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¿Qué es la mecánica cuántica?

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La mecánica cuántica es la rama de la física relacionada con lo muy pequeño.

Da como resultado lo que pueden parecer algunas conclusiones muy extrañas sobre el mundo físico. A escala de átomos y electrones, muchas de las ecuaciones de mecánica clásica , que describen cómo las cosas se mueven a tamaños y velocidades cotidianas, dejan de ser útiles. En la mecánica clásica, los objetos existen en un lugar específico en un momento específico. Sin embargo, en la mecánica cuántica, los objetos existen en una neblina de probabilidad;tener una cierta probabilidad de estar en el punto A, otra posibilidad de estar en el punto B y así sucesivamente.

Tres principios revolucionarios

La mecánica cuántica MC se desarrolló durante muchas décadas, comenzando como un conjunto de explicaciones matemáticas controvertidas de experimentos que las matemáticas de la mecánica clásica no podían explicar. Comenzó a principios del siglo XX, aproximadamente al mismo tiempo que Albert Einstein publicósu teoría de la relatividad , una revolución matemática separada en la física que describe el movimiento de las cosas a altas velocidades. Sin embargo, a diferencia de la relatividad, los orígenes de QM no pueden atribuirse a un solo científico. Más bien, varios científicos contribuyeron a la fundación de tres principios revolucionarios que gradualmenteganó aceptación y verificación experimental entre 1900 y 1930. Son :

propiedades cuantificadas : Ciertas propiedades, como la posición, la velocidad y el color, a veces solo pueden ocurrir en cantidades específicas y establecidas, como un dial que "hace clic" de un número a otro. Esto desafió una suposición fundamental de la mecánica clásica, que decía que talLas propiedades deben existir en un espectro continuo y uniforme. Para describir la idea de que algunas propiedades "hacen clic" como un dial con ajustes específicos, los científicos acuñaron la palabra "cuantificado".

Partículas de luz : La luz a veces puede comportarse como una partícula. Esto fue inicialmente recibido con duras críticas, ya que fue contrario a 200 años de experimentos que mostraban que la luz se comportaba como una onda; muy parecido a las ondas en la superficie de un lago en calma. La luz se comporta de manera similarporque rebota en las paredes y se dobla alrededor de las esquinas, y que las crestas y valles de la onda pueden sumarse o cancelarse. Las crestas de onda agregadas dan como resultado una luz más brillante, mientras que las ondas que se cancelan producen oscuridad. Se puede pensar en una fuente de luzcomo una pelota en un palo sumergido rítmicamente en el centro de un lago . El color emitido corresponde a la distancia entre las crestas, que está determinada por la velocidad del ritmo de la pelota.

Ondas de materia : La materia también puede comportarse como una onda. Esto va en contra de los aproximadamente 30 años de experimentos que muestran que la materia como los electrones existe como partículas.

¿Propiedades cuantificadas?

En 1900, el físico alemán Max Planck trató de explicar la distribución de los colores emitidos sobre el espectro en el resplandor de los objetos al rojo vivo y al rojo vivo, como los filamentos de las bombillas. Al darle sentido físico a la ecuación, había derivadopara describir esta distribución, Planck se dio cuenta de que implicaba que las combinaciones de solo ciertas colores aunque un gran número de ellos fueron emitidos, específicamente aquellos que eran múltiplos de números enteros de algún valor base. De alguna manera, ¡los colores se cuantificaron! Esto fue inesperado porque se entendía que la luz actuaba como una onda, lo que significa que los valores de colordebe ser un espectro continuo. Lo que podría ser prohibitivo átomos ¿de producir los colores entre estos múltiplos de números enteros? Esto parecía tan extraño que Planck consideraba la cuantificación como nada más que un truco matemático. Según Helge Kragh en su artículo de 2000 en la revista Physics World, " Max Planck, el revolucionario reacio , "" Si se produjo una revolución en la física en diciembre de 1900, nadie pareció darse cuenta. Planck no fue una excepción ... "

La ecuación de Planck también contenía un número que luego se volvería muy importante para el desarrollo futuro de QM; hoy, se conoce como "Constante de Planck".

La cuantificación ayudó a explicar otros misterios de la física. En 1907, Einstein usó la hipótesis de cuantización de Planck para explicar por qué la temperatura de un sólido cambiaba en diferentes cantidades si se aplicaba la misma cantidad de calor al material pero se cambiaba la temperatura inicial.

Desde principios de 1800, la ciencia de espectroscopia había demostrado que diferentes elementos emiten y absorben colores específicos de luz llamados "líneas espectrales". Aunque la espectroscopia era un método confiable para determinar los elementos contenidos en objetos como estrellas distantes, los científicos estaban desconcertados por qué cada elemento emitió esas líneas específicas en primer lugar. En 1888, Johannes Rydberg derivó una ecuación que describía las líneas espectrales emitidas por el hidrógeno, aunque nadie pudo explicar por qué funcionaba la ecuación. Esto cambió en 1913 cuando Niels Bohr aplicó la hipótesis de cuantización de Planck al modelo "planetario" del átomo de Ernest Rutherford de 1911, que postulaba que los electrones orbitaban el núcleo de la misma manera que los planetas orbitan el sol. Según Física 2000 un sitio de la Universidad de Colorado, Bohr propuso que los electrones estaban restringidos a órbitas "especiales" alrededor del núcleo de un átomo. Podían "saltar" entre órbitas especiales, y la energía producida por el salto provocaba colores específicos de luz,observadas como líneas espectrales. Aunque las propiedades cuantificadas se inventaron como un mero truco matemático, explicaron tanto que se convirtieron en el principio fundamental de QM.

¿Partículas de luz?

En 1905, Einstein publicó un artículo " Sobre un punto de vista heurístico hacia la emisión y transformación de la luz , "en el que visualizó la luz viajando no como una onda, sino como una especie de" cuantos de energía ". Este paquete de energía, sugirió Einstein, podría" ser absorbido o generado sólo como un todo ", específicamente cuando un átomo"saltos "entre las tasas de vibración cuantificadas. Esto también se aplicaría, como se demostraría unos años más tarde, cuando un electrón" salta "entre órbitas cuantificadas. Según este modelo, los" cuantos de energía "de Einstein contenían la diferencia de energía del salto; cuando se dividepor la constante de Planck, esa diferencia de energía determinaba el color de la luz transportada por esos cuantos.

Con esta nueva forma de visualizar la luz, Einstein ofreció información sobre el comportamiento de nueve fenómenos diferentes, incluidos los colores específicos que Planck describió que son emitidos por un filamento de bombilla. También explicó cómo ciertos colores de luz pueden expulsar electrones del metalsuperficies, un fenómeno conocido como el "efecto fotoeléctrico". Sin embargo, Einstein no estaba totalmente justificado para dar este salto, dijo Stephen Klassen, profesor asociado de física en la Universidad de Winnipeg. En un artículo de 2008, "El efecto fotoeléctrico:Rehabilitando la historia para el aula de física ", Klassen afirma que los cuantos de energía de Einstein no son necesarios para explicar todos esos nueve fenómenos. Ciertos tratamientos matemáticos de la luz como una onda todavía son capaces de describir los colores específicos que Planck describió como emitidos desdeun filamento de bombilla y el efecto fotoeléctrico. De hecho, en la controvertida victoria de Einstein en 1921 Premio Nobel , el comité del Nobel solo reconoció "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico", que específicamente no se basó en la noción de cuantos de energía.

Aproximadamente dos décadas después del artículo de Einstein, el término " fotón "se popularizó para describir los cuantos de energía, gracias al trabajo de 1923 de Arthur Compton, quien mostró que la luz dispersada por un haz de electrones cambiaba de color. Esto demostró que las partículas de luz fotones estaban colisionando con partículas de materia electrones., confirmando así la hipótesis de Einstein. A estas alturas, estaba claro que la luz podía comportarse como una onda y una partícula, colocando la "dualidad onda-partícula" de la luz en la base de QM.

¿Ondas de materia?

Desde el descubrimiento del electrón en 1896, la evidencia de que toda la materia existía en forma de partículas se estaba acumulando lentamente. Aún así, la demostración de la dualidad onda-partícula de la luz hizo que los científicos se preguntaran si la materia se limitaba a actuar solo como partículas. ¿Quizás la dualidad onda-partícula también podría sonar cierta para la materia? El primer científico en hacer un progreso sustancial con este razonamiento fue un físico francés llamado Louis de Broglie. En 1924, de Broglie usó las ecuaciones de Einstein teoría de la relatividad especial para mostrar que las partículas pueden exhibir características similares a las de las ondas, y que las ondas pueden exhibir características similares a las de las partículas. Luego, en 1925, dos científicos, trabajando de forma independiente y usando líneas separadas de pensamiento matemático, aplicaron el razonamiento de De Broglie para explicar cómo los electrones zumbabanen átomos un fenómeno que era inexplicable usando las ecuaciones de mecánica clásica .En Alemania, el físico Werner Heisenberg haciendo equipo con Max Born y Pascual Jordan logró esto mediante el desarrollo de "mecánicas matriciales".El físico austriaco Erwin Schrödinger desarrolló una teoría similar llamada "mecánica ondulatoria".Schrödinger demostró en 1926 que estos dos enfoques eran equivalentes aunque el físico suizo Wolfgang Pauli envió un resultado no publicado a Jordan mostrando que la mecánica matricial era más completa.

El modelo de átomo de Heisenberg-Schrödinger, en el que cada electrón actúa como una onda a veces denominada "nube" alrededor del núcleo de un átomo reemplazó al modelo de Rutherford-Bohr. Una estipulación del nuevo modelo era quelos extremos de la onda que forma un electrón deben encontrarse. En " Mecánica cuántica en química, 3a ed. "WA Benjamin, 1981, Melvin Hanna escribe," La imposición de las condiciones de contorno ha restringido la energía a valores discretos ". Una consecuencia de esta estipulación es que sólo se permiten números enteros de crestas y valles, lo que explica por quéalgunas propiedades están cuantificadas. En el modelo del átomo de Heisenberg-Schrödinger, los electrones obedecen a una "función de onda" y ocupan "orbitales" en lugar de órbitas. A diferencia de las órbitas circulares del modelo de Rutherford-Bohr, los orbitales atómicos tienen una variedad de formas que vandesde esferas hasta mancuernas y margaritas.

En 1927, Walter Heitler y Fritz London desarrollaron aún más la mecánica de ondas para mostrar cómo los orbitales atómicos podrían combinarse para formar orbitales moleculares, mostrando efectivamente por qué los átomos se unen entre sí para formarse moléculas . Este era otro problema que no se había podido resolver utilizando las matemáticas de la mecánica clásica. Estos conocimientos dieron lugar al campo de la "química cuántica".

El principio de incertidumbre

También en 1927, Heisenberg hizo otra contribución importante a la física cuántica. Razonó que, dado que la materia actúa como ondas, algunas propiedades, como la posición y la velocidad de un electrón, son "complementarias", lo que significa que hay un límite relacionado con la constante de Planck.hasta qué punto se puede conocer la precisión de cada propiedad. Bajo lo que se llamaría "Heisenberg's principio de incertidumbre , "se razonó que cuanto más precisamente se conoce la posición de un electrón, con menor precisión se puede conocer su velocidad, y viceversa. Este principio de incertidumbre se aplica también a objetos de tamaño cotidiano, pero no se nota porque la falta deLa precisión es extraordinariamente pequeña. Según Dave Slaven de Morningside College Sioux City, IA, si se conoce la velocidad de una pelota de béisbol dentro de un precisión de 0,1 mph , la precisión máxima con la que es posible conocer la posición de la bola es 0.000000000000000000000000000008 milímetros.

adelante

Los principios de cuantificación, dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre marcaron el comienzo de una nueva era para la QM. En 1927, Paul Dirac aplicó una comprensión cuántica de los campos eléctricos y magnéticos para dar lugar al estudio de la "teoría cuántica de campos" QFT, que trataba partículas como fotones y electrones como estados excitados de un campo físico subyacente. El trabajo en QFT continuó durante una década hasta que los científicos encontraron un obstáculo: muchas ecuaciones en QFT dejaron de tener sentido físico porque producían resultados de infinito.Después de una década de estancamiento, Hans Bethe hizo un gran avance en 1947 utilizando una técnica llamada "renormalización". Aquí, Bethe se dio cuenta de que todos los resultados infinitos se relacionaban con dos fenómenos específicamente "energía propia de los electrones" y "polarización del vacío" tales que laLos valores observados de masa de electrones y carga de electrones podrían usarse para hacer desaparecer todos los infinitos.

Desde el avance de la renormalización, QFT ha servido como base para desarrollar teorías cuánticas sobre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: 1 electromagnetismo, 2 la fuerza nuclear débil, 3 la fuerza nuclear fuerte y 4 la gravedad.La primera idea proporcionada por QFT fue una descripción cuántica del electromagnetismo a través de la "electrodinámica cuántica" QED, que hizo avances a finales de la década de 1940 y principios de la de 1950.A continuación, se hizo una descripción cuántica de la fuerza nuclear débil, que se unificó con el electromagnetismo para construir la "teoría electrodébil" EWT a lo largo de la década de 1960.Finalmente llegó un tratamiento cuántico de la fuerza nuclear fuerte utilizando "cromodinámica cuántica" QCD en las décadas de 1960 y 1970.Las teorías de QED, EWT y QCD juntas forman la base de modelo estándar de física de partículas. Desafortunadamente, QFT todavía tiene que producir una teoría cuántica de la gravedad. Esa búsqueda continúa hoy en los estudios de la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

Robert Coolman es un investigador graduado en la Universidad de Wisconsin-Madison, terminando su doctorado en ingeniería química. Escribe sobre matemáticas, ciencias y cómo interactúan con la historia. Siga a Robert @PrimeViridian . Síganos @LiveScience , Facebook y Google+ .

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