Relatividade versus mecânica quântica: qual a diferença entre elas e elas estão relacionadas?

A relatividade e a mecânica quântica são relacionadas pela paternidade. O mesmo cara que inventou a relatividade, também fundou a mecânica quântica ... e ganhou um prêmio Nobel por suas tarefas. Você sabe quem sou eu - meu amigo Al, Albert Einstein. A diferença é que a relatividade tende a lidar com coisas de grande escala e a mecânica quântica é microscópica.

Relatividade: uma teoria em que seus elementos básicos podem ser infinitamente divididos. Portanto, é uma teoria de continuum. Além disso, é “clássico” no sentido de que há uma separação clara e total entre o observador e o próprio mundo. Seus resultados são determinísticos no sentido de que podem ser medidos à vontade.

Mecânica quântica: elementos básicos podem ser divididos até um ponto. Não há nada “dentro” de um elétron, ou “dentro” de um fóton, ou “dentro” de um quantum de energia. Não existe uma separação clara entre o observador e as coisas que estão sendo observadas. Seus resultados são estocásticos no sentido de que sempre haverá algum erro intrínseco nas medições que estão sendo feitas entre alguns pares de medidas.

Por mais bela que seja a relatividade, acho que quando chegar a hora de unificar as duas teorias, a relatividade dará lugar a algum princípio básico em favor da mecânica quântica. Provavelmente o princípio do continuum. Em algum nível, a gravitação também será quantificada. Até o momento, não há nenhuma pista sobre como isso será alcançado.

Eles estão de fato intimamente relacionados, embora isso não seja bem compreendido pelos físicos. Considerando que a relatividade usa o princípio de que

você não pode dizer como algo está se movendo, a menos que você diga como está se movendo em relação a outra coisa

, a mecânica quântica baseia-se no princípio de que

você não pode dizer onde está algo, a menos que diga onde é relativo a outra coisa

. Em particular, uma partícula não pode ter uma posição bem definida quando não está interagindo com outra matéria. No entanto, não existe uma posição absoluta no espaço (ou espaço-tempo) como concebida por Newton.

A mecânica de Newton lidou com tudo lindamente de 1687 a 1887; quando Michelson e Morley descobriram que a mecânica newtoniana falha por coisas que se movem na velocidade da luz. Nos 18 anos seguintes, ficou claro que a mecânica newtoniana falha por qualquer coisa que se mova suficientemente rápido. Finalmente, em 1905, Lorentz encontrou suas famosas transformações resolvendo esse problema e Einstein criou uma relatividade especial para fornecer um contexto para a compreensão das transformações de Lorentz.

Enquanto isso, em 1898-1900, Max Planck havia criado a mecânica quântica com sua descoberta de que a luz mantém o equilíbrio térmico com a matéria através de pequenas trocas de energia quantizadas E = hf nas interfaces de matéria leve. f é a frequência da radiação de equilíbrio e h é o famoso quantum de ação de Planck. h aparece em todas as expressões da mecânica quântica, geralmente escritas ħ = h / 2π para simplificar as expressões.

Então agora temos três teorias sobrepostas;

Nenhum

deles completos.

A relatividade funciona para tudo, exceto quando pequenas energias estão envolvidas.

A mecânica quântica lida muito bem com pequenas energias não relativísticas, mas é apenas parcialmente consistente com a relatividade e impraticável em escalas macroscópicas.

A mecânica newtoniana ainda é melhor para tudo macroscópico e não se move em velocidades relativísticas.

Se você observar a física newtoniana, verá que Newton fez cinco premissas (efetivamente a relatividade galileana, sua segunda lei do movimento, ação gravitacional instantânea à distância, a ação é contínua e as leis de conservação). (Você pode argumentar que há mais por aí, mas deixe isso por enquanto.) A mecânica newtoniana está absolutamente correta nessas premissas.

Einstein argumentou que, como havia um "limite de velocidade" de c, dois deles estavam errados, e esse limite de velocidade se tornou uma premissa adicional que removeu dois dos de Newton. Observe que o próprio Newton estava razoavelmente convencido de que o terceiro não estaria correto, mas ele não tinha idéia de como corrigi-lo, porque não sabia o que era a "velocidade da gravidade" ou como determiná-lo. Então foi uma aproximação.

A mecânica quântica exige uma mudança diferente: a ação não é contínua, mas ocorre em unidades discretas de

h

. No entanto, essas alterações não se afetam; portanto, deve ser fácil colocar os dois na mesma estrutura, mas, por várias razões, não foi assim por causa da matemática bastante difícil. Eu sei que alguns dirão que a teoria quântica de campos os unifica, mas não estou convencido. Como exemplo, as mesmas pessoas argumentam que os desvios das desigualdades de Bell provam não-localidade, o que se assemelha muito à relatividade, e o experimento de polarizador rotativo que "prova" esses desvios me parece desafiar a relatividade porque exige quando o segundo é medido no quadro de referência dos primeiros a gerar DOIS valores, não o óbvio da relatividade. Basicamente, ele faz isso assumindo um fundo fixo, mas isso contradiz todo o princípio da relatividade. Portanto, ainda existem incompatibilidades.