¿Qué es la teoría cuántica en física?

La mecánica cuántica es el estudio de partículas a nivel de nanoescala.

La teoría cuántica (o mecánica cuántica) es una de las mejores teorías que los físicos hayan hecho. Para comprender la teoría cuántica debemos bajar al nivel subatómico. El comportamiento de los electrones en el nivel subatómico es muy extraño. Las leyes que gobiernan los objetos cotidianos no implican a la mecánica cuántica.

Veamos la mecánica cuántica desde una perspectiva electrónica:

Estas partículas pueden estar en múltiples ubicaciones al mismo tiempo. Y todos estamos hechos de átomos. Si estos átomos pequeños se comportan de una manera tan extraña a una escala pequeña, entonces es obvio que nuestro universo también se comporta de la misma manera (no se trata de que estemos estudiando el comportamiento de los átomos pequeños, sino de nuestra realidad).

Hay ecuaciones que rigen el arco de bolas, ondas formadas en el agua. Esta es la física clásica donde todo es de naturaleza determinista. Pero Einstein no era un seguidor de la mecánica cuántica. Argumentó cómo nuestro universo puede ser tan incierto. Dijo que “no es que la luna no esté allí cuando no la veo”, lo que significa que la luna siempre estuvo allí sin importar lo que esté mirando. en eso o no. Es cierto.

Pero, ¿cómo supimos sobre la mecánica cuántica? Todo comenzó con el experimento de la doble rendija (usando electrones).

El resultado: un solo electrón se comportó como una onda. Se plantearon preguntas como cómo un solo electrón se divide en dos partes y se combina consigo mismo y forma un patrón de interferencia en la pantalla (este comportamiento era muy parecido a una onda, aunque un solo electrón es solo una partícula).

Esto fue muy extraño y un científico como Max Born consideró este solo electrón como una onda de probabilidad (es decir, este solo electrón puede golpear la pantalla en cualquier lugar y no en el lado izquierdo o derecho de la pantalla como lo haría una partícula normal como una bola de bolas).

  1. bola que pasa a través de cualquiera de las dos ranuras. La siguiente imagen representa la pantalla. Golpea solo dos áreas (izquierda o derecha).

2. Mientras que la siguiente imagen muestra un solo electrón que se comporta como una onda de probabilidad mientras pasa a través de las rendijas.

La ecuación de schrodinger describe completamente el comportamiento de los electrones. Esta ecuación puede decirnos qué área es la más afectada por los electrones (digamos que el 33.3% de los electrones golpea la región central y el 7.8% de los electrones golpea el lado izquierdo o el derecho).

Y las ecuaciones dadas por la teoría cuántica han dado resultados con precisión. Todo el campo de la electrónica se rige por las leyes de la mecánica cuántica.

Las predicciones más extrañas jamás hechas por la teoría cuántica es el enredo cuántico. Nos informa sobre dos partículas enredadas, digamos que hay dos ruedas giratorias (una gira en sentido horario y otra en sentido antihorario) una se coloca en la luna y la otra está aquí en la tierra. Si uno se ha detenido en color rojo, otro se detendrá en color azul. Este concepto fue llamado “acción espeluznante” a distancia por Einstein. No hay espacio entre ambos, pero estas partículas entrelazadas se comportan como si estuvieran conectadas por un hilo invisible.

Si cambia las propiedades de uno, las propiedades de otro se verán afectadas. Esto era extraño. Einstein todavía no se divertía con la mecánica cuántica. Se preguntó cómo las cosas pequeñas a nivel subatómico pueden comportarse de manera tan incierta. Dijo: “Dios no juega a los dados”, a lo que Bohr dijo: “deja de decirle al dios qué hacer”,

Einstein siempre pensó que falta algo en el enredo cuántico. Él dijo: “solo las matemáticas son raras y no la realidad”.

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Cuando el físico no pudo explicar ciertas observaciones experimentales con la mecánica clásica, recurrieron a una nueva teoría, la teoría cuántica.

Cualquier teoría física comienza con un postulado básico, y usando solo ese postulado como base, crea una formulación matemática para todo lo que vemos a nuestro alrededor. Por ejemplo: – En mecánica clásica, la Ley de Newton es el postulado básico. F = ma, se deriva experimentalmente. Usando eso como un postulado podemos resolver todos los problemas relacionados con la mecánica clásica. Puede haber otras formulaciones matemáticas como lagrangiana, hamiltoniana, hamilton-jacobi, pero todas estas formulaciones se basan en el postulado y son meras herramientas matemáticas para que un problema pueda manejarse de una manera más fácil. A veces, una solución exacta puede ser difícil, cuando el número de partículas es muy grande. En ese caso, estamos interesados ​​en conocer una solución promedio y, por lo tanto, la mecánica estadística clásica nos ayuda a encontrar una respuesta promedio. Pero de nuevo se basa en la ley de Newton.

Ahora había algunos experimentos que todavía no podían explicarse por la mecánica clásica. entonces los físicos comenzaron a formular una mejor teoría que explicaría correctamente la naturaleza. Esto comenzó la mecánica cuántica. Pero con años de desarrollo, los físicos (especialmente von Neumann en su libro “Formulación matemática de la mecánica cuántica”) formularon un conjunto de postulados.

  1. cada sistema cuántico tiene un espacio de Hilbert asociado (espacio interno compacto del producto).
  2. El sistema está completamente descrito por un operador de densidad o un vector de estado que pertenece a ese espacio de Hilbert.
  3. La evolución de un estado cuántico es siempre por una operación unitaria.
  4. cualquier medición es explicada por un operador auto adjunto y el estado siempre colapsa en uno de los estados propios del operador después de la medición.
  5. La probabilidad de obtener cualquiera de los valores propios de lo medible está dada por la regla de Born.
  6. El sistema compuesto está dado por el producto tensor de los espacios individuales de hilbert.

Estos son los postulados básicos de la teoría cuántica que solo usan los que podemos derivar todos los resultados. Hay muchas formulaciones matemáticas, como la forma de Schrodinger, la formulación de Heisenberg, pero todas se basan en los postulados. Por lo tanto, la teoría cuántica es una teoría física mucho más general que hace más que solo explicar algunos experimentos que la mecánica clásica no podría describir. Es una teoría muy poderosa usando la cual podemos realizar ciertas tareas, imposible usando la teoría clásica.

La mejor referencia (según mi opinión) a la teoría cuántica es la “teoría cuántica” de Asher Peres.

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