jueves, 20 de enero del 2022 Fecha
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¿La Física? ¡Una maravilla! Nos dice cómo funciona la Naturaleza

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

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Ylia Prigogine haciendo lo que sólo unos privilegiados pueden hacer: desvelando los principios del mundo. Enn la pizarra, la entropía. La irreversibilidad del tiempo trae el orden al caos, decía.  De alguna manera pretendía explicar que nada permanece y todo cambia bajo los efectos del inexorable paso del Tiempo.

Pero centrémos nuestra atención en los próximos minutos en estos temas de la Física que nos dicen y descubren fenómenos asombrosos que, de otra manera, nunca podríamos comocer.

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 ininitesimal 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.”

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

Somos fruto de la evolución del Universo

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

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 Imagenes para el amor de tu vida (Recientes)2

                            

Una Galaxia es simplemente una parte pequeña del Universo, nuestro planeta es, una mínima fracción infinitesimal de esa Galaxia, y, nosotros mismos, podríamos ser comparados (en relación a la inmensidad del cosmos) con una colonia de bacterias pensantes e inteligentes. Sin embargo, toda forma parte de lo mismo y, aunque pueda dar la sensación engañosa de una cierta autonomía, en realidad todo está interconectado y el funcionamiento de una cosa incide directamente en el comportamiento de las otras. La Luna y la Tierra, nosotros con el planeta, el planeta y el resto del Sistema solar, las galaxias del Grupo Local… ¡Todo incide en todo! De alguna manera.

    Sí, en nuestro universo cuando algo cambia, muchas otras cosas serán distintas

Pocas dudas pueden caber a estas alturas del hecho de que poder estar hablando de estas cuestiones, es un milagro en sí mismo. Después de millones y millones de años de evolución, se formaron las conciencias primarias que surgieron en los animales con ciertas estructuras cerebrales de alta complejidad que, podían ser capaces de construir una escena mental, pero con capacidad semántica o simbólica muy limitada y careciendo de un verdadero lenguaje.

La conciencia de orden superior (que floreció en los humanos y presupone la coexistencia de una conciencia primaria) viene acompañada de un sentido de la propia identidad y de la capacidad explícita de construir en los estados de vigilia escenas pasadas y futuras. Como mínimo, requiere una capacidad semántica y, en su forma más desarrollada, una capacidad lingüística.

Los procesos neuronales que subyacen en nuestro cerebro son en realidad desconocidos y, aunque son muchos los estudios y experimentos que se están realizando, su complejidad es tal que, de momento, los avances son muy limitados. Estamos tratando de conocer la máquina más compleja y perfecta que existe en el Universo.

Si eso es así, resultará que después de todo, no somos tan insignificantes como en un principio podría parecer, y solo se trata de tiempo. En su momento y evolucionadas, nuestras mentes tendrán un nivel de conciencia que estará más allá de las percepciones físicas tan limitadas. Para entonces, sí estaremos totalmente integrados y formando parte, como un todo, del Universo que ahora presentimos.

El carácter especial de la conciencia me hace adoptar una posición que me lleva a decidir que no es un objeto, sino un proceso y que, desde este punto de vista, puede considerarse un ente digno del estudio científico perfectamente legítimo.

La conciencia plantea un problema especial que no se encuentra en otros dominios de la ciencia. En la Física y en la Química se suele explicar unas entidades determinadas en función de otras entidades y leyes. Podemos describir el agua con el lenguaje ordinario, pero podemos igualmente describir el agua, al menos en principio, en términos de átomos y de leyes de la mecánica cuántica. Lo que hacemos es conectar dos niveles de descripción de la misma entidad externa (uno común y otro científico de extraordinario poder explicativo y predictivo. Ambos niveles de descripción) el agua líquida, o una disposición particular de átomos que se comportan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica (se refiere a una entidad que está fuera de nosotros y que supuestamente existe independientemente de la existencia de un observador consciente.)

En el caso de la conciencia, sin embargo, nos encontramos con una simetría. Lo que intentamos no es simplemente comprender de qué manera se puede explicar las conductas o las operaciones cognitivas de otro ser humano en términos del funcionamiento de su cerebro, por difícil que esto parezca. No queremos simplemente conectar una descripción de algo externo a nosotros con una descripción científica más sofisticada. Lo que realmente queremos hacer es conectar una descripción de algo externo a nosotros (el cerebro), con algo de nuestro interior: una experiencia, nuestra propia experiencia individual, que nos acontece en tanto que observadores conscientes. Intentamos meternos en el interior o, en la atinada ocurrencia del filósofo Tomas Negel, saber qué se siente al ser un murciélago. Ya sabemos qué se siente al ser nosotros mismos, qué significa ser nosotros mismos, pero queremos explicar por qué somos conscientes, saber qué es ese “algo” que nos hace ser como somos, explicar, en fin, cómo se generan las cualidades subjetivas experienciales. En suma, deseamos explicar ese “Pienso, luego existo” que Descartes postuló como evidencia primera e indiscutible sobre la cual edificar toda la filosofía.

Ninguna descripción, por prolija que sea, logrará nunca explicar cabalmente la experiencia subjetiva. Muchos filósofos han utilizado el ejemplo del color para explicar este punto. Ninguna explicación científica de los mecanismos neuronales de la discriminación del color, aunque sea enteramente satisfactorio, bastaría para comprender cómo se siente el proceso de percepción de un color. Ninguna descripción, ninguna teoría, científica o de otro tipo, bastará nunca para que una persona daltónica consiga experimentar un color.

En un experimento mental filosófico, Mary, una neurocientífica del futuro daltónica, lo sabe todo acerca del sistema visual y el cerebro, y en particular, la fisiología de la discriminación del color. Sin embargo, cuando por fin logra recuperar la visión del color, todo aquel conocimiento se revela totalmente insuficiente comparado con la auténtica experiencia del color, comparado con la sensación de percibir el color. John Locke vio claramente este problema hace mucho tiempo.

Pensemos por un momento que tenemos un amigo ciego al que contamos lo que estamos viendo un día soleado del mes de abril: El cielo despejado, limpio y celeste, el Sol allí arriba esplendoroso y cegador que nos envía su luz y su calor, los árboles y los arbustos llenos de flores de mil colores que son asediados por las abejas, el aroma y el rumor del río, cuyas aguas cantarinas no cesan de correr transparentes, los pajarillos de distintos plumajes que lanzan alegres trinos en sus vuelos por el ramaje que se mece movido por una brisa suave, todo esto lo contamos a nuestro amigo ciego que, si de pronto pudiera ver, comprobaría que la experiencia directa de sus sentidos ante tales maravillas, nada tiene que ver con la pobreza de aquello que le contamos, por muy hermosas palabras que para hacer la descripción empleáramos.

La mente humana es tan compleja que, no todos ante la misma cosa, vemos lo mismo. Nos enseñan figuras y dibujos y nos piden que digamos (sin pensarlo) la primera cosa que nos sugiere. De entre diez personas solo coinciden tres, los otro siete divergen en la apreciación de lo que el dibujo o la figura les sugiere.

Esto nos viene a demostrar la individualidad de pensamiento, el libre albedrío para decidir. Sin embargo, la misma prueba, realizada en grupos de conocimientos científicos similares y específicos: Físicos, matemáticos, químicos, etc., hace que el número de coincidencias sea más elevada, más personas ven la misma respuesta al problema planteado. Esto nos sugiere que, la mente está en un estado virgen que cuenta con todos los elementos necesarios para dar respuestas pero que necesita experiencias y aprendizaje para desarrollarse.

¿Debemos concluir entonces que una explicación científica satisfactoria de la conciencia queda para siempre fuera de nuestro alcance?

¿O es de alguna manera posible, romper esa barrera, tanto teórica como experimental, para resolver las paradojas de la conciencia?

La respuesta a estas y otras preguntas, en mi opinión, radica en reconocer nuestras limitaciones actuales en este campo del conocimiento complejo de la mente, y, como en la Física cuántica, existe un principio de incertidumbre que, al menos de momento (y creo que en muchos cientos de años), nos impide saberlo todo sobre los mecanismos de la conciencia y, aunque podremos ir contestando a preguntas parciales, alcanzar la plenitud del conocimiento total de la mente no será nada sencillo, entre otras razones está el serio inconveniente que suponemos nosotros mismos, ya que, con nuestro que hacer podemos, en cualquier momento, provocar la propia destrucción.

Dentro de nuestros cerebros están todos los objetos del Universo y, también, todas las respuestas a las preguntas que planteamos y npo han tenido respuestas. Sin embargo, es sólo cosa de tiempo, a medida que la evolución avance, las respuestas llegaran con el conocimiento de cómo funciona la Naturaza, la madre de todo lo que pasa a nuestro alrededor y también, de lo que, de momento, no podemos ver.

Una cosa si está clara: ninguna explicación científica de la mente podrá nunca sustituir al fenómeno real de lo que la propia mente pueda sentir. ¿Cómo se podría comparar la descripción de un gran amor con sentirlo, vivirlo física y sensorialmente hablando?

Hay cosas que no pueden ser sustituidas, por mucho que los analistas y especialistas de publicidad y márketing se empeñen, lo auténtico siempre será único. Si acaso, el que más se puede aproximar, a esa verdad,  es el poeta.

emilio silvera