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¡La Física Cuántica! Una maravilla

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

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¡La Física! Esa maravilla que está presente en todo lo que podemos ver y en aquello donde la vista no llega. La infinitud de las partículas elementales que forman todo cuanto existe en la Naturaleza, no siempre se dejan ver ni hacen posible que podamos observar las maravillas que pueden llevar a cabo,

Las sustancias formadas por una sola clase de átomos se llaman elementos químicos, y, si está conformada por distintos átomos, son compuestos. La palabra “átomo” procede del griego ατομος, que significa “indivisible” y el uso de la palabra “elemento” sugiere que se ha llegado a los ladrillos básicos con los que está formada la materia. De hecho, esta es la imagen que se tenía a mediados del siglo XIX cuando se acuñaron estos términos. Sin embargo, hoy sabemos que todo esto es falso, que los átomos se pueden dividir y que, de esta manera, los elementos han dejado de ser verdaderamente elementales. Los físicos continúan con esta nomenclatura aunque sea formalmente incorrecta, ya que, la costumbre, como dicen los juristas, no pocas veces rigen la jerga de las leyes.

A todo esto y hablando de los átomos, por fuerza, nos tenemos que acordar del electrón que da al átomo su forma esférica. Son partículas cargadas eléctricamente que se mueven alegremente alrededor del núcleo. El electrón es muy ligero: su masa es solamente 1/1.8836 de la del núcleo más ligero (el hidrógeno). La carga eléctrica del electrón es de signo opuesto a la del núcleo, de manera que los electrones están fuertemente atraídos hacia el núcleo y se repelen mutuamente. Si la carga eléctrica total de los electrones en un átomo iguala a la del núcleo, para lo que generalmente se necesitan varios electrones, se dice que el átomo está en equilibrio o que es eléctricamente neutro.

Claro que, no debemos olvidarnos de que… ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas! Una inmensa galaxia se conforma de un conjunto inmenso de átomos inifinitesimales que juntos, hacen ese gran todo.

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/electrostatica/fotos/carga_globo_g.gif

La fuerza a la que obedecen los electrones, la denominada fuerza electrostática o de Coulomb, es matemáticamente bastante sencilla y, sin embargo, los electrones son los responsables de las importantes propiedades de los “enlaces químicos”. Esto se debe a que las leyes de movimiento de los electrones están regidas completamente por la “mecánica cuántica”, teoría que se completó a principios del siglo XX. Es una teoría paradójica y difícil de entender y explicar, pero al mismo tiempo es muy interesante, fantástica y revolucionaria. Cuando uno se introduce en las maravillas de la mecánica cuántica es como si hiciera un viaje a un universo que está situado fuera de este mundo nuestro, ya que, las cosas que allí se ven, desdicen todo lo que dicta nuestro sentido común de cómo tiene que ser el mundo que nos rodea.

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La perfecta sincronía Está en la Naturaleza

No solamente los electrones, sino también los núcleos atómicos y los átomos en su conjunto obedecen y se rigen por la mecánica cuántica. La Física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck, escribió un artículo de ocho páginas y allí 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.

Estaban bien aceptados 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 a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para las longitudes mayores como para las 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 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 la onda y, por lo tanto, proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. La sencilla fórmula es:

E = h x v

Donde E es la energía del paquete, v 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.

Resultado de imagen de Los cuantos de energía están presentes por todas partes y en todos los objetos

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una forma 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 de los paquetes 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 una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región 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.

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, Erwin Schrödinger descubrió como escribir la teoría ondulatoria de Debroglie 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 estaban exactamente determinados por la recién descubiertas “ecuaciones de onda cuánticas”.

Pocas dudas nos pueden caber a estas alturas de que la mecánica cuántica (de Planck) y, la Relatividad –tanto especial como general- (de Einstein), además de ser las dos teorías más importantes de la Física de nuestro tiempo, funcionan de tal forma que uno, cuando profundiza en sus predicciones y las compara con lo que ocurre en el Universo, no puede por menos que, asombrarse, al comprobar como unas mentes humanas han sido capaces de llegar a estos profundos pensamientos que nos acerca a la realidad de la Naturaleza.

emilio silvera

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 2 de agosto del 2019 a las 10:04

    No podría decir el por qué, al leer el trabajo, se me vino a la Mente una frase que pronunció una famosa escritora: “Lo peor del Futuro es el Pasado”. La frase no refleja toda la realidad, ya que, si el futuro es el que carga con los errores del pasado, también se lleva los aciertos, es decir, ahora en el Presente que se hará pasado mañana, estamos construyendo el Futuro que vendrá, todo es el resultado de lo que antes hicimos (causalidad), y, desde luego, de los errores del Pasado aprendimos para no repetirlos y hacer un futuro mejor, así que, la frase es bonita pero poco realista.
    En Física por ejemplo, si echamos una mirada al Pasado, podremos comprobar que muchos de los conocimientos que ahora tenemos se fgraguaron allí, en las teorías construídas por las Mentes de de los que antes que nosotros estuvieron aquí, y, desde luego, sin sus logros, nunca se podrían haber alcanzado los nuestros.
    Lo malo del Futuro no es el Pasado, lo malo del Futuro es que está por venir, que nunca lo podremos conocer, que estamos condenados a vivir en un infinito o Eterno Presente, y, que el Futuro, además de estar supeditado a lo que hagamos en el Presente, también, será determinado por un Azar que desconocemos. Si el 3 de marzo de 2.023 cae un meteorito de 500 Km. en nuestro mundo… ¿Qué tiene eso que ver con el pasado?
    Hablar del Tiempo es delicado, los humanos lo hemos cuantizado para valernos de él atendiendo a los segundos, minutos, horas, días, semanas, meses, años, siglos… Miles y millones de años, y, para el inmenso universo, donde estas medidas son inútiles, hablamos del Año Luz, Parsec, Megaparsec y otros que erstán refridos a muy grandes distancias como la Unidad Astronómica que nos separa del Sol. También hemos hecho apartados del Pasado, Presente y Futruro.
    Nosotros vivimos parte en el pasado y todo lo demás en el Presente, del futuro nunca podremos disfrutar, sólo conjeturar sobre lo que podría ser. El Pasado es el Tiempo que se fue, el que podemos rememorar y recordar sus hechos, ese al que nunca podremos volver. El Presente es un regalo, la palabra lo dice “PRESENTE”, es el Tiempo dinámico, el que tenemos para realizar nuestros sueños, lo que no se haga en el Presente nunca lo podremos hacer.
    El Futuro, es el Tiempo para soñar, imaginar, el Tiempo por venir en el que nunca podremos estar. Allí estarán otros pero, para ellos,… ¡También será Presente!
    Pasado, Presente y Futuro… ¿Una abstracción de la Mente? Lo dudo, su inexorable transcurrir deja huellas en todas las cosas y, lo nuevo se hace viejo, una cosa se transforma en otra distinta, la dinámica del Universo aliada con el paso del Tiempo se vale de él como de una herramienta que todo lo cambia.
    ¿Qué es el Tiempo? Ya me gustaría a mí saberlo.

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