A l'institut estem acostumats a estudiar física. No obstant això hi ha un tipus de física a què potser no hi està acostumat el meu ha de conèixer tothom. Es tracta de la física quàntica. Molts no saben què és la física quàntica. És un tema molt debatut i fascinant que pot revolucionar la idea que tenim de l´univers que ens envolta. Es tracta de la teoria de la física que descriu el comportament de la matèria i que té a més diverses aplicacions a la vida quotidiana.
Per això, en aquest article explicarem què és la física quàntica i quines són les seves característiques.
Què és la física quàntica
La física quàntica també s'anomena teoria quàntica o mecànica. Perquè es basa en una teoria mecànica que se centra a l'escala de longituds i els fenòmens de l'energia atòmica i subatòmica, donant nova vida a teories anteriors, que ara es consideren obsoletes.
Quina és la diferència entre la física clàssica i la física quàntica? Aquest darrer descriu la radiació i la matèria com a fenòmens duals: ones i partícules. Per tant, la dualitat ona-partícula es pot considerar una de les característiques d'aquesta mecànica. La relació entre ones i partícules s'estudia i es confirma a través de dos principis:
- El principi de complementarietat
- Principi d'incertesa de Heisenberg (aquest últim formalitza el primer).
Certament podem estar segurs que, després del descobriment de la teoria de la relativitat i el naixement de la física clàssica, aquests coneixements van marcar el començament duna nova era, la física moderna. Per estudiar la mecànica quàntica de manera integral, cal una integració entre diferents sectors de la física:
- Física atòmica
- Partícules físiques
- Física de la matèria
- Física nuclear
Origen
La física clàssica no va poder estudiar la matèria a nivell micro a finals del segle XIX, cosa que es pot dir que està més enllà de l'abast del mesurament atòmic. Per tant, és impossible estudiar la realitat experimental, especialment els fenòmens relacionats amb la llum i els electrons. Però la gent sempre vol anar més lluny, i la curiositat innata l'impulsa a explorar més.
A principis del segle XX, els descobriments que van sorgir de l'escala atòmica van desafiar vells supòsits. La teoria quàntica va néixer gràcies a un terme encunyat per l'acadèmic Max Planck a principis del segle XX. El concepte bàsic és que la magnitud microscòpica i la quantitat d'alguns sistemes físics poden canviar fins i tot de manera discontínua però discreta.
Aquests són els estudis i investigacions que van fer possible arribar a aquestes conclusions:
- 1803: reconeixement dels àtoms com a element constituent de molècules
- 1860: la taula periòdica agrupa els àtoms per propietats químiques
- 1874: descobriment de l'electró i el nucli
- 1887: estudis sobre radiació ultraviolada
La darrera data pot marcar la línia divisòria principal. Per a freqüències de radiació per sota del llindar, el fenomen dinteracció (efecte fotoelèctric) entre la radiació electromagnètica i la matèria desapareix. A causa de l'efecte fotoelèctric, l'energia dels electrons és proporcional a la freqüència de la radiació electromagnètica. La teoria de les ones de Maxwell ja no és suficient per explicar certs fenòmens.
teoria quàntica
Per resumir els factors que van contribuir al naixement de la física quàntica, podem enumerar dates més importants que estan associades amb descobriments i coneixements utilitzats per rastrejar la història de la mecànica quàntica:
- 1900: Planck introduïx la idea que l'energia es quantifica, s'absorbeix i s'emet.
- 1905: Einstein demostra l'efecte fotoelèctric (l'energia del camp electromagnètic és transportada per quants de llum (fotons)
- 1913: Bohr quantifica el moviment orbital de l'electró.
- 1915: Sommerfeld introdueix noves regles, generalitzant els mètodes de quantificació.
Però va ser a partir del 1924 que la teoria quàntica, tal com la coneixem ara, va establir les bases. En aquest dia, Louise de Broggie va desenvolupar la teoria de les ones de matèria. L'any següent, Heinsburg es va fer càrrec, va formular la mecànica matricial i després Dirac va proposar la teoria especial de la relativitat el 1927. Fins al 1982, quan l'Institut d'Òptica d'Orsay va completar la seva investigació de la violació de la desigualtat de Bell, aquests descobriments van continuar l'un darrere l'altre.
Principis de la física quàntica
Entre els descobriments més fascinants trobem:
- Dualitat ona-partícula
- Principi de complementarietat
- Principi d'incertesa
Dualisme ona-partícula
Abans només existia la física clàssica. Aquest es va dividir en dos grups de lleis:
- Lleis de Newton
- Lleis de Maxwell
El primer conjunt de lleis descriu el moviment i la dinàmica dels objectes mecànics, mentre que el segon conjunt de lleis descriu les tendències i connexions entre els subjectes que formen part dels camps electromagnètics: la llum i les ones de ràdio, Per exemple.
Alguns experiments mostren que es pot pensar a la llum com una ona. Però no han estat confirmats. D'altra banda, la llum té naturalesa de partícula (d'Einstein i Planck) i, per tant, la idea que està composta de fotons ha guanyat cada cop més legitimitat. Gràcies a Bohr es va entendre que la naturalesa de la matèria i la radiació eren:
- Que sigui una onada
- Que sigui un cos
Ja no era possible pensar des d'una o altra perspectiva, sinó des d'una perspectiva complementària. El principi complementari de Bohr només emfatitza aquest punt, és a dir, els fenòmens que tenen lloc a escala atòmica tenen les propietats duals d'ones i partícules.
Principi d'incertesa de Heinsenberg
Com esmentem anteriorment el 1927, Heinsenberg va demostrar que certs parells de quantitats físiques, com la velocitat i la posició, no es poden registrar simultàniament sense error. La precisió pot afectar un dels dos mesuraments, però no tots dos alhora, perquè fenòmens com la velocitat afectaran l'altre resultat del mesurament i invalidaran el mesurament.
Per localitzar l'electró, cal il·luminar un fotó. Com més curta sigui la longitud d'ona del fotó, més precisa serà el mesurament de la posició de l'electró. En física quàntica, la freqüència d'ona baixa dels fotons transporta més energia i velocitat de què absorbeixen els electrons. Alhora, aquestes mesures no es poden determinar.
Espero que amb aquesta informació puguin conèixer més sobre què és la física quàntica i quines en són les característiques.