A mediados de los años 60, Richard Feynman calificó la interferencia con partículas de materia individuales como el único misterio de la mecánica cuántica porque, aunque esta ciencia predice con alta precisión los patrones de interferencia observados experimentalmente, no explica su fenomenología en detalle. Para resolver el misterio, se propone una lectura alternativa del aparato matemático de la interferencia, la cual parte de la medición de los patrones por detectores de módulo cuadrado y sintetiza un nuevo principio de interferencia en espacio libre, que se aplica de igual manera tanto en óptica como con partículas de materia individuales: el confinamiento en pozos espacialmente estructurados. Se analizan los aspectos medibles y no-medibles en esta fenomenología de la interferencia y se ilustra su eficacia y validez explicativa en experimentos de interferencia con electrones y moléculas individuales reportados en la literatura científica, resolviendo de esta manera el “único misterio de la mecánica cuántica” según Feynman.
A mediados de los años 60, Richard Feynman calificó la interferencia con partículas de materia individuales como el único misterio de la mecánica cuántica porque, aunque esta ciencia predice con alta precisión los patrones de interferencia observados experimentalmente, no explica su fenomenología en detalle. Para resolver el misterio, se propone una lectura alternativa del aparato matemático de la interferencia, la cual parte de la medición de los patrones por detectores de módulo cuadrado y sintetiza un nuevo principio de interferencia en espacio libre, que se aplica de igual manera tanto en óptica como con partículas de materia individuales: el confinamiento en pozos espacialmente estructurados. Se analizan los aspectos medibles y no-medibles en esta fenomenología de la interferencia y se ilustra su eficacia y validez explicativa en experimentos de interferencia con electrones y moléculas individuales reportados en la literatura científica, resolviendo de esta manera el “único misterio de la mecánica cuántica” según Feynman.
En física no-relativística, el espacio libre es considerado desde una perspectiva Newtoniana, es decir, como un escenario uniforme e isotrópico que no interviene en el comportamiento de los entes físicos. En este contexto, la interferencia y la difracción son descritas por la superposición de funciones de onda, lo cual aporta una explicación fenomenológica de esos comportamientos para las ondas, pero sólo provee una estrategia matemática de predicción para las partículas. Se muestra a continuación que la elaboración de una explicación fenomenológica de estos comportamientos, basada en un único principio, conduce a considerar el espacio libre como un ente físico que confina la energía de las ondas y las partículas en pozos Lorentzianos espacialmente estructurados por un potencial geométrico, el cual es activado por una condición de no-localidad preparada sobre la máscara de interferencia. Si esta condición es suficientemente fuerte, los pozos de confinamiento estarán espacialmente entrelazados. También se muestra que difracción e interferencia son términos que denotan modulaciones de confinamiento en diferentes regiones de la banda de frecuencias espaciales. Este desarrollo es puramente teórico, respaldado por modelamiento numérico y reproduce de manera precisa los resultados de experimentos reportados por otros autores.
En el año en que se conmemoran los cien años de la mecánica cuántica, este artículo vuelve a analizar una pregunta antigua y, en apariencia, sencilla: ¿qué es la luz en sentido físico? Para intentar resolverla, se hace un recorrido histórico que va desde la teoría corpuscular de Newton y la descripción ondulatoria de Huygens, pasando por los experimentos de interferencia de doble rendija de Young, hasta la teoría de Maxwell que establece la luz como una onda electromagnética. Se muestra cómo esa respuesta, que parecía bien explicada hacia finales del siglo XIX, resultó insuficiente cuando a comienzos del siglo XX aparecieron resultados experimentales imposibles de explicar usando la física clásica. Con nuevos resultados experimentales, se muestra cómo la cuantización propuesta por Planck resuelve el problema de la radiación de cuerpo negro y cómo Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico, obliga a introducir la idea los de cuantos de luz: los fotones. Posteriormente, se discute cómo la teoría y los experimentos contemporáneos consolidan la dualidad onda–partícula, incluso si se consideran fotones individuales, usando divisores de haz e interferómetros que revelan interferencia a nivel de un solo cuanto. Finalmente, se ofrece una visión general de desarrollos actuales que conectan los fundamentos de la mecánica cuántica, con el entrelazamiento, la no-localidad y las pruebas tipo Bell. Se hace énfasis en comprender, por qué los fotones siguen siendo centrales tanto para preguntas conceptuales aún abiertas como para tecnologías cuánticas emergentes, en particular la comunicación y la computación cuántica.
Resumen.En estas notas se exponen con detalle y de manera autocontenida las herramientas básicas de la teoría de los espacios de Hilbert complejos de dimensión infinita, que son necesarias para un primer estudio, matemáticamente riguroso, de la mecánica cuántica.En la última parte incluimos una introducción axiomática a la mecánica cuántica y una breve exposición del modelo del oscilador armónico y de la teoría de estados cuánticos Gaussianos. IntroducciónLa mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los fenómenos físicos que ocurren en escalas de longitudes muy pequeñas.El calificativo "cuántico" surge de, en contraste con la mecánica clásica, considerar algunas cantidades que toman solamente valores discretos i.e., en "paquetes" o quantum-quanta en latín.Aún cuando hay muchas nociones de la mecánica cuántica que aún suscitan controversia, esta teoría se aplica exitosamente para describir el comportamiento de sistema físicos y sus predicciones son consistentes con los experimentos.Los sistemas físicos que estudia la mecánica cuántica, exhiben propiedades ondulatorias que se pueden describir mediante una ecuación de onda, por ejemplo, la bien conocida "ecuación de Schrödinger", que describe la evolución temporal de una partícula subatómica con masa, en el contexto no relativista.En estas notas trabajamos con el formalismo de matrices de densidad, que permite describir estados que son mezclas de estados puros.En consecuencia, este enfoque resulta ser una herramienta poderosa para describir sistemas cuánticos más generales, por ejemplo, acoplamientos (ensambles) de muchos sistemas cuánticos idénticos.El material que se presenta en este trabajo está dividido en cuatro secciones compuestas de la siguiente manera: la sección 1 contiene una selección de resultados de índole geométrico y analítico de la teoría de espacios de Hilbert: ortogonalidad y descomposición ortogonal, convexidad, operadores lineales, norma de operadores y funcionales lineales.La sección 2 se concentra en la clase de los operadores compactos, particularmente en los operadores de la clase de traza y de manera especial, en los operadores de Hilbert-Schmidt.Es relevante mencionar que los estados cuánticos se representan mediante operadores positivos de traza uno.La sección 3 se dedica al estudio de operadores no acotados que pueden no estar densamente definidos en un espacio de Hilbert.Abordamos también el estudio de operadores cerrados y cerrables, el adjunto de un operador y una introducción a la teoría espectral de operadores.Una parte esencial de esta sección son los operadores simétricos e isométricos, los cuales exhiben similitudes en sus propiedades geométricas y espectrales.Cabe señalar que las observables físicas se representan por operadores simétricos típicamente no acotados.Por último, en la sección 4 se discuten brevemente postulados de la mecánica cuántica en el marco del formalismo de matrices de densidad, se revisa el modelo del oscilador armónico cuántico y se ofrece una introducción a los estados cuánticos Gaussianos.Al final de cada sección incluimos una selección de problemas que sirven para complementar estas notas.El lector interesado puede profundizar en el estudio de resultados aquí expuestos, desde los más básicos hasta los más avanzados, en la literatura clásica de operadores lineales, por ejemplo en [1,2,3,4,13,20].
El desarrollo de las ideas basicas de la Mecanica Cuantica comenzo a principios del siglo pasado, como consecuencia de una serie de descubrimientos y observaciones que pusieron en evidencia las graves dificultades de la Fisica Clasica para interpretar las propiedades del atomo y sus partes constituyentes asi como las propiedades de la radiacion electromagnetica y su interaccion con la materia. Esos descubrimientos revolucionaron las nociones hasta entonces sustentadas por los fisicos y plantearon una asombrosa cantidad de enigmas, cuya solucion obligo a realizar un profundo replanteo de los fundamentos y conceptos basicos de la Fisica.
El estudio de la Mecanica Cuantica es importante por varias razones. En primer lugar porque pone de manifiesto la metodologia esencial de la Fisica. En segundo lugar porque tuvo un exito formidable ya que permitio dar respuestas validas a casi todos los problemas en los cuales se la ha aplicado. En tercer lugar porque es la herramienta teorica basica para numerosas disciplinas de gran importancia, como la Quimica Fisica, la Fisica Molecular, Atomica y Nuclear, la Fisica de la Materia Condensada y la Fisica de Particulas.
Es pensado que la Mecánica Cuántica es una de las teorías fundamentales en la física. Esta teoría no solo ha permitido el estudio detenido de las propiedades de la naturaleza a una escala atómica, sino que también ha logrado una asombrosa convergencia con gran parte de las teorías clásicas. Un rasgo distintivo de la Mecánica Cuántica es su naturaleza probabilística, lo que implica que no puede prever con absoluta certeza el resultado de un experimento, sino tan solo asignar una probabilidad específica a su ocurrencia. En virtud de esta característica, la Mecánica Cuántica introduce un contexto donde llevar a cabo una medición se convierte en un proceso intrínseco. A pesar de ello, ninguno de sus fundamentos aborda explícitamente la definición de lo que constituye una medición cuántica. Aunque este procedimiento evidencia tanto la naturaleza probabilística a pequeña escala como el carácter determinista del ámbito macroscópico, surge de manera pertinente la pregunta: ¿qué se entiende por medición? O, al menos, ¿cómo llevar a cabo una medición? Diversos esfuerzos han sido realizados con el fin de construir un marco conceptual riguroso que describa el proceso de medición cuántica. En este estudio, se examinará detenidamente el esquema de medición propuesto por von Neumann interpretado a partir de la interacción entre el sistema principal y su entorno, así como los posibles tipos de mediciones que pueden surgir en estos sistemas. Sin embargo, al adentrarnos en el ámbito de la Teoría Cuántica de Campos y buscar realizar mediciones en este contexto, es imperativo ampliar la noción de medición de acuerdo con los principios de localidad y causalidad. Por ende, al establecer un marco claramente definido para las mediciones, también se delinean ciertas operaciones que son físicamente permitidas. Este trabajo se propone examinar los protocolos de medición en campos relativistas con el objetivo de comprender el protocolo propuesto por Fewster y Verch como una generalización de la teoría de medición cuántica no relativista.