Umbral de la mecánica cuántica

Question

En primer lugar les pido perdón porque no soy físico y la pregunta que voy a hacer puede parecer una tontería.

Soy consciente de que más allá de un cierto umbral en la jerarquía de los bloques de construcción de la materia (electrones, átomos, etc.) las leyes "estándar" de la física (por ejemplo Física newtoniana ) no se aplican y entramos en un entorno totalmente diferente en el que el llamado mecánica cuántica aplicar.

• ¿Dónde se encuentra este umbral en relación con los tipos de partículas?
• ¿Existen otros umbrales similares en la física que indiquen entornos completamente nuevos? En caso afirmativo, ¿cuáles son? (aparte de la mecánica clásica, la mecánica cuántica, ...quizás teoría de las cuerdas ?).

Answer 1

La física newtoniana suele ser una buena aproximación en un problema siempre que cualquier diferencia significativa en el acción involucrados en el problema son mucho mayores que Constante de Planck (si no, mecánica cuántica se necesitará), las velocidades implicadas en el problema son mucho menores que las velocidad de la luz (si no, relatividad especial será necesario), y siempre que el Radio de Schwarzschild de cualquier objeto gravitatorio en el problema es mucho menor que el radio del objeto (si no, relatividad general será necesario). Además, si un problema cumple los criterios para necesitar tanto la mecánica cuántica como la relatividad especial, entonces teoría cuántica de campos es necesario.

La mecánica cuántica suele ser adecuada para analizar los electrones dentro de los átomos, pero la teoría cuántica de campos suele ser necesaria para cualquier otro tipo de partículas subatómicas .

Lo anterior son sólo reglas generales. Por ejemplo, fenómenos cuánticos macroscópicos existen, en los que los fenómenos cuánticos se manifiestan a escala macroscópica.

Answer 2

La respuesta depende de la temperatura termodinámica del entorno de estos objetos, de la fuerza de interacción con la que se acoplan a este entorno y de su vida útil.

Los efectos cuánticos observados espacialmente más grandes y, en consecuencia, de mayor duración, que yo conozca, son franjas de interferencia de luz que provienen de galaxias que están a millones de años luz de distancia. La razón por la que estos fotones no sufrieron decoherencia es porque tienen una vida muy larga (el tiempo de vida del fotón es infinito en la teoría) y el universo es muy frío y está muy poco poblado de átomos que podrían dispersar estos fotones. En consecuencia, la luz que se emitió hace tanto tiempo sigue siendo coherente y mostrará exactamente los mismos términos de interferencia que cabría esperar de una fuente de luz situada a pocos metros en el laboratorio.

Answer 3

No se conocen otros umbrales comparables al cuántico-clásico, ni se conocen actualmente razones para sospecharlos.

El umbral preciso entre la física cuántica y la clásica es, en realidad, bastante sencillo: es la ignorancia (cuántica) frente al conocimiento (clásica).

Más precisamente, independientemente de los tamaños o masas o escalas involucradas, las reglas cuánticas siempre se aplican cuando no hay absolutamente ningún rastro de información en ninguna parte del universo sobre lo que está sucediendo. En estos casos de verdadera y absoluta ignorancia, la entidad oculta intentará, de forma extraña y probabilística, explorar toda la historia posible que se deja abierta para que sea compatible con las leyes de la física y la "envoltura de la ignorancia" que el resto del universo ve para el sistema.

El resultado de esta exploración de todas las opciones disponibles se llama integral de todas las historias posibles y es la fuente directa de todo el comportamiento ondulatorio y probabilístico que encontramos tan impar en la mecánica cuántica. Por ejemplo, una sola partícula empieza a parecerse a una onda porque dentro de su envoltura de ignorancia está obligada (no es una opción ) a explorar un número infinito de caminos suavemente similares y cercanos.

Por el contrario, una vez que cualquier información sobre lo que ocurre sale del sistema y pasa irreversiblemente a formar parte del universo exterior, ese aspecto de la entidad deja de seguir las reglas cuánticas y pasa a formar parte de la física clásica, que sólo permite explorar un futuro posible a la vez.

La razón principal por la que no parecen probables otros umbrales cuántico-clásicos es que las reglas anteriores son en realidad diferentes aspectos del mismo fenómeno. Es decir, la información es por definición la pérdida del defecto cuántico de la exploración ilimitada de todas las opciones abiertas, que obliga a que una parte del universo se vuelva específica, real e histórica. Sin esta relación profunda y esencialmente tautológica entre la generalidad cuántica y la especificidad clásica, conceptos como historia e información dejarían de tener sentido. Al fin y al cabo, un universo en el que todas las cosas suceden a la vez no se diferencia en absoluto de un universo en el que nunca ha sucedido nada.

Answer 4

Bueno, técnicamente, tanto la física newtoniana como la relatividad y la QM funcionan en conjunto, todo el tiempo. Sin embargo, algunas de las abstracciones se rompen - por ejemplo, cuando se trata de un electrón aislado, se comporta bien de acuerdo con la física newtoniana. Del mismo modo, aunque ese electrón se mueva a la mitad de la velocidad de la luz, desde el punto de vista del electrón, sigue comportándose de forma clásica. Las interacciones son la parte interesante, y ahí es donde están los "límites" percibidos.

Ahora bien, incluso tú, como objeto macroscópico, estás sujeto a la física cuántica. Sin embargo, la aproximación clásica es lo suficientemente cercana a la realidad, que añadir la QM a la ecuación no cambia mucho. Piensa en ello como en el caso, por ejemplo, de la carga EM de un átomo: ningún átomo es realmente neutro. Es sólo que la diminuta electromagnética se pierde fácilmente en las toneladas de otras interacciones que el átomo y sus partes constituyentes sufren - en este caso, los simples efectos térmicos son mucho más fuertes en magnitud que el momento.

Un "límite" interesante de la QM sobre el que he leído puede resumirse así: los efectos mecánicos cuánticos son importantes cuando la delimitación física de la "partícula" es significativamente mayor que la longitud de onda de esa "partícula". Así, por ejemplo, los electrones individuales tenderán a comportarse de forma menos clásica en las interacciones EM, porque la mayor parte de la carga EM del electrón se concentra en un radio significativamente menor que la longitud de onda del electrón. Por otro lado, tu cuerpo es mucho más grande que la longitud de onda de tu cuerpo en su conjunto, por lo que tú como conjunto tiendes a comportarte de forma bastante clásica, aunque tus partes constituyentes no lo hagan. Si tomamos como ejemplo una CPU, cada uno de los transistores depende de la física cuántica (en particular del tunelado cuántico) para funcionar, pero el procesador en su conjunto no muestra un comportamiento no clásico; de hecho, incluso el propio transistor, como caja negra, lo hace no se comportan "cuánticamente".

Por supuesto, todo esto depende de que se acepte que la realidad cuántica es la más fundamental, o "más cercana al territorio" que la física newtoniana. Esto puede ser así o no, y hay mucho debate sobre los detalles, así como sobre los puntos principales (véanse las diversas interpretaciones de la física cuántica, por ejemplo).

(Descargo de responsabilidad: no soy un experto en el tema, y no tengo ninguna formación especial en física cuántica).

Answer 5

No es el tipo de partícula. Es la acción. En QM hay una cosa llamada la integral de la trayectoria. Esta suma todas las trayectorias posibles con un factor de fase, el exponencial de i (la raíz cuadrada de -1) por la acción. La acción se da a través del Lagrangiano, que es lo que te da el principio de mínima acción habitual para la mecánica clásica. La trayectoria clásica es la de menor acción. Todas las demás trayectorias se suman con este número complejo que las multiplica, lo que significa que su fase se desplaza en esta cantidad. El total de todas estas trayectorias da la probabilidad de lo que hará la partícula.

Así que se pueden ignorar los efectos cuánticos cuando la vía clásica domina el comportamiento del sistema. La forma habitual en que esto ocurre es cuando hay muchas partículas, de modo que las trayectorias no clásicas acaban promediando hasta casi cero. Esto se debe a que la función exponencial cambia muy rápidamente con el cambio de argumento. Así que cuando hay muchas partículas, cambia mucho más rápidamente. La única trayectoria en la que todas las partículas tenderán a sumarse será la trayectoria clásica, y las demás tenderán a alinearse aleatoriamente unas respecto a otras, por lo que tenderán a desaparecer.

Nota: Tienden a, no lo hacen absolutamente . Hay varios sistemas macroscópicos bien conocidos que pueden mostrar fenómenos cuánticos. Por ejemplo, hay un tubo fotomultiplicador, que en principio se puede hacer para detectar un solo fotón, y así convertirlo en una cosa macroscópica visible para el ojo humano. También hay algunas estructuras de cristal que pueden hacerse para detectar estados de fonones individuales, especialmente a temperaturas criogénicas. Y la resonancia magnética muestra algunos fenómenos claramente QM. Creo que hay algunos otros, pero los recuerdo mal ahora mismo.

El límite clásico es importante porque significa que la QM recuperará todos los resultados de la física clásica. Sigue conservando, por ejemplo, el principio de mínima acción para grandes masas formadas por un gran número de partículas.