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El Micro Mundo de los Átomos

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (4)

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Cuando por primera vez se puso este trabajo, dio lugar a comentarios que nos llevan hasta la realidad de hasta donde, resulta para nosotros incomprensible ese micro mundo de la cuántica, ese “universo” infinitesimal donde ocurren cosas que, no llegamos a comprender.

Sí, existe otro mundo que no vemos pero, ¡está en éste!

La mecánica cuántica domina en el micromundo de los átomos y de las partículas “elementales”. Nos enseña que en la naturaleza cualquier masa, por sólida o puntual que pueda parecer, tiene un aspecto ondulatorio. Esta onda no es como una onda de agua.  Es una onda de información. Nos indica la probabilidad de detectar una partícula. La longitud de onda de una partícula, la longitud cuántica, se hace menor cuanto mayor es la masa de esa partícula.

 

Por el contrario, la relatividad general era siempre necesaria cuando se trataba con situaciones donde algo viaja a la velocidad de la luz, o está muy cerca o donde la gravedad es muy intensa. Se utiliza para describir la expansión del universo o el comportamiento en situaciones extremas, como la formación de agujeros negros. Sin embargo, la gravedad es muy débil comparada con las fuerzas que unen átomos y moléculas y demasiado débil para tener cualquier efecto sobre la estructura del átomo o de partículas subatómicas, se trata con masas tan insignificantes que la incidencia gravitatoria es despreciable. Todo lo contrario que ocurre en presencia de masas considerables como planetas, estrellas y galaxias, donde la presencia de la gravitación curva el espacio y distorsiona el tiempo.

http://elojocondientes.files.wordpress.com/2011/03/la-tierra-no-es-redonda.png

La Gravedad hace que la Tierra se vea como un mapa. Es una vista altamente exagerada, pero ilustra a las claras cómo la atracción gravitatoria que se manifiesta desde la masa de roca bajo nuestros pies no es la misma en todo lugar. La gravedad es más fuerte en áreas amarillas y más débil en las azules. (Imagen tomada por el satélite Goce)

Como resultado de estas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el universo de lo muy pequeño o en el universo de lo muy grande. Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

File:Observable universe logarithmic illustration.png

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10-33  centímetros, más joven que el Tiempo de Planck, 10-43 segundos y supere la temperatura de Planck de 1032 grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.  La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes.

Los tiempos cambian y la manera de informar también, lejos nos queda ya aquellos toscos aparatos impresores del pasado, ahora, en espacios muy reducidos, tenemos guardada más información que antes había en una colección de libros.

Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1.975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

grid computing

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1.981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10-66 cm2.  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

 

La información llega a todos los rincones del Mundo

 

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.

Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y mprotón.

α = 2πe2 / hc ≈ 1/137

αG = (Gmp2)2 / hc ≈ 10-38

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y aG, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro.

Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

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Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137. Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender; me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías. Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”. El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza sólo por la observación y la experimentación. Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos. Con los adelantos actuales, estudiando la luz lejana de cuásares muy antiguos, se estudia si la constante de estructura fina (α) ha variado con el paso del tiempo.

El Universo es muy grande, inmensamente grande y, probablemente, todo lo que nuestras mentes puedan imaginar podrá exisitr en alguna parte de esas regiones perdidas en las profundidades cósmicas, en los confines del Espacio- Tiempo, en lugares ignotos de extraña belleza en los que otros mundos y otras criaturas tendrán, su propio habitat que, siendo diferente al nuestro, también, sus criaturas, estarán buscando el significado de las leyes del Universo.

emilio silvera

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 18 de febrero del 2016 a las 8:49

       Si hablamos de átomos lo estamos haciendo de la parte más pequeña de un elemento  que pueden existir. Y, desde luego, a psar de ese pequeñez, es un objeto infinitesimal y muy complejo a la vez, ya que, está conformado de un núcleo que que supone el 99,999 % de la materia que contiene y, el 1% restante, son espacios vacíos. Claro que, el núcleo es algo de increíble complejifdad por todo lo que contiene: Los nucleones (protones y neutrones, Partículas no elementales de la familia hadródica y perteneciente a la rama de los Bariones), están conformados, a su vez, por tripletes de Quarks, es decir, un protón está hecho de 2 quarks up y 1 quark down, mientras que un nutrón está hecho por 2 quarks down y 1 quark up. Pero no acaba aquí la complejidad de este pequeñísimo objeto que llamamos átomo.
    El átomo de Hidrógeno que es el má ligero, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa de alrededor de 1.7 x 10-27 kg (la fracción de un kg. representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal).

    En el átomo, el número de electrones es igual al de protones, toda vez que así se igualan las cargas eléctricas que lo mantiene estable, ya que, mientras el protón tiene carga positiva, el electrón, la tiene negativa y ambas son equivalentes.
    Dentro de los nucleones existe todo un “mundo de sucesos en relación a los Quarks que allí habitan y que, si están cerca (libertad asintótica) todo va bien pero, si tratan de separarse, actúa sobre ellos la fuerza nuclear fuerte que los mantiene allí confinados por medio de partículas (Bosones intermediarios de la fuerza) llamadas Glupones.
    Además, en este minúsculo objeto están presentes los números cuánticos, el principal n que da la energía prinmcipal de valores 1, 2, 3, etc., el número cuántico orbital. Un orbital atómico es la region del espacio definido por una determinada solución particular, espacial e independiente del tiempo, a la ecuación de Schrödinger para el caso de un electrón  sometido a un potencial coulombiano. La elección de tres números cuánticos en la solución general señalan unívocamente a un estado monoelectrónico posible.
    Estos tres números cuánticos hacen referencia a la energía total del electrón, el momento angular orbital y la proyección del mismo sobre el eje z del sistema del laboratorio y se denotan por

     
    El número cuántico magnético generalmente denotado como m es uno de los cuatro números cuánticos que caracterizan el estado cuántico de un electrón ligado de un átomo. Estos cuatro números cuánticos son:
     
    El número cuántico principal, designado como n.El número cuántico azimutal, designado como El número cuántico magnético, designado como mY el número cuántico de espín, designado como s
     
    que especifican el estado cuántico completo y único de un solo electrón en un átomo, denominado su función de onda u orbital atómico. Esta función de onda, es una solución de la ecuación de Schrödinger, que para el caso de un electrón dentro de un átomo puede reducirse a tres ecuaciones diferenciales ordinarias, cada una de ellas caracterizada por una constante o número cuántico. De estas ecuaciones para caracterizar la forma del órbital se sigue la existencia de los tres primeros números cuánticos (n, ℓ, m), el cuarto número cuántico no afecta en sí a la forma del orbital pero da cuenta de los posibles valores del espín de un electrón.
    Los números cuánticos son unos números asociados a magnitudes físicas conservadas en ciertos sistemas cuánticos. En muchos sistemas, el estado del sistema puede ser representado por un conjunto de números, los números cuánticos, que se corresponden con valores posibles de observables que conmutan con el Hamiltoniano del sistema. Los números cuánticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema.
    La cuestión de “¿cuántos números cuánticos se necesitan para describir cualquier sistema dado?” no tiene respuesta universal, aunque para cada sistema se debe encontrar la respuesta a un análisis completo del sistema. De hecho, en términos más actuales la pregunta se suele formular cómo “¿Cuántos observables conforman un conjunto completo de observables compatible?”. Ya que un número cuántico no es más que un autovalor de cada observable de ese conjunto.
    De acuerdo con el Principio de Exclusión de Pauli, dos electrones en un átomo no pueden tener el mismo conjunto de números cuánticos. Los números cuánticos definen el estado cuántico del electrón y explican como son las estructuras electrónicas de los átomos.
    Como veréis, el átomo para poder ser explicado exige mucho y en este somero boceto no podemos exponer lo que es la grandeza completa de un átomo, me limito a exponer de manera muy sencilla la grandeza que se encierra dentro de una “cosita” tan pequeña como lo un átomo, ese objeto del que están hechas todas las cosas que podemos ver desde galaxias a microbios.
    ¡Qué grande es el Universo! ¡Qué maravillosa es la Naturaleza!
     

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  2. 2
    emilio silvera
    el 18 de febrero del 2016 a las 9:37

    De todas las maneras, el “mundo” cuántico es asombroso. Sólo tenemos que ver que los átomos son objetos tan pequeños que se necesita una fila de, aproximadamente, diez millones de ellos para cubrir la distancia de un milómetro. Sin embargo, como explico más arriba, los átomos están construídos casi por entero de espacios vacíos. Si pudiéramos tener un átomo como una esfera de diez metros de diámetro, en su interior, en su centro tendría un diminuto objeto de apenas un milímetro, ¡el núcleo! que, como también queda explicado antes, es tan complejo y encierra tántas maravillas que, antes de conocer esa “magia”, nos parecería mentira que algo tan pequeño sea al mismo tiempo tan “grande”.
    No podemos olvidar que todo lo grande está hecho de estas “cositas tan pequeñitas”, nosotros también.

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  3. 3
    Fandila
    el 22 de febrero del 2016 a las 20:13

     
    “Si hablamos de átomos lo estamos haciendo de la parte más pequeña de un elemento  que pueden existir. Y, desde luego, a psar de ese pequeñez, es un objeto infinitesimal y muy complejo a la vez, ya que, está conformado de un núcleo que que supone el 99,999 % de la materia que contiene y, el 1% restante, son espacios vacíos. Claro que, el núcleo es algo de increíble complejifdad por todo lo que contiene: Los nucleones (protones y neutrones, Partículas no elementales de la familia hadródica y perteneciente a la rama de los Bariones), están conformados, a su vez, por tripletes de Quarks, es decir, un protón está hecho de 2 quarks up y 1 quark down, mientras que un nutrón está hecho por 2 quarks down y 1 quark up. Pero no acaba aquí la complejidad de este pequeñísimo objeto que llamamos átomo. El átomo de Hidrógeno que es el má ligero, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa de alrededor de 1.7 x 10-27 kg (la fracción de un kg. representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal)”.
    Un comentario:
    La densidad de la materia o de un elemento determinado o núcleo, tanto como pueda serlo un punto singular del agujero negro, como todo, es relativo.
    ¿De dónde si no, la relatividad del espacio tiempo?
    La densidad es relativa al observador, pero en sí misma no es sino una forma de manifestación distinta de la materia. El fraccionamiento que ocurre para que una densidad elevada pueda darse, supone paradójicamente una ganancia “relativa” de espacio, y es relativa porque donde habría un  elemento ahora hay más, de lo contrario sería contradictorio.   
    Yo siempre pongo el ejemplo de las pelotas de futbol. Si las echamos en un contenedor y medimos su volumen, estos mismos balones fraccionados como pelotas de tenis ocupan menos espacio pero la cantidad de materia, la de los balones, es la misma. Si las pelotas de tenis se fraccionan de igual forma en pelotas de ping-pong, el espacio que ocupan es menor aún pero seguirán siendo la misma cantidad de materia, la de los balones futbol. Y así sucesivamente. Para eso y para no discordar hablaremos de energía y masa.
    M0  = Sumatoria mi = Sum. Mii……..  M0/V0 = sum mi/Vi =sum mii/Vii…..     V/t = Vi/ ti       
    Nos encontramos entonces, con que si calculamos la densidad para los tres casos sería:
    La materia (Masa  de los balones de futbol) dividida por el volumen que ocupan es equivalente a la fraccionada en pelotas tenis dividida por el espacio que ellas ocupan, e igual para las equivalentes pelotas de ping-pong.
    Pues los tres espacio tiempos son equivalentes, aunque su densidad, a un observador afuera de ellos le aparezca como distinta.
    La energía de fragmentación se supone procedente de una presión o temperatura externa, como es la gravedad aplicada al proceso.
    No sé si ando equivocado

    Responder
  4. 4
    Fandila
    el 23 de febrero del 2016 a las 1:33

     
     
    Siguiendo con el comentario anterior:   V/t = V’/t’ = Vel  — Velocidad de expansión o de concentración volumétrica,  Vel = Vel’
    Multiplicando M0 = Sumatoria mi,    por Vel2
                                  M0   Vel2  = (Sumat. mi )  Vel’2 = Energía
    No obstante la  Sumatoria ( mi   veli2  ) nos está indicando que la velocidad de cada masa mi,  como corresponda a su dirección respecto a un centro de masas, variará según la tangente. En la consideración global se darán micromasas o inframasas a velocidades de varios tipos desde menores que c a las de  taquiones
      La energía contenida en un espacio tiempo, de una forma general se conserva como sistema aislado. Y también se conservaría la velocidad de expansión o de concentración.
    Esto da pie para considerar que en el Universo no pudo haber una inflación general, sino una transformación continua desde el supuesto origen. O a que el origen sea múltiple abarcando a toda la materia inestable que nuestro universo contiene.
    Estos enfoques los he agradecer en parte a Tom Wood González
    Saludos

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