Mecanica Quantica

Introducción.

A todos nos han enseñado que la ciencia tiene la capacidad de responder todas las preguntas. Desde pequeños, en la escuela, hemos aprendido que si persigues lo suficiente una pregunta, eventualmente llegaría a una respuesta que se pueda explicar con fundamentos científicos.

¿Pero qué pasaría si la ciencia encontrase un tema que simplemente no se pueda responder?

¿Un tema de tal complejidad qué el experimento más simple lleva a un resultado absurdo?

El simple término “Física cuántica” nos hace sentir intrigados. Muchos consideran a la física cuántica como la rama más complicada de la física, y muchos están en lo correcto. La complicación de la física cuántica es que sin importar el cómo se desarrollen los experimentos, ni que tanto más se logren manipular para obtener resultados más precisos, los resultados siguen llegando a absurdos.

Los dos experimentos en los que me enfocaré son la dualidad partícula-onda y el entrelazamiento cuántico.

Tipo y Alcances de la Investigación:

Esta explicación es explicativa. Busca el entendimiento público del tema en discusión y ofrece una posible explicación a los misterios por ver.

Se extiende hasta lograr una comprensión completa e imparcial. Finalmente, proporciona una propuesta posible para un entendimiento más claro y preciso de los eventos.

Objetivos.

Explicar de manera fácil de entender para cualquier lector la estructura de la física cuántica:

1. Detallar el proceso de los experimentos.

a) Buscar los experimentos más importantes.

b) Simplificar el proceso.

i. Estructurar jerárquicamente el experimento.

ii. Explicar en lenguaje cotidiano.

iii. Evitar el uso de matemática avanzada.

c) Usar apoyo visual.

2. Explicar los resultados.

a) Demostrar los eventos simplificados.

b) Separar jerárquicamente los eventos.

3. Demostrar las implicaciones.

4. Explicar las aplicaciones.

Preguntas.

1. ¿Qué es la física cuántica?

2. ¿Cuáles son los principales experimentos que se usan en la física cuántica?

3. ¿Cuál es la controversia en la dualidad onda-partícula?

4. ¿Qué teorías hay que expliquen los acontecimientos de la dualidad-partícula?

5. ¿Cómo podríamos encontrar una explicación?

6. ¿Por qué nos es importante el encontrar una explicación?

7. ¿Qué implicaciones tienen estas teorías?

8. ¿Qué progresos se están llevando a cabo y cómo?

9. ¿Qué podríamos hacer para impulsar estos progresos?

10. ¿Cómo podría ayudarnos a mejorar el mundo?

11. ¿Qué peligros tienen las implicaciones de la dualidad onda-partícula?

12. ¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

13. ¿Qué teorías hay que expliquen los acontecimientos del entrelazamiento cuántico?

14. ¿Cómo podríamos encontrar una explicación?

15. ¿Por qué nos es importante el encontrar una explicación?

16. ¿Qué implicaciones tienen estas teorías?

17. ¿Qué progresos se están llevando a cabo y cómo?

18. ¿Qué podríamos hacer para impulsar estos progresos?

19. ¿Cómo podría ayudarnos a mejorar el mundo?

20. ¿Qué peligros tienen las implicaciones del entrelazamiento cuántico?

Justificación.

La principal razón por la cual yo creo que este trabajo y su realización son importantes es la concientización de que la física es algo indispensable y sencillo. Hoy en día se considera que la importancia de la física es muy baja, y esto ha ocasionado el bajo interés en el desarrollo de la física.

Escogí particularmente la física cuántica ya que explica la estructura de todo lo que existe, el material básico de construcción para todo. Sin conocer la estructura de los átomos, la gran mayoría de la física y la química no tendría fundamento. Además, predijo la existencia de la antimateria y explica cómo funciona la radiación.

Mucha gente desconoce que existen potencialmente infinitas aplicaciones a la física cuántica, y el lograr una concientización podría ser la clave para que algún día, alguien logre descifrar los misterios de porqué y como existimos.

Marco Teórico.

La física cuántica es el estudio del comportamiento de la materia y la energía a nivel microscópico molecular, atómico, nuclear, e incluso niveles inferiores. En el siglo 20, se descubrió que las leyes que rigen los objetos microscópicos no funcionan de la misma en estos pequeños reinos.

Las dos principales ramas, son la dualidad partícula-onda y el entrelazamiento cuántico.

La dualidad onda-partícula fue propuesta tempranamente en el debate sobre si la luz estaba compuesta de partículas o de ondas, pronto se encontró que una naturaleza dual onda-partícula era característica de los electrones también. La evidencia para la descripción de la luz como ondas estaba bien establecida al final del siglo, cuando el efecto fotoeléctrico presentó evidencia firme de una naturaleza corpuscular también. Por otro lado, las propiedades de las partículas de electrones fueron bien documentadas cuando la hipótesis DeBroglie y los experimentos posteriores por Davisson y Germer establecen la naturaleza de onda del electrón.

Es claramente demostrada en el experimento de la doble rendija.

Primeramente, tenemos que entender la diferencia entre el comportamiento entre una onda y una partícula. Podemos observar en el experimento que una propiedad de la onda es el interferir con ella misma. El efecto se observa cuando se irradia con ondas una planilla con dos rendijas. Puede ser una onda de luz monocromática, o un sonido, etc. Al atravesar las dos rendijas, cada rendija se vuelve un punto de origen nuevo. Las dos ondas interfieren entre ellas, y al golpear una segunda planilla, ciertos puntos reciben una radiación más alta. Si el experimento se hiciese con luz, ciertos puntos estarían más obscuros y ciertos puntos estarían más iluminados (Ver imagen 1). A este efecto se le conoce como “Patrón de interferencia” y es una propiedad de toda onda.

Imagen 1

A diferencia de una onda, la partícula tiene un comportamiento mucho más intuitivo. Si se proyectaran partículas en la misma planilla con dos rendijas, como es de esperarse, se forman 2 líneas en línea recta a la rendija y a la fuente. Si se usaran granos de arena se formarían dos montículos directamente debajo de las rendijas (Ver imagen 2). Esto es una propiedad de todas las partículas.

Imagen 2

El experimento de la doble rendija en la mecánica cuántica busca la naturaleza de partículas energéticas, por ejemplo los electrones. Usa el experimento de la doble rendija para probar si son partículas u ondas. Se acomoda el experimento de manera en la que se irradian las dos rendijas de igual manera. Se comienza el experimento tapando una de las dos rendijas. Como es de esperarse, los electrones atraviesan la rendija y forman una línea definida en la segunda rendija (Ver imagen 3).

Imagen 3

El primer gran misterio del mundo cuántico se presenta cuando se abre la segunda rendija. Aquí es cuando se encuentra la primera contradicción. Ya que en la segunda planilla se ve un patrón de interferencia (Ver imagen 4). Esto indicaría que el electrón actúa como una onda, sin embargo, al arribar a la segunda plantilla actúa como partícula, ya que se encuentra en un solo punto. Esto no tiene explicación usando mecánica clásica.

Imagen 4

La especulación que se genera normalmente consiste en que quizás los electrones interactuaban de alguna manera que les provocaba actuar de esta manera. Sin embargo, cuando este resultado se hace con herramientas más precisas, irradiando la planilla con solamente un electrón a la vez, el resultado es el mismo. Esto tiene repercusiones muy graves. Indica que cada electrón se libera como partícula, pasa tanto por la rendija superior como la inferior como una onda, interactúa con sí mismo y arriba a la segunda planilla como una partícula.

Ya que el electrón actúa como si estuviese atravesando ambas rendijas, se agrega un dispositivo de medición para aclarar a través de cual rendija pasa cada electrón. Al agregar este “espectador” ocurre el segundo gran misterio del mundo cuántico. Como era de esperar, el dispositivo detectó que 50% de los electrones pasaron por la rendija superior y 50% por la inferior. Sin embargo, el resultado en la segunda planilla es diferente, ahora, muestra dos claras líneas en lugar del patrón de interferencia (Ver imagen 5). Esto indica que electrón cambio de propiedades de onda a propiedades de partícula al agregar al “espectador”.

Imagen 5

Esto es altamente controversial y va directamente en contra de varias leyes de la mecánica clásica. Indica que las propiedades de los electrones pueden cambiar de onda a partícula a causa de un espectador. Esto es probablemente el mayor misterio en la física jamás conocido.

Como hemos mencionado anteriormente, estos fenómenos son inexplicables de acuerdo a la mecánica clásica, así que para esta hipótesis, implicare elementos exteriores a ella. Desde este punto en adelante, la información será hipotética y sin prueba matemática.

Comencemos por establecer lo que representa el electrón,

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