Ver o código fonte de «Mecánica cuántica»

{{1000}}
[[Ficheiro:Hydrogen_Density_Plots.png|miniatura|upright|Funcións de onda do electrón nun átomo de hidróxeno en diferentes niveis de enerxía. A mecánica cuántica non pode predicir a localización exacta dunha partícula no espazo, só a probabilidade de atopala en diferentes lugares.<ref name=Born1926>{{cita xornal|author-link1= Max Born |last=Born|first=M.|title=Zur Quantenmechanik der Stoßvorgänge|trans-title=On the Quantum Mechanics of Collision Processes|journal=Zeitschrift für Physik|volume=37|páxinas=863–867|ano=1926|doi=10.1007/BF01397477|bibcode = 1926ZPhy...37..863B|issue=12}}</ref> As áreas máis brillantes representan unha maior probabilidade de atopar o electrón.]]
[[Ficheiro:2D_Wavefunction_(2,2)_Surface_Plot.png|miniatura|upright|Esquema dunha función de onda monoelectrónica ou [[Orbital atómico|orbital]] en tres dimensións.]]
[[Ficheiro:3D_Wavefunction_(2,2,2).gif|alt=|miniatura|upright|Esquema dun orbital en dúas dimensións]]
A '''mecánica cuántica''' é unha [[Teoría científica|teoría]] fundamental da [[física]] (máis ''particularmente'', da [[física moderna]]) que proporciona unha descrición das propiedades físicas da [[natureza]] a escala de [[átomo]]s e [[partícula subatómica|partículas subatómicas]].<ref name="Feynman">{{cita libro
| apelido1 = Feynman
| nome1 = Richard
| apelido2 = Leighton
| nome2 = Robert
| apelido3 = Sands
| nome3 = Matthew
| título= The Feynman Lectures on Physics
| volume = 3
| publisher = California Institute of Technology
| data = 1964
| url = https://feynmanlectures.caltech.edu/III_01.html
| isbn = 978-0201500646
| data-acceso= 15 de xuño do 2023
}}</ref>{{rp|1.1}} É a base de toda a física cuántica, incluíndo a [[química cuántica]], a [[teoría cuántica de campos]], a [[tecnoloxía cuántica]] e a [[Información e comunicación cuántica|ciencia da información cuántica]].

A [[física clásica]] (o conxunto de teorías que existían antes da aparición da mecánica cuántica) describe moitos aspectos da natureza a escala ordinaria ([[Nivel macroscópico|macroscópica]]), pero non é suficiente para describilos a escalas moi pequenas{{refn|group="n."| O concepto de partícula "moi pequena", mesmo que de límites moi imprecisos, relaciónase coas dimensións nas cales se comezan a notar efectos como a imposibilidade de coñecer con exactitude infinita e ao mesmo tempo a posición e mais a velocidade dunha partícula, entre outras. (vexa [[Principio de indeterminación de Heisenberg]])}} (atómica e [[Partícula subatómica|subatómica]]). A maioría das teorías da física clásica poden derivarse da mecánica cuántica como unha aproximación válida a grande escala (macroscópica).<ref>{{cita xornal|last1=Jaeger|first1=Gregg|title=What in the (quantum) world is macroscopic?|xornal=American Journal of Physics| data=setembro de 2014|volume=82|issue=9|pages=896–905| doi=10.1119/1.4878358| bibcode = 2014AmJPh..82..896J }}</ref>

A mecánica cuántica difire da física clásica en que a [[enerxía]], o [[Cantidade de movemento|momento]], o [[momento angular]] e outras cantidades dun sistema de [[estado ligado|ligado]] están restrinxidas a [[matemática discreta|valores discretos]] ([[quantización]]); os obxectos teñen características tanto de [[partícula]]s como de [[Onda (física)|ondas]] ([[Dualidade onda-corpúsculo|dualidade onda-partícula]]); e existen límites á precisión coa que se pode predicir o valor dunha cantidade física antes da súa medición, dado un conxunto completo de condicións iniciais ([[Principio de indeterminación de Heisenberg|principio de incerteza]]).
== Historia ==

A mecánica cuántica [[Historia da mecánica cuántica|xurdiu gradualmente]] a partir de teorías para explicar observacións que non podían reconciliarse coa física clásica, como a solución de [[Max Planck]] en [[1900]] ao problema da [[radiación do corpo negro]], e a correspondencia entre enerxía e frecuencia nos [[Artigos do Annus mirabilis de Einstein|artigos de 1905]] de [[Albert Einstein]], que explicaban o [[efecto fotoeléctrico]]. Estes primeiros intentos de comprender os fenómenos microscópicos, agora coñecidos como a "[[teoría cuántica antigua]]", conduciron ao desenvolvemento completo da mecánica cuántica a mediados da década de 1920 por [[Niels Bohr]], [[Erwin Schrödinger]], [[Werner Heisenberg]], [[Max Born]], [[Paul Dirac]] e outros. A teoría moderna formúlase en varios [[Postulados da mecánica cuántica|formalismos matemáticos especialmente desenvolvidos]]. Nun deles, unha entidade matemática chamada [[función de onda]] proporciona información, en forma de [[amplitude de probabilidade]], sobre o que poden producir as medidas da enerxía, o momento e outras propiedades físicas dunha partícula.

Baséase na observación de que todas as formas de [[enerxía]] libéranse en unidades discretas ou paquetes chamados [[quanto]]s. As partículas con esta propiedade poden pertencer a dous tipos distintos: [[fermión]]s ou [[bosón]]s. Algúns destes últimos están ligados a unha [[interacción fundamental]] (por exemplo, o fotón pertence á [[electromagnetismo|electromagnética]]). Sorprendentemente, a [[teoría cuántica]] só permite normalmente cálculos [[probabilidade|probabilísticos]] ou [[Estatística|estatísticos]] das características observadas das [[partícula elemental|partículas elementais]], entendidos en termos de funcións de onda. A [[ecuación de Schrödinger]] desempeña, na mecánica cuántica, o papel que as [[leis de Newton]] e a [[conservación da enerxía]] desempeñan na [[mecánica clásica]]. É dicir, a predición do comportamento futuro dun [[sistema dinámico]] e é unha [[ecuación]] de onda en termos dunha [[función de onda]] a que predi analiticamente a probabilidade precisa dos eventos ou resultados.

En teorías anteriores da física clásica, a enerxía era tratada unicamente como un fenómeno continuo, en tanto que a materia suponse que ocupa unha rexión moi concreta do [[espazo]] e que se move de maneira continua. Segundo a teoría cuántica, a enerxía emítese e absórbese en cantidades discretas e minúsculas. Un paquete individual de enerxía, chamado quanto, nalgunhas situacións compórtase como unha [[Partícula subatómica|partícula]] de materia. Doutra banda, atopouse que as partículas expoñen algunhas propiedades ondulatorias cando están en movemento e xa non son vistas como localizadas nunha rexión determinada, senón máis ben estendidas en certa medida. A luz ou outra radiación emitida ou absorbida por un [[átomo]] só ten certas [[Frecuencia|frecuencias]] (ou [[Lonxitude de onda|lonxitudes de onda]]), como pode verse na [[Liña espectral|liña do espectro]] asociado ao [[elemento químico]] representado por tal átomo. A teoría cuántica demostra que tales frecuencias corresponden a niveis definidos dos quantos de luz, ou [[fotón]]s, e é o resultado do feito de que os electróns do átomo só poden ter certos valores de enerxía permitidos. Cando un [[electrón]] pasa dun nivel permitido a outro, unha cantidade de enerxía é emitida ou absorbida, cuxa frecuencia é directamente proporcional á diferenza de enerxía entre os dous niveis.

A mecánica cuántica xorde timidamente nos inicios do [[século XX]] dentro das tradicións máis profundas da física para dar unha solución a problemas para os que as teorías coñecidas ata o momento esgotaran a súa capacidade de explicar, como a chamada [[catástrofe ultravioleta]] na [[Corpo negro|radiación de corpo negro]] predita pola [[Mecánica estatística|física estatística]] clásica e a inestabilidade dos átomos no [[modelo atómico de Rutherford]]. A primeira proposta dun principio propiamente cuántico débese a [[Max Planck]] en 1900, para resolver o problema da radiación de corpo negro, que foi duramente cuestionado, ata que [[Albert Einstein]] convérteo no principio que exitosamente poida explicar o [[efecto fotoeléctrico]]. As primeiras formulacións matemáticas completas da mecánica cuántica non se alcanzan ata mediados da década de 1920, sen que ata o día de hoxe téñase unha interpretación coherente da teoría, en particular do [[Interpretacións da mecánica cuántica#O problema do medida|problema da medición]].

O formalismo da mecánica cuántica desenvolveuse durante a [[década de 1920]]. En 1924, [[Louis de Broglie]] propuxo que, do mesmo xeito que as ondas de luz presentan propiedades de partículas, como ocorre no [[efecto fotoeléctrico]], as partículas, tamén presentan propiedades [[Onda (física)|ondulatorias]]. Dúas formulacións diferentes da mecánica cuántica presentáronse despois da suxestión de Broglie. En 1926, a [[mecánica ondulatoria]] de [[Erwin Schrödinger]] implica a utilización dunha entidade matemática, a [[función de onda]], que está relacionada coa probabilidade de atopar unha partícula nun punto dado no espazo. En 1925, a [[mecánica matricial]] de [[Werner Heisenberg]] non fai mención algunha das funcións de onda ou conceptos similares, pero demostrou ser matematicamente equivalente á teoría de Schrödinger. Un descubrimento importante da teoría cuántica é o [[principio de indeterminación de Heisenberg|principio de incerteza]], enunciado por Heisenberg en [[1927]], que pon un límite teórico absoluto na precisión de certas medicións. Como resultado diso, a asunción clásica dos científicos de que o estado físico dun sistema podería medirse exactamente e utilizarse para predicir os estados futuros tivo que ser abandonada. Isto supuxo unha revolución filosófica e deu pé a numerosas discusións entre os máis grandes físicos da época.

A mecánica cuántica propiamente dita non incorpora á [[relatividade especial|relatividade]] na súa formulación matemática. A parte da mecánica cuántica que incorpora elementos relativistas de maneira formal para abordar diversos problemas coñécese como [[mecánica cuántica relativista]] ou xa, en forma máis correcta e acabada, [[teoría cuántica de campos]] (que inclúe á súa vez á [[electrodinámica cuántica]], [[cromodinámica cuántica]] e [[Modelo electrodébil|teoría electrodébil]] dentro do [[Modelo estándar da física de partículas|modelo estándar]])<ref name="halzen">{{cita libro|apelido1=Halzen|nome1=Francis|nome2=Alan Douglas|apelido2=Martin|editorial=Wiley|editor=[[Universidade de Wisconsin]]|outros=[[Universidade de Durham]]|título=Quarks and Lepons: <small>An Introducory Course in Modern Particle Physics</small>|edición=|ano=1984|lugar=Canadá|isbn=9780471887416|páxinas=[https://archive.org/details/quarksleptonsint0000halz/page/396 396]|url=https://archive.org/details/quarksleptonsint0000halz/page/396}}</ref> e máis xeralmente, a [[teoría cuántica de campos en espazo-tempo curvo]]. A única interacción elemental que non se puido cuantizar ata o momento foi a [[Gravidade|interacción gravitatoria]]. Este problema constitúe entón un dos maiores desafíos da física do [[século XXI]]. A mecánica cuántica combinouse coa teoría da relatividade na formulación de [[Paul Dirac]] de [[1928]], o que, ademais, predixo a existencia de [[Antipartícula|antipartículas]]. Outros desenvolvementos da teoría inclúen a estatística cuántica, presentada nunha forma por Einstein e Bose (a [[estatística de Bose-Einstein]]) e noutra forma por Dirac e [[Enrico Fermi]] (a [[estatística de Fermi-Dirac]]); a [[electrodinámica cuántica]], interesada na interacción entre partículas cargadas e os campos electromagnéticos, a súa xeneralización, a [[teoría cuántica de campos]] e a [[electrónica cuántica]].

A mecánica cuántica proporciona o fundamento da fenomenoloxía do [[átomo]], do seu [[núcleo atómico|núcleo]] e das [[Partícula elemental|partículas elementais]] (o cal require necesariamente o enfoque relativista). Tamén o seu impacto en [[teoría da información]], [[criptografía cuántica|criptografía]] e [[química]] foi decisivo entre esta mesma.
[[Ficheiro:HAtomOrbitals.png|upright|miniatura|Fig. 1: A [[función de onda]] dun [[electrón]] dun átomo de hidróxeno ten niveis de enerxía definidos e discretos ós que se lle asigna un número cuántico n=1,2,3,... e valores definidos de [[momento angular]] caracterizados pola notación: s, p, d,... As áreas brillantes da figura corresponden a elevadas densidades de [[probabilidade]] de atopar o electrón nesa posición.]]
==Visión xeral e conceptos fundamentais==
A mecánica cuántica permite calcular as propiedades e o comportamento dos sistemas físicos. Adoita aplicarse a sistemas microscópicos: moléculas, átomos e partículas subatómicas. Demostrouse que é válida para moléculas complexas con miles de átomos,<ref>{{cita xornal |title=Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa |autor=Yaakov Y. Fein |author2=Philipp Geyer |author3=Patrick Zwick |author4=Filip Kiałka |author5=Sebastian Pedalino |author6=Marcel Mayor |author7=Stefan Gerlich |author8=Markus Arndt |journal=Nature Physics |volume=15 |pages=1242–1245 |data=setembro de 2019 |issue=12 |doi=10.1038/s41567-019-0663-9|bibcode=2019NatPh..15.1242F}}</ref> pero a súa aplicación aos seres humanos expón problemas filosóficos, como o [[amigo de Wigner]], e a súa aplicación ao universo no seu conxunto segue sendo especulativa.<ref>{{cita xornal |last1=Bojowald |first1=Martin |title=Quantum cosmology: a review |journal=Reports on Progress in Physics |data=2015 |volume=78 |issue=2 |page=023901 |doi=10.1088/0034-4885/78/2/023901|pmid=25582917 |arxiv=1501.04899
|bibcode=2015RPPh...78b3901B}}</ref> As predicións da mecánica cuántica verificáronse experimentalmente cun grao de [[precisión]] extremadamente alto.
{{refn|group="n."|Véxase, por exemplo, [[Probas de precisión de EDC]].  O refinamento relativista da mecánica cuántica coñecido como [[electrodinámica cuántica]] (EDC) demostrou concordar cos experimentos cunha precisión de 1 de cada 10<sup>8</sup>partes para algunhas propiedades atómicas.}}

Unha característica fundamental da teoría é que, polo xeral, non pode predicir con certeza o que ocorrerá, senón que só dá probabilidades. Matematicamente, unha probabilidade áchase tomando o cadrado do valor absoluto dun [[número complexo]], coñecido como amplitude de probabilidade. Isto coñécese como [[regra de Born]], chamada así polo físico [[Max Born]]. Por exemplo, unha partícula cuántica como un [[electrón]] pode describirse mediante unha [[función de onda]], que asocia a cada punto do espazo unha amplitude de probabilidade. Aplicando a regra de Born a estas amplitudes obtense unha [[función de densidade]] de probabilidade para a posición que ocupará o electrón cando se realice un experimento para medilo. Isto é o mellor que pode facer a teoría; non pode dicir con certeza onde se atopará o electrón. A [[ecuación de Schrödinger]] relaciona a colección de amplitudes de probabilidade que pertencen a un momento do tempo coa colección de amplitudes de probabilidade que pertencen a outro.

Unha das consecuencias das regras matemáticas da mecánica cuántica é o compromiso na predictibilidade entre distintas cantidades medibles. A forma máis famosa deste [[Principio de indeterminación de Heisenberg|principio de incerteza]] di que non importa como se prepare unha partícula cuántica ou con que coidado organícense os experimentos sobre ela, é imposible ter unha predición precisa para unha medida da súa posición e tamén ao mesmo tempo para unha medida do seu [[Cantidade de movemento|impulso]].

Outra consecuencia das regras matemáticas da mecánica cuántica é o fenómeno de [[interferencia|interferencia cuántica]], que adoita ilustrarse co [[experimento da dobre fenda]]. Na versión básica deste experimento, unha [[Luz coherente|fonte de luz coherente]], como un raio [[láser]], ilumina unha placa perforada por dúas fendas paralelas, e a luz que pasa a través das fendas obsérvase nunha pantalla situada detrás da placa.<ref name="Lederman">{{cita libro|last1=Lederman|first1=Leon M.|url=https://books.google.com/books?id=qY_yOwHg_WYC&pg=PA102|title=Quantum Physics for Poets|first2=Christopher T. |last2=Hill|publisher=Prometheus Books|year=2011|isbn=978-1616142810|location=US}}</ref>{{rp|102–111}}<ref name="Feynman"/>{{rp|1.1–1.8}} A natureza ondulatoria da luz fai que as ondas luminosas que pasan polas dúas fendas [[Interferencia|interfiran]], producindo bandas brillantes e escuras na pantalla, un resultado que non se esperaría se a luz consistise en partículas clásicas.<ref name="Lederman" /> Con todo, a luz sempre se absorbe na pantalla en puntos discretos, como partículas individuais e non como ondas; o patrón de interferencia aparece a través da densidade variable destes impactos de partículas na pantalla. Ademais, as versións do experimento que inclúen detectores nas fendas mostran que cada [[fotón]] detectado pasa a través dunha fenda (como o faría unha partícula clásica), e non a través de ambas as fendas (como o faría unha onda).<ref name="Lederman"/>{{rp|109}}<ref name="Müller-Kirsten">{{cita libro|last=Müller-Kirsten|first=H. J. W.|url=https://books.google.com/books?id=p1_Z81Le58MC&pg=PA14|title=Introduction to Quantum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral|publisher=World Scientific|year=2006|isbn=978-981-2566911|location=US|page=14}}</ref><ref name="Plotnitsky">{{cita libro|last=Plotnitsky|first=Arkady|url=https://books.google.com/books?id=dmdUp97S4AYC&pg=PA75|title=Niels Bohr and Complementarity: An Introduction|publisher=Springer|year=2012|isbn=978-1461445173|location=US|pages=75–76}}</ref> Con todo, estes experimentos demostran que as partículas non forman o patrón de interferencia se se detecta por que fenda pasan. Outras entidades a escala atómica, como os [[electrón]]s, mostran o mesmo comportamento cando se disparan cara a unha dobre fenda.<ref name="Feynman" /> Este comportamento coñécese como [[dualidade onda-corpúsculo]].

Outro fenómeno contraintuitivo predito pola mecánica cuántica é a [[efecto túnel|tunelización cuántica]]: unha partícula que se enfronta a unha [[barreira potencial]] pode atravesala, aínda que a súa enerxía cinética sexa menor que o máximo do potencial.<ref>{{cita libro |first=David J. |last=Griffiths |author-link=David J. Griffiths |title=Introduction to Quantum Mechanics |title-link=Introduction to Quantum Mechanics (book) |data=1995 |publisher=Prentice Hall |isbn=0-13-124405-1}}</ref> En mecánica clásica, esta partícula quedaría atrapada. A tunelización cuántica ten varias consecuencias importantes, xa que permite a [[Radioactividade|desintegración radioactiva]], a [[fusión nuclear]] nas estrelas e aplicacións como a [[microscopio de efecto túnel|microscopía de tunelización de varrido]] e o [[díodo túnel]].<ref name="Trixler2013">{{cita xornal|last=Trixler|first=F.| title=Quantum tunnelling to the origin and evolution of life|journal=Current Organic Chemistry|data=2013| volume=17|number=16| pages=1758–1770|doi=10.2174/13852728113179990083|pmid=24039543|pmc=3768233}}</ref>

Cando os sistemas cuánticos interactúan, o resultado pode ser a creación de [[entrelazamento cuántico]]: as súas propiedades entrelázanse tanto que xa non é posible unha descrición do todo unicamente en termos das partes individuais. Erwin Schrödinger chamou ao entrelazamiento "...''o''' trazo característico da mecánica cuántica, o que impón todo o seu afastamento das liñas clásicas de pensamento".<ref>{{cita libro|chapter-url=https://plato.stanford.edu/entries/qt-entangle/ |first=Jeffrey |last=Bub |author-link=Jeffrey Bub |chapter=Quantum entanglement |title=Stanford Encyclopedia of Philosophy |title-link=Stanford Encyclopedia of Philosophy |publisher=Metaphysics Research Lab, Stanford University |editor-first=Edward N. |editor-last=Zalta |year=2019}}</ref> O entrelazamiento cuántico permite as propiedades contraintuitivas da [[pseudotelepatía cuántica]], e pode ser un recurso valioso en protocolos de comunicación, como a [[distribución de claves cuántica]] e a [[codificación superdensa]].<ref name="Caves">{{cita libro|first=Carlton M. |last=Caves |author-link=Carlton M. Caves |chapter=Quantum Information Science: Emerging No More |title=OSA Century of Optics |publisher=[[The Optical Society]] |arxiv=1302.1864 |bibcode=2013arXiv1302.1864C |year=2015 |isbn=978-1-943580-04-0 |pages=320–323 |editor-first1=Paul |editor-last1=Kelley |editor-first2=Govind |editor-last2=Agrawal |editor-first3=Mike |editor-last3=Bass |editor-first4=Jeff |editor-last4=Hecht |editor-first5=Carlos |editor-last5=Stroud}}</ref> Contrariamente á crenza popular, o entrelazamento non permite enviar sinais [[superlumínico |máis rápido que a luz]], como demostra o [[teorema da non-comunicación]].<ref name="Caves"/>

Outra posibilidade que abre o entrelazamiento é a comprobación de "[[teoría das variables ocultas|variables ocultas]]", propiedades hipotéticas máis fundamentais que as cantidades abordadas na propia teoría cuántica, cuxo coñecemento permitiría predicións máis exactas que as que pode proporcionar a teoría cuántica. Unha serie de resultados, entre os que destaca o [[teorema de Bell]], demostraron que amplas clases destas teorías de variables ocultas son, de feito, incompatibles coa física cuántica. Segundo o teorema de Bell, se a natureza funciona realmente de acordo con calquera teoría de variables ocultas ''locais'', entón os resultados da [[experimento de proba de Bell|proba de Bell]] veranse limitadas dunha maneira particular e cuantificable. Realizáronse moitas probas de Bell, utilizando partículas entrelazadas, e mostraron resultados incompatibles coas restricións impostas polas variables ocultas locais.
<ref name="wiseman15">{{Cita xornal|last=Wiseman|first=Howard|author-link=Howard M. Wiseman|data=outubro de 2015|title=Death by experiment for local realism|journal=[[Nature]]|language=en|volume=526|issue=7575|pages=649–650|doi=10.1038/nature15631|pmid=26503054|issn=0028-0836}}</ref><ref name="wolchover17">{{Cita web|url=https://www.quantamagazine.org/20170207-bell-test-quantum-loophole/|title=Experiment Reaffirms Quantum Weirdness|last=Wolchover|first=Natalie|author-link=Natalie Wolchover|data=7 de febreiro de 2017|work=[[Quanta Magazine]]|language=en-US|data-acceso=19 de xuño do 2023}}</ref>

Non é posible presentar estes conceptos de forma máis que superficial sen introducir as matemáticas reais implicadas; entender a mecánica cuántica require non só manipular números complexos, senón tamén [[álxebra lineal]], [[Ecuación diferencial|ecuacións diferenciais]], [[teoría de grupos]] e outros temas máis avanzados.
{{refn|group="n."| O físico [[John C. Baez]] advirte: "non hai forma de entender a interpretación da mecánica cuántica sen ser tamén capaz de ''resolver problemas de mecánica cuántica''&nbsp;- para entender a teoría, hai que ser capaz de usala (e viceversa)".<ref>{{cita web|url=https://math.ucr.edu/home/baez/books.html |title=How to Learn Math and Physics |date=20 March 2020 |website=University of California, Riverside |data-acceso=20 de setembro do 2023 |first=John C. |last=Baez |author-link=John C. Baez}}</ref> [[Carl Sagan]] esbozou os "fundamentos matemáticos" da mecánica cuántica e escribiu: "Para a maioría dos estudantes de física, isto podería ocupalos desde, digamos, terceiro grao ata principios da escola de posgraduado&ndash; uns 15 anos. [...] A tarefa do divulgador científico, que trata de transmitir algunha idea da mecánica cuántica a un público xeral que non pasou por estes ritos de iniciación, é desalentadora. De feito, na miña opinión, non existen divulgacións exitosas da mecánica cuántica, en parte por esta razón."<ref>{{cita libro|first=Carl |last=Sagan |author-link=Carl Sagan |title=The Demon-Haunted World: Science as a Candle in the Dark |page=249 |publisher=Ballantine Books |ano=1996 |isbn=0-345-40946-9 |title-link=The Demon-Haunted World}}</ref>}}
==Formulación matemática==
Na formulación matematicamente rigorosa da mecánica cuántica, o estado dun sistema mecánico cuántico é un vector <math>\psi</math> pertencente a un complexo ([[Espazo separable|separable]]) [[espazo de Hilbert]] <math>\mathcal H</math>. Postúlase que este vector está normalizado baixo o produto interior do espazo de Hilbert, é dicir, obedece a <math>\langle \psi,\psi \rangle = 1</math>, e está ben definido ata un número complexo de módulo 1 (a fase global), é dicir, <math>\psi</math> e <math>e^{i\alpha}\psi</math> representan o mesmo sistema físico. Noutras palabras, os estados posibles son puntos no [[espazo proxectivo]] dun espazo de Hilbert, normalmente chamado [[espazo proxectivo complexo]]. A natureza exacta deste espazo de Hilbert depende do sistema; por exemplo, para describir a posición e o momento, o espazo de Hilbert é o espazo de funcións complexas [[Función de cadrado integrable|cadrado-integrable]] <math>L^2(\mathbb C)</math>, mentres que o espazo de Hilbert para o [[spin]] dun único protón é simplemente o espazo de vectores complexos bidimensionais <math>\mathbb C^2</math> co produto interior habitual.

As cantidades físicas de interese (posición, momento, enerxía, espín) están representadas por observables, que son [[operador (física)|operadores]] [[Operador adxunto|lineais hermitianos]] (máis precisamente, [[operador autoadxunto|autoadxuntos]] ) que actúan no espazo de Hilbert. Un estado cuántico pode ser un [[Valor propio, vector propio e espazo propio|vector propio]] dun observable, nese caso denomínase [[Estado cuántico|estado propio]] e o [[Valor propio, vector propio e espazo propio|valor propio]] asociado corresponde ao valor do observable nese estado propio. De forma máis xeral, un estado cuántico será unha combinación lineal dos estados propios, coñecida como [[superposición cuántica]]. Cando se mide un observable, o resultado será un dos seus valores propios cunha probabilidade dada pola [[regra de Born]]: no caso máis simple o valor propio <math>\lambda</math> é non dexenerado e a probabilidade vén dada por <math>|\langle \vec\lambda,\psi\rangle|^2</math>, onde <math> \vec\lambda</math> é o seu vector propio asociado. Máis xeralmente, o valor propio é dexenerado e a probabilidade vén dada por <math>\langle \psi,P_\lambda\psi\rangle</math>, onde <math>P_\lambda</math> é o proxector sobre o seu espazo propio asociado. No caso continuo, estas fórmulas dan en cambio a [[Función de densidade|densidade de probabilidade]].

== Principios da mecánica cuántica ==

* '''Primeiro principio: Principio da superposición'''
Para cada sistema físico asóciase un [[espazo de Hilbert]] <math>\epsilon_H</math>. O estado do sistema defínese en cada instante por un vector normado <math>|\psi(t) \rangle </math> de <math>\epsilon_H</math>.

* '''Segundo principio: medida de magnitudes físicas'''
a) Para toda magnitude física ''A'' asóciase un operador lineal auto-adxunto ''Á'' pertencente a <math>A</math>: ''Á'' é o ''observábel'' representando a magnitude ''A''.

b) Sexa <math>|\psi(t) \rangle</math> o estado no cal o sistema se atopa no momento onde efectuamos a medida de ''A''. Calquera que sexa <math>|\psi(t) \rangle</math>, os únicos resultados posíbeis son os [[Valor propio, vector propio e espazo propio|autovalores]] de <math>a_{\alpha}</math> do observábel ''Á''.

c) Sendo <math>\hat{A}_{\alpha}</math> o proxector sobre o subespazo asociado ao valor propio <math>a_{\alpha}</math>, a probablidade de atopar o valor <math>a_{\alpha}</math> nunha medida de ''A'' é:

:<math>\mathcal{P}(a_{\alpha})=\|\psi_{\alpha}\|^2 </math> onde <math> |\psi_{\alpha}\rangle =\hat{A}_{\alpha}</math>

d) Inmediatamente despois dun medida de ''A'', que resultou no valor <math>a_{\alpha}</math>, o novo estado <math>|\psi' \rangle</math> do sistema é

:<math>|\psi' \rangle={|\psi_{\alpha} \rangle}/{\|\psi_{\alpha}\|^2}</math>

* '''Terceiro principio: Evolución do sistema'''

Sexa <math>|\psi(t) \rangle </math> o estado dun sistema ao instante ''t''. Se o sistema non se somete a ningunha observación, a súa evolución ao longo do tempo réxese pola ecuación de Schrödinger:
:<math>i\hbar\frac{d}{dt}|\psi(t) \rangle =\hat{H}|\psi(t) \rangle </math>

onde <math>\hat{H}</math> é o observábel enerxía, ou hamiltoneana do sistema.

== Conclusións da mecánica cuántica ==

As conclusións máis importantes desta teoría son:

* En estados ligados, como o electrón xirando ao redor dun átomo, a [[enerxía]] non se troca de modo continuo, mais si de modo discreto (descontinuo), en transicións cuxas enerxías poden ou non ser iguais unhas ás outras. A idea de que estados ligados teñen niveis de enerxías discretas é debida a [[Max Planck]].
* O de ser imposíbel atribuír ''ao mesmo tempo'' unha posición e unha velocidade exactas a unha partícula, renunciándose así ao concepto de [[traxectoria]], vital en [[Mecánica Clásica]]. Ao contrario da traxectoria, o movemento de partículas en Mecánica Cuántica é descrito por medio dunha '''función de onda''', que é unha función da posición da partícula e do tempo. A función de onda interprétase por [[Max Born]] como unha medida da '''probabilidade''' de se atopar a partícula en determinada posición e en determinado tempo. Esta interpretación é a máis acepta polos físicos hoxe, no conxunto de atribucións da Mecánica Cuántica regulamentados pola Escola de [[Copenhaguen]]. Para describir a dinámica dun sistema cuántico débese, polo tanto, achar a súa función de onda, e para este efecto úsanse as ecuacións de movemento, propostas por [[Werner Heisenberg]] e [[Erwin Schrödinger]] independentemente.

Aínda que a estrutura formal estea ben desenvolta desde a [[década de 1930]], non pasa o mesmo coa súa interpretación, que segue a ser obxecto dalgunhas controversias, a principal é o '''problema da medida''' en Mecánica Cuántica e a súa relación coa [[non-localidade]] e [[causalidade]]. Xa en [[1935]], [[Einstein]], [[Podolski]] e [[Rosen]] publicaron o seu '''''G''''', mostrando unha aparente contradición entre localidade e o proceso de Medida en Mecánica Cuántica. Nos [[década de 1960|anos 60]] [[John Stewart Bell|J. S. Bell]] publicou unha serie de relacións que serían respectadas caso a localidade — ou polo menos como a entendemos clasicamente — aínda persistise en sistemas cuánticos. Tales condicións chámanse [[Teorema de Bell|desigualdades de Bell]] e testáronse experimentalmente por [[A. Aspect]], [[P. Grangier]], [[J. Dalibard]] en favor da Mecánica Cuántica. Como sería de se esperar, tal interpretación aínda causa desconforto entre varios físicos, mais a gran parte da comunidade acepta que estados correlacionados poden violar causalidade desta forma.

Tal revisión radical do noso concepto de realidade fundamentouse en explicacións teóricas brillantes para resultados experimentais que non podían ser descritos pola teoría Clásica, que inclúen:

* Espectro de Radiación do [[Corpo negro]], resolvido por [[Max Planck]] coa proposición da cuantización da enerxía.
* Explicación do [[Experimento da dobre fenda]], no cal electróns producen un padrón de [[interferencia]] coincidente co comportamento ondular.
* Explicación por [[Albert Einstein]] do [[efecto fotoeléctrico]] descuberto por [[Heinrich Rudolf Hertz]], onde propón que a luz tamén se propaga en ''quanta'' (paquetes de enerxía definida), os chamados [[fotón]]s.
* O [[Efecto Compton]], no cal se propón que os fotóns poden se comportar como partículas, cando a súa enerxía for grande o bastante.
* A cuestión da [[calor específica]] de [[sólido]]s baixo baixas temperaturas, cuxa discrepancia explicouse polas teorías de [[Einstein]] e de [[Debye]], baseadas na [[equipartición de enerxía]] segundo a interpretación cuantizada de Planck.
* A absorción resoante e discreta de enerxía por gases, probada no [[experimento de Franck-Hertz]] cando sometidos a certos valores de diferenza de potencial eléctrico.
* A explicación da estabilidade atómica e da natureza discreta das [[Raia espectral|raias espectrais]], grazas ao [[modelo atómico de Bohr|modelo do átomo de Bohr]], que postulaba a cuantización dos niveis de enerxía do átomo.

O desenvolvemento formal da teoría foi obra de esforzos conxuntos de moitos físicos e matemáticos da época como [[Erwin Schrödinger]], [[Werner Heisenberg]], [[Albert Einstein|Einstein]], [[Paul Adrien Maurice Dirac|P.A.M. Dirac]], [[Niels Bohr]] e [[John von Neumann]], entre outros (dunha longa lista). En xeral, a rexión de orixe da Mecánica Cuántica pode localizarse na [[Europa Central]], na [[Alemaña]] e [[Austria]], ben como a [[Inglaterra]], e no contexto histórico do primeiro terzo do [[século XX]].

== Formalismos matemáticos na mecánica cuántica ==

É importante resaltar que a mecánica cuántica, así como acontece coa mecánica clásica, pode presentarse (formalizarse) de xeitos distintos.

A mecánica clásica, por exemplo, pode ser descrita na linguaxe das forzas, que é a forma máis antiga, debida á [[Isaac Newton|Newton]]. Foi moito ben sucedida na explicación de varios fenómenos.

Máis tarde, o formalismo [[Lagranxiana|lagranxiano]], onde o concepto máis importante non é a forza, mais a [[enerxía]] e [[Acción (física)|acción]], sendo que esta última é definida en termos da enerxía potencial e da enerxía cinética.

Despois, o formalismo [[hamiltoniano]], baseado formalmente na lagranxiana, mais con desenvolvemento matemático moitas veces máis fácil.
== Notas ==
{{listaref|group=n.}}
;Referencias
{{Listaref|30em}}
== Véxase tamén ==
{{commonscat}}
=== Bibliografía ===
* [[John von Neumann|Von Neumann, John]]. "Fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica". 2ª edición do clásico de 1932. CSIC, Madrid,1991. ISBN 84-00-07171-9.
* {{Cita libro | author=Bernstein, Jeremy|title=Quantum Leaps| publisher=Belknap Press of Harvard University Press | location=Cambridge, Massachusetts|year=2009|isbn=978-0-674-03541-6|url=http://books.google.com/books?id=j0Me3brYOL0C&printsec=frontcover}}
* {{Cita libro | author=Müller-Kirsten, H. J. W. | title=Introduction to Quantum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral | edition=2nd | publisher=World Scientific | year=2012 | isbn=978-981-4397-74-2}}
* {{Cita libro | author=[[David Bohm|Bohm, David]] | title=Quantum Theory | publisher=[[Dover Publications]] | year=1989 | isbn=0-486-65969-0}}
* {{Cita libro | author=Eisberg, Robert; [[Robert Resnick|Resnick, Robert]] | title=Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd ed.) | url=https://archive.org/details/quantumphysicsof00eisb | publisher=Wiley | year=1985 | isbn=0-471-87373-X}}
* {{Cita libro | author=[[Liboff, Richard L.]] | title=Introductory Quantum Mechanics | publisher=Addison-Wesley | year=2002 | isbn=0-8053-8714-5}}
* {{Cita libro | author=Merzbacher, Eugen | title=Quantum Mechanics | url=https://archive.org/details/quantummechanics0000merz | publisher=Wiley, John & Sons, Inc | year=1998 | isbn=0-471-88702-1}}
* {{Cita libro | author=[[J. J. Sakurai|Sakurai, J. J.]] | title=Modern Quantum Mechanics| publisher=Addison Wesley | year=1994 | isbn=0-201-53929-2}}

=== Outros artigos ===
* [[Efecto túnel]]
* [[Interpretacións da mecánica cuántica]]
* [[Solitón]]

=== Ligazóns externas ===
* [http://www.lightandmatter.com/lm/ The Modern Revolution in Physics] ''(en [[lingua inglesa|inglés]])''

{{Campos da Física}}
{{Control de autoridades}}

[[Categoría:Mecánica cuántica| ]]
[[Categoría:Artigos que toda Wikipedia debería ter (Ciencia)]]