História da mecânica quântica - History of quantum mechanics

10 das figuras mais influentes da história da mecânica quântica. Da esquerda para direita:

A história da mecânica quântica é uma parte fundamental da história da física moderna . A história da mecânica quântica, ao se entrelaçar com a história da química quântica , começou essencialmente com uma série de diferentes descobertas científicas: a descoberta de 1838 dos raios catódicos por Michael Faraday ; a declaração de inverno de 1859-60 do problema da radiação do corpo negro por Gustav Kirchhoff ; a sugestão de Ludwig Boltzmann de 1877 de que os estados de energia de um sistema físico poderiam ser discretos ; a descoberta do efeito fotoelétrico por Heinrich Hertz em 1887; e a hipótese quântica de 1900 por Max Planck de que qualquer sistema atômico com radiação de energia pode ser teoricamente dividido em um número de "elementos de energia" discretos ε (letra grega épsilon ) de modo que cada um desses elementos de energia seja proporcional à frequência ν com a qual cada deles irradiam energia individualmente , conforme definido pela seguinte fórmula:

onde h é um valor numérico denominado constante de Planck .

Então, Albert Einstein em 1905, a fim de explicar o efeito fotoelétrico relatado anteriormente por Heinrich Hertz em 1887, postulou consistentemente com a hipótese quântica de Max Planck de que a própria luz é feita de partículas quânticas individuais, que em 1926 passaram a ser chamadas de fótons por Gilbert N. Lewis . O efeito fotoelétrico foi observado ao brilhar luz de comprimentos de onda específicos em certos materiais, como metais, o que fazia com que os elétrons fossem ejetados desses materiais apenas se a energia quântica da luz fosse maior do que a função de trabalho da superfície do metal.

A frase "mecânica quântica" foi cunhada (em alemão, Quantenmechanik ) pelo grupo de físicos incluindo Max Born , Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli , na Universidade de Göttingen no início dos anos 1920, e foi usada pela primeira vez no artigo de Born de 1924 "Zur Quantenmechanik " . Nos anos que se seguiram, essa base teórica começou lentamente a ser aplicada à estrutura química , reatividade e ligação .

Predecessores e a "velha teoria quântica"

Durante o início do século 19, a pesquisa química de John Dalton e Amedeo Avogadro deu peso à teoria atômica da matéria, uma ideia que James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann e outros desenvolveram para estabelecer a teoria cinética dos gases . Os sucessos da teoria cinética deram ainda mais crédito à ideia de que a matéria é composta de átomos, mas a teoria também tinha deficiências que só seriam resolvidas com o desenvolvimento da mecânica quântica. A existência de átomos não era universalmente aceita entre físicos ou químicos; Ernst Mach , por exemplo, era um anti-atomista ferrenho.

Ludwig Boltzmann sugeriu em 1877 que os níveis de energia de um sistema físico, como uma molécula , poderiam ser discretos (em vez de contínuos). A justificativa de Boltzmann para a presença de níveis discretos de energia em moléculas como as do gás iodo teve suas origens em suas teorias de termodinâmica estatística e mecânica estatística e foi apoiada por argumentos matemáticos , como também seria o caso vinte anos depois com a primeira teoria quântica apresentado por Max Planck .

Em 1900, o físico alemão Max Planck, que nunca havia acreditado em átomos discretos, relutantemente introduziu a ideia de que a energia é quantizada a fim de derivar uma fórmula para a dependência da frequência observada da energia emitida por um corpo negro , chamada lei de Planck , que incluiu uma distribuição de Boltzmann (aplicável no limite clássico). A lei de Planck pode ser definida da seguinte forma:

Onde:
I ( ν , T ) é a energia por unidade de tempo (ou potência ) irradiada por unidade de área de superfície emissora na direção normal por unidade de ângulo sólido por unidade de freqüência por um corpo negro à temperatura T ;
h é a constante de Planck ;
c é a velocidade da luz no vácuo;
k é a constante de Boltzmann ;
ν ( nu ) é a frequência da radiação eletromagnética; e
T é a temperatura do corpo em Kelvin .

A aproximação anterior de Wien pode ser derivada da lei de Planck por meio de suposições .

Em 1905, Albert Einstein usou a teoria cinética para explicar o movimento browniano . O físico francês Jean Baptiste Perrin usou o modelo do artigo de Einstein para determinar experimentalmente a massa e as dimensões dos átomos, dando assim verificação empírica direta da teoria atômica. Também em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico postulando que a luz, ou mais geralmente toda a radiação eletromagnética , pode ser dividida em um número finito de "quanta de energia" que são pontos localizados no espaço. Na seção de introdução de seu artigo quântico de março de 1905, "Em um ponto de vista heurístico relativo à emissão e transformação da luz", Einstein afirma:

"De acordo com a suposição a ser contemplada aqui, quando um raio de luz está se espalhando de um ponto, a energia não é distribuída continuamente por espaços cada vez maiores, mas consiste em um número finito de 'quanta de energia' que estão localizados em pontos no espaço , movem-se sem se dividir e podem ser absorvidos ou gerados apenas como um todo. "

Essa afirmação foi considerada a frase mais revolucionária escrita por um físico do século XX. Mais tarde, esses quanta de energia passaram a ser chamados de " fótons ", termo introduzido por Gilbert N. Lewis em 1926. A idéia de que cada fóton deveria consistir em energia em termos de quanta foi uma conquista notável; resolveu efetivamente o problema da radiação do corpo negro atingir energia infinita , o que ocorria em teoria se a luz fosse explicada apenas em termos de ondas. Em 1913, Bohr explicou as linhas espectrais do átomo de hidrogênio , novamente usando a quantização, em seu artigo de julho de 1913 Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas . No modelo de Bohr , o átomo de hidrogênio é retratado como um núcleo pesado carregado positivamente orbitado por um elétron leve carregado negativamente. O elétron só pode existir em certas órbitas discretamente separadas, marcadas por seu momento angular , que é restrito a um múltiplo inteiro da constante de Planck reduzida . O sucesso chave do modelo estava em explicar a fórmula de Rydberg para as linhas de emissão espectral do hidrogênio atômico . Embora a fórmula de Rydberg fosse conhecida experimentalmente, ela não ganhou uma base teórica até que o modelo de Bohr foi introduzido. O modelo de Bohr não apenas explica as razões para a estrutura da fórmula de Rydberg, mas também fornece uma justificativa para as constantes físicas fundamentais que constituem os resultados empíricos da fórmula.

Além disso, a aplicação da teoria quântica de Planck ao elétron permitiu a Ștefan Procopiu em 1911-1913, e posteriormente a Niels Bohr em 1913, calcular o momento magnético do elétron , que mais tarde foi chamado de " magneto "; computações quânticas semelhantes, mas com valores numericamente bastante diferentes, foram subsequentemente possíveis para os momentos magnéticos do próton e do nêutron, que são três ordens de magnitude menores do que o do elétron.

Essas teorias, embora bem-sucedidas, eram estritamente fenomenológicas : durante esse tempo, não havia justificativa rigorosa para a quantização , à parte, talvez, da discussão de Henri Poincaré da teoria de Planck em seu artigo de 1912 Sur la théorie des quanta . Eles são conhecidos coletivamente como a velha teoria quântica .

A frase "física quântica" foi usada pela primeira vez em Planck's Universe in Light of Modern Physics (1931), de Johnston .

Em 1923, o físico francês Louis de Broglie apresentou sua teoria das ondas de matéria afirmando que as partículas podem exibir características de onda e vice-versa. Esta teoria era para uma única partícula e derivada da teoria da relatividade especial . Com base na abordagem de de Broglie, a mecânica quântica moderna nasceu em 1925, quando os físicos alemães Werner Heisenberg , Max Born e Pascual Jordan desenvolveram a mecânica de matriz e o físico austríaco Erwin Schrödinger inventou a mecânica de ondas e a equação não relativística de Schrödinger como uma aproximação de o caso generalizado da teoria de de Broglie. Schrödinger posteriormente mostrou que as duas abordagens eram equivalentes. As primeiras aplicações da mecânica quântica a sistemas físicos foram a determinação algébrica do espectro do hidrogênio por Wolfgang Pauli e o tratamento de moléculas diatômicas por Lucy Mensing .

Mecânica quântica moderna

Heisenberg formulou uma versão inicial do princípio da incerteza em 1927, analisando um experimento mental em que se tenta medir a posição e o momento de um elétron simultaneamente . No entanto, Heisenberg não deu definições matemáticas precisas do que significava a "incerteza" nessas medições, um passo que seria dado logo depois por Earle Hesse Kennard , Wolfgang Pauli e Hermann Weyl . Por volta de 1927, Paul Dirac iniciou o processo de unificar a mecânica quântica com a relatividade especial , propondo a equação de Dirac para o elétron . A equação de Dirac atinge a descrição relativística da função de onda de um elétron que Schrödinger falhou em obter. Ele prevê o spin do elétron e levou Dirac a prever a existência do pósitron . Ele também foi pioneiro no uso da teoria do operador, incluindo a notação bra-ket influente , conforme descrito em seu famoso livro de 1930. Durante o mesmo período, o polímata húngaro John von Neumann formulou a base matemática rigorosa da mecânica quântica como a teoria dos operadores lineares nos espaços de Hilbert, conforme descrito em seu também famoso livro de 1932 . Estas, como muitas outras obras do período da fundação, ainda existem e são amplamente utilizadas.

O campo da química quântica foi pioneiro pelos físicos Walter Heitler e Fritz London , que publicaram um estudo da ligação covalente da molécula de hidrogênio em 1927. A química quântica foi posteriormente desenvolvida por um grande número de trabalhadores, incluindo o químico teórico americano Linus Pauling em Caltech e John C. Slater em várias teorias, como Teoria Orbital Molecular ou Teoria de Valência.

Teoria quântica de campos

Começando em 1927, os pesquisadores tentaram aplicar a mecânica quântica a campos em vez de partículas individuais, resultando em teorias quânticas de campo . Os primeiros trabalhadores nesta área incluem PAM Dirac , W. Pauli , V. Weisskopf e P. Jordan . Esta área de pesquisa culminou na formulação da eletrodinâmica quântica por RP Feynman , F. Dyson , J. Schwinger e S. Tomonaga durante os anos 1940. A eletrodinâmica quântica descreve uma teoria quântica de elétrons , pósitrons e o campo eletromagnético e serviu como modelo para as teorias quânticas de campo subsequentes .

Diagrama de Feynman da radiação de glúon na cromodinâmica quântica

A teoria da cromodinâmica quântica foi formulada no início dos anos 1960. A teoria como a conhecemos hoje foi formulada por Politzer , Gross e Wilczek em 1975.

Com base no trabalho pioneiro de Schwinger , Higgs e Goldstone , os físicos Glashow , Weinberg e Salam mostraram independentemente como a força nuclear fraca e a eletrodinâmica quântica poderiam ser fundidas em uma única força eletrofraca , pela qual receberam o Prêmio Nobel de Física de 1979 .

Informação quântica

A ciência da informação quântica se desenvolveu nas últimas décadas do século 20, começando com resultados teóricos como o teorema de Holevo , o conceito de medidas generalizadas ou POVMs , a proposta de distribuição quântica de chaves de Bennett e Brassard e o algoritmo de Shor .

Experimentos de fundação

Veja também

Referências

Leitura adicional

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  • Bernstein, Jeremy (2009), Quantum Leaps , Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, ISBN 978-0-674-03541-6
  • Cramer, JG (2015). O aperto de mão quântico: entrelaçamento, não localidade e transações . Springer Verlag. ISBN 978-3-319-24642-0.
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