Cómo entender física cuántica

La física cuántica (mejor conocida como la teoría cuántica o mecánica cuántica) es una rama de la física que da una descripción del comportamiento y de la interacción de la materia y la energía en la escala de las partículas subatómicas, fotones y ciertos materiales a temperaturas muy bajas. El reino cuántico está definido como estar donde está la "acción" (o algunas veces el momento angular) de la partícula dentro de algunas órdenes de magnitud de una constante física diminuta llamada constante de Plank.

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En la mecánica cuántica, la acción cuántica es la constante de Plank, generalmente escrita como h. De la misma manera, para la interacción de las partículas subatómicas, el cuantio del momento angular es la constante de Plank reducida (la constante de Plank dividida entre 2π) escrito como ħ y llamado "barra h". Observa que el valor de la constante de Plank es extremadamente pequeño, que sus unidades son aquellas del momento angular, y que la noción de la acción es el concepto matemático más general. Como el nombre de mecánica cuántica implica, ciertas cantidades físicas como momento angular pueden cambiar solamente en cantidades discretas, y no de manera continua (cf. análogo). Por ejemplo, el momento angular de un electrón unido a un átomo o molécula está cuantizada y sólo puede tener valores que sean múltiplos de la constante de Planck reducida. Esta cuantización da lugar a orbitales de electrones de una serie de números enteros del número cuántico principal. En contraste, el momento angular de un electrón sin unir no está cuantizado. La constante de Planck también juega un papel en la teoría cuántica de la luz, donde el cuantio de luz es el fotón y donde la materia y la energía interactúan a través de la transición de electrones atómicos o "salto" del electrón enlazado. Las unidades de la constante de Planck también se pueden ver como la energía por el tiempo. Por ejemplo, en el tema de la física de partículas, la noción de partículas virtuales son partículas de gran masa que aparecen espontáneamente del vacío por una pequeña fracción de una sección y juegan un papel en la interacción de las partículas. El límite de vida de estas partículas virtuales es la energía (masa) de la partícula por ese tiempo de vida. La mecánica cuántica es un tema grande, pero cada parte de sus matemáticas involucra a la constante de Planck.
A pesar de que el electrón libre muestra algunas propiedades cuánticas (tales como el giro), al acercarse el electrón no unido al átomo disminuye su velocidad (tal vez por los fotones emisores de luz), y experimenta una transición desde el comportamiento clásico hasta el cuántico mientras su energía desciende por debajo de la energía de ionización. El electrón enlaza al átomo y su momento angular con respecto al núcleo atómico se limita a los valores cuantizados de los orbitales que puede ocupar. La transición es repentina. Uno podría comparar esta transición con el de un sistema mecánico que cambia desde una visualización inestable a un comportamiento estable o desde una visualización simple a un comportamiento caótico, o incluso un cohete en desaceleración y que va debajo de la velocidad de escape y entra en órbita alrededor de una estrella u otro objeto celeste. En contraste, los fotones (que no tienen masa) no pasan por esa transición: los fotones sólo viajan a través del espacio sin cambios hasta que interactúan con otras partículas y luego desaparecen. Al ver hacia el cielo nocturno, los fotones de alguna estrella viajaron a través de años luz de espacio sin cambios y luego interactuaron con un electrón en una molécula de tu retina, transfirieron su energía y luego desaparecieron.
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Estas son algunas de las nuevas ideas presentadas en la teoría cuántica:
1. El reino cuántico sigue unas reglas muy diferentes a las del mundo cotidiano que experimentamos.
2. La acción (o momento angular) no es continua, sino que viene en pequeñas pero discretas unidades.
3. Las partículas elementales se comportan como partículas y como ondas.
4. El movimiento de una partícula específica es inherentemente al azar y sólo puede predecirse en términos de probabilidades.
5. Es físicamente imposible medir simultáneamente la posición y el momento de una partícula más allá de la precisión permitida por la constante de Planck. El más preciso es conocido, y es menos precisa la medición del otro.
Postula que toda la materia tiene propiedades tanto de onda como de partícula. Un concepto central de la mecánica cuántica, esta dualidad se refiere a la incapacidad de los conceptos clásicos como "partícula" y "onda" para describir completamente el comportamiento de los objetos a escala cuántica. Para un conocimiento completo de la dualidad de la materia, hay que tener conceptos del efecto Compton, efecto fotoeléctrico, longitud de onda de Broglie, y la fórmula de Planck para la radiación del cuerpo negro. Todos estos efectos y teorías demuestran la doble naturaleza de la materia. Hay diferentes experimentos para la luz de científicos que demuestran que la luz tiene naturaleza dual, es decir de partículas, así como de naturaleza de onda ... En 1901, Max Planck publicó un análisis que logró reproducir el espectro observado de la luz emitida por un objeto brillante. Para lograr esto, Planck tuvo que hacer un supuesto matemático ad hoc de acción cuantizada de los osciladores (átomos del cuerpo negro) que emiten radiación. Fue Einstein quien propuso más tarde que es la propia radiación electromagnética la que está cuantizada en fotones.
El principio de incertidumbre establece que ciertos pares de propiedades físicas, como la posición y el momento, no se pueden conocer simultáneamente a una precisión arbitrariamente alta. En la física cuántica, una partícula se describe como un paquete de ondas, lo que da lugar a este fenómeno. Considera la medición de la posición de una partícula. Podría estar en cualquier parte. El paquete de onda de la partícula tiene una amplitud distinta de cero, es decir, la posición es incierta, podría estar en cualquier parte a lo largo del paquete de ondas. Para obtener una lectura precisa de la posición, este paquete de ondas debe ser "comprimido" lo más que sea posible, lo que significa que debe estar compuesto de un número creciente de ondas sinusoidales que estén juntas. El momento de la partícula es proporcional al número de onda de una de estas ondas, pero podría ser cualquiera de ellas. Así que una medida de posición más precisa, al sumar más olas, significa que la medición del momento se vuelve menos preciso (y viceversa).
Una función de onda o la función de onda es una herramienta matemática de la mecánica cuántica, que describe el estado cuántico de una partícula o sistema de partículas. Se aplica comúnmente como una propiedad de las partículas en relación con su dualidad onda-partícula, donde se denota ψ (posición, tiempo) y donde |ψ|² es igual a la probabilidad de encontrar el objeto en un momento y posición determinado. Por ejemplo, en un átomo con un solo electrón, tal como hidrógeno o helio ionizado, la función de onda del electrón proporciona una descripción completa de cómo se comporta el electrón. Puede descomponerse en una serie de orbitales atómicos que forman una base para las funciones de onda posibles. Para átomos con más de un electrón (o cualquier sistema con múltiples partículas), el espacio subyacente son las posibles configuraciones de todos los electrones y la función de onda describe las probabilidades de esas configuraciones. En la solución de problemas de tarea que involucran la función de onda, la familiaridad con los números complejos es un requisito previo. Otros requisitos incluyen los cálculos de álgebra lineal, la fórmula de Euler de un análisis complejo y la notación bra-ket.
Es una ecuación que describe cómo el estado cuántico de un sistema físico cambia con el tiempo. Es un elemento central de la mecánica cuántica al igual que las leyes de Newton son para la mecánica clásica. Las soluciones a la ecuación de Schrödinger describen no sólo los sistemas moleculares, atómicos y subatómicos, sino también los sistemas macroscópicos, posiblemente incluso el universo entero. La forma más general es la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo que da una descripción de un sistema en evolución con el tiempo. Para los sistemas en un estado estacionario, la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo es suficiente. Las soluciones aproximadas a la independiente del tiempo. La ecuación de Schrödinger se utiliza comúnmente para calcular los niveles de energía y otras propiedades de los átomos y moléculas.
La superposición cuántica se refiere a la propiedad de la mecánica cuántica de soluciones de la ecuación de Schrödinger. Puesto que la ecuación de Schrödinger es lineal, cualquier combinación lineal de soluciones a una ecuación particular, también será una solución de ella. Esta propiedad matemática de las ecuaciones lineares es conocida como el principio de la superposición. En la mecánica cuántica tales soluciones se hacen a menudo para ser ortogonales, tales como los niveles de energía de un electrón. De esta manera la energía en superposición de los estados es anulado, y el valor esperado de un operador (cualquier estado de superposición) es el valor esperado del operador en los estados individuales, multiplicado por la fracción del estado de superposición que está "en" ese estado.
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Consejos

Existen lecturas de mecánica cuántica en YouTube. Puedes ver: http://www.youtube.com/education?category=University/Science/Physics/Quantum%20Mechanics
Algunos de los requisitos para Física Cuántica incluyen los conceptos de la mecánica clásica, las propiedades hamiltonianas y las diferentes propiedades de las ondas como la interferencia, difracción, etc. Consulta los libros de texto correspondientes y libros de referencia o pregunta a tu profesor de física. Uno debe tener una sólida comprensión de la física de secundaria y los requisitos previos a la física de la secundaria. Tendrás que aprender matemáticas de nivel universitario también. Puedes darte una idea con la tabla de contenidos de Schaums Outline.
Resuelve problemas numéricos de la física de secundaria como práctica para resolver los cálculos de la física cuántica.

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