La física quàntica és una branca de la física que estudia els fenòmens que tenen lloc a escales molt petites, com els àtoms i les partícules subatòmiques. A diferència de la física clàssica, que descriu el comportament d'objectes macroscòpics, la física quàntica se centra al món microscòpic, on les lleis de la física clàssica ja no són vàlides.
La física quàntica es basa en diversos principis fonamentals que difereixen de la intuïció clàssica. Alguns d'aquests principis inclouen:
- Dualitat ona-partícula.
- Principi d´incertesa de Heisenberg.
- Superposició.
- Principi dexclusió de Pauli.
- Entrellaçament quàntic.
Dualitat ona-partícula
Les partícules subatòmiques poden exhibir comportaments tant de partícula com d'ona. Això significa que, en certs experiments, les partícules es poden comportar com a partícules puntuals, amb una posició i un moment definits.
No obstant això, en altres experiments, es poden observar patrons dinterferència que són característics de les ones, com la interferència de dues escletxes.
Experiment de la doble escletxa
Un exemple famós daquesta dualitat és lexperiment de la doble escletxa. Quan es dispara un feix de partícules, com ara electrons o fotons, a través d'una barrera amb dues escletxes, s'observa un patró d'interferència a la pantalla de detecció.
Aquest patró només es pot explicar si es considera que les partícules es comporten com a ones que interfereixen entre si. Tanmateix, quan es fa l'observació de prop, es detecten partícules individuals en punts específics de la pantalla i es comporten com a partícules puntuals.
Principi d'incertesa de Heisenberg
El principi d'incertesa de Heisenberg, formulat pel Werner Heisenberg físic, estableix una limitació fonamental en la precisió amb què es poden conèixer certes propietats d'una partícula subatòmica.
El principi afirma que no es pot conèixer simultàniament amb precisió absoluta tant la posició com el moment (o la quantitat de moviment) duna partícula. Això implica que com més es mesura la posició d'una partícula, menys precisió es té sobre el seu moment, i viceversa.
Aquesta limitació està relacionada amb la naturalesa ondulatòria de les partícules subatòmiques. Com més s'apreta la descripció d'una ona (és a dir, se'n redueix l'extensió espacial), més s'expandeix a l'espai dels moments, i viceversa.
Això s'expressa mitjançant la coneguda desigualtat de Heisenberg:
Δx * Δp >= h/4π
On:
-
Δx representa la incertesa a la posició.
-
Δp és la incertesa en el moment.
-
h és la constant de Planck.
Superposició
Un dels conceptes més intrigants de la física quàntica és la superposició. Segons aquest principi, les partícules quàntiques poden existir en múltiples estats alhora fins que es realitza un mesurament.
Això vol dir que una partícula pot estar en una superposició de diferents posicions, moments, energies o altres propietats.
El gat de Schrödinger
Un exemple clàssic de superposició és lexperiment del gat de Schrödinger.
En aquest experiment mental, un gat es col·loca en una caixa tancada juntament amb un dispositiu que té una probabilitat 50/50 de matar el gat. Segons la mecànica quàntica, abans d'obrir la caixa i fer l'observació, el gat està en una superposició d'estar viu i mort alhora.
Només quan s'obre la caixa i es fa l'observació, l'estat quàntic del gat col·lapsa en un dels dos resultats possibles: viu o mort.
Principi d'exclusió de Pauli
El principi d'exclusió de Pauli, formulat per Wolfgang Pauli, estableix que dos fermions idèntics, com ara electrons, no poden ocupar simultàniament el mateix estat quàntic en un sistema donat.
Aquest principi és essencial per entendre la distribució delectrons en àtoms i molècules. Impedeix que dos electrons comparteixin tots els números quàntics, inclòs l'espín, assegurant una distribució única i específica d'electrons en els nivells i subnivells d'energia.
Aquesta restricció quàntica és fonamental per alʻestabilitat de la matèria i té implicacions significatives en la formació de lʻestructura atòmica i la taula periòdica dels elements.
Entrellaçament quàntic
L'entrellaçament quàntic és un fenomen en el qual dues partícules o més estan intricadament correlacionades entre si, de manera que l'estat d'una partícula està instantàniament relacionat amb l'estat de l'altra, fins i tot si estan separades per grans distàncies.
Això implica una connexió no local entre les partícules entrellaçades.
Experiment de les partícules entrellaçades
Un experiment conegut que il·lustra l'entrellaçament quàntic és l'experiment de les partícules entrellaçades o parells de Bell.
En aquest experiment, quan dues partícules entrellaçades se separen i es mesuren en propietats complementàries, com la polarització, els resultats dels mesuraments estan correlacionats de manera que no es pot explicar amb una teoria clàssica.
Això significa que l'estat quàntic d'una partícula està vinculat instantàniament a l'estat quàntic de l'altra, independentment de la distància que les separi.
Aquest fenomen ha estat confirmat experimentalment i és utilitzat en tecnologies com la criptografia quàntica per garantir la seguretat a les comunicacions.
Diferència entre física quàntica i mecànica quàntica
La física quàntica i la mecànica quàntica són termes que sovint es fan servir indistintament i es refereixen al mateix camp destudi. Tot i això, és possible fer una distinció subtil entre ambdós termes.
La física quàntica és un terme més ampli que engloba tots els aspectes de la teoria quàntica, que inclou no només la mecànica quàntica, sinó també altres camps relacionats com la teoria quàntica de camps, l'electrodinàmica quàntica, la teoria quàntica de la informació i la teoria quàntica estadística, entre d'altres.
En aquest sentit, la física quàntica abasta una varietat de teories i principis que expliquen el comportament de les partícules i sistemes a escales molt petites.
D'altra banda, la mecànica quàntica es refereix específicament a la branca de la física quàntica que s'ocupa de la descripció i comprensió del comportament de les partícules subatòmiques i els sistemes físics a nivell quàntic.
És la teoria quàntica més fonamental i àmpliament coneguda, i estableix els principis i les equacions que governen el comportament de les partícules a nivell microscòpic.
