¿Cuáles son los experimentos/fenómenos definitivos que motivan la mecánica cuántica?

Describiré los datos experimentales más importantes que llevaron a la creación de la mecánica cuántica, en el orden cronológico de sus explicaciones, no en el orden de los experimentos.

La idea de los cuantos fue inicialmente motivada por la teoría de la radiación del cuerpo negro. Plank derivó su fórmula generalizando otras fórmulas que surgieron de experimentos. Para explicar su fórmula empírica tuvo que inventar los cuantos de energía (1900).

Otro fenómeno que no fue explicado por la física clásica fue el efecto fotoeléctrico. (Este es probablemente el experimento más simple para explicar a los estudiantes principiantes. Comprender este trabajo de Einstein casi no requiere experiencia en física o matemáticas, a diferencia de otros trabajos mencionados aquí). Einstein explicó lo que observamos en el efecto fotoeléctrico utilizando la idea de cuantos de Plank y extendiéndola a la radiación electromagnética (1905).

Otro dato experimental que desafió la explicación clásica fueron los espectros de los átomos. Bohr utilizó la idea de los cuantos y explicó las líneas de hidrógeno de Balmer. Balmer descubrió su fórmula empírica para las líneas espectrales en 1885 y Bohr la "explicó" en 1913.

Estos son tres tipos de datos experimentales a partir de los cuales nació históricamente la mecánica cuántica. Los tres físicos mencionados (Planck, Einstein y Bohr) finalmente recibieron premios Nobel por estos descubrimientos, pero pasó algún tiempo, hasta la década de 1930, antes de que la mecánica cuántica obtuviera su forma moderna (Heisenberg, Born, Jordan, Dirac, Schrodinger y von Neumann).

Los experimentos de hendidura desempeñaron un papel más tarde que los tres datos experimentales mencionados anteriormente. No había nada inusual para los físicos, desde el siglo XIX en los experimentos de rendija con luz. Pero el descubrimiento de la difracción de electrones en 1924 confirmó la mecánica cuántica.

Aún más importante fue el experimento de Stern-Gerlach (1922) que condujo al descubrimiento del espín. Esto eventualmente condujo a la explicación del hecho experimental más importante de todos los mencionados: la Tabla Periódica.

Agregado el 3.4.2021. Una exposición sobresaliente de la historia de las líneas espectrales es el artículo de S. Sternberg, A history of 19th century spectroscopy (uno de los mejores artículos sobre historia de la ciencia que conozco). Está publicado como Apéndice F de su libro "Teoría de grupos y física".

Sobre Stern-Gerlach (y Einstein-Podolsky-Rosen) hay un bonito libro de Jim Baggott, "El significado de la teoría cuántica".

Desafortunadamente no conozco ninguna buena exposición del descubrimiento de Planck.

Por supuesto, no hay una respuesta fácil, las cosas se movieron bastante rápido a principios de siglo. A continuación, daré una descripción general de lo que estaba sucediendo y qué experimentos se estaban realizando, pero tendré que remitirse a fuentes más sustanciales para obtener más detalles.

Yo diría que la evidencia experimental comienza con Hertz y Wallachs en la década de 1890. (Los experimentos sobre la radiación del cuerpo negro serían, por supuesto, una base más sólida, pero los resultados de esos experimentos fueron menos sorprendentes, aunque pueden haberlo sido, si se investigaran con más cuidado). Hertz descubrió un efecto de la luz ultravioleta de una chispa sobre el intensidad de una segunda chispa cercana, que su asistente de laboratorio (y sucesor) Wallachs investigó más a fondo. Este fenómeno se llamó originalmente efecto Wallachs, pero hoy lo reconocemos como una evidencia temprana del efecto fotoeléctrico. Lenard impulsaría aún más la evidencia experimental que respalda este fenómeno, y de ahí surgió el comportamiento que Einstein intentaba explicar en su artículo de 1905.

La espectroscopia, la investigación de las líneas espectrales de los elementos, fue una de las áreas de investigación más emocionantes. Tomando una muestra de, por ejemplo, hidrógeno, excitado para emitir luz visible, tenemos nuestra fuente; Luego, la luz de la fuente se dirige a una rejilla de difracción y el espectro resultante se ve en una especie de escala de color. Tales experimentos fueron populares y fueron la fuente de mucho trabajo teórico. Particularmente notable es el desarrollo de la serie Balmer para las ubicaciones de las líneas espectrales del hidrógeno, pero otros fenómenos como la división de líneas espectrales (efecto Zeeman) también serían muy influyentes.

Los experimentos con rayos catódicos fueron la base de muchos descubrimientos importantes, pero el más significativo es el experimento de JJ Thompson que demuestra el hecho de que los "rayos" de hecho contenían carga eléctrica y, por lo tanto, eran el flujo de materia (electrones). El estudio de los rayos X también se desarrolló a partir de experimentos con tubos de rayos catódicos y, combinado con los fenómenos de radioactividad recién descubiertos, abrió la puerta a modelos de estructura atómica mucho más sofisticados. Tales modelos son esenciales para el desarrollo de la teoría cuántica.

Aproximadamente al mismo tiempo (finales de 1800 a 1900-1901) los datos experimentales sobre la radiación del cuerpo negro revelaron los límites de los modelos de la época, en particular la ley de Wein, y en respuesta a esto, Planck desarrolló su famosa teoría de los cuantos. Este es un ejemplo en el que se tuvieron que hacer suposiciones precipitadas para obtener un modelo adecuado de la realidad, pero Planck no afirmó la "verdad" física de sus cuantos, solo demostró una derivación que fue mucho más exitosa que las teorías existentes, con semi -Razonamiento heurístico. Aún así, el artículo de 1905 de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico se inspiró mucho en las ideas de Planck.

Los experimentos dirigidos a la estructura de la materia permitieron a Bohr (entre muchos otros) formular sus teorías del átomo. El principal de ellos fue el experimento de la lámina de oro de Rutherford, un experimento que fue posible gracias a los estudios de radiactividad realizados en la década anterior. Los experimentos espectroscópicos también fueron muy influyentes para Bohr y sus contemporáneos. Pero los primeros intentos de explicar el comportamiento del átomo adolecían de paradojas. Por ejemplo, las leyes del electromagnetismo prohibían que una partícula cargada girara en órbita alrededor de un núcleo sin irradiar energía constantemente. La llamada 'teoría cuántica antigua' se construyó adoptando la cuantización de la energía para explicar este hecho, trabajando tanto a partir de la teoría de Planck como del trabajo experimental y teórico en espectroscopia.

A medida que la década de 1900 se convertía en la de 1910, experimentos muy cuidadosos sobre el efecto fotoeléctrico verificaban aspectos clave del debate entre las ondas corpusculares. Las aplicaciones de la mecánica clásica, modificadas para permitir la cuantificación, revelaron algunas insuficiencias en las teorías de trabajo de Bohr et al. Los esfuerzos por combinar la teoría de Einstein (muy exitosa pero aún en desarrollo) de la interacción entre la radiación y la materia, con los conocidos fenómenos ondulatorios asociados con la luz (particularmente la dispersión) inspiraron trabajos más abstractos, incluida la famosa teoría BKS, así como importantes teorías trabajo de Kramers, Heisenberg, Born, Jordan, Dirac y Schrodinger. Pero estoy divagando, nos hemos apartado de los experimentos.

Muchos experimentos posteriores dieron forma a los conceptos de la mecánica cuántica. Algunos eliminaron ideas clásicas, como Michelson-Morely; otros demostraron ejemplos de cuantización más allá de la energía, como el experimento de Stern-Gerlach. Una pieza clave de la evidencia que apoya la teoría de los fotones de Einstein fue el trabajo de Compton sobre la difracción de rayos X. Los descubrimientos de protones, muones y piones, y eventualmente neutrones, iniciaron el desarrollo del modelo estándar de física de partículas. Hay caminos realmente infinitos a seguir, estoy seguro de que me estoy olvidando de las cosas, pero esto proporciona una cronología aproximada.

Referencias y lecturas sugeridas

Jammer, el desarrollo conceptual de la mecánica cuántica

Waerden, Fuentes de la Mecánica Cuántica

Segre, de los rayos X a los quarks