El modelo atómico de Niels Bohr, que planteaba la dicotomía de que el átomo era tanto onda como partícula, es uno de los más exitosos de la historia. Es el más utilizado en la física y el que se enseña en las escuelas, afirmó Gerardo Herrera Corral

El Colegio Nacional recuerda al físico danés Niels Henrik David Bohr, figura clave en el estudio de la estructura de los átomos, en la mesa Niels Bohr, padre de la física cuántica, a cien años de su Premio Nobel, coordinada por el colegiado Alejandro Frank y transmitida en vivo el 28 de febrero a través de las plataformas digitales de la institución.

La sesión contó con la participación de Julia Tagüeña, del Centro de Ciencias de la Complejidad de la UNAM, quien presentó la ponencia Semblanzas de Bohr y Heisenberg: los tiempos que les tocó vivir; de Gerardo Herrera Corral, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, del Instituto Politécnico Nacional, que habló de La interpretación de Copenhague; y de Eduardo Gómez García, académico del Instituto de Física, de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, quien participó con el tema Cien años después: computadoras cuánticas.

Al tomar la palabra, el colegiado Alejandro Frank sostuvo que Niels Bohr marcó el inicio de una revolución en el pensamiento científico, que empezó a confrontar experimentos que la física tradicional no era capaz de explicar. “Bohr y su escuela postularon el primer modelo atómico exitoso y luego, Werner Heisenberg, alumno y colaborador de Bohr, junto con Max Born y muchos otros establecieron las bases matemáticas de la teoría cuántica en 1924 y 1925. Estamos a punto de cumplir cien años de que la teoría de la física cuántica sentó sus bases y no hay una teoría más profunda del espacio y el tiempo de la constitución de la materia.”

El experto en física atómica, agregó que, más allá de escribir correctamente el campo de los átomos y las partículas, la teoría cuántica abre una caja de pandora sobre lo que parece implicar la realidad. Es como en la literatura fantástica en la que existen fantasmas y figuras que no puedes ver. “Después de un siglo de su formulación, la mecánica cuántica continúa desconcertando nuestra intuición y comprensión de la realidad. Lo que llevó a los mejores físicos a considerarla una teoría incompleta. Entre otras cosas, su aparente acción fantasmal, a distancia, como lo describió Albert Einstein, sigue siendo un gran misterio.”

Recordó que Niels Bohr afirmaba que el electrón no existe hasta el momento en el que se observa. Sólo cuando se realiza una medida, uno de los estados posibles del electrón se materializa. Y puntualizó que Albert Einstein fue uno de los iniciadores de la teoría cuántica.

Semblanza de Bohr y Heisenberg: los tiempos que les tocó vivir

En su participación, la física y académica mexicana Julia Tagüeña comentó que Niels Bohr recibió el Premio Nobel de Física en 1922, por sus servicios en la investigación de la estructura de los átomos y de la radiación que de ellos emana. Mientras que Werner Heisenberg recibió el Premio Nobel en 1932 por la creación de la Mecánica cuántica, cuya aplicación tiene, entre otras, el estudio y descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno.

Afirmó que fue muy importante la relación entre Bohr, Heisenberg y Einstein. A finales de febrero de 1927, Bohr encontró el principio de la complementariedad. Mientras tanto, Heisenberg encontró el de la incertidumbre que permite desarrollar la interpretación de Copenhague. “Ninguno de los dos principios sería aceptado por Einstein, quien estaba convencido de la existencia de una realidad independiente del observador.”

De acuerdo con la ganadora de The Public Understanding and Popularization of Science Award 2021, que otorga la Academia Mundial de Ciencias, La interpretación de Copenhague acabó por imponerse y Bohr se convirtió en una figura legendaria para toda una generación de físicos. Niels Bohr nació en Copenhague en 1885. Después de doctorarse, trabajó con Rutherford en Manchester, creó el Instituto Nórdico de Física Teórica a partir de 1920 y huyó de los nazis en 1943 para viajar a Londres. Posteriormente, trabajó en el proyecto Manhattan en los Álamos, en Estados Unidos. Su hijo Aage Niels Bohr también obtuvo el Nobel de Física en 1975.

Por su parte, Weber Heisenberg nació en Alemania en 1901. Fue uno de los mejores alumnos de Niels Bohr. En 1927 fue nombrado profesor de Física Teórica en la Universidad de Leipzig, estuvo a cargo del proyecto alemán de la bomba atómica en la Segunda Guerra Mundial e intentó construir un reactor nuclear con una reacción en cadena. Murió en 1976.

La científica aseguró que, después de la Segunda Guerra Mundial, Bohr abogó por el uso pacífico de la energía nuclear hasta su fallecimiento en 1962 y recibió en 1958 el Premio de Átomos para la Paz. “Hay un cráter lunar que se llama Bohr, hay un elemento químico llamado Bohrio, sus siglas son Bh y su número atómico es 107, y hay un asteroide llamado Bohr 8.”

La investigadora Tagüeña apunta que entender el comportamiento de los electrones y del hueco que deja un electrón cuando cambia su estado energético permitió construir los transistores, los chips y las computadoras, “en realidad estamos ahora conectados porque la mecánica cuántica ha funcionado en construir todo esto. En la práctica del estado sólido, la mecánica cuántica ha permitido construir la tecnología que existe en el mundo en el vivimos hoy. El efecto fotovoltaico y la tecnología espacial también están basados en el conocimiento de la mecánica cuántica”, finalizó.

La interpretación de Copenhague

Al tomar la palabra, el físico de partículas Gerardo Herrera Corral recordó que esta interpretación es una de las partes centrales del trabajo de Niels Bohr y aseguró que la mecánica cuántica es uno de los pilares de la física moderna y es la teoría que explica la estructura microscópica del Universo.

En palabras del especialista del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, del Instituto Politécnico Nacional, la mecánica cuántica tiene su origen en dos aspectos fundamentales: la radiación del cuerpo negro, con la que se concluyó que la luz era tanto onda como partícula; y el modelo de los átomos. “El modelo de átomos de Bohr, que planteaba la dicotomía de que el átomo era tanto onda como partícula, es uno de los más exitosos de la historia. Es el más utilizado en física y el que se enseña en las escuelas.”

Agregó que Niels Bohr siguió las líneas de investigación de J. J. Thomson, famoso por descubrir el electrón. Después trabajó con Ernest Rutherford, Premio Nobel en 1908 y quien descubrió el núcleo del átomo. Así creó en 1913 el modelo atómico de Bohr que le daría el Premio Nobel de Física en 1922.

En palabras del autor del libro Agujeros negros y ondas gravitacionales, una mirada profunda al Universo (2019), después de que llegara la idea de Schrödinger, que planteaba que el átomo podía ser onda y partícula al mismo tiempo, fue necesario entender mejor esa manera de ver el mundo microscópico y así nación en 1927 la interpretación de Copenhague. “Fue Niels Bohr uno de sus creadores junto a Max Born y W. Heisenberg. Esta interpretación se refiere a la mecánica cuántica como una descripción probabilística, es decir sólo se puede obtener probabilidades de los fenómenos y tiene un principio de correspondencia entre el mundo cuántico y el mundo clásico.”

Explicó que la interpretación de Copenhague tiene tres principios: de complementariedad, motivado por la idea de que la materia es onda y es partícula al mismo tiempo; de indeterminación, que dice que si se fija con mucha claridad y precisión la posición de una partícula entonces habrá una incertidumbre en la determinación de su velocidad y viceversa; y de interpretación de probabilidad.

De acuerdo con Herrera Corral, un principio fundamental en la interpretación de Copenhague es la superposición, el hecho de que, en mecánica clásica, se puede poner una pelota fuera o dentro de la caja, en la mecánica cuántica se pueden tener las dos opciones al mismo tiempo, la pelota está fuera y dentro en una superposición de estados. “Es como lo que ocurre con el arte moderno, cuando se observa un cuadro de Pollock, el observador necesita una metáfora que le dirá algo de la obra de arte. La mecánica cuántica hace lo mismo, para que un observador pueda determinar si una persona está enojada o contenta será necesaria una función de onda que da los posibles estados de contento o enojado y que solamente cuando se hace un cálculo con esa función se podrá conocer la probabilidad.

Sostuvo que ese principio de superposición es el pilar de la idea de que un gato dentro de una caja se encuentre vivo y muerto al mismo tiempo y es hasta el momento en que se abre la caja y se observa cuando el gato va a decidir en cuál de los dos estados cuánticos estar. “Esta interpretación tuvo dos consecuencias importantes, generó situaciones paradójicas que provocaron inquietud y el nacimiento de la disidencia, es decir, que los físicos se dividieron entre los ortodoxos y los disidentes. La disidencia es la oportunidad de ver maneras distintas de la mecánica cuántica”, finalizó.

Cien años después: computadoras cuánticas

Por su parte, Eduardo Gómez García, académico del Instituto de Física, de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí comentó que lo que distingue a los físicos de los filósofos es que los primeros se basan en resultados reales, en experimentos.

Afirmó que toda la información transmitida a través de Internet se hace en términos de números, ya sean imágenes, textos, voz u otro formato, a cada letra o píxel se le asigna uno. Por ejemplo, la palabra “día” sería el número 380; sin embargo, en la era digital, la tecnología convierte todo a los números 1 y 0. “La manera como se encriptan los mensajes hoy día, como se oculta la información, es aprovechando una asimetría que existe en las matemáticas, la lectura de derecha a izquierda y la división entre cifras. Una computadora cuántica es capaz de hacer estas lecturas de manera simultánea, lo que rompe los sistemas de encriptación actuales.”

El especialista puntualizó que las tecnologías cuánticas se pueden clasificar en tres grupos: la computación cuántica, que puede ayudar a resolver problemas mejor que con una computadora tradicional; la criptografía cuántica, que permite transmitir información de una manera intrínsecamente segura; y sensores cuánticos, que ayudan a elaborar dispositivos que funcionan mejor que los tradicionales como relojes súper exactos y acelerómetros de los vehículos. “En el caso de los relojes atómicos, por ejemplo, fueron esenciales para el desarrollo del GPS, del sistema de posicionamiento global como Waze.”

Agregó que las tecnologías cuánticas no son una cuestión del futuro, ya están impactando la vida. Afirmó que actualmente se tiene un control exquisito de los átomos y se pueden manipular como sea necesario. “En el modelo atómico de Bohr el electrón da vueltas, como si fuera un planeta alrededor del núcleo, y éste puede tener saltos cuánticos en una órbita o en la otra según se requiera. Como una ola que llega a la playa y está en muchos lugares al mismo tiempo. Lo mismo sucede con el electrón cuando se comporta como onda, estará en varias órbitas al mismo tiempo, ahí está el poder de las computadoras cuánticas.”

De acuerdo con Gómez García, las computadoras cuánticas no reemplazarán a las computadoras actuales, son mejores sólo en cierto tipo de problemas. “Lo que hace falta es hacerlas más grandes. Existe todo un mercado que ha surgido alrededor de las tecnologías cuánticas y es importante que en México entremos a este mercado.”

Fuente: El Colegio Nacional