La mecánica cuántica es una teoría fundamental en física que proporciona una descripción de las propiedades físicas de la naturaleza a escala de átomos y partículas subatómicas . [2] : 1.1 Es la base de toda la física cuántica, incluida la química cuántica , la teoría cuántica de campos , la tecnología cuántica y la ciencia de la información cuántica .
La física clásica , la colección de teorías que existían antes del advenimiento de la mecánica cuántica, describe muchos aspectos de la naturaleza a una escala ordinaria ( macroscópica ), pero no es suficiente para describirlos a escalas pequeñas (atómicas y subatómicas ). La mayoría de las teorías de la física clásica se pueden derivar de la mecánica cuántica como una aproximación válida a gran escala (macroscópica). [3]
La mecánica cuántica se diferencia de la física clásica en que la energía , el momento , el momento angular y otras cantidades de un sistema ligado están restringidas a valores discretos ( cuantificación ), los objetos tienen características tanto de partículas como de ondas ( dualidad onda-partícula ) y existen límites. a la precisión con la que se puede predecir el valor de una cantidad física antes de su medición, dado un conjunto completo de condiciones iniciales (el principio de incertidumbre ).
La mecánica cuántica surgió gradualmente a partir de teorías para explicar observaciones que no podían conciliarse con la física clásica, como la solución de Max Planck en 1900 al problema de la radiación del cuerpo negro , y la correspondencia entre energía y frecuencia en el artículo de 1905 de Albert Einstein que Explicó el efecto fotoeléctrico . Estos primeros intentos de comprender los fenómenos microscópicos, ahora conocidos como la " vieja teoría cuántica ", llevaron al desarrollo completo de la mecánica cuántica a mediados de la década de 1920 por Niels Bohr , Erwin Schrödinger , Werner Heisenberg , Max Born.y otros. La teoría moderna está formulada en varios formalismos matemáticos especialmente desarrollados . En uno de ellos, una entidad matemática llamada función de onda proporciona información, en forma de amplitudes de probabilidad , sobre lo que pueden producir las mediciones de la energía, el momento y otras propiedades físicas de una partícula.
La mecánica cuántica permite el cálculo de propiedades y comportamiento de sistemas físicos. Normalmente se aplica a sistemas microscópicos: moléculas, átomos y partículas subatómicas. Se ha demostrado que es válido para moléculas complejas con miles de átomos, [4] pero su aplicación a los seres humanos plantea problemas filosóficos, como el amigo de Wigner , y su aplicación al universo en su conjunto sigue siendo especulativa. [5] Las predicciones de la mecánica cuántica se han verificado experimentalmente con un grado de precisión extremadamente alto . [nota 1]
Una característica fundamental de la teoría es que, por lo general, no puede predecir con certeza lo que sucederá, sino solo ofrecer probabilidades. Matemáticamente, una probabilidad se encuentra tomando el cuadrado del valor absoluto de un número complejo , conocido como amplitud de probabilidad. Esto se conoce como la regla de Born , que lleva el nombre del físico Max Born . Por ejemplo, una partícula cuántica como un electrón puede describirse mediante una función de onda , que asocia a cada punto del espacio una amplitud de probabilidad. Al aplicar la regla de Born a estas amplitudes se obtiene una función de densidad de probabilidadpara la posición que se encontrará que tiene el electrón cuando se realice un experimento para medirlo. Esto es lo mejor que puede hacer la teoría; no puede decir con certeza dónde se encontrará el electrón. La ecuación de Schrödinger relaciona la colección de amplitudes de probabilidad que pertenecen a un momento de tiempo con la colección de amplitudes de probabilidad que pertenecen a otro.