¿Cuál es el significado de la física cuántica en la astrofísica?

Answer 1

Una idea importante que muchos científicos han encontrado en muchos dominios es la idea de que las cosas a pequeña escala afectan a las cosas a gran escala.

Piense en cómo los virus pueden afectar a los organismos macroscópicos, o cómo la forma de la molécula de agua puede hacer que el agua se expanda a medida que se congela. Es la misma idea en astrofísica.

Hay muchos casos en los que la comprensión de la mecánica cuántica ha llevado a importantes conocimientos en astrofísica. Muchos fenómenos requieren el uso de la mecánica cuántica como herramienta para comprender los procesos subyacentes a lo que observamos.

Por ejemplo, las estrellas enanas blancas son sostenidas por la presión de degeneración de los electrones, que se explica por la mecánica cuántica.

La línea de hidrógeno es una línea espectral que observamos desde el medio interestelar, que es el resultado de niveles de energía que cambian de hidrógeno neutro, que solo pueden ocurrir a través de un efecto mecánico cuántico único.

Profundizando en la astrofísica estelar, descubrirá que muchos de los procesos que ocurren dentro y alrededor de las estrellas requieren una comprensión de la mecánica cuántica para comprender lo que observamos.

Lo mismo es cierto para la cosmología. Echa un vistazo a esta conferencia: El Quantum y el Cosmos.

Entonces, si bien es cierto que la mecánica cuántica se ocupa de lo muy pequeño, no significa que lo que sucede a esas escalas sea completamente independiente de lo que sucede en el Universo en su conjunto, existe una gran conexión.

Answer 2

La mecánica cuántica entra en juego mucho en la astrofísica. Hay muchos ejemplos; Voy a enumerar algunos

Fusión basada en túneles cuánticos.

La primera etapa del ciclo de fusión de una estrella requiere reunir dos protones para formar un deuterón (un protón + neutrón, formado por uno de los dos protones que se descompone en un neutrón a través de la emisión de positrones). Sin embargo, la carga de los protones hace que sea extremadamente difícil juntarlos lo suficiente para fusionarlos. De hecho, la temperatura central de una estrella de 15 millones de K no es suficiente para producir la liberación de energía observada.

La física cuántica resuelve esto! La tunelización cuántica permite que una partícula atraviese una barrera impenetrable clásica (la repulsión entre los protones en este caso) siempre que lo haga durante un período de tiempo suficientemente corto. Esto es una consecuencia del principio de incertidumbre.

Estrellas degeneradas.

El principio de incertidumbre también conduce a la presión de la degeneración; a medida que las partículas se acercan, sus valores de posición se reducen, por lo que sus momentos se vuelven más inciertos, lo que lleva a la presión hacia el exterior. El matemático indio, Chandrasekhar, teorizó un nuevo tipo de estrella basado en esto: una enana blanca, que es un remanente estelar que se sostiene a sí mismo a través de la presión de degeneración de sus electrones.

Aunque inicialmente se encontraron con el escepticismo de la comunidad astronómica, las enanas blancas se descubrieron más tarde. Este mismo principio también se aplica a las estrellas de neutrones, que se sostienen como resultado de la presión de degeneración de los neutrones.

Líneas espectrales.

Estos son cruciales para comprender la composición de los objetos más allá de nuestro alcance (especialmente las estrellas). Varían según las configuraciones electrónicas de un elemento en particular, lo que nos permite deducir sustancias presentes en función de la forma en que absorben o emiten frecuencias particulares. La física cuántica mostró su verdadera naturaleza; Los electrones pueden absorber o emitir fotones correspondientes a energías particulares al saltar entre los estados de energía permitidos.

Ahora aventurémonos en el ámbito de la cosmología.

Formación de galaxias.

Las fluctuaciones cuánticas surgen debido a la naturaleza probabilística de la física cuántica, lo que lleva a incertidumbres. Las fluctuaciones cuánticas poco tiempo después de la gran explosión que condujo a regiones de densidad ligeramente mayor se cree que han comenzado el crecimiento de grandes grupos de materia, lo que lleva a las galaxias.

Evaporación del agujero negro.

Nuevamente, debido al principio de incertidumbre, la física cuántica hace predicciones emocionantes. Aquí, los pares de partículas pueden “tomar prestada” energía por un corto período de tiempo, surgir de un vacío y aniquilarse y desaparecer rápidamente. Si esto sucede lo suficientemente cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, una partícula podría ser arrastrada mientras la otra escapa. Dado que la energía debe conservarse, el agujero negro pierde energía y se “evapora”. Esto también conduce a preguntas fascinantes, como la paradoja de la información del agujero negro (de nuevo, depende en gran medida de la teoría cuántica sobre la información), que exige una larga respuesta por sí misma.

La gravedad cuántica?

Ok, esto ya no es realmente astrofísica, pero pensé que valía la pena mencionar de todos modos. Esta es una de las preguntas más destacadas en física. Todas las demás fuerzas están, según la teoría cuántica, causadas por el intercambio de partículas portadoras de fuerza: el fotón (electromagnetismo), el gluón (fuerza fuerte) y los bosones W y Z (fuerza débil). La gravedad, sin embargo, no ha detectado tal portador de fuerza, y los modelos teóricos conducen a infinitos o predicciones efectivamente no verificables. Surgen alternativas tales como diversas teorías de cuerdas, pero ninguna puede probarse hasta ahora.

Answer 3

Bueno, hay muchos temas y campos y sistemas en astrofísica que generalmente no requieren Física cuántica. De hecho, usted puede proceder con solo ayuda matemática y de la comunidad.

Si está preguntando acerca de cómo la mecánica cuántica afecta la cosmología y la astrofísica del universo, aquí está.
1. en cualquier ecuación que veas de mecánica cuántica, es probable que veas h O h (2 * pi) –la constante de los planos. en cualquier GR o ecuación astrofísica típica, notará ‘c’ – velocidad de la luz. Existe una física que evolucionó utilizando la relatividad y la mecánica cuántica para hablar de partículas y campos de alta energía: la teoría de campos cuánticos. La ecuación típica de QFT (o QED) contendría tanto ‘h’ como ‘c’
2. ¿POR QUÉ ES NUESTRO INHOMOGÉNICO UNIVERSO? Es algo que molestó a nuestros científicos durante décadas. Cuando la inflación tuvo lugar después de 10 ^ (- 36) segundos después del big bang (refiérase a la inflación cosmológica O el artículo de Alan H. guth) que duró hasta 10 ^ (- 34) segundos, el universo debería haber producido homogéneos (cada galaxia se separó por igual). sin variaciones de densidad). Pero esto no sucedió. A los científicos se les ocurrió una teoría de las FLUCTUTACIONES QUÁNTICAS (que de alguna manera involucran la idea del efecto mariposa). que la fluctuación térmica y cuántica en el universo temprano es la razón detrás de la falta de homogeneidad del universo.
3. Cuanto más cavamos en el pasado del universo (refiriéndonos a los primeros 3 segundos del universo), más nos estamos moviendo hacia la era en que las 4 fuerzas (y quizás hubo más) controlaban la situación. esto significa que necesitamos emplear la física de fuerzas nucleares débil y fuerte, para tener la idea de CÓMO REALMENTE FUE EL UNIVERSO MUY TEMPRANO. esto significa que tienes que usar las reglas de la mecánica cuántica.

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Answer 4

Siempre está el momento de la creación, El Big Bang, por así decirlo. No puedes ignorar la física cuántica en ese momento porque el espacio-tiempo hubiera sido infinitamente curvado.

Además, incluso algo tan grande como el universo está gobernado por las interacciones fundamentales que tienen lugar en el nivel cuántico.