viernes, 15 de diciembre del 2017 Fecha
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Los “cuantos” ¡esa maravilla de la naturaleza!

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

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LA MARAVILLA DE LOS CUANTOS

 

 

 

Emisión y absorción de energía en forma de cuantos al pasar de una órbita a otra.

 

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 menos intensidad, por los objetos más fríos. Planck escribió un artículo de ocho páginas y el resultado fue que cambió el mundo de la física y aquella páginas fueron la semilla de la futura ¡mecánica cuántica! que, algunos años más tardes, desarrollarían físicos como Einstein (Efecto fotoeléctrico), Heisenberg (Principio de Incertidumbre), Feynman, Bhor, Schrödinger, Dirac…

Figura animada que representa un rayo de luz incidiendo sobre un cuerpo negro hasta su total absorción. l nombre cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff  en 1862 y su idea deriva de la siguiente observación: toda la materia emite radiación electromagnética cuando se encuentra a una temperatura por encima del cero absoluto. La radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada es un proceso espontáneo y procede de una conversión de su energía térmica en energía electromagnética. También sucede a la inversa, toda la materia absorbe radiación electromagnética de su entorno en función de su temperatura.

 La expresión radiación se refiere a la emisión continua de energía de la superficie de todos los cuerpos. Los portadores de esta energía son las ondas electromagnéticas  producidas por las vibraciones de las partículas cargadas  que forman parte de los átomos y moléculas de la materia. La radiación electromagnética que se produce a causa del movimiento térmico de los átomos y moléculas de la sustancia se denomina radiación térmica o de temperatura.

 Ley de Planck para cuerpos a diferentes temperaturas.

Curvas de emisión de cuerpos negros a diferentes temperaturas comparadas con las predicciones de la física clásica anteriores a la ley de Planck.

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 usamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de la 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 o una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para longitudes menores. Esta longitud característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273 ºC bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de la luz visible.

                       Acero al  “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de la 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 lo tanto, proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. La sencilla fórmula es:

E = hv

Donde E es la energía del paquete, v 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.

Ni que decir tiene que, desde entonces, la fórmula ha sido mejorada y, como siempre pasa, los avances que son imparables van modificando las teorías originales para perfeccionarlas y que se ajusten mucho más a la realidad que la Naturaleza nos muestra cuando somos capaces de descubrir sus secretos.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: el 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, que no sólo cualquier cosa que oscila tiene una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta dirección del espacio, y que la frecuencia, v, 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 oscilatorias de campos de fuerza.

En mecánica cuántica, el comportamiento de un electrón en un átomo se describe por un orbital, que es una distribución de probabilidad más que una órbita.  El electrón (e), es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa.Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos, en otras palabras, generalmente se define como una partícula elemetal.

En la Teoría de cuerdas se dice que un electrón se encuentra formado por una subestructura (cuerdas). Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor con respecto a la del protón.  El miomento angular  (espín) intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de Constante de Planck" href="http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Planck">ħ, lo que significa que es un fermión.  Su antipartícula es denominada positrón: es idéntica excepto por el hecho de que tiene cargas —entre ellas, la eléctrica— de signo opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón, las dos partículas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones y rayos gamma.

Los leptones

Los electrones, que pertenecen a la primera generación de la familia de partículas de los leptones y participan en las interacciones fundamentales, tales como la Gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil. Como toda la materia, posee propiedades mecánico cuánticas tanto de partículas como de onmdas,   de tal manera que pueden colisionar con otras partículas y pueden ser difractadas como la luz. Esta dualidad se demuestra de una mejor manera en experimentos con electrones a causa de su ínfima masa. Como los electrones son fermiones, dos de ellos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, según el Principio de exclusión de Pauli. Por este motivo se forman las estrellas enanas blancas y de neutrones al final de la vida de las estrellas de poca masa.

Es curioso el 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 como escribir la teoría ondulatoria de De Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar los cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de onda cuántica”.

No hay duda de que la Mecánica Cuántica funciona maravillosamente bien. Sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente esas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá por el año 1687, formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo lo que significaban sus ecuaciones: que los planetas están siempre en una posición bien definida en el espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades con el tiempo.

Pero para los electrones todo esto es muy diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en la bruma. 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?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de forma tal que con su explicación se pudo seguir trabajando y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la “interpretación de Copenhague” de la Mecánica Cuántica. En vez de decir que el electrón se encuentra en el punto x o en el punto y, nosotros hablamos del estado del electrón. Ahora no tenemos el estado “x” o el estado “y”, sino estados “parcialmente x” o “parcialmente y. Un único electrón puede encontrarse, por lo tanto, en varios lugares simultáneamente. Precisamente lo que nos dice la Mecánica Cuántica es como cambia el estado del electrón según transcurre el tiempo.

Un “detector” es un aparato con el cual se puede determinar si una partícula está o no presente en algún lugar pero, si una partícula se encuentra con el detector su estado se verá perturbado, de manera que sólo podemos utilizarlo si no queremos estudiar la evolución posterior del estado de la partícula. Si conocemos cuál es el estado, podemos calcular la probabilidad de que el detector registre la partícula en el punto x.

Las leyes de la Mecánica Cuántica se han formulado con mucha precisión. Sabemos exactamente como 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 simultáneamente. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha exactitud, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o, a la inversa. 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 con sencillez de dónde viene esta incertidumbre, pero hay 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.

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                   ¿Onda o partícula? ¡Ambas a la vez! ¿Cómo es eso?

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, cuanto 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 se podría definir como “el todo es más que la suma de las partes”.

Bien, si la Física nos ha enseñado algo, es justamente lo contrario: un objeto compuesto de un gran número de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (las partículas): basta que uno sepa sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que yo 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 = 6,626075…x 10 exp. -34 julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal. Así, los extraterrestres del cuarto planeta a partir de la estrella SIL, cuando descubran esa constante, el resultado sería exactamente el mismo que le dio a Plancl, es decir, el Universo, funciona igual en todas partes.

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisenberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros tales como Edwin 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? Em pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, ¿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.

Hasta hoy, muchos investigadores coinciden con la actitud pragmática de Bohr. Los libros de historia dicen que Bohr demostró que Einstein estaba equivocado. Pero no son pocos,  incluyéndome a mí, los que sospechamos que a largo plazo el punto de vista de Einstein volverá: que falta algo en la interpretación de Copenhague. Las objeciones originales de Einstein pueden superarse, pero aún surgen problemas cuando uno trata de formular la mecánica cuántica para todo el Universo (donde las medidas no se pueden repetir) y cuando se trata de reconciliar las leyes de la mecánica cuántica con las de la Gravitación… ¡Infinitos!

La mecánica cuántica y sus secretos han dado lugar a grandes controversias, y la cantidad de disparates que ha sugerido es tan grande que los físicos serios ni siquiera sabrían por donde empezar a refutarlos. Algunos dicen que “la vida sobre la Tierra comenzó con un salto cuántico”, que el “libre albedrío” y la “conciencia” se deben a la mecánica cuántica: incluso fenómenos paranormales han sido descritos como efectos mecanocuánticos.

Yo sospecho que todo esto es un intento de atribuir fenómenos “ininteligibles” a causas también “ininteligibles” (como la mecánica cuántica) dónde el resultado de cualquier cálculo es siempre una probabilidad, nunca una certeza.

Claro que, ahí están esas teorías más avanzadas y modernas que vienen abriendo los nuevos caminos de la Física y que, a mi no me cabe la menor duda, más tarde o más temprano, podrá explicar con claridad esas zonas de oscuridad que ahora tienen algunas teorías y que Einstein señalaba con acierto.

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¿No es curioso que, cuando se formula la moderna Teoría M, surjan, como por encanto, las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General? ¿Por qué están ahí? ¿Quiere eso decir que la Teoría de Einstein y la Mecánica Cuántica podrán al fin unirse en pacifico matrimonio sin que aparezcan los dichosos infinitos?

Bueno, eso será el origen de otro comentario que también, cualquier día de estos, dejaré aquí para todos ustedes.

emilio silvera

¡La Física! Una Historia Interminable

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (1)

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                                   El universo de lo muy pequeño y de lo muy grande

Muy lejos quedan ya aquellas célebres palabras que pronunciara Enrico Fermi (el gran físico italiano): “Si yo pudiese recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido un botánico”, y el físico Martinus Veltman más tarde reflexionó que “a medida que aumenta el número de partículas, lo único que logramos es aumentar  nuestra ignorancia”.

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                                              Todo está hecho de Quarks y Leptones

Por aquellos tiempos (algunas décadas), hubo también demasiadas teorías, muchas incompatibles entre ellas. No pocos físicos se vieron frustrados hasta el punto de abandonar la física para siempre. Sin embargo, el torbellino y la confusión, no la tranquila seguridad, lo que hace crecer la mente, y, cuando aquel endiablado barullo empezó a calmarse y el polvo se disipó, la Física Cuántica emergió, no sólo como un campo vital y en rápido desarrollo de la ciencia, sino como uno de los mayores logros intelectuales de la historia del pensamiento humano. Aunque en modo alguno completa, entonces pudo hacer predicciones exactas sobre un imponente conjunto de fenómenos, desde la óptica y el diseño de ordenadores hasta el brillo de las estrellas, y hacerlo en términos de estructuras teóricas que, como ya podía verse, poseen una belleza y una amplitud dignas del universo que trataban de describir.

Las variadas teorías que llegaron a constituir la física cuántica a finales del primer cuarto del siglo pasado eran conocidas colectivamente como el Modelo Estándar.

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Considerado desde su punto de vista, el mundo está compuesto de dos categorías generales de partículas: las de espín fraccionario (½), llamadas fermiones, en homenaje a Enrico Fermi, y las de espín entero (0, 1 o 2), llamadas Bosones, en homenaje a Satyendra Nath Bose, quien junto con Einstein, desarrolló las leyes estadísticas que gobiernan su conducta.

Monografias.com

(El “espín” al que se alude aquí es el espín común, mecánico, aunque cuantizados, y se mide en términos de h, el cuanto de acción de Planck.)

Los Fermiones comprenden la materia. Obedecen a lo que se llama el Principio de exclusión de Pauli, formulado por este en 1925, según el cual dos fermiones no pueden ocupar al mismo tiempo un determinado estado cuántico. Debido a esta característica de los fermiones, sólo un número limitado de electrones pueden ocupar cada capa de un átomo, y hay un número superior para el número de protones y neutrones que pueden unirse para formar un núcleo atómico estable. Los protones, neutrones y electrones son todos fermiones.

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Los Bosones transmiten fuerza. Para aventurar una imagen hiperbólica, podríamos concebir los fermiones como similares a patinadores sobre hielo que se arrojan balones los unos a los otros y, los balones son los bosones y el cambio de trayectoria de cada patinador que se produce cuando arrojan o atrapan los balones revela, en lenguaje newtoniano, la presencia de una fuerza.

Los Bosones no obedecen el principio de exclusión, y por consiguiente varias fuerzas diferentes pueden actuar en el mismo lugar al mismo tiempo. Los átomos de cualquier objeto, por ejemplo, están sujetos simultáneamente a la atracción eléctrica entre sus protones y electrones, y a la fuerza gravitacional de la Tierra.

Imagen relacionada

Todos conocemos de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. Cada una tiene un papel distinto. La Gravitación, la atracción universal de todas las partículas materiales entre sí, mantiene unidos a cada estrella y planeta, y mantiene los planetas en sus órbitas dentro de la galaxia. El electromagnetismo, la atracción entre las partículas con carga eléctrica o magnéticas opuestas, produce luz y todas las otras formas de radiación electromagnética, incluyendo la radiación de onda larga llamada ondas radio y la radiación de onda corta llamada rayos X y rayos gamma. El electromagnetismo también une grupo de átomos para formar moléculas, y es la causa de la estructura de la materia tal como la conocemos. La Fuerza nuclear fuerte une protones y neutrones (llamados nucleones) en los núcleos de los átomos, y une las partículas elementales llamadas quarks para formar cada nucleón. La fuerza nuclear débil es la mediadora del proceso de desintegración radiactiva, la fuente de la energía emitida por los trozos de radio que estudiaron Rutherford y los Curie.

4interacciones

La conducta diferente de las fuerzas se refleja en la naturaleza de los bosones  que transportan. La Gravitación y el electromagnetismo tienen un alcance infinito, que es por lo cual nuestra Galaxia “siente” la atracción gravitacional del cúmulo de Virgo de galaxias, y por lo que podemos ver luz estelar proveniente de miles de millones de años-luz de distancia, pues los bosones que transporta estas dos fuerzas llamados respectivamente gravitones y fotones, tienen masa cero. La fuerza nuclear débil tiene un alcance muy corto porque las partículas que la transportan, llamadas bosones débiles, son masivas. La fuerza o interacción fuerte es llevada por las partículas llamadas gluones; son masivas pero tienen la curiosa y bella de que su fuerza aumenta, no disminuye, cuando los fermiones entre los que son intercambiadas (los quarks) se alejan. Un quark que empieza a apartarse de sus dos compañeros pronto se encuentra arrastrado por una red de gluones (confinamiento de los quarks), y, si se juntan, pueden moverse libremente (libertad asintótica). Por ello, los quarks en el universo contemporáneo permanecen ligados dentro de los protones y neutrones; aún no ha sido posible observar quarks libres, aunque han sido buscados en todas partes, desde las colisiones de aceleradores de partículas hasta el polvo de la Luna y en otros lugares más extraños.

Resultado de imagen de Los núcleos atómicos

Los fermiones que constituyen la materia, aunque muy variados y numerosos, pueden ser clasificados como quarks, que responden a la interacción fuerte, o leptones, que no lo hacen. Los leptones son partículas ligeras; entre ellos se encuentran los electrones que giran alrededor de los núcleos atómicos. Los quarks son los ladrillos que componen los protones y neutrones. Tres quarks forman un nucleón. Se piensa que hay seis variedades de leptones y otras tantas de quarks. Ni los unos ni los otros muestran signo alguno de tener una estructura interna, aunque su anatomía ha sido sondeada hasta escalas de 10  ̄¹⁸ metros. Esto equivale a decir que si un átomo fuese ampliado hasta las dimensiones de la Tierra, todo subcomponente de quark y leptones tendría que ser más pequeño que una naranja para escapar a su detección. De modo que los quarks y los leptones son las partículas básicas de la materia, hasta donde llega nuestro conocimiento actual.

Todo suceso fundamental –lo cual significa simple- del Universo, en principio, puede ser interpretado mediante el modelo estándar. Cuando un niño mira una estrella, fotones de luz estelar chocan con electrones de los átomos exteriores de los receptores que hay en la retina del niño, poniendo en marcha otras interacciones de electrones que transportan la imagen al cerebro; todo esto es obra del electromagnetismo. Los procesos nucleares que producen la Luz estelar son generados por las fuerzas nucleares fuerte y débil que operan dentro de la estrella. Y la gravitación es la fuerza que mantiene unida la estrella y aferra los pies del niño (aunque sólo sea intermitentemente) al suelo.

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Las explicaciones científicas de cómo las diversas partículas de la materia se comportan bajo la influencia de tres de las cuatro fuerzas reciben el nombre de teorías cuánticas de campos relativistas. Son llamadas así porque utilizan tanto las reglas cuánticas como la teoría especial de la relatividad, a fin de tomar en cuenta los efectos que aumentan la masa de las partículas que se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz.

El electromagnetismo se describe con exquisita exactitud por la teoría de electro cuántica, o EDC. La interacción fuerte es descrita por la Cromodinámica Cuántica, CDC. (“Cromo” proviene de un número cuántico caprichosamente llamado “color”, que desempeña una función para los Quarks comparable a la carga eléctrica en las cuestiones relacionadas con los electrones.) La fuerza débil ha pasado a pertenecer al dominio de la teoría electrodébil.

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La Gravitación sigue siendo la excepción. Sus acciones siguen siendo descritas por la teoría general de la relatividad de Einstein, que es una teoría clásica, lo cual significa que no incluye los principios cuánticos. Esto no origina problemas en la mayoría de las situaciones, pero la relatividad pierde su validez cuando se llega a campos gravitatorios sumamente intensos, como los que aparecen en el interior de los agujeros negros o en el Universo al comienzo de su expansión. Allí, la curvatura del espacio llega a infinito, punto en el cual la teoría saluda y hace mutis grácilmente.

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             La teoría de la Gravedad cuántica subyace en la Teoría de Cuerdas que no podemos verificar

No tenemos ninguna teoría cuántica de la gravitación con la cual completar la relatividad general y, de paso, el Modelo Estándar de la Física. Una razón de esto es que la Gravedad es débil. Normalmente, las partículas subatómicas individualmente son tan poco afectadas por la fuerza gravitatoria que ejercen sus colegas que se puede ignorar la gravedad. Otra razón es que las interacciones gravitacionales son interpretadas, mediante la teoría general de la relatividad de Einstein, como resultado de la geometría del espacio-tiempo. Los “gravitones” que, se piensa, transmiten la gravitación deben, por tanto, determinar la forma misma del espacio, y no es asunto simple para una teoría dilucidar como logran hacerlo.

La actual física de partículas es una casa dividida, y aunque el modelo estándar da un buen resultado, pocos creemos que sea la última palabra en este tema que, si aparece el Bosón de Higgs y algún que otro parámetro ahora perdido, todo podría cambiar.

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Sin embargo, la Física actual está a la espera de una próxima revolución que, sólo podría venir de la mano de una nueva y avanzada teoría de la gravitación cuántica que, de una vez por todas incluyera a la Gravedad, en el Modelo estándar de la Física que, de esa manera sí que sería un modelo completo y sin fisuras.

Un Modelo Estándar sin parámetros aleatorios, firme y seguro que, sin dificultad y sin generar infinitos a las preguntas planteadas, nos pueda dar una respuesta convincente de lo que el Universo es.

Esperemos que venga pronto.

emilio silvera

¿La Física? ¡Una maravilla! Nos dice cómo funciona la Naturaleza

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (7)

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Resultado de imagen de El libro Partículas de Gerard ´t Hooft

 

                             En su Libro Partículas, Gerard ´t Hofft, Premio Nobel de Física, nos cuenta:
“En el mundo de los seres vivos, la escala o tamaño crea importantes diferencias. En muchos aspectos, la anatomía de un ratón es una copia de la de un elefante, pero mientras que un ratón trepar por una pared prácticamente vertical sin mucha dificultad (y se puede caer desde una altura varias veces mayor que su propio tamaño sin hacerse daño), un elefante no sería capaz de realizar tal hazaña. Con bastante generalidad se puede afirmar que los efectos de la gravedad son menos importantes cuanto menores sean los objetos que consideremos (sean vivos o inanimados).”

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que ellos no hay distinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del agua es mucho más importante que la fuerza de la gravedad a esa escala. Tranquilamente se pueden mover y desplazar por encima de una superficie acuática. Los pluricelulares no pueden hacer tal cosa.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos de Van der Waals. fuerza tiene un alcance muy corto; para ser precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente 1/r7. Esto significa que si se reduce la distancia dos átomos a la mitad de la fuerza de Van der Waals con la que se atraen uno a otro se hace 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza. El conocimiento de esta fuerza se debe a Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) con su tesis sobre la continuidad del líquido y gaseoso que le haría famoso, ya que en esa época (1873), la existencia de las moléculas y los átomos no estaba completamente aceptado.

La tensión superficial del agua, es el efecto físico (energía de atracción entre las moléculas) que “endurece” la capa superficial del agua en reposo y permite a algunos insectos, como el mosquito y otros desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

El famoso físico inglés James Clerk Maxwell, que formuló la teoría del electromagnetismo de Faraday, quedó muy impresionado por este de Van der Waals.

Los tamaños de los seres uniceculares, animales y vegetales, se miden en micrómetros o “micras”, donde 1 micra es 1/1.000 de milímetro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pueden observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios es fascinante, pero no es el objeto de este trabajo, y continuaremos el viaje emprendido las partículas elementales que forman núcleos, átomos, células y materia, así como las fuerzas que intervienen en las interacciones fundamentales del universo y que afecta a todo lo que existe.

 

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; una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). 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 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, 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 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Radiación de Cuerpo Negro

 

Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su , el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.

La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

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 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 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 una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, esto lo veremos más adelante.

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? Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro 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 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?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de tal que con su explicación se pudo seguir trabajando, y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.

Si la mecánica cuántica tiene cosas extrañas y el espín es una de ellas. Y si uno piensa que la intuición le ayudará a comprender todo esto, pues no lo hará, o es poco probable que lo haga. Las partículas tienen un espín fundamental. Al igual que la carga eléctrica o la masa, el espín ayuda a definir que de partícula es cada una.

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.

La posición y el momento de una partícula nunca lo podremos saber con precisión ilimitada.

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 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.

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 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 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.

La mecánica cuántica es muy extraña a nuestro “sentido común”, sabemos que se desenvuelve en ese “universo” de lo muy pequeño, alejado de nuestra vida cotidiana en el macrocosmos tetradimensional que, no siempre coincide con lo que, en aquel otro infinitesimal acontece.

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 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.

Es cierto que, existe otro universo dentro de nuestro del que, aún, nos queda mucho por aprender.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos 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 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 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.”

Resultado de imagen de El Principio Holográfico

 

También Gerardt Hooft es el autor de lo que han dado en llamar l principio holográfico es una conjetura especulativa acerca de las teorías de la Gravedad Cuántica propuesta en 1993 por este autor,  y mejorada y promovida por Leonard Susskin en 1995. Postula que toda la información contenida en cierto volumen de un espacio  concreto se puede conocer a partir de la información codificable sobre la frontera de dicha región. Una importante consecuencia es que la cantidad máxima de información que puede contener una determinada región de espacio rodeada por una superficie diferenciable está limitada por el área total de dicha superficie.

Por ejemplo, se pueden modelar todos los eventos que ocurran en un cuarto o una habitación creando una teoría en la que sólo tome en cuenta lo que suceda en sus paredes. En el principio holográfico también se afirma que por cada cuatro Unidades de Planck  existe al menos un grado de libertad  (o una unidad constante de Bolttzmann k de máxima entropía). Esto se conoce como frontera de Bekenstein:

S\le\frac{A}{4}

 

donde S es la entropía y A es la unidad de mensura considerada. En unidades convencionales la fórmula anterior se escribe:

 

 

S\le \left( \frac{kc^3}{G\hbar} \right) \frac{A}{4} = k \frac{A}{4\ell_P^2}

donde:

 

Claro que esta… ¡Es otra Historia!

emilio silvera

¿El Modelo Estándar? ¡La perfección imperfecta!

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

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Demos una vuelta por el Modelo Estándar.

 

 

Con el título que arriba podemos leer de “La perfección imperfecta”, me quiero referir al Modelo estándar de la física de partículas y de las interacciones fundamentales y, algunos,  han llegado a creer que sólo faltan algunos detalles técnicos y, con ellos, la física teórica está acabada. Tenemos un modelo que engloba todo lo que deseamos saber acerca de nuestro mundo físico. ¿Qué más podemos desear? Los pobres ilusos no caen en la cuenta de que el tal Modelo, al que no podemos negarle su valía como una herramienta muy valiosa para la física, no deja de estar incompleto y, además, ha sido construido con algunos parámetros aleatorios (unos veinte) que no tienen justificación. Uno de ellos era el Bosón de Higgs y, según los del LHC, ha sido hallado. Sin embargo, esperamos que nos den muchas explicaciones que no han estado presente en todas las algaradas y fanfarrias que dicho “hallazgo” ha producido, incluidos los premios Principe de Asturias y el Nobel. ¡Veremos en que queda todo esto al final!

 

 

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Bueno, lo que hasta el momento hemos logrado no está mal del todo pero, no llega, ni con mucho, a la perfección que la Naturaleza refleja y que, nosotros perseguimos sin llegar a poder agarrar sus múltiples secretos y parámetros que conforman ese todo en el que, sin ninguna clase de excusas, todo debe encajar y, de momento, no es así. Muchos son los flecos sueltos, muchas las incógnitas, múltiples los matices que no sabemos perfilar.

 

 

 

Algunos creen que más allá del Modelo estándar hay mucho más

 

 

Es cierto que, el Modelo estándar, en algunos momento, nos produce y nos da la sensación de que puede ser perfecto. Sin embargo, esa ilusoria perfección, no es permanente y en algunas casos efímera. En primer lugar, podríamos empezar a quejarnos de las casi veinte constantes que no se pueden calcular. Pero si esta fuese la única queja, habría poco que hacer. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de estos números y se han propuesto varias teorías para “predecir” sus valores. El problema con todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca llegan a ser convincentes.

 

 

 Representación artística de un átomo de Helio

 

Representación artística de un átomo de Helio 4 según el modelo estándar, se muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color naranja las Fuertes.

 

¿Por qué se iba a preocupar la Naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo,  tal como el proncipio de la relatividad,  pero nos resistimos a abandonar todos los demás principios que ya conocemos; ¡esos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del Modelo estándar! una herramienta que ha posibilitado a todos los físicos del mundo para poder construir sus trabajos en ese fascinante mundo de la mecánica cuántica, donde partículas infinitesimales interactúan con las fuerzas y podemos ver, como se comporta la materia en determinadas circunstancias. El mejor lugar para buscar nuevos principios es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría.

 

 

 

 

Con esta imagen nos decían:
“Colisión del Bosón de Higgs desintegrándose en fermiones”. Primeras evidencias de un nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs. Las primeras evidencias de la desintegración del recién descubierto bosón de Higgs en dos partículas denominadas tau, pertenecientes a la familia de partículas que compone la materia que vemos en el Universo. Hasta ahora los experimentos del LHC habían detectado la partícula de Higgs mediante su desintegración en otro tipo de partículas denominadas bosones, portadoras de las fuerzas que actúan en la Naturaleza, mientras las evidencias de desintegraciones en fermiones no eran concluyentes. Esta es la primera evidencia clara de este nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs.”

 

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Cuando podamos disponer de energías más altas que superen los actuales 14 TeV del LHC ¿Qué encontraremos? Seguramente existen “cosas” más allá de los Quarks.

La regla universal en la física de partículas es que cuando las partículas chocan con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructurtas cada vez menores, más pequeñas en el espacio y en el tiempo. Supongamos por un momento que tenemos a nuestra disposición un Acelerador de Partículas 10.000 veces más potente que el LHC, donde las partículas pueden adquirir esas tantas veces más energías de las alcanzadas actualmente. Las colisiones que tendrían lugar nos dirían algo acerca de los detalles estructurales de esas partículas que ahora no conocemos, que serían mucho más pequeñas que las que ahora podemos contemplar. En este punto se me ocurre la pregunta: ¿Seguiría siendo correcto el Modelo estándar? 0, por el contrario, a medida que nos alejemos en las profundidades de lo muy pequeño, también sus normas podrían variar al mismo tiempo que varían las dimensiones de los productos hallados. Recordad que, el mundo no funciopna de la misma manera en nuestro ámbirto macroscópico  que ante ese otro “universo” cuántico de lo infinitesimal.

 

¿Podéis imaginar conseguir colisiones a 70.000 TeV? ¿Que podríamos ver? Y, entonces, seguramente, podríamos oir en los medios la algarada de las protestas de algunos grupos:  “Ese monstruo creado por el hombre puede abrir en el espacio tiempo agujeros de gusano que se tragará el mundo y nos llevará hacia otros universos” Comentarios así estarían a la orden del día. Los hay que siempre están dispuestos a protestar por todo y, desde luego, no siempre llevan razón, toda vez que, la mayoría de las veces, ignoran de qué están hablando y juzgan si el conocimiento de causa necesario para ello. De todas las maneras, sí que debemos tener sumo cuidado con el manejo de fuerzas que… ¡no siempre entendemos! Cuando el LHC se vuelvsa a poner en marcha, se utilizarán energías que llegan hasta los 14 TeV, y, esas son palabras mayores.

¿Justifica el querer detectar las partículas que conforman la “materia oscura”, o, verificar si al menos, podemos vislumbrar la sombra de las “cuerdas” vibrantes de esa Teoria del Todo, el que se gasten ingentes cantidades de dinero en esos artilugios descomunales? Bueno, a pesar de todos los pesares, la respuesta es que SÍ, el rendimiento y el beneficio que hemos podido recibir de los aceleradores de partículas, justifica de manera amplia todo el esfuerzo realizado, toda vez que, no solo nos ha llevado a conocer muchos secretos que la Naturaleza celosamente guardaba, sino que, de sus actividades hemos tenido beneficios muy directos en ámbitos como la medicina, las comunicaciones y otros que la gente corriente desconocen. El mismo Internet tiene su semilla en el LHC, allí inventaron el www.

Hoy, el Modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero tenemos algunas razones para sospechar que tales predicciones resultan estar muy alejadas de la realidad, o, incluso, ser completamente falsas. Cuando tenemos la posibilidad de llegar más lejos, con sorpresa podemos descubrir que aquello en lo que habíamos creído durante años, era totalmente diferente. El “mundo” cambia a medida que nos alejamos más y más de lo grande y nos sumergimos en ese otro “mundo” de lo muy pequeño, allí donde habitan los minúsculos objetos que conforman la materia desde los cimientos mismos de la creación.

Encendamos nuestro supermicroscopio imaginario y enfoquemosló directamente en el centro de un protón o de cualquier otra partícula. Veremos hordas de partículas fundamentales desnudas pululando. Vistas a través del supermicroscopio, el modelo estándar que contiene veinte constantes naturales, describen las fuerzas que rigen la forma en que se mueven. Sin embargo, ahora esas fuerzas no sólo son bastante fuertes sino que también se cancelan entre ellas de una forma muy especial; están ajustadas para conspirar de tal manera que las partículas se comportan como partículas ordinarias cuando se vuelven a colocar el microscopio en la escala de ampliación ordinaria. Si en nuestras ecuaciones matemáticas cualquiera de estas constantes fueran reemplazadas por un número ligeramente diferente, la mayoría de las partículas obtendrían inmediatamente masas comparables a las gigantescas energías que son relevantes en el dominio de las muy altas energías. El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural.

 

¿Implica el ajuste fino un diseño con propósito? ¿Hay tantos parámetros que deben tener un ajuste fino y el grado de ajuste fino es tan alto, que no parece posible ninguna otra conclusión?

Antes decía: “El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural”.  Es lo que se llama el “problema del ajuste fino”. Vistas a través del microscopio, las constantes de la Naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático, no hay nada que objetar, pero la credibilidad del Modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas o, lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas.

¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta ahí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables, ellas podrían modificar completamente el mundo que Gulliver planeaba visitar. Si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste fino de las constantes de la Naturaleza, creamos un nuevo problema:

         Es cierto que nuestra imaginación es grande pero… No pocas veces ¡la realidad la supera!

¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste-fino no sea necesario? Está claro que las moficiaciones son necesarias , lo que implica que muy probablemente hay un límite más allá del cual el modelo deja de ser válido. El Modelo estándar no será más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, tal que todos los fenómenos observados hasta el presente están de acuerdo con él, pero cada vez que ponemos en marcha un aparato más poderoso, debemos esperar que sean necesarias nuevas modificaciones para ir ajustando el modelo, a la realidad que descubrimos.

¿Cómo hemos podido pensar de otra manera? ¿Cómo hemos tenido la “arrogancia” de pensar que podemos tener la teoría “definitiva”? Mirando las cosas de esta manera, nuestro problema ahora puede muy bien ser el opuesto al que plantea la pregunta de dónde acaba el modelo estándar: ¿cómo puede ser que el modelo estándar funcione tan extraordinariamente bien? y ¿por qué aún no hemos sido capaces de percibir nada parecido a otra generación de partículas y fuerzas que no encajen en el modelo estándar? La respuesta puede estar en el hecho cierto de que no disponemos de la energía necesaria para poder llegar más lejos de lo que hasta el momento hemos podido viajar con ayuda de los aceleradores de partículas.

Foto de El hallazgo de una nueva partícula abre un nueva era para la física.

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Los asistentes escuchan la presentación de los resultados del experimento ATLAS, durante el seminario del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) para presentar los resultados de los dos experimentos paralelos que buscan la prueba de la existencia de la “partícula de Higgs,  base del modelo estándar de física.

La pregunta “¿Qué hay más allá del Modelo estándar”? ha estado facinando a los físicos durante años. Y, desde luego, todos sueñan con llegar a saber, qué es lo que realmente es lo que conforma el “mundo” de la materia, qué partículas, cuerdas o briznas vibrantes. En realidad, lo cierto es que, la Física que conocemos no tiene que ser, necesariamente, la verdadera física que conforma el mundo y, sí, la física que conforma “nuestro mundo”, es decir, el mundo al que hemos podido tener acceso hasta el momento y que no necesariamente tiene que coincidir con el mundo real que no hemos podido alcanzar.

O, como decía aquél: ¡Que mundo más hermoso, parece de verdad!

 

                                       Siempre hay más de lo que el ojo ve

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 nuevas que nos posibiliten “ver” lo que ahora nos está “prohibido” y, para ello, como ocurre siempre, necesitamos energías de las que no disponemos.

 

Hay dos direcciones a lo largo de las cuales se podría extender el Modelo estándar, tal lo conocemos actualmente, que básicamente se caraterizan así:

- Nuevas partículas raras y nuevas fuerzas extremadamente débiles, y

- nuevas partículas pesadas y nuevas estructuras a muy altas energías.

Podrían existir partículas muy difíciles de producir y de detectar y que, por esa razón, hayan pasado desapaercibidas hasta. La primera partícula adicional en la que podríamos  pensar es un neutrinorotando a derecha. Recordaremos que si se toma el eje de rotación paralelo a la dirección del movimiento los neutrinos sólo rotan a izquierdas, pero… ¡esa sería otra historia!

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Los neutrinos siempre me han fascinado. Siempre se han manifestado como si tuvieran masa estrictamente nula. Parece como si se movieran exactamente con la velocidad de la luz. Pero hay un límite para la precisión de nuestras medidas. Si los neutrinos fueran muy ligeros, por ejemplo, una cienmillonésima de la masa del electrón, seríamos incapaces de detectar en el laboratorio la diferencia éstos y los neutrinos de masa estrictamente nula. Pero, para ello, el neutrino tendría que tener una componente de derechas.

En este punto, los astrónomos se unen a la discusión. No es la primera vez, ni será la última, que la astronomía nos proporciona información esencial en relación a las partículas elementales. Por ejemplo, debido a las interacciones de corriente neutra (las interacciones débiles originadas por un intercambio Zº), los neutrinos son un facto crucial en la explosión  supernova de una estrella. sabemos que debido a las interacciones por corriente neutra, pueden colisionar con las capas exteriores de la estrella y volarlas con una fuerza tremenda.

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En realidad, los neutrinos nos tienen mucho que decir, todavía y, no lo sabemos todo acerca de ellos, sino que, al contrario, son muchos los y fenómenos que están y subyacen en ellos de los que no tenemos ni la menor idea que existan o se puedan producir. Nuestra ignorancia es grande, y, sin embargo, no nos arredra hablar y hablar de cuestiones que, la mayoría de las veces…ni comprendemos.

Aquí lo dejar´ñe por hoy, el tema es largo y de una fascinación que te puede llevar a lugares en los que no habías pensado al comenzar a escribir, lugares maravillosos donde reinan objetos exóticos y de fascinante porte que, por su pequeñez, pueden vivir en “mundos” muy diferentes al nuestro en los que, ocurren cosas que, nos llevan el asombro y también, a ese mundo mágico de lo fascinante y maravilloso.

Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.

emilio silvera

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.

Resultado de imagen de Richard Feynman

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