Teoria cuantica de la luz

La computación cuántica

A finales del siglo XVIII se habían realizado grandes progresos en la física. La física clásica newtoniana gozaba entonces de gran aceptación en la comunidad científica por su capacidad para explicar y predecir con exactitud muchos fenómenos. Sin embargo, a principios del siglo XX, los físicos descubrieron que las leyes de la mecánica clásica no son aplicables a escala atómica, y experimentos como el efecto fotoeléctrico contradecían por completo las leyes de la física clásica. Como resultado de estas observaciones, los físicos articularon un conjunto de teorías que ahora se conocen como mecánica cuántica. En cierto modo, la mecánica cuántica cambió por completo la forma en que los físicos veían el universo, y también marcó el fin de la idea de un universo de relojería (la idea de que el universo era predecible).
La radiación electromagnética (EM) es una forma de energía con propiedades tanto ondulatorias como de partículas; la luz visible es un ejemplo bien conocido. Desde el punto de vista ondulatorio, todas las formas de radiación EM pueden describirse en términos de su longitud de onda y su frecuencia. La longitud de onda es la distancia entre un pico de onda y el siguiente, que puede medirse en metros. La frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto determinado cada segundo. Mientras que la longitud de onda y la frecuencia de la radiación EM pueden variar, su velocidad en el vacío permanece constante en 3,0 x 108 m/seg, la velocidad de la luz. La longitud de onda o la frecuencia de cualquier ocurrencia específica de la radiación EM determinan su posición en el espectro electromagnético y pueden calcularse a partir de la siguiente ecuación:

Teoría cuántica de la luz clase 10

Para ser una demostración que anulaba las ideas del gran Isaac Newton sobre la naturaleza de la luz, era asombrosamente sencilla. Puede repetirse con gran facilidad dondequiera que brille el sol”, dijo el físico inglés Thomas Young a los miembros de la Royal Society de Londres en noviembre de 1803, describiendo lo que hoy se conoce como experimento de la doble rendija, y Young no estaba siendo demasiado melodramático. Había ideado un experimento elegante y decididamente casero para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz, y al hacerlo refutó la teoría de Newton de que la luz está hecha de corpúsculos, o partículas.
Pero el nacimiento de la física cuántica a principios del siglo XX dejó claro que la luz está formada por pequeñas unidades indivisibles, o cuantos, de energía, que llamamos fotones. El experimento de Young, cuando se realiza con fotones individuales o incluso con partículas individuales de materia, como los electrones y los neutrones, es un enigma que plantea cuestiones fundamentales sobre la propia naturaleza de la realidad. Algunos incluso lo han utilizado para argumentar que el mundo cuántico está influenciado por la conciencia humana, dando a nuestras mentes una agencia y un lugar en la ontología del universo. Pero, ¿realmente el simple experimento demuestra tal cosa?

Albert einstein

En física, un cuanto (plural quanta) es la cantidad mínima de cualquier entidad física (propiedad física) que interviene en una interacción. La noción fundamental de que una propiedad física puede “cuantificarse” se denomina “hipótesis de cuantificación”[1], lo que significa que la magnitud de la propiedad física sólo puede adoptar valores discretos consistentes en múltiplos enteros de un cuanto.
Por ejemplo, un fotón es un único cuanto de luz (o de cualquier otra forma de radiación electromagnética). Del mismo modo, la energía de un electrón ligado a un átomo está cuantizada y sólo puede existir en determinados valores discretos. (Los átomos y la materia en general son estables porque los electrones sólo pueden existir en niveles de energía discretos dentro de un átomo). La cuantificación es uno de los fundamentos de la física mucho más amplia de la mecánica cuántica. La cuantificación de la energía y su influencia en la forma en que interactúan la energía y la materia (electrodinámica cuántica) forma parte del marco fundamental para comprender y describir la naturaleza.
La palabra quantum es el singular neutro del adjetivo interrogativo latino quantus, que significa “cuánto”. “Quanta”, el plural neutro, abreviatura de “quanta de electricidad” (electrones), se utilizó en un artículo de 1902 sobre el efecto fotoeléctrico de Philipp Lenard, quien atribuyó a Hermann von Helmholtz el uso de la palabra en el ámbito de la electricidad. Sin embargo, la palabra quantum en general era bien conocida antes de 1900,[2] por ejemplo, quantum se utilizó en La pérdida de la respiración de E.A. Poe. Los médicos la utilizaban a menudo, como en el término quantum satis. Tanto Helmholtz como Julius von Mayer eran médicos y físicos. Helmholtz utilizó quantum con referencia al calor en su artículo[3] sobre el trabajo de Mayer, y la palabra quantum puede encontrarse en la formulación de la primera ley de la termodinámica por Mayer en su carta[4] del 24 de julio de 1841.

Dualidad onda-parte…

La teoría cuántica nos dice que tanto la luz como la materia están formadas por pequeñas partículas que tienen propiedades ondulatorias asociadas. La luz está compuesta por partículas llamadas fotones, y la materia por partículas llamadas electrones, protones y neutrones. Sólo cuando la masa de una partícula es lo suficientemente pequeña, aparecen sus propiedades ondulatorias.
Fue James Clerk Maxwell quien demostró en el siglo XIX que la luz es una onda electromagnética que viaja por el espacio a la velocidad de la luz. La frecuencia de la luz está relacionada con su longitud de onda según
La unidad s-1 es tan común cuando se habla de ondas que se le dio el nombre de Hertz. Es decir, 1 s-1 = 1 Hz. Así, diríamos que la luz con una longitud de onda de 436 nm corresponde a una frecuencia de 6,88 × 1014 Hertz.
La región comprendida entre λ ≈ 400-750 nm es visible para el ojo humano, por lo que se denomina región visible de la radiación electromagnética. Como hemos visto en el ejemplo anterior, la luz azul está cerca del límite de alta frecuencia de nuestros ojos. La luz roja, con longitudes de onda cercanas a los 750 nm, está en el límite de baja frecuencia de nuestros ojos. La luz que contiene todas las frecuencias de la región visible aparecerá como luz blanca.

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