antes de la observación, se dan múltiples estados superpuestos; la realidad del sistema está indeterminada porque se encuentra en todos los estados posibles a la vez, hasta que nuestra observación lo proyecta sobre un estado concreto.