INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA CUÁNTICA - CONTINUACIÓN
Dualidad onda-partícula [ editar ]
Así como la luz tiene propiedades similares a las ondas y similares a las partículas, la materia también tiene propiedades similares a las ondas . [21]
La materia que se comporta como una onda se demostró primero experimentalmente para los electrones: un haz de electrones puede exhibir difracción , al igual que un haz de luz o una onda de agua. [nota 8] Más tarde, se mostraron fenómenos similares a ondas similares para los átomos e incluso moléculas.
La longitud de onda, λ , asociada con cualquier objeto está relacionada con su momento, p , a través de la constante de Planck , h : [22] [23]
La relación, llamada la hipótesis de De Broglie, se aplica a todos los tipos de materia: toda la materia exhibe propiedades tanto de partículas como de ondas.
El concepto de dualidad onda-partícula dice que ni el concepto clásico de "partícula" ni de "onda" pueden describir completamente el comportamiento de los objetos a escala cuántica, ya sean fotones o materia. La dualidad onda-partícula es un ejemplo del principio de complementariedad en la física cuántica. [24] [25] [26] [27] [28] Un ejemplo elegante de dualidad onda-partícula, el experimento de la doble rendija, se discute en la siguiente sección.
El experimento de doble rendija [ editar ]
En el experimento de doble rendija, como lo realizaron originalmente Thomas Youngy Augustin Fresnel en 1827, un haz de luz se dirige a través de dos rendijas estrechas y muy separadas, produciendo un patrón de interferencia de bandas claras y oscuras en una pantalla. Si una de las ranuras está cubierta, uno podría ingenuamente esperar que la intensidad de las franjas debidas a la interferencia se reduciría a la mitad en todas partes. De hecho, se ve un patrón mucho más simple, un patrón de difracciónsimple . Cerrar una hendidura da como resultado un patrón mucho más simple, diametralmente opuesto a la hendidura abierta. Se puede demostrar exactamente el mismo comportamiento en las ondas de agua, por lo que el experimento de doble rendija fue visto como una demostración de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Se han realizado variaciones del experimento de la doble rendija utilizando electrones, átomos e incluso moléculas grandes, [29] [30] y se observa el mismo tipo de patrón de interferencia. Por lo tanto, se ha demostrado que toda la materia posee características tanto de partículas como de ondas.
Incluso si la intensidad de la fuente se reduce, de modo que solo una partícula (por ejemplo, fotón o electrón) pasa a través del aparato a la vez, el mismo patrón de interferencia se desarrolla con el tiempo. La partícula cuántica actúa como una onda cuando pasa a través de las doble rendijas, pero como una partícula cuando se detecta. Esta es una característica típica de la complementariedad cuántica: una partícula cuántica actúa como una onda en un experimento para medir sus propiedades de onda, y como una partícula en un experimento para medir sus propiedades de partícula. El punto en la pantalla del detector donde aparece cualquier partícula individual es el resultado de un proceso aleatorio. Sin embargo, el patrón de distribución de muchas partículas individuales imita el patrón de difracción producido por las ondas.
Aplicación al modelo de Bohr [ editar ]
De Broglie expandió el modelo de Bohr del átomo al mostrar que un electrón en órbita alrededor de un núcleo podría pensarse que tiene propiedades de onda. En particular, un electrón se observa solo en situaciones que permiten una onda estacionaria alrededor de un núcleo . Un ejemplo de una onda estacionaria es una cuerda de violín, que está fija en ambos extremos y puede hacerse vibrar. Las ondas creadas por un instrumento de cuerda parecen oscilar en su lugar, moviéndose desde la cresta hasta la depresión en un movimiento hacia arriba y hacia abajo. La longitud de onda de una onda estacionaria está relacionada con la longitud del objeto vibrante y las condiciones de contorno. Por ejemplo, como la cuerda de violín está fija en ambos extremos, puede transportar ondas estacionarias de longitudes de onda, donde l es la longitud yn es un entero positivo. De Broglie sugirió que las órbitas electrónicas permitidas eran aquellas para las cuales la circunferencia de la órbita sería un número entero de longitudes de onda. Por lo tanto, la longitud de onda del electrón determina que solo son posibles las órbitas de Bohr a ciertas distancias del núcleo. A su vez, a cualquier distancia del núcleo más pequeña que un cierto valor, sería imposible establecer una órbita. La distancia mínima posible desde el núcleo se llama el radio de Bohr. [31]
El tratamiento de De Broglie de los eventos cuánticos sirvió como punto de partida para Schrödinger cuando se dispuso a construir una ecuación de onda para describir eventos teóricos cuánticos.
Girar [ editar ]
En 1922, Otto Stern y Walther Gerlach dispararon átomos de plata a través de un campo magnético (no homogéneo). En la mecánica clásica, un imán lanzado a través de un campo magnético puede ser, dependiendo de su orientación (si está apuntando con su polo norte hacia arriba o hacia abajo, o en algún punto intermedio), desviado una pequeña o gran distancia hacia arriba o hacia abajo. Los átomos que Stern y Gerlach dispararon a través del campo magnético actuaron de manera similar. Sin embargo, si bien los imanes podrían desviarse distancias variables, los átomos siempre se desviarían una distancia constante hacia arriba o hacia abajo. Esto implicaba que la propiedad del átomo que corresponde a la orientación del imán debe cuantificarse, tomando uno de los dos valores (hacia arriba o hacia abajo), en lugar de ser elegido libremente desde cualquier ángulo.
Ralph Kronig originó la teoría de que las partículas como los átomos o los electrones se comportan como si giraran, o "giraran", alrededor de un eje. Spin explicaría el momento magnético faltante [ clarificación necesaria ] , y permitiría que dos electrones en el mismo orbital ocupen distintos estados cuánticos si "giran" en direcciones opuestas, satisfaciendo así el principio de exclusión . El número cuántico representó el sentido (positivo o negativo) del giro.
La elección de la orientación del campo magnético utilizado en el experimento de Stern-Gerlach es arbitraria. En la animación que se muestra aquí, el campo es vertical y los átomos se desvían hacia arriba o hacia abajo. Si el imán se gira un cuarto de vuelta, los átomos se desvían hacia la izquierda o hacia la derecha. El uso de un campo vertical muestra que el giro a lo largo del eje vertical está cuantizado, y el uso de un campo horizontal muestra que el giro a lo largo del eje horizontal está cuantizado.
Si, en lugar de golpear una pantalla del detector, uno de los haces de átomos que salen del aparato de Stern-Gerlach pasa a otro campo magnético (no homogéneo) orientado en la misma dirección, todos los átomos se desvían de la misma manera en esta segunda campo. Sin embargo, si el segundo campo está orientado a 90 ° con respecto al primero, la mitad de los átomos se desvían de una manera y la mitad de la otra, de modo que el giro del átomo sobre los ejes horizontal y vertical es independiente entre sí. Sin embargo, si uno de estos haces (p. Ej., Los átomos que fueron desviados hacia arriba y luego hacia la izquierda) pasa a un tercer campo magnético, orientado de la misma manera que el primero, la mitad de los átomos se desvía hacia un lado y la mitad hacia el otro, aunque todos Fue en la misma dirección originalmente. La acción de medir los átomos.
El experimento de Stern-Gerlach demuestra una serie de características importantes de la mecánica cuántica:
- se ha demostrado que una característica del mundo natural está cuantificada y solo es capaz de tomar ciertos valores discretos
- las partículas poseen un momento angular intrínseco que es muy similar al momento angular de un objeto de giro clásico
- La medición cambia el sistema que se está midiendo en la mecánica cuántica. Solo se puede conocer el giro de un objeto en una dirección, y observar el giro en otra dirección destruye la información original sobre el giro.
- la mecánica cuántica es probabilística: si el giro de cualquier átomo individual enviado al aparato es positivo o negativo es aleatorio.
Desarrollo de la mecánica cuántica moderna [ editar ]
En 1925, Werner Heisenberg intentó resolver uno de los problemas que el modelo de Bohr dejó sin respuesta, explicando las intensidades de las diferentes líneas en el espectro de emisión de hidrógeno. A través de una serie de analogías matemáticas, escribió el análogo de la mecánica cuántica para el cálculo clásico de intensidades. [32] Poco después, el colega de Heisenberg, Max Born, se dio cuenta de que el método de Heisenberg para calcular las probabilidades de transiciones entre los diferentes niveles de energía podría expresarse mejor utilizando el concepto matemático de matrices . [nota 9]
En el mismo año, basándose en la hipótesis de De Broglie, Erwin Schrödinger desarrolló la ecuación que describe el comportamiento de una onda mecánica cuántica. [33] El modelo matemático, llamado ecuación de Schrödinger después de su creador, es fundamental para la mecánica cuántica, define los estados estacionarios permitidos de un sistema cuántico y describe cómo el estado cuántico de un sistema físico cambia con el tiempo. [34] La propia onda se describe mediante una función matemática conocida como " función de onda ". Schrödinger dijo que la función de onda proporciona los "medios para predecir la probabilidad de resultados de medición". [35]
Schrödinger pudo calcular los niveles de energía del hidrógeno al tratar el electrón de un átomo de hidrógeno como una onda clásica, moviéndose en un pozo de potencial eléctrico creado por el protón. Este cálculo reproduce con precisión los niveles de energía del modelo de Bohr.
En mayo de 1926, Schrödinger probó que la mecánica matricial de Heisenberg y su propia mecánica ondulatoriahicieron las mismas predicciones sobre las propiedades y el comportamiento del electrón; Matemáticamente, las dos teorías tenían una forma común subyacente. Sin embargo, los dos hombres no estaban de acuerdo con la interpretación de su teoría mutua. Por ejemplo, Heisenberg aceptó la predicción teórica de saltos de electrones entre orbitales en un átomo, [36] pero Schrödinger esperaba que una teoría basada en propiedades onduladas continuas pudiera evitar lo que llamó (como parafraseado por Wilhelm Wien ) "esta tontería acerca de saltos cuánticos ". [37]
Interpretación de Copenhague [ editar ]
Bohr, Heisenberg y otros intentaron explicar qué significan realmente estos resultados experimentales y los modelos matemáticos. Su descripción, conocida como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, apuntaba a describir la naturaleza de la realidad que estaba siendo probada por las mediciones y descrita por las formulaciones matemáticas de la mecánica cuántica.
Los principios fundamentales de la interpretación de Copenhague son:
- Un sistema está completamente descrito por una función de onda, generalmente representada por la letra griega("psi"). (Heisenberg)
- Cómo los cambios en el tiempo están dados por la ecuación de Schrödinger.
- La descripción de la naturaleza es esencialmente probabilística. La probabilidad de un evento, por ejemplo, cuando en la pantalla aparece una partícula en el experimento de doble rendija, está relacionada con el cuadrado del valor absoluto de la amplitud de su función de onda. ( Regla de Born , debido a Max Born , que le da un significado físico a la función de onda en la interpretación de Copenhague: la amplitud de probabilidad )
- No es posible conocer los valores de todas las propiedades del sistema al mismo tiempo; aquellas propiedades que no se conocen con precisión deben ser descritas por probabilidades. ( Principio de incertidumbre de Heisenberg )
- La materia, como la energía, exhibe una dualidad onda-partícula. Un experimento puede demostrar las propiedades similares a partículas de la materia, o sus propiedades similares a las ondas; Pero no ambos al mismo tiempo. ( Principio de complementariedad debido a Bohr)
- Los dispositivos de medición son esencialmente dispositivos clásicos, y miden propiedades clásicas como la posición y el momento. [38]
- La descripción de la mecánica cuántica de grandes sistemas debe aproximarse mucho a la descripción clásica. ( Principio de correspondencia de Bohr y Heisenberg)
Varias consecuencias de estos principios se discuten con más detalle en las siguientes subsecciones.
Principio de incertidumbre [ editar ]
Supongamos que se desea medir la posición y la velocidad de un objeto, por ejemplo, un automóvil que atraviesa una trampa de velocidad de radar. Se puede suponer que el automóvil tiene una posición y velocidad definidas en un momento determinado en el tiempo. La precisión con la que se pueden medir estos valores depende de la calidad del equipo de medición. Si se mejora la precisión del equipo de medición, proporciona un resultado más cercano al valor real. Podría suponerse que la velocidad del automóvil y su posición podrían definirse operativamente y medirse simultáneamente, con la precisión que se desee.
En 1927, Heisenberg demostró que esta última suposición no es correcta. [40] La mecánica cuántica muestra que ciertos pares de propiedades físicas, por ejemplo, la posición y la velocidad, no pueden medirse simultáneamente, ni definirse en términos operacionales, con precisión arbitraria: cuanto más precisamente se mide una propiedad, o se define en términos operacionales, menos precisamente puede el otro. Esta declaración es conocida como el principio de incertidumbre.. El principio de incertidumbre no es solo una afirmación acerca de la precisión de nuestro equipo de medición, sino que, más profundamente, trata sobre la naturaleza conceptual de las cantidades medidas: el supuesto de que el automóvil ha definido simultáneamente la posición y la velocidad no funciona en la mecánica cuántica. En una escala de autos y personas, estas incertidumbres son insignificantes, pero cuando tratan con átomos y electrones se vuelven críticos. [41]
Heisenberg dio, como ilustración, la medida de la posición y el momento de un electrón utilizando un fotón de luz. Al medir la posición del electrón, cuanto mayor es la frecuencia del fotón, más precisa es la medición de la posición del impacto del fotón con el electrón, pero mayor es la perturbación del electrón. Esto se debe a que a partir del impacto con el fotón, el electrón absorbe una cantidad aleatoria de energía, lo que hace que la medición obtenida de su impulsocada vez más incierto (el momento es la velocidad multiplicada por la masa), ya que uno necesariamente mide su momento perturbado posterior al impacto a partir de los productos de colisión y no su momento original. Con un fotón de frecuencia más baja, la perturbación (y, por tanto, la incertidumbre) en el momento es menor, pero también lo es la precisión de la medición de la posición del impacto. [42]
El principio de incertidumbre muestra matemáticamente que el producto de la incertidumbre en la posición y el momento de una partícula (el momento es la velocidad multiplicada por la masa) nunca podría ser menor que un cierto valor, y que este valor está relacionado con la constante de Planck .
Colapso de la función de onda [ editar ]
El colapso de la función de onda es una expresión forzada para lo que acaba de suceder cuando es apropiado reemplazar la descripción de un estado incierto de un sistema por una descripción del sistema en un estado definido. Las explicaciones sobre la naturaleza del proceso de llegar a ser cierto son controvertidas. En cualquier momento antes de que un fotón "aparezca" en una pantalla de detección, solo se puede describir mediante un conjunto de probabilidades para el lugar en el que podría aparecer. Cuando aparece, por ejemplo en el CCDde una cámara electrónica, el tiempo y el espacio donde interactuó con el dispositivo se conocen dentro de límites muy ajustados. Sin embargo, el fotón ha desaparecido y la función de onda ha desaparecido con él. En su lugar, ha aparecido algún cambio físico en la pantalla de detección, por ejemplo, un punto expuesto en una lámina de película fotográfica, o un cambio en el potencial eléctrico en alguna celda de un CCD.
Estados propios y valores propios [ editar ]
- Para una introducción más detallada a este tema, vea: Introducción a los estados propios
Debido al principio de incertidumbre , las declaraciones sobre la posición y el momento de las partículas solo pueden asignar una probabilidad de que la posición o el momento tenga algún valor numérico. Por lo tanto, es necesario formular claramente la diferencia entre el estado de algo que es indeterminado, como un electrón en una nube de probabilidad, y el estado de algo que tiene un valor definido. Cuando un objeto definitivamente puede ser "fijado" en algún aspecto, se dice que posee un estado propio .
En el experimento de Stern-Gerlach discutido anteriormente , el giro del átomo sobre el eje vertical tiene dos estados propios: arriba y abajo. Antes de medirlo, solo podemos decir que cualquier átomo individual tiene la misma probabilidad de que se encuentre que gire hacia arriba o hacia abajo. El proceso de medición hace que la función de onda colapse en uno de los dos estados.
Los estados propios de giro sobre el eje vertical no son simultáneamente estados propios de giro sobre el eje horizontal, por lo que este átomo tiene la misma probabilidad de encontrar un valor de giro alrededor del eje horizontal. Como se describe en la sección anterior , la medición del giro alrededor del eje horizontal puede permitir que un átomo girado hacia abajo gire hacia abajo: la medición de su giro alrededor del eje horizontal colapsa su función de onda en uno de los estados propios de esta medición, lo que significa que es Ya no está en un estado propio de giro sobre el eje vertical, por lo que puede tomar cualquiera de los dos valores.
El principio de exclusión de Pauli [ editar ]
En 1924, Wolfgang Pauli propuso un nuevo grado cuántico de libertad (o número cuántico ), con dos valores posibles, para resolver las inconsistencias entre los espectros moleculares observados y las predicciones de la mecánica cuántica. En particular, el espectro del hidrógeno atómico tenía un doblete , o par de líneas que diferían en una pequeña cantidad, donde solo se esperaba una línea. Pauli formuló su principio de exclusión , afirmando que "no puede existir un átomo en un estado cuántico tal que dos electrones dentro de [él] tengan el mismo conjunto de números cuánticos". [43]
Un año más tarde, Uhlenbeck y Goudsmit identificaron el nuevo grado de libertad de Pauli con la propiedad llamada spin cuyos efectos se observaron en el experimento Stern-Gerlach.
Aplicación al átomo de hidrógeno [ editar ]
El modelo del átomo de Bohr era esencialmente planetario, con los electrones orbitando alrededor del "sol" nuclear. Sin embargo, el principio de incertidumbre establece que un electrón no puede tener simultáneamente una ubicación y velocidad exactas en la forma en que lo hace un planeta. En lugar de las órbitas clásicas, se dice que los electrones habitan en los orbitales atómicos . Un orbital es la "nube" de posibles ubicaciones en las que se puede encontrar un electrón, una distribución de probabilidades en lugar de una ubicación precisa. [43] Cada orbital es tridimensional, en lugar de la órbita bidimensional, y a menudo se representa como una región tridimensional dentro de la cual hay un 95% de probabilidad de encontrar el electrón. [44]
Schrödinger pudo calcular los niveles de energía del hidrógeno al tratar el electrón de un átomo de hidrógeno como una onda, representada por la " función de onda " Ψ , en un pozo eléctrico , V , creado por el protón. Las soluciones a la ecuación de Schrödinger son distribuciones de probabilidades para posiciones y ubicaciones de electrones. Los orbitales tienen una gama de diferentes formas en tres dimensiones. Las energías de los diferentes orbitales se pueden calcular y se ajustan con precisión a los niveles de energía del modelo de Bohr.
Dentro de la imagen de Schrödinger, cada electrón tiene cuatro propiedades:
- Una designación "orbital", que indica si la onda de la partícula es una que está más cerca del núcleo con menos energía o una que está más alejada del núcleo con más energía;
- La "forma" del orbital, esférico o de otro tipo;
- La "inclinación" del orbital, que determina el momento magnético del orbital alrededor del eje z .
- El "spin" del electrón.
El nombre colectivo para estas propiedades es el estado cuántico del electrón. El estado cuántico se puede describir dando un número a cada una de estas propiedades; Estos son conocidos como los números cuánticosdel electrón . El estado cuántico del electrón se describe por su función de onda. El principio de exclusión de Pauli exige que no haya dos electrones dentro de un átomo que puedan tener los mismos valores de los cuatro números.
La primera propiedad que describe el orbital es el número cuántico principal , n , que es el mismo que en el modelo de Bohr. n denota el nivel de energía de cada orbital. Los valores posibles para n son enteros:
El siguiente número cuántico, el número cuántico azimutal , denotado como l , describe la forma del orbital. La forma es una consecuencia del momento angular del orbital. El momento angular representa la resistencia de un objeto giratorio a la aceleración o desaceleración bajo la influencia de la fuerza externa. El número cuántico azimutal representa el momento angular orbital de un electrón alrededor de su núcleo. Los valores posibles para l son números enteros de 0 a n - 1 (donde n es el número cuántico principal del electrón):
La forma de cada orbital es usualmente referida por una letra, en lugar de por su número cuántico azimutal. La primera forma ( l = 0) se denota con la letra s (un mnemónico es " s phere"). La siguiente forma se indica con la letra p y tiene la forma de una mancuerna. Los otros orbitales tienen formas más complicadas (ver orbital atómico), y se denotan con las letras d , f , g , etc.
El tercer número cuántico, el número cuántico magnético , describe el momento magnético del electrón y se denota por m l (o simplemente m ). Los valores posibles para m l son números enteros de - l a l (donde l es el número cuántico azimutal del electrón):
El número cuántico magnético mide la componente del momento angular en una dirección particular. La elección de la dirección es arbitraria, convencionalmente se elige la dirección z.
El cuarto número cuántico, el número cuántico de spin (perteneciente a la "orientación" del espín del electrón) se denota m s , con valores + 1 / 2 o - 1 / 2 .
Es la estructura y simetría subyacentes de los orbitales atómicos, y la forma en que los electrones los llenan, lo que lleva a la organización de la tabla periódica . La forma en que los orbitales atómicos en diferentes átomos se combinan para formar orbitales moleculares determina la estructura y la fuerza de los enlaces químicos entre los átomos.
Ecuación de onda Dirac [ editar ]
En 1928, Paul Dirac extendió la ecuación de Pauli , que describía los electrones giratorios, para dar cuenta de la relatividad especial . El resultado fue una teoría que se ocupó adecuadamente de los eventos, como la velocidad a la que un electrón orbita el núcleo, que ocurre en una fracción sustancial de la velocidad de la luz . Al utilizar la interacción electromagnética más simple , Dirac pudo predecir el valor del momento magnético asociado con el giro del electrón, y encontró el valor observado experimentalmente, que era demasiado grande para ser el de una esfera cargada en rotación gobernada por la física clásica . Fue capaz de resolver las líneas espectrales del átomo de hidrógeno., y para reproducir a partir de los primeros principios físicos , la fórmula exitosa de Sommerfeld para la estructura fina del espectro de hidrógeno.
Las ecuaciones de Dirac a veces arrojaron un valor negativo para la energía, por lo que propuso una solución novedosa: postuló la existencia de un antielectrón y de un vacío dinámico. Esto condujo a la teoría cuántica de campos de muchas partículas .
El entrelazamiento cuántico [ editar ]
El principio de exclusión de Pauli dice que dos electrones en un sistema no pueden estar en el mismo estado. La naturaleza deja abierta la posibilidad, sin embargo, de que dos electrones pueden tener ambos estados "superpuestos" sobre cada uno de ellos. Recuerde que las funciones de onda que emergen simultáneamente de las dobles rendijas llegan a la pantalla de detección en un estado de superposición. Nada es seguro hasta que las formas de onda superpuestas "colapsan". En ese instante, un electrón aparece en algún lugar de acuerdo con la probabilidad de que sea el cuadrado del valor absoluto de la suma de las amplitudes de valores complejos de las dos formas de onda superpuestas. La situación allí ya es muy abstracta. Una forma concreta de pensar acerca de los fotones entrelazados, fotones en los cuales dos estados contrarios se superponen en cada uno de ellos en el mismo evento, es la siguiente:
Imagine que la superposición de un estado marcado como azul y otro estado marcado como rojo aparecen (en imaginación) como un estado púrpura . Dos fotones se producen como resultado del mismo evento atómico. Quizás se producen por la excitación de un cristal que, de manera característica, absorbe un fotón de cierta frecuencia y emite dos fotones de la mitad de la frecuencia original. Entonces los dos fotones salen morados. Si el experimentador realiza ahora un experimento que determina si uno de los fotones es azul o rojo , ese experimento cambia el fotón involucrado de uno que tiene una superposición de azul y rojoCaracterísticas de un fotón que tiene solo una de esas características. El problema que tuvo Einstein con una situación tan imaginada fue que si uno de estos fotones se hubiera mantenido rebotando entre los espejos en un laboratorio en la Tierra, y el otro hubiera viajado hasta la mitad de la estrella más cercana, cuando se hizo que su gemelo se revelara como ya sea azul o rojo, eso significaba que el fotón distante ahora también tenía que perder su estado púrpura . Por lo tanto, cada vez que se investigara después de que su gemelo hubiera sido medido, necesariamente se mostraría en el estado opuesto al que su gemelo había revelado.
Al tratar de demostrar que la mecánica cuántica no era una teoría completa, Einstein comenzó con la predicción de la teoría de que dos o más partículas que han interactuado en el pasado pueden aparecer fuertemente correlacionadas cuando sus diversas propiedades se miden posteriormente. Trató de explicar esta aparente interacción de una manera clásica, a través de su pasado común, y preferiblemente no por alguna "acción espeluznante a distancia". El argumento se desarrolla en un artículo famoso, Einstein, Podolsky y Rosen (1935; EPR abreviado), que establece lo que ahora se llama la paradoja EPR . Asumiendo lo que ahora se suele llamar realismo local , el EPR intentó demostrar a partir de la teoría cuántica que una partícula tiene una posición y un impulso simultáneamente, mientras que de acuerdo con la interpretación de Copenhague., solo una de esas dos propiedades existe realmente y solo en el momento en que se está midiendo. EPR concluyó que la teoría cuántica está incompleta, ya que se niega a considerar las propiedades físicas que existen objetivamente en la naturaleza. (Einstein, Podolsky y Rosen 1935 es actualmente la publicación más citada de Einstein en revistas de física). En el mismo año, Erwin Schrödinger utiliza la palabra "entrelazamiento" y declaró: "Yo no llamaría a eso uno , sino más bien el rasgo característico de la mecánica cuántica . " [45] La cuestión de si el enredo es una condición real aún está en disputa. [46] Las desigualdades de Bell son el desafío más poderoso para las afirmaciones de Einstein.
Teoría cuántica de campos [ editar ]
La idea de la teoría del campo cuántico comenzó a fines de la década de 1920 con el físico británico Paul Dirac , cuando intentó cuantificar el campo electromagnético , un procedimiento para construir una teoría cuántica a partir de una teoría clásica.
Un campo en la física es "una región o espacio en el que existe un efecto dado (como el magnetismo )". [47]Otros efectos que se manifiestan como campos son la gravitación y la electricidad estática . [48] En 2008, el físico Richard Hammond escribió que
Agregó, sin embargo, que la mecánica cuántica se usa a menudo para referirse a "la noción completa de la visión cuántica". [49] : 108
En 1931, Dirac propuso la existencia de partículas que luego se conocieron como antimateria . [50] Dirac compartió el Premio Nobel de Física para 1933 con Schrödinger "por el descubrimiento de nuevas formas productivas de la teoría atómica ". [51]
A primera vista, la teoría de campos cuánticos permite un número infinito de partículas, y deja que la teoría en sí prediga cuántas y con qué probabilidades o números deberían existir. Cuando se desarrolla aún más, la teoría a menudo contradice la observación, por lo que sus operadores de creación y aniquilación se pueden vincular empíricamente. [ aclaración necesaria ] Además, las leyes de conservación empíricas como la de la energía de masas sugieren ciertas restricciones en la forma matemática de la teoría, que matemáticamente son meticulosas. El último hecho hace que las teorías cuánticas de campo sean difíciles de manejar, pero también ha llevado a restricciones adicionales sobre las formas admisibles de la teoría; Las complicaciones se mencionan a continuación bajo la rúbrica de renormalización.
La electrodinámica cuántica [ editar ]
La electrodinámica cuántica (QED) es el nombre de la teoría cuántica de la fuerza electromagnética . La comprensión de QED comienza con la comprensión del electromagnetismo . El electromagnetismo se puede llamar "electrodinámica" porque es una interacción dinámica entre las fuerzas eléctricas y magnéticas . El electromagnetismo comienza con la carga eléctrica .
Las cargas eléctricas son la fuente de, y crean, campos eléctricos . Un campo eléctrico es un campo que ejerce una fuerza sobre las partículas que transportan cargas eléctricas, en cualquier punto del espacio. Esto incluye el electrón, protón e incluso los quarks , entre otros. A medida que se ejerce una fuerza, las cargas eléctricas se mueven, fluye una corriente y se produce un campo magnético. El cambio de campo magnético, a su vez, causa corriente eléctrica (a menudo electrones en movimiento). La descripción física de la interacción de partículas cargadas , corrientes eléctricas, campos eléctricos y campos magnéticos se denomina electromagnetismo .
En 1928, Paul Dirac produjo una teoría cuántica relativista del electromagnetismo. Este fue el progenitor de la electrodinámica cuántica moderna, ya que tenía ingredientes esenciales de la teoría moderna. Sin embargo, el problema de los infinitos sin solución se desarrolló en esta teoría cuántica relativista . Años después, la renormalización resolvió en gran medida este problema. Inicialmente considerado como un procedimiento provisional y sospechoso por parte de algunos de sus creadores, la renormalización finalmente se adoptó como una herramienta importante y coherente en QED y otros campos de la física. Además, a finales de la década de 1940 los diagramas de Feynman.describió todas las interacciones posibles relacionadas con un evento dado. Los diagramas mostraron en particular que la fuerza electromagnética es el intercambio de fotones entre partículas que interactúan. [52]
El cambio de cordero es un ejemplo de una predicción de electrodinámica cuántica que se ha verificado experimentalmente. Es un efecto por el cual la naturaleza cuántica del campo electromagnético hace que los niveles de energía en un átomo o ion se desvíen ligeramente de lo que serían de otra forma. Como resultado, las líneas espectrales pueden cambiar o dividirse.
De manera similar, dentro de una onda electromagnética que se propaga libremente, la corriente también puede ser solo una corriente de desplazamiento abstracto , en lugar de implicar portadores de carga. En QED, su descripción completa hace uso esencial de partículas virtuales de corta duración . Allí, QED vuelve a validar un concepto anterior, bastante misterioso.
Modelo estándar [ editar ]
En la década de 1960, los físicos se dieron cuenta de que la QED se rompió con energías extremadamente altas. [ cita requerida ] A partir de esta inconsistencia, se descubrió el Modelo Estándar de la física de partículas, que remedió la descomposición de la energía más alta en teoría. Es otra teoría del campo cuántico extendido que unifica las interacciones electromagnéticas y débiles en una sola teoría. Esto se llama la teoría electrodébil .
Además, el Modelo Estándar contiene [ cita requerida ] una unificación de alta energía de la teoría electrodébil con la fuerza fuerte , descrita por la cromodinámica cuántica . También postula una conexión con la gravedad como otra teoría más , pero la conexión es a partir de 2015 todavía no se conoce bien. La predicción exitosa de la teoría de la partícula de Higgs para explicar la masa inercial fue confirmada por el Gran Colisionador de Hadrones , [53] y, por lo tanto, el modelo estándar ahora se considera la descripción básica y más o menos completa de la física de partículas tal como la conocemos.
Interpretaciones [ editar ]
Las medidas físicas, ecuaciones y predicciones pertinentes a la mecánica cuántica son todas consistentes y tienen un nivel de confirmación muy alto. Sin embargo, la pregunta de qué dicen estos modelos abstractos sobre la naturaleza subyacente del mundo real ha recibido respuestas competitivas. Estas interpretaciones son muy variadas y, a veces, algo abstractas. Por ejemplo, la interpretación de Copenhague establece que antes de una medición, las declaraciones sobre las propiedades de las partículas carecen completamente de sentido, mientras que en la interpretación de los mundos de muchos describe la existencia de un multiverso formado por todos los universos posibles. [54]
Aplicaciones [ editar ]
Las aplicaciones de la mecánica cuántica incluyen el láser , el transistor , el microscopio electrónico y las imágenes de resonancia magnética . Una clase especial de aplicaciones de mecánica cuántica está relacionada con fenómenos cuánticos macroscópicos , como el helio superfluido y los superconductores. El estudio de los semiconductores condujo a la invención del diodo y el transistor , que son indispensables para la electrónicamoderna .
Incluso en el simple interruptor de la luz , la tunelización cuántica es absolutamente vital, ya que de lo contrario los electrones en la corriente eléctrica no podrían penetrar la barrera potencial formada por una capa de óxido. Los chips de memoria flash que se encuentran en las unidades USB también usan túneles cuánticos para borrar sus celdas de memoria.
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