lunes, 23 de septiembre del 2019 Fecha
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El Universo y los pensamientos

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo y los pensamientos    ~    Comentarios Comments (0)

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 ¿Cuándo lo conoceremos? Sí,  me refiero al Universo. Su compleja y peculiar naturaleza hizo posible que surgieran las estrellas y las galaxias a partir de la sustancia cósmica que, durante diez mil millones de años ha estado evolucionando en los hornos nucleares de las estrellas para que, finalmente, esa evolución de la materia, se pudiera convertir en pensamientos.

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Que poco a poco, el intelecto humano va desvelando secretos del universo, tiene hoy día poca discusión.  Claro que, no siempre fue así. En 1900 fue Kelvin el que señaló que “dos nubes” se cernían sobre el horizonte: una tenía que ver con las propiedades del movimiento de la luz y la otra con aspectos de la radiación que emiten los objetos cuando se calientan.

Y, aunque los dos problemas fueron rápidamente abordados, no eran en absoluto menores. Cada uno de ellos inició una auténtica revolución, y cada uno de ellos nos llevó a un nuevo entendimiento de la Naturaleza. Al entender aquellos dos conceptos (de luz y radiación), el espacio, el tiempo y la realidad –que durante muchos años habían regido nuestros pensamientos, tuvieron que ser apartados para adoptar otras maneras de entenderlos y otras formas de pensamientos-.

La relatividad de Einstein (que abordó una de aquellas nubes) en dos etapas,  1905 y 1915, cuando quedó completa la teoría en su primera parte especial y en la segunda general. Mientras luchaba con enigmas que implicaban a la electricidad, el magnetismo y el movimiento de la luz, Einstein se dio cuenta de que la idea de Newton de espacio y tiempo, la piedra angular de la física clásica, era errónea y él, con su nueva manera de ver el universo, postuló que el espacio y el tiempo no eran independiente en absoluto, como Newton había pensado, sino que está mezclado de una manera que contradice nuestra experiencia común y, cuando pudo finalizar la segunda parte de la relatividad, Einstein terminó de desterrar a Newton al exponer sus ecuaciones de campo de la relatividad general que describe, de manera magistral, lo que es la fuerza de Gravedad y las leyes que rigen la física gravitatoria. Así quedó demostrado que espacio y tiempo son parte de un todo unificado y, también demostró que deformándose y curvándose participan en la evolución cósmica  y escriben la geometría del universo. Así que, desde entonces, sabemos que, aquellas estructuras rígidas e inmutables de Newton, a partir de Einstein, serían flexibles y dinámicas.

La distancia a una galaxia lejana se determina estudiando la luz proveniente de estrellas de tipo Cefeidas Variables. El expectro de la luz estelar revela la velocidad a la que se mueve la galaxia (Efecto Doppler) y la cantidad de expansión que ha sufrido el universo desde que la luz salió de su fuente.

¿Qué dudas podemos tener sobre el hecho cierto de que, las dos teorías de la relatividad se encuentran entre los mayores logros del intelecto humano? Las ideas que contienen, cambiaron la manera de mirar el universo y dio lugar al nacimiento de la cosmología como ciencia.

La otra “nube negra” a la que se refería Kelvin, relacionada con la radiación que emitían los cuerpos calientes, nos llevó a la segunda revolución: La Mecánica Cuántica, con ello llegaron nuevos conceptos a los que fue sometido el intelecto humano y que revolucionó la física de la época para transmutarnos hacia un mundo moderno lleno de conceptos nuevos que chamuscaban los brillantes barnices de la física clásica al quedar literalmente achicharrados por la potente luz que desprendía la realidad cuántica.

El catorce de diciembre de 1900 en los albores del siglo XX, el físico alemán Max Planck (1858-1947) presentó un trabajo acerca de la ley de radiación del cuerpo negro en una reunión de la Sociedad alemana de Física de Berlín y esta fecha puede ser considera, sin ninguna duda, como el nacimiento de la Mecánica cuántica. En su deducción. Planck introdujo en Física el concepto nuevo de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de en una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada fue, posteriormente la base, para la teoría cuántica.

En su deducción de la expresión teórica de la intensidad de radiación en función de la longitud de onda y de la temperatura. Planck abandonó la física clásica al introducir un concepto radical ad hoc cuya esencia puede formularse como sigue: Un oscilador de frecuencia natural v puede tomar o ceder energía únicamente en proporciones de magnitud E = hv, donde h es una constante de la naturaleza, llamada constante de Planck, h, el cuanto de acción, pues tiene dimensiones de acción (energía por tiempo) Js: Julios (J), unidad de energía por segundo (s)unidad de tiempo) y solo puede tener, y por lo tanto emitir energía dadas por E = nhv, donde n es un entero positivo, v la frecuencia de radiación y h la constante de Planck. Así, Planck fue capaz con esta hipótesis de encontrar una expresión teórica para la función de distribución espectral de densidad de energía en función de la longitud de onda   o de la frecuencia de la cavidad de radiación de cuerpo negro  de la cavidad de radiación de cuerpo negro (aquí obvio las ecuaciones).

Toda esta función llamada ley de Planck se ajusta muy bien a los datos obtenidos experimentalmente. El valor de la constante de Planck, h, puede ser determinado encajando la función de la ecuación a los datos experimentales. La importancia fundamental, la explicación física de la cuantificación o cuantización (discretización) introducida por la ecuación, no fue completamente entendida ni por el mismo por Planck que la consideraba simplemente un truco matemático para ajustar una función matemática a los datos físicos. Planck era un físico formado en la tradición clásica, y que solo abandonó los supuestos clásicos “en un acto de desesperación” como él dijo alguna vez.

El significado físico de la entrada del cuento de acción en la escena física, no fue generalmente apreciada por los físicos hasta 1905, cuando el genial físico (de nuevo) Einstein, aplicó las ideas cuánticas de Planck a su inconmensurable trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le ganaría el Nobel de Física) al sugerir que la misma no era una misteriosa propiedad de los osciladores en las paredes de la cavidad y la radiación de cuerpo negro, la cuantificación es una característica fundamental de la propia energía lumínica.

Claro que, una característica central de la Física Clásica es que si conocemos las posiciones y velocidades de todos los objetos en un instante particular, podemos decir cuáles serán sus posiciones y velocidades en cualquier otro instante, ya sea pasado o futuro. Sin equivocación, la física clásica declara que el pasado y el futuro están gravados en el presente. Esta característica es también compartida por la Relatividad Especial y General. Aunque los conceptos relativistas de pasado y futuro son más sutiles que sus que sus familiares contrapartidas clásicas, las ecuaciones de la relatividad, junto con una evaluación completa del presente, los determinan por completo.

                                   Siempre nos preguntaremos por el número que saldrá o dónde estará la partícula que buscamos

De forma completamente inesperada, encontraron que sólo las leyes cuánticas eran capaces de resolver la barahúnda de rompecabezas y explicar una gran variedad de datos recién adquiridos procedentes de los átomos y del reino subatómico. Sin embargo, si hacemos la medida más perfecta técnicamente posible para comprobar cómo son las cosas en este preciso momento, lo más que podemos esperar es predecir la probabilidad de que las cosas sean de una manera o de otra en un instante escogido en el futuro, o de que las cosas fueron de una determinada manera o de otra en algún instante escogido en el pasado. El Universo, según la mecánica cuántica, no está grabado en el presente; el universo, según la mecánica cuántica, participa (por decirlo de alguna manera) en un juego de Azar.

Mientras que la Intuición humana, y su encarnación de la Física Clásica, imagina una realidad en la que las cosas a veces se mantienen en un estado confuso entre ser parcialmente de una manera y parcialmente de otra. Las cosas sólo se hacen definidas cuando una observación apropiada las obliga a abandonar las posibilidades cuánticas y asentarse en un resultado específico. Sin embargo, el resultado que se hace real no puede predecirse: solo podemos predecir las probabilidades de que las cosas resulten de una manera o de otra.

Esto, para nuestro común raciocinio, no resulta nada familiar y sí resulta muy extraño. No estamos acostumbrados a una realidad que permanece ambigua hasta que es percibida. Pero la singularidad de la mecánica cuántica no se detiene aquí. Tan sorprendente al menos como esta es una característica que se representa en un artículo por Einstein en 1935 con dos colegas más jóvenes, Nathan Rosen y Boris Podolsky, que pretendía ser un ataque a la teoría cuántica. Con giros posteriores del progreso científico, el artículo de Einstein puede considerarse ahora como uno de los primeros en señalar que la mecánica cuántica –si se toma al pie de la letra- implica que algo que uno observa aquí puede estar instantáneamente ligado a algo que está sucediendo allí, independientemente de la distancia.

Claro que Einstein considera absurda tales conexiones instantáneas y postulaba que la teoría necesitaba mucho desarrollo para llegarla a conocer por completo. Sin embargo, cuando la teoría y la tecnología permitió comprobar todos aquellos supuestos absurdos cuánticos, los investigadores pudieron comprobar que podía haber  un vínculo instantáneo entre lo que sucede en lugares ampliamente separados. Dos objetos pueden estar muy distantes en el espacio, pero por lo que concierne a la mecánica cuántica es como si fueran una única entidad. Además, debido al rígido vínculo entre espacio y tiempo encontrado por Einstein, las conexiones cuánticas también tienen tentáculos temporales.

  Muchas son las cosas que aún no hemos llegado a comprender

Tenemos que comprender que abrir nuestras mentes a la verdadera naturaleza del Universo ha sido, desde siempre, uno de los objetivos más importantes de la Física. Al menos para mí, es difícil imaginar, una experiencia más cautivadora y reveladora que la de aprender, conocer y saber cómo hemos podido llegar hasta ésta segunda década del siglo XXI en la que, sentimos y somos conscientes de que la realidad que en este “universo” del saber del mundo sentimos, es, un pálido reflejo, de la realidad que nos acecha en el futuro.

Mientras tanto, algunos no dejan el empeño de unificar en una sóla esas dos grandes teorías cuántica-relativista. Algunos, sin el equipamiento necesario, se metieron osados en las rápidas aguas que los arrastró en la corriente, y, sin embargo, tuvieron el tiempo necesario para dejar, a los que venían detrás, sus ideas de que, una teoría cuántica-relativista era posible. Así, llegó, con Kaluza-Klein aquel primer impulsoque se intentó en la quinta dimensión para unificar la Relatividad General de Einstein con el Electromagnetismo de Maxwell.

Pasó el tiempo y surgieron aquellas teorías de gran unificación que se llamaron de supergravedad, supersimetría, la cuerda heterótica, supercuerda y, la última y unificadora de todas las demás, la Teoría M. Y, la persistencia de todo este elenco de esforzados físicos, no cayó en saco roto. El sueño se mantiene muy vivo y no pierden la esperanza de alcanzar la recompensa a tanto trabajo y sacrificio. Los científicos recorren ahora caminos desbrozados por exploradores del pasado y ellos los siguen abriendo nuevos surcos, como si de exploradores se tratara, buscan y se acercan a una fusión armoniosa de las Leyes de lo muy Grande y de lo Muy Pequeño. Estamos seguros de que más tarde o más temprano, las supercuerdas nos darán una gran alegría que, cuando surja, será como la de Einstein y Planck, otra gran revolución.

   Todo unido en una misma teoría en la que subyace la Gravedad-Cuántica, de eso nos habla la teoría de cuerdas que va mucho más allá de los Quarks

El sencillo repaso que llevamos dado a algunos acontecimientos de la física, son, por sí mismos, suficiente para comprender que nuestra comprensión de la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo sería un testimonio de la capacidad del intelecto humano. Finalmente ¿llegaremos a conocer la realidad que subyace dentro de los conceptos del espacio-tiempo? Aquí, antes de dar una respuesta categórica, tendríamos que pasar un largo tiempo en silencio y pensando muy profundamente en la clase de respuesta que podríamos dar, toda vez que, tenemos delante de nosotros el horizonte de marcadores que delimitan las más remotas fronteras que, en nuestras mentes, quedan fuera de toda la experiencia humana, y, en ese sentido, sólo podemos intuir, para poder dar (con la experiencia hasta el momento adquirida), una respuesta que, de ninguna manera, puede ser categórica en ningún sentido que nos lleve a una realidad, ya que, en Ciencia, todo tiene que estar constatado y, el futuro, nos queda lejos, muy pero que muy lejos aún.

Si nos paramos a pensar por un momento, lo que hemos podido llegar a conseguir en las distintas ramas de la Ciencia, no tendríamos lugares suficientes para alojar la cantidad de asombro que nos abrumaría. Muchos han sido los logros que el ser humano ha podido conquistar con tan sólo su cerebro como herramienta principal. Y, al verdadero físico, por ejemplo, siempre se le aceleró el corazón cuando estaba a la vista del descubrimiento soñado. ¿Podéis imaginar lo que sentiría Einstein cuando al fin, después de largos años de búsqueda, pudo formular su teoría de la relatividad general?

¿Qué sensación puede existir para un científico que esa de descubrir los secretos de la Naturaleza?

Hay cuestiones importantes que nunca debemos olvidar y, desde luego, hombres de grandes pensamientos posibilitaron que nosotros estemos ahora en el nivel en el que nos encontramos en muchas ramas del saber humano que, sin auqellas ideas… Por ejemplo:

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El gran filósofo alemán Gottfried Wilehlm Leibniz (que era contemporáneo de Newton con el que tuvo algunas refriegas), creía firmemente que el espacio no existe en ningún sentido convencional. Hablar de espacio, afirmaba, no es nada más que una forma fácil y conveniente de codificar dónde unas cosas se relacionan con otras. Sin objetos en el espacio, decía Leibniz, el propio espacio no tiene significado o existencia independiente, es decir, él nos decía que el espacio sin materia, el espacio vacío, no tenía ningún sentido. Un espacio vacío vendría a ser como un alfabeto sin letras.

Otro personaje que no es fácil de olvidar (Einstein lo tenía siempre en sus pensamientos en la relatividad general), es Mach que, entre otras muchas cuestiones se planteó que, en un universo vacío no hay distinción entre girar y no girar –no hay concepto de movimiento o aceleración si no hay puntos de referencia para comparar- y por lo tanto, girar o no girar sería lo mismo. Si las dos piedras de Newton unidas por una cuerda se pusieran a girar en un universo por lo demás vacío, Mach decía que la cuerda permanecería flácida. Si nosotros girásemos en un universo por lo demás vacío, nuestros brazos y piernas no se despegarían del cuerpo, y el fluido de nuestros oídos no se vería afectado, nosotros no sentiríamos nada. Esta es una sugerencia profunda y sutil. Para asimilarla realmente nosotros necesitaríamos meternos seriamente el el ejemplo e imaginar la quietud uniforme y negra del espacio totalmente vacío.

    Ernst Mach en 1900.

 

El de Mach fue el primer desafío importante a la obra de Newton en más de dos siglos, y durante años envió ondas de choque a través de la comunidad de la Física. Claro que, todas estas ideas han ido evolucionando y nos han llevado a conceptos de campos de diversas procedencias, tales como: el campo de Faraday, los campos gravitatorios, campos nucleares, campos de Higgs, y otros. Cada vez se hizo más claro que el concepto de campo para una formulación moderna de la física era importante.

Claro que, pasado el tiempo, en todo aquello intervino alguien que, sencillo él, como si de un niño se tratara, se hacía preguntas “tontas” de una profundidad inalcanzable. Así, las ecuaciones de Maxwell no permitían que la luz parezca estacionaria, es decir, verla como si estuviera en reposo. Y ciertamente, no hay ningún informe fiable de nadie que realmente haya considerado un trozo estacionario de luz. Entonces se preguntaba el adolescente Einstein, ¿qué vamos a hacer con esta aparente paradoja?

Y volvemos al principo: Diez años más tarde, Einstein dio al mundo su respuesta con su teoría de la relatividad especial. Ha habido muchos debates sobre las raíces intelectuales del descubrimiento de Einstein, pero no hay duda de que su inquebrantable creencia en la simplicidad jugó un papel crítico. Einstein postulaba que la luz era un viajero solitario, la luz puede viajar a través del espacio vacío. Einstein nos vino a decir, con su sencilla manera de exponer las cosas que, si la teoría de Maxwell no apela a ningún patrón de reposo particular, la interpretación más directa es que no necesitamos uno. La velocidad de la luz, declaró Einstein, es de 1.080 millones de kilómetros por hora con respecto a nada y a todo.

“Hacer las cosas tan simples como sea posible, pero no más” En física hay un principio que se debe seguir:  En realidad es… “un principio” metodológico y filosófico atribuido a Guillermo Ockham (1280-1349),  según el cual, «en igualdad de condiciones, la explicación más sencilla suele ser la correcta». Esto implica que, cuando dos teorías en igualdad de condiciones tienen las mismas consecuencias, la teoría más simple tiene más probabilidades de ser correcta que la compleja.

Durante toda su vida, Einstein desafío el sentido común y, con la paradoja de las ecuaciones de Maxwell, él supo ver que la luz tenía su medida invariante en la marcha que le había asignado el universo, sin tener en cuenta la fuente de procedencia, siempre, y en todas las circunstancias, la luz, correría a 1.080 millones de kilómetros en el vacío espacial.

  En realidad, la velocidad de la luz en el vacío determina nuestro conocimiento del Universo

Así que, desde entonces, la velocidad de la luz es constante y, podemos deducir que, el espacio y el tiempo están en el ojo del que contempla. Cada uno de nosotros lleva consigo su propio reloj, su propio monitor del paso del tiempo que, como sabemos, no es igual para todo, ya que, es relativo en función de las circunstancias que en cada caso se puedan dar. El día que lleguemos a comprender la verdadera naturaleza de la luz, ese día, podremos decir ¡que sabemos!

emilio silvera

El fascinante “universo” cuántico

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (2)

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Las leyes que gobiernan el mundo físico tienen dos características importantes: muchas leyes de la naturaleza permanecen inalterables, no se alteran cuando cambia la escala, pero hay otros fenómenos, tales como una vela encendida o las gotas de agua, que no cambian del mismo modo. La implicación final es que el mundo de los objetos muy pequeños será completamente diferente del mundo ordinario.

Ahora tendríamos que hablar algo de la mecánica cuántica y, en ese ámbito, las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que resultaría realmente difícil refutarlas. Acordaos de los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Hesinberg, Paul Dirac, o, Schrödinger que vinieron a mejorar y completar  las reglas generales. Sin embargo, algunos de aquellos pioneros (Einstein y el mismo Schrödinger), sin embargo, presentaron serias objeciones a dicha interpretación de la naturaleza de lo muy pequeño.

Esta cosita tan pequeñita, el electrón,  es inversamente proporcional en importancia para que el mundo, la Naturaleza, y,  nuestro Universo sea como es. Se ha conseguido fotografíar a un electrón. Poder filmar y fotografiar un electrón no es fácil por dos razones: primero, gira alrededor del núcleo atómico cada 0,000000000000000140 segundos , y, porque para fotografiar un electrón es necesario bombardearlo con partículas de luz (y cualquier que haya intentado sacarle una foto a un electrón sabe que hay que hacerlo sin flash). La imagen de la izquierda es el resultado.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 1940). El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto. Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorentz–Dirac.

Muchas veces hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; tiene una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero, el del hidrógeno que está formado por un solo protón. La importancia del electrón es vital en el universo.

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas  diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, pero esto lo veremos más adelante.

                                                          Onda y partícula

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Pero para los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

 

siliconLa notable capacidad de un electrón de existir en dos lugares al mismo tiempo ha sido controlada en el material electrónico más comun el – silicio – por primera vez, siendo este un gran avance para la electrónica moderna y tiene un potencial enorme para el futuro y para la creación de la computadora cuantica.

Imagen: El movimiento de los electrones en el silicio. El electrón gira alrededor de una átomo de fósforo embebido en la estructura cristalina del silicio, que se muestra en plata. La distribución de densidad electrónica no perturbado, a partir de la ecuaciones de la mecánica cuántica del movimiento se muestra en amarillo. Un pulso de láser de electrones puede modificar el estado de manera que tiene la distribución de la densidad se muestra en verde. Nuestro pulso láser en primer lugar, que llegan desde la izquierda, pone el electrón en una superposición de ambos estados, que podemos controlar con un segundo impulso, también desde la izquierda, para dar un pulso que se detecte que, saliendo a la derecha. Las características de este “eco” del pulso nos hablan de la superposición que hemos hecho.

Cuando podamos dominar el “universo” de lo muy pequeño… ¡Nuestro Universo será otro para nosotros!

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento musical se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

              Sí, la música influye en el cerebro

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a esta exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran número de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo,  la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

Aunque la semilla la puso Planck en 1900, fue a partir de 1930 cuando la mecánica cuántica se aplicó con mucho éxito a problemas relacionados con núcleos atómicos, moléculas y materia en estado sólido. La mecánica cuántica hizo posible comprender un extenso conjunto de datos, de otra manera enigmáticos. Sus predicciones han sido de una exactitud notable. Ejemplo de ésto último es la increíble precisión de diesciciete cifras significativas del momento magnético del electrón calculadas por la EDC (Electrodinámica Cuántica) comparadas con el experimento.

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones,  que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón  (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrón recuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 106 electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 106 (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementales.

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                                            Sí, las reglas de la mecánica cuántica son extrañas y misteriosas, pero…

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a esta interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, y ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos ahora se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de forma estricta. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un momento dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.

Albert Einstein, Nathan Rosen y Boris Podolski idearon un “Gedankenexperiment”, un experimento hipotético, realizado sobre el papel, para el cual la mecánica cuántica predecía como resultado algo que es imposible de reproducir en ninguna teoría razonable de variables ocultas. Más tarde, el físico irlandés John Stewar Bell consiguió convertir este resultado en un teorema matemático; el teorema de imposibilidad.

emilio silvera

Fuente: En su mayor parte, Gerard ´t Hofft

Las fuerzas fundamentales

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (3)

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No es el poder de recordar, sino todo lo contrario,

el poder de olvidar, la condición necesaria para nuestra existencia.

SHOLEM ASH

En realidad debe ser así, ya que, en caso contrario…¿Quién podría soportar el dolor de los recuerdos?.

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas. Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

La palabra quark se supone que debe pronunciarse como quart (“cuarto”), pero con una k al final en vez de una t, pero normalmente se pronuncia de manera que rima con lark (“juerga”).

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