¿Qué es la "cuantización"? Da un ejemplo [duplicado]

Antes de la teoría cuántica teníamos teorías clásicas. No existía la noción de que la energía en las partículas se almacenara en "un bulto". En cambio, las teorías clásicas (en general) permiten que la energía se divida en partes arbitrarias.

Las teorías cuánticas no hacen esa suposición. Resulta que para que coincida con lo que vemos en los experimentos, debe asumir que la energía viene en bultos (cuantos). Los cambios de energía no pueden ser arbitrarios sino que deben obedecer reglas. Los sistemas estables (como un átomo de hidrógeno) tienen niveles de energía específicos y solo pueden cambiar de un nivel a otro, no de una energía a otra energía. Es por eso que obtienes líneas espectrales, no una distribución continua: son cambios en niveles de energía discretos.

Las teorías clásicas no predicen eso.

La cuantización (en física teórica) cubre cualquier método matemático para desarrollar una teoría que incorpore ideas teóricas cuánticas de un concepto clásico.

El más dramático podría ser Quantum Electrodynamics (QED), que está desarrollando una teoría para el campo electromagnético a partir de ideas cuánticas. La teoría resultante puede llevarnos de vuelta a las leyes de Maxwell (que son puramente clásicas). QED es terriblemente complejo para un profano (y nada fácil para nadie más).

El abuelo de todos los modelos de cuantización fue la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico . Eso es por lo que obtuvo el premio Nobel, por cierto, no por la relatividad. Para explicar las observaciones se requería un modelo que requería que la energía se transmitiera en cuantos discretos, a diferencia de los modelos clásicos anteriores.

La mayoría de las respuestas aquí van más allá de las construcciones teóricas pesadas. Para un sistema simple que se entienda fácilmente y que demuestre la cuantificación (que incluso se puede hacer en casa) no se necesita nada más que una cuerda bajo tensión constante sujeta por ambos extremos.

No importa cómo intente hacer que la cuerda vibre, naturalmente solo soportará la vibración en un conjunto cuantificado de modos. Debido a que la cuerda está fija en ambos extremos (esto es lo que llamaríamos una condición límite fija), solo hay frecuencias fijas que pueden vibrar físicamente dentro de esas restricciones. La imagen (a) muestra la frecuencia fundamental y la siguiente frecuencia más alta que puede existir en la cuerda es el doble de (b), el primer armónico. Todas las frecuencias de vibración entre estos valores no pueden existir en esta cuerda (bajo tensión fija) porque requerirían que uno de los extremos se moviera libremente, lo cual no es así.

La cuantización, entonces, es cualquier fenómeno como este, donde las restricciones del sistema físico obligan a que una determinada propiedad se exprese solo en saltos discretos con todos los valores intermedios físicamente prohibidos. Se vuelve particularmente interesante en la mecánica cuántica, pero hay ejemplos de cuantización mucho más fáciles de entender que también se pueden encontrar en la mecánica clásica como esta.

Para decirlo en términos sencillos, la cuantización es algo que ocurre en los sistemas físicos cuando pasamos del mundo de los objetos grandes (como las bolas de boliche) al mundo de los objetos muy, muy pequeños (como los electrones, por ejemplo). En el "gran mundo", un objeto como una rueda o un trompo puede poseer cualquier valor de espín que deseemos darle, pero en el mundo de objetos muy, muy pequeños como los electrones, notamos que el electrón puede poseer solo un valor específico del espín: en las unidades que usan los físicos, el espín del electrón es 1/2 y nunca puede ser 15, 1000, 43,5 o cualquier otra cosa. Decimos que para las partículas subatómicas, el espín está cuantizado. Además, si ese electrón es parte de un átomo, entonces las energías que puede poseer no se distribuyen continuamente, sino que se cuantifican estrictamente: cambiar un electrón de un nivel de energía a otro en un átomo requiere que el electrón absorba o emita una cantidad de energía que está cuantificada. La escala de esta "fragmentación" fundamental en el mundo subatómico está determinada por un número llamado constante de Planck, que es un número extremadamente pequeño. Esto significa que esta fragilidad es aparente solo cuando se trata de cosas extremadamente pequeñas, y no es evidente cuando se trata de cosas tan grandes como bolas de boliche. Si la constante de Planck fuera cero, entonces la cuantización (así como la estructura básica del mundo que habitamos) no existiría. que es un número extremadamente pequeño. Esto significa que esta fragilidad es aparente solo cuando se trata de cosas extremadamente pequeñas, y no es evidente cuando se trata de cosas tan grandes como bolas de boliche. Si la constante de Planck fuera cero, entonces la cuantización (así como la estructura básica del mundo que habitamos) no existiría. que es un número extremadamente pequeño. Esto significa que esta fragilidad es aparente solo cuando se trata de cosas extremadamente pequeñas, y no es evidente cuando se trata de cosas tan grandes como bolas de boliche. Si la constante de Planck fuera cero, entonces la cuantización (así como la estructura básica del mundo que habitamos) no existiría.