Umbral de la mecánica cuántica

La física newtoniana es generalmente una buena aproximación a un problema siempre que las diferencias significativas en la acción involucrada en el problema sean mucho mayores que la constante de Planck (si no, se necesitará la mecánica cuántica ), las velocidades involucradas en el problema son mucho menores que la velocidad de la luz (si no, se necesitará la relatividad especial ), y siempre que el radio de Schwarzschild de cualquier objeto gravitante en el problema sea mucho menor que el radio del objeto (si no, se necesitará la relatividad general ). Además, si un problema cumple con los criterios para necesitar tanto la mecánica cuántica como la relatividad especial, entonces la teoría cuántica de camposse necesita

La mecánica cuántica es generalmente adecuada para analizar los electrones dentro de los átomos, pero la teoría cuántica de campos generalmente se necesita para cualquier otro tipo de partículas subatómicas .

Lo anterior son realmente solo reglas generales. Por ejemplo, existen fenómenos cuánticos macroscópicos , en los que los fenómenos cuánticos son evidentes a escala macroscópica.

No se conocen otros umbrales comparables al cuántico-clásico, ni se conoce ninguna razón en la actualidad para sospechar de ellos.

El umbral preciso entre la física cuántica y la clásica es bastante simple: es ignorancia (cuántica) versus conocimiento (clásico).

Más precisamente, independientemente de los tamaños, masas o escalas involucradas, las reglas cuánticas siempre se aplican cuando no hay absolutamente ningún rastro de información en ninguna parte del universo sobre lo que está sucediendo. En tales casos de ignorancia verdadera y absoluta, la entidad oculta intentará de una manera extraña y probabilística explorar toda la historia posible que quede abierta y que sea compatible con las leyes de la física y el "envoltorio de ignorancia" que ve el resto del universo. para el sistema

El resultado de esta exploración de todas las opciones disponibles se denomina integral de todas las historias posibles , y es la fuente directa de todo el comportamiento ondulatorio y probabilístico que encontramos tan extraño en la mecánica cuántica. Por ejemplo, una sola partícula comienza a parecerse a una onda porque dentro de su envoltura de ignorancia se ve obligada (no es una opción) a explorar un número infinito de caminos similares y cercanos sin problemas.

Por el contrario, una vez que cualquier información sobre lo que está sucediendo abandona el sistema y se convierte irreversiblemente en parte del universo exterior, ese aspecto de la entidad deja de seguir las reglas cuánticas y se convierte en parte de la física clásica, que permite explorar solo un futuro posible. a la vez

La razón principal por la que no parecen probables otros umbrales clásicos cuánticos es que las reglas anteriores son en realidad solo aspectos diferentes del mismo fenómeno. Es decir, la información es, por definición, la pérdida del defecto cuántico de la exploración ilimitada de todas las opciones abiertas, lo que obliga a una parte del universo a volverse específica, real e histórica. Sin esta relación profunda y esencialmente tautológica entre la generalidad cuántica y la especificidad clásica, conceptos como historia e información dejarían de tener sentido. Después de todo, un universo en el que todas las cosas suceden al mismo tiempo no es diferente de un universo en el que nunca sucedió nada en absoluto.

La respuesta depende de la temperatura termodinámica del entorno de estos objetos, la fuerza de interacción con la que se acoplan a este entorno y su tiempo de vida.

Los efectos cuánticos observados espacialmente más grandes y, en consecuencia, de mayor duración, que yo sepa, son franjas de luz de interferencia que provienen de galaxias que están a millones de años luz de distancia. La razón por la que estos fotones no sufrieron decoherencia es porque tienen una vida muy larga (la vida útil de los fotones es infinita en la teoría) y el universo es muy frío y está poco poblado de átomos que podrían dispersar estos fotones. Como resultado, la luz que se emitió hace tanto tiempo todavía es coherente y mostrará exactamente los mismos términos de interferencia que uno esperaría de una fuente de luz a solo unos metros de distancia en el laboratorio.

Bueno, técnicamente, tanto la física newtoniana como la relatividad y la QM funcionan en conjunto, todo el tiempo. Sin embargo, algunas de las abstracciones fallan; por ejemplo, cuando se trata de un electrón aislado, se comporta bien de acuerdo con la física newtoniana. De la misma manera, aunque ese electrón se mueva a la mitad de la velocidad de la luz, desde el punto de vista del electrón, seguirá comportándose de forma clásica. Las interacciones son la parte interesante, y ahí es donde se encuentran los "límites" percibidos.

Ahora, incluso tú, como objeto macroscópico, estás sujeto a la física cuántica. Sin embargo, la aproximación clásica está lo suficientemente cerca de la realidad, que agregar QM a la ecuación realmente no cambia mucho. Piénselo como, por ejemplo, con la carga EM de un átomo: ningún átomo es verdaderamente neutral. Es solo que el pequeño electromagnético se pierde fácilmente en las toneladas de otras interacciones que experimentan el átomo y sus partes constituyentes; en este caso, los efectos térmicos simples son mucho más fuertes en magnitud que el momento.

Un "límite" interesante para QM sobre el que he leído se puede resumir así: los efectos mecánicos cuánticos son importantes cuando la delimitación física de la "partícula" es significativamente mayor que la longitud de onda de esa "partícula". Entonces, por ejemplo, los electrones individuales tenderán a comportarse de manera menos clásica en las interacciones EM, porque la mayor parte de la carga EM del electrón se concentra en un radio significativamente más pequeño que la longitud de onda del electrón. Por otro lado, su cuerpo es mucho más grande que la longitud de onda de su cuerpo como un todo, por lo que como un todo tiende a comportarse de manera bastante clásica, aunque sus partes constituyentes no lo hagan. Tomando una CPU como ejemplo, cada transistor depende de la física cuántica (en particular, la sintonización cuántica) para funcionar,no comportarse "cuánticamente".

Por supuesto, todo esto depende de aceptar que la realidad cuántica es más fundamental o "más cercana al territorio" que la física newtoniana. Esto puede ser así o no, y hay mucho debate sobre los detalles, así como sobre los puntos principales (ver las diversas interpretaciones de la física cuántica, por ejemplo).

(Descargo de responsabilidad: no soy un experto en el tema y no tengo ninguna educación especial en física cuántica).

No es el tipo de partícula. es la acción En QM hay algo llamado integral de trayectoria. Esto suma todos los caminos posibles con un factor de fase, la exponencial de i (la raíz cuadrada de -1) multiplicada por la acción. La acción se da a través del Lagrangiano, que es lo que te da el principio de acción mínima habitual para la mecánica clásica. El camino clásico es el camino de mínima acción. Cada otra ruta se agrega con este número complejo multiplicándolo, lo que significa que su fase se desplaza en esta cantidad. El total de todos estos caminos da la probabilidad de lo que hará la partícula.

Entonces puede ignorar los efectos cuánticos cuando el camino clásico domina el comportamiento del sistema. La forma habitual en que esto sucede es cuando hay muchas partículas, de modo que los caminos no clásicos terminan promediando casi cero. Esto se debe a que la función exponencial cambia muy rápidamente al cambiar el argumento. Entonces, cuando hay muchas partículas, cambia mucho más rápidamente. El único camino en el que todas las partículas tenderán a sumarse será el camino clásico, y los demás tenderán a alinearse aleatoriamente entre sí, y por lo tanto tenderán a desaparecer.

Nota: Tendencia a, no hacerlo absolutamente. Hay varios sistemas macroscópicos bien conocidos que pueden mostrar fenómenos cuánticos. Por ejemplo, hay un tubo fotomultiplicador que, en principio, puede fabricarse para detectar un solo fotón y convertirlo en algo macroscópico visible para el ojo humano. Además, hay algunas estructuras cristalinas que pueden fabricarse para detectar estados de fonones individuales, especialmente a temperaturas criogénicas. Y la resonancia magnética muestra algunos fenómenos claramente QM. Creo que hay algunos otros, pero los recuerdo mal en este momento.

El límite clásico es importante porque significa que QM recuperará todos los resultados de la física clásica. Todavía conserva, por ejemplo, el principio de mínima acción para grandes masas formadas por un gran número de partículas.

El umbral clave es https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence#Loss_of_interference_and_the_transition_from_quantum_to_classical_probabilities Esencialmente por encima de este límite, partes del sistema reciben información termodinámica de otras partes, actuando como observadores, rompiendo la coherencia y provocando un cambio de entropía irreversible https:/ /phys.org/news/2013-03-decoherence-quantum.html

Aumentar el límite de decoherencia es una preocupación clave de la computación cuántica. https://hackernoon.com/decoherence-quantum-computers-greatest-obstacle-67c74ae962b6 Y la corrección de errores puede compensar parte de la pérdida de información https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing#Quantum_decoherence

Hay circunstancias especiales en las que los comportamientos cuánticos pueden manifestarse a escalas más grandes. https://en.wikipedia.org/wiki/Macroscopic_quantum_phenomena Hay un caso interesante de crear una superposición cuántica de algo (solo) visible a simple vista https://physicsworld.com/a/quantum-effect-spotted-in -un-objeto-visible/

Editado para agregar:

¿Existen otros umbrales similares en la física?

Esto es un poco vago. ¿Qué significa ser 'como' el umbral de decoherencia cuántica? Pero creo que se puede aventurar una respuesta afirmativa.

Esencialmente tienes ecuaciones más complejas con múltiples términos en el mundo cuántico, que se reducen a ecuaciones más simples en el mundo clásico. Mucho de esto tiene que ver con el tamaño y las energías de los portadores de información como los fotones y los estados de vibración térmica, pero no es un límite rígido y rápido.

También tenemos ecuaciones más complejas de la relatividad general, que se simplifican a velocidades, energías y masas más bajas. Estos comportamientos manifiestan que el tiempo es una dimensión junto con el espacio.

Hay otras divisiones heurísticas, basadas en la escala de acción de las diferentes fuerzas fundamentales, donde ellas dominan y otras fuerzas pueden ser despreciadas.

Se propone, como usted sugiere, que se encontrará otro conjunto de comportamientos a escalas más bajas y tiempos más cortos, la escala de Planck. Aquí puede ser donde se manifiesten dimensiones adicionales, que unifican comportamientos cuánticos que son todos reversibles en el tiempo, con comportamientos cuánticos esperados de tiempo y espacio. El reino de la teoría superestrictiva, o la gravedad de bucle cuántico, o algo más.