¿Qué quieren decir los físicos cuando dicen que la mecánica cuántica es extremadamente predecible? ¿Qué se predice con tanta precisión?

La mecánica cuántica puede hacer predicciones extremadamente precisas.

La Mecánica Cuántica se desarrolló porque era necesario para comprender el átomo y, por lo tanto, muchas de sus predicciones incluyen propiedades de los átomos, como los valores de los niveles de energía atómica y las vidas de los estados atómicos.

La mecánica cuántica se demostró por primera vez al predecir con precisión los diferentes colores de luz que pueden emitir los átomos de hidrógeno. Los primeros cálculos involucraron hidrógeno, porque es el átomo más simple, que consiste solo en un solo electrón unido a un solo protón.

En estos días, la predicción más precisa en toda la ciencia se realiza utilizando la mecánica cuántica. Es la predicción del momento magnético anómalo del electrón (momento dipolar magnético anómalo), esencialmente una propiedad magnética de una partícula elemental. Esta predicción es de mecánica cuántica, ya que se calcula utilizando Quantum Electro Dynamics, que es la descripción cuántica y moderna de la electricidad y el magnetismo.

Además de lo anterior, también quiero abordar algo que su pregunta está insinuando, lo cual es una paradoja aparente: la mecánica cuántica predice las probabilidades, en lugar del resultado de experimentos individuales. Sin embargo, es extremadamente preciso. ¿Cómo pueden ambos ser verdad?

Esto parece ser una contradicción. Pero no lo es. Permítanme aclarar eso con un ejemplo donde hice los números. Digamos que la Mecánica Cuántica te dice que de 10 millones de átomos en una caja, en promedio 1.000001 átomos se descompondrán por segundo. Esa es una predicción muy precisa, precisa para una parte en diez billones. Pero no predice en absoluto cuál de los átomos se descompondrá. Por lo tanto, es muy preciso, pero no muy predecible.

En términos generales, cualquier cosa relacionada con un estado estacionario de una sola partícula (en el que la propiedad no está involucrada con la posición o el momento) se puede predecir con mucha precisión. Por lo tanto, se sabe que los niveles de energía del átomo de hidrógeno se predicen con mucha precisión cuando se incluye la electrodinámica cuántica. Para los átomos generales y las moléculas, eso ya no es cierto, la razón es que las ecuaciones del problema de muchos cuerpos no pueden resolverse analíticamente. La energía de los enlaces químicos se puede calcular, PERO el grado de corrección observacional a través de un proceso llamado “validación” es grande y generalmente no es visto por los lectores de los documentos.

Cualquier cosa que implique una transición solo se puede predecir estadísticamente. La desintegración de un núcleo solo se puede predecir como una vida media, es decir, un momento en el que hay un 50% de posibilidades de que se desmorone, y eso se “predice” según las observaciones.

Todo lo que implique movimiento está limitado por el Principio de Incertidumbre, y cualquier propiedad de difracción u onda similar solo conduce a probabilidades estadísticas para ser predichas. Por lo tanto, una partícula que pasa por una rejilla tiene una cierta probabilidad de aterrizar en cualquier lugar dentro del patrón de onda involucrado con la difracción de onda. Por supuesto, eso es una predicción de la mecánica cuántica, no una falla.

Cuando miras los fenómenos cuánticos como un grupo , es altamente predecible. Tome 100 átomos de azufre-35: 50 de ellos se descompondrán en 90 días (vida media). Tome otros 100 átomos de azufre-35 y puede predecir de manera confiable que 50 de ellos se descompondrán en 90 días.

Tome cualquier número de átomos radiactivos, y la mecánica cuántica predice de manera confiable que la mitad de ellos se descompondrá en una vida media. Siempre . Esto es tan predecible que usamos la desintegración radiactiva para calcular las edades de las rocas y otras cosas que tienen isótopos radiactivos.

La mecánica cuántica también es altamente predecible con posibilidades de porcentaje. Los meteorólogos te dan “30% de probabilidad de lluvias”, ¿verdad? Bueno, utilizando la mecánica cuántica puede obtener el porcentaje de probabilidad de la ubicación de un electrón alrededor de un átomo. Ese “porcentaje de probabilidad” es extremadamente predecible. IOW, esa es la oportunidad.

Donde la mecánica cuántica no es predecible es a nivel de cosas individuales . ¿Cuándo se descompondrá un solo átomo de azufre-35 dado? Ninguna pista. Podría ser en el próximo segundo, o podría pasar más de 900 días a partir de ahora. No hay forma de saberlo.

Pero, en un grupo , los fenómenos cuánticos son altamente predecibles y confiables.

Específicamente, la electrodinámica cuántica (a menudo acortada QED, y refiriéndose a la teoría cuántica de las ondas electromagnéticas) es increíblemente precisa. Consulte las pruebas de precisión de QED.

El ejemplo clásico son las mediciones del momento dipolar magnético del electrón: la idea es que un electrón tiene una carga eléctrica, pero “gira” (aunque, de manera confusa, este es un efecto cuántico extraño, y no debes pensar en como girando físicamente en el espacio), lo que crea un campo magnético. El momento dipolar es una medida de la fuerza de ese campo. Las teorías semiclásicas (como la de Dirac) brindan predicciones de lo que debería ser este momento dipolar, pero estaban apagadas por un pequeño factor, que se conoce como el momento dipolo magnético anómalo.

QED dio una predicción de cuál debería ser este momento dipolar magnético anómalo, y sorprendentemente, los experimentos confirman que si de hecho hay una diferencia entre el momento dipolar predicho por QED y el momento dipolar real, es una diferencia de menos de 0.000001% (eso es decir, menos de una parte por mil millones).

Lo único que es predecible en la mecánica cuántica es la distribución estadística de los resultados de los experimentos.

Por ejemplo, en el clásico experimento de Stern-Gerlach, se dispara un haz de átomos de plata a una pantalla. Se aplica un campo magnético de manera que cada átomo se desvía hacia arriba o hacia abajo.

Exactamente la mitad de ellos van hacia arriba, y exactamente la mitad de ellos van hacia abajo, con la advertencia a continuación.

En muchos otros experimentos similares, las estadísticas de cuántas partículas hacen X o cuántas Y pueden medirse exactamente, y siempre se ajustan con precisión a las leyes de la mecánica cuántica, incluso cuando se miden enormes cantidades de partículas.

Estas estadísticas se han medido con un sorprendente grado de precisión, y nunca se han encontrado desviaciones.

Es como lanzar una moneda de miles de millones de veces y encontrar que obtienes exactamente media cara y exactamente media cola.

Aquí está la advertencia: con una moneda, tendríamos dificultades para lanzarla suficientes veces para poder hacer mediciones realmente precisas de cuántas caras y colas tenemos. Obviamente, diez veces no sería suficiente, porque podría obtener cuatro caras y seis colas por casualidad. Entonces, los experimentos cuánticos son como lanzar una moneda un gran número de veces y descubrir que realmente obtienes la mitad de cada uno, con un grado asombroso de precisión.

La física cuántica no es tan predecible como precisa o mejor aún, correcta, aunque puede parecer extraño llamar a una ciencia que incluye el “principio de incertidumbre” como cualquiera de esos.

Esta es la forma en que lo he escuchado explicado. La física newtoniana se conoce como física clásica y es una ciencia muy sólida. Es predecible, lógico y muy útil. También está mal. Siempre es ligeramente impreciso, pero a velocidades más altas se vuelve muy diferente.

Entonces, la teoría de la relatividad de Einstein derrocó lo que los físicos alguna vez pensaron que era el capítulo final sobre física. Esto parecía que no podía ser correcto, pero las matemáticas eran inevitables y los experimentos a altas velocidades verificaron la dilatación del tiempo y finalmente se descubrieron ondas de gravitación. Por lo tanto, el trabajo de Newton fue lo suficientemente preciso para la mayoría de las aplicaciones, pero Einstein fue la nueva Última Palabra sobre el tema.

Entra en la rareza de la mecánica cuántica. De repente, el gran Einstein mismo estaba siendo corregido. Su límite canónico de velocidad de la luz fue cuestionado y su intento de “variables ocultas” de evitar QM no se mantuvo. Se consideró que las predicciones cuánticas no podían ser correctas, pero, una y otra vez, la QM se verificó sin falta, mientras que ni la física clásica ni la relatividad general pudieron ofrecer explicaciones.

Todo lo que QM ha predicho ha demostrado ser cierto, incluso cuando parece imposible que pueda ser correcto. Es decir, hasta que llegue el próximo avance.

Lo que probablemente quiso decir es que la probabilidad cuántica sigue con mucha precisión la “forma” de la función de onda de lo observable. La amplitud de la función de onda determina la probabilidad de que el resultado de la medición sea el valor. Por ejemplo, puede decir que la probabilidad de medir un electrón en la ubicación A es 5 veces mayor que la probabilidad de medirlo en la ubicación B.

Si realizamos mediciones en condiciones idénticas, notaremos rápidamente que, de hecho, la ubicación A sale 5 veces más frecuentemente que la ubicación B, incluso si no podemos predecir qué ubicación saldrá en cada medición individual.

El clima, por otro lado, sigue un caos determinista de gran complejidad. En un sistema caótico determinista, la previsibilidad disminuye rápidamente con el tiempo, porque incluso la más mínima incertidumbre en las condiciones iniciales conduce rápidamente a una evolución diferente del sistema.

Con frecuencia (pero no necesariamente) el grado de imprevisibilidad (cuánto tiempo tarda la probabilidad de resultado en divergir significativamente del rango x) depende de la complejidad del sistema (dije que no necesariamente porque hay sistemas deterministas muy simples que son caóticos, como como el mapa logístico). En el caso del clima, su enorme complejidad es de hecho una razón fundamental para su imprevisibilidad más allá de una ventana de tiempo determinada.

Una prueba importante de cualquier teoría científica es su capacidad para predecir el resultado de un nuevo experimento. A través de una gran cantidad de experimentos, la teoría cuántica predice con mucha precisión los resultados que realmente ocurren.

Físico : si un sistema cuántico es aleatorio o no, depende de lo que esté tomando. Por ejemplo, los electrones en un átomo aparecen en “orbitales” que tienen formas y niveles de energía extremadamente predecibles, y sin embargo, si midiera la ubicación de un electrón dentro de ese orbital, descubriría que el resultado es bastante aleatorio.