La física cuántica nació en diciembre de 1900, cuando Max Planck, hasta entonces un no demasiado conocido físico teórico de Berlín, se vio obligado a introducir, para explicar la ley de radiación de un cuerpo negro que él mismo había obtenido poco antes, un tipo de discontinuidad de la energía, asociada a una nueva ley física: E=h·ν. En el presente artículo se explica el camino que condujo a Planck a semejante hallazgo, al igual que los problemas que éste planteaba a su descubridor. Fue Albert Einstein, cuyas aportaciones también se consideran, quien en 1905 avanzó por la senda abierta por Planck, insertando de manera mucho más radical la cuantización energética en el seno de la física.
La física cuántica nació en diciembre de 1900, cuando Max Planck, hasta entonces un no demasiado conocido físico teórico de Berlín, se vio obligado a introducir, para explicar la ley de radiación de un cuerpo negro que él mismo había obtenido poco antes, un tipo de discontinuidad de la energía, asociada a una nueva ley física: E=h·ν. En el presente artículo se explica el camino que condujo a Planck a semejante hallazgo, al igual que los problemas que éste planteaba a su descubridor. Fue Albert Einstein, cuyas aportaciones también se consideran, quien en 1905 avanzó por la senda abierta por Planck, insertando de manera mucho más radical la cuantización energética en el seno de la física.
En 1900 Planck postuló una nueva constante, h, segñun la cual la energía radiaba por el cuerpo negro no era continua como se aceptaba de acuerdo con la teoría electromagnética, sino que era una propiedad discreta. La ley de distribución de energía que contenía dicha constante representaba los datos experimentales en una forma sorprendente. En 1905 Einstein postuló el cuanto de luz mediante el uso de la analogía entre la radiación monocromática de baja densidad y un gas ideal. Sin embargo, durante las dos primeras décadas del siglo XX ambas derivaciones se mantenían sin fundamentar. En 1992 Compton logr´ó detectar el momentum y la energía del cuanto de luz propuesto por Einstein. El trabajo de Bose, realizado en 1924, fue decisivo para la labor de fundamentación. A partir de los cuantos de luz, Bose creó, junto con Einstein, una nueva estadística que fue capaz de interpretar ambas derivaciones. El presente artículo se propone trazar el camino que condujo a este importante descubrimiento.
La computación cuántica tuvo sus inicios en las investigaciones de científicos como Max Planck y Albert Einstein. La idea inicial de sus estudios era resolver el problema planteado por la radiación del cuerpo negro. En 1900, Planck introdujo el cuanto de energía, con el fin de describir las propiedades espectrales de la radiación, mediante un proceso de distancias discretas o cuantización. Estas investigaciones le condujeron a Planck, y a Einstein a infiltrarse en el estudio de la energía, las moléculas, los átomos y en ser los pioneros de la física cuántica, camino que continuaron Maxwell, Bohr, Louis de Broglie, Schrödinger, Podolsky, Rose, Feynman, entre otros. La computación cuántica se fundamenta en el uso de características como la superposición y el entrelazamiento de fotones, los cuales son útiles para almacenar y enviar información a través de los qubits. En la actualidad se pueden encontrar diferentes proyectos que involucran la computación cuántica y que la están convirtiendo en una realidad, pero también existen amenazas a la seguridad de la información, que no están siendo tomadas en cuenta, y que pueden afectar los sistemas de información, rompiendo las reglas criptográficas actuales, poniendo en riesgo la confidencialidad de la información en espacios impensados.Palabras clave: computación cuántica; confidencialidad; entrelazamiento; Qubits; superposición
En el año en que se conmemoran los cien años de la mecánica cuántica, este artículo vuelve a analizar una pregunta antigua y, en apariencia, sencilla: ¿qué es la luz en sentido físico? Para intentar resolverla, se hace un recorrido histórico que va desde la teoría corpuscular de Newton y la descripción ondulatoria de Huygens, pasando por los experimentos de interferencia de doble rendija de Young, hasta la teoría de Maxwell que establece la luz como una onda electromagnética. Se muestra cómo esa respuesta, que parecía bien explicada hacia finales del siglo XIX, resultó insuficiente cuando a comienzos del siglo XX aparecieron resultados experimentales imposibles de explicar usando la física clásica. Con nuevos resultados experimentales, se muestra cómo la cuantización propuesta por Planck resuelve el problema de la radiación de cuerpo negro y cómo Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico, obliga a introducir la idea los de cuantos de luz: los fotones. Posteriormente, se discute cómo la teoría y los experimentos contemporáneos consolidan la dualidad onda–partícula, incluso si se consideran fotones individuales, usando divisores de haz e interferómetros que revelan interferencia a nivel de un solo cuanto. Finalmente, se ofrece una visión general de desarrollos actuales que conectan los fundamentos de la mecánica cuántica, con el entrelazamiento, la no-localidad y las pruebas tipo Bell. Se hace énfasis en comprender, por qué los fotones siguen siendo centrales tanto para preguntas conceptuales aún abiertas como para tecnologías cuánticas emergentes, en particular la comunicación y la computación cuántica.
Esta charla va dirigida a oyentes muchos de los cuales no han estudiado Mecanica Cuantica. Tratare pues de ser lo mas economico posible en el uso de formulas, siguiendo la opinion de S. Hawking de que en un trabajo dirigido al publico no especializado cada formula reduce la audiencia a la mitad. Sin embargo va a ser una charla enfocada desde la fisica, en base a los experimentos e interpretaciones actuales, y no en el analisis historico de las formulaciones originales, o en discusiones filosoficas que todavia persisten. Albert Einstein contribuyo esencialmente al nacimiento de la Mecanica Cuantica. Al analizar el efecto fotoelectrico en 1905 fue el primero en proponer la discretizacion de la radiacion electromagnetica en cuantos de luz (fotones) como un autentico fenomeno fisico. Planck habia utilizado en 1900 una discretizacion analoga como un acto de desesperacion, para reproducir teoricamente el comportamiento observado de la radiacion del cuerpo negro, pero sin atreverse a proponerlo como algo mas que un metodo de calculo. Aunque al principio la explicacion de Einstein tropezo con fuertes reticencias, acabo siendo la contribucion concreta que se cita en la concesion de su Premio Nobel de Fisica en 1921. El analisis de Einstein del efecto fotoelectrico no es objeto de controversia hoy: los lectores interesados pueden encontrarlo discutido en los libros de Fisica Cuantica [1]. En la recomendacion para su ingreso en la Academia Prusiana de Ciencias, los firmantes, que incluian a Planck, decian: “... there is hardly one among the great problems, in which modern physics is so rich, to which Einstein has not made an important contribution. That he may have missed the target in his speculations, as, for example, in his hypothesis of light quanta (photons), cannot really be held too much against him, for it is not possible to introduce fundamentally new ideas, even in the most exact sciences, without occasionally taking a risk.”. En cambio, en la concesion del premio Nobel se dice “... for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the fotoelectric effect.” Estas dos citas estan recogidas en [1].
La pregunta que ha inspirado que ha venido a dar en este trabajo ha sido: ¿Qué papel tuvo la hipótesis adiabática de Paul Ehrenfest en el desarrollo de la teoría cuántica? Para ello se ha tratado de precisar el significado mismo de la hipótesis y se ha reconstruido una especie de "ruta adiabática" hacia la teoría cuántica. En definitiva, se ha situado el origen, se han señalado los antecedentes, el impacto, etc., de esta contribución de Ehrenfest. \n \nEn la primera parte se trata la gestación de la hipótesis adiabática. Para ello se da una somera visión del escenario en que ésta tuvo lugar; el nacimiento y primera evolución de la hipótesis cuántica, introducida en la física por Max Planch en el año 1990. Ehrenfest publicó sus primeros trabajos sobre teoría cuántica en 1905 y 1906. En ellos encontramos una crítica severa al proyecto planckiano de dar cuenta de la irreversibilidad en el sistema de la cavidad radiante. En 1991 Ehrenfest publica un extensísimo análisis de la teoría de la radiación térmica de Planck, en un artículo en el que sin duda hay que situar el origen de la hipótesis adiabática. Otros de los resultados que encontramos en este artículo son: \n \nComparación exhaustiva entre las hipótesis cuánticas de Einstein (hipótesis de los quanta de energía) y de Planck (cuantización y justificación de la forma (de la dependencia con la frecuencia) del quantum. \n \nEn la segunda parte se reconstruye el proceso que Ehrenfest llegó a formular con precisión su hipótesis en 1916. El escenario corresponde al de los años 1913-1918, y podría caracterizarse como los años de extensión y generalización de la hipótesis cuántica. En la tesis se comentan también artículos de Ehrenfest de 1913 y 1914 en los que prácticamente encontramos todos los resultados que publicará juntos un par de años después.
[ES] Hoy en día hay sobradas razones para considerar la teoría cuántica como uno de los mayores éxitos de la física moderna. Después de unos primeros años dificultosos, inaugurados por el descubrimiento del cuanto de acción por Max Planck en 1900, la teoría física cuántica acumula éxitos y consigue describir una cantidad de fenómenos cada vez mayor. No obstante, también es una teoría que desafía a nuestra intuición, pues choca con las nociones más elementales de la física clásica. La validez del formalismo de la mecánica cuántica está fuera de toda duda, pero de este no se desprende inmediatamente una imagen de la realidad microscópica. Esto supone un problema serio, ya que el objetivo de la física es dar una descripción de la realidad, además de permitirnos manipularla. Profundizar en este tema es el motivo principal para hacer este trabajo. Una de las primeras soluciones al problema presentado, y también la más dominante,1 es la interpretación de Copenhague. Se asocian comúnmente a esta físicos como Max Born, Werner Heisenberg y Niels Bohr. Esta interpretación suele entenderse como sinónimo de indeterminismo, el principio de correspondencia de Bohr, la interpretación estadística de la función de onda de Born y la interpretación complementaria de Bohr de ciertos fenómenos atómicos.2 Sin embargo, a día de hoy se dispone de suficiente información para saber que bajo este término se agrupan interpretaciones muy diferentes entre sí.3 A pesar de las divergencias entre los autores mencionados, está ampliamente aceptado que la perspectiva general que comparten tiene su origen en el trabajo de Bohr.4 Así, he centrado el trabajo en su solución al problema de la física cuántica y en su filosofía de la física.