La física cuántica es la designación general de un conjunto de teorías físicas nacido XX XX siglo que describen el comportamiento de los átomos y partículas y permiten dilucidar ciertas propiedades de la radiación electromagnética .
A medida que la teoría de la relatividad , la teoría llamada "quantum" marca una ruptura con lo que ahora se llama la física clásica , que incluye teorías y principios físicos conocidos por el XIX ° siglo - incluyendo los mecánica newtoniana y la teoría electromagnética de Maxwell - y que no permitió explicar ciertas propiedades físicas.
La física cuántica cubre todos los campos de la física donde el uso de las leyes de la mecánica cuántica es una necesidad para comprender los fenómenos en juego. La mecánica cuántica es la teoría fundamental de las partículas de materia que constituyen los objetos del universo y los campos de fuerza que animan estos objetos. .
Durante el XIX th cristalógrafos y químicos del siglo tratan de demostrar la existencia de los átomos, pero es sólo el comienzo del XX ° siglo serán identificados de forma permanente a través de la difracción de rayos X . Para modelarlos, la cuantificación de la materia es un paso necesario, que da origen a la física cuántica. En 1900, Max Planck planteó la hipótesis de que los intercambios de energía con la materia se realizan en pequeñas cantidades: los “ cuantos ”.
Louis de Broglie inició entonces la mecánica cuántica que permitió modelar correctamente el átomo. La física cuántica finalmente absorbió todas las áreas de la física clásica en una sola disciplina. Los aceleradores de partículas muestran entonces que los átomos están compuestos de partículas más elementales, como protones o neutrones , compuestos ellos mismos de quark . Es la teoría cuántica del campo , construida a partir de la electrodinámica cuántica, la que describirá todas las partículas elementales .
La física cuántica provocó una revolución conceptual con repercusiones incluso en la filosofía (cuestionando el determinismo ) y en la literatura ( ciencia ficción ). Ha permitido una serie de aplicaciones tecnológicas: energía nuclear , imagen médica por resonancia magnética nuclear , diodo , transistor , circuito integrado , microscopio electrónico y láser . Un siglo después de su concepción, se utiliza ampliamente en la investigación en la química teórica ( química cuántica ), la física ( mecánica cuántica , la teoría de campos cuántica , la física condensados materia , la física nuclear , física de partículas , estadística física cuántica, astrofísica , la gravedad cuántica ) en matemáticas (formalización de la teoría de campos) y recientemente en informática ( ordenadores cuánticos , criptografía cuántica ). Es considerado con la relatividad general de Einstein como una de las dos principales teorías del XX ° siglo .
Se sabe que la física cuántica es contraria a la intuición (impacta el "sentido común") y requiere un arduo formalismo matemático. Feynman , uno de los especialistas principales teóricos de la física cuántica en la segunda mitad del XX ° siglo y escribió:
“Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende realmente la física cuántica. "
La principal razón de estas dificultades es que el mundo cuántico (limitado a lo infinitamente pequeño , pero que potencialmente tiene repercusiones en una escala mayor) se comporta de manera muy diferente al entorno macroscópico al que estamos acostumbrados. Algunas diferencias fundamentales que separan estos dos mundos son, por ejemplo:
En el mundo viviente, ¿hay fenómenos que obedezcan estas reglas de lo infinitamente pequeño? En los últimos años, estudios en diversos campos de la biología indican que así es. Estos resultados van en contra de la idea generalmente aceptada de que el mundo macroscópico es demasiado caótico para permitir efectos de decoherencia cuántica . Los seres vivos podrían aprovechar esta agitación desordenada de las partículas, al menos en lo que respecta a la fotosíntesis. Los receptores del olfato parecen depender del efecto túnel , para llevar electrones dentro de las mismas moléculas odorantes, lo que permite distinguir otras moléculas estructuralmente similares. Algunas estructuras de proteínas bacterianas se comportan como computadoras cuánticas primitivas, "calculando" el mejor canal de transporte de electrones de todos los caminos posibles.
Trabajos recientes sobre fotosíntesis han revelado que el entrelazamiento cuántico de fotones juega un papel fundamental en esta operación fundamental del reino vegetal, fenómeno que actualmente estamos tratando de imitar para optimizar la producción de energía solar .
La adhesión a las superficies de las setas gecko funciona gracias a las fuerzas de van der Waals , interacciones de naturaleza cuántica que involucran partículas virtuales sin ninguna interacción molecular clásica. Este fenómeno también se está estudiando para aplicaciones militares y civiles.
Los físicos estadounidenses han logrado observar la huella de los primeros momentos del Big Bang, logrando uno de los "objetivos más importantes de la cosmología actual" en palabras de John Kovac, profesor de Harvard y jefe del equipo en el origen de este descubrimiento. en Marzo del 2014. La ocurrencia del Big Bang que marcó el nacimiento del Universo hace 13.8 mil millones de años estuvo acompañada por la emisión de ondas gravitacionales primordiales "creadas por fluctuaciones en el vacío cuántico" y las teorías predicen que su presencia "polarizaría ciertos fotones de una manera particular". análogo a un "vórtice" " . La observación de la huella que estas ondas dejaron en la radiación fósil se realizó a través del telescopio Bicep2. Para Alan Guth (MIT), "Esta es una prueba cosmológica completamente nueva e independiente de la visión inflacionaria" , y este trabajo "definitivamente" merece un premio Nobel " . Pero este anuncio fue desmentido por las mediciones realizadas por el satélite Planck, pudiendo este último diferenciar los efectos del polvo en la Galaxia.
El experimento original de Thomas Young había identificado el comportamiento ondulatorio de la luz mostrando que dos haces de luz podrían entrar en interferencia. El experimento de la rendija de Young , realizado con una sola partícula (asegurándose de que la fuente de emisión emite solo un cuanto a la vez ), mostrará que un solo electrón "interfiere consigo mismo" y produce franjas de interferencia a la salida de las dos rendijas, como si fueran dos flujos de partículas interfiriendo entre sí.
En la mecánica clásica, la trayectoria de una partícula cargada no puede verse afectada por la presencia de un campo magnético si está fuera de este campo. El efecto Aharonov-Bohm es un fenómeno cuántico descrito en 1949 por Ehrenberg y Siday y redescubierto en 1959 por David Bohm y Yakir Aharonov . Describe la siguiente paradoja :
“Un campo magnético (el círculo azul B , opuesto) puede afectar a una región del espacio a distancia, sin que el potencial vectorial haya desaparecido por otro lado. "
Por tanto, el efecto Aharonov-Bohm demuestra que son los potenciales electromagnéticos, y no los campos eléctricos y magnéticos, los que son la base de la mecánica cuántica. En física cuántica, una entidad matemática útil, el potencial del vector magnético, puede tener efectos reales.
El experimento de Stern y Gerlach fue uno de los primeros en demostrar la naturaleza puramente cuántica del mundo microscópico y más particularmente del espín . Construido en 1921-1922 para probar la hipótesis de la cuantificación espacial, no pudo obtener una descripción teórica satisfactoria hasta cinco años después gracias al desarrollo de la mecánica cuántica.
El experimento Aspect es, históricamente, el primer experimento que ha refutado satisfactoriamente las desigualdades de Bell en física cuántica, validando así el fenómeno del entrelazamiento cuántico y proporcionando una respuesta experimental a la paradoja EPR .
Concretamente, consiste en producir dos fotones en un estado entrelazado y luego separarlos para finalmente realizar la medición de su polarización. La medición del primer fotón tiene un 50% de probabilidad de ceder y la misma cantidad de ceder, mientras que el segundo fotón se proyecta inmediatamente en este mismo estado. La paradoja proviene del hecho de que los dos fotones parecen intercambiar esta información a una velocidad mayor que la de la luz. Sin embargo, este punto no es relevante porque no se puede transmitir información por este medio.
Sin embargo, el entrelazamiento cuántico permite intercambiar una clave de cifrado de forma segura, que es aprovechada por la criptografía cuántica .
El experimento del borrador cuántico de elección retrasada es una extensión del experimento de rendijas de Alain Aspect y Young , pero introduce lo que parece ser una retroalimentación implícita en el tiempo : un efecto del presente en el pasado.
Las paradojas vinculadas a la medición llevan a la pregunta: ¿describe la física cuántica la realidad?
Árbol de solución del problema de medición | |||||||||||||||||
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Teoría cuántica | |||||||||||||||||
No está destinado a representar la realidad | No representa completamente la realidad | Representa totalmente la realidad | |||||||||||||||
Positivismo | Leyes cuánticas modificadas | Influencia de la conciencia | Adición de una variable adicional: la posición | Decoherencia cuántica | Múltiples universos | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger Penrose | Eugene Wigner | Teoría de De Broglie-Bohm |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
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Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz London y Edmond Bauer |
Campana de john |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
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Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
Teorías "con variables ocultas "
Según las teorías clásicas de la física, se cree que un cuerpo negro en equilibrio termodinámico irradia un flujo infinito. Más precisamente, la energía irradiada por banda de longitud de onda debe tender hacia el infinito cuando la longitud de onda tiende a cero, en el ultravioleta para los físicos de la época, ya que en ese momento no se conocían ni los rayos X ni los rayos gamma . Es el desastre ultravioleta .
Se remonta al trabajo realizado en 1900 por Max Planck sobre la radiación del cuerpo negro en equilibrio térmico. Una cavidad calentada emite radiación electromagnética (luz) inmediatamente absorbida por las paredes. Para tener en cuenta el espectro de luz por el cálculo teórico de intercambio de energía emisión y absorción ( ), Planck tenía que suponer que estos intercambios son discontinuos y proporcional a la frecuencia ( ) de la radiación de luz: .
En 1905 , siguiendo un razonamiento termodinámico en el que le dio a las probabilidades un significado físico (el de frecuencias de estados para un sistema), Einstein fue llevado a considerar que no son sólo los intercambios de energía los que son discontinuos, sino la energía del radiación de luz propiamente dicha.
Se demostró que esta energía es proporcional a la frecuencia de la onda luminosa: .
Esto dio de inmediato la explicación del efecto fotoeléctrico observado 20 años antes por Hertz.
La energía aportada por el cuanto de luz al electrón unido en un átomo permite que se libere si esta energía es mayor o igual que la energía de enlace del electrón, también llamado trabajo de salida , en virtud de la relación:
donde es la energía cinética adquirida por este último. Este efecto de umbral era inexplicable en la concepción continua de la energía luminosa en la teoría electromagnética clásica.
Entonces, Einstein se dio cuenta de que esta propiedad de la radiación estaba en oposición irreductible a la teoría electromagnética clásica (desarrollada por Maxwell).
Ya en 1906 anunció que esta teoría debería modificarse en el campo atómico.
No estaba claro cómo debería obtenerse esta modificación, ya que la física teórica se basaba en el uso de ecuaciones diferenciales, llamadas ecuaciones de Maxwell , correspondientes a cantidades que varían continuamente.
A pesar del poder de la teoría cuántica , pocos físicos se inclinaron a imaginar que la teoría electromagnética clásica podría invalidarse. Luego, Einstein se esforzó por resaltar otros aspectos de los fenómenos atómicos y la radiación que rompían con la descripción clásica. Así extendió la hipótesis cuántica, más allá de las propiedades de la radiación, a la energía de los átomos, a través de su trabajo sobre calores específicos a bajas temperaturas. Encontró la cancelación de los calores específicos de los cuerpos en el cero absoluto, un fenómeno observado pero inexplicable por la teoría clásica.
Otros físicos (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) se unieron gradualmente a él para concluir que la hipótesis cuántica era inevitable que el propio Planck dudó en admitir.
Sin embargo, todavía se aceptaba en general solo para los intercambios de energía.
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