Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. física cuántica vok. Quantenphysik, f rus. física cuántica, f pranc. físico cuántico, f ... Fizikos terminų žodynas
Este término tiene otros significados, consulte Estado estacionario. Un estado estacionario (del latín stationarius parado, inmóvil) es el estado de un sistema cuántico, en el que su energía y otras dinámicas ... Wikipedia
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Tiene las siguientes subsecciones (la lista está incompleta): Mecánica cuántica Teoría cuántica algebraica Teoría de campos cuánticos Electrodinámica cuántica Cromodinámica cuántica Termodinámica cuántica Gravedad cuántica Teoría de supercuerdas Ver también ... ... Wikipedia
Introducción al principio de incertidumbre de la mecánica cuántica ... Formulación matemática ... Base ... Wikipedia
FÍSICA. 1. Asunto y estructura de la física F. la ciencia que estudia la más simple y al mismo tiempo naib. propiedades generales y leyes de movimiento de los objetos del mundo material que nos rodea. Debido a esta similitud, no hay fenómenos naturales que no tengan físico. propiedades ... Enciclopedia física
La física de los hipernúcleos es una rama de la física en la unión de la física nuclear y la física de partículas elementales, en la que el tema de investigación son los sistemas similares a núcleos que contienen, además de protones y neutrones, otras partículas elementales de hiperones. También ... ... Wikipedia
Rama de la física que estudia la dinámica de partículas en aceleradores, así como numerosos problemas técnicos asociados con la construcción y operación de aceleradores de partículas. La física del acelerador incluye cuestiones relacionadas con la producción y acumulación de partículas ... Wikipedia
Física de cristal Cristalografía de cristal Rejilla de cristal Tipos de rejilla de cristal Difracción en cristales Rejilla inversa Célula de Wigner Seitz Zona de Brillouin Factor de estructura básica Factor de dispersión atómica Tipos de enlaces en ... Wikipedia
La lógica cuántica es una sección de la lógica necesaria para razonar sobre oraciones que tienen en cuenta los principios de la teoría cuántica. Esta área de investigación fue fundada en 1936 por el trabajo de Garit Bierhof y John von Neumann, quienes intentaron ... ... Wikipedia
Libros
- Física cuántica, Martinson Leonid Karlovich. El material teórico y experimental que subyace a la física cuántica se presenta en detalle. Se presta mucha atención al contenido físico de los conceptos cuánticos básicos y los matemáticos ...
- Física cuántica, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Todo nuestro mundo y todo lo que hay en él: casas, árboles e incluso personas. - consta de partículas diminutas. El libro "Física cuántica" de la serie "Primeros libros sobre ciencia" hablará sobre lo invisible para nuestro ...
La ciencia
La física cuántica trabaja estudiando el comportamiento de las cosas más pequeñas de nuestro universo: las partículas subatómicas. Esta es una ciencia relativamente nueva, solo a principios del siglo XX se convirtió en tal después de que los físicos se interesaran por la cuestión de por qué no podían explicar algunos de los efectos de la radiación. Uno de los innovadores de esa época, Max Planck, utilizó el término "cuantos" para estudiar partículas diminutas con energía, de ahí el nombre de "física cuántica". Planck señaló que la cantidad de energía contenida en los electrones no es arbitraria, pero es consistente con los estándares de energía "cuántica". Uno de los primeros resultados de la aplicación práctica de este conocimiento fue la invención del transistor.
A diferencia de las inflexibles leyes de la física estándar, las reglas de la física cuántica pueden romperse. Cuando los científicos creen que están lidiando con un aspecto del estudio de la materia y la energía, surge un nuevo giro de eventos que les recuerda lo impredecible que puede ser el trabajo en esta área. Sin embargo, ellos, incluso si no comprenden completamente lo que está sucediendo, pueden usar los resultados de su trabajo para desarrollar nuevas tecnologías que a veces pueden llamarse nada menos que fantásticas.
En el futuro, la mecánica cuántica puede ayudar a mantener seguros los secretos militares y proteger su cuenta bancaria de los ladrones cibernéticos. Actualmente, los científicos están trabajando en computadoras cuánticas, cuyas capacidades van mucho más allá de la PC ordinaria. Dividido en partículas subatómicas Los elementos se pueden transferir fácilmente de un lugar a otro en un abrir y cerrar de ojos. Y quizás la física cuántica pueda responder a la pregunta más intrigante sobre de qué está hecho el universo y cómo comenzó la vida.
A continuación se muestran datos sobre cómo la física cuántica puede cambiar el mundo. Como dijo Niels Bohr, "cualquiera que no esté sorprendido por la mecánica cuántica simplemente no entiende cómo funciona".
Manejo de turbulencias
Pronto, quizás gracias a la física cuántica, será posible eliminar las zonas turbulentas que hacen que derrames jugo en el avión. Al crear turbulencias cuánticas en átomos de gas ultrafríos en un laboratorio, los científicos brasileños pueden comprender las zonas turbulentas con las que chocan aviones y barcos. Durante siglos, la turbulencia ha desconcertado a los científicos debido a la dificultad de reproducirla en un laboratorio.
La turbulencia es causada por gotas de gas o líquido, pero en la naturaleza parece formarse de manera aleatoria e inesperada. Aunque pueden formarse zonas turbulentas en el agua y el aire, los científicos han descubierto que también pueden formarse en presencia de átomos de gas ultrafríos o helio superfluido. Al estudiar este fenómeno en condiciones controladas de laboratorio, los científicos algún día podrán predecir con precisión dónde aparecerán las zonas turbulentas y posiblemente controlarlas en la naturaleza.
Espintrónica
Un nuevo semiconductor magnético desarrollado en el MIT podría conducir a un dispositivo electrónico de eficiencia energética aún más rápido en el futuro. Esta tecnología, denominada espintrónica, utiliza el estado de espín de los electrones para transmitir y almacenar información. Mientras que los circuitos electrónicos convencionales solo usan el estado de carga del electrón, la espintrónica aprovecha la dirección de giro del electrón.
El procesamiento de información mediante circuitos espintrónicos permitirá que los datos se acumulen desde dos direcciones a la vez, lo que también reducirá el tamaño de los circuitos electrónicos. Este nuevo material implanta un electrón en un semiconductor basándose en su orientación de espín. Los electrones pasan a través del semiconductor y están listos para ser detectores de espín en el lado de salida. Los científicos dicen que los nuevos semiconductores pueden funcionar a temperatura ambiente y son ópticamente transparentes, lo que significa que pueden funcionar con pantallas táctiles y paneles solares. También creen que ayudará a los inventores a crear dispositivos aún más ricos en funciones.
Mundos paralelos
¿Alguna vez te has preguntado cómo sería nuestra vida si tuviéramos la oportunidad de viajar en el tiempo? ¿Matarías a Hitler? ¿O te unirías a las legiones romanas para ver el mundo antiguo? Sin embargo, mientras todos fantaseamos con lo que haríamos si tuviéramos la oportunidad de retroceder en el tiempo, los científicos de la Universidad de California en Santa Bárbara ya están despejando el camino para reconstruir los rencores de antaño.
En un experimento en 2010, los científicos pudieron demostrar que un objeto puede existir simultáneamente en dos mundos diferentes. Aislaron una pequeña pieza de metal y, en condiciones especiales, descubrieron que se movía y se detenía al mismo tiempo. Sin embargo, alguien puede considerar esta observación como una ilusión causada por el exceso de trabajo, sin embargo, los físicos dicen que las observaciones de un objeto realmente muestran que se divide en el Universo en dos partes: vemos una de ellas y la otra no. Las teorías de los mundos paralelos dicen unánimemente que absolutamente cualquier objeto se desintegra.
Ahora los científicos están tratando de averiguar cómo "saltar" el momento de la desintegración y entrar en el mundo que no vemos. Este viaje a universos paralelos en el tiempo debería funcionar teóricamente, ya que las partículas cuánticas se mueven hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Ahora, todo lo que los científicos tienen que hacer es construir una máquina del tiempo utilizando partículas cuánticas.
Puntos cuánticos
Pronto, los físicos cuánticos podrán ayudar a los médicos a detectar células cancerosas en el cuerpo y determinar dónde se han diseminado. Los científicos han descubierto que algunos pequeños cristales semiconductores, llamados puntos cuánticos, pueden brillar cuando se exponen a la radiación ultravioleta, y también fueron fotografiados con un microscopio especial. Luego se combinaron con un material especial "atractivo" para las células cancerosas. Al entrar en el cuerpo, los puntos cuánticos luminosos fueron atraídos por las células cancerosas, mostrando así a los médicos exactamente dónde mirar. El resplandor continúa durante bastante tiempo y, para los científicos, el proceso de ajustar los puntos para las características de un tipo particular de cáncer es relativamente simple.
Si bien la ciencia de alta tecnología es sin duda responsable de muchos avances médicos, los seres humanos han dependido de muchos otros medios para combatir las enfermedades durante siglos.
Oración
Es difícil imaginar lo que los nativos americanos, el chamán curador y los pioneros de la física cuántica podrían tener en común. Sin embargo, todavía hay algo en común entre ellos. Niels Bohr, uno de los primeros exploradores de este extraño campo de la ciencia, creía que mucho de lo que llamamos realidad depende del "efecto observador", es decir, la relación entre lo que sucede y cómo lo vemos. Este tema dio lugar al desarrollo de un debate serio entre los especialistas en física cuántica, sin embargo, un experimento realizado por Bohr hace más de medio siglo confirmó su suposición.
Todo esto significa que nuestra conciencia afecta la realidad y puede cambiarla. Las palabras repetitivas de oración y los rituales de la ceremonia del chamán-curandero pueden ser intentos de cambiar la dirección de la "ola" que crea la realidad. La mayoría de las ceremonias también se realizan en presencia de numerosos observadores, lo que indica que cuanto más "ondas de curación" emanan de los observadores, más poderosas afectan a la realidad.
Relación de objetos
La interconexión de objetos puede tener además un gran impacto en la energía solar. La interconexión de objetos implica la interdependencia cuántica de átomos separados en el espacio físico real. Los físicos creen que se pueden formar interconexiones en las partes de las plantas responsables de la fotosíntesis o la conversión de la luz en energía. Las estructuras responsables de la fotosíntesis, los cromóforos, pueden convertir el 95 por ciento de la luz recibida en energía.
Los científicos ahora están estudiando cómo esta relación de nivel cuántico podría afectar la creación de energía solar con la esperanza de crear células solares naturales eficientes. También encontraron que las algas pueden usar algunas de las disposiciones de la mecánica cuántica para mover la energía recibida de la luz, así como almacenarla en dos lugares al mismo tiempo.
Computación cuántica
Otro aspecto igualmente importante de la física cuántica se puede aplicar al campo de la computadora, donde un tipo especial de elemento superconductor le da a la computadora una velocidad y potencia sin precedentes. Los investigadores explican que el elemento se comporta como átomos artificiales, ya que solo pueden ganar o perder energía al moverse entre niveles de energía discretos. El átomo más complejo tiene cinco niveles de energía. Este sistema complejo ("kudit") tiene ventajas significativas sobre el trabajo de los átomos anteriores, que tenían sólo dos niveles de energía ("qubit"). Los qubits y qubits son parte de los bits que se utilizan en las computadoras estándar. Las computadoras cuánticas utilizarán los principios de la mecánica cuántica en su trabajo, lo que les permitirá realizar cálculos mucho más rápido y con mayor precisión que las computadoras tradicionales.
Sin embargo, existe un problema que podría surgir si la computación cuántica se convierte en una realidad: la criptografía o la codificación de información.
Criptografía cuántica
Toda la información, desde el número de su tarjeta de crédito hasta las estrategias militares ultrasecretas, está en Internet, y un hacker habilidoso con suficiente conocimiento y una computadora poderosa puede vaciar su cuenta bancaria o poner en peligro la seguridad del mundo. Una codificación especial mantiene esta información en secreto, y los especialistas en informática trabajan constantemente para crear métodos de codificación nuevos y más seguros.
Codificar información dentro de una sola partícula de luz (fotón) ha sido durante mucho tiempo el objetivo de la criptografía cuántica. Parecía que los científicos de la Universidad de Toronto ya estaban muy cerca de crear este método, ya que lograron codificar el video. El cifrado incluye cadenas de ceros y unos, que son la "clave". Agregar una clave una vez codifica la información, agregarla nuevamente y decodificarla. Si un extraño logra obtener la clave, entonces la información puede ser pirateada. Pero incluso si las claves se utilizan a nivel cuántico, el mero hecho de su uso implicará sin duda la presencia de un pirata informático.
Teletransportación
Esto es ciencia ficción, nada más. Sin embargo, se llevó a cabo, pero no con la participación de humanos, sino con la participación de grandes moléculas. Pero ahí está el problema. Cada molécula del cuerpo humano debe escanearse desde dos lados. Pero es poco probable que esto suceda pronto. Hay otro problema: tan pronto como escaneas una partícula, de acuerdo con las leyes de la física cuántica, la cambias, es decir, no puedes hacer una copia exacta de ella.
Aquí es donde entra en juego la interconexión de objetos. Conecta dos objetos como si fueran uno. Escanearemos la mitad de la partícula y la otra mitad hará la copia teleportable. Esta será una copia exacta, ya que no medimos la partícula en sí, medimos su contraparte. Es decir, la partícula que medimos será destruida, pero su copia exacta es reanimada por su doble.
Partículas de Dios
Los científicos están utilizando una creación muy grande de ellos, el Gran Colisionador de Hadrones, para investigar algo extremadamente pequeño, pero muy importante: las partículas fundamentales que se cree que subyacen al nacimiento de nuestro universo.
Las partículas de Dios son lo que los científicos dicen que da masa a las partículas elementales (electrones, quarks y gluones). Los expertos creen que las partículas de Dios deberían impregnar todo el espacio, pero hasta ahora no se ha probado la existencia de estas partículas.
Encontrar estas partículas ayudaría a los físicos a comprender cómo el universo se recuperó del Big Bang y se transformó en lo que sabemos sobre él hoy. También ayudaría a explicar cómo se equilibra la materia con la antimateria. En resumen, aislar estas partículas ayudará a explicarlo todo.
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La física cuántica (también conocida como teoría cuántica o mecánica cuántica) es una rama separada de la física que se ocupa de la descripción del comportamiento y la interacción de la materia y la energía a nivel de partículas elementales, fotones y algunos materiales a temperaturas muy bajas. Un campo cuántico se define como la "acción" (o, en algunos casos, el momento angular) de una partícula que tiene el tamaño de una pequeña constante física llamada constante de Planck.
Pasos
constante de Planck
- Por ejemplo, el momento angular de un electrón unido a un átomo o molécula se cuantifica y solo puede tomar valores que sean múltiplos de la constante de Planck reducida. Esta cuantificación aumenta el orbital del electrón en una serie de un número cuántico primario entero. Por el contrario, el momento angular de los electrones libres ubicados cerca no está cuantificado. La constante de Planck también se usa en la teoría cuántica de la luz, donde un fotón es un cuanto de luz y la materia interactúa con la energía a través de la transición de electrones entre átomos o el "salto cuántico" de un electrón ligado.
- Las unidades de la constante de Planck también pueden verse como el tiempo del momento de la energía. Por ejemplo, en el área temática de la física de partículas, las partículas virtuales se representan como una masa de partículas que emergen espontáneamente del vacío en un área muy pequeña y juegan un papel en su interacción. La vida útil de estas partículas virtuales es la energía (masa) de cada partícula. La mecánica cuántica tiene una gran área temática, pero la constante de Planck está presente en cada parte matemática de ella.
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Aprenda sobre las partículas pesadas. Las partículas pesadas pasan de la transición energética clásica a la cuántica. Incluso si un electrón libre, que tiene algunas propiedades cuánticas (como la rotación), como un electrón no unido, se acerca al átomo y se ralentiza (posiblemente debido a la emisión de fotones de él), pasa del comportamiento clásico al cuántico, ya que su la energía cae por debajo de la energía de ionización. Un electrón se une a un átomo y su momento angular en relación con el núcleo atómico está limitado por el valor cuántico del orbital que puede ocupar. Esta transición es repentina. Se puede comparar con un sistema mecánico que cambia su estado de inestable a estable, o su comportamiento cambia de simple a caótico, o incluso se puede comparar con un cohete que se ralentiza y desciende por debajo de la velocidad de separación, y ocupa un espacio de tiempo. orbitan alrededor de alguna estrella u otro objeto celeste. Por el contrario, los fotones (que son ingrávidos) no hacen tal transición: simplemente cruzan el espacio sin cambios hasta que interactúan con otras partículas y desaparecen. Si miras hacia el cielo nocturno, los fotones de algunas estrellas vuelan sin cambios durante largos años luz, luego interactúan con un electrón en una molécula en tu retina, emiten su energía y luego desaparecen.
Empiece por aprender sobre el concepto físico de la constante de Planck. En mecánica cuántica, la constante de Planck es un cuanto de acción, denotado como h... De manera similar, para las partículas elementales que interactúan, el cuanto momento angular es la constante de Planck reducida (la constante de Planck dividida por 2 π) se denota como ħ y se llama "h con barra". El valor de la constante de Planck es extremadamente pequeño, combina esos momentos de impulso y designaciones de acciones que tienen un concepto matemático más general. Nombre mecánica cuántica implica que algunas cantidades físicas como el momento angular solo pueden cambiar discretamente en lugar de continuo cm. analógica).
En 1803, Thomas Jung dirigió un rayo de luz hacia una pantalla opaca con dos rendijas. En lugar de los dos rayos de luz esperados en la pantalla de proyección, vio varios rayos, como si hubiera interferencia (superposición) de dos ondas de luz de cada ranura. De hecho, fue en este momento que nació la física cuántica, o más bien, preguntas en su fundamento. En los siglos XX y XXI se demostró que no solo la luz, sino cualquier partícula elemental e incluso algunas moléculas se comportan como una onda, como cuantos, como si pasaran por ambas rendijas al mismo tiempo. Sin embargo, si coloca un sensor cerca de las rendijas, que determina qué le sucede exactamente a la partícula en este lugar y por qué rendija todavía pasa, entonces solo aparecen dos franjas en la pantalla de proyección, como si el hecho de la observación (influencia indirecta) destruye la función de onda y el objeto se comporta como materia. ( video)
El principio de incertidumbre de Heisenberg: ¡el fundamento de la física cuántica!
Gracias al descubrimiento de 1927, miles de científicos y estudiantes repiten el mismo experimento simple enviando un rayo láser a través de una rendija que se estrecha. Lógicamente, el rastro visible del láser en la pantalla de proyección se vuelve más estrecho y ya después de la disminución del espacio. Pero en un momento determinado, cuando la hendidura se vuelve lo suficientemente estrecha, el punto láser de repente comienza a ensancharse cada vez más, extendiéndose a lo largo de la pantalla y atenuándose hasta que la hendidura desaparece. Esta es la prueba más obvia de la quintaesencia de la física cuántica: el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg, un destacado físico teórico. Su esencia es que cuanto más exactamente determinamos una de las características emparejadas de un sistema cuántico, más incierta se vuelve la segunda característica. En este caso, cuanto más exactamente determinamos las coordenadas de los fotones láser por la rendija que se estrecha, más incierto se vuelve el momento de estos fotones. En el macrocosmos, también podemos medir la ubicación exacta de una espada voladora levantándola, o su dirección, pero no al mismo tiempo, ya que esto se contradice e interfiere entre sí. (, video)
Superconductividad cuántica y efecto Meissner
En 1933, Walter Meissner descubrió un fenómeno interesante en física cuántica: en un superconductor enfriado a temperaturas mínimas, se expulsa un campo magnético. Este fenómeno se llama efecto Meissner. Si se coloca un imán ordinario sobre aluminio (u otro superconductor) y luego se enfría con nitrógeno líquido, el imán despegará y flotará en el aire, ya que "verá" su propio campo magnético de la misma polaridad desplazado del aluminio enfriado. , y los mismos lados de los imanes son repelidos ... (, video)
Superfluidez cuántica
En 1938, Pyotr Kapitsa enfrió helio líquido a una temperatura cercana a cero y descubrió que la sustancia había perdido su viscosidad. Este fenómeno en física cuántica se llama superfluidez. Si se vierte helio líquido enfriado en el fondo de un vaso, aún fluirá a lo largo de las paredes. De hecho, siempre que el helio se enfríe lo suficiente, no hay límite para derramar, sin importar la forma o el tamaño del recipiente. A finales del siglo XX y principios del XXI, también se encontró superfluidez en determinadas condiciones en el hidrógeno y varios gases. (, video)
Túneles cuánticos
En 1960, Ivor Gayever realizó experimentos eléctricos con superconductores separados por una película microscópica de óxido de aluminio no conductor. Resultó que, contrariamente a la física y la lógica, algunos de los electrones aún atraviesan el aislamiento. Esto confirmó la teoría de la posibilidad de un efecto de túnel cuántico. Se aplica no solo a la electricidad, sino también a cualquier partícula elemental, también son ondas según la física cuántica. Pueden atravesar obstáculos si el ancho de estos obstáculos es menor que la longitud de onda de la partícula. Cuanto más estrecho es el obstáculo, más a menudo pasan las partículas a través de él. (, video)
Entrelazamiento cuántico y teletransportación
En 1982, el físico Alain Aspe, futuro premio Nobel, envió dos fotones creados simultáneamente a sensores multidireccionales para determinar su espín (polarización). Resultó que medir el giro de un fotón afecta instantáneamente la posición del giro del segundo fotón, que se convierte en lo opuesto. Entonces se demostró la posibilidad de entrelazamiento cuántico de partículas elementales y teletransportación cuántica. En 2008, los científicos pudieron medir el estado de los fotones entrelazados cuánticos a una distancia de 144 kilómetros y la interacción entre ellos aún resultó ser instantánea, como si estuvieran en el mismo lugar o no hubiera espacio. Se cree que si esos fotones entrelazados cuánticos se encuentran en partes opuestas del universo, la interacción entre ellos seguirá siendo instantánea, aunque la luz supera la misma distancia en decenas de miles de millones de años. Curiosamente, según Einstein, no hay tiempo para que los fotones viajen a la velocidad de la luz. ¿Es esto una coincidencia? ¡Los físicos del futuro no lo creen así! (, video)
El efecto Quantum Zeno y la detención del tiempo
En 1989, un grupo de científicos dirigido por David Wineland observó la velocidad a la que los iones de berilio pasan entre niveles atómicos. Resultó que el mero hecho de medir el estado de los iones ralentizaba su transición entre estados. A principios del siglo XXI, en un experimento similar con átomos de rubidio, fue posible lograr una desaceleración de 30 veces. Todo esto es una confirmación del efecto cuántico Zeno. Su significado es que el mero hecho de medir el estado de una partícula inestable en física cuántica ralentiza la velocidad de su desintegración y, en teoría, puede detenerla por completo. (, Video en ingles)
Borrador cuántico diferido
En 1999, un equipo de científicos dirigido por Marlan Scali dirigió fotones a través de dos rendijas, detrás de las cuales se encontraba un prisma que convierte cada fotón saliente en un par de fotones entrelazados cuánticamente y los divide en dos direcciones. El primero envió fotones al detector principal. La segunda dirección envió fotones a un sistema de reflectores y detectores al 50%. Resultó que si un fotón de la segunda dirección alcanzaba los detectores que definen la rendija de la que salió volando, el detector principal registraba su fotón emparejado como una partícula. Si un fotón de la segunda dirección alcanzaba detectores que no determinaban la rendija de la que salió volando, entonces el detector principal registraba su fotón emparejado como una onda. La medición de un fotón no solo se reflejó en su par cuántico entrelazado, sino que esto también sucedió fuera de la distancia y el tiempo, porque el sistema secundario de detectores registró fotones más tarde que el principal, como si el futuro determinara el pasado. Se cree que este es el experimento más increíble no solo en la historia de la física cuántica, sino también en la historia de toda la ciencia, ya que socava muchos de los fundamentos habituales de la cosmovisión. (, Video en inglés)
Superposición cuántica y el gato de Schrödinger
En 2010, Aaron O'Connell colocó una pequeña placa de metal en una cámara de vacío opaca, que enfrió hasta casi el cero absoluto. Luego dio un impulso al plato para que vibrara. Sin embargo, el sensor de posición mostró que la placa vibraba y estaba en silencio al mismo tiempo, lo que estaba exactamente en línea con la física cuántica teórica. Este fue el primero en probar el principio de superposición en macroobjetos. En condiciones aisladas, cuando no hay interacción de sistemas cuánticos, un objeto puede estar simultáneamente en un número ilimitado de posiciones posibles, como si ya no fuera material. (, video)
El gato de Cheshire cuántico y la física
En 2014, Tobias Denkmire y sus colegas dividieron el flujo de neutrones en dos haces y llevaron a cabo una serie de medidas complejas. Resultó que, en determinadas circunstancias, los neutrones pueden estar en un haz y su momento magnético en otro haz. Así, se confirmó la paradoja cuántica de la sonrisa del gato de Cheshire, cuando las partículas y sus propiedades pueden estar, según nuestra percepción, en distintas partes del espacio, como una sonrisa separada del gato del cuento de hadas "Alicia en el país de las maravillas". Una vez más, ¡la física cuántica resultó ser más misteriosa y más sorprendente que cualquier cuento de hadas! (, video en ingles.)
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29.10.2016A pesar de la sonoridad y el misterio del tema de hoy, intentaremos contar lo que estudia la física cuántica, en palabras simples, qué secciones de la física cuántica tienen un lugar para estar y por qué la física cuántica es necesaria en principio.
El material que se ofrece a continuación está disponible para que cualquiera lo entienda.
Antes de despotricar sobre lo que estudia la física cuántica, será oportuno recordar cómo empezó todo ...
A mediados del siglo XIX, la humanidad se ha enfrentado al estudio de problemas que no podían resolverse utilizando el aparato de la física clásica.
Varios fenómenos parecían "extraños". Las preguntas individuales no encontraron respuesta en absoluto.
En la década de 1850, William Hamilton, creyendo que la mecánica clásica no es capaz de describir con precisión el movimiento de los rayos de luz, propone su propia teoría, que pasó a la historia de la ciencia con el nombre de formalismo de Hamilton-Jacobi, que se basó en el postulado de la teoría ondulatoria de la luz.
En 1885, tras discutir con un amigo, el suizo y el físico Johann Balmer dedujeron una fórmula empírica que permitía calcular las longitudes de onda de las líneas espectrales con una precisión muy alta.
Balmer no pudo explicar las razones de los patrones revelados en ese momento.
En 1895, Wilhelm Roentgen, mientras estudiaba los rayos catódicos, descubrió la radiación, a la que llamó rayos X (más tarde rebautizados como rayos), que se caracterizaba por un poderoso carácter penetrante.
Un año después, en 1896, Henri Becquerel, mientras estudiaba las sales de uranio, descubrió una radiación espontánea con propiedades similares. El nuevo fenómeno se denominó radiactividad.
En 1899, se demostró la naturaleza ondulatoria de los rayos X.
Foto 1. Pioneros de la física cuántica Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr
1901 vio la aparición del primer modelo planetario del átomo, propuesto por Jean Perrin. Por desgracia, el propio científico abandonó esta teoría, sin encontrar confirmación desde el punto de vista de la teoría de la electrodinámica.
Dos años después, un científico de Japón, Hantaro Nagaoka, propuso otro modelo planetario del átomo, en el centro del cual debería ubicarse una partícula cargada positivamente, alrededor de la cual los electrones girarían en órbitas.
Esta teoría, sin embargo, no tuvo en cuenta la radiación emitida por los electrones y, por lo tanto, no podría, por ejemplo, explicar la teoría de las líneas espectrales.
Reflexionando sobre la estructura del átomo, en 1904, Joseph Thomson interpretó por primera vez el concepto de valencia desde un punto de vista físico.
El año de nacimiento de la física cuántica, tal vez, pueda reconocerse como 1900, vinculando con él el discurso de Max Planck en una reunión de la física alemana.
Fue Planck quien propuso una teoría que unía muchos conceptos físicos, fórmulas y teorías hasta ahora dispares, incluida la constante de Boltzmann, que vincula energía y temperatura, el número de Avogadro, la ley de desplazamiento de Wien, la carga de electrones, la ley de radiación de Boltzmann ...
También introdujo el concepto de cuanto de acción (el segundo, después de la constante de Boltzmann, es la constante fundamental).
El desarrollo posterior de la física cuántica está directamente relacionado con los nombres de Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Sommerfeld, Max Born, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac y muchos otros. que trabajó en la primera mitad del siglo XX.
Los científicos lograron aprender la naturaleza de las partículas elementales con una profundidad sin precedentes, estudiar las interacciones de partículas y campos, revelar la naturaleza quark de la materia, derivar la función de onda, explicar los conceptos fundamentales de discreción (cuantificación) y dualidad onda-partícula.
La teoría cuántica, como ninguna otra, ha acercado a la humanidad a comprender las leyes fundamentales del universo, reemplazando los conceptos habituales por otros más precisos, obligando a repensar una gran cantidad de modelos físicos.
¿Qué estudia la física cuántica?
La física cuántica describe las propiedades de la materia a nivel de micro-fenómenos, explorando las leyes del movimiento de micro-objetos (objetos cuánticos).
Tema de estudio de la física cuántica. constituyen objetos cuánticos con dimensiones de 10 a 8 cm o menos. Esta:
- moléculas,
- átomos
- núcleos atómicos,
- partículas elementales.
Las principales características de los microobjetos son la masa en reposo y la carga eléctrica. La masa de un electrón (me) es 9.1 10-28 g.
En comparación, la masa del muón es 207 m, el neutrón es 1839 m, el protón es 1836 m.
Algunas partículas no tienen masa en reposo (neutrino, fotón). Su masa es 0 m.
La carga eléctrica de cualquier microobjeto es un múltiplo de la carga del electrón igual a 1,6 · 10 −19 C. Junto con los cargados hay microobjetos neutros, cuya carga es igual a cero.
Foto 2. La física cuántica obliga a reconsiderar las visiones tradicionales sobre los conceptos de ondas, campos y partículas
La carga eléctrica de un microobjeto complejo es igual a la suma algebraica de las cargas de sus partículas constituyentes.
Las propiedades de los microobjetos incluyen girar(traducido literalmente del inglés - "rotar").
Suele interpretarse como el momento angular de un objeto cuántico que no depende de condiciones externas.
La espalda es difícil de encontrar una imagen adecuada en el mundo real. No se puede pensar en una peonza debido a su naturaleza cuántica. La física clásica no puede describir este objeto.
La presencia de un giro afecta el comportamiento de los microobjetos.
La presencia de espín introduce características significativas en el comportamiento de los objetos en el micromundo, la mayoría de los cuales, objetos inestables, se desintegran espontáneamente y se convierten en otros objetos cuánticos.
Los microobjetos estables, que incluyen neutrinos, electrones, fotones, protones, así como átomos y moléculas, son capaces de descomponerse solo bajo la influencia de una energía poderosa.
La física cuántica absorbe completamente la física clásica, considerándola como su caso límite.
De hecho, la física cuántica es, en un sentido amplio, la física moderna.
Es imposible percibir lo que describe la física cuántica en el microcosmos. Debido a esto, muchas disposiciones de la física cuántica son difíciles de imaginar, en contraste con los objetos descritos por la física clásica.
A pesar de ello, las nuevas teorías han permitido cambiar nuestras ideas sobre ondas y partículas, sobre descripción dinámica y probabilística, sobre continuo y discreto.
La física cuántica no es solo una teoría sofisticada.
Esta es una teoría que ha logrado predecir y explicar una cantidad increíble de fenómenos, desde procesos que tienen lugar en núcleos atómicos hasta efectos macroscópicos en el espacio exterior.
La física cuántica, a diferencia de la física clásica, estudia la materia a un nivel fundamental, dando interpretaciones de los fenómenos de la realidad circundante que la física tradicional no es capaz de dar (por ejemplo, por qué los átomos permanecen estables o si las partículas elementales son realmente elementales).
La teoría cuántica nos da la capacidad de describir el mundo con más precisión de lo que se aceptaba antes de sus inicios.
La importancia de la física cuántica
Los desarrollos teóricos que constituyen la esencia de la física cuántica son aplicables al estudio tanto de objetos espaciales inimaginablemente enormes como de partículas elementales extremadamente pequeñas.
Electrodinámica cuántica nos sumerge en el mundo de los fotones y electrones, con énfasis en el estudio de las interacciones entre ellos.
Teoría cuántica de la materia condensada profundiza nuestro conocimiento de superfluidos, imanes, cristales líquidos, sólidos amorfos, cristales y polímeros.
Foto 3. La física cuántica le ha dado a la humanidad una descripción mucho más precisa del mundo que nos rodea.
La investigación científica en las últimas décadas se ha centrado en el estudio de la estructura de quarks de partículas elementales dentro de una rama independiente de la física cuántica: cromodinámica cuántica.
Mecánica cuántica no relativista(el que está fuera del marco de la teoría de la relatividad de Einstein) estudia los objetos microscópicos que se mueven a una velocidad convencionalmente baja (menor que), las propiedades de las moléculas y los átomos, su estructura.
Óptica cuántica se dedica al estudio científico de los hechos asociados con la manifestación de las propiedades cuánticas de la luz (procesos fotoquímicos, radiación térmica y estimulada, efecto fotoeléctrico).
Teoría cuántica de campos es una sección unificadora que ha incorporado las ideas de la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.
Las teorías científicas desarrolladas en el marco de la física cuántica han dado un poderoso impulso al desarrollo de la electrónica cuántica, la tecnología, la teoría cuántica de sólidos, la ciencia de los materiales y la química cuántica.
Sin el surgimiento y desarrollo de las ramas del conocimiento antes mencionadas, hubiera sido imposible crear naves espaciales, rompehielos nucleares, comunicaciones móviles y muchas otras invenciones útiles.
