Historia de la mecánica cuántica

La historia de la mecánica cuántica comienza esencialmente con la introducción de la expresión cuerpo negro por Gustav Kirchhoff en el invierno de 1859-1860, la sugerencia hecha por Ludwig Boltzmann en 1877 sobre que los estados de energía de un sistema físico deberían ser discretos, y la hipótesis cuántica de Max Planck en el 1900, quien decía que cualquier sistema de radiación de energía atómica podía teóricamente ser dividido en un número de elementos de energía discretos ${\displaystyle E\,}$, tal que cada uno de estos elementos de energía sea proporcional a la frecuencia ${\displaystyle \nu \,}$, con las que cada uno podía de manera individual irradiar energía, como lo muestra la siguiente fórmula:${\displaystyle E=h\nu \,}$

donde ${\displaystyle h\,}$ es un valor numérico llamado constante de Planck.

En 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico (1839), esto es, la expulsión de electrones en ciertos materiales debido a la incidencia de luz sobre los mismos, Albert Einstein postuló –basándose en la hipótesis cuántica de Planck– que la luz está compuesta de partículas cuánticas individuales, las que más tarde fueron llamadas fotones (1926).

El término «mecánica cuántica» fue usado por primera vez en el escrito de Max Born llamado Zur Quantenmechanik (La Mecánica Cuántica). En los años que siguen, esta base teórica comenzó lentamente a ser aplicada a estructuras, reacciones y enlaces químicos.

Descripción

En 1900 el físico alemán Max Planck introdujo la idea de que la energía estaba «cuantizada», con el fin de derivar una fórmula para la dependencia de la frecuencia observada con la energía emitida por un cuerpo negro. En 1905, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico con un postulado sobre que luz –o más específicamente toda la radiación electromagnética– puede ser dividida en un número finito de «cuantos de energía», que son localizados como puntos en el espacio. De la introducción del escrito de cuántica On a heuristic viewpoint concerning the emission and transformation of light (Un punto de vista heurístico relacionado con la emisión y transformación de la luz) de marzo de 1905:

Esta sentencia ha sido llamada la sentencia más revolucionaria escrita por un físico en el siglo veinte.^[1]​ Estos «cuantos de energía» serían llamados más tarde fotones, un término introducido por Gilbert N. Lewis en 1926. La idea que cada fotón tenía que consistir de energía en términos de cuantos fue un notable logro, ya que eliminó la posibilidad de que la radiación de un cuerpo negro alcanzara energía infinita, lo que se explicó en términos de formas de onda solamente. En 1913, Bohr explicó las líneas espectrales del átomo de hidrógeno, nuevamente utilizando «cuantización», en su escrito On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre la Constitución de Átomos y Moléculas), publicado en julio de 1913.

Estas teorías, aunque exitosas, fueron estrictamente fenomenológicas: no hay justificación rigurosa para la cuantización (de lado, quizás, para la discusión de Henri Poincaré sobre la teoría de Planck en su artículo de 1912, Sur la théorie des quanta (Sobre la teoría cuántica)). Son conocidas mundialmente como la teoría cuántica antigua.

La expresión «física cuántica» fue usada por primera vez en The Universe in Light of Modern Physics (El Universo bajo la luz de la Física Moderna), de Max Planck en 1931.

En 1924, el físico francés Louis-Victor de Broglie presenta su teoría de ondas de materia, por la que se indica que las partículas pueden exhibir características de onda y viceversa. Esta teoría fue para una partícula simple y derivada de la teoría especial de la relatividad. Basándose en el planteamiento de Broglie, nació la mecánica cuántica moderna en 1925, cuando los físicos alemanes Werner Heisenberg y Max Born desarrollaron la mecánica matricial y el físico austríaco Erwin Schrödinger inventó la mecánica de ondas y la ecuación de Schrödinger no relativista como una aproximación al caso generalizado de la teoría de Broglie.^[2]​ Schrödinger posteriormente demostró que ambos enfoques eran equivalentes.

Heisenberg formuló su principio de incertidumbre en 1927, y la interpretación de Copenhague comienza a tomar forma cerca de la misma fecha. A partir de 1927, Paul Dirac comienza el proceso de unificación de la mecánica cuántica con la relatividad especial proponiendo la ecuación de Dirac para el electrón. La ecuación de Dirac alcanza la descripción relativista de la función de onda de un electrón que Schrödinger no pudo obtener. Predice el espín electrónico y ayuda a predecir la existencia del positrón. Fue pionero también en el uso de la teoría del operador, incluyendo la influyente notación Bra-Ket descrito en su famoso libro de 1930. Durante el mismo período, el matemático húngaro John von Neumann formuló la rigurosa base matemática para la mecánica cuántica de la teoría de los operadores lineales en los espacios de Hilbert, descrito en su igualmente famoso libro de 1932. Estos, como muchos otros trabajos del período fundacional aún siguen en pie, y son altamente utilizadas.

En el campo de la química cuántica fueron pioneros los físicos Walter Heitler y Fritz London, quienes publicaron un estudio de los enlaces covalentes de la molécula de hidrógeno en 1927. La química cuántica fue posteriormente desarrollada por un gran número de científicos, incluyendo el teórico químico norteamericano de Cal Tech Linus Pauling, y a John C. Slater en varias teorías tales como la teoría del orbital molecular o teoría de valencias.

A partir de 1927, se intentó aplicar la mecánica cuántica a los campos en vez de partículas simples, resultando en que fueron conocidas las teorías cuánticas de campo. Los primeros que trabajaron en esta área fueron Dirac, Pauli, Weisskopf y Jordan. Esta área de investigación culminó en la formulación de la electrodinámica cuántica por Feynman, Dyson, Schwinger y Tomonaga durante los 40'. La electrodinámica cuántica es una teoría cuántica de electrones, positrones y campo electromagnético, y sirvió como un modelo para posteriores teorías de campo cuántico. La teoría de la cromodinámica cuántica fue formulada a comienzos de los 60'. La teoría como la conocemos hoy en día fue formulada por Politzer, Gross y Wilczek en 1975. Basándose en el trabajo pionero de Schwinger, Higgs, Goldstone, Glashow, Weinberg y Salam, independientemente mostraron cómo la fuerza nuclear débil y la electrodinámica cuántica podían fusionarse en una sola fuerza electrodébil.

Cronología

La siguiente tabla muestra los pasos y personas claves en el desarrollo de la teoría cuántica:

Primeros experimentos

• El experimento de la doble rendija de Thomas Young demostró la naturaleza ondulatoria de la luz (c1805).
• Henri Becquerel descubrió la radiactividad (1896).
• El experimento del tubo de rayos catódicos de Joseph John Thomson (descubrió el electrón y su carga negativa) (1897).
• El estudio de la radiación de cuerpo negro entre los años 1850 y 1900, lo cual no podía ser explicado sin los conceptos cuánticos.
• El efecto fotoeléctrico: Einstein explicó esto en 1905 (por lo cual recibiría el premio Nobel) usando los conceptos de fotones, partículas de luz con energía cuantizada.
• El experimento de la gota de aceite de Robert Andrews Millikan, el cual mostraba que la carga eléctrica ocurre como cuantos (unidades enteras) (1909).
• El experimento de la lámina de oro de Ernest Rutherford refutó el modelo del budín de ciruelas del átomo, el cual sugería que la masa y la carga positiva de los átomos están casi uniformemente distribuidos (1911).
• Otto Stern y Walter Gerlach dirigieron el experimento de Stern-Gerlach, el cual demostró la naturaleza cuantizada del espín de las partículas.
• Clinton Joseph Davisson y Lester Germer demostraron la naturaleza de onda del electrón^[3]​ en el experimento de la difracción de electrones (1927).
• Clyde Cowan y Frederick Reines confirman la existencia del neutrino en el experimento del neutrino (1955).
• El experimento de la doble rendija de Claus Jönsson con electrones.
• El efecto cuántico de Hall, descubierto por Klaus von Klitzing en 1980. En cuantizó la versión del efecto Hall que permitió la definición de un nuevo estándar práctico para la resistencia eléctrica y para una extremadamente precisa determinación independiente de la constante de estructura fina.
• La verificación experimental del entrelazamiento cuántico realizada por Alain Aspect en 1982

Referencias

Véase también

• Cuanto
• Historia de la física
• Historia de la termodinámica
• Historia de la química

Bibliografía

• Bohr, Niels (1928). «El Postulado Cuántico y el Desarrollo Reciente de la Teoría Atómica (Complementariedad).». Nature 121: 580-590.  (Texto en español)
• Born, M.; Jordan, P. (1925). «Hacia la Mecánica Cuántica (Zur Quantenmechanik)». Z. Phys 34: 858-888.  (Texto en español)
• Heinsenberg, Werner (1925). «Sobre una Reinterpretación Teórico-Cuántica de las Relaciones Cinemáticas y Mecánicas (Mecánica Matricial)». Z. Phys 33: 879-893.  (Texto en español)
• Heinsenberg, Werner (1927). «Sobre el Contenido Descriptivo de la Cinemática y la Mecánica Teórico Cuántica (Principio de Incertidumbre)». Z. Phys 43: 172-198.  (Texto en español)
• El Desarrollo de la Teoría Cuántica Elemental de 1900 a 1927 Herbert Capellmann (2020) Potsdam, Instituto de Física Teórica, RWTH Aachen University

Enlaces externos

• Una historia de la mecánica cuántica Archivado el 28 de octubre de 2019 en Wayback Machine. (en inglés).
• Una breve historia de la mecánica cuántica (en inglés).
• Historia y cimientos de la física cuántica (en inglés).
• Historia de la cuántica (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).