La historia de la mecánica cuántica es parte fundamental de la historia de la física moderna . La historia de la mecánica cuántica, ya que se entrelaza con la historia de la química cuántica , comenzó esencialmente con varios descubrimientos científicos diferentes: el descubrimiento de los rayos catódicos en 1838 por Michael Faraday ; la declaración de invierno de 1859-1860 sobre el problema de la radiación del cuerpo negro de Gustav Kirchhoff ; la sugerencia de 1877 de Ludwig Boltzmann de que los estados de energía de un sistema físico podrían ser discretos ; el descubrimiento del efecto fotoeléctrico porHeinrich Hertz en 1887; y la hipótesis cuántica de 1900 de Max Planck de que cualquier sistema atómico que irradia energía teóricamente se puede dividir en un número de "elementos de energía" discretos ε (letra griega épsilon ) de modo que cada uno de estos elementos de energía es proporcional a la frecuencia ν con la que cada de ellos irradian energía individualmente , según se define mediante la siguiente fórmula:
donde h es un valor numérico llamado constante de Planck .
Luego, Albert Einstein en 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico previamente informado por Heinrich Hertz en 1887, postuló consistentemente con la hipótesis cuántica de Max Planck de que la luz misma está compuesta de partículas cuánticas individuales, que en 1926 llegaron a ser llamadas fotones por Gilbert N. Lewis . El efecto fotoeléctrico se observó al hacer brillar la luz de longitudes de onda particulares sobre ciertos materiales, como los metales, lo que provocó la expulsión de electrones de esos materiales solo si la energía cuántica de la luz era mayor que la función de trabajo de la superficie del metal.
La frase "mecánica cuántica" fue acuñada (en alemán, Quantenmechanik ) por un grupo de físicos que incluía a Max Born , Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli , en la Universidad de Göttingen a principios de la década de 1920, y se utilizó por primera vez en el artículo de 1924 de Born "Zur Quantenmechanik " . [1] En los años siguientes, esta base teórica comenzó a aplicarse lentamente a la estructura química , la reactividad y la unión .
Descripción general
Ludwig Boltzmann sugirió en 1877 que los niveles de energía de un sistema físico, como una molécula , podrían ser discretos (en oposición a continuos). Fue fundador de la Sociedad Austriaca de Matemáticas , junto con los matemáticos Gustav von Escherich y Emil Müller . El fundamento de Boltzmann para la presencia de niveles de energía discretos en moléculas como las del yodo gaseoso tuvo su origen en sus teorías de termodinámica estadística y mecánica estadística y fue respaldado por argumentos matemáticos , como también sería el caso veinte años después con la primera teoría cuántica. presentado por Max Planck .
En 1900, el físico alemán Max Planck introdujo a regañadientes la idea de que la energía se cuantifica con el fin de derivar una fórmula para la dependencia de frecuencia observada de la energía emitida por un cuerpo negro , llamada ley de Planck , que incluía una distribución de Boltzmann (aplicable en la versión clásica límite). La ley de Planck [2] se puede enunciar de la siguiente manera: dónde:
- I ( ν , T ) es la energía por unidad de tiempo (o la potencia ) radiada por unidad de área de la superficie emisora en la dirección normal por unidad de ángulo sólido por unidad de frecuencia por un cuerpo negro a la temperatura T ;
- h es la constante de Planck ;
- c es la velocidad de la luz en el vacío;
- k es la constante de Boltzmann ;
- ν ( nu ) es la frecuencia de la radiación electromagnética; y
- T es la temperatura del cuerpo en kelvin .
La aproximación de Wien anterior puede derivarse de la ley de Planck asumiendo.
Además, la aplicación de la teoría cuántica de Planck al electrón permitió a Ștefan Procopiu en 1911-1913, y posteriormente a Niels Bohr en 1913, calcular el momento magnético del electrón , que más tarde se denominó " magneton "; Posteriormente, se hicieron posibles cálculos cuánticos similares, pero con valores numéricamente bastante diferentes, tanto para los momentos magnéticos del protón como del neutrón, que son tres órdenes de magnitud más pequeños que el del electrón.
Efecto fotoeléctrico | |
El efecto fotoeléctrico informado por Heinrich Hertz en 1887 , | |
y explicado por Albert Einstein en 1905 . | |
Fenómenos de baja energía: efecto fotoeléctrico | |
Fenómenos de energía media: dispersión de Compton | |
Fenómenos de alta energía: producción de pares |
En 1905, Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico postulando que la luz, o más generalmente toda la radiación electromagnética , se puede dividir en un número finito de "cuantos de energía" que son puntos localizados en el espacio. De la sección de introducción de su artículo cuántico de marzo de 1905, "Sobre un punto de vista heurístico sobre la emisión y transformación de la luz", Einstein afirma:
"De acuerdo con el supuesto que se contempla aquí, cuando un rayo de luz se extiende desde un punto, la energía no se distribuye continuamente en espacios cada vez mayores, sino que consiste en un número finito de 'cuantos de energía' que se localizan en puntos en el espacio. , se mueven sin dividirse, y pueden ser absorbidos o generados solo como un todo ".
Esta declaración ha sido llamada la oración más revolucionaria escrita por un físico del siglo XX. [3] Estos cuantos de energía más tarde se llamaron " fotones ", un término introducido por Gilbert N. Lewis en 1926. La idea de que cada fotón tenía que consistir en energía en términos de cuantos fue un logro notable; resolvió eficazmente el problema de la radiación del cuerpo negro que alcanzaba una energía infinita , lo que ocurría en teoría si la luz se explicara sólo en términos de ondas. En 1913, Bohr explicó las líneas espectrales del átomo de hidrógeno , nuevamente utilizando la cuantificación, en su artículo de julio de 1913 Sobre la constitución de átomos y moléculas .
Estas teorías, aunque exitosas, fueron estrictamente fenomenológicas : durante este tiempo, no hubo una justificación rigurosa para la cuantificación , aparte, quizás, de la discusión de Henri Poincaré sobre la teoría de Planck en su artículo de 1912 Sur la théorie des quanta . [4] [5] Se conocen colectivamente como la antigua teoría cuántica .
La frase "física cuántica" se utilizó por primera vez en el Universo de Planck a la luz de la física moderna de Johnston (1931).
En 1923, el físico francés Louis de Broglie propuso su teoría de las ondas de materia al afirmar que las partículas pueden exhibir características de onda y viceversa. Esta teoría fue para una sola partícula y se derivó de la teoría de la relatividad especial . Sobre la base del enfoque de De Broglie, la mecánica cuántica moderna nació en 1925, cuando los físicos alemanes Werner Heisenberg , Max Born y Pascual Jordan [6] [7] desarrollaron la mecánica matricial y el físico austriaco Erwin Schrödinger inventó la mecánica ondulatoria y la no relativista. Ecuación de Schrödinger como aproximación al caso generalizado de la teoría de De Broglie. [8] Schrödinger demostró posteriormente que los dos enfoques eran equivalentes.
Heisenberg formuló su principio de incertidumbre en 1927, y la interpretación de Copenhague comenzó a tomar forma aproximadamente al mismo tiempo. Alrededor de 1927, Paul Dirac inició el proceso de unificación de la mecánica cuántica con la relatividad especial al proponer la ecuación de Dirac para el electrón . La ecuación de Dirac logra la descripción relativista de la función de onda de un electrón que Schrödinger no pudo obtener. Predice el espín del electrón y llevó a Dirac a predecir la existencia del positrón . También fue pionero en el uso de la teoría del operador, incluida la influyente notación bra-ket , como se describe en su famoso libro de texto de 1930. Durante el mismo período, el erudito húngaro John von Neumann formuló la rigurosa base matemática de la mecánica cuántica como la teoría de los operadores lineales en los espacios de Hilbert, como se describe en su igualmente famoso libro de texto de 1932 . Estas, como muchas otras obras del período fundacional, aún se mantienen y siguen siendo ampliamente utilizadas.
El campo de la química cuántica fue iniciado por los físicos Walter Heitler y Fritz London , quienes publicaron un estudio del enlace covalente de la molécula de hidrógeno en 1927. La química cuántica fue desarrollada posteriormente por un gran número de trabajadores, incluido el químico teórico estadounidense Linus Pauling en Caltech y John C. Slater en varias teorías como la Teoría de la Orbital Molecular o la Teoría de la Valencia.
A partir de 1927, los investigadores intentaron aplicar la mecánica cuántica a campos en lugar de partículas individuales, lo que resultó en teorías cuánticas de campos . Los primeros trabajadores en esta área incluyen a PAM Dirac , W. Pauli , V. Weisskopf y P. Jordan . Esta área de investigación culminó con la formulación de la electrodinámica cuántica por RP Feynman , F. Dyson , J. Schwinger y S. Tomonaga durante la década de 1940. La electrodinámica cuántica describe una teoría cuántica de los electrones , los positrones y el campo electromagnético , y sirvió como modelo para las teorías de campos cuánticos posteriores . [6] [7] [9]
La teoría de la cromodinámica cuántica se formuló a principios de la década de 1960. La teoría tal como la conocemos hoy fue formulada por Politzer , Gross y Wilczek en 1975.
Basándose en el trabajo pionero de Schwinger , Higgs y Goldstone , los físicos Glashow , Weinberg y Salam demostraron de forma independiente cómo la fuerza nuclear débil y la electrodinámica cuántica podían fusionarse en una sola fuerza electrodébil , por lo que recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 .
Experimentos fundadores
- Thomas Young 's experimento de doble rendija demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz. (hacia 1801)
- Henri Becquerel descubre la radiactividad . (1896)
- Experimentos del tubo de rayos catódicos de JJ Thomson (descubre el electrón y su carga negativa). (1897)
- El estudio de la radiación de cuerpo negro entre 1850 y 1900, que no podría explicarse sin conceptos cuánticos.
- El efecto fotoeléctrico : Einstein lo explicó en 1905 (y luego recibió un premio Nobel por ello) utilizando el concepto de fotones, partículas de luz con energía cuantificada.
- El experimento de la gota de aceite de Robert Millikan , que mostró que la carga eléctrica se produce como cuantos (unidades enteras). (1909)
- El experimento de la lámina de oro de Ernest Rutherford refutó el modelo de pudín de ciruela del átomo que sugería que la masa y la carga positiva del átomo están distribuidas casi uniformemente. Esto llevó al modelo planetario del átomo (1911).
- El experimento de colisión de electrones de James Franck y Gustav Hertz muestra que la absorción de energía por los átomos de mercurio está cuantificada. (1914)
- Otto Stern y Walther Gerlach llevan a cabo el experimento de Stern-Gerlach , que demuestra la naturaleza cuantizada del giro de las partículas . (1920)
- Clinton Davisson y Lester Germer demuestran la naturaleza ondulatoria del electrón [10] en el experimento de difracción de electrones . (1927)
- Clyde L. Cowan y Frederick Reines confirman la existencia del neutrino en el experimento de neutrinos . (1955)
- El experimento de doble rendija de Clauss Jönsson con electrones. (1961)
- El efecto Hall cuántico , descubierto en 1980 por Klaus von Klitzing . La versión cuantificada del efecto Hall ha permitido la definición de un nuevo estándar práctico para la resistencia eléctrica y una determinación independiente extremadamente precisa de la constante de estructura fina .
- La verificación experimental del entrelazamiento cuántico por John Clauser y Stuart Freedman . (1972)
- El experimento del interferómetro Mach-Zehnder realizado por Paul Kwiat, Harold Wienfurter, Thomas Herzog, Anton Zeilinger y Mark Kasevich, que proporcionó una verificación experimental del probador de bombas Elitzur-Vaidman , demostró que es posible realizar mediciones sin interacción . (1994)
Ver también
- Edad de oro de la física
- Los experimentos mentales de Einstein
- Historia de la teoría cuántica de campos
- Historia de la quimica
- Historia de la molécula
- Historia de la termodinámica
- Cronología de la física atómica y subatómica
Referencias
- ↑ Max Born, My Life: Recollections of a Nobel Laureate , Taylor & Francis, London, 1978. ("Nos convencimos cada vez más de que era necesario un cambio radical de los fundamentos de la física, es decir, un nuevo tipo de mecánica para la cual usamos el término mecánica cuántica. Esta palabra aparece por primera vez en la literatura física en un artículo mío ... ")
- ^ M. Planck (1914). La teoría de la radiación térmica , segunda edición, traducida por M. Masius, Blakiston Son & Co, Filadelfia, págs. 22, 26, 42–43.
- ^ Folsing, Albrecht (1997), Albert Einstein: una biografía , trad. Ewald Osers , vikingo
- ^ McCormmach, Russell (primavera de 1967), "Henri Poincaré y la teoría cuántica", Isis , 58 (1): 37–55, doi : 10.1086 / 350182
- ^ Irons, FE (agosto de 2001), "La prueba de discontinuidad cuántica de Poincaré de 1911-12 interpretada como aplicada a los átomos", American Journal of Physics , 69 (8): 879-84, Bibcode : 2001AmJPh..69..879I , doi : 10.1119 / 1.1356056
- ↑ a b David Edwards, The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics , Synthese, Volumen 42, Número 1 / septiembre de 1979, págs. 1-70.
- ^ a b D. Edwards, Los fundamentos matemáticos de la teoría cuántica de campos: fermiones, campos de calibre y supersimetría, parte I: teorías del campo de celosía , International J. of Theor. Phys., Vol. 20, N ° 7 (1981).
- ^ Hanle, PA (diciembre de 1977), "La reacción de Erwin Schrodinger a la tesis de Louis de Broglie sobre la teoría cuántica", Isis , 68 (4): 606–09, doi : 10.1086 / 351880
- ^ S. Auyang, ¿Cómo es posible la teoría cuántica de campos? , Oxford University Press, 1995.
- ^ El experimento de Davisson-Germer, que demuestra la naturaleza ondulatoria del electrón
Otras lecturas
- Bacciagaluppi, Guido; Valentini, Antony (2009), Teoría cuántica en la encrucijada: reconsideración de la conferencia Solvay de 1927 , Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press, p. 9184, arXiv : quant-ph / 0609184 , Bibcode : 2006quant.ph..9184B , ISBN 978-0-521-81421-8, OCLC 227191829
- Bernstein, Jeremy (2009), Saltos cuánticos , Cambridge, Massachusetts: Belknap Press de Harvard University Press, ISBN 978-0-674-03541-6
- Cramer, JG (2015). El apretón de manos cuántico: entrelazamiento, no localidad y transacciones . Springer Verlag. ISBN 978-3-319-24642-0.
- Greenberger, Daniel, Hentschel, Klaus , Weinert, Friedel (Eds.) Compendio de física cuántica . Conceptos, experimentos, historia y filosofía , Nueva York: Springer, 2009. ISBN 978-3-540-70626-7 .
- Jammer, Max (1966), El desarrollo conceptual de la mecánica cuántica , Nueva York: McGraw-Hill, OCLC 534562
- Jammer, Max (1974), La filosofía de la mecánica cuántica: Las interpretaciones de la mecánica cuántica en perspectiva histórica , Nueva York: Wiley, ISBN 0-471-43958-4, OCLC 969760
- F. Bayen, M. Flato, C. Fronsdal, A. Lichnerowicz y D. Sternheimer, Teoría de la deformación y cuantificación I y II, Ann. Phys. (NY) , 111 (1978) págs. 61-151.
- D. Cohen, Introducción al espacio de Hilbert y la lógica cuántica , Springer-Verlag, 1989. Ésta es una introducción completa y bien ilustrada.
- Finkelstein, D. (1969), Materia, espacio y lógica , Boston Studies in the Philosophy of Science, V , p. 1969, doi : 10.1007 / 978-94-010-3381-7_4 , ISBN 978-94-010-3383-1.
- A. Gleason. Medidas en los subespacios cerrados de un espacio de Hilbert, Journal of Mathematics and Mechanics , 1957.
- R. Kadison. Isometrías de álgebras de operadores, Annals of Mathematics , vol. 54, págs. 325–38, 1951
- G. Ludwig. Fundamentos de la mecánica cuántica , Springer-Verlag, 1983.
- G. Mackey. Fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica , WA Benjamin, 1963 (reimpresión en rústica de Dover 2004).
- R. Omnès. Understanding Quantum Mechanics , Princeton University Press, 1999. (Analiza cuestiones lógicas y filosóficas de la mecánica cuántica, con especial atención a la historia del tema).
- N. Papanikolaou. Razonamiento formal sobre los sistemas cuánticos: una descripción general , ACM SIGACT News, 36 (3), págs. 51–66, 2005.
- C. Piron. Fundamentos de la física cuántica , WA Benjamin, 1976.
- Hermann Weyl. La teoría de los grupos y la mecánica cuántica , Publicaciones de Dover, 1950.
- A. Whitaker. La nueva era cuántica: del teorema de Bell a la computación cuántica y la teletransportación , Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-958913-5
- Stephen Hawking. Los sueños de los que están hechas las cosas , Running Press, 2011, ISBN 978-0-76-243434-3
- A. Douglas Stone. Einstein and the Quantum, the Quest of the Valiant Swabian , Princeton University Press, 2006.
- Richard P. Feynman. QED: La extraña teoría de la luz y la materia . Princeton University Press, 2006. Imprimir.
enlaces externos
- Una historia de la mecánica cuántica
- Una breve historia de la mecánica cuántica
- Página de inicio del proyecto de historia cuántica