¿Por qué mecanismo los efectos cuánticos se hacen observables en la vida normal a nivel macroscópico? Por ejemplo, cuando dos moléculas "chocan", ¿el impulso es un evento probabilístico en el que el estado final no es único? Otro ejemplo, durante una reacción química, ¿es un acontecimiento probabilístico a nivel cuántico si una molécula concreta dentro de la solución interactúa o no con otra molécula?
Respuestas
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Adriano Varoli Piazza
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Uno de los "efectos" cuánticos más evidentes y observables a escala macroscópica es el principio de exclusión de Pauli para los fermiones: si no existiera, la materia se colapsaría, ya que nada impediría a los electrones irradiar y caer en el núcleo.
Normalmente, los efectos cuánticos se hacen observables a nivel macroscópico cuando afectan de forma coherente (es decir, de la misma manera) a un gran número de partículas cuánticas.
El mecanismo se llama decoherencia . Microscópicamente, es cierto que el sistema evoluciona a través de todas las configuraciones permitidas (ver integral de la trayectoria , que en su descripción más básica te dice que la partícula viaja a través de cada trayectoria). Pero en la vida real no observamos esto. ¿Qué ocurre?
Resulta que la respuesta está relacionada con algo llamado colapso de la función de onda . Esto es una simplificación de lo que ocurre, pero permite intuirlo. Cuando el sistema se deja solo, evoluciona como en el primer párrafo. Pero en cuanto lo observas (es decir, lo mides), se "colapsa" en uno de los estados propios permitidos del observable que estás midiendo. Así que al final nos quedamos con estados puros sin superposición.
Ahora debería estar claro que "algo" debe estar observando y colapsando el sistema incluso cuando no estamos mirando. ¿Qué es? Bueno, si uno se detiene a pensar un segundo debería ser obvio que todo sistema que se comporta de forma clásica está en realidad sumergido en algún sistema mayor, un entorno (el ejemplo típico que concierne a casi todos los sistemas de la Tierra es la atmósfera con muchas moléculas de gas presentes). En cualquier caso, los humanos no son en absoluto especiales cuando se trata de la naturaleza y la observación. Cualquier sistema lo suficientemente grande puede desempeñar el mismo papel, y el medio ambiente es sin duda un sistema de este tipo. Sabemos que, según la mecánica cuántica, los sistemas sufren fluctuaciones cuánticas. Son estas fluctuaciones entre el sistema y el entorno las que afectan a cualquier superposición y la hacen decaer rápidamente en estados que son efectivamente clásicos.
En realidad, este proceso puede imaginarse muy claramente si se hace una analogía con la transferencia de calor. El calor se transfiere debido a las fluctuaciones térmicas de dos objetos y la teoría básica de la probabilidad dicta que la temperatura del objeto más caliente bajará. Del mismo modo, la mecánica cuántica y la probabilidad dictan que el sistema superpuesto perderá gradualmente información sobre la superposición entre sus partes. Por supuesto, esta información no se pierde, sino que se transfiere al entorno, donde aparecerá como ruido, y el resultado es que obtenemos un sistema efectivamente clásico.
Esto significa que para observar los efectos cuánticos macroscópicamente, hay que proteger el sistema de la decoherencia. O bien se baja la temperatura al máximo (para que el efecto del entorno sea despreciable), o bien se prepara el sistema de alguna manera inteligente para que sea impermeable a las perturbaciones térmicas. Por supuesto, estamos hablando de superfluidos, superlíquidos y estados similares de la materia.
Chris Upchurch
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No es realmente una respuesta, pero las moléculas y las reacciones químicas son bastante grandes a escala cuántica, y esas interacciones creo que son más del dominio de la física tradicional
Sé que en la imagen médica el ruido constante que degrada la calidad de la imagen sin relación con los parámetros del escáner se llama ruido cuántico, aunque nunca he estado seguro de que fuera un verdadero evento cuántico. Sospecho que es algo cuántico que tiene que ver con las fluctuaciones de energía de fondo, pero también podría estar relacionado con los rayos cósmicos o algo similar. Lo buscaría yo mismo, pero me voy a la cama.
Si se trata de un evento cuántico, entonces hay un buen ejemplo de cómo algo cuántico se convierte en macro.
EDIT: No estoy seguro de por qué esto fue marcado, pero si tengo que explicar por qué esta explicación tenía sentido, aquí tienes.
Después de dormir me enteré de esto: es un evento cuántico observable a escala del mundo real (macro). No estoy seguro de por qué alguien marcaría esto... tal vez querías una explicación esotérica pero pensé que podrías querer un ejemplo también.
http://www.mghradrounds.org/index.php?src=gendocs&link=2008_february
las imágenes muestran el efecto del ruido cuántico: las imágenes de la derecha, más granuladas, tienen peor señal y, por tanto, el ruido cuántico es más visible.
Esto se debe a las fluctuaciones probabilísticas de los estados cuánticos en todo el sistema. De hecho, esto explica muy claramente su pregunta inicial: como puede ver, aunque hay una variación local que es perceptible porque estamos utilizando rayos X de alta energía, el campo en general es homogéneo. En la mayoría de los sistemas, la heterogeneidad sería a una escala tan pequeña que sería indetectable sin instrumentos extremos.
Así que cada acontecimiento individual tiene un elemento probabilístico, pero en los macrosistemas se pierde la capacidad de darse cuenta.
O simplemente escucha a Marek. Creo que este ejemplo es bueno.
