Mecánica cuántica: Creo que no hay ningún proceso en este universo que ocurra sin ninguna razón. ¿Qué tan espontánea es una emisión que se produce sin proporcionar ninguna fuente externa u otra cosa?

La respuesta corta a su pregunta es que hay fuentes que causan la emisión espontánea.

Toma un átomo excitado. Está rodeado de todo tipo de perturbaciones externas locas: hay otros átomos, puede haber algún campo magnético dependiente del tiempo, ¡y hay luz! Todas estas son perturbaciones externas que pueden inducir la transición del estado excitado al estado fundamental, lo que provoca la emisión.

De hecho, podemos decir más. Supongamos que intentamos eliminar todas las perturbaciones externas. Lo mejor que podemos hacer es poner nuestro átomo excitado en el vacío perfecto. Ahora, el átomo debería permanecer en el estado excitado para siempre, ¿verdad? ¡NO! Resulta que el vacío no está realmente vacío. Debido al principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, no podemos tener un campo electromagnético cero (EM). En promedio, los campos eléctricos y magnéticos pueden ser cero. Pero fluctuarán. Las fluctuaciones EM significan que no importa cuánto intentemos eliminar todos los fotones, el campo EM seguirá teniendo una energía de punto cero. De hecho, el vacío está lleno de pares de partículas vitales creadas y aniquiladas constantemente, pero no me voy a centrar en eso. A lo que estoy tratando de llegar es que, en la situación más ideal, el átomo estará acoplado a las fluctuaciones EM. Podrías pensar en estas fluctuaciones como perturbaciones externas que constantemente patean el electrón. Este acoplamiento inducirá la transición que resulta en la emisión “espontánea” de un fotón. Como señaló Brian Bi, el sistema está en una superposición del estado excitado y el estado fundamental más un fotón, y la razón es este acoplamiento.

Como nota al margen, las tasas de desintegración del átomo de hidrógeno pueden calcularse simplemente considerando el acoplamiento entre el electrón y el campo EM. Por ejemplo, para una transición de 2p a 1s, la velocidad de descomposición es de 1,6 nanosegundos.

Primero, algo puede ser causal y estadístico. Un ejemplo simple sería poner una pieza de polvo de lycopodium en agua. Eventualmente, debido al movimiento browniano, terminará en otro lugar, y puede hacer una predicción estadística de dónde terminará, pero no hay forma de saber siquiera qué dirección neta tomará de antemano. La causa es la energía cinética aleatoria de las moléculas de agua, pero el movimiento es estadístico.

Una razón no tiene que ser externa. El trabajo interno funciona tan bien como una causa, y en el caso de la desintegración nuclear, generalmente proviene de alguna selección de causas originadas por el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte, dependiendo de la naturaleza de la desintegración.

Otro ejemplo podría ser la emisión de fotones del estado excitado de los átomos. ¿Por qué emiten, en lugar de quedarse donde están? La respuesta parece ser que algo externo los empuja y “ven” la oportunidad de caer a un estado inferior. Tales empujones se han detenido, y algunos estados muy excitados de átomos como el litio se han mantenido durante bastante tiempo mediante el anclaje de fase, que corrige dichos empujones y los mantiene en el estado metaestable. El hecho de que no podamos definir la causa no significa que no haya causa.

Supongamos que tenemos un neutrón y un electrón cada uno. Cada electrón tiene propiedades idénticas. También los neutrones. Entonces, ¿qué significa llamarlas partículas diferentes? El contexto es todo lo que hay. Sabemos que podemos almacenar información en contextos, y no podemos almacenarla dentro de esas partículas.

Tu neutrón se descompone y el mío no. ¿Eso te dice que son partículas diferentes? Puede tomar eso como evidencia de la diferencia. Pero en realidad, no, te dice más sobre su similitud.

Si recopilo estadísticas sobre las desintegraciones de neutrones, me dan una vida media constante de aproximadamente diez minutos. Eso los hace profundamente lo mismo, a ese respecto. Lo cual es mucho más satisfactorio. También significaría que el espacio y el tiempo no eran tan fundamentales como me imaginaba.

¡Tu pensamiento clásico se está mostrando! 😛

Si toma la visión clásica de un átomo que emite espontáneamente un fotón, entonces parece que el sistema cambia repentinamente su estado en un momento aleatorio, emitiendo un fotón, sin intervención externa. Esto es realmente problemático. No se puede escribir un hamiltoniano (clásico) para tal sistema.

Pero la visión clásica no es la correcta. Debes entender que un sistema mecánico cuántico puede estar en una superposición de estados . Si una caja contiene inicialmente un átomo excitado, en cualquier momento distinto de cero después de que la caja está preparada (pero antes de abrirla para observar el resultado), el estado de la caja es una superposición de “átomo excitado, no descompuesto”, que llamaré [math] | A ^ * \ rangle [/ math], y “átomo de estado fundamental más fotón”, que llamaré [math] | A \ gamma \ rangle [/ math]. Es decir

[matemáticas] | \ psi \ rangle = c_1 | A ^ * \ rangle + c_2 | A \ gamma \ rangle [/ matemáticas]

A medida que pasa el tiempo, el coeficiente [matemático] c_1 [/ matemático] disminuye continuamente y el coeficiente [matemático] c_2 [/ matemático] aumenta continuamente. Tomando la función de onda como el objeto fundamental, vemos que esta vez la evolución es completamente determinista, como una bola rodando cuesta abajo. La “vida media” de la transición es precisamente la cantidad de tiempo que le lleva a la función de onda evolucionar desde el estado [math] | A ^ * \ rangle [/ math], que es un átomo 100% excitado, al estado [ matemáticas] \ frac {1} {\ sqrt {2}} | A ^ * \ rangle + \ frac {1} {\ sqrt {2}} | A \ gamma \ rangle [/ math], que está 50% “emocionado átomo, no decaído “más 50%” átomo en estado fundamental más fotón “.

La “espontaneidad” ocurre cuando abres la caja. Al hacerlo, colapsa la función de onda y la probabilidad de observar el átomo decaído más el fotón es [matemática] | c_2 | ^ 2 [/ matemática]. Cuanto más tarde abra el cuadro, mayor será esta probabilidad. Recuerde que antes de abrir el cuadro, la función de onda todavía se encuentra en una superposición que evoluciona de forma determinística, pero después de abrir el cuadro, “restablece” el estado al átomo no decaído [math] | A ^ * \ rangle [/ math ] o el estado decaído [matemática] | A \ gamma \ rangle [/ matemática].

Finalmente, tenga en cuenta que este es un modelo extremadamente simplificado; en realidad hay una infinidad de estados ortogonales, que corresponden a diferentes valores del momento del fotón. (Además, puede haber múltiples estados por debajo del estado excitado inicial).

“Creo que no hay ningún proceso en este universo que ocurra sin ninguna razón”, debes hablar con el universo porque no sigue tus reglas. En realidad, hay una manera de explicar la emisión espontánea si aceptas la idea de eventos no locales, esto significaría que el universo es completamente determinista, es solo que para predecir tus emisiones espontáneas debes considerar el estado de todas las demás partículas del universo, Esto no contradice la física tal como la conocemos, pero es inútil e inestable, puede ser el caso, puede que no. Es como si pudieras predecir el lanzamiento de una moneda si tuvieras el equipo para medir todas las influencias posibles, eso no es práctico, así que solo lo aceptas como aleatorio, pero con la física cuántica no solo es poco práctico, es imposible. Dado que esto es simple, no es posible determinarlo, ni siquiera de manera hipotética sin deshacerse de algunas leyes de la física, no tiene sentido considerarlo, también podría argumentar igualmente que las hadas invisibles son la causa. La ciencia es pragmática porque no hay otra opción.

Mi pregunta es ¿por qué crees que la emisión espontánea ocurre sin una fuente externa?

Hay radiación invisible a nuestro alrededor. Nos estamos bañando en eso. No puedes
cree un vacío que elimine toda la radiación, porque la envoltura que encierra el vacío está hecha de radiación (o energía) y está irradiando energía. Entonces, lo que aparece como “espontáneo” puede no serlo. Hace que parezca que la emisión espontánea viola la regla de causa y efecto. Dudo que. Tal vez es como los físicos del CERN que pensaron que excedieron la velocidad de la luz.

Otra pregunta es ¿por qué los átomos tienen niveles de energía estables e inestables? Según tengo entendido, la emisión espontánea ocurre cuando un átomo excitado cae a un nivel de energía más bajo.

Un desafío para los físicos: ¿mi pensamiento es defectuoso?

Desde un punto de vista filosófico, todo lo que sucede en el universo sucede porque puede suceder; nada puede suceder en el universo que no pueda suceder. Ergo, todo es a la vez espontáneo y esperado.

No hay ninguna razón para nada a menos que alguien diga cuál es la razón y la ponga en práctica de alguna manera. Con el análisis y el estudio, encontramos razones por las cuales suceden las cosas. El uso en este contexto es simplemente para entender. Más allá de eso, hacemos cosas que tienen un resultado esperado o razonado. El uso en este contexto es tecnología. No hay diferencia entre el nivel macro y micro, es decir, la mecánica cuántica, excepto que a nivel cuántico es muy difícil tener control. Cuando no nos preocupamos por qué, los eventos son aleatorios, ya sean macro o micro. Cuando nos preocupamos por qué y buscamos una aplicación, tenemos determinismo.

Piensas mal. La descomposición radiactiva espontánea lo demuestra. Estoy de acuerdo en que no tiene sentido, pero tampoco Justin Beiber …