La Organización de las Naciones Unidas declaró este 2025 Año internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas por la Organización de las Naciones Unidas. Esta declaración reconoce los 100 años transcurridos desde la publicación por el científico alemán Werner Heisenberg de la primera formulación matemática que describía correctamente el comportamiento del mundo microscópico.
En el marco de declaración,los científicos los colegios Carlos A. Coello Coello, Susana Lizano y Luis Felipe Rodríguez Jorge, miembros de El Colegio Nacional, organizan un ciclo de conferencias sobre la ciencia y la tecnología cuánticas, que se llevarán a cabo los días 3, 4, y 5 de marzo en el Aula Mayor de la institución (Donceles 104, Centro Histórico, CDMX).
En 1906 el británico J. J. Thompson recibió el Premio Nobel de Física por demostrar que el electrón es una partícula. En 1937, su hijo, George P. Thompson, recibió también el Premio Nobel de Física por demostrar que el electrón es una onda. Entonces, ¿es el electrón una partícula o una onda? ¿No se contradecían estos dos Premios Nobel, otorgados a padre e hijo?
Detrás de esta aparente paradoja se encuentra la intrigante naturaleza de la mecánica cuántica, la ciencia que nos permite predecir el comportamiento de los objetos diminutos que forman el universo, como los electrones y los fotones, los átomos y las moléculas.
En nuestra experiencia diaria, las partículas y las ondas son dos cosas muy distintas. Una partícula es algo bien localizado, como una canica o una munición. En contraste, las ondas son extendidas cómo las olas del mar, para las cuales no podemos dar una posición precisa. A través de los años, los físicos trataron de clasificar a las cosas bien como onda, o bien como partícula.
A principios del siglo XIX, Thomas Young, un erudito inglés que ha sido descrito como “la última persona que entendía todo”, llevó a cabo una serie de experimentos que parecían demostrar más allá de toda discusión que la luz es una onda. El más famoso de sus experimentos consistía en iluminar una pantalla que tenía dos rendijas delgadas y cercanas. Del otro lado de la pantalla, sobre la superficie de una pared, la luz forma un patrón de interferencia, una serie de varias bandas alternativamente oscuras y brillantes.
Si la luz fuera partículas, estas deberían de formarse con solo dos bandas luminosas, cada una correspondiente a una de las rendijas. La explicación para el patrón de interferencia es que podemos pensar en las ondas como una secuencia de crestas y valles que se desplazan por el espacio, como las olas del mar que llegan a la orilla.
En el caso de las rendijas, las ondas provenientes de una de ellas se mezclan con las de la otra. Dependiendo de la posición en la pared, las ondas se pueden reforzar o bien cancelar. A este proceso se le conoce como interferencia, que puede ser constructiva o destructiva, produciendo las bandas brillantes y las oscuras, respectivamente. La idea de que la luz es una onda quedó fuertemente apoyada con la exitosa teoría del electromagnetismo de Maxwell, que las describía matemáticamente como tales.
Pero una onda tiene su energía distribuida espacialmente y había un efecto que parecía indicar lo contrario. Si iluminamos una superficie metálica, de ella se desprenden electrones arrebatados de sus respectivos átomos, como si la energía difusa de la onda de algún modo repentino se concentrara en un punto.
Este comportamiento, que es conocido como el efecto fotoeléctrico, fue explicado por Einstein, quien propuso que la luz no era una onda difusa, sino que estaba concentrada en pequeños paquetes de energía, lo que vendría a ser conocido como fotones.
Estos resultados comenzaron a aclarar el proceder de las cosas microscópicas. Aparentemente, la luz se comportaba cómo una onda mientras estuviera viajando. Pero de manera instantánea se transformaba en una partícula al interaccionar con los átomos. Con el paso del tiempo esto se traduciría en proponer que la luz.
estaba descrita por algo ondulatorio mientras viajaba, lo que vino a ser conocido como la función de onda. Sin embargo, al interaccionar con la materia, la función de onda se colapsaba instantáneamente en un punto, en una especie de partícula.
Luego se entendió que no solo el fotón, la partícula de luz que no tiene masa o carga eléctrica, sino también el electrón (con masa y carga eléctrica) podían describirse con una función de onda que se transformaba, se colapsaba en una partícula al interaccionar con las cosas.
Aun cuando jugó un papel muy importante en el inicio de estos conocimientos, que vendrían a ser conocidos como la mecánica cuántica, Einstein repudió el concepto del colapso de la función de onda.
Esta idea parecía implicar que partes de la onda se movían a velocidad infinita al colapsarse de una onda a una partícula, y esto entraba en conflicto con la Teoría Especial de la Relatividad, la cual imponía a la velocidad de la luz como un límite absoluto.
A pesar de que no existe un consenso en la interpretación de la naturaleza de la mecánica cuántica, esta rama de la física ha sido increíblemente fructífera en explicar, e inclusive predecir, el comportamiento de las cosas microscópicas: que incluye fenómenos cómo la emisión de radiación por átomos y moléculas, los láseres y semiconductores y la superconductividad.
Estos conocimientos rápidamente alcanzaron una aplicación práctica en los dispositivos electrónicos que todos usamos, al grado de que se sabe que 30% del Producto Interno Bruto de los Estados Unidos de America proviene de tecnologías cuánticas.
