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¡Qué extraña es, la mecánica cuántica!

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

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Por ejemplo:

La quiralidad está a menudo asociada a la presencia de carbonos asimétricos. Un carbono asimétrico es aquel que se une a cuatro sustituyentes diferentes. Un ejemplo de carbono asimétrico lo tenemos en la molécula de Bromocloroyodometano. El carbono está unido a bromo, cloro, yodo e hidrógeno, cuatro sustituyentes diferentes que lo convierten en quiral o asimétrico. La molécula y su imagen en un espejo son diferentes, ningún giro permite superponerlas. La relación entre una molécula y su imagen especular no superponible es de enantiómeros.

En estos dibujos podemos ver la molécula de Bromocloroyodometano y su enantiómero reflejado en el espejo. No siempre la imagen del espejo refleja lo mismo que se ha puesto delante de él tratándo de reproducir lo mismo que el original muestra.

Si nos ponemos delante del espejo y hacemos como que apuntamos con una pistola que sostenemos con la mano derecha, a “nuestro yo” reflejado, veremos que, la imagen especular, como riéndose de nosotros, nos apunta con la izquierda. ¿Cómo ha podido suceder tal cosa? Resulta que la simetría especular se rompe en ciertos casos.

Nunca dejaremos de sorprendernos. Todo aquello que nos es desconocido causa en nosotros sos sentimientos: temor y asombro. El mundo cotidiano, el planeta en el que vivímos, nos muestra la Naturaleza tal como nosotros creemos que es y, a veces, nos hace exclamar:

 ¡Que mundo más hermoso, parece de verdad!

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No todo lo que vemos es, necesariamente, un reflejo de la realidad de la Naturaleza que, puede tener escondidos más allá de nuestras percepciones, otros escenarios y otros objetos, a los que, por ahora, no hemos podido acceder, toda vez que, físicamente tenemos carencias, intelectualmente también, y, nuestros conocimientos avanzar despacio para conseguir nuevas máquinas y tecnologías más avanzadas que nos posibiliten “ver” lo que ahora nos está “prohibido” y, para ello, como nos dice la historia de la Humanidad, necesitamos energías de las que no disponemos.

Lo cierto es que todo está hecho de esas pequeñas partículas… Quarks y Leptones. Las estudiamos y observamos los comportamientos que en situaciones distintas puedan tener y, una de las cuestiones que resultó curioso constatar es que,   existen partículas subatómicas que podríamos llamar pares y otras que podríamos llamar impares, porque sus combinaciones y desintegraciones cumplen las mismas propiedades que la suma de enteros pares e impares. Una partícula de paridad par puede partirse en dos de paridad par, o en dos de paridad impar, pero nunca en una de paridad par y otra de paridad impar (esto implica la conservación de la paridad).

En 1927 el físico y matemático húngaro Eugene Wigner demostró que las partículas con paridad par poseían, en cierta forma, una simetría especular (izquierda derecha, como la letra M o el número 8). Una simetría que conserva ciertas propiedades mecanocuánticas de la partícula por cambio de signo de sus coordenadas espaciales. En 1963 le fue concedido el Premio Nobel “ por el descubrimiento y aplicación de los principios fundamentales de la simetría”. Mucho es lo que hemos hablado aquí de la simetría y lo importante que es en física.

La ley conocida como Interacción débil, no cumple con ciertas “leyes de la Física” tales como la conservación de la extrañeza y del isospín, aunque hay otras muchas leyes de conservación que sí respeta. Los físicos hablan muy a menudo de la conservación de la simetría. Una simetría muy importante, aunque simple, es la “simetría especular” oficialmente llamada “paridad”.

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No, esta no es, la imagen especular de un neutrino, de hecho, ellos no tienen imagen especular.

La simetría especular se ha comprobado una y mil veces en el laboratorio. El nombre científico de la simetría especular es “Conservación de la Paridad”. Así las cosas, la historia que sigue nos habla de un descubrimiento importante, y también de cómo, el progreso a veces, trae consigo la muerte de una bella y exquisita teoría que ha sido destruída por la realidad, no siempre tan bonita.

Lo cierto es que, los profundos y fatigosos estudios que llevaron a cabo los físicos, dieron como resultado que una concepción muy profunda de la manera en que se comporta la Naturaleza está (débilmente) equivocada y, se pudo “ver” que, nuestro conocimiento de cómo está construído el Universo tenía que cambiar para siempre. Es cierto que, rfutar una teoría elegante nos puede llevar al desánimo y, nos puede llevar a pensar que la Naturaleza es más torpe de lo que habíamos imaginado. Pero lo cierto es que, en unos pocos días de trabajo en el mes de enero de 1957, en Irvingtong-on-Hudson, 33 kilómetros al norte de Nueva York, pa paridad cayó.

Antes de 1956, siempre se había supuesto que cualquier fenómeno  respetaba las mismas leyes físicas que su imagen especular. En consecuencia uno podría esperar que las partículas o haces de partículas chocan entre ellas de una forma que sea especularmente simétrica, la simetría especular se preservaría.

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Los físicos aman la simetría por su belleza matemática e intuitiva. Tenemos múltiples ejemplos de simetría en el arte, tales como el Taj Majal o un templo griego: en la Naturaleza exhiben patrones  simétricos de gran belleza las conchas, los animales simples y los cristales de distintos tipos, y también la simetría bilateral casi perfecta del cuerpo humano. Las leyes de la Naturaleza contienen un rico conjunto de simetrías de las que, durante muchos años, al menos hasta enero de 1957, se pensço que eran absolutas y perfectas. Han sido inmensamente útiles para nuestros conocimientos de los cristales, las moléculas grandes, los átomos y las partículas.

A una de esas simetrías se le lamaba simetría especular, o conservación de la paridad, y afirmaba que la Naturaleza -las leyes de la física- no puede distinguir los suecesos del mundo real de los que se ven en el espejo. Durante mucho tiempo, los físicos han sabido que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la partícula hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reserva del Tiempo (pasar la partícula al revés).

Un alto en el camino para una explicación: Dado que la antimateria tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la antimateria no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de antipartícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene (precisamente) de la simetría CPT, y nos dice que la equivalencia entre las partículas y antipartículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al reves) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad. Pero, a la larga, la geometría vendrá dada por la cantidad de materia que el universo pueda contener.

Se pensaba que el mundo era simétrico respecto a CPT porque, al menos al nivel de las partículas elementales, era simétrico respecto a C, P y T independientemente. Ha resultado que no es este el caso. El mundo visto en un espejo se desvía un tanto del mundo visto directamente, y lo mismo sucede con el mundo visto cuando la partícula pasa al revés. Lo que sucede es que las desviaciones entre el mundo real y el universo en cada uno de esos casos se cancelan una a la otra cuando miramos las tres inversiones combinadas.

   También hay simetría en las ondas gravitatorias

Siguiendo con el tema que nos ocupa, lo cierto es que, es verdad que el mundo es casi simétrico respecto a CP actuando solos y a T actuando solo; es decir, que el mundo es casi el mismo si lo miran en un espejo y sustituyen las partículas por antipartículas que si lo miran directamente. Este “casi” es lo que preocupa a los físicos. ¿Por qué son las cosas casi perfectas, pero les falta algo?

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Los neutrinos siempre nos han dado dolor de cabeza. Su ponemos nuestras manos delante un espejo, ahí las veremos reflejadas. Si de la misma manera, pudiéramos poner dos neutrinos delante del espejo de al lado, eso veríamos: NADA. El descubrimiento de que muchas partículas no se parecían en nada a sus respectivas imágenes especulares fue realizado por dos físicos chinos, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang, algún tiempo después de haber emigrado a los EE UU. Resultó que la Interacción débil distinguía entre derecha e izquierda. Esto es más claro en el caso del neutrino.

Los neutrinos ve y vµ como el fotón, no tienen masa en reposo y, por lo tanto, se mueven siempre a la velocidad de la luz. Los neutrinos también rotan con un espín ½. Si definimos el “polo norte” y el “polo sur” igual que se definen en la Tierra. Los neutrinos son especiales porque siempre tienen el polo sur enfrente de ellos y el polo norte detrás. Nunca se han observados neutrinos para los cuales esto no sea así.

La física sueca Cecilia Jarlskog comparó a los neutrinos con los vampiros porque no tienen imagen especular. Su imagen especular es un imposible físico. Ciertamente, cuando nos adentramos en los secretos de la mecánica cuántica, podemos constatar que, nuestro mundo, no es tal como lo vemos y, la realidad de la Naturaleza a veces, difiere de la nuestra.

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Recordémos la dualidad onda-partícula, en el que se aprecia cómo un mismo fenómeno puede ser percibido de dos modos distintos, fue uno de los problemas filosóficos que planteó la mecánica cuántica. Tratándo sobre mecánica cuántica podríamos hablar de la filosofía de la física pero, nunca de la Física como filosofía.

A todo esto, tendremos que convenir en que, nosotros, no somos capaces de deducir las propiedades de un escarabajo utilizando el modelo estándar y esto nunca va a cambiar. Imaginemos un examen de la siguiente cuestión:

Calcula el número de segmentos del Aselluz aquaticus a partir del modelo estándar. Se puede utilizar la lista adjunta para la masa de Higgs y los parámetros que violan la CP…

Nunca se podrá resolver tal tipo de problemas, ni es la intención de los Físicos Teóricos sugerir que ellos pueden hacer la labor de los Biólogos o la de los miembros de cualquier otra disciplina que no sea la Física. Lo que afirman es que las fuerzas de la Naturaleza responsables del número de segmentos de esas criaturas son conocidas, pero que el efecto es incalculable. A duras penas somos capaces de calcular los efectos de las fuerzas fundamentales en un simple hadrón tal como el protón (¡los resultados están a menudo desviados más de un cincuenta por ciento!), así que imagínese cuan imposible se hace la complejidad de un sistema formado por los 1022 átomos con la forma de un escarabajo.

¡Qué extraño es todo esto!

¡Y pensar que todas las respuestas están en la verdadera naturaleza de la luz! Ese último estado de la materia que es pura energía. Y, ya puestos a imaginar,  también podríamos pendsar que las cuerdas, esas briznaz vibrantes de infinitesimal tamaño que se cree están más allá de los Quarks, también ellas, en esencia, son luz. Si una cuerda es billones de veces más pequeña que un átomo. Si agrandáramos un átomo al tamaño de nuestro sistema solar, una cuerda sería como un árbol. ¡Qué fantástica idea!

Imagen Imagen

Once dimensiones, universos paralelos, y un mundo hecho de cuerdas o filamentos vibrantes que vendrían a ser los objetos más pequeños del Universo. Claro que, no sabemos de qué estará formada la tan cacareada “materia oscura” ( si es que finalmente existe). Lo cierto es que, la Naturaleza, además de que es bella, es también !asombrosa! ¿Estábamos hablando de simetría?

La Simetría de la Naturaleza nos rodea por todas partes y, a nuestro alrededor, mirémos donde podamos mirar, allí está presente y, sin embargo, de ninguna manera son manifiestas todas las simitrías de la Naturaleza. Vivímos en un mundo imperfecto, en el que muchas de las simetrías que aparecen en las ecuciones de la física están rotas.

Como más arriba se dice, antes de enero de 1957 no se había visto niguna violación así en el mundo de la imagenen el espejo. El mundo y su imagen especular eran descripciones igualmente válidas de la naturaleza. Todo lo que pasase en el espacio especular podía, en principio y en la práctica, reproducirse en el laboratorio. La paridad era útil. Nos ayudaba a clasificar los estados moleculares, atómicos y nucleares. Además, ahorra trabajo. Por ejemplo, si un ser humano perfecto y desnudo está a medias oculto por una pantalla vertical, con estudiar la mitad que se ve se sabe en muy buena medida qué hay detrás de la pantalla. ¡Esas es la poesía de la paridad!

“El primer físico que recogió el guante fue la Dra. Chien-Shiug Wu, profesora de física de la Universidad de Columbia, amiga de Yang y Lee, famosa por sus trabajos sobre las interacciones débiles y por el cuidado y la elegancia con que realizaba sus experimentos. El experimento planeado por la Dra. Wu implicaba la desintegración beta del cobalto 60, un isótopo del cobalto muy radioactivo que emite electrones. Cuando se enfría el cobalto 60 cerca del cero absoluto y se aplica un campo magnético que alinee estos átomos se espera que se emitan tantos electrones en la dirección norte del campo magnético como en la dirección sur. Si se conserva la paridad.” Pero la paridad no se conserva y la Dra. Wu observó más electrones emitidos en la dirección sur que en la dirección norte. “El experimento se realizó a finales de 1956, pero no se anunció el resultado hasta el 15 de enero de 1957, de manos del físico Isador Rabi de la Universidad de Columbia, quien además incluyó resultados de otro experimento confirmatorio realizado con mesones mu por físicos de Columbia en los laboratorios del ciclotrón Nevis (Nueva York). Una tercera prueba fue realizada en la Universidad de Chicago usando mesones pi y mu. En todo el mundo los físicos empezaron a comprobar la paridad en otras interacciones débiles y en 1958 era evidente que la paridad era infringida en todas esas interacciones. El enigma “theta-tau” estaba resuelto. Solo hay un mesón K o kaón. La paridad no se conserva.”

De todos es bien conocido los trabajos de T.D. Yang que, en colobaración con Tsung Dao Lee, identificó una discreta simetría en la fuerza débil, llamada violación de la paridad. En 1956, ambos predijeron sobre bases teóricas, que el espín de las partículas provenientes de la desintegración Beta mostrarían una ligera preferencia por una dirección sobre la otra. Experimentos realizados, así lo confirmaron y les valió el Premio Nobel a Lee y Yang (aunque no a la doctara Wu por razones desconocidas). Aquello sirvió para atraer la atención sobre el hecho de que la Naturaleza, sea simétrica en algunos aspectos y asimétrica en otros.

 

    Interacción débil o fuerza nuclear débil

La interacción débil, también conocida como interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable que de quarks y leptones decaigan en partículas más livianas, además es la que produce desintegraciones beta. La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se llama Modelo electro débil.

Pero sigamos con la Doctara Wu. Cuando los fdísicos Lee y Yang pusieron entredicho la validez de la conservación de la paridad en ekl verano de 1956, Wu se puso manos a la obra de inmediato. Seleccionó como objeto de su estudio el núcleo radiactivo del inestable cobalto 60,que se convierte expontáneamente en un núcvleo de níquel, un neutrino y un electrón positivo (un positrón). Lo que uno “ve” es que el núcleo de Cobalto dispara súbitamente un electrón positivo. Esta forma de radiacitvidad recibe el nombre de desintegración beta, porque a los electrones, negativos o positivos, emitidos durante el proceso se los llama originalmente partículas beta. ¿Por qué pasa esto? Los físicos  lo llaman interacción débil y se refieren con ello a una fuerza que opera en la Naturaleza y genera esas reacciones.

Las fuerzas no solo empujan y tiran, atraen y repelen, sino que son también capaces de generar cambios de especie, como el proceso en el que el Cobalto se convierte en níquel y emite leptones. desde los años treinta se han atribuido un gran número de reacciones a la interacción débil. Fermi, aquel físico italiano fue el primero que dio forma matemática a la interacción débil, y gracias a ello predijo muchos detalles de reacciones del estilo de la que sufre el Cobalto 60.

       Tsung-Dao (T.D.) Lee                           Chen-Ning Franklin Yang

Así Lee y Yang, se remangaron y se pudieron al trabajo con esos tipos de reacciones como inspiración con las que podrían poner a prueba la simetría especular. De los resultados, escribieron un artículo meticulosamente detallado en relación a las reacciones probables, para que así, los estólidos experimentalistas pudieran poner a prueba la valides de la simetría especular. Wu ideó una versión de una de ellas, basada en la reacción del Cobalto. La clave de su plantamiento era que los núcleos de Cobalto -o por lo menos una fracción muy pequeña de ellos- girasen en el mismo sentido, lo cual, según ella, se garantizaba si se ponía la fuente de cobalto 60 a una temperatura muy baja.

Ambos comentaban más tarde: “Cuesta expresar hasta que punto conmocionaron los resultados obtenidos en estos experimentos a la comunidad científica. Habíamos puesto en entredicho una creencia muy querida -en realidad, la habíamos destruído-: que la Naturaleza exhibe una simetría especular.

A partir de aquello, en los años siguientes, se refutaron también otras simetrias. Aún así, el experimento alteró a muchos teóricos, entre ellos a Wolfgang Pauli, quien hizo famosa la afirmación; “No puedo creer que Dios sea un débil zurdo”. No quería decir que “Dios” tenía que ser diestro sino que, tenía que ser ambidiestro.

La reunión anual de la Sociedad Física Norteamericana atrajo a 2.000 físicos a la sala de baile del Hotel Paramount de Nueva York el 6 de febrero de 1957. Dicen que había gente colgadas hasta de las lámparas. El resultado de la ruptura de la simetria C.P., fue difundido por las partadas de los mejores periódicos de todo el mundo. El New York Times publicó el comunicado de prensa literalmente, con ilustraciones de partículas y espejos. Pero nada de todo eso podía compararse al sentimiento de euforiacuasi-mística que a las tres de la madrugada sintieron dos físicos en el momento en que descubrieron una nueva y profundad verdad.

Como decía Feynman: “El Placer de Descubrir”

emilio silvera

 

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 2 de julio del 2013 a las 9:58

    Es gracioso el hecho de que una de las imágenes especulares de arriba se apunta así mismo con una pistola que sostiene con la mano derecha y el reflejo, su otro yo, le apunta con la izquierda. En cambio, un poco más abajo, otra imagen ante un espejo lo toca con la mano derecha y así se ve reflejado ¿Qué pasa aquí? ¿Estamos locos? ¿Son esperjos diferentes? ¡Qué lío es ese!
    Una imagen especular debe tener siempre, las mismas propiedades.
    Ya veremos por qué, en algunos caso, no pasa de esa manera.
    Ciertamente, las cosas a veces, son tan extrañas que…

    Responder
  2. 1.1
    emilio silvera
    el 25 de julio del 2013 a las 4:48

    ¡Magnifico!
    Si te gustó el trabajo que aquí se expone y lo compartes con amigos… ¡mejor!
    Esperamos que sigas por aquí.

    Responder

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