Teoría cuántica del físico. ¿Qué es la física cuántica y en qué se diferencia de la física convencional (pregunta el humanista)? teoría cuántica de campos

Teoría cuántica del físico.  ¿Qué es la física cuántica y en qué se diferencia de la física convencional (pregunta el humanista)?  teoría cuántica de campos

Por definición, la física cuántica es una rama de la física teórica que estudia los sistemas mecánicos cuánticos y de campos cuánticos y las leyes de su movimiento. Las leyes básicas de la física cuántica se estudian en el marco de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos y se aplican en otras ramas de la física. La física cuántica y sus principales teorías (mecánica cuántica, teoría cuántica de campos) fueron creadas en la primera mitad del siglo XX por muchos científicos, incluidos Max Planck, Albert Einstein, Arthur Compton, Louis de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Paul Dirac. , Wolfgang Pauli.La física cuántica combina varias ramas de la física, en las que los fenómenos de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos juegan un papel fundamental, manifestándose a nivel del microcosmos, pero también teniendo (importantemente) consecuencias a nivel del macrocosmos.

Éstos incluyen:

mecánica cuántica;

teoría cuántica de campos y sus aplicaciones: física nuclear, física de partículas elementales, física de altas energías;

física estadística cuántica;

teoría cuántica de la materia condensada;

teoría cuántica de un cuerpo sólido;

óptica cuántica.

El mismo término Quantum (del latín quantum - "cuánto") es una parte indivisible de cualquier cantidad en física. El concepto se basa en la idea de la mecánica cuántica de que algunas cantidades físicas solo pueden tomar ciertos valores (dicen que una cantidad física está cuantizada). En algunos casos particulares importantes, este valor o el paso de su cambio solo puede ser un múltiplo entero de algún de fundamental importancia- y el último se llama cuanto.

Los cuantos de algunos campos tienen nombres especiales:

fotón - electro cuántico campo magnético;

gluón: un cuanto de un campo vectorial (gluón) en cromodinámica cuántica (proporciona una fuerte interacción);

gravitón - un cuanto hipotético del campo gravitatorio;

fonón - cuanto del movimiento vibracional de los átomos de cristal.

En general, la cuantificación es un procedimiento para construir algo utilizando un conjunto discreto de cantidades, por ejemplo, números enteros,

a diferencia de construir utilizando un conjunto continuo de cantidades, como los números reales.

En física:

Cuantización: construcción de una versión cuántica de alguna teoría o modelo físico no cuántico (clásico)

de acuerdo con los hechos de la física cuántica.

Cuantización de Feynman - cuantización en términos de integrales funcionales.

La segunda cuantización es un método para describir sistemas mecánicos cuánticos multipartículas.

cuantización de Dirac

cuantización geométrica

En informática y electrónica:

La cuantización es la división de un rango de valores de una cierta cantidad en un número finito de intervalos.

Ruido de cuantificación: errores que ocurren al digitalizar una señal analógica.

En musica:

Cuantificación de notas: mover notas a los tiempos más cercanos en el secuenciador.

Cabe señalar que, a pesar de una serie de ciertos éxitos en la descripción de la naturaleza de muchos fenómenos y procesos que ocurren en el mundo que nos rodea, hoy en día la física cuántica, junto con todo el complejo de sus subdisciplinas, no es un concepto integral y completo, y aunque inicialmente se entendió que estaba en el marco de la física cuántica, se construiría una sola disciplina integral, consistente y explicativa de todos los fenómenos conocidos, hoy no es tal, por ejemplo, la física cuántica no es capaz de explicar los principios y los presentes un modelo de trabajo de la gravedad, aunque nadie duda de que la gravedad es una de las leyes básicas fundamentales del universo, y la imposibilidad de explicarla desde el punto de vista de los enfoques cuánticos solo dice que son imperfectos, y no son un completo y verdad final en última instancia.

Además, dentro de la propia física cuántica existen diferentes corrientes y direcciones, representantes de cada una de las cuales ofrecen sus propias explicaciones para experimentos fenomenológicos que no tienen una interpretación unívoca. Dentro de la propia física cuántica, los científicos que la representan no tienen una opinión común ni un entendimiento común, a menudo sus interpretaciones y explicaciones de los mismos fenómenos son incluso opuestas entre sí. Y el lector debe entender que la física cuántica en sí misma es solo un concepto intermedio, un conjunto de métodos, enfoques y algoritmos que la componen, y es posible que después de un tiempo se desarrolle un concepto mucho más completo, perfecto y consistente. , con otros enfoques y otros métodos, sin embargo, el lector seguramente estará interesado en los principales fenómenos que son objeto de estudio de la física cuántica, y que, cuando los modelos que los explican se combinan en un solo sistema, bien pueden convertirse en la base para un paradigma científico completamente nuevo. Así que aquí están los eventos:

1. Dualismo de ondas corpusculares.

Inicialmente, se asumió que la dualidad onda-partícula es característica solo para los fotones de luz, que en algunos casos

se comportan como una corriente de partículas, y en otros como ondas. Pero muchos experimentos de física cuántica han demostrado que este comportamiento es característico no solo de los fotones, sino también de cualquier partícula, incluidas las que forman la materia físicamente densa. Uno de los experimentos más famosos en esta área es el experimento con dos rendijas, cuando una corriente de electrones se dirigía hacia una placa en la que había dos rendijas angostas paralelas, detrás de la placa había una pantalla impermeable a los electrones en la que era posible para ver exactamente qué patrones aparecieron en él de los electrones. Y en algunos casos, esta imagen consistía en dos tiras paralelas, lo mismo que dos ranuras en la placa frente a la pantalla, que caracterizaban el comportamiento del haz de electrones, algo así como una corriente de pequeñas bolas, pero en otros casos, se formó un patrón en la pantalla que es característico de la interferencia de ondas (muchas franjas paralelas, con la más gruesa en el centro y más delgada en los bordes). Al tratar de investigar el proceso con más detalle, resultó que un electrón puede pasar por una sola rendija o por dos al mismo tiempo, lo cual es completamente imposible si el electrón fuera solo una partícula sólida. De hecho, en la actualidad ya existe un punto de vista, aunque no probado, pero aparentemente muy cercano a la verdad, y de tremenda importancia desde el punto de vista de la cosmovisión, de que el electrón en realidad no es ni una onda ni una partícula. , pero es un entretejido de energías primarias, o materias, torcidas juntas y circulando en una cierta órbita, y en algunos casos demostrando las propiedades de una onda. y en algunos, las propiedades de la partícula.

Mucha gente común entiende muy mal, pero ¿qué es la nube de electrones que rodea al átomo, que se describió en

escuela, pues que es, una nube de electrones, o sea que hay muchos, estos electrones, no, no es así, la nube es el mismo electrón,

es solo que está como manchado en órbita, como una gota, y cuando intentas determinar su ubicación exacta, siempre tienes que usar

enfoques probabilísticos, ya que, aunque se han realizado una gran cantidad de experimentos, nunca ha sido posible establecer exactamente dónde se encuentra en órbita el electrón en un momento dado, solo se puede determinar con cierta probabilidad. Y todo esto es por la misma razón por la que el electrón no es una partícula sólida, y representarlo como en libros de texto escolares, como una bola sólida dando vueltas en órbita, es fundamentalmente erróneo y forma una idea errónea en los niños acerca de cómo ocurren los procesos en la naturaleza a nivel micro, en todas partes a nuestro alrededor, incluidos nosotros mismos.

2. La relación entre lo observado y el observador, la influencia del observador sobre lo observado.

En los mismos experimentos con una placa con dos rendijas y una pantalla, y en otros similares, se encontró inesperadamente que el comportamiento de los electrones como onda y como partícula estaba en una dependencia completamente medible de si un científico-observador directo estaba presente. en el experimento o no, y si estuvo presente, ¡qué expectativas tenía de los resultados del experimento!

Cuando el científico observador esperaba que los electrones se comportaran como partículas, se comportaron como partículas, pero cuando el científico que esperaba que se comportaran como ondas tomó su lugar, ¡los electrones se comportaron como una corriente de ondas! La expectativa del observador afecta directamente el resultado del experimento, aunque no en todos los casos, ¡sino en un porcentaje de experimentos completamente medible! Es importante, muy importante entender que el experimento observado y el observador mismo no son algo separado el uno del otro, sino que son parte de un solo sistema, sin importar las paredes que se interpongan entre ellos. Es sumamente importante darse cuenta de que todo el proceso de nuestra vida es una observación continua e incesante,

para otras personas, fenómenos y objetos, y para uno mismo. Y aunque la expectativa de lo observable no siempre determina con precisión el resultado de la acción,

además de este, hay muchos otros factores, sin embargo, la influencia de este es muy notoria.

Recordemos cuantas veces en nuestra vida ha habido situaciones en que una persona hace algún negocio, otra se le acerca y comienza a observarla atentamente, y en ese momento esta persona comete un error o alguna acción involuntaria. Y muchos están familiarizados con este sentimiento esquivo, cuando realizas alguna acción, comienzan a observarte cuidadosamente y, como resultado, dejas de poder realizar esta acción, aunque lo hiciste con bastante éxito antes de que apareciera el observador.

Y ahora recordemos que la mayoría de las personas son educadas y criadas, tanto en escuelas como en institutos, que todo alrededor, y la materia físicamente densa, y todos los objetos, y nosotros mismos, consisten en átomos, y los átomos consisten en núcleos y electrones que giran alrededor de ellos. , y los núcleos son protones y neutrones, y todos estos son bolas tan duras que están interconectadas diferentes tipos enlaces químicos, y son los tipos de estos enlaces los que determinan la naturaleza y las propiedades de la sustancia. Y sobre el posible comportamiento de las partículas desde el punto de vista de las ondas, y por tanto de todos los objetos de los que están compuestas estas partículas, y de nosotros mismos,

nadie habla! ¡La mayoría no sabe esto, no cree en él y no lo usa! Es decir, espera un comportamiento de los objetos circundantes precisamente como un conjunto de partículas sólidas. Pues se comportan y se comportan como un conjunto de partículas en diferentes combinaciones. Casi nadie espera el comportamiento de un objeto hecho de materia físicamente densa, como una corriente de ondas, parece imposible sentido común, aunque no hay obstáculos fundamentales para esto, y todo porque los modelos incorrectos y erróneos y la comprensión del mundo que los rodea se establecen en las personas desde la infancia, como resultado, cuando una persona crece, no aprovecha estas oportunidades, no lo hace. siquiera saber que existen. ¿Cómo puedes usar lo que no sabes? Y dado que hay miles de millones de personas incrédulas e ignorantes en el planeta, es muy posible que la totalidad conciencia pública toda la gente de la tierra, como una especie de promedio para el hospital, define como el dispositivo predeterminado del mundo que lo rodea como un conjunto de partículas, bloques de construcción y nada más (después de todo, según uno de los modelos, todo de la humanidad es una enorme colección de observadores).

3. No localidad cuántica y entrelazamiento cuántico.

Uno de los conceptos fundamentales y definitorios de la física cuántica es la no localidad cuántica y el entrelazamiento cuántico directamente relacionado con ella, o entrelazamiento cuántico, que es básicamente lo mismo. Ejemplos llamativos de entrelazamiento cuántico son, por ejemplo, los experimentos realizados por Alain Aspect, en los que se llevó a cabo la polarización de fotones emitidos por una misma fuente y recibidos por dos receptores diferentes. Y resultó que si cambia la polarización (orientación de giro) de un fotón, la polarización del segundo fotón cambia al mismo tiempo, y viceversa, y este cambio de polarización ocurre instantáneamente, independientemente de la distancia a la que estos fotones son unos de otros. Parece como si dos fotones emitidos por una fuente estuvieran interconectados, aunque no hay una conexión espacial obvia entre ellos, y un cambio en los parámetros de un fotón lleva instantáneamente a un cambio en los parámetros de otro fotón. Es importante comprender que el fenómeno del entrelazamiento cuántico, o entrelazamiento, es cierto no solo para el nivel micro, sino también para el nivel macro.

Uno de los primeros experimentos demostrativos en esta área fue el experimento de los físicos de torsión rusos (entonces todavía soviéticos).

El esquema del experimento fue el siguiente: tomaron un trozo del carbón marrón más común extraído en las minas para quemar en las salas de calderas y lo cortaron en 2 partes. Dado que la humanidad ha estado familiarizada con el carbón durante mucho tiempo, es un objeto muy bien estudiado, tanto en términos de sus propiedades físicas y químicas, enlaces moleculares, calor liberado durante la combustión por unidad de volumen, etc. Entonces, una pieza de este carbón permaneció en el laboratorio en Kiev, la segunda pieza de carbón fue llevada al laboratorio en Cracovia. Cada una de estas piezas, a su vez, se cortó en 2 partes idénticas, el resultado fue: 2 piezas idénticas del mismo carbón estaban en Kiev y 2 piezas idénticas en Cracovia. Luego tomaron una pieza en Kiev y Cracovia, y simultáneamente las quemaron y midieron la cantidad de calor liberado durante la combustión. Resultó ser más o menos lo mismo, como se esperaba. Luego, se irradió un trozo de carbón en Kiev con un generador de torsión (el de Cracovia no se irradió con nada), y nuevamente se quemaron ambos trozos. Y esta vez ambas piezas dieron el efecto de aproximadamente un 15% más de calor cuando se quemaron que cuando se quemaron las dos primeras piezas. El aumento en la liberación de calor durante la combustión del carbón en Kiev fue comprensible porque se vio afectado por la radiación, como resultado, su estructura física cambió, lo que provocó un aumento en la liberación de calor durante la combustión en aproximadamente un 15%. Pero esa pieza, que estaba en Cracovia, también aumentó la liberación de calor en un 15%, ¡aunque no fue irradiada con nada! Este trozo de carbón también cambió sus propiedades físicas, aunque no fue él el que se irradió, sino otro trozo (con el que alguna vez formaron parte de un todo, que es un punto de fundamental importancia para entender la esencia), y la distancia de 2000 km entre estas piezas no era absolutamente ningún obstáculo, los cambios en la estructura de ambas piezas de carbón ocurrieron instantáneamente, lo que se estableció mediante la repetición repetida del experimento. Pero debe comprender que este proceso no es necesariamente cierto solo para el carbón, puede usar cualquier otro material y, como es de esperar, el efecto será exactamente el mismo.

Es decir, el entrelazamiento cuántico y la no localidad cuántica también son válidos en el mundo macroscópico, y no solo en el microcosmos de las partículas elementales; en general, esto es bastante cierto, ¡porque todos los macroobjetos consisten en estas mismas partículas elementales!

Para ser justos, cabe señalar que los físicos de torsión consideraban que muchos fenómenos cuánticos eran una manifestación de los campos de torsión, y algunos físicos cuánticos, por el contrario, consideraban que los campos de torsión eran un caso especial de manifestación de los efectos cuánticos. Lo cual, en general, no es de extrañar, pues ambos estudian y exploran el mismo mundo que les rodea, con las mismas leyes universales, tanto a nivel micro como macro,

y permítales usar diferentes enfoques y diferente terminología al explicar los fenómenos, la esencia sigue siendo la misma.

Pero, ¿este fenómeno es válido solo para objetos inanimados? ¿Cuál es la situación con los organismos vivos? ¿Es posible detectar efectos similares allí?

Resultó que sí, y uno de los que lo demostró fue el médico estadounidense Cleve Baxter. Inicialmente, este científico se especializó en probar un polígrafo, es decir, un dispositivo detector de mentiras utilizado para interrogar sujetos en los laboratorios de la CIA. Se llevaron a cabo una serie de experimentos exitosos para registrar y establecer diferentes estados emocionales en las personas interrogadas en función de las lecturas del polígrafo, y se desarrollaron métodos efectivos, que todavía se utilizan hoy en día para los interrogatorios a través de un detector de mentiras. Con el tiempo, los intereses del médico se expandieron y comenzó a experimentar con plantas y animales. Entre una serie de resultados muy interesantes, se debe destacar uno, que está directamente relacionado con el entrelazamiento cuántico y la no localidad cuántica, a saber, el siguiente: se tomaron células vivas de la boca del participante del experimento y se colocaron en un tubo de ensayo (se se sabe que las células tomadas para la muestra

la gente vive unas horas más), este tubo de ensayo estaba conectado a un polígrafo. Luego, la persona de quien se tomó esta muestra viajó varias decenas o incluso cientos de kilómetros, y vivió allí varias situaciones estresantes. A lo largo de años de investigación, Clive Baxter ha estudiado bien qué lecturas de polígrafo en particular corresponden a ciertas condiciones estresantes de una persona. Se mantuvo un protocolo estricto, donde se registró claramente el tiempo de entrada en situaciones estresantes, y también se mantuvo un protocolo para registrar las lecturas de un polígrafo conectado a un tubo de ensayo con células aún vivas de sincronicidad entre la entrada de una persona en situación estresante¡y una reacción casi simultánea de las células en forma de gráficos de polígrafo correspondientes! Es decir, aunque las células tomadas de una persona para una prueba y la persona misma estaban separadas en el espacio, todavía había una conexión entre ellas y un cambio en el El estado emocional y mental de una persona se reflejaba casi de inmediato en las reacciones celulares in vitro.

El resultado se repitió muchas veces, hubo intentos de instalar pantallas de plomo para aislar el tubo de ensayo con un polígrafo, pero esto no ayudó,

de todos modos, incluso detrás de la pantalla de plomo había un registro casi sincrónico de cambios en los estados.

Es decir, el entrelazamiento cuántico y la no localidad cuántica son ciertos tanto para la naturaleza inanimada como para la viva, además, ¡este es un fenómeno natural completamente natural que ocurre a nuestro alrededor! Creo que muchos lectores están interesados, e incluso más que eso, ¿es posible viajar no solo en el espacio, sino también en el tiempo? Tal vez haya algunos experimentos que confirmen esto, y probablemente el entrelazamiento cuántico y la no localidad cuántica puedan ayudar aquí. ¡Resultó que tales experimentos existen! Uno de ellos fue realizado por el famoso astrofísico soviético Nikolai Aleksandrovich Kozyrev, y consistió en lo siguiente. Todo el mundo sabe que la posición de la estrella que vemos en el cielo no es cierta, porque durante esos miles de años que la luz vuela desde la estrella hacia nosotros, ella misma ya se ha desplazado durante este tiempo, a una distancia completamente medible. Conociendo la trayectoria calculada de una estrella, uno puede adivinar dónde debería estar ahora y, además, uno puede calcular dónde debería estar en el futuro la próxima vez (en un período de tiempo igual al tiempo que tarda la luz en viajar desde nos acercamos a esta estrella), si aproximamos la trayectoria de su movimiento. Y con la ayuda de un telescopio de un diseño especial (telescopio réflex), se comprobó que no solo hay un tipo de señales,

propagándose por el universo casi instantáneamente, independientemente de la distancia de miles de años luz (de hecho, "manchando" en el espacio, como un electrón en órbita), pero también es posible registrar una señal desde la posición futura de la estrella, es decir, la posición en la que aún no está, ¡Ella no estará allí pronto! Y es en este punto calculado de la trayectoria. Aquí surge inevitablemente la suposición de que, como un electrón "manchado" en órbita, y siendo esencialmente un objeto cuántico no local, una estrella que gira alrededor del centro de la galaxia, como un electrón alrededor del núcleo de un átomo, también tiene algunas características similares. propiedades Y además, este experimento demuestra la posibilidad de transmitir señales no solo en el espacio, sino también en el tiempo. Este experimento está bastante activamente desacreditado en los medios,

con la atribución de propiedades míticas y místicas, pero cabe señalar que también se repitió después de la muerte de Kozyrev en dos bases de laboratorio diferentes, por dos grupos independientes de científicos, uno en Novosibirsk (dirigido por el académico Lavrentiev), y el segundo en Ucrania, por el grupo de investigación Kukoch, además, en diferentes estrellas, y en todas partes se obtuvieron los mismos resultados, ¡lo que confirma la investigación de Kozyrev! Para ser justos, vale la pena señalar que tanto en ingeniería eléctrica como en ingeniería de radio hay casos en los que, bajo ciertas condiciones, el receptor recibe la señal unos momentos antes de que la fuente la emita. Este hecho, por regla general, fue ignorado y tomado como un error, y desafortunadamente, a menudo, parece que los científicos simplemente no tuvieron el coraje de llamar blanco al negro, al blanco y al negro, solo porque supuestamente es imposible y no puede serlo.

¿Ha habido otros experimentos similares que confirmen esta conclusión? Resulta que eran Doctor en Ciencias Médicas, Académico Vlail Petrovich Kaznacheev. Se capacitó a los operadores, uno de los cuales estaba ubicado en Novosibirsk y el segundo, en el norte, en Dikson. Se desarrolló un sistema de símbolos bien aprendido y asimilado por ambos operadores. En el momento especificado, con la ayuda de los espejos de Kozyrev, se transmitió una señal de un operador a otro, y la parte receptora no sabía de antemano cuál de los caracteres se enviaría. Se mantuvo un estricto protocolo, que registró el tiempo de envío y recepción de caracteres. Y después de verificar los protocolos, resultó que algunos caracteres se recibieron casi simultáneamente con el envío, algunos se recibieron tarde, lo que parece posible y bastante natural, ¡pero el operador aceptó algunos caracteres ANTES de enviarlos! Es decir, de hecho, fueron enviados desde el futuro al pasado. Estos experimentos aún no tienen una explicación científica estrictamente oficial, pero es obvio que son de la misma naturaleza. Con base en ellos, se puede suponer con un grado suficiente de precisión que el entrelazamiento cuántico y la no localidad cuántica no solo son posibles, sino que también existen no solo en el espacio, sino también en el tiempo.

Creo que es seguro decir que nadie entiende la mecánica cuántica.

físico richard feynman

No es exagerado decir que la invención de los dispositivos semiconductores fue una revolución. No solo es un logro tecnológico impresionante, sino que también allanó el camino para eventos que cambiarán para siempre. sociedad moderna. Los dispositivos semiconductores se utilizan en todo tipo de dispositivos microelectrónicos, incluidas computadoras, ciertos tipos de equipos de tratamiento y diagnóstico médico y dispositivos de telecomunicaciones populares.

Pero detrás de esta revolución tecnológica hay aún más, una revolución en ciencia general: región Teoría cuántica. Sin este salto en la comprensión del mundo natural, el desarrollo de dispositivos semiconductores (y dispositivos electrónicos más avanzados en desarrollo) nunca habría tenido éxito. La física cuántica es una rama increíblemente compleja de la ciencia. Este capítulo solo proporciona una breve descripción general. Cuando científicos como Feynman dicen "nadie lo entiende", puede estar seguro de que se trata de un tema realmente difícil. Sin una comprensión básica de la física cuántica o, según por lo menos, comprensión descubrimientos cientificos que condujo a su desarrollo, es imposible entender cómo y por qué funcionan los dispositivos electrónicos semiconductores. La mayoría de los libros de texto de electrónica intentan explicar los semiconductores en términos de "física clásica", lo que los hace aún más confusos de entender como resultado.

Muchos de nosotros hemos visto diagramas de modelos atómicos que se parecen a la imagen de abajo.

Átomo de Rutherford: los electrones negativos giran alrededor de un pequeño núcleo positivo

Diminutas partículas de materia llamadas protones Y neutrones, forman el centro del átomo; electrones giran como los planetas alrededor de una estrella. El núcleo lleva una carga eléctrica positiva debido a la presencia de protones (los neutrones no tienen carga eléctrica), mientras que la carga negativa de equilibrio de un átomo reside en los electrones en órbita. Los electrones negativos son atraídos por los protones positivos como los planetas son atraídos por el Sol, pero las órbitas son estables debido al movimiento de los electrones. Debemos este modelo popular del átomo al trabajo de Ernest Rutherford, quien determinó experimentalmente alrededor de 1911 que las cargas positivas de los átomos se concentran en un núcleo diminuto y denso, y no se distribuyen uniformemente a lo largo del diámetro, como había supuesto previamente el explorador JJ Thomson. .

El experimento de dispersión de Rutherford consiste en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa cargadas positivamente, como se muestra en la figura siguiente. Los jóvenes estudiantes graduados H. Geiger y E. Marsden obtuvieron resultados inesperados. La trayectoria de algunas partículas alfa se desvió en un gran ángulo. Algunas partículas alfa se dispersaron en direccion contraria en un ángulo de casi 180°. La mayoría de las partículas atravesaron la hoja de oro sin cambiar su trayectoria, como si no hubiera hoja en absoluto. El hecho de que varias partículas alfa experimenten grandes desviaciones en su trayectoria indica la presencia de núcleos con una pequeña carga positiva.

Dispersión de Rutherford: un haz de partículas alfa es dispersado por una fina lámina de oro

Aunque el modelo del átomo de Rutherford estaba mejor respaldado por datos experimentales que el de Thomson, todavía era imperfecto. Se hicieron más intentos para determinar la estructura del átomo, y estos esfuerzos ayudaron a allanar el camino para los extraños descubrimientos de la física cuántica. Hoy nuestra comprensión del átomo es un poco más compleja. Sin embargo, a pesar de la revolución de la física cuántica y sus contribuciones a nuestra comprensión de la estructura del átomo, la descripción de Rutherford del sistema solar como la estructura de un átomo se ha arraigado en la conciencia popular en la medida en que persiste en los campos educativos, incluso si está fuera de lugar.

Considéralo Breve descripción electrones en un átomo, tomado de un popular libro de texto de electrónica:

Los electrones negativos que giran son atraídos por el núcleo positivo, lo que nos lleva a la pregunta de por qué los electrones no vuelan hacia el núcleo del átomo. La respuesta es que los electrones en rotación permanecen en su órbita estable debido a dos fuerzas iguales pero opuestas. La fuerza centrífuga que actúa sobre los electrones se dirige hacia afuera, y la fuerza de atracción de las cargas intenta atraer los electrones hacia el núcleo.

De acuerdo con el modelo de Rutherford, el autor considera que los electrones son piezas sólidas de materia que ocupan órbitas redondas, su atracción hacia el interior del núcleo con carga opuesta se equilibra con su movimiento. El uso del término "fuerza centrífuga" es técnicamente incorrecto (incluso para los planetas en órbita), pero esto se perdona fácilmente debido a la aceptación popular del modelo: de hecho, no existe tal cosa como la fuerza, repulsivoninguna cuerpo giratorio desde el centro de su órbita. Esto parece ser así porque la inercia del cuerpo tiende a mantenerlo en movimiento en línea recta, y dado que la órbita es una constante desviación (aceleración) del movimiento rectilíneo, hay una reacción de inercia constante a cualquier fuerza que atraiga el cuerpo hacia el centro. de la órbita (centrípeta), ya sea la gravedad, la atracción electrostática o incluso la tensión de un enlace mecánico.

Sin embargo, el verdadero problema de esta explicación en primer lugar es la idea de que los electrones se mueven en órbitas circulares. Un hecho comprobado que las cargas eléctricas aceleradas emiten radiación electromagnética, este hecho se conocía incluso en la época de Rutherford. Porque movimiento rotatorio es una forma de aceleración (un objeto giratorio en aceleración constante, que aleja al objeto de su movimiento rectilíneo normal), los electrones en el estado giratorio deberían emitir radiación como el lodo de una rueda giratoria. Los electrones acelerados a lo largo de trayectorias circulares en aceleradores de partículas llamados sincrotrones se sabe que hacen esto, y el resultado se llama radiación sincrotrón. Si los electrones perdieran energía de esta manera, sus órbitas eventualmente se interrumpirían y, como resultado, colisionarían con un núcleo cargado positivamente. Sin embargo, dentro de los átomos esto no suele suceder. De hecho, las "órbitas" electrónicas son sorprendentemente estables en una amplia gama de condiciones.

Además, los experimentos con átomos "excitados" han demostrado que un átomo emite energía electromagnética solo a ciertas frecuencias. Los átomos son "excitados" por influencias externas como la luz, que absorbe energía y devuelve ondas electromagnéticas a ciertas frecuencias, como un diapasón que no suena a una frecuencia determinada hasta que se golpea. Cuando la luz emitida por un átomo excitado se divide por un prisma en sus frecuencias componentes (colores), se encuentran líneas individuales de colores en el espectro, el patrón de líneas espectrales es exclusivo de un elemento químico. Este fenómeno se usa comúnmente para identificar elementos químicos, e incluso para medir las proporciones de cada elemento en un compuesto o mezcla química. De acuerdo a sistema solar El modelo atómico de Rutherford (relativo a los electrones, como piezas de materia, que giran libremente en una órbita con cierto radio) y las leyes de la física clásica, los átomos excitados deben devolver energía en un rango de frecuencia casi infinito, y no en frecuencias seleccionadas. En otras palabras, si el modelo de Rutherford fuera correcto, entonces no habría efecto de "diapasón", y el espectro de color emitido por cualquier átomo aparecería como una banda continua de colores, en lugar de varias líneas separadas.


El modelo de Bohr del átomo de hidrógeno (con las órbitas dibujadas a escala) asume que los electrones están solo en órbitas discretas. Los electrones que se mueven de n=3,4,5 o 6 a n=2 se muestran en una serie de líneas espectrales de Balmer

Un investigador llamado Niels Bohr trató de mejorar el modelo de Rutherford después de estudiarlo en el laboratorio de Rutherford durante varios meses en 1912. Tratando de reconciliar los resultados de otros físicos (notablemente Max Planck y Albert Einstein), Bohr sugirió que cada electrón tenía una cierta cantidad específica de energía, y que sus órbitas estaban distribuidas de tal manera que cada uno de ellos podía ocupar ciertos lugares a su alrededor. el núcleo, como bolas, fijo en trayectorias circulares alrededor del núcleo, y no como satélites de movimiento libre, como se suponía anteriormente (figura superior). En deferencia a las leyes del electromagnetismo y las cargas aceleradas, Bohr se refirió a las "órbitas" como estados estacionarios para evitar la interpretación de que eran móviles.

Aunque el ambicioso intento de Bohr de repensar la estructura del átomo, que era más consistente con los datos experimentales, fue un hito en la física, no se completó. Su Análisis matemático predijo los resultados de los experimentos mejor que los análisis realizados de acuerdo con modelos anteriores, pero aún quedaban preguntas sin respuesta sobre si por qué los electrones deben comportarse de una manera tan extraña. La afirmación de que los electrones existían en estados cuánticos estacionarios alrededor del núcleo se correlacionó mejor con los datos experimentales que el modelo de Rutherford, pero no dijo qué causa que los electrones adopten estos estados especiales. La respuesta a esta pregunta vendría de otro físico, Louis de Broglie, unos diez años después.

De Broglie sugirió que los electrones, como los fotones (partículas de luz), tienen tanto las propiedades de las partículas como las propiedades de las ondas. Basándose en esta suposición, sugirió que el análisis de los electrones en rotación en términos de ondas es mejor que en términos de partículas, y puede dar más información sobre su naturaleza cuántica. De hecho, se hizo otro gran avance en la comprensión.


Una cuerda que vibra a una frecuencia resonante entre dos puntos fijos forma una onda estacionaria

El átomo, según de Broglie, constaba de ondas estacionarias, un fenómeno bien conocido por los físicos en varias formas. Como la cuerda pulsada de un instrumento musical (en la foto de arriba), vibrando a una frecuencia resonante, con "nudos" y "antinudos" en lugares estables a lo largo de su longitud. De Broglie imaginó los electrones alrededor de los átomos como ondas curvadas en un círculo (figura a continuación).


Electrones "girando" como una onda estacionaria alrededor del núcleo, (a) dos ciclos en una órbita, (b) tres ciclos en una órbita

Los electrones solo pueden existir en ciertas "órbitas" específicas alrededor del núcleo, porque son las únicas distancias donde coinciden los extremos de la onda. En cualquier otro radio, la onda chocará destructivamente consigo misma y, por lo tanto, dejará de existir.

La hipótesis de De Broglie proporcionó tanto un marco matemático como una analogía física conveniente para explicar los estados cuánticos de los electrones dentro de un átomo, pero su modelo del átomo aún estaba incompleto. Durante varios años, los físicos Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger, trabajando de forma independiente, han estado trabajando en el concepto de dualidad onda-partícula de De Broglie para crear modelos matemáticos más rigurosos de partículas subatómicas.

Este avance teórico desde el primitivo modelo de onda estacionaria de de Broglie hasta la matriz de Heisenberg y ecuación diferencial A Schrödinger se le dio el nombre de mecánica cuántica, introdujo una característica bastante impactante en el mundo de las partículas subatómicas: un signo de probabilidad o incertidumbre. De acuerdo con la nueva teoría cuántica, era imposible determinar la posición exacta y el momento exacto de una partícula en un momento dado. Una explicación popular para este "principio de incertidumbre" fue que hubo un error de medición (es decir, al tratar de medir con precisión la posición de un electrón, interfiere con su impulso y, por lo tanto, no puede saber cuál era antes de comenzar a medir la posición). , y viceversa). La conclusión sensacional de la mecánica cuántica es que las partículas no tienen posiciones ni momentos exactos, y debido a la relación de estas dos cantidades, su incertidumbre combinada nunca disminuirá por debajo de un cierto valor mínimo.

Esta forma de conexión de "incertidumbre" también existe en campos distintos de la mecánica cuántica. Como se discutió en el capítulo "Señales de CA de frecuencia mixta" en el Volumen 2 de esta serie de libros, existen relaciones mutuamente excluyentes entre la confianza en los datos de dominio de tiempo de una forma de onda y sus datos de dominio de frecuencia. En pocas palabras, cuanto más conocemos las frecuencias de sus componentes, con menos precisión conocemos su amplitud a lo largo del tiempo, y viceversa. Citándome a mí mismo:

Una señal de duración infinita (un número infinito de ciclos) se puede analizar con absoluta precisión, pero cuantos menos ciclos estén disponibles para el análisis de la computadora, menos preciso será el análisis... Cuantos menos períodos tenga la señal, menos precisa será su frecuencia . Llevando este concepto a su extremo lógico, un pulso corto (ni siquiera un período completo de una señal) en realidad no tiene una frecuencia definida, es un rango infinito de frecuencias. Este principio es común a todos los fenómenos ondulatorios, y no sólo a las tensiones y corrientes variables.

Para determinar con precisión la amplitud de una señal cambiante, debemos medirla en un período de tiempo muy corto. Sin embargo, hacer esto limita nuestro conocimiento de la frecuencia de la onda (una onda en la mecánica cuántica no tiene por qué ser similar a una onda sinusoidal; tal similitud es un caso especial). Por otro lado, para determinar la frecuencia de una onda con gran precisión, debemos medirla en un gran número de periodos, por lo que perderemos de vista su amplitud en un momento dado. Por lo tanto, no podemos conocer simultáneamente la amplitud instantánea y todas las frecuencias de cualquier onda con una precisión ilimitada. Otra rareza, esta incertidumbre es mucho mayor que la inexactitud del observador; está en la naturaleza misma de la ola. Este no es el caso, aunque sería posible, dada la tecnología adecuada, proporcionar mediciones precisas tanto de la amplitud instantánea como de la frecuencia simultáneamente. En sentido literal, una onda no puede tener la amplitud instantánea exacta y la frecuencia exacta al mismo tiempo.

La incertidumbre mínima de la posición y el momento de las partículas expresada por Heisenberg y Schrödinger no tiene nada que ver con una limitación en la medición; más bien, es una propiedad intrínseca de la naturaleza de la dualidad onda-partícula de la partícula. Por lo tanto, los electrones en realidad no existen en sus "órbitas" como partículas de materia bien definidas, o incluso como formas de onda bien definidas, sino como "nubes", un término técnico. función de onda distribuciones de probabilidad, como si cada electrón estuviera "disperso" o "difundido" en un rango de posiciones y momentos.

Esta visión radical de los electrones como nubes indeterminadas contradice inicialmente el principio original de los estados cuánticos de los electrones: los electrones existen en "órbitas" discretas y definidas alrededor del núcleo de un átomo. Después de todo, esta nueva visión fue el descubrimiento que condujo a la formación y explicación de la teoría cuántica. Qué extraño parece que una teoría creada para explicar el comportamiento discreto de los electrones termine declarando que los electrones existen como "nubes" y no como piezas separadas de materia. Sin embargo, el comportamiento cuántico de los electrones no depende de que los electrones tengan ciertos valores de coordenadas y momento, sino de otras propiedades llamadas números cuánticos. En esencia, la mecánica cuántica prescinde de los conceptos comunes de posición absoluta y momento absoluto, y los reemplaza con conceptos absolutos de tipos que no tienen análogos en la práctica común.

Aunque se sabe que los electrones existen en formas incorpóreas, "nubladas" de probabilidad distribuida, en lugar de piezas separadas de materia, estas "nubes" tienen características ligeramente diferentes. Cualquier electrón en un átomo puede describirse mediante cuatro medidas numéricas (los números cuánticos mencionados anteriormente), que se denominan principal (radial), orbital (acimut), magnético Y girar números. A continuación se muestra una breve descripción del significado de cada uno de estos números:

Número cuántico principal (radial): denotado por una letra norte, este número describe la capa en la que reside el electrón. La "capa" de electrones es una región del espacio alrededor del núcleo de un átomo en la que pueden existir electrones, lo que corresponde a los modelos estables de "onda estacionaria" de de Broglie y Bohr. Los electrones pueden "saltar" de una capa a otra, pero no pueden existir entre ellas.

El número cuántico principal debe ser un número entero positivo (mayor o igual a 1). En otras palabras, el número cuántico principal de un electrón no puede ser 1/2 o -3. Estos números enteros no se eligieron arbitrariamente, sino a través de la evidencia experimental del espectro de luz: las diferentes frecuencias (colores) de la luz emitida por los átomos de hidrógeno excitados siguen una relación matemática que depende de valores enteros específicos, como se muestra en la siguiente figura.

Cada capa tiene la capacidad de contener múltiples electrones. Una analogía para las capas de electrones son las filas concéntricas de asientos en un anfiteatro. Así como una persona sentada en un anfiteatro debe elegir una fila para sentarse (no puede sentarse entre las filas), los electrones deben "elegir" una capa en particular para "sentarse". Como filas en un anfiteatro, las capas exteriores contienen más electrones que las capas más cercanas al centro. Además, los electrones tienden a encontrar la capa más pequeña disponible, al igual que las personas en un anfiteatro buscan el lugar más cercano al escenario central. Cuanto mayor sea el número de capas, más energía tendrán los electrones.

El número máximo de electrones que puede contener cualquier capa está descrito por la ecuación 2n 2 , donde n es el número cuántico principal. Así, la primera capa (n = 1) puede contener 2 electrones; la segunda capa (n = 2) - 8 electrones; y la tercera capa (n = 3) - 18 electrones (figura a continuación).


El número cuántico principal n y el número máximo de electrones están relacionados por la fórmula 2(n 2). Las órbitas no están a escala.

Las capas de electrones en el átomo se denotaron con letras en lugar de números. La primera capa (n = 1) se designó K, la segunda capa (n = 2) L, la tercera capa (n = 3) M, la cuarta capa (n = 4) N, la quinta capa (n = 5) O, la sexta capa (n = 6) P, y la séptima capa (n = 7) B.

Número cuántico orbital (acimut): capa compuesta de subcapas. A algunos les puede resultar más conveniente pensar en subcapas como simples secciones de capas, como carriles que dividen una carretera. Las subcapas son mucho más extrañas. Las subcapas son regiones del espacio donde pueden existir "nubes" de electrones y, de hecho, diferentes subcapas tienen formas diferentes. La primera subcapa tiene forma de esfera (Figura inferior (s)), lo que tiene sentido cuando se visualiza como una nube de electrones que rodea el núcleo de un átomo en tres dimensiones.

La segunda subcapa se asemeja a una mancuerna, que consta de dos "pétalos" conectados en un punto cerca del centro del átomo (figura a continuación (p)).

La tercera subcapa generalmente se parece a un conjunto de cuatro "pétalos" agrupados alrededor del núcleo de un átomo. Estas formas de subcapa se asemejan a representaciones gráficas de patrones de antena con lóbulos en forma de cebolla que se extienden desde la antena en varias direcciones (Figura siguiente (d)).


orbitales:
(s) triple simetría;
(p) Se muestra: p x , una de las tres orientaciones posibles (p x , p y , p z), a lo largo de los ejes respectivos;
(d) Se muestra: d x 2 -y 2 es similar a d xy , d yz , d xz . Se muestra: d z 2 . Número de posibles orbitales d: cinco.

Los valores válidos para el número cuántico orbital son números enteros positivos, como para el número cuántico principal, pero también incluyen el cero. Estos números cuánticos de electrones se denotan con la letra l. El número de subcapas es igual al número cuántico principal de la capa. Así, la primera capa (n = 1) tiene una subcapa con el número 0; la segunda capa (n = 2) tiene dos subcapas numeradas 0 y 1; la tercera capa (n = 3) tiene tres subcapas numeradas 0, 1 y 2.

La antigua convención de subcapa usaba letras en lugar de números. En este formato, el primer subnivel (l = 0) se denominó s, el segundo subnivel (l = 1) se denominó p, el tercer subnivel (l = 2) se denominó d y el cuarto subnivel (l = 3) se denominó denotado f. Las letras provienen de las palabras: afilado, principal, difuso Y Fundamental. Todavía puede ver estas designaciones en muchas tablas periódicas que se usan para indicar la configuración electrónica del exterior ( valencia) capas de átomos.


(a) la representación de Bohr del átomo de plata,
(b) Representación orbital de Ag con división de capas en subcapas (número cuántico orbital l).
Este diagrama no implica nada sobre la posición real de los electrones, sino que solo representa los niveles de energía.

número cuántico magnético: El número cuántico magnético para el electrón clasifica la orientación de la figura de la subcapa del electrón. Los "pétalos" de las subcapas se pueden dirigir en varias direcciones. Estas diferentes orientaciones se llaman orbitales. Para la primera subcapa (s; l = 0), que se parece a una esfera, no se especifica "dirección". Para una segunda subcapa (p; l = 1) en cada capa que se asemeja a una mancuerna que apunta en tres direcciones posibles. Imagine tres pesas que se cruzan en el origen, cada una apuntando a lo largo de su propio eje en un sistema de coordenadas triaxial.

Los valores válidos para un número cuántico dado consisten en números enteros que van de -l a l, y se denotan número dado cómo m l en física atómica y z en física nuclear. Para calcular el número de orbitales en cualquier subnivel, debe duplicar el número del subnivel y sumar 1, (2∙l + 1). Por ejemplo, la primera subcapa (l = 0) en cualquier capa contiene un orbital numerado 0; la segunda subcapa (l = 1) en cualquier capa contiene tres orbitales con números -1, 0 y 1; la tercera subcapa (l = 2) contiene cinco orbitales numerados -2, -1, 0, 1 y 2; etc

Al igual que el número cuántico principal, el número cuántico magnético surgió directamente de datos experimentales: el efecto Zeeman, la separación de líneas espectrales al exponer un gas ionizado a un campo magnético, de ahí el nombre de número cuántico "magnético".

Número cuántico de espín: al igual que el número cuántico magnético, esta propiedad de los electrones de un átomo fue descubierta a través de experimentos. La observación cuidadosa de las líneas espectrales mostró que cada línea era de hecho un par de líneas muy próximas entre sí, se ha sugerido que este llamado estructura fina fue el resultado de cada electrón "girando" alrededor de su propio eje, como un planeta. Los electrones con diferentes "espines" emitirían frecuencias de luz ligeramente diferentes cuando se excitaran. El concepto de electrón giratorio ahora está obsoleto, siendo más apropiado para la visión (incorrecta) de los electrones como partículas individuales de materia en lugar de "nubes", pero el nombre permanece.

Los números cuánticos de espín se denotan como Sra en física atómica y talla en física nuclear. Cada orbital en cada subnivel puede tener dos electrones en cada nivel, uno con espín +1/2 y el otro con espín -1/2.

El físico Wolfgang Pauli desarrolló un principio que explica el orden de los electrones en un átomo de acuerdo con estos números cuánticos. Su principio, llamado principio de exclusión de Pauli, establece que dos electrones en el mismo átomo no pueden ocupar los mismos estados cuánticos. Es decir, cada electrón en un átomo tiene un conjunto único de números cuánticos. Esto limita la cantidad de electrones que pueden ocupar cualquier orbital, subcapa y capa dados.

Esto muestra la disposición de los electrones en un átomo de hidrógeno:


Con un protón en el núcleo, el átomo acepta un electrón para su equilibrio electrostático (la carga positiva del protón está exactamente equilibrada por carga negativa electrón). Este electrón está en la capa inferior (n = 1), la primera subcapa (l = 0), en el único orbital (orientación espacial) de esta subcapa (m l = 0), con un valor de espín de 1/2. El método general para describir esta estructura es enumerando los electrones según sus capas y subcapas, de acuerdo con una convención llamada notación espectroscópica. En esta notación, el número de capa se muestra como un número entero, la subcapa como una letra (s,p,d,f) y el número total de electrones en la subcapa (todos los orbitales, todos los espines) como un superíndice. Así, el hidrógeno, con su único electrón colocado en el nivel de la base, se describe como 1s 1 .

Pasando al siguiente átomo (en orden de número atómico), obtenemos el elemento helio:

Un átomo de helio tiene dos protones en su núcleo, lo que requiere dos electrones para equilibrar la doble carga eléctrica positiva. Dado que dos electrones, uno con espín 1/2 y el otro con espín -1/2, están en el mismo orbital, la estructura electrónica del helio no requiere subcapas o capas adicionales para contener el segundo electrón.

Sin embargo, un átomo que requiera tres o más electrones necesitará subcapas adicionales para contener todos los electrones, ya que solo dos electrones pueden estar en la capa inferior (n = 1). Considere el siguiente átomo en la secuencia de números atómicos crecientes, litio:


El átomo de litio utiliza parte de la capacitancia L de la coraza (n = 2). Esta capa en realidad tiene una capacidad total de ocho electrones (capacidad máxima de la capa = 2n 2 electrones). Si consideramos la estructura de un átomo con una capa L completamente llena, vemos cómo todas las combinaciones de subcapas, orbitales y espines están ocupadas por electrones:

A menudo, cuando se asigna una notación espectroscópica a un átomo, se omiten las capas completamente llenas, en lugar de las capas llenas y las capas llenas. nivel superior se indican. Por ejemplo, el elemento neón (que se muestra en la figura anterior), que tiene dos capas completamente llenas, se puede describir espectralmente simplemente como 2p 6 en lugar de 1s 22 s 22 p 6 . El litio, con su capa K completamente llena y un solo electrón en la capa L, puede describirse simplemente como 2s 1 en lugar de 1s 22 s 1 .

La omisión de capas de nivel inferior completamente pobladas no es solo por conveniencia de notación. También ilustra un principio básico de la química: el comportamiento químico de un elemento está determinado principalmente por sus capas vacías. Tanto el hidrógeno como el litio tienen un electrón en sus capas externas (como 1 y 2s 1, respectivamente), es decir, ambos elementos tienen propiedades similares. Ambos son altamente reactivos y reaccionan de manera casi idéntica (uniéndose a elementos similares en condiciones similares). Realmente no importa que el litio tenga una capa K completamente llena debajo de una capa L casi libre: la capa L vacía es la que determina su comportamiento químico.

Los elementos que tienen capas exteriores completamente llenas se clasifican como nobles y se caracterizan por una falta casi total de reacción con otros elementos. Estos elementos se clasificaron como inertes cuando se consideró que no reaccionaban en absoluto, pero se sabe que forman compuestos con otros elementos bajo ciertas condiciones.

Dado que los elementos con las mismas configuraciones electrónicas en sus capas externas tienen similares Propiedades químicas, Dmitri Mendeleev organizó los elementos químicos en la tabla en consecuencia. Esta mesa conocido como , y las tablas modernas siguen este diseño general, que se muestra en la siguiente figura.


tabla periodica de los elementos quimicos

Dmitri Mendeleev, un químico ruso, fue el primero en desarrollar la tabla periódica de elementos. Aunque Mendeleev organizó su tabla según la masa atómica, no el número atómico, y creó una tabla que no era tan útil como las tablas periódicas modernas, su desarrollo es un excelente ejemplo de prueba científica. Al ver patrones de periodicidad (propiedades químicas similares según la masa atómica), Mendeleev planteó la hipótesis de que todos los elementos deben encajar en este patrón ordenado. Cuando descubrió lugares "vacíos" en la tabla, siguió la lógica del orden existente y asumió la existencia de elementos aún desconocidos. El posterior descubrimiento de estos elementos confirmó la exactitud científica de la hipótesis de Mendeleev, descubrimientos posteriores llevaron a la forma de la tabla periódica que usamos ahora.

Me gusta esto deberían ciencia del trabajo: las hipotesis conducen a conclusiones logicas y se aceptan, modifican o rechazan segun la consistencia de los datos experimentales con sus conclusiones. Cualquier tonto puede formular una hipótesis a posteriori para explicar los datos experimentales disponibles, y muchos lo hacen. Lo que distingue una hipótesis científica de una especulación post hoc es la predicción de datos experimentales futuros que aún no se han recopilado y, como resultado, posiblemente la refutación de esos datos. Llevar audazmente la hipótesis a su(s) conclusión(es) lógica(s) e intentar predecir los resultados de experimentos futuros no es un acto de fe dogmático, sino más bien una prueba pública de esta hipótesis. llamada abierta opositores de la hipótesis. En otras palabras, las hipótesis científicas siempre son "arriesgadas" por tratar de predecir los resultados de experimentos que aún no se han realizado y, por lo tanto, pueden falsearse si los experimentos no salen como se esperaba. Por lo tanto, si una hipótesis predice correctamente los resultados de experimentos repetidos, queda refutada.

La mecánica cuántica, primero como hipótesis y luego como teoría, ha tenido un gran éxito en la predicción de los resultados de los experimentos, por lo tanto un alto grado confianza científica. Muchos científicos tienen razones para creer que esta es una teoría incompleta, ya que sus predicciones son más ciertas a escalas microfísicas que macroscópicas, pero sin embargo, es una teoría extremadamente útil para explicar y predecir la interacción de partículas y átomos.

Como ya ha visto en este capítulo, la física cuántica es esencial para describir y predecir el conjunto varios fenómenos. En la siguiente sección, veremos su importancia en la conductividad eléctrica de los sólidos, incluidos los semiconductores. En pocas palabras, nada en química o física. cuerpo solido no tiene sentido en la estructura teórica popular de los electrones que existen como partículas separadas de materia, dando vueltas alrededor del núcleo de un átomo, como satélites en miniatura. Cuando los electrones se ven como "funciones de onda" que existen en ciertos estados discretos que son regulares y periódicos, entonces se puede explicar el comportamiento de la materia.

Resumiendo

Los electrones en los átomos existen en "nubes" de probabilidad distribuida, y no como partículas discretas de materia que giran alrededor del núcleo, como satélites en miniatura, como muestran los ejemplos comunes.

Los electrones individuales alrededor del núcleo de un átomo tienden a "estados" únicos descritos por cuatro números cuánticos: número cuántico principal (radial), conocido como cascarón; número cuántico orbital (acimut), conocido como subcapa; número cuántico magnético describiendo orbital(orientación de la subcapa); Y número cuántico de espín, o simplemente girar. Estos estados son cuánticos, es decir, “entre ellos” no hay condiciones para la existencia de un electrón, salvo estados que encajen en el esquema de numeración cuántica.

Número cuántico de Glanoe (radial) (n) describe el nivel base o capa en la que reside el electrón. Cuanto mayor sea este número, mayor será el radio de la nube de electrones desde el núcleo del átomo, y mayor será la energía del electrón. Los números cuánticos principales son números enteros (enteros positivos)

Número cuántico orbital (azimutal) (l) describe la forma de una nube de electrones en una capa o nivel particular y, a menudo, se conoce como "subcapa". En cualquier capa, hay tantas subcapas (formas de una nube de electrones) como número cuántico principal de la capa. Los números cuánticos acimutales son números enteros positivos que comienzan desde cero y terminan con un número menor que el número cuántico principal en uno (n - 1).

Número cuántico magnético (m l) describe qué orientación tiene la subcapa (forma de la nube de electrones). Los subniveles pueden tener tantas orientaciones diferentes como el doble del número del subnivel (l) más 1, (2l+1) (es decir, para l=1, ml = -1, 0, 1), y cada orientación única se denomina orbital. . Estos números son enteros que comienzan con un valor negativo del número de subcapa (l) hasta 0 y terminan con un valor positivo del número de subcapa.

Número cuántico de espín (m·s) describe otra propiedad del electrón y puede tomar los valores +1/2 y -1/2.

principio de exclusión de Pauli dice que dos electrones en un átomo no pueden compartir el mismo conjunto de números cuánticos. Por lo tanto, puede haber como máximo dos electrones en cada orbital (espín = 1/2 y espín = -1/2), 2l+1 orbitales en cada subcapa y n subcapas en cada capa, y no más.

Notación espectroscópica es una convención para la estructura electrónica de un átomo. Las capas se muestran como números enteros, seguidas de letras de subcapas (s, p, d, f) con números en superíndice que indican el número total de electrones que se encuentran en cada subcapa respectiva.

El comportamiento químico de un átomo está determinado únicamente por los electrones en las capas vacías. Los proyectiles de bajo nivel que están completamente llenos tienen poco o ningún efecto sobre caracteristicas quimicas elementos de enlace.

Los elementos con capas de electrones completamente llenas son casi completamente inertes y se llaman noble elementos (anteriormente conocidos como inertes).


Nadie en este mundo entiende qué es la mecánica cuántica. Esto es quizás lo más importante que debes saber sobre ella. Por supuesto, muchos físicos han aprendido a utilizar las leyes e incluso a predecir fenómenos basándose en la computación cuántica. Pero aún no está claro por qué el observador del experimento determina el comportamiento del sistema y lo obliga a tomar uno de dos estados.

Aquí hay algunos ejemplos de experimentos con resultados que inevitablemente cambiarán bajo la influencia del observador. Muestran que la mecánica cuántica se ocupa prácticamente de la intervención del pensamiento consciente en la realidad material.

Hay muchas interpretaciones de la mecánica cuántica en la actualidad, pero la interpretación de Copenhague es quizás la más conocida. En la década de 1920, sus postulados generales fueron formulados por Niels Bohr y Werner Heisenberg.

La base de la interpretación de Copenhague fue la función de onda. Esta es una función matemática que contiene información sobre todos los estados posibles de un sistema cuántico en el que existe simultáneamente. Según la Interpretación de Copenhague, el estado de un sistema y su posición con respecto a otros estados solo puede determinarse mediante la observación (la función de onda solo se usa para calcular matemáticamente la probabilidad de que el sistema se encuentre en un estado u otro).

Se puede decir que después de la observación, un sistema cuántico se vuelve clásico e inmediatamente deja de existir en estados distintos a aquel en el que fue observado. Esta conclusión encontró a sus oponentes (recuerde el famoso "Dios no juega a los dados" de Einstein), pero la precisión de los cálculos y las predicciones todavía tenían lo suyo.

Sin embargo, el número de partidarios de la interpretación de Copenhague está disminuyendo, y la razón principal de esto es el misterioso colapso instantáneo de la función de onda durante el experimento. El famoso experimento mental de Erwin Schrödinger con un gato pobre debería demostrar lo absurdo de este fenómeno. Recordemos los detalles.

Dentro de la caja negra se encuentra un gato negro y con él un vial de veneno y un mecanismo que puede liberar el veneno al azar. Por ejemplo, un átomo radiactivo durante la descomposición puede romper una burbuja. Tiempo exacto se desconoce la descomposición del átomo. Solo se conoce la vida media, durante la cual se produce la descomposición con una probabilidad del 50%.

Obviamente, para un observador externo, el gato dentro de la caja se encuentra en dos estados: o está vivo, si todo ha ido bien, o muerto, si se ha producido la descomposición y se ha roto el vial. Ambos estados están descritos por la función de onda del gato, que cambia con el tiempo.

Cuanto más tiempo haya pasado, más probable es que haya ocurrido una desintegración radiactiva. Pero tan pronto como abrimos la caja, la función de onda colapsa e inmediatamente vemos los resultados de este experimento inhumano.

De hecho, hasta que el observador abra la caja, el gato se balanceará interminablemente entre la vida y la muerte, o estará vivo y muerto. Su destino solo puede determinarse como resultado de las acciones del observador. Este absurdo fue señalado por Schrödinger.

Según una encuesta de físicos famosos realizada por The New York Times, el experimento de difracción de electrones es uno de los estudios más sorprendentes en la historia de la ciencia. ¿Cuál es su naturaleza? Hay una fuente que emite un haz de electrones sobre una pantalla fotosensible. Y hay un obstáculo en el camino de estos electrones, una placa de cobre con dos ranuras.

¿Qué imagen podemos esperar en la pantalla si los electrones generalmente se nos representan como pequeñas bolas cargadas? Dos franjas frente a las ranuras de la placa de cobre. Pero, de hecho, aparece en la pantalla un patrón mucho más complejo de franjas blancas y negras alternas. Esto se debe a que al pasar por la rendija, los electrones comienzan a comportarse no solo como partículas, sino también como ondas (los fotones u otras partículas de luz que pueden ser onda al mismo tiempo se comportan de la misma manera).

Estas ondas interactúan en el espacio, chocando y reforzándose entre sí, y como resultado, se muestra en la pantalla un patrón complejo de alternancia de franjas claras y oscuras. Al mismo tiempo, el resultado de este experimento no cambia, incluso si los electrones pasan uno por uno; incluso una partícula puede ser una onda y pasar a través de dos rendijas al mismo tiempo. Este postulado fue uno de los principales en la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, cuando las partículas pueden demostrar simultáneamente sus propiedades físicas "ordinarias" y propiedades exóticas como una onda.

Pero, ¿y el observador? Es él quien hace que esta confusa historia sea aún más confusa. Cuando los físicos en experimentos como este intentaron usar instrumentos para determinar por qué rendija pasaba realmente un electrón, la imagen en la pantalla cambió drásticamente y se volvió "clásica": con dos secciones iluminadas directamente opuestas a las rendijas, sin franjas alternas.

Los electrones parecían reacios a revelar su naturaleza ondulatoria a la atenta mirada de los espectadores. Parece un misterio envuelto en la oscuridad. Pero hay una explicación más sencilla: la observación del sistema no puede llevarse a cabo sin influencia física sobre él. Discutiremos esto más tarde.

2. Fullerenos calentados

Los experimentos sobre la difracción de partículas se llevaron a cabo no solo con electrones, sino también con otros objetos mucho más grandes. Por ejemplo, se utilizaron fullerenos, moléculas grandes y cerradas formadas por varias decenas de átomos de carbono. Recientemente, un grupo de científicos de la Universidad de Viena, dirigido por el profesor Zeilinger, intentó incluir un elemento de observación en estos experimentos. Para hacer esto, irradiaron moléculas de fullereno en movimiento con rayos láser. Luego, calentadas por una fuente externa, las moléculas comenzaron a brillar e inevitablemente reflejaron su presencia al observador.

Junto con esta innovación, el comportamiento de las moléculas también ha cambiado. Antes de una observación tan completa, los fullerenos evitaron un obstáculo con bastante éxito (exhibiendo propiedades de onda), similar al ejemplo anterior con electrones golpeando una pantalla. Pero con la presencia de un observador, los fullerenos comenzaron a comportarse como partículas físicas perfectamente respetuosas de la ley.

3. Medición de enfriamiento

Una de las leyes más famosas en el mundo de la física cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual es imposible determinar la velocidad y la posición de un objeto cuántico al mismo tiempo. Cuanto más exactamente medimos el momento de una partícula, menos exactamente podemos medir su posición. Sin embargo, en nuestro macroscópico mundo real la validez de las leyes cuánticas que actúan sobre partículas diminutas suele pasar desapercibida.

Experimentos recientes del Prof. Schwab de los EE. UU. hacen una contribución muy valiosa a este campo. Los efectos cuánticos en estos experimentos no se demostraron a nivel de electrones o moléculas de fullereno (que tienen un diámetro aproximado de 1 nm), sino en objetos más grandes, una pequeña cinta de aluminio. Esta cinta se fijó en ambos lados para que su centro estuviera en un estado suspendido y pudiera vibrar bajo la influencia externa. Además, se colocó cerca un dispositivo capaz de registrar con precisión la posición de la cinta. Como resultado del experimento, se descubrieron varias cosas interesantes. En primer lugar, cualquier medición relacionada con la posición del objeto y la observación de la cinta lo afectaba, después de cada medición la posición de la cinta cambiaba.

Los experimentadores determinaron las coordenadas de la cinta con gran precisión y, por lo tanto, de acuerdo con el principio de Heisenberg, cambiaron su velocidad y, por lo tanto, la posición posterior. En segundo lugar, y de manera bastante inesperada, algunas mediciones provocaron un enfriamiento de la cinta. Así, un observador puede cambiar las características físicas de los objetos por su mera presencia.

4. Partículas congelantes

Como saben, las partículas radiactivas inestables se descomponen no solo en experimentos con gatos, sino también por sí mismas. Cada partícula tiene un tiempo de vida promedio que, como resultado, puede aumentar bajo la atenta mirada de un observador. Este efecto cuántico se predijo en los años 60, y su brillante prueba experimental apareció en un artículo publicado por un grupo dirigido por el premio Nobel de física Wolfgang Ketterle, del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

En este trabajo se estudió la desintegración de átomos de rubidio excitados inestables. Inmediatamente después de la preparación del sistema, los átomos fueron excitados usando un rayo láser. La observación se llevó a cabo en dos modos: continuo (el sistema estaba constantemente expuesto a pequeños pulsos de luz) y pulsado (el sistema era irradiado de vez en cuando con pulsos más potentes).

Los resultados obtenidos coincidieron plenamente con las predicciones teóricas. Los efectos de luz externos ralentizan la descomposición de las partículas, devolviéndolas a su estado original, que está lejos del estado de descomposición. La magnitud de este efecto también coincidió con las predicciones. La vida útil máxima de los átomos de rubidio excitados inestables aumentó en un factor de 30.

5. Mecánica cuántica y conciencia

Los electrones y los fullerenos dejan de mostrar sus propiedades ondulatorias, las placas de aluminio se enfrían y las partículas inestables ralentizan su descomposición. El ojo vigilante del espectador literalmente cambia el mundo. ¿Por qué esto no puede ser evidencia de la participación de nuestras mentes en el trabajo del mundo? ¿Quizás Carl Jung y Wolfgang Pauli (físico austriaco, premio Nobel, pionero de la mecánica cuántica) tenían razón, después de todo, cuando dijeron que las leyes de la física y la conciencia deberían considerarse complementarias entre sí?

Estamos a un paso de reconocer que el mundo que nos rodea es simplemente un producto ilusorio de nuestra mente. La idea es aterradora y tentadora. Tratemos de volver a los físicos. Especialmente en últimos años, cuando cada vez menos personas creen que la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica con su misteriosa función de onda se derrumba y se convierte en una decoherencia más mundana y confiable.

El hecho es que en todos estos experimentos con observaciones, los experimentadores inevitablemente influyeron en el sistema. Lo iluminaron con un láser e instalaron instrumentos de medición. Estaban unidos por un principio importante: no se puede observar un sistema o medir sus propiedades sin interactuar con él. Cualquier interacción es un proceso de modificación de propiedades. Especialmente cuando un minúsculo sistema cuántico está expuesto a colosales objetos cuánticos. Algún observador budista eternamente neutral es imposible en principio. Y aquí entra en juego el término "decoherencia", que es irreversible desde el punto de vista de la termodinámica: las propiedades cuánticas de un sistema cambian al interactuar con otro gran sistema.

Durante esta interacción, el sistema cuántico pierde sus propiedades originales y se vuelve clásico, como si "obedeciera" sistema principal. Esto también explica la paradoja del gato de Schrödinger: un gato es demasiado gran sistema, por lo que no puede ser aislado del resto del mundo. El diseño mismo de este experimento mental no es del todo correcto.

En cualquier caso, si asumimos la realidad del acto de creación por la conciencia, la decoherencia parece ser un enfoque mucho más conveniente. Tal vez incluso demasiado conveniente. Con este enfoque, todo el mundo clásico se convierte en una gran consecuencia de la decoherencia. Y como afirmó el autor de uno de los libros más famosos en el campo, tal enfoque conduce lógicamente a afirmaciones como "no hay partículas en el mundo" o "no hay tiempo en un nivel fundamental".

¿Qué es la verdad: en el creador-observador o en la poderosa decoherencia? Tenemos que elegir entre dos males. Sin embargo, los científicos están cada vez más convencidos de que los efectos cuánticos son una manifestación de nuestros procesos mentales. Y donde termina la observación y comienza la realidad depende de cada uno de nosotros.

Según topinfopost.com

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La física cuántica ha cambiado radicalmente nuestra comprensión del mundo. Según la física cuántica, ¡podemos influir en el proceso de rejuvenecimiento con nuestra conciencia!

¿Por qué es esto posible?Desde el punto de vista de la física cuántica, nuestra realidad es una fuente de puras potencialidades, una fuente de materias primas que componen nuestro cuerpo, nuestra mente y el Universo entero.El campo universal de energía e información nunca deja de cambiar y transformarse, convirtiéndose en algo nuevo cada segundo.

En el siglo XX, durante experimentos físicos con partículas subatómicas y fotones, se descubrió que el hecho de observar el curso de un experimento modifica sus resultados. Aquello en lo que enfocamos nuestra atención puede reaccionar.

Este hecho es confirmado por un experimento clásico que siempre sorprende a los científicos. Se repitió en muchos laboratorios y siempre se obtuvieron los mismos resultados.

Para este experimento se preparó una fuente de luz y una pantalla con dos rendijas. Como fuente de luz, se utilizó un dispositivo que "disparó" fotones en forma de pulsos únicos.

El curso del experimento fue monitoreado. Después del final del experimento, dos rayas verticales eran visibles en el papel fotográfico que estaba detrás de las rendijas. Estos son rastros de fotones que atravesaron las rendijas e iluminaron el papel fotográfico.

Cuando este experimento se repitió en modo automático, sin intervención humana, la imagen en papel fotográfico cambió:

Si el investigador encendió el dispositivo y se fue, y después de 20 minutos se desarrolló el papel fotográfico, entonces no se encontraron dos, sino muchas rayas verticales en él. Estos eran rastros de radiación. Pero el dibujo era diferente.

La estructura de la huella en el papel fotográfico se parecía a la huella de una onda que pasa a través de las rendijas.La luz puede exhibir las propiedades de una onda o una partícula.

Por el simple hecho de la observación, la onda desaparece y se convierte en partículas. Si no observa, aparece un rastro de la onda en el papel fotográfico. Este fenómeno físico se llama el efecto del observador.

Se obtuvieron los mismos resultados con otras partículas. Los experimentos se repitieron muchas veces, pero cada vez sorprendieron a los científicos. Entonces se descubrió que a nivel cuántico, la materia reacciona a la atención de una persona. Esto era nuevo en física.

Según los conceptos de la física moderna, todo se materializa a partir del vacío. Este vacío se llama "campo cuántico", "campo cero" o "matriz". El vacío contiene energía que puede convertirse en materia.

La materia consiste en energía concentrada: este es el descubrimiento fundamental de la física del siglo XX.

No hay partes sólidas en un átomo. Los objetos están formados por átomos. Pero, ¿por qué los objetos son sólidos? Un dedo pegado a una pared de ladrillos no la atraviesa. ¿Por qué? Esto se debe a las diferencias en las características de frecuencia de los átomos y las cargas eléctricas. Cada tipo de átomo tiene su propia frecuencia de vibración. Esto define las diferencias propiedades físicas elementos. Si fuera posible cambiar la frecuencia de vibración de los átomos que componen el cuerpo, entonces una persona podría atravesar las paredes. Pero las frecuencias vibratorias de los átomos de la mano y los átomos de la pared están cerca. Por lo tanto, el dedo se apoya en la pared.

Para cualquier tipo de interacción, la resonancia de frecuencia es necesaria.

Esto es fácil de entender con un ejemplo simple. Si iluminas un muro de piedra con la luz de una linterna, el muro bloqueará la luz. Sin embargo, la radiación de los teléfonos móviles atravesará fácilmente esta pared. Se trata de las diferencias de frecuencia entre la radiación de una linterna y la de un teléfono móvil. Mientras lee este texto, corrientes de radiación muy diferentes están pasando a través de su cuerpo. Estas son la radiación cósmica, las señales de radio, las señales de millones de teléfonos móviles, la radiación proveniente de la tierra, la radiación solar, la radiación creada por los electrodomésticos, etc.

No lo sientes porque solo puedes ver la luz y escuchar solo el sonido. Incluso si te sientas en silencio con los ojos cerrados, millones de conversaciones telefónicas, imágenes de noticias de televisión y mensajes de radio pasan por tu cabeza. No percibes esto, porque no hay resonancia de frecuencias entre los átomos que componen tu cuerpo y la radiación. Pero si hay una resonancia, inmediatamente reaccionas. Por ejemplo, cuando recuerdas a un ser querido que acaba de pensar en ti. Todo en el universo obedece las leyes de resonancia.

El mundo se compone de energía e información. Einstein, después de mucho pensar sobre la estructura del mundo, dijo: "La única realidad que existe en el universo es el campo". Así como las olas son una creación del mar, todas las manifestaciones de la materia: organismos, planetas, estrellas, galaxias son creaciones del campo.

Surge la pregunta, ¿cómo se crea la materia a partir del campo? ¿Qué fuerza controla el movimiento de la materia?

Los investigadores científicos los llevaron a una respuesta inesperada. El fundador de la física cuántica, Max Planck, dijo lo siguiente durante su discurso del Premio Nobel:

“Todo en el Universo se crea y existe debido a la fuerza. Debemos suponer que detrás de esta fuerza hay una mente consciente, que es la matriz de toda la materia.

LA MATERIA ESTÁ GOBERNADA POR LA CONCIENCIA

Con el cambio de los siglos XX y XXI, aparecieron nuevas ideas en la física teórica que permiten explicar las extrañas propiedades de las partículas elementales. Las partículas pueden aparecer del vacío y desaparecer repentinamente. Los científicos admiten la posibilidad de la existencia de universos paralelos. Quizás las partículas se muevan de una capa del universo a otra. Celebridades como Stephen Hawking, Edward Witten, Juan Maldacena, Leonard Susskind están involucrados en el desarrollo de estas ideas.

De acuerdo con los conceptos de la física teórica, el Universo se parece a una muñeca que anida, que consta de muchas muñecas que anidan: capas. Estas son las variantes de los universos - mundos paralelos. Los que están uno al lado del otro son muy similares. Pero cuanto más lejos están las capas entre sí, menos similitudes entre ellas. Teóricamente, para moverse de un universo a otro, no se requieren naves espaciales. Todas las opciones posibles se encuentran una dentro de la otra. Por primera vez, estas ideas fueron expresadas por científicos a mediados del siglo XX. A la vuelta de los siglos XX y XXI, recibieron confirmación matemática. Hoy en día, dicha información es fácilmente aceptada por el público. Sin embargo, hace un par de cientos de años, por tales declaraciones podían ser quemados en la hoguera o declarados locos.

Todo surge del vacío. Todo está en movimiento. Los artículos son una ilusión. La materia está formada por energía. Todo es creado por el pensamiento. Estos descubrimientos de la física cuántica no contienen nada nuevo. Todo esto era conocido por los antiguos sabios. En muchas enseñanzas místicas, que se consideraban secretas y sólo estaban al alcance de los iniciados, se decía que no había diferencia entre pensamientos y objetos.Todo en el mundo está lleno de energía. El universo responde al pensamiento. La energía sigue a la atención.

Aquello en lo que enfocas tu atención comienza a cambiar. Estos pensamientos en diversas formulaciones se dan en la Biblia, en los antiguos textos gnósticos, en las enseñanzas místicas que surgieron en la India y Sudamerica. Los constructores de las antiguas pirámides lo adivinaron. Este conocimiento es la clave de las nuevas tecnologías que se utilizan hoy en día para manipular la realidad.

Nuestro cuerpo es un campo de energía, información y mente, que se encuentra en un estado de constante intercambio dinámico con ambiente. Los impulsos de la mente constantemente, cada segundo, dan al cuerpo nuevas formas para adaptarse a las exigencias cambiantes de la vida.

Desde el punto de vista de la física cuántica, nuestro cuerpo físico bajo la influencia de nuestra mente es capaz de dar un salto cuántico de una edad biológica a otra, sin pasar por todas las edades intermedias. publicado

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