Figura 1. Una mosca negra fotografiada con un microscopio electrónico es tan monstruosa como cualquier criatura de ciencia ficción. (Crédito: Departamento de Agricultura de EE.UU. vía Wikimedia Commons)
La mecánica cuántica es la rama de la física necesaria para tratar con objetos submicroscópicos. Dado que estos objetos son más pequeños de lo que podemos observar directamente con nuestros sentidos y, por lo general, deben ser observados con la ayuda de instrumentos, algunas partes de la mecánica cuántica parecen tan extrañas y bizarras como algunas partes de la relatividad. Pero, al igual que la relatividad, la mecánica cuántica ha demostrado ser válida: la verdad suele ser más extraña que la ficción.
Figura 2. Los átomos y su subestructura son ejemplos familiares de objetos que requieren una explicación completa de la mecánica cuántica. Algunas de sus características, como las capas discretas de electrones, son explicaciones de la física clásica. En la mecánica cuántica conceptualizamos «nubes de electrones» discretas alrededor del núcleo.
Ciertos aspectos de la mecánica cuántica nos resultan familiares. Aceptamos como un hecho que la materia está compuesta por átomos, la unidad más pequeña de un elemento, y que estos átomos se combinan para formar moléculas, la unidad más pequeña de un compuesto. (Véase la figura 2.) Aunque no podamos ver las moléculas individuales de agua en un arroyo, por ejemplo, somos conscientes de que esto se debe a que las moléculas son muy pequeñas y numerosas en ese arroyo. Al presentar los átomos, solemos decir que los electrones orbitan alrededor de un núcleo diminuto, compuesto a su vez por partículas más pequeñas llamadas protones y neutrones. También sabemos que la carga eléctrica viene en diminutas unidades transportadas casi en su totalidad por electrones y protones. Al igual que con las moléculas de agua en una corriente, no notamos las cargas individuales en la corriente que pasa por una bombilla, porque las cargas son tan pequeñas y tan numerosas en las situaciones macroscópicas que percibimos directamente.
Haciendo Conexiones: Reinos de la Física
La física clásica es una buena aproximación de la física moderna en las condiciones que se discutieron por primera vez en La naturaleza de la ciencia y la física. La mecánica cuántica es válida en general, y debe utilizarse en lugar de la física clásica para describir objetos pequeños, como los átomos.
Los átomos, las moléculas y las cargas fundamentales de los electrones y los protones son ejemplos de entidades físicas que están cuantizadas, es decir, que sólo aparecen en ciertos valores discretos y no tienen todos los valores concebibles. Cuantificado es lo contrario de continuo. No podemos tener una fracción de átomo, ni una parte de la carga de un electrón, ni 14-1/3 céntimos, por ejemplo. Más bien, todo está construido con múltiplos integrales de estas subestructuras. La física cuántica es la rama de la física que se ocupa de los objetos pequeños y de la cuantización de diversas entidades, como la energía y el momento angular. Al igual que la física clásica, la física cuántica tiene varios subcampos, como la mecánica y el estudio de las fuerzas electromagnéticas. El principio de correspondencia establece que, en el límite clásico (objetos grandes y de movimiento lento), la mecánica cuántica se convierte en lo mismo que la física clásica. En este capítulo, comenzamos el desarrollo de la mecánica cuántica y su descripción del extraño mundo submicroscópico. En capítulos posteriores, examinaremos muchas áreas, como la física atómica y nuclear, en las que la mecánica cuántica es crucial.