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.
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 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.
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 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.
En la primera parte de este artículo, respondemos a los comentarios críticos de Michel Paty sobre nuestro trabajo "Einstein y el efecto Compton". Si bien nuestra intención no fue evaluar la respuesta de Einstein a la evidencia experimental de la hipótesis cuántica de la luz más allá del año 1923, en la segunda parte del artículo evaluamos dos importantes experimentos completados en 1924: los realizados por Bothe y Geiger en Alemania y los de Compton y Simon en los Estados Unidos. Discutimos por qué ambos experimentos proporcionaron pruebas adicionales que respaldaron los puntos de vista de Einstein sobre la teoría cuántica de la radiación. Sin embargo, afirmamos que aun después de conocer estos resultados, Einstein nunca expresó un juicio categórico sobre la realidad de los cuantos de luz tal como el que formuló De Broglie a principios de 1923, con el que comparamos el punto de vista de Einstein.
En 1905 Albert Einstein publica su articulo “Sobre un punto de vista heuristico concerniente a la produccion y transformacion de la luz” donde por primera vez se logra dar una explicacion al fenomeno del desprendimiento de electrones desde una superficie metalica como consecuencia de la incidencia de un haz de luz sobre dicha superficie. La explicacion se basa en el concepto de cuanto de energia introducido por Max Planck. En 1968 Willis E. Lamb Jr. y Marlan O. Scully en su articulo “El efecto fotoelectrico sin fotones” buscan dar una explicacion al mismo efecto estudiado y teorizado por Einstein, reemplazando el concepto de foton por una onda electromagnetica clasica la cual sera la encargada de estimular los electrones del atomo hasta el punto de lograr desprenderlos del mismo. En este caso, haciendo uso de la imagen de interaccion o imagen de Dirac y la teoria de perturbacion dependiente del tiempo se busca dar una explicacion probabilistica a la interaccion entre atomo y la radiacion. En este trabajo se reproducen los calculos llevados a cabo por Lamb y Scully, mostrando como a partir de un modelo semi-clasico se logra explicar los resultados experimentales del efecto fotoelectrico de la misma manera como lo hace la explicacion basada en el concepto de foton.