La física cuántica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y la energía a escalas microscópicas, donde las leyes clásicas de Newton y Maxwell dejan de ser aplicables. Surgió a principios del siglo XX para explicar fenómenos que no podían ser comprendidos con la física clásica, como la radiación del cuerpo negro o el efecto fotoeléctrico.
La teoría cuántica introduce conceptos revolucionarios como la cuantización de la energía, la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre, que cambiaron para siempre nuestra comprensión del universo.
La luz y la materia exhiben propiedades tanto de ondas como de partículas. Louis de Broglie propuso que todas las partículas tienen una longitud de onda asociada:
$$ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv} $$
Donde h es la constante de Planck (6.626 × 10-34 J·s), m es la masa del electrón y v su velocidad.
Es imposible conocer simultáneamente con precisión infinita ciertos pares de magnitudes físicas, como la posición y el momento de una partícula:
$$ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} $$
Donde ħ es la constante de Planck reducida (h/2π).
La energía en sistemas cuánticos solo puede tomar ciertos valores discretos, como en el modelo atómico de Bohr:
$$ E_n = -\frac{13.6 \text{ eV}}{n^2} $$
Donde n es el número cuántico principal (n = 1, 2, 3…).
Describe cómo cambia con el tiempo el estado cuántico de un sistema físico:
$$ i\hbar\frac{\partial}{\partial t}\Psi(\mathbf{r},t) = \hat{H}\Psi(\mathbf{r},t) $$
Donde Ψ es la función de onda y Ĥ es el operador Hamiltoniano.
Las partículas se clasifican en fermiones (espín semientero) que obedecen el principio de exclusión de Pauli, y bosones (espín entero) que no lo cumplen.
Los ordenadores cuánticos utilizan qubits que pueden estar en superposición de estados, permitiendo resolver ciertos problemas exponencialmente más rápido que los ordenadores clásicos.
La distribución cuántica de claves (QKD) permite crear sistemas de comunicación teóricamente inviolables basados en el principio de incertidumbre.
La resonancia magnética nuclear (RMN) utiliza el espín de núcleos atómicos para crear imágenes detalladas del interior del cuerpo humano.
El desarrollo de nuevos materiales como los superconductores de alta temperatura o los puntos cuánticos se basa en principios cuánticos.
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