Acabo de terminar mi primer año de un título de astrofísica, que incluyó un curso llamado Física moderna que se centró principalmente en los conceptos básicos de la mecánica cuántica.
Dicho esto, no estoy seguro de entender los conceptos básicos. La mecánica cuántica es complicada, es confusa y desafía todo sentido común. Pero está bien, porque:
- Relatividad general: cuando comprimes aire, ¿también estás comprimiendo el tiempo?
- ¿Qué pasaría si pudiéramos construir una torre lo suficientemente alta como para que, al seguir la rotación de la Tierra, el extremo de la torre viajara a la velocidad de la luz?
- ¿Será posible aprovechar la energía oscura en el futuro para usarla en la Tierra?
- ¿Se comportarían los planetas de nuestro sistema solar como cuantos si los observáramos desde un punto de referencia situado muy lejos del Sol?
- ¿Qué necesito saber para comprender la onda estacionaria en el aislador topológico? ¿Qué indica exactamente la onda estacionaria?
Dicho esto, aquí vamos:
Primero tienes que entender lo que significa “cuántico”. Básicamente, solo significa “cantidades”, en oposición a una progresión lineal. Por ejemplo, una rampa lo llevaría de bajo a alto, sin embargo, puede pararse en cualquier lugar de la rampa, por lo que no está “cuantizada”, a diferencia de las escaleras, que siempre tienen una cantidad.
Debe comprender un poco acerca de por qué las cosas se cuantifican en primer lugar. Por ejemplo, cuando toqué la trompeta, solo podía tocar unas cinco notas sin presionar ninguna de las teclas (los trompetistas cambian las notas ajustando el tono en la boquilla). Esto se debe a que los sonidos solo pueden crear un conjunto cuantificable (en mi caso cinco) de ondas estacionarias en el instrumento.
Ahora necesitamos saber sobre las ondas estacionarias. Hicimos un experimento en la clase de física donde hicimos vibrar una cuerda con una máquina de oscilación (casi como un guitarrista tocando continuamente una cuerda, pero desde un extremo del instrumento). A medida que aumentamos la frecuencia, la cuerda crearía ondas que viajan hacia afuera desde el dispositivo, como las olas en el mar, pero a ciertas frecuencias las ondas que se alejan del oscilador se alinearían con las ondas que viajan hacia él y la cuerda dejaría de parecer una ola. y aparecen rebotar hacia arriba y hacia abajo. Esto se llama onda estacionaria. Las ondas estacionarias ocurren a varias frecuencias “cuantizadas”. A medida que aumentamos la frecuencia hasta que surgió otro conjunto de ondas estacionarias, obtendríamos un número creciente de jorobas (llamadas antinodos) en la cadena.
Ahora sabemos que la cuantización tiene algo que ver con las ondas, y esto nos lleva a un tipo especial de onda llamada onda de Broglie, que tiene que ver (principalmente) con partículas como luz, electrones, protones, etc. (de acuerdo con la fórmula , todo tiene una longitud de onda, pero en objetos masivos la longitud de onda es insignificante). La idea es que las partículas existen en ondas estacionarias y están limitadas a ciertas energías, por lo tanto, esta energía se cuantifica.
Pero, ¿cómo puede una partícula ser una ola? Esta es la idea fundamental en la física cuántica: dualidad onda-partícula. Esta idea está simbolizada por un famoso experimento llamado “experimento de doble rendija”. En este experimento, un dispositivo emite fotones en dos rendijas o ventanas. Si libera todas las partículas de alta intensidad, obtendrá un patrón de interferencia de onda en el detector al otro lado de las ventanas (lo cual tiene mucho sentido si el dispositivo está emitiendo ondas). Si los suelta de uno en uno, obtendrá puntos individuales (lo que tiene sentido si el dispositivo está emitiendo partículas). Ahora, viene la parte loca, si liberas las partículas una a la vez , aún obtienes un patrón de interferencia (¡alucinante!).
Eso es más o menos para lo básico. A partir de aquí, aprenderá cómo estos estados cuantificados explican las órbitas de electrones en el átomo. Aprenderá cómo, con la ecuación de Schrodinger, calcular los niveles de energía cuantificados en un sistema. También aprenderá sobre los límites de precisión para medir la posición y la velocidad de una partícula (principio de incertidumbre de Heisenberg). Y mucho más…
