¿Es correcto definir Física cuántica como el estudio de la Física a escala subatómica? ¿Estudia la Física Cuántica algo más que los fenómenos subatómicos?
La física cuántica es una teoría probabilística en la que aparecen amplitudes de probabilidad. Cualquier fenómeno en el que aparezcan amplitudes de probabilidad es un fenómeno cuántico, ya sea microscópico o macroscópico. Las amplitudes de probabilidad unifican los límites clásicos de partícula y onda en un solo objeto, y probablemente se aplican a todos los objetos, microscópicos y macroscópicos.
¿Es correcto definir la Física Cuántica como el estudio de la Física a escala subatómica? No.
¿Estudia la Física Cuántica algo más que los fenómenos subatómicos? Sí.
Toma átomos artificiales o qubits de flujo superconductores como ejemplos.
¿Cuál es una definición correcta y sencilla de la física cuántica? Una definición correcta y sencilla: La "física cuántica" es una colección de modelos de fenómenos físicos que utilizan las matemáticas del "espacio de Hilbert" para hacer predicciones operativas de los resultados de los experimentos de laboratorio. ¿Qué fenómenos físicos? Bueno, todos aquellos para los que podamos hacer buenas predicciones.
Interesante cuando dijiste "No" a la primera pregunta, porque esa definición "Física Cuántica como el estudio de la Física en escala subatómica" es lo que está escrito en el artículo en portugués (soy de Brasil) de Física Cuántica en Wikipedia. Así que la parte portuguesa de Wikipedia está equivocada sobre la Física Cuántica.
La única forma que tiene la humanidad de determinar si un efecto necesita de la mecánica cuántica para ser descrito consiste en calcular la acción (cf. wikipedia) y compararla con la constante de Planck. Si es mucho mayor, no hay necesidad de mecánica cuántica; si es del mismo orden, se necesitará QM para describir ese efecto.
Que la acción sea mucho mayor que la constante de Planck no significa que no se pueda utilizar la QM. Bohr solía pensar que los mundos macroscópico y microscópico eran fundamentalmente diferentes, pero ejemplos como la levitación cuántica (que es macroscópica - véase Wikipedia) sugieren que describir fundamentalmente era sinónimo de describir con QM.
Respuesta corta: Es la física de las pequeñas escalas o de las altas energías.
Respuesta larga: No escuches a Jim el de las respuestas cortas, no sabe de lo que habla. (También le faltan unos cuantos anillos para llegar a Saturno, ya me entiendes).
La forma más sencilla que se me ocurre de definir correctamente la física cuántica es que es la combinación de nuestras mejores y más correctas teorías de la física que no incluye la Relatividad General.
Hay dos clases de física relevantes e importantes para esta explicación: física clásica y física cuántica .
Los físicos también son personas. Si podemos alcanzar nuestros objetivos igualmente bien mediante dos métodos diferentes, vamos a elegir el método que nos resulte más fácil de utilizar. Dicho esto, no debería sorprendernos que las teorías que elegimos utilizar para una tarea determinada sean, por lo general, las teorías más sencillas que se adaptan eficazmente a las necesidades de esa tarea.
La física cuántica se acepta generalmente como la versión más correcta de la física en comparación con la física clásica. Es decir, la física clásica es mayoritariamente errónea. Sin embargo, la física clásica suele ser lo suficientemente correcta como para que, en la mayoría de las aplicaciones cotidianas, no se note la diferencia entre los resultados cuánticos y clásicos. Técnicamente hablando, es posible que hicieras absolutamente todo utilizando sólo física cuántica (excepto todo lo que implique RG) y obtendrías resultados mucho más precisos; sin embargo, la física cuántica es tanto más compleja que la clásica que resulta extremadamente poco práctico utilizarla. Si la física clásica te da una respuesta lo suficientemente correcta, tiene sentido utilizarla. Utilizamos la física cuántica sólo cuando la física clásica no nos da un resultado suficientemente bueno. Esto suele ocurrir más a menudo cuando se trata de escalas extremadamente pequeñas o de energías extremadamente altas. Por eso mucha gente suele decir que la física cuántica es la física de las pequeñas escalas o de las altas energías. Se equivocan. La física cuántica lo cubre todo excepto la RG y es, sencillamente, nuestras teorías más correctas de la física hasta la fecha.
Dicho esto, sabemos que la física cuántica es incompleta. Sabemos que no es totalmente correcta. Por eso también oiremos a algunos físicos decir que la física se rompe a escalas aún más pequeñas o a energías aún más altas. No lo dicen literalmente. No hay ninguna escala o nivel de energía donde la física no se aplique. Lo que quieren decir es que las teorías que tenemos, como la física clásica a escala cuántica, no son lo suficientemente correctas como para utilizarlas. Aún no conocemos las teorías que son lo suficientemente correctas como para utilizarlas fuera de los límites cuánticos. Pero aunque no podamos decir cuál es la física, sabemos que la física sigue funcionando a esas escalas.
Esa es la forma más sencilla en que puedo definir la física cuántica.
He aquí cómo he intentado dar una idea de la física cuántica. No te lleva muy lejos en la comprensión de todas las implicaciones, pero es un comienzo.
Primero, entendamos la palabra "amplitud". Piensa en una bombilla incandescente, como la de un automóvil. Si le pones doce voltios positivos, como los de la batería del coche, brilla con toda su potencia, digamos 60 vatios. Si, por el contrario, le pones una batería de coche antigua de 6 voltios, sólo brillará con 1/4 de su potencia total, 15 vatios. Ahora bien, si se invierten las pilas y se aplica una tensión negativa a la bombilla, se obtiene el mismo resultado.
Así que piensa en amplitud como la tensión, que va como la raíz cuadrada de la potencia. La amplitud puede tener signo, positivo o negativo, pero la potencia es siempre positiva y varía siempre como el cuadrado de la amplitud.
Piensa en una moneda. La lanzas al aire y aún no sabes si saldrá cara. Sabes que la probabilidad de que salga cara es de 0,5, suponiendo que la moneda sea justa.
Ahora bien, en el mundo cuántico pensamos en esa probabilidad, 0,5, como la potencia de la bombilla. Lo que realmente hay debajo es una amplitud de 0,707, que elevado al cuadrado da 0,5.
Esa amplitud puede ser positiva o negativa. (En realidad podría ser algo intermedio, si es un número complejo, pero puedes leer sobre eso).
Ahora, la moneda está en el aire, así que no sabes cómo va a salir, todavía, pero sabes con certeza (P = 1) que saldrá cara o cruz, nada más. La forma de saberlo es sumando las probabilidades de los distintos resultados. 0.5 + 0.5 = 1.
Pero en el mundo cuántico no se suman probabilidades. Añades amplitudes. Como las amplitudes tienen signo, pueden anularse o reforzarse. Así que con una moneda cuántica, la probabilidad de que obtengas algo es el cuadrado de la suma de la amplitud para Cara, más la amplitud para Cruz. Esa suma puede ser -1,414, +1,414, 0 (o cualquier valor intermedio si las amplitudes son complejas). Por lo tanto, la probabilidad de que salga par ver caer la moneda está entre 0 y 2.
Vale, ahora estás confundido (y yo también). ¿Cómo se puede lanzar una moneda al aire y que salga dos veces o ninguna, por no hablar de un punto intermedio?
Para responder a esto, tenemos que ir a la experimento de la doble rendija . En lugar de lanzar una moneda al aire, disparamos pequeñas balas de electrones o fotones a través de dos rendijas paralelas, la rendija de la cara y la rendija de la cruz, que chocan contra una pantalla al otro lado. Si funcionaran como balas normales, sería de esperar que se amontonaran bajo cada rendija.
Sin embargo, son balas cuánticas, así que no hacen eso. En cambio, se amontonan en lugares donde no deberían caer (en el centro), y evitan por completo otros lugares, sin razón aparente.
He aquí cómo lo explicaron algunos tipos listos. No dicen que la bala tiene una probabilidad de pasar por una ranura o la otra, dicen que tiene una amplitud de pasar por una u otra rendija. Esas amplitudes son números, pero no sólo eso, siempre están cambiando. De hecho, son ondas. Entonces, cuando esas ondas de amplitud se juntan, interfieren, igual que las ondas de agua.
Si se anulan, la probabilidad es cero (no hay balas). Donde se refuerzan, obtienes exceso de probabilidad, así que exceso de balas, porque las balas que no terminan en los lugares dispersos terminan en los lugares densos.
Así que para rematar la confusión, se podría decir que al lanzar esa moneda, el el universo se bifurca pero, a diferencia de lo que ocurre en "Regreso al futuro", esos universos separados no permanecen separados, sino que se vuelven a unir del mismo modo que interfieren las ondas de agua, y esto está pasando en todas partes, todo el tiempo .
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