Cos’è la meccanica quantistica?

La meccanica quantistica è una teoria fisica fondamentale che spiega il comportamento unico delle particelle atomiche e subatomiche, introducendo concetti rivoluzionari come la quantizzazione e la dualità onda-particella.

Introduzione alla meccanica quantistica

La meccanica quantistica è il campo della fisica che spiega come oggetti estremamente piccoli abbiano proprietà sia di particelle (piccoli pezzi di materia) che di onde (disturbo o differenza che trasmette energia) allo stesso tempo. I fisici chiamano questo “dualismo onda-particella”.

Dualità e quantità onda-corpuscolo

La parte particellare della dualità onda-particella implica il modo in cui le cose vengono descritte come “quanti”. Un quanto è la più piccola unità discreta (come una particella) di un fenomeno naturale in un sistema in cui le unità sono in uno stato legato. Ad esempio, la quantità di radiazione elettromagnetica, o luce, è Fotone. Uno stato legato è uno stato in cui le molecole sono intrappolate. Un esempio di stato legato sono gli elettroni, i neutroni e i protoni che si trovano in uno stato legato. mais.

Quantificazione in meccanica quantistica

Essere un “quantico” significa che le particelle nello stato legato possono avere solo valori discreti per proprietà come energia o quantità di moto. Ad esempio, un elettrone in un atomo può avere solo livelli energetici molto specifici. Questo è diverso dal nostro mondo delle particelle macroscopiche, dove queste proprietà possono assumere qualsiasi valore entro un intervallo. Una palla da baseball non può avere quasi alcuna energia quando viene lanciata, viaggia nell’aria, rallenta gradualmente e poi si ferma.

Funzioni d’onda e mondo quantistico

Nel frattempo, anche le piccole particelle quantistiche come gli elettroni possono essere descritte come onde. Come un’onda nell’oceano Nel nostro mondo macroscopico – il mondo che possiamo vedere con i nostri occhi – le onde del mondo quantistico sono in costante movimento. Nella meccanica quantistica, gli scienziati parlano della “funzione d’onda” di una particella. È una rappresentazione matematica utilizzata per descrivere la probabilità che una particella si trovi in ​​un determinato luogo, in un determinato momento, con un determinato impulso.

Meccanica quantistica vs meccanica classica

Il mondo della meccanica quantistica è molto diverso dal modo in cui normalmente vediamo il nostro mondo macroscopico, che è governato da ciò che i fisici chiamano meccanica classica. La meccanica quantistica è nata come risultato degli enormi progressi compiuti dai fisici all’inizio del XX secolo^sì secolo per comprendere il mondo microscopico che ci circonda e come differisce dal mondo macroscopico.

Meccanica quantistica e progresso scientifico

Come per molte cose nella scienza, nuove scoperte hanno sollevato nuove domande. Prima di allora, gli scienziati credevano che la luce esistesse come un’onda elettromagnetica e che gli elettroni esistessero come particelle puntiformi discrete. Tuttavia, ciò ha creato problemi nell’interpretazione di vari fenomeni fisici. Questi includono la radiazione del corpo nero, l’emissione di luce dagli oggetti in base alla loro temperatura. La meccanica quantistica ha anche contribuito a spiegare la struttura dell’atomo. Ciò ha portato alla comprensione dell’effetto fotoelettrico, che implica il modo in cui gli elettroni vengono emessi dai materiali quando esposti alla luce di determinate lunghezze d’onda. Spiegando come le cose possano essere sia particelle che onde, la meccanica quantistica risolve questi problemi.

Impatto su scienza e tecnologia

Questa nuova conoscenza ha avuto profondi effetti sulla scienza e sulla tecnologia. La meccanica quantistica ha portato allo sviluppo di cose come laser, diodi emettitori di luce, transistor, imaging medico, microscopi elettronici e una miriade di altri dispositivi moderni. Il tuo cellulare non esisterebbe se non fosse per la meccanica quantistica!

I fatti in breve

• Molte particelle subatomiche, compreso il protone, hanno momento angolare, spesso chiamato spin. Gli esperti medici utilizzano questa funzionalità nelle macchine per la risonanza magnetica.
• Gli smartphone contengono miliardi di transistor che funzionano in base alla natura ondulatoria degli elettroni, che gli scienziati comprendono attraverso la meccanica quantistica.
• I computer quantistici e le reti quantistiche sono nuove applicazioni della meccanica quantistica che utilizzano la natura quantistica delle particelle per archiviare e trasmettere informazioni.

DOE Office of Science: contributi alla meccanica quantistica

L’Ufficio Scienze del Dipartimento di Energia sostiene la ricerca tecnologica e scientifica basata sulla meccanica quantistica. L’Office of Science ha molti programmi coinvolti Statistiche quantitative E la scienza dell’informazione quantistica. Inoltre, la moderna ricerca scientifica sostenuta dall’Ufficio della Scienza è condotta nell’ambito della meccanica quantistica.

Strutture di accelerazione come l’Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) presso l’Argonne National Laboratory, il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory e la Continuous Electron Beam Accelerator Facility presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility esistono tutte per studiare il proprietà delle particelle più piccole. da naturale. Queste minuscole particelle sono controllate dalle regole della meccanica quantistica.

Altre strutture che studiano la natura quantistica delle particelle includono il Fermi National Accelerator Laboratory, il principale laboratorio americano di fisica delle particelle. Il Rare Isotope Beam Facility (FRIB) della Michigan State University esiste per studiare le proprietà dei nuclei atomici esotici.