Física Cuántica: Definición y teorías

Física cuántica

La física cuántica es la explicación de cómo funcionan e interactúan las partículas que componen la materia. La física cuántica explica y teoriza las fuerzas y la naturaleza misma de los componentes básicos de todo, las diminutas partículas que forman el átomo. La forma en que existen e interactúan los átomos es la base de la física cuántica. Teoriza que las interacciones de pequeñas partículas subatómicas se basan en probabilidades y paquetes discretos de energía llamados cuantos. Hay muchas teorías cuánticas que forman la base de la física cuántica. La dificultad, y también el atractivo, de la física cuántica es que las formas en que interactúa la materia y las leyes de la física en la escala de tamaño normal son diferentes a las de la escala subatómica de las cosas.

Hubo múltiples contribuyentes al desarrollo de la física cuántica, también conocida como mecánica cuántica. Cuatro de los más importantes fueron Niels Bohr, Max Planck, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, Louis de Broglie y Albert Einstein.

La física cuántica se puede utilizar para crear computación cuántica, lo que hace que la tecnología para la potencia informática alcance niveles increíbles en comparación con lo que es posible ahora. La mecánica cuántica ya se utiliza en algunas partes de computadoras. También se utiliza para sensores CCD en cámaras digitales y televisores de pantalla plana.

La física cuántica es necesaria para explicar algunos fenómenos que la física clásica no puede calcular ni explicar. Muchos conceptos de la física cuántica son difíciles de observar o demostrar. Algunas evidencias de la física cuántica que han sido confirmadas en estudios científicos incluyen las siguientes:

• Partículas de materia que interactúan con partículas virtuales que aparecen desde el espacio vacío. Las propiedades de estas partículas virtuales se pueden medir, pero luego desaparecen en el espacio vacío.
• Se ha demostrado que los electrones individuales se comportan como ondas, ya que forman patrones de interferencia similares a las ondas de luz. También se ha demostrado que otras partículas más grandes, como las moléculas, crean patrones de interferencia.
• Se ha observado que las partículas entrelazadas se comunican diferentes estados entre sí a grandes distancias, pasándose información entre sí a velocidades mucho más rápidas que la velocidad de la luz.
• La conducción de calor ha podido realizarse a través del espacio vacío. Sin la física cuántica, el calor sólo puede irradiarse a través del espacio vacío. Esto demostró que el espacio vacío no está realmente vacío, sino que tiene pequeñas partículas cuánticas y fluctuaciones que surgen y luego desaparecen.

Teoría cuántica

La física cuántica se compone de muchas teorías diferentes llamadas colectivamente teoría cuántica. La mecánica cuántica, otro nombre de la física cuántica, fue propuesta por primera vez por varios fundadores clave a principios del siglo XX. Los siguientes son algunos desarrollos y conceptos clave de estos fundadores:

• En 1900, Max Planck publicó una teoría según la cual la energía se agruparía en porciones finitas o cuantos. Este concepto se llama cuantificación. Propuso esta idea para explicar por qué las observaciones de la radiación del cuerpo negro no se comportarían de la manera predicha por las leyes clásicas de la física.
• En 1905, Albert Einstein postuló que no sólo se cuantifica la energía, sino también la luz y otras formas de radiación en paquetes finitos llamados fotones.
• En 1913, Niels Bohr teorizó que el átomo de hidrógeno (y por tanto también otros átomos) tenía niveles de energía sólo en valores discretos, valores cuantificados. También propuso que las predicciones del reino cuántico basadas en probabilidades matemáticas predicen la realidad y que intentar observar el reino atómico empíricamente cambiará o pondrá en peligro las interacciones cuánticas.
• En 1924, Louis de Broglie propuso el principio de dualidad onda-partícula. Este principio teórico predice que tanto las ondas como las partículas tienen propiedades similares entre sí. A veces, las partículas se comportan y tienen propiedades como ondas y las ondas se comportan y tienen propiedades como partículas. Fundamentalmente, a nivel subatómico, la materia y las ondas son lo mismo.
• En 1927, Werner Heisenberg publicó lo que se conocería como el principio de incertidumbre de Heisenberg. Su opinión teórica era que tanto la posición como el momento de una partícula subatómica no se pueden medir al mismo tiempo. Si se mide la posición, no se puede realizar una observación precisa del impulso y viceversa.
• En 1935, Erwin Schrodinger creó su experimento mental que se conoció como el gato de Schrodinger. En este experimento mental, hay un gato que está encerrado en una caja esperando el resultado de un posible evento subatómico. El gato no observado podría encontrarse en la paradoja de ser considerado vivo y muerto al mismo tiempo hasta que sea observado. Esto demuestra que los conceptos de la mecánica cuántica no tienen sentido en la escala más amplia del mundo real. Schrodinger teorizó que los eventos físicos ocurren sólo en términos de probabilidad del evento; No existe una certeza definitiva sobre los eventos físicos.

En resumen, la teoría cuántica propone que las partículas actúan como ondas y pueden describirse en términos de funciones de onda de probabilidad de su posición, velocidad y masa. Todas las propiedades de la materia se basan, en esencia, en la probabilidad. Según la mecánica cuántica, existe la posibilidad de todo tipo de cosas aparentemente imposibles, como poder atravesar una pared, pero la probabilidad de que la materia en la pared desaparezca en el espacio vacío es tan baja que solo sucedería una vez. en muchas vidas del universo.

Definición cuántica

Quantum es una palabra del latín que significa suma o cantidad. Planck utilizó esta palabra directamente para proponer por primera vez la idea de la física cuántica. La definición cuántica propuesta por Plank era que la energía se presentaba sólo en cantidades específicas. Esto contradecía la física newtoniana, que predice un espectro completo de cantidades posibles para cualquier evento físico. Esta idea de que las partículas subatómicas creaban paquetes cuantificados fue revolucionaria.

Cuantización de la energía

El primer gran éxito de la física cuántica fue el problema que creó el concepto de mecánica cuántica. A finales del siglo XIX se realizaron experimentos sobre la radiación del cuerpo negro. Cuando la luz incide sobre un cuerpo negro, toda la luz se absorbe y, finalmente, el cuerpo negro brillará. La física clásica no pudo predecir ni explicar con precisión los resultados. Fue entonces cuando Max Planck postuló la cuantificación de la energía. Propuso que la energía de la luz que se emitía era sólo en cantidades específicas o múltiplos; no fue continuo. La energía fue cuantizada. Esta teoría explicaba y calculaba con precisión la energía procedente del cuerpo negro.

Los niveles de energía cuantificados de un átomo de hidrógeno también demuestran que existen niveles discretos de energía. A medida que un electrón excitado se eleva a un nivel de energía más alto, luego volverá a caer, liberando fotones con solo niveles específicos de energía.

Resumen de la lección

La física cuántica es el estudio teórico de las propiedades e interacciones de partículas subatómicas en niveles discretos de energía y se basa en la probabilidad. La mecánica cuántica, otro nombre de la física cuántica, se utiliza para los avances tecnológicos en piezas de computadoras, televisores de pantalla plana y cámaras digitales. Muchos fenómenos predichos por la teoría cuántica se han demostrado mediante experimentos.

Según la teoría cuántica, las partículas actúan como ondas y pueden describirse en términos de funciones de onda de probabilidad de su posición, velocidad y masa. Los eventos físicos de partículas ocurren según la probabilidad. La mecánica cuántica propone la posibilidad de lo imposible, como poder atravesar una pared, pero no sucede porque la probabilidad de que suceda es muy baja. La teoría cuántica, las teorías que componen la física cuántica, incluye la dualidad onda-partícula, el principio de incertidumbre de Heisenberg y la cuantización, que es el concepto de que los estados de energía sólo están presentes en niveles discretos. El gato de Schrodinger es un experimento mental en el que un gato queda atrapado en una caja y existe en un estado de vivo y muerto al mismo tiempo hasta que es observado, lo que muestra lo absurdo de la teoría cuántica cuando se ve en la escala más grande de los objetos de la vida real.