¿Existe algún fenómeno visible a simple vista que requiera de la mecánica cuántica para ser explicado satisfactoriamente? Estoy buscando una especie de manzana cuántica newtoniana.
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Fuzzy Purple Monkey
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Utiliza un prisma (o una rejilla de difracción si tienes una) para romper la luz que sale de una bombilla fluorescente. Verás un montón de líneas individuales en lugar de una banda continua de colores. Esto se debe a los niveles de energía discretos de los átomos y las moléculas, que es una consecuencia de la mecánica cuántica.
Si el público que tiene en mente es más avanzado, puede presentar el catástrofe ultravioleta de la mecánica clásica. Clásicamente, algo con temperatura finita tendería a irradiar una cantidad infinita de energía. La mecánica cuántica explica las curvas de intensidad frente a la longitud de onda que realmente vemos.
Terry Bollinger
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Reflexiones sobre los acontecimientos cuánticos cotidianos
En cierto sentido, es difícil no ver la mecánica cuántica en la vida cotidiana. Por ejemplo, la existencia de la química compleja y el volumen que ocupa la materia ordinaria son consecuencias directas de algo llamado exclusión de Pauli. Se trata de una regla cuántica que exige que cada electrón del universo mantenga una dirección única que consiste en su ubicación en el espacio (tres números), su momento (más o menos velocidad para los electrones de la misma masa, y también tres números), y uno más impar llamado orientación del espín (binario, hacia arriba o hacia abajo). Cuando los electrones cargados negativamente están muy juntos, por ejemplo, por la atracción positiva de un núcleo atómico, estas reglas de dirección única hacen que los electrones adopten posiciones y orientaciones únicas alrededor de los átomos (química), y que se resistan a ser apretados más allá de un cierto punto (volumen).
El enlace atómico en la química - ¡sin el cual no estaríamos aquí para discutir esto! -- desaparecería en gran medida sin esa última regla de la dirección de impar sobre los espines arriba-abajo. La capacidad de dos electrones de compartir el mismo espacio por tener espines opuestos da a algunos átomos la capacidad de robar un electrón a otros átomos proporcionando un acogedor hogar de dirección compartida lejos de casa, un efecto que en química se llama enlace iónico. En otros casos, la regla de emparejamiento arriba-abajo permite que dos átomos compartan por igual un par de electrones, lo que también se denomina enlace covalente.
Ver para creer
Sin embargo, creo que tu pregunta estaba realmente enfocada más a encontrar "un fenómeno visible a simple vista que requiera de la mecánica cuántica", y que lo que querías era algo un poco más profundo y grande que simplemente sumar los impactos a gran escala de muchos eventos cuánticos muy pequeños. Sospecho que esperabas algo que pudiera véase a simple vista, sin necesidad de un laboratorio lleno de equipos exóticos.
Estas cosas existen realmente. De hecho, es muy probable que esta misma mañana hayas mirado directamente a un ejemplo. Se llaman espejos.
Es decir, la capacidad de los metales pulidos para reflejar imágenes hermosas y precisas de los mundos que los rodean, mientras que la mayoría (¡no todas!) de las demás sustancias son oscuras, opacas o transparentes, es un tipo de evento cuántico a gran escala que es tan impar como los exóticos como los condensados de Bose de laboratorio. Es un ejemplo clásico de que la familiaridad genera indiferencia: La reflexión metálica es tan común y fácil de observar que olvidamos lo profundamente impar y no clásica que es.
El espacio, de verdad
Entonces, ¿por qué la reflexión metálica es profundamente cuántica?
En realidad, es cuántica de múltiples maneras. El primer paso es que hay que enviar un gran número de electrones a una especie de curiosa forma alternativa de espacio, una en la que los sistemas de coordenadas para encontrar el un electrón ya no consisten en tres direcciones del espacio, sino que deben expresarse en tres direcciones de impulso .
¿Cómo es posible que un electrón se "pierda" en el espacio ordinario? La forma en que llegan es sorprendentemente sencilla y ordinaria: En los metales, ciertos electrones tienen la libertad de circular libremente por todo el volumen del metal. Es decir, los átomos metálicos creen firmemente en una especie de reparto comunitario de algunos de sus hijos electrones, sin importarles lo más mínimo si su propio electrón acaba muy lejos, siempre y cuando otros electrones permanezcan lo suficientemente cerca como para anular sus cargas positivas.
Un electrón errante no suena tan inusual hasta que te das cuenta de que los electrones son tan ligeros que la mecánica cuántica no puede ser ignorada. Lo que hace la mecánica cuántica con los objetos muy ligeros es que sus descripciones cuánticas empiezan a ocupar espacio a través del todo volumen del metal sobre el que vagan. Es decir, en lugar de que un electrón se mueva de un lado a otro de un cristal como lo haría un objeto clásico masivo, un electrón no perturbado y que se desplaza libremente se representa con mayor precisión como si estuviera igualmente situado en todos los lugares del metal al mismo tiempo .
¡Intenta hacer ese truco con tu coche!
¿Cuál es su dirección, por favor?
Sin embargo, dado que en cualquier trozo de metal los electrones superligeros compartidos están todos haciendo el mismo truco de "¡estoy en todas partes!" al mismo tiempo, surge un problema con el tema de la dirección que mencioné antes: Cada electrón en el universo debe tienen una dirección completamente única.
Si todos estos electrones perdidos comparten espacio en el mismo trozo de metal, significa que también están compartiendo ubicaciones esencialmente idénticas (aunque sean Impares) en el espacio ordinario... y eso simplemente no servirá. Significa que cada uno de esos electrones en el metal debe encontrar alguna nueva forma de mantener una "dirección" única dentro del universo. La opción de subir y bajar ayuda, pero sólo permite que dos electrones compartan la misma dirección. Así que la única opción que queda es que los electrones empiecen a subir al único conjunto de coordenadas que queda, que es la diversa gama de velocidades y direcciones (velocidades) llamada espacio de impulso.
Ahora debo señalar que cuando se observa este proceso desde nuestra perspectiva del espacio ordinario con coordenadas XYZ, los electrones que suben al espacio de impulso sólo parecen estar adquiriendo diferentes velocidades, lo que no suena tan exótico. Pero para los electrones que se mueven en el espacio de impulso, la visión es muy diferente. Esta es la principal razón: Los electrones pueden realmente chocan entre sí una vez que entran en el espacio de impulso, al igual que las moléculas de agua que llenan un recipiente en el espacio ordinario. Todos esos choques y empujones por el espacio de impulso obligan a los electrones a dispersarse y a ocupar más espacio allí, de nuevo de forma sorprendentemente similar a cómo se amontonan las moléculas de agua en el espacio XYZ ordinario.
Quantum Splish-Splash
De hecho, el proceso de los electrones que se agitan y se dispersan en el espacio de impulso es tan similar a la forma en que las moléculas de agua llenan un recipiente, que esta acumulación de electrones en los metales se denomina Mar de Fermi . (Una nota: Enrico Fermi debía de tener un buen agente de prensa trabajando para él, teniendo en cuenta todas las cosas geniales que llevan su nombre en la física). Este tipo de líquido de momento-espacio tiene incluso una superficie bien definida, como un líquido ordinario.
Sin embargo, recordemos que desde nuestra perspectiva en el espacio XYZ ordinario, los electrones apilados en el espacio de momento sólo parecen moverse a diferentes velocidades. Esta equivalencia significa que los electrones más cercanos a la superficie del mar de Fermi en el espacio de momento deben necesariamente moverse también más rápido en el espacio XYZ ordinario. De hecho, para un buen conductor como la plata, los electrones de la superficie del mar de Fermi acaban moviéndose muy rápido. Dado que la velocidad para un objeto pequeño es lo mismo que llamamos calor, ¿cuánto calor (qué calor) acaban teniendo estos electrones?
Nos sentimos calientes, calientes, calientes
Pues bien, si los electrones de la parte superior del mar de Fermi de un gran trozo de plata perdieran de repente toda su energía, ésta se emitiría en forma de rayos X. El estallido sería tan energético que cualquiera que estuviera cerca moriría. ¡Eso es muy caliente! Afortunadamente para los usuarios de las joyas, esto no puede ocurrir porque todos los electrones que se encuentran más abajo en el mar de Fermi se niegan a moverse. Les gusta mucho su ubicación mucho más fría en el espacio del impulso, ¡y no están dispuestos a renunciar a ella!
Espejo en la pared
Ahora es el momento de volver a llevar todo esto a tu pregunta de si se pueden "ver" los efectos cuánticos a la escala de la vida ordinaria.
La magia cuántica comienza cuando te miras en un espejo normal. En cuanto lo haces, ya estás contemplando un mar de electrones que, desde la perspectiva de la mecánica cuántica, no existen del todo en el espacio ordinario. Están "perdidos" en el espacio XYZ que mejor conocemos, un espacio en el que sus representaciones cuánticas exactas son, en algunos casos, tan grandes como toda la superficie del espejo.
Y la mayoría de esos electrones perdidos también están ocultos. Esto se debe a que la luz que vemos rebotando en un espejo procede sólo de un porcentaje muy pequeño de los electrones del mar de Fermi, concretamente sólo de los extremadamente calientes que se encuentran en la parte superior del mar de Fermi. Esto se debe a que son los únicos electrones que tienen algún "espacio de maniobra" para aceptar un fotón y jugar con él.
Lo que ocurre es lo siguiente: Un electrón en la superficie del mar de Fermi puede aceptar una partícula de luz, un fotón, y al hacerlo se acelera un poco más. Pero a diferencia de los electrones que se encuentran más abajo en el mar, cuando un electrón en la superficie se acelera crea un "punto vacío" en el mar de Fermi. El proceso es muy parecido a la forma en que una salpicadura de agua puede elevarse en el aire, pero luego se da cuenta de que ya no tiene agua debajo para mantenerse. A diferencia del agua en el mar, el chapoteo sobre la superficie no es estable: Tiene que volver a caer a la superficie.
De forma muy parecida a una salpicadura de agua, un electrón en la superficie de Fermi que ha sido "salpicado" por una partícula de luz entrante (fotón) no tiene ningún soporte debajo que lo mantenga allí. Por lo tanto, debe caer de nuevo a la superficie del mar de Fermi. Al hacerlo, cede la energía del fotón que retuvo durante un breve periodo de tiempo, reemitiendo una versión casi idéntica del fotón que acaba de absorber. Esta reemisión de un fotón desde un electrón en la superficie de Fermi es la unidad más pequeña y fundamental de reflexión, el evento del que se componen las reflexiones a mayor escala.
Simplicidad desde la complejidad
Ahora bien, lo realmente interesante de estas reemisiones es que si el metal es liso y consistente y está pulido en su superficie, cada uno de estos efectos de reemisión acaba siendo dirigido por la alta simetría tanto de la superficie plana del metal como de su liso mar de Fermi de electrones, haciendo que el fotón emitido (o más exactamente, muchos fotones que interactúan en toda la superficie) surja de una forma muy precisa que llamamos ángulo de reflexión. Es un caso en el que un montón de física complicada guiada por una matemática aún más complicada acaba teniendo un resultado magníficamente simple, y evento que simplemente llamamos reflexión.
Y lo más sorprendente es que esa simplicidad depende profundamente de efectos cuánticos que atraviesan todo el espejo. Requiere electrones que se han perdido colectivamente en el espacio ordinario y se han refugiado en un espacio que no es como el que vemos habitualmente, pero que les permite chocar entre sí. Forman un líquido en este peculiar espacio de impulso, un mar que pone patas arriba nuestra propia comprensión de lo que es un "objeto" o "líquido" y de cómo debería comportarse. La más pequeña parte de estos electrones ocultos nos devuelve la onda mientras navegan por la superficie de su escondite, mostrando las increíbles velocidades que han alcanzado al lanzar fotones hacia nosotros en un acto de malabarismo de coordenadas que vemos como en el vívido brillo de un espejo, o la belleza de un ornamento chispeante, o en un poco de plata u oro brillante.
Final: Tómese un momento para reflexionar
Así pues, la reflexión metálica es un acontecimiento profundamente cuántico, que tiene lugar a escala humana, y que es singularmente bello y útil. Si algunas mañanas encuentras tu universo un poco aburrido, tómate un momento para saludar a esta encantadora rareza cuántica cuando te mires en el espejo por la mañana. Y reflexiona un poco sobre tu reflejo para recordar el extraordinario universo en el que vivimos.
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Adenda 2015-06-20: La visión como física cuántica
Debo añadir un ejemplo de fenómeno cuántico a gran escala que está mucho más cerca de casa que un espejo. Es el hecho de que se puede ver en absoluto.
Las lentes, incluidas las de los ojos, son dispositivos profundamente cuánticos. Si no fuera por la conversión mecánica cuántica de la forma a gran escala de una lente en una guía de cómo viajan las partículas microscópicas de luz (fotones), las lentes de tus ojos serían tan opacas como el acero, y no estarías leyendo este texto.
El problema es este: Dado que la luz se emite y se recibe como diminutas unidades de energía parecidas a partículas, o fotones, la física clásica exige que estos fotones sigan siendo partículas durante sus viajes entre esos dos puntos.
Y eso es un problema. Después de todo, ¿cómo viaja un fotón electromagnético a través de una lente llena de átomos ricos en electrones que deberían batirlo de un lado a otro como un laberinto de complejidad alucinante, y mucho menos formar una imagen? Podría rebotar durante unos instantes en las capas atómicas más externas de la lente, pero no tendría ninguna posibilidad de penetrar más profundamente antes de perderse o ser absorbido.
Es la mecánica cuántica la que nos rescata de la paradoja de la ceguera clásica-fotónica.
Matemáticamente, la mecánica cuántica permite que un solo fotón "explore" toda la forma de una lente mediante un proceso llamado integración de todas las historias posibles. Este proceso no tiene ningún sentido desde el punto de vista clásico, ya que es como si el fotón hubiera explorado literalmente todos los caminos posibles entre sus puntos de partida y de llegada. Esas exploraciones virtuales se suman entonces de una manera especial para producir la función de onda del fotón, que dice qué conjunto de caminos es el más probable que contenga el fotón real.
Este conjunto infinito de trayectorias de fotones virtuales es lo que permite a un solo fotón "olfatear" la forma general de una lente como la de los ojos. Dada la increíblemente pequeña cantidad de energía contenida en un solo fotón en comparación con una enorme lente a escala humana, es una hazaña bastante notable. Es más o menos como poner en órbita una pequeña linterna y "ver" la forma de toda la Tierra al iluminarla por la noche. Es sorprendente que cada fotón deba hacer esto por sí mismo, ya que el resultado de iluminar cada fotón de un haz de luz uno por uno a través de una lente es el mismo que se obtiene al iluminarlos todos a la vez.
La conclusión es la siguiente: Cada una de las formas de reflexión, refracción o transparencia que se ven con la luz ordinaria es prácticamente un milagro de la mecánica cuántica. Ninguno de esos efectos puede existir sin que los fotones "olfateen" la forma a gran escala de un espejo, lente o ventana (que en realidad no es más que una lente plana) de un modo que les permite ignorar la increíble complejidad de esos objetos y centrarse en cambio en su forma general y sus propiedades ópticas.
Entonces, ¿hasta dónde hay que llegar para ver efectos profundamente cuánticos en la vida cotidiana? No hay que ir muy lejos, porque el propio acto de usar los ojos para buscar esos efectos es en sí mismo profundamente cuántico.
stupid.steve
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Es curioso que mencione "el ojo desnudo", porque basta con cerrar los ojos. Resulta que la razón por la que no vemos nada cuando cerramos los ojos es la mecánica cuántica.
Sean Carroll lo explica muy bien: En el interior de los ojos hay mucha radiación de cuerpo negro en la gama de infrarrojos. Aunque la energía total de esta luz infrarroja es mucho mayor que la de la luz visible que entra por nuestras lentes, no es absorbida por los receptores, porque según la mecánica cuántica sólo puede ser absorbida en paquetes cuantificados (fotones). Y cada fotón individual no tiene suficiente energía para ser absorbido.
viyyer
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278
El magnetismo es un buen ejemplo, se puede explicar la alineación spin-spin sólo con la mecánica cuántica (ver interacción de intercambio ), es posible incluso demostrar la Teorema de Bohr-Van Leeuwen que afirma que ninguna teoría clásica puede explicar el funcionamiento de un imán.
Referencia: Conferencias de Feynman sobre Física
Prathyush
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