Los cimientos de la física moderna: cómo la cuántica y la relatividad influyen en nuestra vida diaria

CIUDAD DE MÉXICO.- La física cuántica y la teoría de la relatividad suelen percibirse como conceptos abstractos y lejanos. Sin embargo, estas disciplinas no solo forman la base de la ciencia moderna, sino que también impactan directamente en nuestra vida diaria y en las tecnologías que usamos a diario. Entender sus principios permite comprender desde cómo funcionan nuestros dispositivos móviles hasta los procesos más fundamentales del universo.

Qué es la física cuántica y por qué importa

La física cuántica estudia el comportamiento de la materia a escala atómica y subatómica. Examina cómo los átomos y las partículas interactúan, cambiando nuestra forma de entender la realidad. Estas interacciones forman la base de tecnologías como los relojes atómicos y los sistemas de posicionamiento global (GPS).

En palabras sencillas, la física cuántica nos ayuda a medir el tiempo y la distancia con precisión extrema. Los relojes atómicos usados en satélites se calibran mediante la rápida transición de los niveles de energía de un átomo. Esto permite una precisión de hasta 9 mil millones de “tic-tacs” por segundo, evitando errores de cientos de metros o incluso kilómetros en la ubicación de nuestros dispositivos.

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“El GPS de los móviles determina nuestra posición comunicándose con satélites a miles de kilómetros de la Tierra a través de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz”.

La relatividad y su impacto en la vida cotidiana

La teoría de la relatividad de Einstein modifica las leyes clásicas de Newton cuando los objetos se mueven a velocidades cercanas a la luz. En estos casos, el tiempo se dilata, los objetos se contraen y la masa aumenta.

Este efecto no es solo teórico. Por ejemplo, los relojes de los satélites GPS deben corregir sus mediciones considerando la relatividad para que la información que recibimos sea exacta. Sin estas correcciones, los sistemas de navegación fallarían.

Cómo la cuántica y la relatividad se unieron

A principios del siglo XX, los científicos descubrieron que la mecánica cuántica “ordinaria” tenía limitaciones. La ecuación de Schrödinger, creada en 1926, no explicaba completamente la energía del átomo de hidrógeno ni ciertas propiedades del electrón, como su espín. Tampoco podía describir partículas que se movían a velocidades cercanas a la de la luz ni los procesos de desintegración nuclear.

En 1928, Paul A. Dirac desarrolló una ecuación que combinaba cuántica y relatividad. Esta ecuación permitió describir correctamente los niveles de energía del hidrógeno, el comportamiento del electrón y, de forma sorprendente, predijo la existencia de la antimateria.

“Para cada partícula, como el electrón, existía una antipartícula, como el positrón, de igual masa pero con propiedades cuánticas opuestas”.

Años después, la predicción de Dirac se confirmó en experimentos con rayos cósmicos, identificando partículas como el positrón y el antiprotón, lo que fortaleció la unión entre cuántica y relatividad.

La teoría cuántica de campos y la precisión extrema

Aunque la ecuación de Dirac fue un gran avance, todavía tenía limitaciones. Por ejemplo, asumía que el número de partículas en un sistema era constante, lo que no coincidía con la creación o aniquilación de partículas observada en experimentos.

Entre las décadas de 1930 y 1950, científicos como Fock, Pauli, Tomonaga, Schwinger, Feynman y Dyson desarrollaron la teoría cuántica de campos, que forma la base del modelo estándar de la física de partículas. Esta teoría explica cómo partículas y campos, como el electromagnético, interactúan y cómo surge la antimateria.

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La electrodinámica cuántica (EDC), rama de esta teoría, permite predecir fenómenos con hasta veinte cifras decimales de precisión. Por ejemplo, calcula el momento magnético del electrón con una exactitud de 0.0000000001 % respecto a la medida experimental.

“El encuentro de una partícula con su antipartícula produce una aniquilación de las mismas junto con una liberación de energía, generalmente en forma de fotones”.

Hacia una teoría del todo

Desde mediados del siglo XX, los científicos desarrollaron teorías cuánticas relativistas para la fuerza electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. Sin embargo, la gravedad aún no encaja en este marco. Resolver este desafío permitiría unificar las cuatro fuerzas fundamentales en una sola teoría.

Mientras tanto, la unión de la física cuántica y la relatividad sigue explicando procesos complejos, desde la predicción del bosón de Higgs hasta fenómenos en galaxias, estrellas y planetas. Uno de los retos pendientes es explicar la asimetría materia-antimateria en el universo, lo que permitiría entender por qué el cosmos está formado principalmente por materia.