Història de la mecànica quàntica (I)

A finals del segle XIX es pensava que la física estava acabada, que amb les quatre equacions de Maxwell i la Gravitació Universal de Newton la física teòrica havia mort, però tan sols fou el començament d’una nova era científica...

Una setmana abans de que el segle XIX és donés per finalitzat un físic anomenat Max Planck va publicar un article sobre l’espectre electromagnètic dels cossos calents que introduïa l’idea del quant (i dels salt quàntics d’energia) on aconseguia explicar, entre altres, la radiació del cos negre. Sense adonar-se’n havia començat la revolució quàntica, una de les branques de la física moderna més extenses, fet pel qual se li va atorgar un premi Nobel.

Al cap d’uns 5 anys, cap al 1905, va sorgir un altre article en una revista alemanya que explicava l’efecte fotoelèctric per part d’un personatge actualment conegut per tots, però que en aquells temps tan sols era un treballador d’una àrea de patents, Albert Einstein. Aquest article explicava, tal com hem dit abans, l’efecte fotoelèctric, i ho feia introduint l’idea de quant a la radiació electromagnètica i considerant-la com partícules que transportaven els quants; els fotons.

Al cap de vint anys va sorgir el següent article important: el principi d’exclusió de Pauli. Aquest principi físic explicava el perquè de no poder travessar la matèria tot i els grans buits que presenten els seus components; els àtoms. Ho explicà mitjançant l’enunciació de que dues o més partícules no poden estar en el mateix estat quàntic o nombre quàntic (que ve a ser el mateix). Com ja vam tractar en l’article del principi d’exclusió de Pauli, hi ha quatre nombres quàntics: El nombre quàntic principal (n), fa referència al volum de l’orbital de l’electró (l’orbital es la funció d’ona de l’electró que és solució de l’equació d’Schrödinger) i la seva energia. El segon nombre quàntic s’anomena azimutal (1), i està relacionat amb la forma de l’orbital, el moment angular de l’electró i la seva energia. El tercer nombre quàntic es el nombre quàntic magnètic i dona informació sobre l’orientació espacial de l’orbital i amb el tercer component del moment angular de l’electró. El quart i últim nombre quàntic és l’espí.

Durant el 1925 i el 1926 es va desenvolupar la teoria de la mecànica quàntica per Werner Heinsenberg, Erwin Schrödinger i Max Born. El resultat va ser una teoria que contenia com a equació principal l’equació d’ona d’ Schrödinger i que era capaç d’explicar el comportament del món microscòpic. Però sorgí un element que causà molt embolic: la funció d’ona (a la qual dedicarem un article en el futur).

Hi ha un principi que es troba dins de la interpretació de Copenhage el qual es mereix que aparegui esmentat apart, i és que aquest principi no és ni més menys que el principi d’incertesa de Heinsenberg. Aquest principi es un dels pilars fonamentals de l’ interpretació de Copenhage i estableix que ni la velocitat (o quantitat de moviment (p)) ni la posició d’un objecte microscòpic es poden saber amb exactitud simultàniament.

L’ interpretació de Copenhage és una interpretació quàntica que fou desenvolupada per un grup de científics tot just un any després de l’aparició de l’equació d’Schrödinger (1927) amb l’objectiu d’ampliar la mecànica quàntica. Uns d’aquests científics en desenvolupar-la foren Niels Bohr i Werner Heinsenberg, els dos formuladors principals. Aquesta interpretació portà a la vida (o la mort, degut a la poca importància científica) al...

Gat d’Schrödinger, gat el qual fou el protagonista de l’experiment mental que pretenia ridiculitzar a la interpretació de Copenhage. L’experiment, proposat per Schrödinger, consistia en posar un gat en una caixa aïllada juntament amb una partícula radioactiva, un contador geiser i un flascó de líquid altament corrosiu. Aquesta hipòtesis ja ha estat tractada anteriorment en aquest blog, fet el qual ens permet saltar l’explicació. Cal dir que aquest experiment ha estat molt versionat (cada llibre l’explica de manera diferent).

El següent article va ser escrit per tres físics de renom i era un atac a la criticada interpretació de la mecànica quàntica. Es titulava EPR, les inicial dels seus tres autors Einstein, Podolsky i Rosen. Aquest article qüestionava si la mecànica quàntica era completa mitjançant una paradoxa. La paradoxa deia que si una partícula estacionaria es descomponia en dues de més partícules, les dues havien de tenir un espín oposat, i si es mesurava l’espín d’una es sabia automàticament l’espín de l’altre. Si això s’expliqués amb l’ interpretació de Copenhage es diria que les partícules existeixen en una superposició d’estats (funció d’ona) i que, al col·lapsar una funció d’ona, l’altre funció d’ona es col·lapsaria simultàniament. El problema es que res pot viatjar més ràpid que la llum, llavors, com és que la funció d’ona s’ha col·lapsat simultàniament? Aquest es el problema.

En la segona part veurem com s’ha utilitzat la mecànica quàntica per desenvolupar una teoria del tot i descriurem l’article que va confirmar la teoria quàntica com a la major teoria mai concebuda.