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Marco teórico.

La mecánica cuántica por la necesidad de encontrar una teoría que describa al universo de manera tal que los experimentos y las observaciones correspondan de manera mejor que en la teoría de la relatividad general, nace como un intento de mejorar el conocimiento, de descifrar los misterios indescifrables hasta hoy del comportamiento del cosmos y de la existencia de lo conocido como Espacio-Tiempo. Los cuantos son los paquetes de energía pequeñísimos que se supone son la manera en que por ejemplo, viaja la luz y las partículas mas pequeñas conocidas por la ciencia, lo que lleva a ponerle el nombre a esta teoría que describe un poco mejor que las demás el comportamiento de los ladrillos del universo, los quarks. Mecánica cuántica, o el movimiento mecánico de las partículas elementales (energía-onda) en cuantos o paqueters. De ahí el nombre.

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:

"De acuerdo a las suposiciones a ser contempladas aquí, cuando un rayo de luz se está propagando desde un punto, la energía a no está distribuida continuamente sobre espacios cada vez más grandes, pero [sino que] está constituida de un número finito de cuantos de energía que son localizados en puntos en el espacio, moviéndose sin dividirse y pudiendo ser absorbidos o generados sólo en su conjunto."

Albert Einstein

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 paper de 1912, Sur la théorie des quanta (Sobre la teoría cuántica)). Son conocidas mundialmente como la antigua teoría cuántica.

La expresión «física cuántica» fue usada por primera vez en Planck's Universe in Light of Modern Physics (El Universo en Luz de la Física Moderna de Planck), de Johnston 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 vice versa. Esta teoría fue para una partícula simple y derivada de la teoría especial de la relatividad. Basándose en el planteamiento de 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 nuclar débil y la electrodinámica cuántica podían fusionarse en una sola fuerza electrodébil.

Cronología

-1771 Luigi Galvani Notó que los músculos de las ranas muertas se movían ligeramente cuando los golpeaba con un descargador eléctrico, a lo que se refirió como "electricidad animal".

-1800 Alessandro Volta Inventó la pila voltaica o batería, específicamente para refutar la teoría de la electricidad animal de Galvani.

-1838 Michael Faraday Usando la batería de Volta descubrió los rayos catódicos cuando, durante un experimento pasó corriente a través de un tubo de vidrio lleno de un aire enrarecido y notó un extraño arco de luz comenzando en el ánodo (electrodo positivo) y finalizando en el cátodo (electrodo negativo).

-1852 Edward Frankland Inició la teoría de valencia, proponiendo que cada elemento fuese una específica "combinación de poder". Por ejemplo, algunos elementos como el nitrógeno tienden a combinarse con otros tres elementos (e.g. ), mientras que otros podrían tender a combinarse con cinco (), y que cada elemento que se esfuerza por cumplir con su cuota de combinación de poder (valencia) para así satisfacer sus afinidades.

-1859 Gustav Kirchhoff Declaró el "problema del cuerpo negro": ¿cómo la intensidad de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro depende de la frecuencia de la radiación y de la temperatura del cuerpo?

-1877 Ludwig Boltzmann Sugirió que los estados de energía de un sistema físico deberían ser discretos.

-1879 William Crookes Mostró que los rayos catódicos (1838), a diferencia de los rayos de luz, pueden ser doblados en un campo magnético.

-1885 Johann Jakob Balmer Descubrió que las cuatro líneas visibles del espectro del hidrógeno podían ser asignadas enteras a una serie.

-1888 Johannes Rydberg Modificó la fórmula de Balmer para incluir las otras series de líneas y producir la fórmula de Rydberg.

-1891 Alfred Werner Propuso una teoría de afinidad y valencia en la cual la afinidad es una emisión de fuerza atractiva del centro del átomo la cual actúa uniformemente desde allí hacia todas las partes de la superficie esférica del átomo central.

-1892 Heinrich Rudolf Hertz Mostró que los rayos catódicos (1838) podían pasar a través de hojas delgadas de láminas de oro y producir una apreciable luminosidad de los cristales detrás de ellos.

-1896 Henri Becquerel Descubrió la "radiactividad", un proceso en el cual, debido a la desintegración nuclear, ciertos elementos o isótopos espontáneamente emiten uno de las tres entidades energéticas: partículas alfa (carga positiva), partículas beta (carga negativa) y partículas gama (carga neutral).

-1897 Joseph John Thomson Mostró que los rayos catódicos (1838) se curvan bajo la influencia de un campo eléctrico y un campo magnético y para explicar esto el sugirió que los rayos catódicos están negativamente cargados de partículas eléctricas subatómicas o corpúsculos" (electrones), sacados del átomo; y en 1904 propuso el modelo del "budín

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