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Mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia la naturaleza a escalas espaciales pequeñas. Los sistemas atómicos y subatómicos, sus interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas, en términos de cantidades observables. Se basa en la observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o paquetes llamados cuantos. Estos cuantos tienen la característica de pertenecer todos a un grupo específico de bosones, estando cada uno ligado a una interacción fundamental. (Ej: el fotón pertenece a la electromagnética). Sorprendentemente, la teoría cuántica solo permite normalmente cálculos probabilísticos o estadísticos de las características observadas de las partículas elementales, entendidos en términos de funciones de onda. La ecuación de Schrödinger desempeña el papel en la mecánica cuántica que las leyes de Newton y la conservación de la energía hacen en la mecánica clásica. Es decir, la predicción del comportamiento futuro de un sistema dinámico y es una ecuación de onda en términos de una función de onda la que predice analíticamente la probabilidad precisa de los eventos o resultados.[1]

Funciones de onda del electrón en un átomo de hidrógeno a diferentes niveles de energía. La mecánica cuántica no puede predecir la ubicación exacta de una partícula en el espacio, solo la probabilidad de encontrarla en diferentes lugares. Las áreas más brillantes representan una mayor probabilidad de encontrar el electrón.
Esquema de una función de onda monoelectrónica u orbital en tres dimensiones.
Esquema de un orbital en dos dimensiones.

En teorías anteriores de la física clásica, la energía era tratada únicamente como un fenómeno continuo, en tanto que la materia se supone que ocupa una región muy concreta del espacio y que se mueve de manera continua. Según la teoría cuántica, la energía se emite y se absorbe en cantidades discretas y minúsculas. Un paquete individual de energía, llamado cuanto, en algunas situaciones se comporta como una partícula de materia. Por otro lado, se encontró que las partículas exponen algunas propiedades ondulatorias cuando están en movimiento y ya no son vistas como localizadas en una región determinada, sino más bien extendidas en cierta medida. La luz u otra radiación emitida o absorbida por un átomo solo tiene ciertas frecuencias (o longitudes de onda), como puede verse en la línea del espectro asociado al elemento químico representado por tal átomo. La teoría cuántica demuestra que tales frecuencias corresponden a niveles definidos de los cuantos de luz, o fotones, y es el resultado del hecho de que los electrones del átomo solo pueden tener ciertos valores de energía permitidos. Cuando un electrón pasa de un nivel permitido a otro, una cantidad de energía es emitida o absorbida, cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles.

La mecánica cuántica surge tímidamente en los inicios del siglo XX dentro de las tradiciones más profundas de la física para dar una solución a problemas para los que las teorías conocidas hasta el momento habían agotado su capacidad de explicar, como la llamada catástrofe ultravioleta en la radiación de cuerpo negro predicha por la física estadística clásica y la inestabilidad de los átomos en el modelo atómico de Rutherford. La primera propuesta de un principio propiamente cuántico se debe a Max Planck en 1900, para resolver el problema de la radiación de cuerpo negro, que fue duramente cuestionado, hasta que Albert Einstein lo convierte en el principio que exitosamente pueda explicar el efecto fotoeléctrico. Las primeras formulaciones matemáticas completas de la mecánica cuántica no se alcanzan hasta mediados de la década de 1920, sin que hasta el día de hoy se tenga una interpretación coherente de la teoría, en particular del problema de la medición.

El formalismo de la mecánica cuántica se desarrolló durante la década de 1920. En 1924, Louis de Broglie propuso que, al igual que las ondas de luz presentan propiedades de partículas, como ocurre en el efecto fotoeléctrico, las partículas, también presentan propiedades ondulatorias. Dos formulaciones diferentes de la mecánica cuántica se presentaron después de la sugerencia de Broglie. En 1926, la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger implica la utilización de una entidad matemática, la función de onda, que está relacionada con la probabilidad de encontrar una partícula en un punto dado en el espacio. En 1925, la mecánica matricial de Werner Heisenberg no hace mención alguna de las funciones de onda o conceptos similares, pero ha demostrado ser matemáticamente equivalente a la teoría de Schrödinger. Un descubrimiento importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre, enunciado por Heisenberg en 1927, que pone un límite teórico absoluto en la precisión de ciertas mediciones. Como resultado de ello, la asunción clásica de los científicos de que el estado físico de un sistema podría medirse exactamente y utilizarse para predecir los estados futuros tuvo que ser abandonada. Esto supuso una revolución filosófica y dio pie a numerosas discusiones entre los más grandes físicos de la época.

La mecánica cuántica propiamente dicha no incorpora a la relatividad en su formulación matemática. La parte de la mecánica cuántica que incorpora elementos relativistas de manera formal para abordar diversos problemas se conoce como mecánica cuántica relativista o ya, en forma más correcta y acabada, teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar)[2]​ y más generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción elemental que no se ha podido cuantizar hasta el momento ha sido la interacción gravitatoria. Este problema constituye entonces uno de los mayores desafíos de la física del siglo XXI. La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de Paul Dirac de 1928, lo que, además, predijo la existencia de antipartículas. Otros desarrollos de la teoría incluyen la estadística cuántica, presentada en una forma por Einstein y Bose (la estadística de Bose-Einstein) y en otra forma por Dirac y Enrico Fermi (la estadística de Fermi-Dirac); la electrodinámica cuántica, interesada en la interacción entre partículas cargadas y los campos electromagnéticos, su generalización, la teoría cuántica de campos y la electrónica cuántica.

La mecánica cuántica proporciona el fundamento de la fenomenología del átomo, de su núcleo y de las partículas elementales (lo cual requiere necesariamente el enfoque relativista). También su impacto en teoría de la información, criptografía y química ha sido decisivo entre esta misma.

Contexto histórico

La mecánica cuántica es, cronológicamente hablando, la última de las grandes ramas de la física. Se formuló a principios del siglo XX, casi al mismo tiempo que la teoría de la relatividad, aunque el grueso de la mecánica cuántica se desarrolló a partir de 1920 (siendo la teoría de la relatividad especial de 1905 y la teoría general de la relatividad de 1915).

Además al advenimiento de la mecánica cuántica existían diversos problemas no resueltos en la electrodinámica clásica. El primero de estos problemas era la emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio, llamada radiación térmica, que es la que proviene de la vibración microscópica de las partículas que lo componen. Usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la energía que emitía esta radiación térmica tendía al infinito, si se suman todas las frecuencias que emitía el objeto, con ilógico resultado para los físicos. También la estabilidad de los átomos no podía ser explicada por el electromagnetismo clásico, y la noción de que el electrón fuera o bien una partícula clásica puntual o bien una cáscara esférica de dimensiones finitas resultaban igualmente problemáticas para esto.

Radiación electromagnética

El problema de la radiación electromagnética de un cuerpo negro fue uno de los primeros problemas resueltos en el seno de la mecánica cuántica. Es en el seno de la mecánica estadística donde surgen por primera vez las ideas cuánticas en 1900. Al físico alemán Max Planck se le ocurrió un artificio matemático: si en el proceso aritmético se sustituía la integral de esas frecuencias por una suma no continua (discreta), se dejaba de obtener infinito como resultado, con lo que se eliminaba el problema; además, el resultado obtenido concordaba con lo que después era medido.

Fue Max Planck quien entonces enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética es absorbida y emitida por la materia en forma de «cuantos» de luz o fotones de energía cuantizados introduciendo una constante estadística, que se denominó constante de Planck. Su historia es inherente al siglo XX, ya que la primera formulación cuántica de un fenómeno fue dada a conocer por el mismo Planck el 14 de diciembre de 1900 en una sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín.[3]

La idea de Planck habría permanecido muchos años solo como hipótesis sin verificar por completo si Albert Einstein no la hubiera retomado, proponiendo que la luz, en ciertas circunstancias, se comporta como partículas de energía (los cuantos de luz o fotones) en su explicación del efecto fotoeléctrico. Fue Albert Einstein quien completó en 1905 las correspondientes leyes del movimiento su teoría especial de la relatividad, demostrando que el electromagnetismo era una teoría esencialmente no mecánica. Culminaba así lo que se ha dado en llamar física clásica, es decir, la física no-cuántica.

Usó este punto de vista llamado por él «heurístico», para desarrollar su teoría del efecto fotoeléctrico, publicando esta hipótesis en 1905, lo que le valió el Premio Nobel de Física de 1921. Esta hipótesis fue aplicada también para proponer una teoría sobre el calor específico, es decir, la que resuelve cuál es la cantidad de calor necesaria para aumentar en una unidad la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo.

El siguiente paso importante se dio hacia 1925, cuando Louis De Broglie propuso que cada partícula material tiene una longitud de onda asociada, inversamente proporcional a su masa, y a su velocidad. Así quedaba establecida la dualidad onda/materia. Poco tiempo después Erwin Schrödinger formuló una ecuación de movimiento para las «ondas de materia», cuya existencia había propuesto De Broglie y varios experimentos sugerían que eran reales.

La mecánica cuántica introduce una serie de hechos contraintuitivos que no aparecían en los paradigmas físicos anteriores; con ella se descubre que el mundo atómico no se comporta como esperaríamos. Los conceptos de incertidumbre o cuantización son introducidos por primera vez aquí. Además la mecánica cuántica es la teoría científica que ha proporcionado las predicciones experimentales más exactas hasta el momento, a pesar de estar sujeta a las probabilidades.

Inestabilidad de los átomos clásicos

El segundo problema importante que la mecánica cuántica resolvió a través del modelo de Bohr, fue el de la estabilidad de los átomos. De acuerdo con la teoría clásica un electrón orbitando alrededor de un núcleo cargado positivamente debería emitir energía electromagnética perdiendo así velocidad hasta caer sobre el núcleo. La evidencia empírica era que esto no sucedía, y sería la mecánica cuántica la que resolvería este hecho primero mediante postulados ad hoc formulados por Bohr y más tarde mediante modelos como el modelo atómico de Schrödinger basados en supuestos más generales. A continuación se explica el fracaso del modelo clásico.

En mecánica clásica, un átomo de hidrógeno es un tipo de problema de los dos cuerpos en que el protón sería el primer cuerpo que tiene más del 99% de la masa del sistema y el electrón es el segundo cuerpo que es mucho más ligero. Para resolver el problema de los dos cuerpos es conveniente hacer la descripción del sistema, colocando el origen del sistema de referencia en el centro de masa de la partícula de mayor masa, esta descripción es correcta considerando como masa de la otra partícula la masa reducida que viene dada por

 

Siendo   la masa del protón y   la masa del electrón. En ese caso el problema del átomo de hidrógeno parece admitir una solución simple en la que el electrón se moviera en órbitas elípticas alrededor del núcleo atómico. Sin embargo, existe un problema con la solución clásica, de acuerdo con las predicciones de electromagnetismo partícula eléctrica que sigue un movimiento acelerado, como sucedería al describir una elipse debería emitir radiación electromagnética, y por tanto perder energía cinética, la cantidad de energía radiada sería de hecho:

 

Ese proceso acabaría con el colapso del átomo sobre el núcleo en un tiempo muy corto dadas las grandes aceleraciones existentes. A partir de los datos de la ecuación anterior el tiempo de colapso sería de 10-8 s, es decir, de acuerdo con la física clásica los átomos de hidrógeno no serían estables y no podrían existir más de una cienmillonésima de segundo.

Esa incompatibilidad entre las predicciones del modelo clásico y la realidad observada llevó a buscar un modelo que explicara fenomenológicamente el átomo. El modelo atómico de Bohr era un modelo fenomenológico y provisorio que explicaba satisfactoriamente aunque de manera heurística algunos datos, como el orden de magnitud del radio atómico y los espectros de absorción del átomo, pero no explicaba cómo era posible que el electrón no emitiera radiación perdiendo energía. La búsqueda de un modelo más adecuado llevó a la formulación del modelo atómico de Schrödinger en el cual puede probarse que el valor esperado de la aceleración es nulo, y sobre esa base puede decirse que la energía electromagnética emitida debería ser también nula. Sin embargo, al contrario del modelo de Bohr, la representación cuántica de Schrödinger es difícil de entender en términos intuitivos.

Desarrollo histórico

La teoría cuántica fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera mitad del siglo XX. El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales como los siguientes, inexplicables con las herramientas teóricas anteriores de la mecánica clásica o la electrodinámica:

 
Fig. 1: La función de onda del electrón de un átomo de hidrógeno posee niveles de energía definidos y discretos denotados por un número cuántico n=1, 2, 3,... y valores definidos de momento angular caracterizados por la notación: s, p, d,... Las áreas brillantes en la figura corresponden a densidades elevadas de probabilidad de encontrar el electrón en dicha posición.
  • Espectro de la radiación del cuerpo negro, resuelto por Max Planck con la cuantización de la energía. La energía total del cuerpo negro resultó que tomaba valores discretos más que continuos. Este fenómeno se llamó cuantización, y los intervalos posibles más pequeños entre los valores discretos son llamados quanta (singular: quantum, de la palabra latina para «cantidad», de ahí el nombre de mecánica cuántica). La magnitud de un cuanto es un valor fijo llamado constante de Planck, y que vale: 6.626 ×10-34 julios por segundo.
  • Bajo ciertas condiciones experimentales, los objetos microscópicos como los átomos o los electrones exhiben un comportamiento ondulatorio, como en la interferencia. Bajo otras condiciones, las mismas especies de objetos exhiben un comportamiento corpuscular, de partícula, («partícula» quiere decir un objeto que puede ser localizado en una región concreta del espacio), como en la dispersión de partículas. Este fenómeno se conoce como dualidad onda-partícula.
  • Las propiedades físicas de objetos con historias asociadas pueden ser correlacionadas, en una amplitud prohibida para cualquier teoría clásica, solo pueden ser descritos con precisión si se hace referencia a ambos a la vez. Este fenómeno es llamado entrelazamiento cuántico y la desigualdad de Bell describe su diferencia con la correlación ordinaria. Las medidas de las violaciones de la desigualdad de Bell fueron algunas de las mayores comprobaciones de la mecánica cuántica.
  • Explicación del efecto fotoeléctrico, dada por Albert Einstein, en que volvió a aparecer esa "misteriosa" necesidad de cuantizar la energía.
  • Efecto Compton.

El desarrollo formal de la teoría fue obra de los esfuerzos conjuntos de varios físicos y matemáticos de la época como Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Bohr y Von Neumann entre otros (la lista es larga). Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría están siendo aún estudiados activamente. La mecánica cuántica ha sido también adoptada como la teoría subyacente a muchos campos de la física y la química, incluyendo la física de la materia condensada, la química cuántica y la física de partículas.

La región de origen de la mecánica cuántica puede localizarse en la Europa central, en Alemania y Austria, y en el contexto histórico del primer tercio del siglo XX.

Suposiciones más importantes

Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:

  • Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, se renuncia al concepto de trayectoria, vital en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula puede ser explicado por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese instante (al menos, en la interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la probabilista o interpretación de Copenhague). A partir de esa función, o función de ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.
  • Existen dos tipos de evolución temporal, si no ocurre ninguna medida el estado del sistema o función de onda evolucionan de acuerdo con la ecuación de Schrödinger, sin embargo, si se realiza una medida sobre el sistema, este sufre un «salto cuántico» hacia un estado compatible con los valores de la medida obtenida (formalmente el nuevo estado será una proyección ortogonal del estado original).
  • Existen diferencias notorias entre los estados ligados y los que no lo están.
  • La energía no se intercambia de forma continua en un estado ligado, sino en forma discreta lo cual implica la existencia de paquetes mínimos de energía llamados cuantos, mientras en los estados no ligados la energía se comporta como un continuo.

Descripción de la teoría

Interpretación de Copenhague

Para describir la teoría de forma general es necesario un tratamiento matemático riguroso, pero aceptando una de las tres interpretaciones de la mecánica cuántica (a partir de ahora la Interpretación de Copenhague), el marco se relaja. La mecánica cuántica describe el estado instantáneo de un sistema (estado cuántico) con una función de onda que codifica la distribución de probabilidad de todas las propiedades medibles, u observables. Algunos observables posibles sobre un sistema dado son la energía, posición, momento y momento angular. La mecánica cuántica no asigna valores definidos a los observables, sino que hace predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad. Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda.

Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo. Esta evolución es determinista si sobre el sistema no se realiza ninguna medida aunque esta evolución es estocástica y se produce mediante colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema (Postulado IV de la MC). Por ejemplo, una partícula moviéndose sin interferencia en el espacio vacío puede ser descrita mediante una función de onda que es un paquete de ondas centrado alrededor de alguna posición media. Según pasa el tiempo, el centro del paquete puede trasladarse, cambiar, de modo que la partícula parece estar localizada más precisamente en otro lugar. La evolución temporal determinista de las funciones de onda es descrita por la ecuación de Schrödinger.

Algunas funciones de onda describen estados físicos con distribuciones de probabilidad que son constantes en el tiempo, estos estados se llaman estacionarios, son estados propios del operador hamiltoniano y tienen energía bien definida. Muchos sistemas que eran tratados dinámicamente en mecánica clásica son descritos mediante tales funciones de onda estáticas. Por ejemplo, un electrón en un átomo sin excitar se dibuja clásicamente como una partícula que rodea el núcleo, mientras que en mecánica cuántica es descrito por una nube de probabilidad estática que rodea al núcleo.

Cuando se realiza una medición en un observable del sistema, la función de ondas se convierte en una del conjunto de las funciones llamadas funciones propias o estados propios del observable en cuestión. Este proceso es conocido como colapso de la función de onda. Las probabilidades relativas de ese colapso sobre alguno de los estados propios posibles son descritas por la función de onda instantánea justo antes de la reducción. Considerando el ejemplo anterior sobre la partícula en el vacío, si se mide la posición de la misma, se obtendrá un valor impredecible x. En general, es imposible predecir con precisión qué valor de x se obtendrá, aunque es probable que se obtenga uno cercano al centro del paquete de ondas, donde la amplitud de la función de onda es grande. Después de que se ha hecho la medida, la función de onda de la partícula colapsa y se reduce a una que esté muy concentrada en torno a la posición observada x.

La ecuación de Schrödinger es en parte determinista en el sentido de que, dada una función de onda a un tiempo inicial dado, la ecuación suministra una predicción concreta de qué función tendremos en cualquier tiempo posterior. Durante una medida, el eigen-estado al cual colapsa la función es probabilista y en este aspecto es no determinista. Así que la naturaleza probabilista de la mecánica cuántica nace del acto de la medida.

Formulación matemática

En la formulación matemática rigurosa, desarrollada por Dirac y von Neumann, los estados posibles de un sistema cuántico están representados por vectores unitarios (llamados estados) que pertenecen a un Espacio de Hilbert complejo separable (llamado el espacio de estados). Qué tipo de espacio de Hilbert es necesario en cada caso depende del sistema; por ejemplo, el espacio de estados para los estados de posición y momento es el espacio de funciones de cuadrado integrable  , mientras que la descripción de un sistema sin traslación pero con un espín   es el espacio  . La evolución temporal de un estado cuántico queda descrita por la ecuación de Schrödinger, en la que el hamiltoniano, el operador correspondiente a la energía total del sistema, tiene un papel central.

Cada magnitud observable queda representada por un operador lineal hermítico definido sobre un dominio denso del espacio de estados. Cada estado propio de un observable corresponde a un eigenvector del operador, y el valor propio o eigenvalor asociado corresponde al valor del observable en aquel estado propio. El espectro de un operador puede ser continuo o discreto. La medida de un observable representado por un operador con espectro discreto solo puede tomar un conjunto numerable de posibles valores, mientras que los operadores con espectro continuo presentan medidas posibles en intervalos reales completos. Durante una medida, la probabilidad de que un sistema colapse a uno de los eigenestados viene dada por el cuadrado del valor absoluto del producto interno entre el estado propio o auto-estado (que podemos conocer teóricamente antes de medir) y el vector estado del sistema antes de la medida. Podemos así encontrar la distribución de probabilidad de un observable en un estado dado computando la descomposición espectral del operador correspondiente. El principio de incertidumbre de Heisenberg se representa por la aseveración de que los operadores correspondientes a ciertos observables no conmutan.

Aplicaciones

En muchos aspectos, la tecnología moderna opera a una escala en la que los efectos cuánticos son significativos. Las aplicaciones importantes de la teoría cuántica incluyen la química cuántica, la óptica cuántica, la computación cuántica, los imanes superconductores, los diodos emisores de luz, el amplificador óptico y el láser, el transistor y semiconductores como el microprocesador, imágenes médicas y de investigación como la resonancia magnética y el microscopio electrónico.[4]​ Las explicaciones de muchos fenómenos biológicos y físicos tienen su origen en la naturaleza del enlace químico, sobre todo la macromolécula del ADN.

Relatividad y la mecánica cuántica

El mundo moderno de la física se funda notablemente en dos teorías principales, la relatividad general y la mecánica cuántica, aunque ambas teorías usan principios aparentemente incompatibles. Los postulados que definen la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría del quántum están apoyados por rigurosa y repetida evidencia empírica. Sin embargo, ambas se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente. Desde mediados del siglo XX, aparecieron teorías cuánticas relativistas del campo electromagnético (electrodinámica cuántica) y las fuerzas nucleares (modelo electrodébil, cromodinámica cuántica), pero no se tiene una teoría cuántica relativista del campo gravitatorio que sea plenamente consistente y válida para campos gravitatorios intensos (existen aproximaciones en espacios asintóticamente planos). Todas las teorías cuánticas relativistas consistentes usan los métodos de la teoría cuántica de campos.

En su forma ordinaria, la teoría cuántica abandona algunos de los supuestos básicos de la teoría de la relatividad, como por ejemplo el principio de localidad usado en la descripción relativista de la causalidad. El mismo Einstein había considerado absurda la violación del principio de localidad a la que parecía abocar la mecánica cuántica. La postura de Einstein fue postular que la mecánica cuántica si bien era consistente era incompleta. Para justificar su argumento y su rechazo a la falta de localidad y la falta de determinismo, Einstein y varios de sus colaboradores postularon la llamada paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), la cual demuestra que medir el estado de una partícula puede instantáneamente cambiar el estado de su socio enlazado, aunque las dos partículas pueden estar a una distancia arbitrariamente grande. Modernamente el paradójico resultado de la paradoja EPR se sabe es una consecuencia perfectamente consistente del llamado entrelazamiento cuántico. Es un hecho conocido que si bien la existencia del entrelazamiento cuántico efectivamente viola el principio de localidad, en cambio no viola la causalidad definido en términos de información, puesto que no hay transferencia posible de información. Si bien en su tiempo, parecía que la paradoja EPR suponía una dificultad empírica para mecánica cuántica, y Einstein consideró que la mecánica cuántica en la interpretación de Copenhague podría ser descartada por experimento, décadas más tarde los experimentos de Alain Aspect (1981) revelaron que efectivamente la evidencia experimental parece apuntar en contra del principio de localidad.[5]​ Y por tanto, el resultado paradójico que Einstein rechazaba como «sin sentido» parece ser lo que sucede precisamente en el mundo real.

Véase también

Personalidades

Referencias

Notas

  1. Born, M. (1926). «Zur Quantenmechanik der Stoßvorgänge» [On the Quantum Mechanics of Collision Processes]. Zeitschrift für Physik 37 (12): 863-867. Bibcode:1926ZPhy...37..863B. S2CID 119896026. doi:10.1007/BF01397477. 
  2. Halzen, Francis; Martin, Alan Douglas (1984). Universidad de Wisconsin, ed. Quarks and Lepons: An Introducory Course in Modern Particle Physics. Universidad de Durham. Canadá: Wiley. pp. 396. ISBN 9780471887416. 
  3. Vitaliĭ Isaakovich Rydnik (1987). Qué es la mecánica cuántica. Ediciones Quinto Sol. ISBN 37693524 |isbn= incorrecto (ayuda). 
  4. Matson, John (2010). «What Is Quantum Mechanics Good for?». Scientific American.  Parámetro desconocido |fechacceso= ignorado (se sugiere |fechaacceso=) (ayuda)
  5. Aspect, Alain; Grangier, Philippe; Roger, Gérard (17 de agosto de 1981). «Experimental Tests of Realistic Local Theories via Bell's Theorem». Physical Review Letters (en inglés) 47 (7): 460-463. ISSN 0031-9007. doi:10.1103/PhysRevLett.47.460. Consultado el 7 de abril de 2019. 

Bibliografía

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre mecánica cuántica.
  •   Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre mecánica cuántica.
  •   Wikiquote alberga frases célebres de o sobre mecánica cuántica.
  •   Wikilibros alberga un libro o manual sobre mecánica cuántica.
  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre mecánica cuántica.
  • Juan Carlos López Vieyra. Introducción a la mecánica cuántica, Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.
  • David P. Stern. Mecánica de Ondas, NASA.
  • Quántica, exposición del CCCB
  •   Datos: Q944
  •   Multimedia: Quantum mechanics
  •   Libros y manuales: Mecánica cuántica
  •   Citas célebres: Mecánica cuántica

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La mecanica cuantica es la rama de la fisica que estudia la naturaleza a escalas espaciales pequenas Los sistemas atomicos y subatomicos sus interacciones con la radiacion electromagnetica y otras fuerzas en terminos de cantidades observables Se basa en la observacion de que todas las formas de energia se liberan en unidades discretas o paquetes llamados cuantos Estos cuantos tienen la caracteristica de pertenecer todos a un grupo especifico de bosones estando cada uno ligado a una interaccion fundamental Ej el foton pertenece a la electromagnetica Sorprendentemente la teoria cuantica solo permite normalmente calculos probabilisticos o estadisticos de las caracteristicas observadas de las particulas elementales entendidos en terminos de funciones de onda La ecuacion de Schrodinger desempena el papel en la mecanica cuantica que las leyes de Newton y la conservacion de la energia hacen en la mecanica clasica Es decir la prediccion del comportamiento futuro de un sistema dinamico y es una ecuacion de onda en terminos de una funcion de onda la que predice analiticamente la probabilidad precisa de los eventos o resultados 1 Funciones de onda del electron en un atomo de hidrogeno a diferentes niveles de energia La mecanica cuantica no puede predecir la ubicacion exacta de una particula en el espacio solo la probabilidad de encontrarla en diferentes lugares Las areas mas brillantes representan una mayor probabilidad de encontrar el electron Esquema de una funcion de onda monoelectronica u orbital en tres dimensiones Esquema de un orbital en dos dimensiones En teorias anteriores de la fisica clasica la energia era tratada unicamente como un fenomeno continuo en tanto que la materia se supone que ocupa una region muy concreta del espacio y que se mueve de manera continua Segun la teoria cuantica la energia se emite y se absorbe en cantidades discretas y minusculas Un paquete individual de energia llamado cuanto en algunas situaciones se comporta como una particula de materia Por otro lado se encontro que las particulas exponen algunas propiedades ondulatorias cuando estan en movimiento y ya no son vistas como localizadas en una region determinada sino mas bien extendidas en cierta medida La luz u otra radiacion emitida o absorbida por un atomo solo tiene ciertas frecuencias o longitudes de onda como puede verse en la linea del espectro asociado al elemento quimico representado por tal atomo La teoria cuantica demuestra que tales frecuencias corresponden a niveles definidos de los cuantos de luz o fotones y es el resultado del hecho de que los electrones del atomo solo pueden tener ciertos valores de energia permitidos Cuando un electron pasa de un nivel permitido a otro una cantidad de energia es emitida o absorbida cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energia entre los dos niveles La mecanica cuantica surge timidamente en los inicios del siglo XX dentro de las tradiciones mas profundas de la fisica para dar una solucion a problemas para los que las teorias conocidas hasta el momento habian agotado su capacidad de explicar como la llamada catastrofe ultravioleta en la radiacion de cuerpo negro predicha por la fisica estadistica clasica y la inestabilidad de los atomos en el modelo atomico de Rutherford La primera propuesta de un principio propiamente cuantico se debe a Max Planck en 1900 para resolver el problema de la radiacion de cuerpo negro que fue duramente cuestionado hasta que Albert Einstein lo convierte en el principio que exitosamente pueda explicar el efecto fotoelectrico Las primeras formulaciones matematicas completas de la mecanica cuantica no se alcanzan hasta mediados de la decada de 1920 sin que hasta el dia de hoy se tenga una interpretacion coherente de la teoria en particular del problema de la medicion El formalismo de la mecanica cuantica se desarrollo durante la decada de 1920 En 1924 Louis de Broglie propuso que al igual que las ondas de luz presentan propiedades de particulas como ocurre en el efecto fotoelectrico las particulas tambien presentan propiedades ondulatorias Dos formulaciones diferentes de la mecanica cuantica se presentaron despues de la sugerencia de Broglie En 1926 la mecanica ondulatoria de Erwin Schrodinger implica la utilizacion de una entidad matematica la funcion de onda que esta relacionada con la probabilidad de encontrar una particula en un punto dado en el espacio En 1925 la mecanica matricial de Werner Heisenberg no hace mencion alguna de las funciones de onda o conceptos similares pero ha demostrado ser matematicamente equivalente a la teoria de Schrodinger Un descubrimiento importante de la teoria cuantica es el principio de incertidumbre enunciado por Heisenberg en 1927 que pone un limite teorico absoluto en la precision de ciertas mediciones Como resultado de ello la asuncion clasica de los cientificos de que el estado fisico de un sistema podria medirse exactamente y utilizarse para predecir los estados futuros tuvo que ser abandonada Esto supuso una revolucion filosofica y dio pie a numerosas discusiones entre los mas grandes fisicos de la epoca La mecanica cuantica propiamente dicha no incorpora a la relatividad en su formulacion matematica La parte de la mecanica cuantica que incorpora elementos relativistas de manera formal para abordar diversos problemas se conoce como mecanica cuantica relativista o ya en forma mas correcta y acabada teoria cuantica de campos que incluye a su vez a la electrodinamica cuantica cromodinamica cuantica y teoria electrodebil dentro del modelo estandar 2 y mas generalmente la teoria cuantica de campos en espacio tiempo curvo La unica interaccion elemental que no se ha podido cuantizar hasta el momento ha sido la interaccion gravitatoria Este problema constituye entonces uno de los mayores desafios de la fisica del siglo XXI La mecanica cuantica se combino con la teoria de la relatividad en la formulacion de Paul Dirac de 1928 lo que ademas predijo la existencia de antiparticulas Otros desarrollos de la teoria incluyen la estadistica cuantica presentada en una forma por Einstein y Bose la estadistica de Bose Einstein y en otra forma por Dirac y Enrico Fermi la estadistica de Fermi Dirac la electrodinamica cuantica interesada en la interaccion entre particulas cargadas y los campos electromagneticos su generalizacion la teoria cuantica de campos y la electronica cuantica La mecanica cuantica proporciona el fundamento de la fenomenologia del atomo de su nucleo y de las particulas elementales lo cual requiere necesariamente el enfoque relativista Tambien su impacto en teoria de la informacion criptografia y quimica ha sido decisivo entre esta misma Indice 1 Contexto historico 1 1 Radiacion electromagnetica 1 2 Inestabilidad de los atomos clasicos 1 3 Desarrollo historico 1 4 Suposiciones mas importantes 2 Descripcion de la teoria 2 1 Interpretacion de Copenhague 2 2 Formulacion matematica 3 Aplicaciones 4 Relatividad y la mecanica cuantica 5 Vease tambien 6 Referencias 6 1 Notas 6 2 Bibliografia 7 Enlaces externosContexto historico EditarLa mecanica cuantica es cronologicamente hablando la ultima de las grandes ramas de la fisica Se formulo a principios del siglo XX casi al mismo tiempo que la teoria de la relatividad aunque el grueso de la mecanica cuantica se desarrollo a partir de 1920 siendo la teoria de la relatividad especial de 1905 y la teoria general de la relatividad de 1915 Ademas al advenimiento de la mecanica cuantica existian diversos problemas no resueltos en la electrodinamica clasica El primero de estos problemas era la emision de radiacion de cualquier objeto en equilibrio llamada radiacion termica que es la que proviene de la vibracion microscopica de las particulas que lo componen Usando las ecuaciones de la electrodinamica clasica la energia que emitia esta radiacion termica tendia al infinito si se suman todas las frecuencias que emitia el objeto con ilogico resultado para los fisicos Tambien la estabilidad de los atomos no podia ser explicada por el electromagnetismo clasico y la nocion de que el electron fuera o bien una particula clasica puntual o bien una cascara esferica de dimensiones finitas resultaban igualmente problematicas para esto Radiacion electromagnetica Editar El problema de la radiacion electromagnetica de un cuerpo negro fue uno de los primeros problemas resueltos en el seno de la mecanica cuantica Es en el seno de la mecanica estadistica donde surgen por primera vez las ideas cuanticas en 1900 Al fisico aleman Max Planck se le ocurrio un artificio matematico si en el proceso aritmetico se sustituia la integral de esas frecuencias por una suma no continua discreta se dejaba de obtener infinito como resultado con lo que se eliminaba el problema ademas el resultado obtenido concordaba con lo que despues era medido Fue Max Planck quien entonces enuncio la hipotesis de que la radiacion electromagnetica es absorbida y emitida por la materia en forma de cuantos de luz o fotones de energia cuantizados introduciendo una constante estadistica que se denomino constante de Planck Su historia es inherente al siglo XX ya que la primera formulacion cuantica de un fenomeno fue dada a conocer por el mismo Planck el 14 de diciembre de 1900 en una sesion de la Sociedad Fisica de la Academia de Ciencias de Berlin 3 La idea de Planck habria permanecido muchos anos solo como hipotesis sin verificar por completo si Albert Einstein no la hubiera retomado proponiendo que la luz en ciertas circunstancias se comporta como particulas de energia los cuantos de luz o fotones en su explicacion del efecto fotoelectrico Fue Albert Einstein quien completo en 1905 las correspondientes leyes del movimiento su teoria especial de la relatividad demostrando que el electromagnetismo era una teoria esencialmente no mecanica Culminaba asi lo que se ha dado en llamar fisica clasica es decir la fisica no cuantica Uso este punto de vista llamado por el heuristico para desarrollar su teoria del efecto fotoelectrico publicando esta hipotesis en 1905 lo que le valio el Premio Nobel de Fisica de 1921 Esta hipotesis fue aplicada tambien para proponer una teoria sobre el calor especifico es decir la que resuelve cual es la cantidad de calor necesaria para aumentar en una unidad la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo El siguiente paso importante se dio hacia 1925 cuando Louis De Broglie propuso que cada particula material tiene una longitud de onda asociada inversamente proporcional a su masa y a su velocidad Asi quedaba establecida la dualidad onda materia Poco tiempo despues Erwin Schrodinger formulo una ecuacion de movimiento para las ondas de materia cuya existencia habia propuesto De Broglie y varios experimentos sugerian que eran reales La mecanica cuantica introduce una serie de hechos contraintuitivos que no aparecian en los paradigmas fisicos anteriores con ella se descubre que el mundo atomico no se comporta como esperariamos Los conceptos de incertidumbre o cuantizacion son introducidos por primera vez aqui Ademas la mecanica cuantica es la teoria cientifica que ha proporcionado las predicciones experimentales mas exactas hasta el momento a pesar de estar sujeta a las probabilidades Inestabilidad de los atomos clasicos Editar El segundo problema importante que la mecanica cuantica resolvio a traves del modelo de Bohr fue el de la estabilidad de los atomos De acuerdo con la teoria clasica un electron orbitando alrededor de un nucleo cargado positivamente deberia emitir energia electromagnetica perdiendo asi velocidad hasta caer sobre el nucleo La evidencia empirica era que esto no sucedia y seria la mecanica cuantica la que resolveria este hecho primero mediante postulados ad hoc formulados por Bohr y mas tarde mediante modelos como el modelo atomico de Schrodinger basados en supuestos mas generales A continuacion se explica el fracaso del modelo clasico En mecanica clasica un atomo de hidrogeno es un tipo de problema de los dos cuerpos en que el proton seria el primer cuerpo que tiene mas del 99 de la masa del sistema y el electron es el segundo cuerpo que es mucho mas ligero Para resolver el problema de los dos cuerpos es conveniente hacer la descripcion del sistema colocando el origen del sistema de referencia en el centro de masa de la particula de mayor masa esta descripcion es correcta considerando como masa de la otra particula la masa reducida que viene dada por m m e m p m e m p 0 999 m e displaystyle mu frac m e m p m e m p approx 0 999m e Siendo m p displaystyle scriptstyle m p la masa del proton y m e displaystyle scriptstyle m e la masa del electron En ese caso el problema del atomo de hidrogeno parece admitir una solucion simple en la que el electron se moviera en orbitas elipticas alrededor del nucleo atomico Sin embargo existe un problema con la solucion clasica de acuerdo con las predicciones de electromagnetismo particula electrica que sigue un movimiento acelerado como sucederia al describir una elipse deberia emitir radiacion electromagnetica y por tanto perder energia cinetica la cantidad de energia radiada seria de hecho d E r d t e 2 a 2 g 4 6 p ϵ 0 c 3 p 96 e 14 m e 2 g 4 ϵ 0 7 h 8 c 3 5 1 10 8 watt displaystyle frac dE r dt frac e 2 a 2 gamma 4 6 pi epsilon 0 c 3 approx frac pi 96 frac e 14 m e 2 gamma 4 epsilon 0 7 h 8 c 3 geq 5 1 cdot 10 8 mbox watt Ese proceso acabaria con el colapso del atomo sobre el nucleo en un tiempo muy corto dadas las grandes aceleraciones existentes A partir de los datos de la ecuacion anterior el tiempo de colapso seria de 10 8 s es decir de acuerdo con la fisica clasica los atomos de hidrogeno no serian estables y no podrian existir mas de una cienmillonesima de segundo Esa incompatibilidad entre las predicciones del modelo clasico y la realidad observada llevo a buscar un modelo que explicara fenomenologicamente el atomo El modelo atomico de Bohr era un modelo fenomenologico y provisorio que explicaba satisfactoriamente aunque de manera heuristica algunos datos como el orden de magnitud del radio atomico y los espectros de absorcion del atomo pero no explicaba como era posible que el electron no emitiera radiacion perdiendo energia La busqueda de un modelo mas adecuado llevo a la formulacion del modelo atomico de Schrodinger en el cual puede probarse que el valor esperado de la aceleracion es nulo y sobre esa base puede decirse que la energia electromagnetica emitida deberia ser tambien nula Sin embargo al contrario del modelo de Bohr la representacion cuantica de Schrodinger es dificil de entender en terminos intuitivos Desarrollo historico Editar Articulo principal Historia de la mecanica cuantica La teoria cuantica fue desarrollada en su forma basica a lo largo de la primera mitad del siglo XX El hecho de que la energia se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales como los siguientes inexplicables con las herramientas teoricas anteriores de la mecanica clasica o la electrodinamica Fig 1 La funcion de onda del electron de un atomo de hidrogeno posee niveles de energia definidos y discretos denotados por un numero cuantico n 1 2 3 y valores definidos de momento angular caracterizados por la notacion s p d Las areas brillantes en la figura corresponden a densidades elevadas de probabilidad de encontrar el electron en dicha posicion Espectro de la radiacion del cuerpo negro resuelto por Max Planck con la cuantizacion de la energia La energia total del cuerpo negro resulto que tomaba valores discretos mas que continuos Este fenomeno se llamo cuantizacion y los intervalos posibles mas pequenos entre los valores discretos son llamados quanta singular quantum de la palabra latina para cantidad de ahi el nombre de mecanica cuantica La magnitud de un cuanto es un valor fijo llamado constante de Planck y que vale 6 626 10 34 julios por segundo Bajo ciertas condiciones experimentales los objetos microscopicos como los atomos o los electrones exhiben un comportamiento ondulatorio como en la interferencia Bajo otras condiciones las mismas especies de objetos exhiben un comportamiento corpuscular de particula particula quiere decir un objeto que puede ser localizado en una region concreta del espacio como en la dispersion de particulas Este fenomeno se conoce como dualidad onda particula Las propiedades fisicas de objetos con historias asociadas pueden ser correlacionadas en una amplitud prohibida para cualquier teoria clasica solo pueden ser descritos con precision si se hace referencia a ambos a la vez Este fenomeno es llamado entrelazamiento cuantico y la desigualdad de Bell describe su diferencia con la correlacion ordinaria Las medidas de las violaciones de la desigualdad de Bell fueron algunas de las mayores comprobaciones de la mecanica cuantica Explicacion del efecto fotoelectrico dada por Albert Einstein en que volvio a aparecer esa misteriosa necesidad de cuantizar la energia Efecto Compton El desarrollo formal de la teoria fue obra de los esfuerzos conjuntos de varios fisicos y matematicos de la epoca como Schrodinger Heisenberg Einstein Dirac Bohr y Von Neumann entre otros la lista es larga Algunos de los aspectos fundamentales de la teoria estan siendo aun estudiados activamente La mecanica cuantica ha sido tambien adoptada como la teoria subyacente a muchos campos de la fisica y la quimica incluyendo la fisica de la materia condensada la quimica cuantica y la fisica de particulas La region de origen de la mecanica cuantica puede localizarse en la Europa central en Alemania y Austria y en el contexto historico del primer tercio del siglo XX Suposiciones mas importantes Editar Articulo principal Interpretaciones de la mecanica cuantica Las suposiciones mas importantes de esta teoria son las siguientes Al ser imposible fijar a la vez la posicion y el momento de una particula se renuncia al concepto de trayectoria vital en mecanica clasica En vez de eso el movimiento de una particula puede ser explicado por una funcion matematica que asigna a cada punto del espacio y a cada instante la probabilidad de que la particula descrita se halle en tal posicion en ese instante al menos en la interpretacion de la Mecanica cuantica mas usual la probabilista o interpretacion de Copenhague A partir de esa funcion o funcion de ondas se extraen teoricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias Existen dos tipos de evolucion temporal si no ocurre ninguna medida el estado del sistema o funcion de onda evolucionan de acuerdo con la ecuacion de Schrodinger sin embargo si se realiza una medida sobre el sistema este sufre un salto cuantico hacia un estado compatible con los valores de la medida obtenida formalmente el nuevo estado sera una proyeccion ortogonal del estado original Existen diferencias notorias entre los estados ligados y los que no lo estan La energia no se intercambia de forma continua en un estado ligado sino en forma discreta lo cual implica la existencia de paquetes minimos de energia llamados cuantos mientras en los estados no ligados la energia se comporta como un continuo Descripcion de la teoria EditarInterpretacion de Copenhague Editar Articulo principal Interpretacion de Copenhague Para describir la teoria de forma general es necesario un tratamiento matematico riguroso pero aceptando una de las tres interpretaciones de la mecanica cuantica a partir de ahora la Interpretacion de Copenhague el marco se relaja La mecanica cuantica describe el estado instantaneo de un sistema estado cuantico con una funcion de onda que codifica la distribucion de probabilidad de todas las propiedades medibles u observables Algunos observables posibles sobre un sistema dado son la energia posicion momento y momento angular La mecanica cuantica no asigna valores definidos a los observables sino que hace predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo Esta evolucion es determinista si sobre el sistema no se realiza ninguna medida aunque esta evolucion es estocastica y se produce mediante colapso de la funcion de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema Postulado IV de la MC Por ejemplo una particula moviendose sin interferencia en el espacio vacio puede ser descrita mediante una funcion de onda que es un paquete de ondas centrado alrededor de alguna posicion media Segun pasa el tiempo el centro del paquete puede trasladarse cambiar de modo que la particula parece estar localizada mas precisamente en otro lugar La evolucion temporal determinista de las funciones de onda es descrita por la ecuacion de Schrodinger Algunas funciones de onda describen estados fisicos con distribuciones de probabilidad que son constantes en el tiempo estos estados se llaman estacionarios son estados propios del operador hamiltoniano y tienen energia bien definida Muchos sistemas que eran tratados dinamicamente en mecanica clasica son descritos mediante tales funciones de onda estaticas Por ejemplo un electron en un atomo sin excitar se dibuja clasicamente como una particula que rodea el nucleo mientras que en mecanica cuantica es descrito por una nube de probabilidad estatica que rodea al nucleo Cuando se realiza una medicion en un observable del sistema la funcion de ondas se convierte en una del conjunto de las funciones llamadas funciones propias o estados propios del observable en cuestion Este proceso es conocido como colapso de la funcion de onda Las probabilidades relativas de ese colapso sobre alguno de los estados propios posibles son descritas por la funcion de onda instantanea justo antes de la reduccion Considerando el ejemplo anterior sobre la particula en el vacio si se mide la posicion de la misma se obtendra un valor impredecible x En general es imposible predecir con precision que valor de x se obtendra aunque es probable que se obtenga uno cercano al centro del paquete de ondas donde la amplitud de la funcion de onda es grande Despues de que se ha hecho la medida la funcion de onda de la particula colapsa y se reduce a una que este muy concentrada en torno a la posicion observada x La ecuacion de Schrodinger es en parte determinista en el sentido de que dada una funcion de onda a un tiempo inicial dado la ecuacion suministra una prediccion concreta de que funcion tendremos en cualquier tiempo posterior Durante una medida el eigen estado al cual colapsa la funcion es probabilista y en este aspecto es no determinista Asi que la naturaleza probabilista de la mecanica cuantica nace del acto de la medida Formulacion matematica Editar Articulos principales Postulados de la mecanica cuanticay Notacion braket En la formulacion matematica rigurosa desarrollada por Dirac y von Neumann los estados posibles de un sistema cuantico estan representados por vectores unitarios llamados estados que pertenecen a un Espacio de Hilbert complejo separable llamado el espacio de estados Que tipo de espacio de Hilbert es necesario en cada caso depende del sistema por ejemplo el espacio de estados para los estados de posicion y momento es el espacio de funciones de cuadrado integrable L 2 R 3 displaystyle scriptstyle L 2 mathbb R 3 mientras que la descripcion de un sistema sin traslacion pero con un espin n ℏ displaystyle scriptstyle n hbar es el espacio C 2 n 1 displaystyle scriptstyle mathbb C 2n 1 La evolucion temporal de un estado cuantico queda descrita por la ecuacion de Schrodinger en la que el hamiltoniano el operador correspondiente a la energia total del sistema tiene un papel central Cada magnitud observable queda representada por un operador lineal hermitico definido sobre un dominio denso del espacio de estados Cada estado propio de un observable corresponde a un eigenvector del operador y el valor propio o eigenvalor asociado corresponde al valor del observable en aquel estado propio El espectro de un operador puede ser continuo o discreto La medida de un observable representado por un operador con espectro discreto solo puede tomar un conjunto numerable de posibles valores mientras que los operadores con espectro continuo presentan medidas posibles en intervalos reales completos Durante una medida la probabilidad de que un sistema colapse a uno de los eigenestados viene dada por el cuadrado del valor absoluto del producto interno entre el estado propio o auto estado que podemos conocer teoricamente antes de medir y el vector estado del sistema antes de la medida Podemos asi encontrar la distribucion de probabilidad de un observable en un estado dado computando la descomposicion espectral del operador correspondiente El principio de incertidumbre de Heisenberg se representa por la aseveracion de que los operadores correspondientes a ciertos observables no conmutan Aplicaciones EditarEn muchos aspectos la tecnologia moderna opera a una escala en la que los efectos cuanticos son significativos Las aplicaciones importantes de la teoria cuantica incluyen la quimica cuantica la optica cuantica la computacion cuantica los imanes superconductores los diodos emisores de luz el amplificador optico y el laser el transistor y semiconductores como el microprocesador imagenes medicas y de investigacion como la resonancia magnetica y el microscopio electronico 4 Las explicaciones de muchos fenomenos biologicos y fisicos tienen su origen en la naturaleza del enlace quimico sobre todo la macromolecula del ADN Relatividad y la mecanica cuantica EditarArticulos principales Teoria cuantica de camposy Segunda cuantizacion El mundo moderno de la fisica se funda notablemente en dos teorias principales la relatividad general y la mecanica cuantica aunque ambas teorias usan principios aparentemente incompatibles Los postulados que definen la teoria de la relatividad de Einstein y la teoria del quantum estan apoyados por rigurosa y repetida evidencia empirica Sin embargo ambas se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente Desde mediados del siglo XX aparecieron teorias cuanticas relativistas del campo electromagnetico electrodinamica cuantica y las fuerzas nucleares modelo electrodebil cromodinamica cuantica pero no se tiene una teoria cuantica relativista del campo gravitatorio que sea plenamente consistente y valida para campos gravitatorios intensos existen aproximaciones en espacios asintoticamente planos Todas las teorias cuanticas relativistas consistentes usan los metodos de la teoria cuantica de campos En su forma ordinaria la teoria cuantica abandona algunos de los supuestos basicos de la teoria de la relatividad como por ejemplo el principio de localidad usado en la descripcion relativista de la causalidad El mismo Einstein habia considerado absurda la violacion del principio de localidad a la que parecia abocar la mecanica cuantica La postura de Einstein fue postular que la mecanica cuantica si bien era consistente era incompleta Para justificar su argumento y su rechazo a la falta de localidad y la falta de determinismo Einstein y varios de sus colaboradores postularon la llamada paradoja de Einstein Podolsky Rosen EPR la cual demuestra que medir el estado de una particula puede instantaneamente cambiar el estado de su socio enlazado aunque las dos particulas pueden estar a una distancia arbitrariamente grande Modernamente el paradojico resultado de la paradoja EPR se sabe es una consecuencia perfectamente consistente del llamado entrelazamiento cuantico Es un hecho conocido que si bien la existencia del entrelazamiento cuantico efectivamente viola el principio de localidad en cambio no viola la causalidad definido en terminos de informacion puesto que no hay transferencia posible de informacion Si bien en su tiempo parecia que la paradoja EPR suponia una dificultad empirica para mecanica cuantica y Einstein considero que la mecanica cuantica en la interpretacion de Copenhague podria ser descartada por experimento decadas mas tarde los experimentos de Alain Aspect 1981 revelaron que efectivamente la evidencia experimental parece apuntar en contra del principio de localidad 5 Y por tanto el resultado paradojico que Einstein rechazaba como sin sentido parece ser lo que sucede precisamente en el mundo real Vease tambien Editar Portal Fisica Contenido relacionado con Fisica Computacion cuantica Cuanto Ecuacion de Schrodinger Efecto tunel Energia del punto cero Entrelazamiento cuantico Espuma cuantica Foton Gravedad cuantica Historia de la mecanica cuantica Interpretaciones de la mecanica cuantica Logica cuantica Movimiento ondulatorio Onda Principio de exclusion Principio de incertidumbre Principio de complementariedad Postulados de la mecanica cuantica Quimica cuantica Relacion de indeterminacion de Heisenberg Segunda cuantizacion Sintesis granular Teoria cuantica de campos Teoria de la relatividad Mecanica cuantica supersimetrica PersonalidadesNiels Bohr Max Born Louis de Broglie George Gamow Werner Heisenberg Hendrik Antoon Lorentz Wolfgang Pauli Max Planck Erwin SchrodingerReferencias EditarNotas Editar Born M 1926 Zur Quantenmechanik der Stossvorgange On the Quantum Mechanics of Collision Processes Zeitschrift fur Physik 37 12 863 867 Bibcode 1926ZPhy 37 863B S2CID 119896026 doi 10 1007 BF01397477 Halzen Francis Martin Alan Douglas 1984 Universidad de Wisconsin ed Quarks and Lepons An Introducory Course in Modern Particle Physics Universidad de Durham Canada Wiley pp 396 ISBN 9780471887416 Vitaliĭ Isaakovich Rydnik 1987 Que es la mecanica cuantica Ediciones Quinto Sol ISBN 37693524 isbn incorrecto ayuda Matson John 2010 What Is Quantum Mechanics Good for Scientific American Parametro desconocido fechacceso ignorado se sugiere fechaacceso ayuda Aspect Alain Grangier Philippe Roger Gerard 17 de agosto de 1981 Experimental Tests of Realistic Local Theories via Bell s Theorem Physical Review Letters en ingles 47 7 460 463 ISSN 0031 9007 doi 10 1103 PhysRevLett 47 460 Consultado el 7 de abril de 2019 Bibliografia Editar Andrade e Silva J Lochak Georges 1969 Los cuantos Ediciones Guadarrama ISBN 978 84 250 3040 6 Otero Carvajal Luis Enrique Einstein y la revolucion cientifica del siglo XX Cuadernos de Historia Contemporanea n º 27 2005 INSS 0214 400 X Otero Carvajal Luis Enrique La teoria cuantica y la discontinuidad en la fisica Umbral Facultad de Estudios Generales de la Universidad de Puerto Rico recinto de Rio Piedras de la Pena Luis 2006 Introduccion a la mecanica cuantica 3 edicion Mexico DF Fondo de Cultura Economica ISBN 968 16 7856 7 Galindo A y Pascual P Mecanica cuantica Ed Eudema Barcelona 1989 ISBN 84 7754 042 X Greene B 2016 El tejido del cosmos Editorial Critica ISBN 8498929822Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una categoria multimedia sobre mecanica cuantica Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre mecanica cuantica Wikiquote alberga frases celebres de o sobre mecanica cuantica Wikilibros alberga un libro o manual sobre mecanica cuantica Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre mecanica cuantica Juan Carlos Lopez Vieyra Introduccion a la mecanica cuantica Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM David P Stern Mecanica de Ondas NASA Quantica exposicion del CCCB Datos Q944 Multimedia Quantum mechanics Libros y manuales Mecanica cuantica Citas celebres Mecanica cuanticaObtenido de https es wikipedia org w index php title Mecanica cuantica amp oldid 137792803, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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