La mecánica cuántica, descubierta por primera vez por Werner Heisenberg en 1925, representa una ruptura clara y completa de la mecánica clásica de Newton que había reinado en la física durante más de 2 siglos.
La mecánica cuántica derrocó por completo el determinismo de la mecánica newtoniana. La piedra angular de la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Establece que es imposible determinar tanto la posición como el momento de una partícula cuántica simultáneamente.
Aquí la partícula cuántica se refiere a una partícula que no tiene un espectro continuo de energía como una partícula clásica. En cambio, tiene un espectro discreto con brechas finitas entre los niveles de energía individuales. Estas brechas representan niveles de energía prohibidos para una partícula cuántica.
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La primera aplicación de la mecánica cuántica fue a los espectros electromagnéticos de átomos simples. Por ejemplo, uno puede aplicar los principios de la mecánica cuántica a un átomo de hidrógeno y calcular la longitud de onda de la luz que se emitiría cuando un electrón realiza una transición de un nivel de energía a uno debajo de él.
La mecánica cuántica ayudó a responder preguntas que simplemente no podían ser respondidas por la mecánica de Newton, como por qué el diamante es transparente y por qué el oro es un buen conductor de calor y electricidad. También permitió poner toda la química sobre una base científica sólida.
La versión de Erwin Schroedinger de la mecánica cuántica no relativista basada en la ecuación de onda que publicó en 1926 se hizo mucho más popular que la versión de Heisenberg basada en matrices. Es mucho más conveniente matemáticamente hacer cálculos de mecánica cuántica utilizando la mecánica de onda.
La mecánica de partículas cuánticas no relativistas fue extendida por Paul Dirac en 1928 para incluir una teoría especial de la relatividad. Esta mecánica de partículas cuánticas relativistas ayudó a explicar el comportamiento de las partículas elementales relativistas como un electrón y un positrón.
Aunque la mecánica cuántica demostró ser extremadamente exitosa en la resolución de una gran cantidad de problemas en física y química, se descubrió un fenómeno en 1947 que lo desafió.
En la primavera de ese año, Willis Lamb, de la Universidad de Columbia, hizo una medición notable. Usando el transmisor de microondas recientemente inventado, él y sus colegas lograron medir la brecha de energía entre los estados propios 2s y 2p del átomo de hidrógeno.
Para la gran sorpresa de la comunidad de física, ¡esta brecha resultó ser distinta de cero! Esto fue completamente inesperado ya que la ecuación de Dirac había predicho todo lo contrario: estos 2 niveles deberían ser degenerados o con la misma energía. Este fenómeno se conoce como cambio de cordero.
Este importante descubrimiento provocó de inmediato una gran cantidad de trabajo teórico y se dio cuenta muy rápidamente de que este problema requiere una reformulación de la mecánica de partículas cuánticas relativistas. En lugar de partículas individuales, uno tiene que pensar en términos de campos continuos.
Esto condujo a la creación de la teoría del campo cuántico relativista que consiste en un campo cuántico de radiación electromagnética (fotón), un campo cuántico de materia (electrón y positrón) que actúa como fuente de electromagnetismo y la interacción entre la materia y los campos de radiación. Todos los campos son relativistas.
Rápidamente se descubrió que la teoría estaba enferma. Las interacciones entre el campo de materia y el campo electromagnético llevan la energía de interacción al infinito. No hay esperanza de hacer un cálculo finito con tal teoría.
Tres físicos idearon de forma independiente una solución para este problema y lograron renormalizar la teoría eliminando los infinitos. Eran Sin Itiro Tomonaga (1947), Julian Schwinger (1948) y Richard Feynman (1949).
El proceso de renormalización implicaba tener en cuenta la auto interacción de las partículas. Significaba que la masa y la carga de un electrón tenían que modificarse al interactuar con su propio campo electromagnético.
Curiosamente, la auto interacción de un fotón con un par de electrones y positrones no conduce a ningún cambio en sus propiedades. El fotón permanece sin masa y sin carga. La teoría renormalizada permitió un valor calculado de la brecha de energía que coincidía exactamente con el valor medido más preciso en ese momento.
La teoría renormalizada del campo cuántico del campo electromagnético y el electrón y el positrón se llama electrodinámica cuántica (QED). Fue la primera teoría de este tipo que se descubrió y ahora es una parte integral del modelo estándar que consiste en la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
Las teorías de campo cuántico renormalizadas de fuerzas nucleares débiles y fuertes se basan en QED. QED es, con mucho, la teoría más precisa en toda la ciencia. Ahora permite un cálculo del desplazamiento de Lamb a 12 cifras significativas y hace coincidir el medido con el mismo nivel de precisión.
Se puede decir que QED y otras teorías de campo cuántico renormalizables constituyen el lenguaje de la naturaleza.
