teoría cuántica –

Se considera que la teoría cuántica tiene un origen triple: el estudio, por M. Planck, en 1900, de la “radiación del cuerpo negro”, sobre la base de una hipótesis de cuantificación energia luminosa; El artículo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, publicado en 1905, en el que, retomando la hipótesis de Planck, Einstein inventa el “grano” de luz; el modelo de átomo de N. Bohr (1913), en el que el espectro lineal de átomos se explica asumiendo que la energía de los electrones dentro del átomo es cuantificado. Pero es el artículo de Einstein el que realmente fija los inicios de la teoría cuántica porque marca el surgimiento de un nuevo “objeto”, el quanton. Así, el “grano” de luz, llamado “fotón” en 1929, no se puede reducir a ninguno de los dos “objetos” de la física clásica (onda o partícula).

El “cuanto de acción”

La discontinuidad entre las teorías clásica y cuántica es parte de la naturaleza “aberrante” (desde el punto de vista de la física clásica) de la relación propuesta por Planck. En esta relación de definición de la teoría cuántica: E = hν, un concepto de naturaleza corpuscular (la energía E) está vinculado a un concepto de onda (la frecuencia ν) a través de una nueva constante fundamental (la Constante de Planck h). El valor numérico de h, que tiene las dimensiones de un acción (producto de una energía por un intervalo de tiempo), delimita el dominio cuántico. Las teorías clásicas parecen ser aproximaciones de la teoría cuántica, válidas en el caso en que las cantidades físicas del tipo “acción” son muy grandes en comparación con el “cuanto de acción” h; si no es así, es inevitable recurrir a la teoría cuántica, así como al efecto fotoeléctrico.

Relaciones de Heisenberg

ΔE.Δt≥h y Δpag.Δlos≥h reflejan las limitaciones fundamentales que implica el cuanto de acción. Estas relaciones también muestran que un fenómeno cuántico de duración Δt no se puede caracterizar por un solo valor de su energía E y un fenómeno de extensión espacial Δlos no puede ser por un solo valor de su impulso pag. Tales fenómenos, por el contrario, se caracterizan por espectros de valores ΔE y Δpag, lo que llevó a atribuir un carácter indeterminista a la teoría cuántica. De hecho, el formalismo cuántico (la representación matemática de la teoría) permite, a partir del estado de un sistema en un momento dado, predecir su estado en un momento posterior. En este sentido, la teoría cuántica es perfectamente determinista.

El dominio cuántico

Sin embargo, la irrupción de lo discontinuo en acciones (o interacciones) plantea problemas teóricos. Por ejemplo, cualquier acto de medición es una interacción. Si hay un cuanto de acción, cualquier medida debe implicar lógicamente, para dar un resultado, la implementación de al menos uno de esos cuantos. Por lo tanto, h se presenta como un “límite”, el límite inferior de cualquier acción concebible, al igual que vs, la velocidad de la luz, es el límite superior de cualquier velocidad. Sin embargo, el dominio cuántico no coincide realmente con la escala microscópica: la estabilidad de la materia es un fenómeno macroscópico inexplicable fuera de la teoría cuántica. La comprensión de un fenómeno tan “simple” como el color de los cuerpos no es concebible al margen de esta teoría. También se incluyen la fabricación y el uso de transistores, láseres, relojes de cuarzo, microscopios electrónicos, etc. Sin embargo, el mundo en la escala cuántica es muy diferente del mundo en nuestra escala. La cuestión, que permanece abierta, es la del vínculo entre la teoría cuántica y su aproximación clásica, vínculo entre el comportamiento (cuántico) de electrones y núcleos y el comportamiento (clásico) de los objetos habituales compuestos por estos mismos electrones y núcleos.

Objetos cuánticos y el mundo físico

Bosones y fermiones

Se muestra que los objetos cuánticos se pueden clasificar en dos categorías amplias, que se diferencian entre sí por la forma en que se comportan estos objetos cuando están en números muy grandes (luego hablamos de comportamiento estadístico). Por un lado, tenemos la bosones, que tienden a agruparse y que, incluso, tienen más tendencia a reagruparse en un determinado estado cuanto más numerosos ya existen. El fotón pertenece a la clase de bosones. Por otro lado, están los fermiones, que, por el contrario, no se puede encontrar en más de uno en el mismo estado. Los fermiones incluyen electrones, protones, neutrones, etc. En este nivel de descripción, el átomo aparece como un conjunto de fermiones unidos por el intercambio de bosones.

Dos consecuencias

Esta diferencia es fundamental, como muestran los siguientes ejemplos.

El tamaño de los átomos

Todos tendrían el mismo tamaño si los electrones no fueran fermiones. Como se debe reservar un cierto espacio para cada electrón, los átomos aumentan de tamaño, al mismo tiempo que en masa, a diferencia de lo que sucedería si los electrones no fueran fermiones: los electrones se apilarían unos sobre otros (todos estar en el mismo estado cuántico) y todos los átomos tendrían el mismo tamaño. ¡Esto explica el hecho de que no atravesamos la materia! Si fuera posible reducir la distancia entre los electrones, la presión ejercida sobre ellos por nuestro peso sería suficiente para comprimirlos… Es sorprendente notar que no fue hasta la invención de la teoría cuántica para comprender un fenómeno tan trivial.

El laser

Un láser es una fuente de luz en la que hemos aprovechado el hecho de que los fotones son bosones. Una de las propiedades de la radiación láser es que es extremadamente “directiva”: los fotones no se pierden en el camino, por lo que casi todos se encuentran al llegar. Esto es comprensible si consideramos que los fotones son bosones; está en su propia naturaleza permanecer juntos.

Realidad cuántica

La teoría cuántica no es determinista en el sentido de la mecánica clásica. A la pregunta “¿Dónde puedo encontrar un electrón en cierto estado?” », Responde dando un probabilidad de presencia, variable de un punto en el espacio a otro, pero nunca designa un lugar preciso, a diferencia de la mecánica galileo-newtoniana, que, por ejemplo, practican los astrónomos. Este debate sobre el determinismo cuántico, muy vivo en la década de 1930, en particular entre Bohr y Einstein, parece ahora irrelevante, ya que el formalismo matemático da una descripción completa del sistema.

La teoría cuántica también introduce un no localidad fundamental, en el sentido de que los fenómenos sin relación causal, es decir, que ninguna señal puede pasar de uno a otro, están sin embargo correlacionados. Así, un experimento fundamental realizado en 1982 en el Instituto de Óptica de Orsay trajo una verificación directa de los aspectos más contraintuitivos de la teoría: demostró, a escala cuántica, lo que se consideraría, a escala macroscópica, como una acción inmediato a distancia (mientras que cualquier acción conoce un límite superior de velocidad, el de la luz). Los resultados de este experimento verifican completamente las predicciones cuánticas, en particular el hecho de que dos cuántones que han interactuado en un momento dado permanecen “enlazados”, incluso después de haberse separado. (→ partícula.)