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Los principios fundamentales de la física cuántica como: La dualidad onda-partícula. El principio de incertidumbre de Heisenberg. La superposición cuántica. El entrelazamiento cuántico. La cuantización de la energía. El principio de exclusión de Pauli. El efecto túnel, describen el extraño comportamiento de la materia a nivel subatómico
La dualidad onda-partícula
La dualidad onda-partícula es un concepto fundamental de la física cuántica que establece que partículas subatómicas (como fotones, electrones) y la propia materia, exhiben propiedades tanto de partículas (localizadas, con masa) como de ondas (extendidas, con interferencia), dependiendo del experimento y cómo se observen, uniendo conceptos clásicos aparentemente opuestos en una naturaleza unificada y contextual. El experimento de la doble rendija demuestra este comportamiento, donde una misma partícula puede pasar por dos rendijas a la vez, interfiriendo consigo misma como una onda.
Puntos Clave:
Comportamiento dual: Entidades cuánticas (luz, electrones, átomos) actúan como partículas (bolitas con posición) y como ondas (patrones de interferencia).
Contexto: El comportamiento se manifiesta según el experimento: la luz se comporta como partícula (fotones) en el efecto fotoeléctrico y como onda en la difracción; los electrones, como partículas en un circuito, pero como ondas al pasar por un cristal.
Origen: Propuesta por Louis de Broglie en 1924, extendiendo la dualidad de la luz (propuesta por Einstein) a toda la materia, siendo comprobada experimentalmente poco después.
Función de Onda: La mecánica cuántica describe este comportamiento mediante la función de onda (
Ψcap psi
Ψ
), que no es una onda física clásica, sino una descripción matemática de las probabilidades de encontrar la partícula en un lugar y momento dado.
En resumen: No son ni una cosa ni la otra, sino que poseen ambas naturalezas a la vez, revelando una u otra según cómo interactuemos con ellas, lo que rompe con la lógica clásica.
El principio de incertidumbre de Heisenberg
El principio de incertidumbre de Heisenberg, formulado por Werner Heisenberg en 1927, establece que es imposible conocer simultáneamente y con precisión arbitraria ciertos pares de variables físicas, como la posición y el momento (velocidad) de una partícula subatómica. Matemáticamente,
Δx⋅Δp≥h4πdelta x center dot delta p is greater than or equal to the fraction with numerator h and denominator 4 pi end-fraction
Δ𝑥⋅Δ𝑝≥ℎ4𝜋 (donde
Δxdelta x
Δ𝑥 es incertidumbre de posición,
Δpdelta p
Δ𝑝 de momento y
hh
ℎ la constante de Planck).
Este video explica los conceptos básicos del principio de incertidumbre de Heisenberg:
54s
Fundamento: No es una limitación de los instrumentos de medición, sino una propiedad fundamental de la materia y su naturaleza ondulatoria.
Significado: Si se mide con alta precisión la posición de una partícula (
Δxdelta x
Δ𝑥 pequeño), se vuelve imposible conocer su momento o velocidad (
Δpdelta p
Δ𝑝
grande), y viceversa
.Variables conjugadas: Este principio aplica a pares de variables como la posición-momento o la energía-tiempo.
Consecuencia: A nivel subatómico, el determinismo clásico no aplica, siendo sustituido por descripciones estadísticas basadas en probabilidades.
El principio destaca que cuanto más definida está la posición de una partícula, menos definida está su dirección y velocidad, un concepto fundamental en la mecánica cuántica.
La superposición cuántica
La superposición cuántica es un principio fundamental de la mecánica cuántica donde una partícula subatómica puede existir en múltiples estados o lugares a la vez (como tener varias posiciones o energías simultáneamente) hasta que es observada o medida, momento en el cual "colapsa" a un único estado definido, una idea ilustrada por el experimento mental del gato de Schrödinger (vivo y muerto a la vez). Este fenómeno desafía la intuición clásica y permite que partículas como electrones y fotones se comporten como ondas y partículas, siendo la base para la computación cuántica.
Conceptos Clave
Estados Múltiples: Una partícula no tiene una propiedad definida (como posición o giro) hasta que se mide; en su lugar, existe en una combinación de todas las posibilidades a la vez.
Colapso de la Función de Onda: Al realizar una medición, la superposición se rompe y la partícula elige aleatoriamente uno de los estados posibles, como si la "mirada" lo forzara a decidirse.
Analogía de la Ruleta: Imagina una ruleta donde la bola está en todas las casillas simultáneamente; al detenerla (medirla), solo se queda en una.
Dualidad Onda-Partícula: La superposición explica cómo la luz y la materia pueden comportarse como ondas (extendidas) y partículas (localizadas).
Ejemplo y Significado
Experimento de Doble Rendija: Demuestra que la luz y la materia actúan como ondas (creando un patrón de interferencia) cuando no se observan, pero como partículas (pasando por una sola rendija) cuando sí se observan.
Gato de Schrödinger: Un famoso experimento mental que muestra lo absurdo de aplicar la superposición a objetos grandes, donde un gato estaría vivo y muerto hasta abrir la caja, mostrando el límite entre lo cuántico y lo clásico.
Implicaciones Tecnológicas: La superposición es crucial para el desarrollo de tecnologías cuánticas, como la computación cuántica, que utiliza estos estados para realizar cálculos complejos.
El entrelazamiento cuántico
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno donde dos o más partículas cuánticas quedan vinculadas de forma inseparable, compartiendo un destino común sin importar la distancia que las separe, de modo que la medición de una afecta instantáneamente a la otra. Fue descrito por Einstein como "acción fantasmal a distancia" (acción fantasmal a distancia) porque parece violar la velocidad de la luz, aunque no permite transmitir información más rápido que la luz. Es una propiedad fundamental de la mecánica cuántica, esencial para tecnologías como la computación y criptografía cuánticas, y fue validado experimentalmente porAspect, Clauser y Zeilinger, ganadores del Nobel de Física 2022.
Características clave
Conexión instantánea: Si mides una propiedad (como el espín) de una partícula entrelazada, la otra adquiere instantáneamente la propiedad opuesta, sin importar lo lejos que esté.
Unidad del sistema: Las partículas entrelazadas no tienen estados definidos individualmente, sino que forman un único sistema cuántico.
Base en la superposición: Surge del principio de superposición cuántica, donde una partícula puede estar en varios estados a la vez (ej. roja y verde simultáneamente).
No viola la relatividad: Aunque la correlación es instantánea, no se puede usar para enviar información más rápido que la luz; solo se descubre una correlación aleatoria al medir.
Ejemplo simplificado (los calcetines)
Imagina dos calcetines entrelazados, uno rojo y otro azul, con colores "indefinidos".
Superposición: Ambos calcetines existen en un estado de superposición (rojo/azul y azul/rojo).
Medición: Si separas los calcetines y mides el tuyo y resulta ser rojo, el otro debe ser azul instantáneamente, sin que nadie lo haya mirado aún.
Correlación: No hay comunicación, solo una correlación preexistente dentro de un sistema unificado que se "decide" al medir.
Origen y validación
Paradoja EPR (1935): Einstein, Podolski y Rosen lo propusieron para criticar la cuántica, pensando que la información se transmitía más rápido que la luz.
Teoría de Bell (1964): John Bell formuló una forma de probar experimentalmente si existía o no.
Experimentos (1980s-2022): Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger realizaron experimentos que confirmaron la realidad del entrelazamiento, recibiendo el Premio Nobel en 2022 por sus trabajos.
Aplicaciones
Computación cuántica: Para realizar cálculos complejos de forma mucho más rápida.
Criptografía cuántica: Para crear comunicaciones inquebrantables.
Teletransportación cuántica: Para transferir estados cuánticos.
La cuantización de la energía es el principio fundamental de la física cuántica que establece que la energía no es continua, sino que se intercambia en "paquetes" discretos llamados cuantos (o fotones), lo que significa que sistemas como átomos y moléculas solo pueden existir en niveles energéticos específicos y permitidos, no en valores intermedios. Estos saltos entre niveles liberan o absorben energía en cantidades exactas, como se observa en espectros atómicos, confirmado por experimentos como el de Franck y Hertz.
Conceptos Clave:
Discreción: A diferencia de la física clásica, la energía no es una rampa continua, sino una escalera con escalones fijos.
Cuantos (Fotones): Un fotón es el "paquete" elemental de energía electromagnética, cuya energía es
E=hfcap E equals h f
𝐸=ℎ𝑓
(dondehh
ℎ
es la constante de Planck yff
𝑓
es la frecuencia).Niveles de Energía: Los electrones en un átomo solo pueden ocupar órbitas con energías específicas (niveles cuánticos), como explica el modelo atómico de Bohr.
Transiciones Electrónicas: Un electrón salta a un nivel superior absorbiendo un cuanto de energía o cae a uno inferior emitiendo un fotón.
¿Cómo se Descubrió?
Planck (1900): Postuló que la energía se emite/absorbe en cuantos para explicar la radiación del cuerpo negro.
Einstein (Efecto Fotoeléctrico): Aplicó la idea de los cuantos para explicar cómo la luz (fotones) libera electrones de metales, ganando el Nobel.
Experimento de Franck y Hertz (1914): Demostró que los átomos de mercurio solo absorbían energía en múltiplos de 4.9 eV, confirmando la existencia de niveles discretos.
Importancia:
La cuantización de la energía es un pilar de la mecánica cuántica, esencial para entender la estructura atómica, la luz, los espectros de emisión/absorción y fenómenos como la superconductividad.
El Principio de Exclusión de Pauli
El Principio de Exclusión de Pauli, formulado por Wolfgang Pauli,
establece que no puede haber dos fermiones (como electrones, protones o neutrones) en un mismo sistema cuántico que tengan exactamente los mismos cuatro números cuánticos (
nn
𝑛,
ll
𝑙,
mlm sub l
𝑚𝑙,
msm sub s
𝑚𝑠); es decir, dos fermiones deben diferenciarse en al menos uno de sus estados cuánticos, lo que explica la estructura electrónica de los átomos y la estabilidad de la materia.
Conceptos Clave
Fermiones: Partículas con espín semientero (ej., +1/2 o -1/2), como los electrones.
Números Cuánticos: Describen el estado de un electrón en un átomo:
nn
𝑛 (principal): Nivel de energía
.ll
𝑙 (azimutal): Subnivel y forma del orbital.
mlm sub l
𝑚𝑙 (magnético): Orientación del orbital.
msm sub s
𝑚𝑠 (espín): Giro del electrón (+1/2 o -1/2).
En la Práctica (Electrones)
En un átomo, dos electrones pueden compartir el mismo orbital (mismos
n,l,mln comma l comma m sub l
𝑛,𝑙,𝑚𝑙), pero deben tener espines opuestos (uno +1/2 y el otro -1/2).
Esto significa que un orbital atómico solo puede albergar un máximo de dos electrones, uno con cada valor de espín posible.
Este video explica el principio de exclusión de Pauli con un ejemplo:
1m
Importancia y Consecuencias
Configuración electrónica: Determina cómo se llenan los niveles y subniveles de energía en los átomos.
Estabilidad de la materia: Impide que toda la materia colapse sobre sí misma, ya que los electrones no pueden ocupar el mismo estado.
Tabla Periódica: Explica la organización de los elementos y sus propiedades químicas.
Fenómenos astrofísicos: Es crucial para entender la materia degenerada en enanas blancas y estrellas de neutrones.
No Aplica a Bosones
El principio no se aplica a los bosones (como fotones), que tienen espín entero y pueden ocupar el mismo estado cuántico, como en los láseres.
El efecto túnel
El efecto túnel en conducción es la reducción drástica del campo de visión periférica debido a la alta velocidad, alcohol o fatiga. A más velocidad, la visión se estrecha y difumina los laterales, centrando el enfoque solo al frente, limitando la percepción de señales o peatones.
Detalles clave sobre el efecto túnel:
Reducción del ángulo: A alta velocidad, la visión periférica se pierde. A 65 km/h, el campo de visión baja a 70º, a 100 km/h se reduce a 42º, y a 150 km/h se reduce drásticamente a solo 18º.
Causas principales: Conducir a velocidades elevadas (generalmente a partir de 100-130 km/h), consumo de alcohol, fatiga, cansancio extremo y niveles altos de estrés.
Consecuencias:
Pérdida de la percepción de obstáculos, señales o vehículos en los lados, lo que reduce el margen de reacción ante imprevistos
.Cómo evitarlo: Circular a velocidades moderadas, respetar los límites, evitar el consumo de alcohol y descansar adecuadamente antes de conducir.
Existe también el efecto túnel en física cuántica, que es un fenómeno donde una partícula atraviesa una barrera de energía que, según la física clásica, sería imposible superar.
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