Mecánica Cuántica una Visión del Universo

Objetivos

Terminada la lección podrás:

• Definir lo que es mecánica cuántica.
• Explicar los principios fundamentales de la mecánica cuántica.
• Ofrecer ejemplos de las aplicaciones de este concepto.

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Introducción

La mecánica cuántica fue conocida originalmente como mecánica ondulatoria.  Es una de las ramas principales de la física, y uno de los más grandes avances del siglo XX para el conocimiento humano, que explica el comportamiento de la materia y de la energía. Está estrechamente relacionada a la Física moderna.  Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías, como por ejemplo los transistores que se usan más que nada en la computación. La mecánica cuántica describe en su visión más ortodoxa, cómo cualquier sistema físico y por lo tanto todo el universo. 

Existe en una diversa y variada multiplicidad de estados los cuales, habiendo sido organizados matemáticamente por los físicos, son denominados autoestados de vector y valor propio. De esta forma la mecánica cuántica explica y revela la existencia del átomo y los misterios de la estructura atómica tal cual hoy son entendidos; lo que por otra parte, la física clásica, y más propiamente todavía la mecánica clásica, no podía explicar debidamente los fenómenos actualmente observados por los científicos. 

Definición de mecánica cuántica

La mecánica cuántica es una rama fundamental de la física que estudia el comportamiento de las partículas a escalas extremadamente pequeñas, como átomos, electrones, protones, fotones, y otras partículas subatómicas. A diferencia de la física clásica, que describe el mundo macroscópico (objetos grandes), la mecánica cuántica trata fenómenos en los que las reglas clásicas ya no son válidas y se introducen nuevos principios que desafían nuestra intuición.

Principios fundamentales de la mecánica cuántica:

Cuantización de la energía:

En la mecánica cuántica, la energía no es continua, sino que está cuantizada, lo que significa que solo puede tomar ciertos valores discretos. Esta idea fue introducida por Max Planck y es clave para entender fenómenos como los niveles de energía en los átomos.

Dualidad onda-partícula:

Las partículas subatómicas, como electrones y fotones, pueden comportarse tanto como partículas (entidades discretas) como ondas, dependiendo del tipo de experimento. Este fenómeno, conocido como dualidad onda-partícula, es esencial para entender la naturaleza cuántica de la materia y la luz.

Principio de incertidumbre de Heisenberg:

Establece que no se pueden medir simultáneamente y con precisión absoluta ciertas propiedades de una partícula, como su posición y su momento (velocidad). Cuanto más precisamente se conoce una de estas propiedades, más incierta será la otra. Este principio es clave para comprender la naturaleza probabilística de los eventos cuánticos.

Superposición cuántica:

Las partículas en mecánica cuántica pueden existir en múltiples estados a la vez hasta que se realiza una medición. Esta propiedad se denomina superposición. Un ejemplo famoso es el experimento mental del gato de Schrödinger, donde un gato puede estar tanto vivo como muerto al mismo tiempo hasta que se observe.

Entrelazamiento cuántico:

Es un fenómeno en el que dos partículas pueden estar correlacionadas de tal manera que el estado de una influye instantáneamente en el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. Esto desafía la noción clásica de que la información solo puede viajar a la velocidad de la luz o más lenta, y ha sido comprobado experimentalmente.

Función de onda y probabilidad:

En la mecánica cuántica, el estado de una partícula se describe por una función de onda, que contiene toda la información sobre el sistema. La función de onda no nos da una ubicación exacta de la partícula, sino una distribución de probabilidades sobre dónde es probable encontrarla cuando se mida. La probabilidad está relacionada con el cuadrado de la amplitud de la función de onda.

Aplicaciones de la mecánica cuántica:

La mecánica cuántica ha permitido desarrollos tecnológicos clave como:

• Transistores y semiconductores, que son la base de la electrónica moderna.
• Láseres, utilizados en una amplia variedad de aplicaciones, desde medicina hasta telecomunicaciones.
• Criptografía cuántica, que permite comunicaciones ultraseguras.
• Computación cuántica, un campo emergente que promete una capacidad de procesamiento mucho mayor que las computadoras clásicas para ciertos tipos de problemas.

Resumen

En resumen, la mecánica cuántica describe el mundo a nivel subatómico, donde las leyes de la física clásica ya no se aplican, y se introducen fenómenos como la dualidad onda-partícula, la superposición, y el entrelazamiento. Esto ha cambiado profundamente nuestra comprensión de la naturaleza de la realidad.

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Simulación

Penetración Mecánico-Cuántica y Paquete de ondas

Dilatación del tiempo

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Enlaces externos para explorar

• Wikipedia en Español: WikipediaEnlace para explorar:
• Conceptos de Física: Hyperphysics
• Libros:
• Física Moderna de Paul A. Tipler
• Física Moderna – Raymond A. Serway
• NASA: Science Explorer Poster Series
• Physical Sciences Resource Center: PSRC
• Simulaciones: PhET
• Tutorial de Física en Inglés: Physics Classroom
• Concepto
• Equipos y laboratorio
• Revista Muy Interesante- El gato de Scrödinger

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Vídeos:

El gato de Scrodinger

Leyes de la mecánica cuántica y definición

Mecánica cuántica, Mecánica clásica y Relatividad

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