¿Qué es la teoría cuántica?

La teoría cuántica es una de las dos piedras angulares de la física moderna. La teoría cuántica nos proporciona nuevas formas de expresar y pensar sobre el mundo natural. La teoría cuántica revela las leyes básicas del mundo material microscópico y sienta las bases teóricas de la física atómica, la física del estado sólido, la física nuclear y la física de partículas. Bien puede explicar la estructura atómica, la regularidad de los espectros atómicos, las propiedades de los elementos químicos, la absorción y radiación de la luz, etc.

En 1928, Dirac aplicó la teoría de la relatividad a la mecánica cuántica y, gracias al desarrollo de Heisenberg, Pauli y otros, se formó la electrodinámica cuántica que estudia la interacción entre los campos electromagnéticos y las partículas cargadas.

En 1947 se descubrió experimentalmente el desplazamiento Lamb.

En 1948-1949, Richard Phillips Feynman, J.S Schwinger y Shinichiro Tomonaga desarrollaron la electrodinámica cuántica utilizando el concepto de renormalización, obteniendo así el Premio Nobel de Física en 1965.

El proceso de creación de la teoría cuántica es una magnífica epopeya:

Los primeros días de la teoría cuántica:

En 1900, Planck explicó la radiación del cuerpo negro para superar La teoría clásica La dificultad de las leyes introdujo el concepto de cuantos de energía, sentando las bases de la teoría cuántica.

Posteriormente, Einstein propuso la hipótesis del cuanto de luz como respuesta a la contradicción entre el experimento del efecto fotoeléctrico y la teoría clásica, y aplicó con éxito el concepto de cuantos de energía al calor específico de los sólidos, abriendo el camino a la desarrollo de la teoría cuántica.

En 1913, Bohr utilizó el concepto de cuantificación sobre la base del modelo nuclear de Rutherford para proponer la teoría atómica de Bohr, que dio una explicación satisfactoria al espectro del hidrógeno y dio una victoria inicial a la teoría cuántica. Posteriormente, Bohr, Sommerfeld y otros físicos trabajaron arduamente para desarrollar la teoría cuántica, pero encontraron serias dificultades. La vieja teoría cuántica está en problemas.

El establecimiento de la teoría cuántica:

En 1923, de Broglie propuso la hipótesis de la onda materia, aplicando la dualidad onda-partícula a haces de partículas como los electrones, y transformó la teoría cuántica en Evolucionada a un nuevo nivel.

De 1925 a 1926, Schrödinger tomó la iniciativa de establecer con éxito la ecuación de onda de los electrones basada en el concepto de ondas de materia, encontró una fórmula básica para la teoría cuántica y así creó la mecánica ondulatoria.

Casi al mismo tiempo que Schrödinger, Heisenberg escribió un artículo titulado "Reinterpretación de la teoría cuántica sobre la relación entre cinemática y mecánica" y creó el método matricial para resolver la teoría de ondas cuánticas.

En septiembre de 1925, Born colaboró ​​con otro físico, Jordan, para desarrollar las ideas de Heisenberg en una teoría sistemática de la mecánica matricial. Pronto, Dirac mejoró la forma matemática de la mecánica matricial, convirtiéndola en un sistema teórico conceptualmente completo y lógicamente autoconsistente.

En 1926, Schrödinger descubrió que la mecánica ondulatoria y la mecánica matricial son matemáticamente equivalentes, por lo que en conjunto se las denomina mecánica cuántica. La ecuación ondulatoria de Schrödinger es más fácil de entender que la ecuación matricial de Heisenberg, por lo que se convirtió en la ecuación básica. de.

4. Debates en el desarrollo de la mecánica cuántica

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Aunque la mecánica cuántica ha sido establecida, su explicación física siempre es confusa. , las opiniones de todos son inconsistentes. ¿Qué son exactamente las llamadas ondas en la ecuación de ondas?

Born cree que la onda en la mecánica cuántica es en realidad una probabilidad, y la función de onda representa la probabilidad de que un electrón aparezca en un momento y lugar determinados. En 1927, Heisenberg propuso la relación de incertidumbre en el campo microscópico. Creía que la posición y el momento de cualquier partícula no se pueden medir con precisión al mismo tiempo. Si uno de ellos se mide con precisión, el otro será incierto. Este es el llamado "principio de incertidumbre". Junto con la interpretación probabilística de la función de onda de Born, sentó las bases físicas para la interpretación de la mecánica cuántica. Bohr era muy consciente de que el principio de incertidumbre representaba las limitaciones del concepto clásico, por lo que propuso el "principio de complementariedad" sobre esta base.

El principio de complementariedad de Bohr se considera la interpretación ortodoxa de Copenhague. Sin embargo, Einstein no estaba de acuerdo con el principio de incertidumbre y creía que varias cosas en la naturaleza deberían tener sus propias relaciones causales definidas. La mecánica cuántica es estadística, por lo que no es completa, y el principio de complementariedad. es aún más conveniente. Entonces hubo un debate entre Einstein y Bohr que duró treinta o cuarenta años, y no se llegó a ninguna conclusión hasta su muerte.

El descubrimiento del siglo: Ruleta en el mundo microscópico - Teoría Cuántica

Si la propagación de la luz en el espacio es la clave de la teoría de la relatividad, entonces la emisión y absorción de La luz trae una revolución en la teoría cuántica. Sabemos que los objetos emiten radiación cuando se calientan y los científicos quieren saber por qué. Para facilitar la investigación, supusieron un radiador perfecto que no emite luz por sí solo y puede absorber toda la luz irradiada sobre él, llamado "cuerpo negro". Durante el proceso de investigación, los científicos descubrieron que la energía en la parte ultravioleta del espectro del cuerpo negro calculada según la teoría de las ondas electromagnéticas de Maxwell es infinita, lo que obviamente es una falacia. Esto proporciona la base para el "desastre ultravioleta". En 1900, el físico alemán Max Planck propuso un nuevo modelo de átomos vibrantes en la materia. Tomó prestado el concepto de discontinuidad de la teoría de la estructura molecular de la materia y propuso la teoría cuántica de la radiación. Respecto a la discontinuidad en la teoría cuántica, podemos entenderla de esta manera: si la temperatura aumenta o disminuye, pensamos que es continua de un grado a dos grados, antes de 0,1 grados deben pasar 0,1 grados. Pero la teoría cuántica cree que no puede haber 2 grados entre ciertos dos valores, como 1 grado y 3 grados. Al igual que cuando gastamos dinero para comprar cosas, un centavo es la cantidad más pequeña, aunque no puedes gastar 0,1 centavos. Puede calcular la cantidad de dinero en centímetros. Este centavo es la cantidad más pequeña de dinero. Y esta cantidad más pequeña es el cuanto. Creía que las ondas electromagnéticas de diversas frecuencias, incluida la luz, sólo pueden emitirse desde el oscilador con sus propios componentes de energía determinados. Esta partícula de energía se llama cuanto y el cuanto de luz se llama fotón, o fotón para abreviar. Los espectros de cuerpo negro calculados a partir de este modelo son consistentes con los realmente observados. Esto abre una nueva página en la física. La teoría cuántica no sólo explica de forma natural la distribución de la energía irradiada por los cuerpos calientes según la longitud de onda, sino que también plantea de una manera completamente nueva toda la cuestión de la interacción entre la luz y la materia. La teoría cuántica aporta nuevos conceptos no sólo a la óptica, sino también a toda la física, por lo que su nacimiento suele considerarse como el punto de partida de la física moderna.