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La teoría cuántica es una de las dos piedras angulares de la física moderna. La teoría cuántica nos proporciona una nueva forma de expresar y pensar sobre la naturaleza. La teoría cuántica revela las leyes básicas del mundo material microscópico y sienta las bases teóricas de la física atómica, la física del estado sólido, la física nuclear y la física de partículas. Bien puede explicar la estructura atómica, la regularidad de los espectros atómicos, las propiedades de los elementos químicos, la absorción y radiación de la luz, etc.
Del 65438 al 0928, Dirac aplicó la teoría de la relatividad a la mecánica cuántica. Tras el desarrollo de Heisenberg y Pauli, se formó la electrodinámica cuántica. La electrodinámica cuántica estudia la interacción entre campos electromagnéticos y partículas cargadas.
En 1947 se descubrió experimentalmente el desplazamiento Lamb.
En 1948-1949, Richard Philip Feynman, J.S. Schwinger e Ichiro Asanaga desarrollaron la electrodinámica cuántica utilizando el concepto de renormalización, ganando así el Premio Nobel de Física en 1965.
2. Científicos que contribuyeron a la creación y desarrollo de la teoría cuántica.
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William Vane
Lord Rayleigh (Lord Rayleigh)
Max Carl En Ludwig Planck
Paul Adrián Maurice Dirac.
Niels Bohr (Niels Bohr)
Príncipe Luis Víctor de Broglie
Schrödinger (¿Erwin Schrödinger? Dinger)
Werner Carl Heisenberg
Max Born
Richard Feynman.
H. Hertz (Heinrich Rudolf Hertz)
Robert Andrew Millikan
[Nombre] Albert Ein Stein (físico teórico judío)
Bohr
3. El desarrollo de la teoría cuántica.
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La creación de la teoría cuántica es una epopeya magnífica;
Los primeros días de la teoría cuántica:
1900 En 1998, Planck introdujo el concepto de cuantos de energía para superar la dificultad de explicar la ley de radiación del cuerpo negro con la teoría clásica, sentando las bases para la teoría cuántica.
Posteriormente, Einstein propuso la hipótesis del cuanto de luz como respuesta a la contradicción entre el experimento del efecto fotoeléctrico y la teoría clásica, y aplicó con éxito el concepto de cuanto de energía al calor específico de los sólidos, abriendo nuevas posibilidades para El desarrollo de la teoría cuántica.
En 1913, Bohr utilizó el concepto de cuantificación para proponer la teoría atómica de Bohr basada en el modelo nuclear de Rutherford, y dio una explicación satisfactoria del espectro del hidrógeno, haciendo que la teoría cuántica alcanzara un gran éxito inicial. Más tarde, Bohr, Sommerfeld y otros físicos hicieron grandes esfuerzos para desarrollar la teoría cuántica, pero encontraron serias dificultades. La vieja teoría cuántica estaba en problemas.
El establecimiento de la teoría cuántica;
En 1923, de Broglie propuso la hipótesis de la onda materia, aplicando la dualidad onda-partícula a haces de partículas como los electrones, y desarrolló la teoría cuántica en una nueva alturas.
1925-1926 Schrödinger tomó la iniciativa en establecer con éxito la ecuación de onda de los electrones basada en el concepto de ondas materiales, encontró la fórmula básica de la teoría cuántica y fundó así la mecánica ondulatoria.
Casi al mismo tiempo que Schrödinger, Heisenberg escribió un artículo titulado "Reinterpretación de la teoría cuántica sobre la relación entre cinemática y mecánica" y creó el método matricial para resolver la teoría de ondas cuánticas.
En septiembre de 1925, Born colaboró con otro físico, Jordan, para desarrollar las ideas de Heisenberg en una teoría sistemática de la mecánica matricial. Pronto, Dirac mejoró la forma matemática de la mecánica matricial y la convirtió en un sistema teórico conceptualmente completo y lógicamente consistente.
En 1926, Schrödinger descubrió que la mecánica ondulatoria y la mecánica matricial eran completamente equivalentes matemáticamente, por lo que en conjunto se las llamó mecánica cuántica. La ecuación ondulatoria de Schrödinger pasó a ser mecánica cuántica porque era más fácil de entender que la ecuación matricial de Heisenberg. de.
4. Controversias en el desarrollo de la mecánica cuántica.
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Aunque la mecánica cuántica ya está establecida, su explicación física es siempre abstracta y las opiniones de todos son inconsistentes. ¿Qué es la llamada onda en la ecuación de onda?
Born creía que la onda en la mecánica cuántica es en realidad un tipo de probabilidad, y la función de onda representa la probabilidad de que un electrón aparezca en un momento y lugar determinados. En 1927, Heisenberg propuso la relación de incertidumbre en el campo microscópico. Creía que la posición y el impulso de cualquier partícula no se podían medir con precisión al mismo tiempo. Si uno debe medirse con precisión, el otro no. Este es el llamado principio de incertidumbre. Junto con la explicación de Born sobre la probabilidad de la función de onda, sentó las bases físicas para la interpretación de la mecánica cuántica. Bohr era muy consciente de que el principio de incertidumbre representaba las limitaciones del concepto clásico, por lo que propuso el "principio de complementariedad" sobre esta base. El principio de complementariedad de Bohr se considera la interpretación ortodoxa de Copenhague, pero Einstein no estaba de acuerdo con el principio de incertidumbre y creía que todo en la naturaleza debería tener una determinada relación causal, y la mecánica cuántica es estadística, por lo que es incompleta. El principio de complementariedad es una medida provisional. Así, Einstein y Bohr discutieron durante treinta o cuarenta años, y no se llegó a ninguna conclusión hasta su muerte.
Ruleta en el mundo microscópico descubierta en el siglo - teoría cuántica
Si la propagación de la luz en el espacio es la clave de la teoría de la relatividad, entonces la emisión y absorción de la luz aportan sobre cuántica Sobre la revolución. Sabemos que los objetos emiten radiación cuando se calientan y los científicos quieren saber por qué. Para facilitar la investigación, supusieron un radiador perfecto, llamado "cuerpo negro", que no emite luz por sí solo y puede absorber toda la luz que incide sobre él. Durante el proceso de investigación, los científicos descubrieron que la energía en la parte ultravioleta del espectro del cuerpo negro calculada según la teoría de ondas electromagnéticas de Maxwell es infinita, lo que obviamente es incorrecto. Se trata de una "catástrofe ultravioleta" que proporciona la base. En 1900, el físico alemán Max Planck propuso un nuevo modelo de vibración de los átomos en la materia. Tomó prestado el concepto de discontinuidad de la teoría de la estructura molecular de la materia y propuso la teoría cuántica de la radiación. Respecto a la discontinuidad en la teoría cuántica, podemos entenderla de esta manera: si la temperatura aumenta o disminuye, pensamos que es continua, y debe pasar 0,1,1 grados antes de que pueda subir de un grado a dos grados. Pero la teoría cuántica dice que no puede haber 2 grados entre dos valores, como 1 grado y 3 grados. Al igual que cuando gastamos dinero para comprar algo, un centavo es la cantidad mínima. No puedes sacar 0,1 céntimos, aunque sí puedes calcular el dinero en centímetros. El centavo es la cantidad mínima de monedas. Esta cantidad mínima es un cuanto. Creía que las ondas electromagnéticas de diversas frecuencias, incluida la luz, sólo pueden emitirse desde el oscilador con la energía de su propia composición determinada. Este tipo de partícula de energía se llama cuanto y el cuanto de luz se llama fotón, o fotón para abreviar. Los espectros de cuerpo negro calculados por este modelo son consistentes con las observaciones reales. Esto abre una nueva página en la física. La teoría cuántica no sólo explica de forma natural la distribución de la energía radiante según la longitud de onda, sino que también plantea de una manera completamente nueva todo el problema de la interacción entre la luz y la materia. La teoría cuántica proporciona un nuevo concepto no sólo a la óptica, sino también a toda la física, por lo que su nacimiento se considera a menudo como el punto de partida de la física moderna.
Teoría Cuántica: Pionera del Mundo Nuclear
La hipótesis cuántica contradice directamente la creencia de que la naturaleza no ha saltado durante cientos de años, por lo que muchos físicos no lo entenderán después de la aparición de la teoría cuántica aceptar. El propio Planck estaba muy conmocionado y lamentó su audaz decisión. Incluso abandonó la teoría cuántica y continuó utilizando cambios continuos de energía para resolver el problema de la radiación. Sin embargo, la historia ha llevado a la teoría cuántica a la vanguardia de una nueva era de la física, y el desarrollo de la teoría cuántica es inminente.
Einstein fue el primero en darse cuenta del significado universal de los conceptos cuánticos y aplicarlos a otros problemas. Estableció la teoría cuántica de la luz para explicar nuevos fenómenos del efecto fotoeléctrico. La propuesta de la teoría cuántica de la luz llevó el debate histórico sobre la naturaleza de la luz a una nueva etapa. Desde Newton, la teoría de partículas y la teoría ondulatoria de la luz han ido surgiendo una tras otra. La teoría de Einstein reiteró la importancia de la teoría de partículas y la teoría de ondas para describir el comportamiento de la luz. Ambos reflejan un aspecto de la naturaleza de la luz: la luz a veces se comporta como fluctuaciones y otras como partículas, pero no es ni una partícula clásica ni una onda clásica. Ésta es la dualidad onda-partícula de la luz.
Propuso que las partículas eran simplemente burbujas en la radiación ondulatoria. En 1925, derivó una ecuación de onda de la relatividad, pero no era del todo consistente con los resultados experimentales. En 1926, cambió para abordar el problema de los electrones no relativistas, y la ecuación de onda que obtuvo fue confirmada en experimentos.
En 1925, el joven físico alemán Heisenberg escribió un artículo titulado "Reinterpretación de la teoría cuántica sobre la relación entre cinemática y mecánica", estableciendo una matriz para resolver el método de la teoría cuántica de ondas. Conceptos clásicos pero inmensurables, como las órbitas de los electrones y los períodos de funcionamiento de la teoría de Bohr, fueron reemplazados por la frecuencia y la intensidad de la radiación. Con los esfuerzos conjuntos de Heisenberg y el joven científico británico Dirac, la mecánica matricial se convirtió gradualmente en un sistema teórico conceptualmente completo y lógicamente consistente.
Los defensores de la mecánica ondulatoria y la mecánica matricial alguna vez discutieron interminablemente, acusándose mutuamente de fallas en las teorías de los demás. No fue hasta 1926, cuando Schrödinger descubrió que las dos teorías eran matemáticamente equivalentes, que se eliminó la hostilidad entre ambas partes. A partir de entonces, las dos teorías se denominaron colectivamente mecánica cuántica, y la ecuación de onda de Schrödinger se convirtió en la ecuación básica de la mecánica cuántica porque era más fácil de entender.
Teoría cuántica llena de incertidumbre
El principio de incertidumbre de Heisenberg es uno de los principios más importantes de la teoría cuántica. Señale que es imposible medir con precisión el impulso y la posición de una partícula al mismo tiempo porque el instrumento interfiere con el proceso de medición y al medir su impulso cambia su posición y viceversa. La teoría cuántica ha ido más allá del callejón sin salida de la mecánica newtoniana. Cuando se trata de explicar el comportamiento macroscópico de las cosas, sólo la teoría cuántica puede manejar los detalles de los fenómenos atómicos y moleculares. Pero la nueva teoría creó más paradojas que la dualidad de la luz onda-partícula. La mecánica newtoniana responde preguntas con certeza y decisión, mientras que la teoría cuántica responde preguntas con probabilidad y estadística. La física tradicional nos dice la ubicación exacta de Marte, pero la teoría cuántica nos permite apostar sobre dónde están los electrones en los átomos. La incertidumbre de Heisenberg limita absolutamente la comprensión humana del mundo microscópico, diciéndonos que no se puede medir sin afectar en absoluto los resultados. Schrödinger, uno de los fundadores de la mecánica cuántica, reconoció el problema de la incertidumbre en la mecánica cuántica en 1935 y propuso un famoso experimento mental con gatos: "Se encierra a un gato en una caja de acero con el siguiente dispositivo cruel extremo (es necesario asegurarse de que el dispositivo no está directamente interferido por el gato): Hay un pequeño trozo de material radiactivo en el contador Geiger, que puede no desintegrarse con la misma probabilidad en 65438. El tubo del contador se descarga y se suelta un martillo a través del relé, aplastando un pequeño botella de cianuro Si se deja todo el sistema libre durante 1 hora, se diría que si ningún átomo se descompone durante este tiempo, el gato está vivo por primera vez. La desintegración atómica definitivamente envenenará al gato. >El sentido común nos dice que el gato está vivo o muerto. Pero según las reglas de la mecánica cuántica, todo el sistema de la caja es una superposición de dos estados, uno es un gato vivo y el otro es un gato muerto. ¿Pero alguien ha visto un gato vivo o muerto en la vida real? Se supone que los gatos saben si están vivos o muertos, pero la teoría cuántica nos dice que el desafortunado animal está en el limbo hasta que alguien se asoma a la caja para ver qué está pasando. En este punto, cobra vida o muere inmediatamente. El misterio se agudiza aún más cuando los gatos son reemplazados por humanos, porque entonces el amigo encerrado en la caja es consciente de su salud en todo momento. Si el experimentador abre la caja y descubre que todavía está vivo, puede preguntarle a su amigo cómo se sintió antes de esta observación. Evidentemente, respondería el amigo, está absolutamente vivo en todo momento. Pero esto es contrario a la mecánica cuántica, porque la teoría cuántica sostiene que antes de que se observe el contenido de la caja, el amigo todavía se encuentra en un estado de superposición de vida y muerte.
Bohr era muy consciente de que representaba las limitaciones del concepto clásico, por lo que propuso el "principio de complementariedad" sobre esta base, creyendo que siempre hay dos propiedades clásicas mutuamente excluyentes en el ámbito cuántico. su complementariedad que constituye la propiedad fundamental de la mecánica cuántica. El principio de complementariedad de Bohr se conoce como la interpretación ortodoxa de Copenhague, pero Einstein siempre estuvo en desacuerdo.
En 1935, Einstein y dos colegas, Podolsky y Rosen, escribieron un artículo refutando la integridad de la teoría cuántica, que circuló ampliamente entre físicos y pensadores científicos. Este tipo de papel se llama papel EPR, que tiene las iniciales de tres apellidos. Suponen que dos electrones: el electrón 1 y el electrón 2 chocan. Como tienen la misma carga, el choque es elástico y sigue la ley de conservación de la energía. Después de la colisión, el momento y la dirección del movimiento de los dos electrones están relacionados. Por lo tanto, si mides la posición del electrón 1, puedes inferir la posición del electrón 2. Supongamos que se mide con precisión la posición del electrón 1 después de la colisión y luego se mide su impulso. Debido a que sólo se mide una cantidad a la vez, los resultados de la medición deben ser precisos. Debido a la correlación entre los electrones 1 y 2, aunque no medimos el electrón 2, es decir, no interferimos con él, aún podemos inferir con precisión la posición y el momento del electrón 2. En otras palabras, conocemos la posición y el momento del electrón mediante una medición, lo cual es imposible y no está previsto por la teoría cuántica. Einstein y sus colegas demostraron que la teoría cuántica estaba incompleta.
Después de un período de reflexión, Bohr replicó que el experimento EPR no solo no pudo probar la teoría cuántica, sino que también demostró el principio de complementariedad de la teoría cuántica. Señaló que los instrumentos de medida electrónicos 1 y electrónicos 2*** constituyen un sistema y son un todo indivisible. En el proceso de medir la posición del electrón 1, el momento del electrón 2 se ve afectado. Por lo tanto, la medición del electrón 1 no puede explicar la posición y el momento del electrón 2, y una medición no puede reemplazar dos mediciones. Estos dos resultados son complementarios e incompatibles. No podemos decir que una parte del sistema se ve afectada por otra, ni podemos intentar relacionar los resultados de dos experimentos diferentes. El experimento EPR supone la existencia de objetividad y causalidad y concluye que la teoría cuántica está incompleta. De hecho, este tipo de objetividad y causalidad es sólo una conjetura.
La teoría cuántica en el mundo real
Aunque la importancia de la teoría cuántica no está clara, sus logros en la práctica son sorprendentes. Especialmente en el estudio científico de la materia condensada: sólidos y líquidos. Utilizar la teoría cuántica para explicar cómo se combinan los átomos para formar moléculas es esencial para comprender estos estados de la materia. Los enlaces no sólo son la razón principal para la formación de compuestos generales como el grafito y el nitrógeno, sino también la razón principal para la formación de estructuras cristalinas simétricas en muchos metales y piedras preciosas. El estudio de estos cristales utilizando la teoría cuántica puede explicar muchos fenómenos, como por qué la plata es un buen conductor de electricidad y calor pero no transmite luz, y por qué el diamante no es un buen conductor de electricidad y calor pero transmite luz. Más importante aún, en la práctica, la teoría cuántica explica bien el principio de que los semiconductores se encuentran entre conductores y aislantes, sentando las bases para la aparición de los transistores. En 1948, los científicos estadounidenses John Bardeen, William Shockley y Walter Bratton inventaron el transistor basándose en la teoría cuántica. Puede funcionar eficazmente con corriente y potencia muy pequeñas, y puede hacerse muy pequeño, reemplazando rápidamente los voluminosos y costosos tubos de vacío y marcando el comienzo de una nueva era de la información. Estos tres científicos ganaron el Premio Nobel de Física del 65438 al 0956. Además, la teoría cuántica se aplicó a la invención del láser y a la explicación de la superconductividad.
Además, las perspectivas de aplicación de la teoría cuántica en el campo industrial también son muy brillantes. Los científicos creen que la teoría de la mecánica cuántica tendrá un gran impacto en la industria electrónica y es un nuevo campo de la física inexplorado con amplias perspectivas. La miniaturización de los semiconductores se acerca actualmente a su límite. Si es más pequeño, la teoría de la tecnología microelectrónica es impotente y debe basarse en la teoría de la estructura cuántica. Los científicos predicen que para 2010, la gente podrá hacer líneas grabadas en semiconductores tan pequeñas como una décima de micra (una micra equivale a una milésima de milímetro). La señal eléctrica pasa a través de un circuito tan estrecho con solo unos pocos electrones. Sumar o restar un electrón hace una gran diferencia.
Max Lagall, científico de materiales de la Universidad de Wisconsin, EE.UU., basándose en la teoría de la mecánica cuántica, creó unas diminutas estructuras llamadas "puntos cuánticos" que pueden albergar electrones individuales. Estos puntos cuánticos son tan pequeños que miles de millones pueden caber en la punta de una aguja. Los investigadores utilizan puntos cuánticos para crear transistores que pueden controlarse mediante el movimiento de electrones individuales.
También hicieron posible esta disposición organizando inteligentemente puntos cuánticos, el corazón de una computadora pequeña pero poderosa. Además, Texas Instruments, IBM, Hewlett-Packard y Motorola están interesados en esta diminuta estructura formada por moléculas, apoyando la investigación en este ámbito, y creen que los avances en este ámbito "sin duda traerán enormes beneficios".
El principal objetivo de los científicos que estudian las estructuras cuánticas es controlar el movimiento de grupos muy pequeños de electrones, es decir, mediante "restricciones cuánticas" para que no entren en conflicto con los efectos cuánticos. Los puntos cuánticos pueden lograr este objetivo. Los puntos cuánticos están formados por grupos de material de menos de 20 nanómetros de diámetro, aproximadamente la longitud de una cadena de 60 átomos de silicio. Utilizando este enfoque de confinamiento cuántico, podría ser posible crear láseres pequeños y eficientes utilizados en muchos reproductores de discos ópticos. Este láser de pozo cuántico está hecho de dos capas de otros materiales y un material semiconductor ultrafino. El electrón del medio está atrapado en un plano cuántico y el electrón sólo puede moverse en dos dimensiones. Esto facilita la inyección de energía en los electrones, con el resultado de que los electrones pueden producir más luz láser utilizando menos energía.
Los investigadores de AT&T Bell Labs están profundizando en la ciencia cuántica. Están intentando bajar el plano cuántico a una dimensión y crear láseres cuánticos basados en cables, lo que podría reducir significativamente el número de repetidores necesarios en las líneas de comunicación.
El laboratorio de química de James Tours en la Universidad de Carolina del Sur ha creado estructuras cuánticas a partir de moléculas orgánicas individuales. Con su método se podrían comprimir miles de millones de dispositivos moleculares en un área de un milímetro cuadrado. Un milímetro cuadrado puede contener 65.438.000 veces más transistores que los ordenadores personales actuales. Konstantin Likharev, físico de la Universidad Estatal de Nueva York, construyó un modelo de chip de memoria con puntos de almacenamiento cuántico. En teoría, su diseño podría almacenar 1 billón de bits de datos en un chip aproximadamente del mismo tamaño que los que se utilizan hoy en día, con 15.000 veces la capacidad de las reservas de chips actuales. Muchos grupos de investigación han fabricado los transistores de un solo electrón necesarios para los dispositivos modelo de Likharev, y algunos han fabricado transistores de un solo electrón que funcionan a temperatura ambiente. Los científicos creen que todavía quedan muchos problemas por resolver en la aplicación de la teoría de la mecánica cuántica en la industria electrónica. Como resultado, la mayoría de los científicos están intentando investigar nuevos métodos en lugar de diseñar dispositivos cuánticos como las computadoras actuales.
¿Se pueden unificar la teoría cuántica y la relatividad?
La teoría cuántica proporciona la capacidad de resolver de forma precisa y consistente átomos, láseres, rayos X, superconductividad y muchas otras cosas, desacreditando casi por completo la antigua teoría de la física clásica. Pero todavía utilizamos la mecánica newtoniana en los movimientos terrestres diarios e incluso en los movimientos espaciales. Siempre hay un conflicto entre esta vieja visión familiar y esta nueva visión revolucionaria.
Las leyes del macrocosmos siguen siendo obstinadamente verificables, mientras que las leyes del microcosmos son estocásticas. Nuestras descripciones dinámicas de proyectiles y cometas tienen características visuales distintas que nuestras descripciones de átomos no tienen. El mundo de las mesas, los taburetes y las casas parece estar bajo nuestra observación todo el tiempo, pero los estados reales o físicos de los electrones y los átomos no alivian esta contradicción. Si algo logran estas explicaciones es que amplían la brecha entre los dos mundos.
Para la mayoría de los físicos, no importa si esta contradicción se resuelve o no. Sólo se preocupan por su trabajo e ignoran los argumentos y conflictos filosóficos. Después de todo, el trabajo de la física es predecir con precisión los fenómenos naturales y permitirnos controlarlos, la filosofía es irrelevante.
La relatividad general ha logrado un éxito brillante en el espacio a gran escala, y la teoría cuántica también ha logrado un éxito brillante en el mundo microscópico. Las partículas elementales siguen las leyes de la teoría cuántica, mientras que la cosmología sigue las leyes de la relatividad general. Es difícil imaginar que haya mucha diferencia entre ellos. Muchos científicos esperan combinar ambas para crear una nueva teoría que unifique todas las leyes físicas, desde las macro hasta las micro. Pero hasta ahora, todos los esfuerzos por buscar la unificación han fracasado porque las dos principales disciplinas de la física en el siglo XX eran completamente contradictorias.
¿Podemos encontrar una nueva teoría que sea mejor que las dos teorías existentes y que ambas queden obsoletas, como lo hicieron varias teorías antes de que se hicieran populares?