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¿Es incorrecto hablar de funciones de onda de cuerpos macroscópicos?

¿Permite un cuerpo macroscópico real, como una mesa, un ser humano o una taza, ser descrito como una función de onda? ¿Cuándo es posible y cuándo no?

Por ejemplo, en el libro "Statistical Physics, Part I" de Landau y Lifshitz se argumenta que tales sistemas deben describirse mediante la matriz de densidad (capítulo I, sobre la matriz estadística). Por lo que entendí, a grandes rasgos, los cuerpos macroscópicos son tan sensibles a la interacción externa que nunca pueden contarse como sistemas, hay que incluir todo lo demás para formar un sistema. ¿Es correcta mi interpretación?

¿Cuándo es incorrecto hablar de las funciones de onda de los cuerpos que nos rodean?

14voto

Fernando Briano Puntos 3704

Los cables largos son verdaderos cuerpos macroscópicos, kilómetros de superconductor se utilizan en el LHC del CERN y las corrientes pueden describirse mediante ecuaciones de mecánica cuántica.

Los cristales también pueden describirse mediante ecuaciones de mecánica cuántica y pueden ser bastante grandes, quizá no tanto como una mesa. Los superfluidos también pertenecen al ámbito de la mecánica cuántica macroscópica.

La diferencia con un objeto aleatorio, como una mesa, es que las funciones de onda individuales del microcosmos de moléculas y átomos que las componen son incoherentes entre sí. La coherencia significa que todas las fases de las funciones de onda probabilísticas de las ~10^23 moléculas por mol que las componen se pierden estadísticamente, a diferencia de los ejemplos de coherencia anteriores. Por eso utilizamos la matriz de densidad para describir el comportamiento de tales sistemas.

Así que los cuerpos aleatorios que nos rodean no pueden ser descritos por una función de onda en el sentido de una solución de una ecuación mecánica cuántica, excepto cuando se cumplen condiciones cuidadosas como en los ejemplos anteriores.

Editar en respuesta al comentario:

"La coherencia significa que todos ... " ¿Podría explicar mejor esto, tal vez con la ayuda de las matemáticas?

Cualquier solución de onda tendrá un ángulo constante phi como fase con otra onda solución .

Estas fases son las que definen los patrones de interferencia y batido en las ondas.La coherencia significa que las fases son conocidas.

El cuadrado de la solución de la onda mecánica cuántica es la probabilidad de encontrar la partícula en ese (x,y,z,t) y los patrones de interferencia cuando las fases son fijas son también funciones de probabilidad.

Y dices que los cables superconductores se describen con la QM habitual,

No es una QM habitual, es una solución especial dentro de la teoría mecánica cuántica, desde el enlace:

Desde el descubrimiento de la superconductividad, se han dedicado grandes esfuerzos a averiguar cómo y por qué funciona. En la década de 1950, los físicos de la materia condensada llegaron a una comprensión sólida de la superconductividad "convencional", gracias a un par de teorías notables e importantes: la teoría fenomenológica de Ginzburg-Landau (1950) y la teoría microscópica de BCS (1957)[12][13] Las generalizaciones de estas teorías constituyen la base para comprender el fenómeno estrechamente relacionado de la superfluidez, ya que entran en la clase de universalidad de la transición Lambda, pero sigue siendo controvertido hasta qué punto pueden aplicarse también generalizaciones similares a los superconductores no convencionales. La extensión cuatridimensional de la teoría de Ginzburg-Landau, el modelo de Coleman-Weinberg, es importante en la teoría cuántica de campos y en la cosmología. La superfluidez del helio y la superconductividad son fenómenos cuánticos macroscópicos.

y el enlace tiene más referencias.

por lo que sus funciones de onda pertenecen a una especie de producto tensorial de los espacios de estado de los átomos libres constituyentes.

Si lees sobre la superconductividad verás que no es lo que supones.

de la enlace :

La teoría describe la superconductividad como un efecto microscópico causado por la condensación de los pares de Cooper en un estado similar al de los bosones. La teoría también se utiliza en física nuclear para describir la interacción de emparejamiento entre los nucleones de un núcleo atómico.

Pero, ¿qué ocurre cuando sube la temperatura?

los pares de cobre se rompen con temperaturas más altas y reina la incoherencia.

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"La coherencia significa que todos ... "¿Podría explicar más esto, tal vez con la ayuda de las matemáticas? Y dices que los hilos superconductores se describen mediante la QM habitual, por lo que sus funciones de onda pertenecen a una especie de producto tensorial de los espacios de estado de los átomos libres constituyentes. Pero, ¿qué ocurre cuando aumenta la temperatura? ¿Por qué este espacio producto deja de ser un espacio de estado elegible que describe el alambre?

7voto

Giacomo Verticale Puntos 1035

Los grados de libertad de un sistema cuántico que se describen mediante un estado parcial puro deben estar muy bien protegidos de las interacciones no deseadas con el entorno, ya que, de lo contrario, se decoherenciarán a un estado mixto en un momento. Este blindaje puede hacerse para unos pocos grados de libertad (como una corriente superconductora) pero no para la posición y el momento de los cuerpos macroscópicos. Por lo tanto, estos dof se describen siempre mediante matrices de densidad.

0 votos

¿y qué es el estado parcial?

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@Yrogirg: Es la parte de un estado de un objeto macroscópico que se considera relevante. Por ejemplo, en óptica cuántica, un rayo es un objeto complicado pero para muchos experimentos sólo se mira el estado parcial en la dirección del rayo. Así, se ignoran los grados de libertad de posición/momento. Como resultado, la descripción se simplifica, y uno puede observar estados de polarización pura o de momento angular incrustados en el sistema más complejo.

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¿Es esto correcto en teoría? ¿Un objeto macroscópico aislado tendrá una función de onda que varía en el tiempo? Estoy mirando un libro en mi escritorio y constantemente colapsa su función de onda. Cuando me doy la vuelta, el razonamiento sería que sigue ahí porque el entorno está colapsando constantemente la función de onda del libro? Pero si el libro estuviera en el vacío, cuando me doy la vuelta, la densidad de probabilidad, que era del 100% en un único punto de mi escritorio y del 0% en el resto de la habitación, ahora empieza a variar. ¿Así que cuando me doy la vuelta para mirar de nuevo, podría estar aleatoriamente en el aire?

3voto

Anniepoo Puntos 151

No está mal, pero hay que considerar espacios de configuración con una dimensionalidad exponencialmente grande. Para N partículas no relativistas, son 3N dimensiones sin contar el espín. Esto está más allá de nuestra capacidad. Así que tomamos trazos parciales y "colapsamos" la función de onda.

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Seguiría siendo erróneo porque no se puede escribir una función de onda para un objeto que está enredado con otra cosa, en este caso el entorno.

3voto

Will Puntos 76760

Casi siempre no se puede escribir una función de onda para un objeto macroscópico, ni siquiera en principio, porque si algo es macroscópico, significa que suele estar fuertemente enredado con el entorno (es decir, descohesionado por él, como han señalado otros). Por definición de entrelazamiento, si dos sistemas están entrelazados, entonces el sistema combinado no puede escribirse como el producto de las funciones de onda de cada sistema, es decir, no se puede asociar ninguna función de onda con los sistemas individuales.

La excepción es, por supuesto, los sistemas preparados con mucho cuidado a bajas temperaturas, en los que se intenta minimizar la influencia descoherente del entorno. Tal vez una mesa cerca del cero absoluto.

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Chris Puntos 41

Buenos parámetros en

Phys. Rev. Lett. 106, 220401 (2011)

Cuantificación de las superposiciones cuánticas macroscópicas en el espacio de fase

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i22/e220401

http://arxiv.org/pdf/1106.0062v2.pdf


el límite real experimental es de unos 430 átomos.

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¿Dónde está exactamente esa información en el artículo?

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