Esta entrada de blog examina cómo la mecánica cuántica y la física clásica, a pesar de tener marcos diferentes, exhiben soluciones idénticas en condiciones extremas específicas, convergiendo así en una sola física.
La física experimentó una importante transformación en el siglo XX. La aparición de la relatividad especial y la mecánica cuántica, en particular, trajo consigo cambios revolucionarios. Sin embargo, desde la perspectiva del progreso científico, estos dos ejemplos revelan características distintivas.
La teoría especial de la relatividad, publicada en 1905, no solo alteró conceptos fundamentales de la física como el tiempo y el espacio, sino que también obligó a reescribir muchas de las fórmulas existentes en la física. Esto incluye la regla de la adición para velocidades, aceptada desde hace tiempo como una fórmula válida para el movimiento relativo. Esta ley explica la observación, de sentido común, de que un tren que viaja a 150 km/h ve que otro tren sobre las vías, que se mueve en dirección contraria a 150 km/h, parece escapar a 300 km/h. Sin embargo, según la teoría especial de la relatividad, esta ley de la adición no es exacta.
Esto no significa que la física clásica fuera completamente negada por la nueva teoría. Incluso desde la perspectiva de la relatividad especial, las ecuaciones de la física clásica proporcionan descripciones y predicciones suficientemente precisas para la mayoría de las situaciones. Por ejemplo, si el tren mencionado anteriormente viajara a 150,000 km/s, surgiría una clara discrepancia entre la nueva teoría y los cálculos de la física clásica. Sin embargo, incluso a velocidades superiores a la del sonido, alrededor de 1,500 km/h, los resultados de ambos cálculos proporcionan aproximaciones suficientemente buenas. Si bien la teoría de la relatividad especial abarca plenamente el poder explicativo de la física clásica, esta sigue siendo válida dentro del ámbito restringido de aplicabilidad de la teoría especial, es decir, la condición de que «la velocidad no sea particularmente alta». Visto de esta manera, podemos afirmar con seguridad que la teoría de la relatividad especial logró avances en la física al abarcar la física clásica y, al mismo tiempo, ampliar el ámbito de la explicación y la predicción.
¿Cuál es, entonces, el caso de la mecánica cuántica? En 1910, los físicos intentaron explicar los estados dinámicos de los electrones pertenecientes a los átomos, pero la física clásica se mostró incapaz de tal explicación. Finalmente, los físicos construyeron el marco de la mecánica cuántica basándose en premisas incompatibles con la física clásica, proporcionando así una explicación precisa y consistente para los fenómenos problemáticos. Si bien el movimiento de electrones libres, sin restricciones atómicas, puede explicarse mediante la física clásica, la mecánica cuántica es necesaria para describir los electrones dentro de los átomos. Cuando un electrón dentro de un átomo gana suficiente energía, se convierte en un electrón libre. Esto se asemeja al electrón que se libera y pasa del dominio de la mecánica cuántica al de la física clásica.
El problema es que las ecuaciones de la mecánica cuántica no logran explicar eficazmente fenómenos que la física clásica ha descrito con éxito. Esto plantea la pregunta de si el surgimiento de la mecánica cuántica realmente significa progreso en la física. Fenómenos como las colisiones de bolas de billar, que la mecánica cuántica por sí sola no puede explicar, aún residen firmemente dentro del dominio de la física clásica. La teoría del caos, que se desarrolló a partir de 1980, revela otra faceta de la relación entre las dos teorías. La teoría del caos examina cómo dos estados iniciales que son muy ligeramente diferentes evolucionan con el tiempo. Sin embargo, en la mecánica cuántica, hay casos en los que el significado del concepto "dos estados iniciales que son muy ligeramente diferentes" no puede definirse con claridad. Esto implica que la teoría del caos solo puede sostenerse dentro del territorio de la física clásica.
Sin embargo, la mecánica cuántica y la física clásica están curiosamente conectadas. Si asumimos las condiciones extremas correspondientes a un electrón recién liberado de un átomo, sorprendentemente, las ecuaciones de la mecánica cuántica adoptan una forma consistente con las derivadas de la física clásica. Esto indica que ambas teorías, cada una explicando dominios fenoménicos distintos, se encuentran en la frontera entre estos dominios en condiciones extremas, formando una conexión fluida. Gracias a esta conexión, la física clásica y la mecánica cuántica se establecen como partes complementarias que constituyen la física.
Si la física clásica se hubiera descartado y desaparecido, o si la física clásica y la mecánica cuántica no hubieran logrado integrarse perfectamente, la evaluación del progreso de la física del siglo XX habría sido motivo de debate. Sin embargo, al considerar la física en su conjunto tal como la conocemos hoy, resulta evidente que la aparición de la mecánica cuántica en sí misma supuso un progreso para la física. Gracias a la física clásica, la relatividad especial y la mecánica cuántica, hemos logrado una «física diversa pero interconectada» para un «mundo diverso pero interconectado».
