Celebrant un segle de descobriments en física quàntica

La física quàntica descriu el món microscòpic, des de l'estructura d'àtoms i molècules, a les partícules subatòmiques elementals que ens permeten entendre les forces fonamentals de la natura (excepte la gravetat), és a dir, l'electromagnetisme i les forces nuclears febles i fortes. Però la física quàntica no només ens ha proporcionat un coneixement molt profund de com funciona la natura, cosa que ja seria impressionant, sinó que el seu impacte a les nostres vides és simplement brutal. S'estima que un 30-35% del producte interior brut a nivell mundial és degut a l'ús de la física quàntica. Els sectors clau amb gran impacte de la mecànica quàntica inclouen: Semiconductors i electrònica (els transistors són els components bàsics de l'electrònica moderna, i per tant dels nostres mòbils i ordinadors); Telecomunicacions i Internet (comunicacions per fibra òptica, làsers i sistemes de posicionament global com GPS o Galileo); Tecnologia Mèdica (tecnologies MRI i PET presents a la majoria d’hospitals); Sector Energètic (Energia nuclear, plaques solars i LED, etc.). D'altra banda, la segona revolució quàntica està donant lloc a tecnologies emergents com ara la criptografia i la computació quàntiques. La primera ens proporcionarà sistemes segurs de comunicació, mentre que la segona s'espera que revolucioni àrees com: el descobriment de fàrmacs, criptografia i optimització en logística, finances i intel·ligència artificial (IA).

La física quàntica és una teoria el desenvolupament de la qual va involucrar un gran nombre de grans científics. Es considera que va començar el 1900 gràcies a l'explicació de Max Planck de la radiació tèrmica, la llum que emet un cos pel simple fet de tenir una temperatura, i que fins aleshores era un maldecap ja que les prediccions de la física clàssica eren clarament errònies. Per resoldre el problema, Planck va haver d'adoptar la hipòtesi que la llum que s'emetia havia de venir en paquets d'una energia (quantum d'energia) determinada només per la freqüència. Més endavant, Einstein va explicar l'efecte fotoelèctric, un altre maldecap a l'època, el 1905 (cosa que li va valer el premi Nobel, no la relativitat...), suposant que la llum, que en la física clàssica són ones, pot comportar com a partícules, també amb energia proporcional a la freqüència. Després va venir el model atòmic de Bohr (1913), que novament postulava que les òrbites dels electrons al voltant de nucli corresponien a nivells d'energia discretitzats (quàntics), a salts determinats d'una manera molt concreta. No cal dir que totes aquestes explicacions de fenòmens físics microscòpics, l'anomenada època pre-quàntica, van suposar un gran xoc intel·lectual i no van ser fàcils de pair.

La teoria quàntica, com formalment la coneixem avui dia, es va fonamentar durant els anys vint del segle passat, sobre la base de la física pre-quàntica. Una de les grans aportacions, de la qual celebrem el seu centenari aquest any, és l'anomenada dualitat partícula-ona, introduïda per Louis de Broglie en una tesi doctoral presentada a la Universitat de la Soborna i que està entre les més curtes de la història (unes vint pàgines). De Broglie va argumentar que, de la mateixa manera que la llum es pot comportar com a partícules com va predir Einstein en la seva explicació de l'efecte fotoelèctric, les partícules s'han de poder comportar com la llum, com a ones, en algunes situacions. De Broglie també va postular quina seria la longitud d'ona d'una partícula coneguda la massa i la velocitat. Una fórmula molt simple i una idea molt profunda que estan a la base de la física quàntica i que li van valer a de Broglie el premi Nobel de física (1929). Després van venir les contribucions d’Heisenberg, Schrödinger, Born, etc. però això serà una història per a un altre dia.

Quedem-nos amb el fet que el pensament científic en física bàsica, per molt abstracte que sembli, pot tenir un impacte immens a les nostres vides, com certament ho té la física quàntica desenvolupada ja fa uns cent anys.