Origendelamecnicacuntica

Vista previa del material en texto

Origen de la mecánica cuántica 
Autores: 
Sanchez Palma Didimo Daniel 
Sepa Zambrano Wilson Andrés 
Ramos Vélez Ronny José 
Pita Bermello Jarot Justhin 
Pro. Julio Cesar Palma Bravo 
Resumen 
En el presente artículo, se dará a 
conocer el nacimiento y origen de una las 
ciencias más fascinantes de todos los 
tiempos, aunque también una de las más 
controversiales y complejas que han 
existido en la historia de las ciencias 
físicas, la famosa “mecánica cuántica”. 
Controversial, porque a lo largo 
de los años, son muchos los científicos, 
profesores, entre otros los cuales creen 
que esta ciencia desafía el sentido 
común. Y es que, en la historia de la 
física cuántica existen tres tipos de 
paradojas: las que desafían a la física 
clásica; las que desafían a la intuición y 
al sentido común, y las que desafían a la 
misma física cuántica. Como establece 
Salvador Mired "El sentido común no 
entiende la 
mecánica cuántica" (Gandía, 1957). 
Es por esta misma razón que 
también es descrita como compleja, ya 
que es verdaderamente misteriosa. Una 
frase popular manifestada por Richard 
Feynman, que se le atribuye al Premio 
Nobel de Física "Si crees que entiendes 
la mecánica cuántica, es que no 
entiendes la mecánica cuántica" 
(Caltech, 1965). Y es que puede ser tan 
enigmática, que muchas personas, desde 
artistas hasta místicos y charlatanes se 
inspiran en conceptos cuánticos para 
hablar de la posibilidad de viajes en el 
tiempo, realidades paralelas y curas 
milagrosas. 
El mundo cuántico describe los 
extraños fenómenos que ocurren a nivel 
subatómico, que muchas veces 
contradicen nuestra intuición y lo que 
aprendimos en clase de física en las 
instituciones. 
Para llegar a interpretar el origen 
de esta ciencia, se darán a conocer sus 
pioneros, y su influencia en la misma. 
Para así, dar paso a las materiales y 
metodologías utilizadas en estos 
planteamientos, y así obtener los 
resultados del mismo. 
Palabras claves: Quantum, paradoja, 
fotoeléctrico, radiación, espectros. 
 
Introducción 
Comenzando con la historia de la 
física cuántica es una historia que 
comienza con varios descubrimientos 
diferentes: en 1838 comienza con el 
descubrimiento por parte de Michael 
Faraday de los rayos catódicos; 
descubrimientos varios de radiación por 
parte de Gustav Kirchoff; unas teorías de 
1877 de Ludwig Boltzmann relativas al 
sistema físico de los estados de energía, 
finalizando con la hipótesis de Max 
Planck de 1900 en la cual postulaba que 
los sistemas atómicos que irradian 
energía pueden ser divididos en varios 
elementos de energía. 
Luego, uno de los científicos más 
prolíferos de la historia, Albert Einstein, 
continuó en 1905 con los efectos 
reportados por Hertz en 1887, los cuales 
eran consistentes con los hallazgos de 
Max Planck, de que la luz en sí misma 
está hecha de partículas cuánticas 
individuales, los cuales recibieron el 
nombre de "fotón" en 1826. 
Para conocer los origenes de esta 
rama de la ciencia, es necesario conocer 
a los personajes que influenciaron en dar 
origen a la misma, algunos personajes, 
comentados anteriormente, tales como él 
ya mencioando Max Planck, Albert 
Einstein, entre varios, otros, sin 
embargo, estos primeros fueron quienes 
dieron el hincapié inicial a esta ciencia. 
Max planck 
Nació el 23 de abril de 1858 en 
Kiel, Schleswig-Holstein, en el norte de 
Alemania. Es considerado el fundador de 
la teoría cuántica. Curso estudios en las 
universidades de Munich y Berlin. En el 
año 1900 formuló que la energia se radia 
en unidades pequeñas separadas 
denominadas "cuantos". Estudiando la 
radiación emitida por el llamado "cuerpo 
negro", para poder explicarla tuvo que 
renunciar a a la fisica clásica e introducir 
la teoria del "quantum", que al principio 
ni él mismo entendia, pero llegó a 
descubrir la constante universal de la 
naturaleza, que se conoce como la 
Constante de Planck, estableciendo que 
la energia de cada "quantum" es igual a 
la frecuencia de la radiación, 
multiplicada por la constante universal. 
Fue galardonado con el Premio Nobel de 
Física en 1918. 
Estos descubrimientos, no 
invalidaron la teoria de que la radiación 
se propagaba por ondas. Se cree que la 
radiación electromagnética combina las 
propiedades de las ondas y de las 
particulas. Sus descubrimientos fueron 
verificados posteriormente por otros 
científicos y significaron el nacimiento 
de un campo totalmente nuevo de la 
fisica, conocido como "mecánica 
cuántica". Entre sus obras más 
importantes se encuentran Introducción 
a la fisica teórica (5 volúmenes, 1932-
1933) y Filosofia de la fisica (1936). 
Colaboró con Albert Einstein y fue 
galardonado con numerosos premios, 
especialmente, el Premio Nobel de 
Fisica, en 1918. En 1930 fue presidente 
de la Sociedad Kaiser Guillermo para el 
Progreso de la Ciencia, que después se 
llamo Sociedad Max Planck. 
Albert Einstein 
Nacio el 14 de marzo de 1879, 
Alemania, Ulm, württemberg y paso su 
juventud en Munich, donde su familia 
poseia un pequeño taller de máquinas 
electricas, Ya desde muy joven mostraba 
una curiosidad excepcional por la 
naturaleza y una capacidad notable para 
entender los conceptos matemáticos más 
complejos. A los doce años ya conocía la 
geometria de Euclides. Fisico alemán 
nacionalizado estadounidense, premiado 
con un Nobel, famoso por ser el autor de 
las teorias general y restringida de la 
relatividad y por sus hipótesis sobre la 
naturaleza corpuscular de la luz. Einstein 
es probablemente el cientifico más 
conocido del siglo XX. 
Albert Einstein contribuyó 
esencialmente al nacimiento de la 
mecánica cuántica, al analizar el efecto 
fotoeléctrico, en 1905 fue el primero en 
proponer la discretización de la radiación 
electromagnética en cuantos de luz 
(fotones) como un auténtico fenómeno 
físico. 
Quantum 
La frase física cuántica, también 
conocida como quantum fue acuñada por 
Max Born y utilizada por primera vez en 
1924. Luego, en los años consiguientes, 
esta base teórica fue aplicada en otras 
áreas del estudio de las ciencias. 
Específicamente, Ludwing Boltzmann 
fue uno de los fundadores de la teoría de 
la física cuántica, ya que en 1877 sugirió 
que los niveles de energía de un sistema 
físico podrían ser discretos; todas sus 
teorías fueron luego confirmadas 
matemáticamente, así como lo fueron las 
teorías forjadas por el alemán Max 
Planck en 1900. 
Luego de las teorías confirmadas 
por parte de Max Planck, el científico 
que siguió investigando fue Stefan 
Procopiu desde 1911 hasta 1913, así 
como también lo hizo Niels Bohr en el 
mismo año, y calcularon el momento 
magnético del electrón, que luego fue 
llamado magnetón. Luego, Heisenberg 
formuló un nuevo principio en 1927, al 
mismo tiempo que otros científicos 
hacían lo propio alrededor de Europa y 
Estados Unidos. 
Recién en 1927 hubo intentos de 
aplicar los principios de la física cuántica 
a diferentes campos más allá de 
partículas simples. 
Material y métodos 
Efecto Fotoeléctrico 
El efecto fotoeléctrico consiste 
en la emisión de electrones por un 
material cuando se hace incidir sobre él 
una radiación electromagnética que es 
una luz visible o ultravioleta en general. 
 
Fue descubierto y descrito por 
Heinrich Hertz en 1887, al observar que 
el arco que salta entre dos electrodos 
conectados a alta tension alcanza 
distancias mayores cuando se ilumina 
con luz ultravioleta que cuando se deja 
en la oscuridad. La explicación teórica 
fue hecha por Albert Einstein. 
Fotones 
Es la particula portadora de todas 
las formas de radiación 
electromagnética, incluyendo a los rayos 
gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, 
la luz visible, la luz infrarroja, las 
microondas, y las ondas de radio. En el 
siglo XVII, Isaac Newton defendió la 
teoria de que la luz son particulas.En esos mismos años, Huygens y 
Hooke (combativos rivales de Newton) 
apoyaron la hipótesis de que la luz es una 
onda. Ambas teorías aportaban 
experimentos que corroboraban el 
modelo. La idea de la luz como particula 
retorno con el concepto moderno de 
fotón, que fue desarrollado gradualmente 
entre 1905 y 1917 por Albert Einstein 
apoyándose en trabajos anteriores de 
Planck quien introdujo el concepto de 
cuanto. El fotón tiene masa cero y viaja 
en el vacio con una velocidad constante. 
Como todos los cuantos, el fotón 
presenta tanto propiedades corpusculares 
como ondulatorias "dualidad onda-
corpúsculo". Se comporta como una 
onda en algunos fenómenos como la 
refracción que tiene lugar en una lente, o 
como una particula cuando interacciona 
con la materia para transferir una 
cantidad fija de energia. Para la luz 
visible, la energia portada por un fotón es 
de alrededor de 4x10-19 julios, esta 
energia es suficiente para excitar un ojo 
y dar lugar a la visión. Además de 
energia, los fotones llevan también 
asociada una cantidad de movimiento o 
momento lineal, y tienen una 
polarización. 
Por ejemplo, aunque un fotón 
puede excitar a una molécula, a menudo 
es imposible. predecir cuál será la 
molécula excitada. Esto, ha llevado a 
avances muy importantes en fisica 
teórica y experimental, tales como la 
teoria cuántica de campos y a inventos 
como el láser. 
La hipotesis de Planck 
El fundador de la teoria cuántica. 
En 1889, descubrió una constante 
fundamental, la denominada Constante 
de Planck, usada para calcular la energia 
de un fotón. Planck establece que la 
energia se radia en unidades pequeñas 
denominadas cuantos. La ley de Planck 
relaciona que la energia de cada cuanto 
es igual a la frecuencia de la radiación 
multiplicada por la Constante de Planck. 
Un año después descubrió la ley 
de radiación del calor, denominada Ley 
de Planck, que explica el espectro de 
emisión de un cuerpo negro. Esta ley se 
convirtió en una de las bases de la teoría 
cuántica, que emergió unos años más 
tarde con la colaboración de Albert 
Einstein y Niels Bö. 
Teoría cuántica 
Es la teoría física basada en la 
utilización del concepto de unidad 
cuántica para describir las propiedades 
dinámicas de las partículas subatómicas 
y las interacciones entre la materia y la 
radiación. Las bases de la teoría fueron 
establecidas por el físico alemán Max 
Planck, que en 1900 postuló que la 
materia sólo puede emitir o absorber 
energía en pequeñas unidades discretas 
llamadas cuantos. 
Otra contribución fundamental al 
desarrollo de la teoría fue el principio de 
incertidumbre, formulado por el físico 
alemán Werner Heisenberg en 1927, y 
que afirma que no es posible especificar 
con exactitud simultáneamente la 
posición y el momento lineal de una 
partícula subatómica. 
 
Resultados 
Como resultado de todas estas 
visiones, análisis y postulaciones, y por 
supuesto, la ya establecida ciencia 
denominada como “mecánica cuántica”. 
Se obtienen como resultado nuevos 
análisis, conceptos y formulas que 
abordaran a la mecánica cuántica, y es 
aquí donde aparecen estudios como: 
Ecuación de Einstein del efecto 
fotoeléctrico 
Entre los primeros resultados que 
genero la teoría de la mecánica cuántica, 
aparece en 1905, Albert Einstein pudo 
explicar el efecto fotoeléctrico 
basándose en la hipótesis de Planck. Para 
esto Einstein suponía que la radiación 
electromagnética está formada de 
paquetes de energía, y que dicha energía 
depende de la frecuencia de la luz: 
E = h * v 
A estos paquetes de energía se les 
denominó posteriormente fotones. De 
esta manera se puede explicar 
perfectamente el efecto fotoeléctrico. 
Cuanto de energía = 
Energía Máxima del electrón + 
función de trabajo de la superficie 
Ondas materiales 
Einstein concluyó que la luz y, 
por extensión, las ondas 
electromagnéticas son a la vez 
corpúsculo y onda, ya que están 
formadas por partículas sin masa y sin 
carga, llamadas fotones, que se propagan 
en el espacio como un movimiento 
ondulatorio, intercambiando energía con 
el entorno. 
En un estudio especulativo, que 
no respondía a ninguna realidad 
observada que hubiera de explicarse, el 
francés Louis de Broglie, postulo con la 
posibilidad de que, al igual que los 
fotones, también los electrones tuvieran 
esa misma dualidad de onda y 
corpúsculo. 
 
Relación De Broglie 
La relación de Broglie es otro de 
los resultados que genera la mecánica 
cunetica. Es la relación que nos permite 
calcular la longitud de onda asociada a 
una partícula, a partir de su momento 
lineal, es decir, su masa multiplicada por 
la velocidad: 
λ = 
ℎ
𝑝
= 
ℎ
𝑚𝑣
 
Mediante esta relación, se 
establece que las partículas 
macroscópicas de nuestro mundo 
aparente, presentan una longitud de onda 
demasiado pequeña para que sea 
perceptible, y por ello la dualidad onda-
partícula inherente al mundo cuántico no 
se observa en la física clásica. 
Principio de incertidumbre de 
Heisenberg 
Otro de los resultados que genero 
la mecánica cuántica, también aparece el 
principio de incertidumbre, estipulado 
por el físico alemán Werner Heisenberg, 
quien es conocido sobre todo por 
formular de este principio, fue 
galardonado con el Premio Nobel de 
Física en 1932. El principio de 
incertidumbre ejerció una profunda 
influencia en la física, mecánica cuántica 
y en la filosofía del siglo XX. “Cuanta 
mayor certeza se busca en determinar la 
posición de una partícula, menos se 
conoce su cantidad de movimientos 
lineales y, por tanto, su masa y 
velocidad”. 
El hecho de que cada partícula 
lleva asociada consigo una onda, impone 
restricciones en la capacidad para 
determinar al mismo tiempo su posición 
y su velocidad. Es decir, afirma que no 
se puede determinar, simultáneamente y 
con precisión arbitraria, ciertos pares de 
variables físicas, como son, por ejemplo, 
la posición y el momento lineal de un 
objeto dado. 
 
 
El resultado de este principio 
supone un cambio básico en nuestra 
forma de estudiar la naturaleza, ya que se 
pasa de un conocimiento teóricamente 
exacto, o al menos, que en teoría podría 
llegar a ser exacto con el tiempo, a un 
conocimiento basado sólo en 
probabilidades y en la imposibilidad 
teórica de superar nunca un cierto nivel 
de error. El principio de indeterminación 
es un resultado teórico entre magnitudes 
conjugadas entre posición – momento, 
energía - tiempo, entre otros. 
Resultados obtenidos de aplicaciones 
de la mecánica cuántica 
Y por supuesto, los resultados que se han 
obtenido con la aplicación de esta 
ciencia, son en general: 
• Las placas solares trabajan con el 
efecto fotoeléctrico. 
 
• El efecto tunneling usado en 
microscopio ha dado avances en 
la nanotecnología. 
 
• La resonancia magnética permite 
aprovechar ciertas propiedades 
de átomos de hidrógeno en 
presencia de campos magnéticos 
para obtener imágenes del 
interior humano. 
 
Aunque no lo parezca la mayoría 
de los dispositivos, objetos que 
utilizamos y vemos en nuestro día a día 
están basados en algún principio o 
fenómeno de la física cuántica, por 
ejemplo, el funcionamiento del láser se 
basa en la mecánica cuántica y se utilizan 
en reproductores de cd y dvd, escáneres 
de códigos de barras utilizados en los 
centros comerciales, herramientas de 
corte y soldadura utilizadas en la 
industria o bisturíes de láser utilizados en 
el campo de la medicina. 
 
Discusión 
Desde el punto de vista de la 
física y la matemática, la mecánica 
cuántica tiene mucho debate y es 
discutible, de hecho, hoy en día siguen 
paradigmas contextualizados sobre esta 
ciencia por parte de profesores, 
científicos y otros personajes, los cuales 
aún no se inclinan por la mecánica 
cuántica, o simplemente aún no están 
convencidos de ciertos hechos 
específicosen ella. 
Esto se debe, muchas veces a su 
ya mencionada complejidad, y en otras 
ocasiones, aun llegando a comprender un 
poco su teoría, no los termina de 
convencer respecto a la realidad de las 
cosas. Un ejemplo de esto es Lee Smolin, 
el científico que cuestiona las bases de la 
ciencia que estudia los fenómenos 
subatómicos, el cual sostiene que la 
mecánica cuántica quizás esté 
equivocada. En entrevista telefónica a 
BBC Mundo dice: "Es una explicación 
incompleta de lo que está ocurriendo al 
interior de átomos y moléculas”. Estipula 
que el problema de la mecánica cuántica 
es que está basada en conceptos 
y principios equivocados. 
Sin embargo, la mecánica 
cuántica se ha logrado demostrar en 
hechos variados a lo largo del tiempo, 
tales como los resultados mostrados 
anteriormente. Agregado a esto, a sido 
establecida en base a la experimentación 
de genios de la física y la ciencia, como 
los mencionados en esta revista. 
Y cabe recalcar que más allá de 
todos estos hechos y discusiones, la 
mecánica cuántica, hoy por hoy es base 
de inspiración en hechos del presente con 
visión en el futuro. Las universidades y 
laboratorios más prestigiosos del mundo 
invierten tiempo y dinero en 
experimentos cuánticos y la tecnología 
del futuro, y se inspiran en varios de los 
hallazgos comprobados de la mecánica 
cuántica. 
Y es claro que, gracias a la 
mecánica cuántica, a día de hoy tenemos 
todas nuestras comunicaciones, los 
láseres, la fibra óptica. Tenemos en 
medicina la resonancia nuclear 
magnética que nos permite ver una foto 
del interior del cuerpo humano, entre 
otros ejemplos que se han mencionado a 
lo largo del presente artículo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Referencias bibliográficas 
 
A.P. French – Edwin Taylor, Introducción a la física cuántica, Editorial Reverté, 
2003, páginas 1 a 10. 
De La Peña, L. (2014). Introducción a la mecánica cuántica. Fondo de Cultura 
económica. 
Eisberg, R. M., & Resnick, R. (1978). Física cuántica. Limusa. 
Gillespie, D. T. (1976). Introducción a la mecánica cuántica. Reverté. 
Ron, J. M. S. (2001). Historia de la física cuántica: El período fundacional. 
Crítica. 
Neumann, J. V. (2018). Fundamentos matemáticos de la mecánica 
cuántica. Fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica, 1-422.