la física cuántica suele ser intimidante desde el principio. Es un poco raro y puede parecer contra-intuitivo, incluso para los físicos que tratan con él todos los días. Pero no es incomprensible. Si estás leyendo algo sobre Física Cuántica, realmente hay seis conceptos clave al respecto que debes tener en cuenta. Si lo haces, encontrarás que la física cuántica es mucho más fácil de entender.
Todo Está Hecho De Ondas; También, las Partículas
la Luz como una partícula y una onda., (Crédito de la imagen: Fabrizio Carbone/EPFL)
hay muchos lugares para comenzar este tipo de discusión, y esto es tan bueno como cualquiera: todo en el universo tiene naturaleza de partícula y onda, al mismo tiempo. Hay una línea en la duología de fantasía de Greg Bear (El Concierto infinito y el mago Serpiente), donde un personaje que describe los fundamentos de la magia dice: «todo son olas, sin nada agitándose, sin ninguna distancia.»Siempre me ha gustado mucho como una descripción poética de la física cuántica deep en el fondo, todo en el universo tiene naturaleza ondulatoria.,
Por supuesto, todo en el universo también tiene naturaleza de partículas. Esto parece completamente loco, pero es un hecho experimental, elaborado por un proceso sorprendentemente familiar:
(También hay una versión animada de esto que hice para TED-Ed).
Por supuesto, describir objetos reales como partículas y ondas es necesariamente algo impreciso., Propiamente hablando, los objetos descritos por la física cuántica no son partículas ni ondas, sino una tercera categoría que comparte algunas propiedades de las ondas (una frecuencia y longitud de onda características, algunas esparcidas por el espacio) y algunas propiedades de las partículas (generalmente son contables y pueden ser localizadas hasta cierto punto)., Esto lleva a un animado debate dentro de la comunidad educativa de física sobre si es realmente apropiado hablar de la luz como partícula en los cursos de física introductoria; no porque haya alguna controversia sobre si la luz tiene alguna naturaleza de partícula, sino porque llamar a los fotones «partículas» en lugar de «excitaciones de un campo cuántico» podría llevar a algunos conceptos erróneos de los estudiantes. Tiendo a no estar de acuerdo con esto, porque muchas de las mismas preocupaciones se podrían plantear acerca de llamar a los electrones «partículas», pero lo convierte en una fuente confiable de conversaciones de blog.,
esta naturaleza de» puerta número tres » de los objetos cuánticos se refleja en el lenguaje a veces confuso que los físicos usan para hablar de fenómenos cuánticos. El bosón de Higgs fue descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones como una partícula, pero también escucharán a los físicos hablar del «campo de Higgs» como una cosa deslocalizada que llena todo el espacio., Esto sucede porque en algunas circunstancias, como los experimentos con colisionadores, es más conveniente discutir las excitaciones del campo de Higgs de una manera que enfatice las características similares a las partículas, mientras que en otras circunstancias, como la discusión general de por qué ciertas partículas tienen masa, es más conveniente discutir la física en términos de interacciones con un campo cuántico que llena el universo. Es solo un lenguaje diferente que describe el mismo objeto matemático.,
la Física Cuántica Es Discreto
Estas oscilaciones creado una imagen de «frozen» de la luz. (Crédito: Princeton)
está justo ahí en el nombre the la palabra «cuántica» viene del latín para «cuánto» y refleja el hecho de que los modelos cuánticos siempre implican algo que viene en cantidades discretas. La energía contenida en un campo cuántico viene en múltiplos enteros de alguna energía fundamental., Para la luz, esto se asocia con la frecuencia y la longitud de onda de la luz: la luz de alta frecuencia y longitud de onda corta tiene una gran energía característica, que la luz de baja frecuencia y longitud de onda larga tiene una pequeña energía característica.
en ambos casos, sin embargo, la energía total contenida en un campo de luz particular es un múltiplo entero de esa energía 1 1, 2, 14, 137 veces never nunca una fracción extraña como uno y medio, π, o la raíz cuadrada de dos., Esta propiedad también se ve en los niveles discretos de energía de los átomos, y las bandas de energía de los sólidos certain ciertos valores de energía están permitidos, otros no. Los relojes atómicos funcionan debido a la discreción de la física cuántica, utilizando la frecuencia de la luz asociada con una transición entre dos Estados permitidos en cesio para mantener el tiempo a un nivel que requiere el tan discutido «segundo salto» agregado la semana pasada.
la espectroscopia Ultra-precisa también se puede utilizar para buscar cosas como la materia oscura, y es parte de la motivación para un instituto de Física fundamental de baja energía.,
esto no siempre es obvio even incluso algunas cosas que son fundamentalmente cuánticas, como la radiación del cuerpo negro, parecen involucrar distribuciones continuas. Pero siempre hay una especie de granularidad en la realidad subyacente si se profundiza en las matemáticas, y eso es una gran parte de lo que conduce a la rareza de la teoría.,
la Física Cuántica Es Probabilístico
(Crédito: Graham Barclay/Bloomberg News)
Uno de los más sorprendentes y (históricamente, al menos) aspectos controvertidos de la física cuántica es que es imposible predecir con certeza el resultado de un experimento en un sistema cuántico., Cuando los físicos predicen el resultado de algún experimento, la predicción siempre toma la forma de una probabilidad para encontrar cada uno de los resultados posibles particulares, y las comparaciones entre la teoría y el experimento siempre implican inferir distribuciones de probabilidad de muchos experimentos repetidos.
la descripción matemática de un sistema cuántico típicamente toma la forma de una» función de onda», generalmente representada en ecuaciones por la letra griega PSI: Ψ., Hay mucho debate sobre lo que representa exactamente esta función de onda, que se divide en dos campos principales: aquellos que piensan en la función de onda como una cosa física real (el término de la jerga para esto es teorías «onticas», lo que lleva a algunas personas ingeniosas a llamar a sus proponentes «psi-ontólogos») y aquellos que piensan en la función de onda como una mera expresión de nuestro conocimiento (o falta de él) con respecto al estado subyacente de un objeto cuántico particular (teorías»epistémicas»).,
en cualquier clase de modelo fundacional, la probabilidad de encontrar un resultado no está dada directamente por la función de onda, sino por el cuadrado de la función de onda (en términos generales, de todos modos; la función de onda es un objeto matemático complejo (lo que significa que involucra números imaginarios como la raíz cuadrada de uno negativo), y la operación para obtener la probabilidad está ligeramente más involucrada, pero «cuadrado de la función de onda» es suficiente para obtener la idea básica)., Esto se conoce como la «regla del nacimiento» por el físico alemán Max Born, quien sugirió esto por primera vez (en una nota al pie de un documento en 1926), y sorprende a algunas personas como una adición ad hoc fea. Hay un esfuerzo activo en algunas partes de la comunidad de fundaciones cuánticas para encontrar una manera de derivar la regla de Born de un principio más fundamental; hasta la fecha, ninguno de estos ha sido completamente exitoso, pero genera mucha ciencia interesante.
Este es también el aspecto de la teoría que conduce a cosas como partículas que están en múltiples estados al mismo tiempo., Todo lo que podemos predecir es Probabilidad, y antes de una medición que determina un resultado particular, el sistema que se mide está en un estado indeterminado que matemáticamente se asigna a una superposición de todas las posibilidades con diferentes probabilidades., Si usted considera esto como el sistema realmente estar en todos los Estados a la vez, o simplemente estar en un estado desconocido depende en gran medida de sus sentimientos acerca de los modelos epistticos versus epistémicos, aunque ambos están sujetos a restricciones del siguiente elemento de la lista:
La física cuántica es no Local
un experimento de teletransportación cuántica en acción. (Crédito: IQOQI/Viena)
La última gran contribución que Einstein hizo a la física no fue ampliamente reconocida como tal, principalmente porque estaba equivocado., En un documento de 1935 con sus colegas más jóvenes Boris Podolsky y Nathan Rosen (el «documento EPR»), Einstein proporcionó una declaración matemática clara de algo que le había estado molestando durante algún tiempo, una idea que ahora llamamos «entrelazamiento».»
el documento de EPR argumentó que la física cuántica permitía la existencia de sistemas donde las mediciones hechas en lugares ampliamente separados podían correlacionarse de maneras que sugerían que el resultado de uno era determinado por el otro., Argumentaron que esto significaba que los resultados de la medición debían determinarse de antemano, por algún factor común, porque la alternativa requeriría transmitir el resultado de una medición a la ubicación de la otra a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz., Por lo tanto, la mecánica cuántica debe ser incompleta, una mera aproximación a alguna teoría más profunda (una teoría de «variable oculta local», Una donde los resultados de una medición en particular no dependen de nada más lejos de la ubicación de medición que una señal podría viajar a la velocidad de la luz («local»), sino que están determinados por algún factor común a ambos sistemas en un par enredado (la «variable oculta»)).,
esto fue considerado como una nota al pie impar durante unos treinta años, ya que parecía no haber forma de probarlo, pero a mediados de la década de 1960 el físico irlandés John Bell trabajó las consecuencias del documento de EPR en mayor detalle. Bell mostró que se pueden encontrar circunstancias en las que la mecánica cuántica predice correlaciones entre mediciones distantes que son más fuertes que cualquier teoría posible del tipo preferido por E, P y R., Esto fue probado experimentalmente a mediados de la década de 1970 por John Clauser, y una serie de experimentos de Alain Aspect a principios de la década de 1980 se considera ampliamente que han demostrado definitivamente que estos sistemas enredados no pueden ser explicados por ninguna teoría local de variables ocultas.
el enfoque más común para entender este resultado es decir que la mecánica cuántica no es local: que los resultados de las mediciones realizadas en un lugar particular pueden depender de las propiedades de objetos distantes de una manera que no se puede explicar usando señales que se mueven a la velocidad de la luz., Esto, sin embargo, no permite el envío de información a velocidades superiores a la velocidad de la luz, aunque ha habido un número de intentos de encontrar una manera de usar la no-localidad cuántica para hacer eso. Refutar esto ha resultado ser una empresa sorprendentemente productiva check echa un vistazo a cómo los Hippies salvaron la física de David Kaiser para más detalles. La no-localidad cuántica también es central para el problema de la información en la evaporación de agujeros negros, y la controversia del «cortafuegos» que ha generado mucha actividad reciente., Incluso hay algunas ideas radicales que implican una conexión matemática entre las partículas enredadas descritas en el documento de EPR y los agujeros de gusano.
La física cuántica es (en su mayoría) muy pequeña
imágenes de un átomo de hidrógeno visto a través de un telescopio cuántico. (Crédito: Stodolna et al. Phys. Apo…. Lett.)
La física cuántica tiene una reputación de ser extraña porque sus predicciones son dramáticamente diferentes a nuestra experiencia cotidiana (al menos, para los humanos the la presunción de mi libro es que no parece tan rara para los perros)., Esto sucede porque los efectos involucrados se hacen más pequeños a medida que los objetos se hacen más grandes if si quieres ver un comportamiento cuántico inequívoco, básicamente quieres ver partículas que se comportan como ondas, y la longitud de onda disminuye a medida que aumenta el momento. La longitud de onda de un objeto macroscópico como un perro caminando por la habitación es tan ridículamente pequeña que si expandieras todo de modo que un solo átomo en la habitación fuera del tamaño de todo el sistema Solar, la longitud de onda del perro sería del tamaño de un solo átomo dentro de ese sistema solar.,
esto significa que, en su mayor parte, los fenómenos cuánticos están confinados a la escala de átomos y partículas fundamentales, donde las masas y velocidades son lo suficientemente pequeñas como para que las longitudes de onda sean lo suficientemente grandes como para observar directamente. Hay un esfuerzo activo en un montón de áreas, sin embargo, para empujar el tamaño de los sistemas que muestran efectos cuánticos a tamaños más grandes., He blogueado un montón de experimentos del grupo de Markus Arndt que muestran un comportamiento ondulatorio en moléculas cada vez más grandes, y hay un montón de grupos en «opto-mecánica de cavidades» que intentan usar la luz para ralentizar el movimiento de trozos de silicio hasta el punto en que la naturaleza cuántica discreta del movimiento se aclararía. Incluso hay algunas sugerencias de que podría ser posible hacer esto con espejos suspendidos que tienen masas de varios gramos, lo que sería increíblemente genial.,
la Física Cuántica No Es Magia
Cómic de «Sobrevivir en el Mundo» por Dante Pastor. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html)… Usado con permiso.
el punto anterior conduce de forma muy natural a este: por extraño que pueda parecer, la física cuántica es más enfáticamente no mágica. Las cosas que predice son extrañas para los estándares de la física cotidiana, pero están rigurosamente restringidas por reglas y principios matemáticos bien entendidos.,
entonces, si alguien se te acerca con una idea «cuántica» que parece demasiado buena para ser verdad energy Energía Libre, poderes curativos místicos, unidades espaciales imposibles almost es casi seguro que lo es. Eso no significa que no podamos usar la física cuántica para hacer cosas increíbles you puedes encontrar algo de física realmente genial en la tecnología mundana but pero esas cosas se mantienen dentro de los límites de las leyes de la termodinámica y del sentido común básico.
así que ahí lo tienes: los elementos esenciales de la física cuántica., Probablemente he omitido algunas cosas, o he hecho algunas declaraciones que no son lo suficientemente precisas para complacer a todos, pero esto debería al menos servir como un punto de partida útil para futuras discusiones.
