{"id":2958,"date":"2009-11-21T12:33:34","date_gmt":"2009-11-21T10:33:34","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=2958"},"modified":"2009-11-21T13:43:39","modified_gmt":"2009-11-21T11:43:39","slug":"particulas-elementales-i","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2009\/11\/21\/particulas-elementales-i\/","title":{"rendered":"Part\u00edculas elementales I"},"content":{"rendered":"

Poco tiempo despu\u00e9s, en 1905, Einstein<\/a> formul\u00f3 esta teor\u00eda de una manera mucho m\u00e1s tajante: \u00e9l sugiri\u00f3 que los objetos calientes no son los \u00fanicos que emiten radiaci\u00f3n en paquetes de energ\u00eda, sino que toda la radiaci\u00f3n consiste en m\u00faltiplos del paquete de energ\u00eda de Planck. El pr\u00edncipe franc\u00e9s Louis-Victor de Broglie, d\u00e1ndole otra vuelta a la teor\u00eda, propuso que no s\u00f3lo cualquier cosa que oscila tiene energ\u00eda, sino que cualquier cosa con energ\u00eda se debe comportar como una \u201conda\u201d que se extiende en una cierta regi\u00f3n del espacio, y que la frecuencia \u03bd<\/em> de la oscilaci\u00f3n verifica la ecuaci\u00f3n de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deber\u00edan verse como una clase de part\u00edculas elementales: el fot\u00f3n<\/a>. Todas las dem\u00e1s clases de part\u00edculas llevan asociadas\u00a0 diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, pero esto lo veremos m\u00e1s adelante.<\/p>\n

El curioso comportamiento de los electrones<\/a> en el interior del \u00e1tomo, descubierto y explicado por el famoso f\u00edsico dan\u00e9s Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco despu\u00e9s, en 1926, Edwin Schr\u00f6dinger descubri\u00f3 c\u00f3mo escribir la teor\u00eda ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matem\u00e1ticas exactas. La precisi\u00f3n con la cual se pod\u00edan realizar c\u00e1lculos era asombrosa, y pronto qued\u00f3 claro que el comportamiento de todos los objetos peque\u00f1os quedaba exactamente determinado por las reci\u00e9n descubiertas \u201cecuaciones de ondas cu\u00e1nticas\u201d.<\/p>\n

Est\u00e1 bien comprobado que la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica funciona de maravilla\u2026, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: \u00bfqu\u00e9 significan realmente estas ecuaciones?, \u00bfqu\u00e9 es lo que est\u00e1n describiendo? Cuando Isaac Newton<\/a>, all\u00e1 en 1867 formul\u00f3 c\u00f3mo deb\u00edan moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo qu\u00e9 significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posici\u00f3n bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequ\u00edvocamente c\u00f3mo evolucionar\u00e1n las posiciones y las velocidades en el tiempo.<\/p>\n

Pero para los electrones<\/a> todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran \u201cexistir\u201d en diferentes lugares simult\u00e1neamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto peque\u00f1o. Si se realizan experimentos con suficiente precisi\u00f3n, se puede determinar que el electr\u00f3n<\/a> parece capaz de moverse simult\u00e1neamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. \u00bfQu\u00e9 puede significar todo esto?<\/p>\n

Niels Bohr consigui\u00f3 responder a esta pregunta de forma tal que con su explicaci\u00f3n se pudo seguir trabajando, y muchos f\u00edsicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretaci\u00f3n de Copenhague<\/em> de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica.<\/p>\n

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Las leyes de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica han sido establecidas con mucha precisi\u00f3n; permite c\u00f3mo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos \u201cinterpretar\u201d el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las part\u00edculas peque\u00f1as no pueden estar bien definidas de manera simult\u00e1nea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una part\u00edcula con mucha precisi\u00f3n, pero entonces no sabremos exactamente d\u00f3nde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posici\u00f3n con precisi\u00f3n, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una part\u00edcula tiene esp\u00edn<\/a> (rotaci\u00f3n alrededor de su eje), la direcci\u00f3n alrededor de la cual est\u00e1 rotando (la orientaci\u00f3n del eje) no puede ser definida con gran precisi\u00f3n.<\/p>\n

No es f\u00e1cil explicar de forma sencilla de d\u00f3nde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duraci\u00f3n en el tiempo durante el cual o\u00edmos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento musical se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapas\u00f3n que debe vibrar tambi\u00e9n durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.<\/p>\n

Para que las reglas de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica funcionen, es necesario que todos los fen\u00f3menos naturales en el mundo de las cosas peque\u00f1as est\u00e9n regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando m\u00e1s grande y m\u00e1s pesado es un objeto, m\u00e1s dif\u00edcil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento \u201ccl\u00e1sicas\u201d debidas a la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. Me gustar\u00eda referirme a esta exigencia tan importante y tan peculiar de la teor\u00eda con la palabra \u201cholismo<\/em>\u201d. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos fil\u00f3sofos por holismo, y que podr\u00eda definir como \u201cel todo es m\u00e1s que la suma de sus partes\u201d. Si la f\u00edsica nos ha ense\u00f1ado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran n\u00famero de part\u00edculas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (part\u00edculas); basta que sepamos sumar correctamente (\u00a1y esto no es nada f\u00e1cil en mec\u00e1nica cu\u00e1ntica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero s\u00f3lo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo,\u00a0 la constante de Planck<\/a>, h<\/em>, que es igual a 6\u2019626075\u2026 \u00d7 10-34<\/sup> Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.<\/p>\n

Las reglas de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente dif\u00edcil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein<\/a> y otros pioneros como Erwin Schr\u00f6dinger siempre presentaron serias objeciones a esta interpretaci\u00f3n. Quiz\u00e1 funcione bien, pero \u00bfd\u00f3nde est\u00e1 exactamente el electr\u00f3n?, \u00bfen el punto x<\/em> o en el punto y<\/em>? En pocas palabras, \u00bfd\u00f3nde est\u00e1 en realidad?, y \u00bfcu\u00e1l es la realidad que hay detr\u00e1s de nuestras f\u00f3rmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, por s\u00ed mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las \u00fanicas realidades de las que podemos hablar.<\/p>\n

La mec\u00e1nica cu\u00e1ntica puede ser definida o resumida as\u00ed: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos ahora se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicci\u00f3n consiste en dos factores: el primer factor es un c\u00e1lculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton<\/a> para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estad\u00edstica e incontrolable definida matem\u00e1ticamente de forma estricta. Las part\u00edculas seguir\u00e1n una distribuci\u00f3n de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuaci\u00f3n de Schr\u00f6dinger<\/a> de funci\u00f3n de onda (\u03a8<\/em>) que, con muchas probabilidades nos indicar\u00e1 el lugar probable donde se encuentra una part\u00edcula en un momento dado.<\/p>\n

Muchos estiman que esta teor\u00eda de las probabilidades desaparecer\u00e1 cuando se consiga la teor\u00eda que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teor\u00eda del todo, lo que implica que nuestra descripci\u00f3n actual incluye variables y fuerzas que (a\u00fan) no conocemos o no entendemos. Esta interpretaci\u00f3n se conoce como hip\u00f3tesis de las variables ocultas<\/em>.<\/p>\n

Albert Einstein<\/a>, Nathan Rosen y Boris Podolski idearon un \u201cGedankenexperiment\u201d, un experimento hipot\u00e9tico, realizado sobre el papel, para el cual la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica predec\u00eda como resultado algo que es imposible de reproducir en ninguna teor\u00eda razonable de variables ocultas. M\u00e1s tarde, el f\u00edsico irland\u00e9s John Stewar Bell consigui\u00f3 convertir este resultado en un teorema matem\u00e1tico; el teorema de imposibilidad.<\/p>\n

Velocidades inimaginables<\/span><\/p>\n

En el centro del \u00e1tomo se encuentra un peque\u00f1o grano compacto aproximadamente 100.000 veces m\u00e1s peque\u00f1o que el propio \u00e1tomo: el n\u00facleo at\u00f3mico. Su masa, e incluso m\u00e1s a\u00fan su carga el\u00e9ctrica, determinan las propiedades del \u00e1tomo del cual forma parte. Debido a la solidez del n\u00facleo parece que los \u00e1tomos, que dan forma a nuestro mundo cotidiano, son intercambiables entre s\u00ed, e incluso cuando interaccionan entre ellos para formar sustancias qu\u00edmicas (los elementos). Pero el n\u00facleo, a pesar de ser tan s\u00f3lido, puede partirse. Si dos \u00e1tomos chocan uno contra el otro con gran velocidad podr\u00eda suceder que los n\u00facleos llegaran a chocar entre s\u00ed y entonces, o bien se rompen en trozos, o se funden liberando en el proceso part\u00edculas subnucleares. La nueva f\u00edsica de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por los nuevos acertijos que estas part\u00edculas planteaban.<\/p>\n

Pero tenemos la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica; \u00bfes que no es aplicable siempre?, \u00bfcu\u00e1l es la dificultad? Desde luego, la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica es v\u00e1lida para las part\u00edculas subat\u00f3micas, pero hay m\u00e1s que eso. Las fuerzas con que estas part\u00edculas interaccionan y que mantienen el n\u00facleo at\u00f3mico unido son tan fuertes que las velocidades a las que tienen que moverse dentro y fuera del n\u00facleo est\u00e1n cerca de la velocidad de la luz, c<\/em>, que es de 299.792\u2019458 Km\/s. Cuando tratamos con velocidades tan altas se necesita una segunda modificaci\u00f3n a las leyes de la f\u00edsica del siglo XIX; tenemos que contar con la teor\u00eda de la relatividad<\/a> especial de Einstein<\/a>.<\/p>\n

Esta teor\u00eda tambi\u00e9n fue el resultado de una publicaci\u00f3n de Einstein<\/a> de 1905. en esta teor\u00eda quedaron sentadas las bases de que el movimiento y el reposo son conceptos relativos, no son absolutos, como tampoco habr\u00e1 un sistema de referencia absoluto con respecto al cual uno pueda medir la velocidad de la luz.<\/p>\n

Pero hab\u00eda m\u00e1s cosas que ten\u00edan que ser relativas. En esta teor\u00eda, la masa y la energ\u00eda tambi\u00e9n dependen de la velocidad, como lo hacen la intensidad del campo el\u00e9ctrico y del magn\u00e9tico.<\/p>\n

Einstein<\/a> descubri\u00f3 que la masa de una part\u00edcula es siempre proporcional a la energ\u00eda que contienen, supuesto que se haya tenido en cuenta una gran cantidad de energ\u00eda en reposo<\/em> de una part\u00edcula cualquiera, como se denota a continuaci\u00f3n:\u00a0 E = mc2<\/sup><\/p>\n

Como la velocidad de la luz es muy grande, esta ecuaci\u00f3n sugiere que cada part\u00edcula debe almacenar una cantidad enorme de energ\u00eda, y en parte esta predicci\u00f3n fue la que hizo que la teor\u00eda de la relatividad<\/a> tuviese tanta importancia para la f\u00edsica (\u00a1y para todo el mundo!). Para que la teor\u00eda de la relatividad<\/a> tambi\u00e9n sea autoconsistente tiene que ser holista<\/em>, esto es, que todas las cosas y todo el mundo obedezcan a las leyes de la relatividad<\/a>. No son s\u00f3lo los relojes los que se atrasan a grandes velocidades, sino que todos los procesos animados se comportan de la forma tan inusual que describe esta teor\u00eda cuando nos acercamos a la velocidad de la luz. El coraz\u00f3n humano es simplemente un reloj biol\u00f3gico y latir\u00e1 a una velocidad menor cuando viaje en un veh\u00edculo espacial a velocidades cercanas a la de la luz. Este extra\u00f1o fen\u00f3meno conduce a lo que se conoce como la \u201cparadoja de los gemelos\u201d, sugerida por Einstein<\/a>, en la que dos gemelos id\u00e9nticos tienen diferente edad cuando se reencuentran despu\u00e9s de que uno haya permanecido en la Tierra mientras que el otro ha viajado a velocidades relativistas.<\/p>\n

Einstein<\/a> comprendi\u00f3 r\u00e1pidamente que las leyes de la gravedad tambi\u00e9n tendr\u00edan que ser modificadas para que cumplieran el principio relativista.<\/p>\n

Para poder aplicar el principio de la relatividad<\/a> a la fuerza gravitatoria, el principio tuvo que ser extendido de la siguiente manera: no s\u00f3lo debe ser imposible determinar la velocidad absoluta del laboratorio, sino que tambi\u00e9n es imposible distinguir los cambios de velocidad de los efectos de una fuerza gravitatoria.<\/p>\n

Einstein<\/a> comprendi\u00f3 que la consecuencia de esto era que la gravedad hace al espacio-tiempo lo que la humedad a una hoja de papel: deformar la superficie con desigualdades que no se pueden eliminar. Hoy en d\u00eda se conocen muy bien las matem\u00e1ticas de los espacios curvos, pero en el \u00e9poca de Einstein<\/a> el uso de estas nociones matem\u00e1ticas tan abstractas para formular leyes f\u00edsicas era algo completamente nuevo, y le llev\u00f3 varios a\u00f1os encontrar la herramienta matem\u00e1tica adecuada para formular su teor\u00eda general de la relatividad<\/a> que describe c\u00f3mo se curva el espacio en presencia de grandes masas como planetas y estrellas.<\/p>\n

Einstein<\/a> ten\u00eda la idea en su mente desde 1907 (la relatividad<\/a> especial la formul\u00f3 en 1915), y se pas\u00f3 8 a\u00f1os buscando las matem\u00e1ticas adecuadas para su formulaci\u00f3n. Muchas veces he referido aqu\u00ed que, gracias a la conferencia de Riemann, en la que formulaba la geometr\u00eda de los espacios curvos con su Tensor m\u00e9trico, Einstein<\/a> pudo, por f\u00edn, formular su teor\u00eda.<\/p>\n

emilio silvera<\/em><\/p>\n

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Poco tiempo despu\u00e9s, en 1905, Einstein formul\u00f3 esta teor\u00eda de una manera mucho m\u00e1s tajante: \u00e9l sugiri\u00f3 que los objetos calientes no son los \u00fanicos que emiten radiaci\u00f3n en paquetes de energ\u00eda, sino que toda la radiaci\u00f3n consiste en m\u00faltiplos del paquete de energ\u00eda de Planck. El pr\u00edncipe franc\u00e9s Louis-Victor de Broglie, d\u00e1ndole otra vuelta […]<\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_s2mail":"","footnotes":""},"categories":[6],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2958"}],"collection":[{"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2958"}],"version-history":[{"count":0,"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2958\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2958"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2958"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2958"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}