Este artículo es un extracto de la guía Shortform sobre «Una breve historia del tiempo» de Stephen Hawking. Shortform los mejores resúmenes y análisis del mundo sobre los libros que deberías leer.
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¿Qué es la teoría cuántica? ¿Qué fenómenos intenta explicar la teoría de la mecánica cuántica?
La teoría cuántica (también conocida como física cuántica o mecánica cuántica) es una de las teorías fundamentales de los fenómenos materiales. Explica las propiedades y el comportamiento de la energía y la materia a nivel de átomos, moléculas y partículas subatómicas.
Aprende los fundamentos de la teoría de la mecánica cuántica, explicados en términos sencillos.
Mecánica cuántica: conceptos básicos
A principios del siglo XX, el físico alemán Max Planck sugirió que las ondas (como la luz, las ondas de radio y las microondas) no emiten energía de forma aleatoria o arbitraria, sino en cantidades discretas que él denominó «cuantos». La cantidad de energía liberada en un cuanto es proporcional a la frecuencia de onda del tipo de radiación en cuestión. La frecuencia de onda es simplemente el número de ondas que pasan por un punto fijo en una unidad de tiempo determinada.
El principio de incertidumbre
Werner Heisenberg dedujo de la teoría de Planck que el mero hecho de proyectar un cuanto de luz de alta frecuencia sobre una partícula (que era la única forma de medir su posición y velocidad) perturbaría, por sí mismo, la partícula y alteraría su velocidad. Sin embargo, era totalmente impredecible cómo se alteraría exactamente. El mero intento de observación hacía imposible medir con precisión la posición y la velocidad de la partícula. Este era el principio de incertidumbre. Marcó el comienzo del nuevo campo de la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica adopta un enfoque probabilístico en lugar de uno absoluto. Obedeciendo al principio de incertidumbre, no busca establecer una interpretación o resultado único y definitivo para la mecánica cuántica, y el principio de incertidumbre nos dice que no es tan útil pensar en el mundo físico como compuesto por ondas (como la luz y la radio) y partículas (como los átomos que componen toda la materia). Es mejor pensar en nuestras observaciones del mundo en términos de ondas y partículas:dependiendo del fenómeno, a veces es más útil pensar en las partículas como ondas y, otras veces, es más útil pensar en las ondas como partículas.
Estas teorías que defienden el comportamiento variable de las partículas y las ondas han tenido un profundo impacto en nuestra comprensión de la estructura de los átomos y las moléculas. Aunque nunca podremos predecir el movimiento de los electrones dentro de los átomos con una certeza del 100 %, sí podemos predecir las probabilidades de diferentes eventos, dentro de las limitaciones impuestas por el principio de incertidumbre. cualquier observación. Predice una serie de resultados posibles e intenta calcular las probabilidades de cada uno de ellos.
Números imaginarios
Un aspecto de la teoría cuántica es que las partículas no siguen una única trayectoria, sino que siguen una serie de trayectorias posibles a lo largo del espacio-tiempo. Calculamos la probabilidad de cada trayectoria para determinar la probabilidad de que una partícula haya estado en un punto concreto del espacio-tiempo. Por lo tanto, la teoría cuántica tiene un elemento inherente de imprevisibilidad y aleatoriedad.
Podemos extender los principios de la mecánica cuántica al concepto matemático de «números imaginarios». Los números imaginarios son un concepto bien establecido que se refiere a los números que se encuentran perpendiculares a los de la recta numérica tradicional de números negativos y positivos (cuyos valores pueden representarse visualmente como una línea que va de izquierda a derecha).
Los números imaginarios, a diferencia de los números reales, dan valores negativos cuando se multiplican por sí mismos. La mecánica cuántica permite que las partículas tengan valores además de negativos y positivos (o «hacia atrás» y «hacia adelante»). En este modelo, el espacio-tiempo sería finito en extensión, pero ilimitado (como la Tierra, que tiene una masa y un volumen finitos, pero no tiene bordes ni límites).
El problema clásico de la relatividad general es la singularidad, el área del espacio-tiempo anterior al Big Bang o en un agujero negro, los límites del universo observable donde la previsibilidad se rompería. Pero la mecánica cuántica evita este problema porque postula que no hay límites. El universo simplemente existe, sin verse afectado por nada que se encuentre fuera de él.
Con números imaginarios, donde el tiempo es indistinguible del espacio, es posible que solo estemos viviendo una de las posibles historias del universo, con innumerables otras en algún otro plano de existencia que nunca podremos ver ni que nos afectará.
Mecánica cuántica frente a relatividad
La teoría de la mecánica cuántica es incompatible con las predicciones de la relatividad, aunque, paradójicamente, ambas son teorías bien probadas que hacen predicciones precisas sobre el universo. Las predicciones de la relatividad, que tratan fenómenos a escala universal y masiva, se desmoronan cuando se aplican al nivel subatómico de la mecánica cuántica. Gran parte de lo que creemos saber sobre física simplemente se desmorona a nivel cuántico, donde las partículas se comportan de forma extraña e impredecible, gracias al principio de incertidumbre. Unir la mecánica cuántica y la relatividad es uno de los grandes retos para establecer una teoría completa del universo .
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Esto es lo que encontrarás en nuestro resumen completo de Breve historia del tiempo :
- La búsqueda de una teoría que explique la historia y la evolución de nuestro universo.
- Las reflexiones de Stephen Hawking sobre el tiempo, el espacio, las dimensiones y la teoría cuántica.
- Cómo funcionaría teóricamente el viaje en el tiempo
