L'experiment d'Stern-Gerlach (SG) és considerat un dels més importants de la història de la teoria quàntica, i sovint s'utilitza en llibres de text de Mecànica Quàntica per il·lustrar el concepte d'espín i, fins i tot, els postulats de la teoria. Aquest ús didàctic tan estès ha fet que moltes vegades es confongui el rol que l'SG va jugar en el desenvolupament de la teoria quàntica: no és rar trobar fonts que afirmen que els resultats de l'SG es van rebre amb estupefacció o que van comportar el descobriment de l'espín.\n\n\t\t\t\t Si busquem estudis historiogràfics sobre aquest episodi tan important, ens trobarem davant d'una mancança completa de fonts especialitzades. La majoria de publicacions contenen poc més que algunes anècdotes entorn de l'experiment i algunes fins i tot perpetuen les interpretacions incorrectes que hem esmentat. Segurament l'únic estudi historiogràfic complet de l'experiment d'SG es pot trobar a la recent tesi de Wolfgang Trageser (“L'efecte Stern-Gerlach. Gènesi, desenvolupament i reconstrucció d'un dels experiments fonamentals de la teoria quàntica entre 1916 i 1926” —en alemany), presentada el 2011 a la Johann Wolfgang Goethe–Universität a Frankfurt am Main. L'autor tracta en detall el treball experimental d'Otto Stern i Walther Gerlach, però passa per sobre els comentaris sobre la motivació teòrica de l'experiment, així com les seves conseqüències teòriques.\n\n\t\t\t\t Analitzant en detall el context teòric que envoltava l'SG, intentarem recuperar la interpretació correcta del seu rol en el desenvolupament de la teoria quàntica; no ens ha de sorprendre trobar un relat completament nou amb importants conseqüències en l'àmbit didàctic. \n\n\t\t\t\t En aquesta tesi comencem revisant l'estat de la qüestió de la Teoria Quàntica Antiga (TQA) durant la dècada dels 1910, posant especial èmfasi en les teories de Niels Bohr i Arnold Sommerfeld. És important tenir clars els principis fonamentals d'aquesta teoria per interpretar correctament l'SG.\n\n\t\t\t\t Traçant les motivacions que van portar a l'experiment, estudiem l'efecte Zeeman i la quantització espacial. L'efecte Zeeman es pot considerar una de les principals guies dels desenvolupaments portats a terme per Bohr i Sommerfeld durant la construcció de les seves respectives teories. Precisament, una d'aquestes hipòtesis teòriques destinades a expilcar parcialment l'efecte Zeeman és la quantització espacial, proposada per Sommerfeld a mitjans 1916 i que ràpidament va ser adoptada per Bohr i incorporada a la teoria.\n\n\t\t\t\t La conveniència d'aquesta hipòtesi, però, va ser posada en dubte en repetides ocasions, i algunes de les seves prediccions experimentals no podien ser verificades. És per això que el 1921 Stern va proposar un dràstic experiment per confirmar-la (o falsar-la) d'una vegada per totes. Amb l'ajuda de Gerlach, els dos físics van trigar gairebé un any a obtenir el resultat buscat, confirmant la quantització espacial i aportant també un cert artibtratge a certs debats que s'havien establert entre Bohr i Sommerfeld sobre el nombre d'orientacions que podia atènyer un àtom immers en un camp magnètic. Malgrat aquest experiment, l'experiment d'Stern-Gerlach, sovint es postula com una pedra angular de la TQA, topem amb una contradicció històrica quan estudiem les seves conseqüències històriques. L'única reacció significativa és un article d'Einstein i Ehrenfest que posava de manifest les immenses contradiccions amb què topava la teoria si s'intentava fer un càlcul acurat de les observacions d'Stern i Gerlach. \n\n\t\t\t\t Malgrat el caire catastròfic d'aquest article, la seva publicació va obtenir una minsa resposta: breus discussions es van establir entre els dos autors i Bohr, Smekal, Born i Heisenberg. En cap es es pot considerar, però, que aquesta problemàtica s'incorporés a la naixent crisi que la TQA va patir durant el 1923–1924.
L'experiment d'Stern-Gerlach (SG) és considerat un dels més importants de la història de la teoria quàntica, i sovint s'utilitza en llibres de text de Mecànica Quàntica per il·lustrar el concepte d'espín i, fins i tot, els postulats de la teoria. Aquest ús didàctic tan estès ha fet que moltes vegades es confongui el rol que l'SG va jugar en el desenvolupament de la teoria quàntica: no és rar trobar fonts que afirmen que els resultats de l'SG es van rebre amb estupefacció o que van comportar el descobriment de l'espín.\n\n\t\t\t\t Si busquem estudis historiogràfics sobre aquest episodi tan important, ens trobarem davant d'una mancança completa de fonts especialitzades. La majoria de publicacions contenen poc més que algunes anècdotes entorn de l'experiment i algunes fins i tot perpetuen les interpretacions incorrectes que hem esmentat. Segurament l'únic estudi historiogràfic complet de l'experiment d'SG es pot trobar a la recent tesi de Wolfgang Trageser (“L'efecte Stern-Gerlach. Gènesi, desenvolupament i reconstrucció d'un dels experiments fonamentals de la teoria quàntica entre 1916 i 1926” —en alemany), presentada el 2011 a la Johann Wolfgang Goethe–Universität a Frankfurt am Main. L'autor tracta en detall el treball experimental d'Otto Stern i Walther Gerlach, però passa per sobre els comentaris sobre la motivació teòrica de l'experiment, així com les seves conseqüències teòriques.\n\n\t\t\t\t Analitzant en detall el context teòric que envoltava l'SG, intentarem recuperar la interpretació correcta del seu rol en el desenvolupament de la teoria quàntica; no ens ha de sorprendre trobar un relat completament nou amb importants conseqüències en l'àmbit didàctic. \n\n\t\t\t\t En aquesta tesi comencem revisant l'estat de la qüestió de la Teoria Quàntica Antiga (TQA) durant la dècada dels 1910, posant especial èmfasi en les teories de Niels Bohr i Arnold Sommerfeld. És important tenir clars els principis fonamentals d'aquesta teoria per interpretar correctament l'SG.\n\n\t\t\t\t Traçant les motivacions que van portar a l'experiment, estudiem l'efecte Zeeman i la quantització espacial. L'efecte Zeeman es pot considerar una de les principals guies dels desenvolupaments portats a terme per Bohr i Sommerfeld durant la construcció de les seves respectives teories. Precisament, una d'aquestes hipòtesis teòriques destinades a expilcar parcialment l'efecte Zeeman és la quantització espacial, proposada per Sommerfeld a mitjans 1916 i que ràpidament va ser adoptada per Bohr i incorporada a la teoria.\n\n\t\t\t\t La conveniència d'aquesta hipòtesi, però, va ser posada en dubte en repetides ocasions, i algunes de les seves prediccions experimentals no podien ser verificades. És per això que el 1921 Stern va proposar un dràstic experiment per confirmar-la (o falsar-la) d'una vegada per totes. Amb l'ajuda de Gerlach, els dos físics van trigar gairebé un any a obtenir el resultat buscat, confirmant la quantització espacial i aportant també un cert artibtratge a certs debats que s'havien establert entre Bohr i Sommerfeld sobre el nombre d'orientacions que podia atènyer un àtom immers en un camp magnètic. Malgrat aquest experiment, l'experiment d'Stern-Gerlach, sovint es postula com una pedra angular de la TQA, topem amb una contradicció històrica quan estudiem les seves conseqüències històriques. L'única reacció significativa és un article d'Einstein i Ehrenfest que posava de manifest les immenses contradiccions amb què topava la teoria si s'intentava fer un càlcul acurat de les observacions d'Stern i Gerlach. \n\n\t\t\t\t Malgrat el caire catastròfic d'aquest article, la seva publicació va obtenir una minsa resposta: breus discussions es van establir entre els dos autors i Bohr, Smekal, Born i Heisenberg. En cap es es pot considerar, però, que aquesta problemàtica s'incorporés a la naixent crisi que la TQA va patir durant el 1923–1924.
El desenvolupament de la mecànica quàntica a principis del segle xx va constituir una de les més grans revolucions tant en les ciències experimentals i en les ciències exactes com en la filosofia, i va modificar completament la manera d’entendre el món tant a nivell microscòpic com macroscòpic. De fet, tal com varen fer notar els seus fundadors, la mecànica quàntica és força contradictòria respecte a la nostra forma clàssica de pensar. Per superar aquesta limitació, Erwin Schrödinger i Albert Einstein, entre d’altres, van proposar una sèrie d’experiments ideals que mostraven el comportament paradoxal de la mecànica quàntica, entre els quals l’anomenat «gat de Schrödinger» i la «paradoxa EPR» (o paradoxa Einstein-Podolsky-Rosen) són els més coneguts. Aquestes propostes experimentals, que es coneixen amb el nom alemany de Gedankenexperimente (experiments mentals), feien ús del principi de superposició i de l’entrellaçament dels sistemes quàntics apper mostrar les estranyes propietats de la mecànica quàntica. Tanmateix, com va indicar el mateix Schrödinger, es tractava de propostes ridícules perquè mai aconseguiríem manipular partícules individuals. El Premi Nobel de Física 2012 ha estat atorgat a Serge Haroche i David J. Wineland, que van ser capaços, mitjançant sofisticats dispositius experimentals, d’atrapar i manipular fotons i ions individuals, respectivament, tot fent realitat els Gedankenexperimente proposats als inicis de la mecànica quàntica. A més, aquells experiments van establir les bases per a un nou camp de recerca, la ciència de la informació quàntica, i per al desenvolupament de noves aplicacions com ara la construcció de rellotges atòmics de precisió anteriorment mai assolida. Aquests desenvolupaments han marcat l’inici de l’anomenada segona revolució quàntica.Paraules clau: òptica quàntica · mecànica quàntica · electrodinàmica quàntica en cavitats · captura i refredament d’ions
Fa més d'un segle els físics de tot el món desenvolupaven una teoria per descriure comportaments estranys recentment descobertes d'alguns sistemes físics, això marca el naixement de la Teoria Quàntica. Algunes dècades més tard, la idea revolucionària de separar la informació de la seva companyia física va conduir a l'establiment de la Teoria de la Informació. Aquests al principi es van unir les teories independents en les últimes dècades del segle anterior deixant-nos de Teoria de la Informació Quàntica. Aquesta tesi explorarà una intersecció entre matemàtiques, física i informàtica, tractant d'aclarir l'entrellaçat de l'anterior. Tot seguit, es van establir els resultats que es van establir durant els anys d'estudis que van dur a aquest treball. La pregunta plantejada en el títol no es respondrà plenament ja que pot ser massa aviat per donar una resposta definitiva a aquesta àmplia pregunta.
[cat] Entre el 1924 i el 1927 a través de la mecànica quàntica va començar a entreveure’s la idea de que alguns sistemes estaven formats pel que avui dia anomenem “partícules indistingibles”. Aquesta nova percepció de la identitat de les partícules, capgiraria la manera de concebre la naturalesa i la interacció en els sistemes formats per elements idèntics. Amb el naixement de la mecànica quàntica i els diferents descobriments de la física a l’inici del segle XX, l’estadística de Maxwell-Boltzmann ja no respon totes les preguntes que planteja la física. Al llarg dels diferents capítols veurem com neix l’estadística quàntica de Fermi-Dirac i, amb ella, la percepció de la idea d’indistingibilitat i també com evoluciona aquest concepte. Es vol entendre quin és el context científic amb el que s’arriba als anys 1924-1927, per tal d’explicar què va portar a Fermi a desenvolupar una nova estadística quàntica, anomenada actualment estadística de Fermi-Dirac, diferent a la que havien desenvolupat Bose i Einstein dos anys abans i amb un mètode totalment diferenciat (tot i que paral·lel en el temps) al que farà anar Dirac. Estudiarem també els treballs que publica Heisenberg durant aquells anys i analitzarem quin paper van jugar en el desenvolupament de les estadístiques quàntiques. Addicionalment, veurem que el mètode de Dirac, per la seva banda, vindrà marcat per la formulació, entre el 1925 i el 1926, de la nova mecànica quàntica o mecànica matricial per part de Born, Heisenberg i Jordan.
R. Feynman (1918-1988), un dels mes grans fisics del s. XX i premi Nobel (1965), quan li preguntaven sobre si entenia la mecanica quantica, responia simplement: It works (funciona). La pregunta es referia naturalment a la significacio de la teoria, a la seva comprensio i a tot allo que la teoria ens podia dir de la realitat fisica del nostre mon. Una pregunta legitima des que l’home es home i raona. La voluntat de comprendre com esta fet el mon, motor de la ciencia, es veu acompanyada tambe per les preguntes com es el mon i que es el mon, preguntes que entren de ple en la massa abandonada filosofia de la naturalesa. La mecanica quantica, per tot el que presenta d’enigmatica, d’incomprensible (s’enten, analitzat conscientment o inconscient des del paradigma filosofic de la fisica classica) posa sobre la taula del debat filosofic, la necessitat de recorrer de nou a la filosofia de la naturalesa, per poder comprendre, sempre i quan, es clar, algu no en tingui prou dient que funciona. Les sorpreses venen quan, pensades les coses, des de l’optica de la filosofia de la naturalesa, hom descobreix que no hi ha tants enigmes. R. Feynman (1918-1988), one of the greatest physicists of the XX century, Nobel Prize (1965), when asked whether he understood quantum mechanics, he responded simply: It works. The question of course refers to the significance of the theory, to its understanding and to all that the theory could tell us about the physical reality of our world: a legitimate question since man can think. The desire to understand how the world is done, the very motor of science, goes together with questions as how the world is and what the world is, questions that go straight into the dough abandoned Natural Philosophy. Quantum mechanics, by its enigmatic contents (if analyzed from the philosophical paradigm of classical physics) raises to the philosophical debate the need to come back again to Natural Philosophy in order to understand, unless of course someone does not have enough by saying that “it works”. Surprises arrive when, if thinking from the perspective of Natural Philosophy, one discovers that there are not so many enigmas.
Os efeitos desses sucessos tornaram-se tão poderosos a ponto de a maioria dos físicos passarem a aceitar como óbvias as ideias de órbitas quânticas e transições eletrônicas, usando-as de modo desimpedido sem se darem conta, com suficiente clareza, do profundo abismo que se estende entre tais ideais e as concepções subjacentes ao resto da física".(Halpern & Thirring, 1932) Resumo Neste artigo, descrevemos, brevemente, as ideias e opiniões proferidas pelo cientista austríaco Hans Thirring (1888-1976), catedrático de física teórica na Universidade de Viena entre 1921 e 1958, sobre a mecânica quântica.Em particular, mostraremos o seu desconforto com uma teoria, a qual, apesar de ser bem-sucedida do ponto de vista experimental, era praticamente incompreensível do ponto de vista conceitual.Thirring jamais aceitou tal estado da teoria, o que o levou a se recusar a ensinar tal teoria para os seus estudantes.