Mecánica cuántica: una introducción

Probablemente hayas escuchado que la física cuántica es extraña y rara y no obedece las leyes de la física a las que estás acostumbrado. Ciertamente, esto es cierto en gran medida. Hay una razón por la que los físicos tuvieron que desarrollar una nueva teoría y no confiar en las antiguas para explicar lo que sucede en el mundo de los extremadamente pequeños.

En esta introducción a la mecánica cuántica, aprenderá cómo los científicos abordan el comportamiento cuántico y los fenómenos cuánticos, así como de dónde provienen estas ideas.

De hecho, hay mucha rareza en el mundo cuántico. La mecánica cuántica es la rama de la física que intenta explicar esa rareza y proporcionar un marco que permita predicciones y explicaciones de los fenómenos observados.

Los aspectos fundamentales de la mecánica cuántica incluyen la noción de cuantificación. Es decir, existe una unidad mínima de algo que no se puede desglosar más. La energía se cuantifica, lo que significa que viene en unidades discretas.

El tamaño de las unidades cuantificadas generalmente se escribe en términos de Constante de Planck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 metro²kg / s.

Otro aspecto de la mecánica cuántica es la noción de que todas las partículas realmente tienen dualidad partícula-onda, lo que significa que a veces actúan como partículas y otras como ondas. De hecho, se describen mediante una llamada función de onda.

La rareza cuántica incluye la noción de que si una partícula está actuando como una onda o no, de alguna manera depende de la forma en que decidas mirarla. Además, ciertas propiedades de una partícula, como la orientación de su giro, no parecen tener un valor bien definido hasta que las mides.

Así es, no es solo que no lo sabe hasta la medición, sino que el valor distintivo real no existe hasta la medición.

La mecánica cuántica podría entenderse mejor comparándola con la física clásica, que es la física de los objetos cotidianos con la que probablemente esté más familiarizado.

La primera gran diferencia es a qué reinos se aplica cada rama. La física clásica se aplica muy bien a objetos de tamaño cotidiano, como una pelota lanzada. La mecánica cuántica se aplica a objetos que son muy pequeños, como protones, electrones, etc.

En la física clásica, las partículas y los objetos tienen una posición y un momento distintos en cualquier momento dado, y ambos siempre pueden conocerse con precisión. En mecánica cuántica, cuanto más exactamente conoces la posición de un objeto, menos exactamente conoces su impulso. Las partículas no siempre tienen una posición y un impulso bien definidos. A esto se le llama principio de incertidumbre de Heisenberg.

La física clásica asume que los valores energéticos que algo puede tener son continuos. En la mecánica cuántica, sin embargo, la energía existe en trozos discretos. Las partículas subatómicas como los electrones en los átomos, por ejemplo, solo pueden ocupar distintos niveles de energía y no valores intermedios.

El funcionamiento de la causalidad también es diferente. La física clásica es completamente causal, lo que significa que el conocimiento de los estados iniciales le permite predecir exactamente lo que sucederá.

La mecánica cuántica tiene una versión diferente de la causalidad. Las partículas se describen mediante una mecánica cuántica. función de onda, que da probabilidades relativas de lo que podría hacer cuando se mide. Esa función de onda sigue ciertas leyes de la física sobre cómo "evoluciona" en el tiempo y te deja con "nubes de probabilidad" predecibles de lo que la medición podría dar.

Muchos científicos famosos contribuyeron a la teoría cuántica a lo largo de los años y muchos ganaron premios Nobel por sus contribuciones. De hecho, el descubrimiento y desarrollo de la mecánica cuántica fue revolucionario. Los inicios de la teoría cuántica se remontan al siglo XIX.

• El físico Max Planck pudo explicar el fenómeno de la radiación del cuerpo negro mediante la cuantificación de la energía.
• Más tarde, Albert Einstein desarrolló una explicación de la efecto fotoeléctrico tratando la luz como una partícula en lugar de una onda y dándole valores de energía cuantificados.
• Neils Bohr es famoso por su trabajo sobre el átomo de hidrógeno, donde pudo explicar las líneas espectrales en términos de principios de la mecánica cuántica.
• Louis de Broglie presentó la idea de que las partículas que son lo suficientemente pequeñas, como los electrones, también muestran la dualidad partícula-onda.
• Erwin Schrodinger desarrolló su famoso Ecuación de Schrodinger, que describe cómo evolucionan las funciones de onda en el tiempo.
• Werner Heisenberg desarrolló el principio de incertidumbre, que demostró que ni la posición ni el momento de una partícula cuántica pueden conocerse con certeza.
• Paul Dirac predijo la existencia de la antimateria y dio pasos hacia la reconciliación de la teoría de la relatividad general con la teoría cuántica.
• John Bell es conocido por el teorema de Bell, que demostró que no había variables ocultas. (En otras palabras, no se trata solo de que no conozca el valor de una partícula cuántica girar u otra propiedad antes de la medición, pero en realidad no tiene un valor bien definido antes de la medición).
• Richard Feynman desarrolló la teoría de la electrodinámica cuántica.

Debido a que la mecánica cuántica es tan extraña y contraintuitiva, diferentes científicos han desarrollado diferentes interpretaciones de ella. Las ecuaciones que predicen lo que sucede son una cosa: sabemos que funcionan porque son consistentes con observaciones, pero comprender lo que realmente significan es un asunto más filosófico y ha estado sujeto a muchas debate.

Einstein caracterizó las diferentes interpretaciones basándose en cuatro propiedades:

• Realismo, que se refiere a si las propiedades existen realmente antes de la medición.
• Integridad, que aborda si la teoría cuántica actual está completa o no.
• Realismo local, una subcategoría del realismo que se refiere a si el realismo existe en un nivel local e inmediato.
• Determinismo, que se refiere a qué tan bien se cree que la mecánica cuántica es determinista.

La interpretación estándar de la mecánica cuántica se llama interpretación de Copenhague. Fue formulado por Bohr y Heisenberg mientras estaban en Copenhague en 1927. En esencia, esta interpretación establece que todo lo que es una partícula cuántica y todo lo que se puede saber sobre ella se describe mediante la función de onda. En otras palabras, toda la rareza de la mecánica cuántica es realmente tan extraña y así son las cosas en realidad.

Un punto de vista alternativo es la Interpretación de muchos mundos, que elimina los resultados probabilísticos de la tecnología cuántica. observaciones al afirmar que todos los resultados posibles realmente ocurren, pero en diferentes mundos que son ramas de nuestra corriente realidad.

Las teorías de variables ocultas afirman que hay más en el mundo cuántico que nos permitirían hacer predicciones que no se basan en probabilidades, pero necesitamos descubrir ciertas variables ocultas que nos darían estas predicciones. En otras palabras, la mecánica cuántica no está completa. El teorema de Bell, sin embargo, demostró que las variables ocultas no existen a nivel local.

La teoría de De Broglie-Bohm, también conocida como teoría de la onda piloto, aborda la noción de variables ocultas con un enfoque global que el teorema de Bell no contradice.

Como era de esperar, existen muchas, muchas otras interpretaciones porque los científicos han tenido más de un siglo para intentar comprender la naturaleza verdaderamente extraña del mundo cuántico.

Se han realizado muchos experimentos famosos en el camino que condujeron y probaron diferentes aspectos de la teoría cuántica.

Un experimento muy famoso es el experimento EPR, llamado así por los científicos Einstein, Podolsky y Rosen. Este experimento trató la idea de entrelazamiento en un sistema cuántico. Considere dos electrones, los cuales tienen una propiedad llamada espín. Su giro, cuando se mide, está en la posición hacia arriba o hacia abajo.

Al medir el espín de un solo electrón, tiene un 50 por ciento de probabilidades de estar arriba y un 50 por ciento de probabilidades de estar abajo. Los resultados no se pueden predecir de antemano por mecánica cuántica. En este experimento, sin embargo, dos electrones se entrelazan de manera que su espín combinado es 0. Sin embargo, según la mecánica cuántica, todavía no podemos saber cuál gira hacia arriba y cuál hacia abajo, y de hecho ninguno está en ninguna posición y en cambio se dice que está en una "superposición" de ambos estados.

Estos dos electrones entrelazados se envían en direcciones opuestas a diferentes dispositivos que medirán sus espines simultáneamente. Están lo suficientemente separados durante la medición que no hay tiempo para que ninguno de los electrones envíe alguna "señal" invisible al otro para hacerle saber cómo se mide su espín. Y, sin embargo, cuando se realiza la medición, se mide que ambos tienen un giro opuesto.

El gato de Schrödinger es un famoso experimento mental destinado a ilustrar la extrañeza del comportamiento cuántico y plantear la cuestión de qué se entiende realmente por medición y si los objetos grandes, como un gato, pueden mostrar datos cuánticos. comportamiento.

En este experimento, se dice que un gato está en una caja para que el observador no pueda verlo. La vida del gato depende de un evento cuántico, por ejemplo, tal vez la orientación del espín de un electrón. Si gira, el gato muere. Si se detiene, el gato vive.

Pero el estado del electrón está oculto al observador al igual que el gato en la caja. Entonces la pregunta es, hasta que abres la caja, ¿el gato está vivo, muerto o también en alguna extraña superposición de estados como el electrón hasta la medición?

Sin embargo, tenga la seguridad de que nadie ha realizado un experimento de este tipo y ningún gato resultó dañado en la búsqueda del conocimiento cuántico.

La década de 1900 fue una época en la que la física realmente despegó. La mecánica clásica ya no podía explicar el mundo de lo muy pequeño, el mundo de lo muy grande o el mundo de lo muy rápido. Nacieron muchas nuevas ramas de la física. Entre estos se encuentran:

• ​Teoría cuántica de campos:Una teoría que combina la idea de campos con la mecánica cuántica y la relatividad especial.
• ​Partículas fisicas:Un campo de la física que describe todas las partículas fundamentales y las formas en que pueden interactuar entre sí.
• ​Computación cuántica:Un campo que intenta crear computadoras cuánticas que permitan un procesamiento más rápido y mejor cifrado debido a cómo el funcionamiento de una computadora de este tipo se basaría en la mecánica cuántica principios.
• ​Relatividad especial:La teoría que describe el comportamiento de los objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz y se basa en la noción de que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.
• ​Relatividad general:La teoría que describe la gravedad como una curvatura espacio-temporal.