domingo, 09 de agosto del 2020 Fecha
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La Mecánica Cuántica es endiabladamente compleja

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (0)

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La Mecánica Cuántica ha alcanzado unas cotas increíbles de consistencia y experimentalmente, es una de las teorías más acreditadas. Sin embargo, mi parecer es que siendo una herramienta muy útil para los Físicos, no es la definitiva, en un futuro próximo tendremos muchas sorpresas de la mano del LHC que en este mismo año nos dará alguna alegría importante para el mundo de la Física.

Resultado de imagen de Relatividad Especial, un pilar de la física

El otro gran pilar en el que se apoya la Física, se llama Relatividad Especial. Todos sabéis lo que fue para la Física el año 1.905. Esa primera parte de la teoría relativista de Einstein, nos legó conocimientos muy importantes, tales como que un objeto viajando a velocidades cercanas a la de la luz aumenta su masa o que el hipotético viajero de una nave espacial que viaje a ésas velocidades relativistas, habrá conseguido ralentizar su tiempo. El tiempo pasa más lento cuando la velocidad es grande. Y, el otro logro importante que fue resumido en la ecuación más famosa de la historia de la Física, fue el hecho de descubrir que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa. E=mc2 ¡cuánta belleza y profundidad expresado en tan poco espacio!

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Edwin Schrödinger, autor de la ecuación con su función de onda, se disgustó con algunas de las interpretaciones de su ecuación. Para demostrar lo absurdo de la situación creada, Schrödinger colocó un gato imaginario en una caja cerrada. El gato estaba frente a una pistola, que está conectada a un contador Geiger, que a su vez está conectado a un fragmento de uranio. El átomo de uranio es inestable y sufrirá una desintegración radiactiva. Si se desintegra un núcleo de uranio, será detectado por el contador Geiger que entonces disparará la pistola, cuya bala matará al gato.

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Para decidir si el gato está vivo o muerto, debemos abrir la caja y observar al gato. Sin embargo, ¿cuál es el estado del gato antes de que abramos la caja? Según la teoría cuántica, sólo podemos afirmar que el gato esta descrito por una función de onda que describe la suma de un gato muerto y un gato vivo.

Para Schrödinger, la idea de pensar en gatos que no están ni muertos ni vivos era el colmo del absurdo, pero la confirmación experimental de la mecánica cuántica nos lleva inevitablemente a esta conclusión. Hasta el momento, todos los experimentos han verificado, favorablemente, la teoría cuántica.

La paradoja del gato de Schrödinger es tan extraña que uno recuerda a menudo la reacción de Alicia al ver desaparecer el gato de Cheshire en el centro del cuento de Lewis Carroll: “Allí me verás”, dijo el Gato, y desapareció, lo que no sorprendió a Alicia que ya estaba acostumbrada a observar cosas extrañas en aquel lugar fantástico. Igualmente, los físicos durante años se han acostumbrados a ver cosas “extrañas” en la mecánica cuántica.

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                                             El gato Cheshire

Existen varias maneras de abordar esta dificultad de lo incomprensible en mecánica cuántica. En primer lugar, podemos suponer que cualquier situación que podamos pensar existe, incluso una consciencia univeral.   Puesto que todas las “observaciones” implican un observador, entonces debe haber alguna “conciencia” en el universo. Algunos físicos como el premio Nobel Eugene Wigner, han insistido en que la teoría cuántica prueba la existencia de algún tipo de conciencia cósmica universal.

La segunda forma de tratar la paradoja es la preferida por la gran mayoría de los físicos en activo: ignorar el problema.

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El físico Richard Feynman dijo en cierta ocasión: “Creo que es justo decir que nadie comprende la mecánica cuántica. No siga diciéndose a sí mismo, si puede evitarlo, “¿pero cómo puede ser así?” porque usted se meterá “hasta el fondo” en un callejón sin salida del que nadie ha escapado.  Nadie sabe como puede ser eso”. De hecho, a menudo se ha dicho que de todas las teorías propuestas en el siglo XX, la más absurda es la teoría cuántica. Algunos dicen que la única cosa que la teoría tiene a su favor es que “es indudablemente correcta”.

Sin embargo, existe una tercera forma de tratar esta paradoja, denominada teoría de los muchos universos. Esta teoría (como el principio antrópico) no gozó de mucho favor en la última década, pero está siendo revitalizada por la función de onda del universo de Stephen Hawking.

Mientras que muchos físicos han interpretado generalmente la función de onda como una herramienta estadística que refleja nuestra ignorancia sobre las partículas que medimos, los autores del último artículo defienden que, en lugar de esto, es físicamente real.

Función de onda para una partícula bidimensional encerrada en una caja. Las líneas de nivel sobre el plano inferior están relacionadas con la probabilidad de presencia. La fórmula de De Broglie encontró confirmación experimental en 1927 en un experimento que probó que la ley de Bragg, la inicialmente formulada para rayos X y radiación de alta frecuencia, era también válida para electrones lentos si se usaba como longitud de onda la longitud postulada por De Broglie. Esos hechos llevaron a los físicos a tratar de formular una ecuación de ondas cuántica que en el límite clásico macroscópico se redujera a las ecuaciones de movimiento clásicas o leves de Newton. Dicha ecuación ondulatoria había sido formulada por Erwin Schödinger en 1925 y es la celebrada y famosa Ecuación de Schrödinger que se denota:

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Schrödinger, con su función de onda, nos dio una buena herramienta para buscar la partícula mediante un sistema de alta probabilidad de su situación.

Existe un principio de la física denominado Navaja de Ockham, que afirma que siempre deberíamos tomar el camino más sencillo posible e ignorar las alternativas más complicadas, especialmente si las alternativas no pueden medirse nunca.

Para seguir fielmente el consejo contenido en la navaja de Ockham, primero hay que tener el conocimiento necesario para poder saber elegir el camino más sencillo, lo que en la realidad, no ocurre. Nos faltan los conocimientos precisos para hacer las preguntas adecuadas.

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Hugo Everett, Bryce DeWitt y ahora Hawking (también otros), han propuesto la teoría de los universos múltiples. En unos universos los protones se desintegran antes haciendo inestable la materia, en otros, el átomo de uranio se desintegra mediante un proceso sin radiaciones, y en otros universos las constantes universales que existen en el nuestro, son totalmente diferentes y no dan posibilidad alguna para la existencia de seres vivos. Está claro que cualquier variación que en principio pudiera parecer sin importancia, como por ejemplo, la carga del electrón, la potencia de la fuerza de Gravedad, la velocidad de la luz…, podría transformar radicalmente nuestro universo.

Todo lo que ocurre tiene su origen en el pasado, es decir, dependiendo del inicio, de las condiciones presentes en aquel momento, así será el futuro. Cualquier cosa, hasta la más insignificante, puede tener una importancia vital. Como apuntó el físico Frank Wilczek:

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“Se dice que la historia del mundo sería totalmente distinta si Helena de Troya hubiera tenido una verruga en la punta de su nariz.”

 

 

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El misterio más profundo…Está en nosotros

 

Y, a todo esto, no olvidemos una de las cosas más importantes: Nuestras imaginación es casi tan grande como el Universo mismo, y, si pensamos algo… lo podríamos hacer realidad.

 

¿No es eso tan extraño a más que la mecánica cuántica misma? Claro que, seguramente no hemos caído en la cuenta de que, nuestro cerebro, también está cuantizado, es parte del problema que estamos tratando.

¡Es todo tan complejo!

emilio silvera

Todas las cosas son…¡átomos!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (0)

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El mismo acto de explorar modifica la perspectiva del que explora; Ulises, Piteas, Marco Polo y Colón, habían cambiado cuando volvieron a su hogar después de explorar “nuevos mundos”. Lo mismo ha sucedido con la investigación científica de los extremos en las escalas, desde la inmensa y grandiosa extensión de los espacios cosmológicos hasta el minúsculo mundo enloquecido de las partículas subatómicas. Estos viajes nos han cambiado y, han desafiado muchas de las concepciones científicas y filosóficas que conformaban nuestra manera de ver el mundo que nos rodea.

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La exploración del ámbito de las Galaxias extendió el alcance de la visión humana en un factor de 10²⁶ veces mayor que la escala humana, y produjo la revolución que identificamos con la relatividad, la cual reveló que la concepción newtoniana del mundo sólo era un parroquialismo en un Universo más vasto donde el espacio es curvo y el tiempo se hace flexible, dónde la materia es energía congelada y, donde el tiempo está unido irremisiblemente al espacio.

La exploración del dominio subatómico nos llevó lejos en el ámbito de lo muy pequeño, a unos 10-15 de la escala humana, y también significó una revolución. Esta fue la Física Cuántica que surgió a partir de la semilla que sembró Max Planck, en 1900, cuando comprendió que sólo podía explicar lo que se llamaba curva del cuerpo negro –el espectro de energía que genera un objeto de radiación perfecta- si abandonaba el supuesto clásico de que la emisión de energía es continua, y lo reemplazó por la hipótesis sin precedentes de que la energía se emite en unidades discretas que Planck llamó cuantos, derivada de la palabra grecolatina similar, y los definió en términos del cuanto de acción, simbolizado por la letra h.

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Planck no era ningún revolucionario –a la edad de 40 años era un viejo, juzgado por los patrones de la ciencia matemática y, además, un pilar de la elevada cultura alemana del siglo XIX-, pero se percató fácilmente de que el principio cuántico echaría abajo buena parte de la física clásica a la que se había dedicado durante muchos años su carrera. “Cuanto mayores sean sus dificultades –escribió-…tanto más importante será finalmente para la ampliación y profundización de nuestro conocimiento en la física.” Sus palabras fueron proféticas: cambiando y desarrollándose constantemente, modificando su coloración de manera tan impredecible como una reflexión en una burbuja de jabón, la física cuántica pronto se expandió prácticamente a todo el ámbito de la física, y el cuanto de acción de Planc, h, llegó a ser considerado una constante de la Naturaleza tan fundamental como la velocidad de la luz, c, de Einstein.

Gráfica del Voltaje de activación frente a la inversa de la longitud de onda para cada LED. La constante de Planck puede ser calculada a partir de la pendiente de la recta.

 

 

{\displaystyle E=hf\,}

Dado que la frecuencia f, la longitud de onda,  lambda \lambda , y la velocidad de la luz c cumplen {\displaystyle \lambda f=c}, la relación de Planck se puede expresar como:

{\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}\,}

siguen otras muchas ecuaciones que desarrollan la idea principal.

 

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Partiendo de la idea de Planck, vinieron muchos físicos que la desarrollaron, como es el caso de Schrödinger con su función de Onda, o, de Heisemberg con el Principio de Incertidumbre. El mismo Einstein, inspirado en el trabajo de Planck, en 1905 llevó la idea de Planck mucho más allá y publicó su trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico que, más tarde, le daría el Nobel de 1.923.

El principio cuántico era muy extraño y, a medida que fue evolucionando los físicos pudieron comprobar que era cada vez más extraño y, los resultados que obtenían de la investigación y las pruebas en laboratorio, acompañadas de la parte teórica, cada día les revelaba un nuevo Universo que nada tenía en común con la realidad del día a día en el mundo macroscópico de las cosas.

Nunca podremos saber, al mismo tiempo, dónde está una partícula y hacia donde se dirige. En mismo acto de la observación, puede variar el rumbo original y enviarla por otro camino impredecible. El mundo cuántico ¡es tan extraño! que se aleja de nuestro mundo cotidiano.

La ruptura decisiva con la física clásica se produjo en 1927, cuando el joven físico alemán Werner Heisenberg llegó al Principio de Indeterminación. Heisenberg descubrió que se puede conocer, o bien la posición exacta de una partícula determinada, o bien su trayectoria exacta, pero no ambas. Por ejemplo:

Estas imágenes de la cámara de niebla dejan ver las trayectorias de las partículas y los físicos las fijan mediante imágenes y signos numéricos que les dice lo que ahí está pasando.

Si observamos un protón que atraviesa una cámara de niebla, registrando su trayectoria podemos conocer la dirección en la que se mueve, pero en el proceso de abrirse camino por el vapor de agua de la cámara el protón disminuirá su velocidad, restándonos información sobre dónde estaba en un momento determinado. Alternativamente, podemos irradiar el fotón –tomar una instantánea de él, por decirlo así- y de este modo determinar la situación exacta en un instante determinado, pero la luz o cualquier otra radiación que usemos para tomar la fotografía apartará al fotón de su recorrido fijado, impidiéndonos el conocimiento de dónde habría estado si no hubiésemos actuado sobre él. Por consiguiente, estamos limitados en nuestro conocimiento del mundo subatómico. Sólo podemos tener respuestas parciales, cuya naturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por indagar y cómo y qué medios empleamos para ello. Cuando Heisenberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

La indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado para investigar el mundo subatómico, Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una Civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la física atómica clásica se suponía que se podía, en principio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas – digamos, protones- y a partir de los datos resultantes hacer predicciones exactas de dónde estarían los protones en determinado tiempo futuro. Heisenberg demostró que tal supuesto era falso, que nunca podemos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sola partícula, mucho menos de una gran cantidad de ellas, y, por lo tanto, nunca podemos hacer predicciones sobre el futuro que sean completamente exactas en todos los detalles. Esto marcó un cambio fundamental en la visión del mundo de la física. Revelaba que no sólo la materia y la energía sino también los conocimientos están cuantizados.

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Cuanto más minuciosamente examinaban los físicos el mundo subatómico, tanto mayor parecía la indeterminación. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. ¿Por dónde realizó el viaje el electrón? Ese famoso “salto cuántico” trae de cabeza a más de un físico tratando de desvelar el misterio que, de ser al fin descubierto, podría suponer otro enorme avance para la humanidad.

                   Reacciones de la cadena protón-protón

De la misma manera, como hemos podido leer muchas veces, es en virtud de la indeterminación cuántica como los protones pueden saltar la barrera de Coulomb, permitiendo que la fusión nuclear se produzca a una tasa suficiente para que las estrellas sigan brillando.

Está claro que, la mecánica cuántica choca, con las percepciones de nuestras imágenes mentales que provienen de nuestras percepciones visuales del mundo que nos rodea. Pero el mundo tal como lo perciben nuestros ojos aparece como una ilusión cuando lo examinamos a escala microscópica. Un lingote de oro, por ejemplo, aunque nos parece sólido, en realidad está lleno de espacios vacíos. El núcleo de cada uno de los átomos es tan pequeño que si un átomo fuese agrandado mil billones de veces, hasta que su capa electrónica externa fuese tan grande como Madrid, su núcleo aún tendría el tamaño de un coche mediano aparcado en la puerta de mi Oficina en la calle Palos de la Frontera, nº 21 Bajo, de Huelva.

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La revolución cuántica ha sido penosa, pero tenemos que agradecerle que nos haya librado de varias de las ilusiones que afectaban a la visión clásica del mundo y que, en realidad, nos tenía inmersos en un mundo de irrealidades.

Una de estas ilusiones es aquella ilusión de que el hombre es un ser aparte, el supuesto de que está separado por la Naturaleza y que los actos de observación por ende, pueden efectuarse con completa objetividad. Claro que, hoy sabemos que ni somos observadores pasivos detrás de un cristal en un laboratorio, ni que estamos en un nivel diferente de todo lo demás. Nosotros y la Naturaleza somos una misma cosa, ya que, de la Naturaleza venimos y a ella, algún día, tendremos que volver.

La Física cuántica nos obliga a tomar en serio lo que antes era una consideración puramente filosófica: que no vemos las cosas en sí mismas, sino sólo aspectos de las cosas.

¡Nos queda tanto por aprender!

emilio silvera

El sueño del primer contacto

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Vida en otros mundos    ~    Comentarios Comments (0)

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Los extraterrestres podrían vivir confinados en océanos subterráneos de mundos helados

          Los extraterrestres podrían vivir confinados en océanos subterráneos de mundos helados - ABC

¿Y si los extraterrestres estuvieran ahí pero no pudiéramos verlos? El fin de la paradoja de Fermi

 

 

Alan Stern, investigador principal de la misión New Horizons, ha aventurado una respuesta a por qué no hemos contactado con civilizaciones alienígenas si estas existen

 

 

 

 

 

Alan Stern, investigador principal de la misión New Horizons, que actualmente explora Plutón, acaba de aventurar una respuesta a la vieja cuestión planteada por la paradoja de Fermi: Si es cierto que existen civilizaciones extraterrestres, ¿por qué no hemos entrado aún en contacto con ellas?

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Stern, científico planetario en la Universidad de Boulder en Colorado, no duda de que los extraterrestres existen, pero sugiere que podrían vivir confinados en océanos subterráneos de mundos helados, parecidos a algunas de las lunas de Saturno y Júpiter, como Encelado y Europa. El científico lanzó esta idea durante una reunión de la División de Ciencias Planetarias de la Sociedad Astronómica Americana, celebrada recientemente en la localidad de Provo, en Utah.

Propuesta por primera vez por el Nobel de Física Enrico Fermi en la pasada década de los cincuenta, la célebre paradoja que lleva su nombre hace referencia al hecho de que, si hay civilizaciones ahí fuera, no hemos logrado establecer contacto con ninguna de ellas, lo cual no tiene sentido. Desde entonces, y a pesar de que muchos astrónomos han escudriñado durante décadas el cielo en busca de señales de radio, el resultado sigue siendo el mismo: un desconcertante silencio.

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Las razones aducidas hasta ahora para esta irritante falta de comunicación resultan muy variadas. Puede, por ejemplo, que realmente estemos solos en el Universo. O que si “ellos” existen estén utilizando tecnologías desconocidas e indetectables para nosotros; o incluso podríamos pensar que, en cuanto revelan su presencia, las civilizaciones son destruidas por una raza maligna de merodeadores galácticos… O quizá el motivo sea que los planetas habitables capaces de permitir que la vida se desarrolle durante miles de millones de años hasta alcanzar la inteligencia son tan raros que, sencillamente, aún no hemos apuntado ninguno de nuestros telescopios en su dirección. A falta de una explicación comprobada, cualquier teoría es posible…

Por eso la idea de Stern resulta tan simple como atractiva. En efecto, el científico aventura la posibilidad de que la mayor parte de los mundos capaces de albergar vida no se parecen a la Tierra, con sus continentes, su atmósfera y sus mares en superficie. Y que en vez de eso, podrían ser planetas congelados, con vastos océanos subterráneos atrapados bajo gruesas capas de hielo.

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Hasta hace muy poco ni siquiera sabíamos que esa clase de mundos existía. Pero ahora hemos podido comprobar que resultan muy comunes, y que ni siquiera es necesario salir de nuestro propio Sistema Solar para encontrar varios de ellos. Si esa proporción se mantiene también alrededor de otras estrellas, podríamos tener, contra una sola Tierra, centenares de mundos como Encelado o Europa.

Para Stern, si esos planetas helados albergaran vida inteligente, muy probablemente no podrían establecer contacto con nadie, ni ser escuchados fuera de su entorno acuático, ya que las capas de hielo de la superficie bloquearían sus señales de radio, que no podrían propagarse por el espacio y ser captadas desde otros mundos.

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Esas hipotéticas civilizaciones, además, podrían desconocer por completo que hay algo de interés por encima de sus “techos” helados, e incluso si encontraran alguna razón para taladrar las gruesas capas de hielo sobre sus cabezas, es posible que no supieran qué son todas esas luces que brillan en el cielo, si es que disponen de ojos para contemplarlas…

Las cosas no serían fáciles para ellos ni siquiera si hubieran superado todos estos obstáculos y estuvieran predispuestos para la exploración espacial. De hecho, tendrían que llevar en sus desplazamientos enormes cantidades de agua, en vez de aire, para el mantenimiento de vida. Y eso sería sin duda un gran impedimento ya que, en palabras de Stern, incluso en nuestro caso, “todo lo que sabemos sobre viajes espaciales implica el ser capaces de construir naves más ligeras”.

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Según el científico, otro factor en contra para que existan mundos con océanos exteriores, como el nuestro, es que quedan expuestos ante cualquier “cosa mala” que venga del cielo: “Todos conocemos la historia de los impactos como el que con toda probabilidad terminó con el periodo Cretácico y los dinosaurios, y ese es solo uno de los peligros posibles. Aunque ninguno de ellos afectaría a la vida oceánica bajo el hielo”.

Además, abunda Stern, esta clase de planetas no tienen por fuerza que estar dentro de las “zonas de habitabilidad” de sus soles, ni siquiera cerca de ellas. “Un océano interior en Plutón -afirma- resulta igual de húmedo y caliente que uno en el interior de una luna galileana”.

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El propio Stern, sin embargo, admite que incluso si las cosas fueran realmente así, la paradoja de Fermi seguiría siendo válida, ya que seguiríamos sin saber por qué ninguno de los otros mundos “sin techo”, como como el nuestro, ha revelado hasta ahora su presencia. Y hoy sabemos que, aunque no fueran el tipo dominante de planetas habitables en el Universo, ahí fuera podría haber billones de mundos parecidos a la Tierra.

En su intervención, Stern afirmó que su idea constituye, sencillamente, un punto de partida para centrar la discusión. “Apenas estamos empezando a entender -afirma-. Así que abróchense los cinturones”.