Mecánica cuántica: Qué es y que tipo de partículas estudia


Mecánica-cuánticaEste post trata sobre el concepto de mecánica cuántica.

En el aprenderás sobre:

  • Qué es la mecánica cuántica, explicando 6 de sus evidencias prácticas más relevantes.
  • Definición y clasificación de las partículas cuánticas: fermiones y bosones (tipos de partículas más importantes, funciones y características)

¿Qué es la mecánica cuántica?


La mecánica cuántica es el estudio del comportamiento de la materia y la energía a una escala igual o menor a la atómica.

Lo primero que tienes que saber para entenderla bien es su origen.

Normalmente se menciona que surgió a principios del siglo XX. Pero en realidad, empezó a tomar forma a finales del siglo XIX.

Qué-es-la-mecánica-cuántica
Explicación del concepto de mecánica cuántica y características que la definen

Por aquel entonces existían multitud de experimentos a los que la física clásica no podía dar una explicación. De esta forma, se empezaron a proponer nuevas hipótesis matemáticas.

Durante el comienzo del siglo XX, esas hipótesis fueron gradualmente aceptadas y ampliadas, al existir cada vez mayor evidencia experimental.

En la década de los 30, esas evidencias fueron finalmente reunidas para generar un marco teórico común (la teoría cuántica). La cuál fue desarrollada principalmente por Heisenberg, Born y Schrodinger.

Pero, ¿cuáles son estas evidencias?. Podemos resumirlas en 6 apartados

  • Valores discretos: Al referirnos a partículas cuánticas, estas tienen siempre valores estándar establecidos. Por ejemplo, la energía de un electrón siempre tiene el mismo valor (está cuantizada), no importa en que átomo se encuentre.
  • Medición determinista: Una partícula cuántica tiene múltiples estados, sin embargo, cuando se mide, pasa a tener un único estado. No importa las veces que lo midas, siempre tendrá exactamente el mismo estado.
  • Trayectorias múltiples simultáneas: Cuando se produce un movimiento de una partícula cuántica toda trayectoria que no este prohibida termina ocurriendo al mismo tiempo.
  • Dualidad onda-partícula: Los componentes que forman la materia y la energía tienen comportamientos tanto de partícula como de onda. Por lo tanto, no se trata de si son una u otra, sino que se encuentran en un estado en el que son las dos al mismo tiempo.
  • Probabilidad asociada: Solo es posible predecir con que probabilidad terminará una partícula en una determinada posición. Esto es debido a que aunque hagamos exactamente el mismo experimento la indeterminación ocurre por las características de la propia partícula y su entorno
  • Entrelazamiento cuántico: Si dos partículas interaccionan de una cierta forma entre ellas, sus estados serán iguales incluso aunque las separen kilómetros de distancia. Es decir, en el momento en el que de determine el estado de una partícula, la otra con la que estuviera entrelazada, adquiere el mismo estado.

Todos estas características son experimentadas por una serie de partículas cuánticas. En el siguiente apartado, voy a explicarte cuales son las más importantes.

Partículas cuánticas: definición y clasificación 


Las partículas cuánticas son la entidad más pequeña en la que se puede dividir la materia y energía tal y como la conocemos. Esto implica, que las consideramos como los únicos elementos indivisibles de la realidad (hasta que lo contrario pueda ser demostrado).

Tienes que entender también, que una de las más grandes líneas de investigación de la mecánica cuántica (y de la física en general) va precisamente en este sentido. Poder demostrar y re-demostrar si cada partícula es un ente único o si por el contrario no lo es. Y al hacer esto, inevitablemente, abren la posibilidad de encontrar nuevas partículas elementales. 

Referirse a estos componentes como partículas es un ejercicio más bien formal, ya que en tamaños tan pequeños su definición real es mucho más compleja.

En cualquier caso, también se las suele denominar como partículas elementales. Se clasifican en base al modelo estándar, el cuál divide a estos componentes fundamentales en 2 grupos:

Fermiones

Los fermiones son todas aquellas partículas elementales que constituyen la materia. Poseen un spin (momento angular) de 1/2 y se clasifican en base a dos patrones distintos:

1.Tipo de interacción

  • Quarks: Son las partículas que participan en las interacciones fuertes.
  • Leptones: Son las partículas que participan en las interacciones electrodébiles.
Partículas-cuánticas-fermiones
Fermiones clasificados por tipo de interacción (quarks y leptones) y por tipo de generación energética. M: Masa; C: Carga; S: Spin

2.Tipo de generación energética

  • Primera generación: Son las partículas que existen a baja energía, o lo que es lo mismo, las partículas de las que están hechas prácticamente toda la materia que nos rodea.
  • Segunda, tercera generación, etc…: Son las partículas que existen a una energía más alta que las de la primera generación. Hasta el momento se ha descubierto hasta la tercera generación, pero se cree que existen muchas más. Estas partículas tienen la misma carga que sus contrapartes de la primera generación pero con una mayor masa.

Siguiendo estos patrones, los fermiones quedan clasificados de la siguiente manera:

  • Quarks de primera generación: Up (Tiene carga 2/3 y una masa de 2,2 MeV/c2) y Down (Tiene carga -1/3 y una masa de 4,7 MeV/c2)
  • Quarks de segunda generación: Charm (Tiene carga 2/3 y una masa de 1,28 GeV/c2) y Strange (Tiene carga -1/3 y una masa de 96MeV/c2)
  • Quarks de tercera generación: Top (Tiene carga 2/3 y una masa de 173,1 GeV/c2) y Bottom (Tiene carga -1/3 y una masa de 4,18 GeV/c2)
  • Leptones de primera generación: Electrón (Tiene carga -1 y una masa de 0,51 MeV/c2) y Electrón neutrino (Tiene carga 0 y una masa de <1 eV/c2)
  • Leptones de segunda generación: Muón (Tiene carga -1 y una masa de 105,66 MeV/c2) y Muón neutrino (Tiene carga 0 y una masa de 0,17 MeV/c2)
  • Leptones de tercera generación: Tau (Tiene carga -1 y una masa de 1,78 GeV/c2) y Tau neutrino (Tiene carga 0 y una masa de 18,2 MeV/c2)

Es importante que recuerdes también, que todas estas partículas fermiónicas tienen su contraparte en forma de antimateria (mismas partículas pero con la carga eléctrica opuesta).

Las antipartículas se nombran añadiendo un prefijo «-anti» a la partícula en cuestión. Por ejemplo, si el electrón es la partícula, su antipartícula es el anti-electrón. Por lo tanto, existen 24 fermiones diferentes (12 de materia y 12 de antimateria).

Bosones

Los bosones son todas las partículas elementales que generan la interacción de las fuerzas físicas que influyen en la materia. Possen como spin un número entero (0 o 1) y se dividen en dos tipos:  

1.Bosones vectoriales

Son los partículas que generan los 4 tipos de fuerza elementales (Electromágnetica, nuclear fuerte, nuclear débil y gravedad) y se caracterizan por presentar un spin de 1.

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Clasificación de los bosones según el tipo de interacción física en el que están involucrados. Según su spin pueden ser además vectoriales (rosa) o escalares (verde). M: Masa; C: Carga; S: Spin

Sabemos que cada una de estas fuerzas está relacionada con una o varias partículas bosónicas. La única que no conocemos es la gravedad (en teoría es causada por el gravitón, pero no está demostrado aún):

  • Fotones: Son las partículas que generan las interacciones electromagnéticas. No poseen masa ni carga.
  • Gluones: Son las partículas que generan las interacciones nucleares fuertes. No poseen masa ni carga.
  • Bosón W: Es una de las partículas que generan las interacciones nucleares débiles, incluyendo los fenómenos de desintegración nuclear. Posee una masa de 80,4 GeV/c² y una carga de ±1.
  • Bosón Z: Es una de las partículas que generan las interacciones nucleares débiles, incluyendo los fenómenos de desintegración nuclear. Posee una masa de 91,2 GeV/c² y no tiene carga.

2.Bosones escalares

Son partículas inmersas en un campo cuántico que cuando interaccionan con otro tipo de partículas las otorgan ciertas propiedades. Se caracterizan por presentar un spin de 0.

Hasta el momento solo conocemos un tipo, el bosón de Higgs. Este, es el responsable de conferir masa a la materia, o lo que es lo mismo, las partículas que generen bosones al interaccionar con el campo de Higgs tienen masa, mientras que las que no interaccionen con el campo no tienen masa. El bosón de Higgs posee una masa de 124,97 GeV/c² y una carga de 0.

Existen además múltitud de bosones creados a partir de fermiones. Pero… ¿cómo es esto posible? ¿No eran dos tipos de partículas diferentes?

Se debe a como están configurados sus spines.

Si tu unes por ejemplo dos quarks, sus spines se suman. De esta forma, 1/2 spin + 1/2 spin = 1 spin. Como resultado obtenemos un mesón (un tipo de bosón compuesto).

Referencias



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