¿Podría alguien explicarme sencillamente cómo el mundo subatómico o el mundo cuántico tiene interacción con el mundo material y cómo se manifiesta?

El mundo atómico también es el cuántico y tanto el atómico como el subatómico son también el material. Así que imagino que lo que buscas es saber qué fenómenos pueden ocurrir cuando determinada materia del mundo cuántico interactúa con otra determinada materia del mismo mundo y que sean perceptibles en el mundo macroscópico.

A continuación, se dan ejemplos de ello:

Fluorescencia

Mira la siguiente imagen:

A la izquierda tenemos un vaso de agua fría y a la derecha un vaso con una muestra de quinina. A ambos vasos se les está enviando una luz de longitud de onda λ=532nm,λ=532nm, la cual tiene asociada el color verde. No está pasando absolutamente nada.

Ahora fíjate en la siguiente imagen:

Son los mismos vasos de antes colocados en las mismas posiciones, pero ahora se les está enviando una luz de longitud de onda λ′=405nm,λ′=405nm, la cual tiene asociada el color azul-violeta. Al agua le sigue sin pasar nada, pero a la muestra de quinina sí le pasa algo. En dicha muestra, las moléculas están siendo excitadas por la luz incidente y, cuando se desexcitan, emiten luz de longitud de onda más larga cuyo color asociado es el azul-cian. La luz azul-cian desaparece cuando se le deja de incidir la luz azul-violeta.

Reflexión

Una lámpara LPS/SOX de 35W35W en funcionamiento. Se hace pasar corriente eléctrica a través de gas sodio, haciendo que este emita luz.

Cuando la corriente atraviesa el gas, su temperatura aumenta y se vaporiza. En un átomo de sodio hay 1111 electrones. Estos electrones están apilados de tal manera que un electrón está preparado para ganar y emitir energía. Se produce una descarga eléctrica cuando se hace pasar electricidad a través de vapores de sodio a baja o a alta presión. Como resultado, el electrón de valencia presente en los átomos de sodio se excita y emite luz. La longitud de onda de la luz emitida es de 590590 nanómetros, que corresponden a la luz amarilla.

La razón por la que puedes observar algo es porque le está llegando luz a ese algo, reflejándose y llegando hasta tus ojos, o simplemente porque ese algo está emitiendo luz que llega hasta tus ojos.

Si ahondamos un poco más en la primera causa, resulta que lo que está pasando es que la luz incidente está siendo absorbida por las moléculas del algo. Eso las excita y, como resultado, envían luz hacia atrás con la misma longitud de onda o con una longitud de onda muy parecida a la de la incidente. La diferencia con la fluorescencia es que en la fluorescencia, se emite luz de longitud de onda más larga o más corta.

Refracción

Si introduces una pajita en un vaso lleno de agua y observas a la pajita desde fuera y a través del vidrio del vaso, verás que aparenta cortarse, aunque no lo haga. Esto tiene que ver con la refracción, un fenómeno cuántico.

Cuando la luz entra en el agua, su dirección de propagación cambia, lo que significa que el ángulo que genera respecto a la normal entre el medio anterior y el agua varía. Este cambio también cambia las direcciones de oscilación de los campos eléctricos y magnéticos y la dirección de propagación es tal que es perpendicular a ambos campos. Pero para nuestros ojos, la luz no ha cambiado de dirección y por eso nos parece que la pajita se ha curvado.

Dispersión

Si la luz se encuentra con un obstáculo o atraviesa una rendija, es posible que se desvíe de su camino. Al hacerlo, parte de ella interferirá con otra parte también de ella de manera constructiva, dando lugar a una onda de mayor amplitud, mientras que otra parte de ella interferirá con otra parte también de ella de manera destructiva, dando lugar a una onda de menor amplitud o incluso nula. Es decir, que tras dispersarse, es posible que se formen dos tipos de interferencias, otros fenómenos cuánticos particulares, para dar un patrón como el de la imagen.

El color del oro

Curvas de reflectancia espectral de los espejos metálicos de aluminio (Al),(Al), de plata (Ag)(Ag) y de oro (Au).(Au).

Un lingote de oro.

¿Alguna vez te has preguntado por qué el oro es de color amarillo (dorado)? Si es así, permíteme responderte la razón de su color.

El oro tiene un número atómico Z=79Z=79 y el único isótopo natural y estable es el 19779Au.79197Au. Los demás isótopos son sintéticos y además radioisótopos y para nada estables. Su número atómico y másico son tan altos que no puede evitar sufrir efectos relativistas. Sus electrones viajan cerca de la velocidad de la luz alrededor de su núcleo atómico.

Estos efectos relativistas provocan que el oro absorba la luz azul más que otras longitudes de onda visibles de la luz; por lo tanto, la luz reflejada que llega al ojo carece de azul en comparación con la luz incidente. Como el amarillo (dorado) es complementario del azul, esto hace que un trozo de oro bajo luz blanca parezca amarillo (dorado) a los ojos humanos.

Más concretamente, es la transición electrónica del orbital 5d5d al orbital 6s6s la responsable de esta absorción. En la plata, se produce una transición análoga, pero los efectos relativistas son menores que en el oro. Aunque el orbital 4d4d de la plata experimenta cierta expansión relativista y el orbital 5s5s cierta contracción, la distancia 4d-5s4d-5s en la plata es mucho mayor que la distancia 5d-6s5d-6s en el oro. Los efectos relativistas aumentan la distancia del orbital 5d5d al núcleo del átomo y disminuyen la distancia al orbital 6s.6s.

Efecto Casimir

En todo el universo, existe algo llamado el vacío cuántico de donde emergen partículas y antipartículas virtuales. Se llaman virtuales porque literalmente no son reales, pero son bastante útiles. La diferencia que tienen con las reales es que, e.g., son capaces de provocar las interacciones fundamentales que conocemos, que son la nuclear débil, la electromagnética y la nuclear fuerte. Otra diferencia es que se comportan como modos de ondas estacionarias, mientras que las reales no se comportan así. Normalmente, son fotones esas partículas y antipartículas, siendo el fotón su propia antipartícula, y se aniquilan entre sí porque los modos hacia un lado y hacia el lado contrario son iguales, pero con el sentido opuesto. Pero se puede evitar que se aniquilen de diversas formas.

Partícula real. Está viajando hacia la derecha, o, en un modelo matemático no asociado a la realidad, hacia adelante en el tiempo.

Antipartícula real. Está viajando hacia la izquierda, o, en un modelo matemático no asociado a la realidad, hacia atrás en el tiempo.

Partículas (modos estacionarios azules) y antipartículas (modos estacionarios rojos) virtuales. Normalmente, se aniquilan, como en la imagen, dando lugar a la siguiente situación:

Pero se puede evitar que se aniquilen de diversas formas.

Por ejemplo, si colocamos dos placas conductoras o dieléctricas a una distancia lo suficientemente pequeña una respecto a la otra, del vacío cuántico entre ellas, se forman fotones con ciertos modos que evitan que se aniquilen. Es decir, se restringen ciertos tipos de modos y esa restricción evita que se aniquilen. Fuera de ellas, también hay vacío cuántico y, aunque allí no se dé esa misma restricción, es posible que los modos de aniquilación se ubiquen uno detrás de cada placa. En ambos casos, lo que está pasando es que los fotones están ejerciendo una presión sobre las placas llamada la presión de radiación, que entre las placas querrá separarlas y fuera de ellas querrá atraerlas. Como la presión de radiación entre las placas, por la reducción de volumen, va a ser menor que la de fuera, el resultado será que se atraerán. Esto es lo que se llama el efecto Casimir.

Visualización del párrafo anterior. La distancia entre las placas no está a escala real para que la visualización sea más fácil.

Hay más ejemplos de esa interacción que intuyo pedías, pero creo que con estos, es suficiente.

Bibliografía

• YouTube. MrYorkito. "Fluorescencia de Quinina con láser 405nm" (14 de septiembre del 2017).
• WikipediaEN. "Sodium-vapor lamp".
• Best Physics Tuition. "Sodium Vapour Lamp" (5 de julio del 2017).
• YouTube. CenciasCOLUNLA. "Experimentos sencillos sobre mecanica cuantica" (5 de marzo del 2017).
• WikipediaEN. "Relativistic quantum chemistry".
• YouTube. The Science Asylum. "How does Hawking Radiation REALLY work?" (26 de marzo del 2021) El vídeo es narrado por el físico Nick Lucid.
• DeGruyter. Tao Gong , Matthew R. Corrado, Ahmed R. Mahbub, Calum Shelden y Jeremy N. Munday. "Recent progress in engineering the Casimir effect – applications to nanophotonics, nanomechanics, and chemistry" (24 de septiembre del 2020).