Mecánica Cuántica

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Mecánica Cuántica

La mecánica cuántica trata de describir y explicar las propiedades de las moléculas y los átomos y sus componentes: electrones, protones, neutrones y otras partículas más esotéricas como los quarks y los gluones. Estas propiedades incluyen las interacciones de las partículas entre sí y con la radiación electromagnética (es decir, la luz, los rayos X y los rayos gamma).

El comportamiento de la materia y la radiación a escala atómica parece a menudo peculiar, por lo que las consecuencias de la teoría cuántica son difíciles de entender y de creer. Sus conceptos suelen entrar en conflicto con las nociones de sentido común derivadas de las observaciones del mundo cotidiano. Sin embargo, no hay ninguna razón para que el comportamiento del mundo atómico se ajuste al del mundo familiar a gran escala. Es importante tener en cuenta que la mecánica cuántica es una rama de la física y que el objetivo de la física es describir y explicar cómo es realmente el mundo, tanto a gran como a pequeña escala, y no cómo uno se lo imagina o le gustaría que fuera.

El estudio de la mecánica cuántica es gratificante por varias razones.Entre las Líneas En primer lugar, ilustra la metodología esencial de la física.Entre las Líneas En segundo lugar, ha tenido un enorme éxito al dar resultados correctos en prácticamente todas las situaciones a las que se ha aplicado. Sin embargo, existe una intrigante paradoja. A pesar del abrumador éxito práctico de la mecánica cuántica, los fundamentos del tema contienen problemas no resueltos, en particular, los relativos a la naturaleza de la medición. Una característica esencial de la mecánica cuántica es que, en general, es imposible, incluso en principio, medir un sistema sin perturbarlo; la naturaleza detallada de esta perturbación y el punto exacto en el que se produce son oscuros y controvertidos. Así pues, la mecánica cuántica atrajo a algunos de los científicos más brillantes del siglo XX, y levantaron el que quizá sea el mejor edificio intelectual de la época.

Aplicaciones de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica ha tenido un enorme éxito a la hora de explicar fenómenos microscópicos en todas las ramas de la física. Los tres fenómenos descritos en esta sección son ejemplos que demuestran la quintaesencia de la teoría.

Descomposición del kaón

El kaón (también llamado mesón K0), descubierto en 1947, se produce en colisiones de alta energía entre núcleos y otras partículas. Tiene carga eléctrica cero y su masa es aproximadamente la mitad de la del protón. Es inestable y, una vez formado, decae rápidamente en 2 o 3 mesones pi. La vida media del kaón es de unos 10-10 segundos.

A pesar de que el kaón no tiene carga, la teoría cuántica predice la existencia de una antipartícula con la misma masa, productos de desintegración y vida media; la antipartícula se denomina K0. A principios de la década de 1950, varios físicos cuestionaron la justificación de postular la existencia de dos partículas con propiedades tan similares. Sin embargo, en 1955, Murray Gell-Mann y Abraham Pais hicieron una interesante predicción sobre la desintegración del kaón.

Reloj de cesio

El reloj de cesio es el tipo de reloj más preciso que se ha desarrollado hasta ahora. Este dispositivo utiliza las transiciones entre los estados de espín del núcleo de cesio y produce una frecuencia tan regular que ha sido adoptada para establecer el estándar de tiempo.

Al igual que los electrones, muchos núcleos atómicos tienen espín. El espín de estos núcleos produce un conjunto de pequeños efectos en los espectros, conocidos como estructura hiperfina. (Los efectos son pequeños porque, aunque el momento angular de un núcleo con espín es de la misma magnitud que el de un electrón, su momento magnético, que gobierna las energías de los niveles atómicos, es relativamente pequeño). El núcleo del átomo de cesio tiene un número cuántico de espín 7/2. El momento angular total de los estados de energía más bajos del átomo de cesio se obtiene combinando el momento angular de espín del núcleo con el del único electrón de valencia del átomo. (Sólo el electrón de valencia contribuye al momento angular porque los momentos angulares de todos los demás electrones suman cero. Otra simplificación es que los estados básicos tienen momentos orbitales nulos, por lo que sólo hay que considerar los momentos angulares de espín). Cuando se tiene en cuenta el espín nuclear, el momento angular total del átomo se caracteriza por un número cuántico, denotado convencionalmente por F, que para el cesio es 4 o 3.

Un estándar de voltaje cuántico

La teoría cuántica se ha utilizado para establecer un estándar de tensión, y este estándar ha demostrado ser extraordinariamente preciso y consistente de un laboratorio a otro.

Si dos capas de material superconductor están separadas por una fina barrera aislante, una supercorriente (es decir, una corriente de electrones emparejados) puede pasar de un superconductor al otro. Este es otro ejemplo del proceso de tunelización descrito anteriormente. El físico británico Brian D. Josephson predijo en 1962 varios efectos basados en este fenómeno. Demostrados experimentalmente poco después, se denominan ahora efectos Josephson.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Antes de que se utilizara el método Josephson, el patrón de tensión en los laboratorios metrológicos dedicados al mantenimiento de unidades físicas se basaba en células de cadmio Weston de alta estabilidad. Sin embargo, estas células tienden a desviarse, lo que provocaba incoherencias entre los patrones de distintos laboratorios. El método Josephson ha proporcionado un estándar que ofrece una concordancia de unas pocas partes en 108 para las mediciones realizadas en diferentes momentos y en diferentes laboratorios.

Los experimentos descritos en los dos apartados anteriores son sólo dos ejemplos de mediciones de alta precisión en física. Los valores de las constantes fundamentales, como c, h, e y me, se determinan a partir de una gran variedad de experimentos basados en fenómenos cuánticos. Los resultados son tan consistentes que se cree que los valores de las constantes se conocen en la mayoría de los casos con una precisión superior a una parte entre 108. Puede que los físicos no sepan lo que hacen cuando realizan una medición, pero lo hacen muy bien.

Datos verificados por: Brite

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Mecánica cuántica: Quantum mechanics.

Véase También

Notación Bra-ket
Experimentos mentales de Einstein
Mcánica clásica
Fenómenos cuánticos macroscópicos
Formulación del espacio de fases
Regularización (física)
Sistema cuántico de dos estados

Bibliografía

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