De la fizica clasică la fizica cuantică

Mecanica clasică — dezvoltată începând cu Principiile lui Newton și prin lucrările lui Euler, Laplace, Lagrange, Hamilton și ale altora în secolele al XVIII-lea și al XIX-lea — a oferit un cadru remarcabil pentru înțelegerea mișcării obiectelor în spațiu. Este cu adevărat remarcabil faptul că o teorie dezvoltată de Newton în secolul al XVII-lea este suficient de precisă încât, odată cu apariția instrumentelor de calcul din secolul al XX-lea, putem prezice mișcarea planetelor suficient de bine pentru a trimite nave spațiale pe Marte. Desigur, computerele folosite pentru a face aceste predicții se bazează pe tehnologia în stare solidă, care a necesitat înțelegerea și dezvoltarea științei secolului XX (mecanica cuantică). Și merită menționat faptul că NASA încă folosea computere umane, înarmate cu rigle de calcul, creion și hârtie, în timpul misiunilor Apollo.

Secolul al XIX-lea a adus o înțelegere a electricității și magnetismului, dezvoltată de Faraday, Gauss, Ampere și alții, și a termodinamicii, dezvoltată de Carnot, Claussius, Thomson și alții. În cele din urmă, Maxwell a arătat că electricitatea și magnetismul erau două aspecte ale unui câmp care se propaga prin spațiu conform unor reguli încă guvernate de teoria mecanică clasică; iar lucrările lui Maxwell, Boltzmann și Gibbs au arătat că termodinamica putea fi explicată prin aplicarea argumentelor statistice la sistemele de particule mecanice.

Totuși, existau lucruri pe care mecanica clasică nu le putea descrie corect, și anume natura discretă a „spectrelor” atomice și, mai general, stabilitatea atomilor și moleculelor. De ce electronii încărcați negativ nu se lovesc de nucleul încărcat pozitiv, așa cum prezice electricitatea și magnetismul clasic? Teoria statistică Maxwell-Boltzmann face predicții incorecte despre spectrul radiației unui „corp negru”, adică un corp perfect absorbant care emite radiații electromagnetice în echilibru termic.

Explicarea acestor discrepanțe a dus în cele din urmă la o revoluție completă în fizică și în modul în care înțelegem natura universului. Aceasta a fost teoria cuantică dezvoltată în anii 1920 de Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrodinger și alții, bazându-se pe ideile anterioare ale lui Planck și Einstein. Pentru a explica teoria cuantică, ar trebui mai întâi să revedem rapid ce este mecanica clasică și cum descrie fizica clasică lumea.

Sursa: Jeffrey Schenker, Quantum Information Theory – Lecture Notes for Math 992 Spring 2022. Licența CC BY-NC 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu