TRIBUNA

El movimiento sincronizado de los electrones en el átomo de Helio ha podido ser visualizado y controlado por primera vez utilizando pulsos láser de ottosegundos. Así lo contaron en Tribuna los autores del trabajo, Luca Argenti y Fernando Martín.

 

    Fotogramas de la película del movimiento de un par de electrones en el átomo de helio.

Físicos y químicos nos sorprenden cada día con el control que pueden ejercer sobre la materia. Por primera vez, investigadores españoles y alemanes hemos conseguido obtener la película del movimiento de los dos electrones que constituyen el átomo de helio e incluso controlar los pasos de esta singular pareja de baile. Para ello, hemos empleado una combinación de pulsos de luz visible y ultravioleta con una duración de tan solo unos pocos cientos de attosegundos (un attosegundo es una mil millonésima de una milmillonésima parte de un segundo). El control sobre el movimiento de pares de electrones podría revolucionar nuestra visión de la química, ya que los enlaces entre los distintos átomos que constituyen las moléculas, desde el agua al ADN, son el resultado del apareamiento de dos electrones. Por tanto, la perspectiva de utilizar láseres de attosegundos para controlar el destino de los electrones apareados en un enlace abre el camino a la producción de sustancias que no pueden ser sintetizadas utilizando procedimientos químicos convencionales.

Representación animada de un átomo de deuterio, uno de los isótopos del hidrógeno.

Para explicar algunas características extrañas en el espectro del átomo de hidrógeno, en 1913, el físico Niels Bohr introdujo un modelo planetario en el que el electrón cargado negativamente, unido al núcleo cargado positivamente por la fuerza electrostática de Coulomb, está restringido a moverse solamente a lo largo de órbitas muy concretas. Esta cuantificación del movimiento electrónico abrió un nuevo capítulo de la física y química modernas, sin el cual no se podría haber alcanzado el conocimiento de la materia del que se dispone hoy en día. En el modelo de Bohr, las cosas suceden rápidamente: el año sideral, es decir, el tiempo que el electrón necesita para completar la órbita más corta alrededor del núcleo, tiene la increíblemente corta duración de 0.000 000 000 000 000 152 segundos, o 152 attosegundos (as), un valor que se hace aún más pequeño cuando se consideran elementos más pesados en la tabla periódica de los elementos químicos.

El attosegundo es, de hecho, la escala de tiempo natural en el que los electrones se mueven en la materia ordinaria. El movimiento ultrarrápido predicho por el modelo de Bohr no pudo ser confirmado directamente hasta que, a comienzos de este siglo, una serie de avances revolucionarios generó la tecnología láser capaz de producir destellos de luz suficientemente cortos (el récord mundial es de 67 as) para hacer fotografías del movimiento de un electrón y así generar la película de ese movimiento. En contraste con el mundo macroscópico, una película del movimiento del electrón no revela un desplazamiento a lo largo de una trayectoria bien definida. Como consecuencia del comportamiento ondulatorio de la materia a nivel atómico, el electrón aparece como una nube difusa (o paquete de ondas) en movimiento. La densidad de la nube indica la probabilidad de encontrar al electrón en distintas regiones del espacio.

En los sistemas más grandes que el hidrógeno, con varios electrones, la misma fuerza de Coulomb que une a un electrón con el núcleo también actúa repulsivamente entre los electrones. El efecto de tal repulsión es apantallar la carga nuclear, debilitando así el efecto atractivo del núcleo sobre cada uno de los electrones. Sin embargo, en gran medida, los electrones siguen actuando como partículas independientes y, por tanto, el movimiento del paquete de ondas que representa a todos los electrones no es mucho más complicado que el observado para un solo electrón en el átomo de hidrógeno. Hasta ahora, los experimentos llevados a cabo para seguir el movimiento de los paquetes de onda en átomos complejos fueron capaces de poner en marcha un solo electrón a la vez, confirmando esta imagen de que los electrones se mueven de forma casi independiente los unos de los otros.

La repulsión electrostática entre los electrones, sin embargo, tiene un efecto secundario, más sutil. De la misma manera que un pasajero de autobús evita sentarse al lado de otros pasajeros y toparse con ellos a medida que camina por el pasillo, los electrones tratan de evitarse el uno al otro cuando se mueven en el interior de un átomo o una molécula; el movimiento de los electrones se dice que está correlacionado. De este modo, los electrones minimizan su repulsión mutua y, como consecuencia, estabilizan el átomo o molécula a la que pertenecen. Dicha estabilización es responsable del balance energético de todos los procesos naturales, y es clave para nuestra comprensión y control del comportamiento de la materia, como la transferencia de energía en sistemas fotosintéticos, la protección de datos en los futuros ordenadores cuánticos, etcétera. A pesar de ello, el movimiento de dos electrones correlacionados ha eludido la observación experimental directa hasta el momento presente. Además, es muy difícil de reproducir teóricamente, ya que, incluso para el átomo de helio, que es el sistema más simple con dos electrones, las ecuaciones físico-cuánticas que describen este movimiento no pueden resolverse exactamente y, en su lugar, deben realizarse costosos cálculos numéricos en superordenadores.

Para poder tomar en cuenta la indistinguibilidad de los dos electrones del helio siguiendo las reglas de la Mecánica Cuántica, lo cual requiere que en una …

Esta semana, en la revista Nature, los investigadores teóricos de la Universidad Autónoma de Madrid, Luca Argenti y Fernando Martín, en colaboración con el grupo experimental de Thomas Pfeifer, del Instituto Max Planck de Heidelberg, explicamos cómo hemos reconstruido por primera vez el movimiento simultáneo de dos electrones excitados en el helio, a partir de datos experimentales y cálculos de física cuántica inéditos. Hemos utilizado una versión de alta resolución de una técnica conocida como espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos, mediante la cual se midió la transparencia de una muestra de helio a destellos cortos de luz ultravioleta en función del tiempo transcurrido entre este destello y otro de luz roja generado por un láser de titanio-zafiro.

Al igual que un adulto empuja a un niño en un columpio, el pulso ultravioleta lleva el átomo a un estado excitado, donde ambos electrones oscilan. Actuando de manera adecuada, las piernas de los niños pueden amplificar o amortiguar las oscilaciones del columpio. Y midiendo la amplitud de dichas oscilaciones se puede deducir el punto en el que el niño movió las piernas, es decir, reconstruir el movimiento original del columpio. De una manera similar, en el experimento, el pulso de luz roja fortalece o debilita la absorción de la luz ultravioleta en función del tiempo transcurrido entre los dos pulsos. A partir de la modulación de la absorción ultravioleta, hemos logrado reconstruir la oscilación de los dos electrones, y de ahí deducir la evolución del correspondiente paquete de ondas. Más allá del seguimiento de este movimiento, también pudimos modificarlo y controlarlo aumentando la intensidad del pulso rojo. Volviendo a la analogía del columpio, es como si el niño estuviera, además, sujetando una cometa: un fuerte golpe de viento alteraría por completo la oscilación del columpio.

Con este trabajo, consideramos que hemos abierto el camino para la observación directa del movimiento electrónico correlacionado en átomos y moléculas, y quizá para controlar el movimiento de los electrones apareados en enlace químicos, lo que permitiría la producción de sustancias que no pueden ser obtenidas con procedimientos químicos convencionales.

Luca Argenti y Fernando Martín son investigadores teóricos del Departamento de Química de la Universidad Autónoma de Madrid

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Seguramente, como hemos podido ver en una película de ciencia ficción, llegará un día en el que, podremos entrar en una inmensa habitación de hologramas,  en la que, previa elección de la  programación adecuada, todo se transformará en un “mundo ficticio” que, lo mismo podrá ser una playa luminosa con arena dorada, una Selva tropical o un desierto, dependiendo de los gustos del usuario.

Si repasamos la historia de la ciencia, seguramente encontraremos muchos motivos para el optimismo. Witten (el Físico de la Teoría M),  está convencido de que la ciencia será algún día capaz de sondear hasta las energías de Planck. Como ya he contado en otras ocasiones, él dijo:

“No siempre es tan fácil decir cuáles son las preguntas fáciles y cuáles las difíciles. En el siglo XIX, la pregunta de por qué el agua hierve a 100 grados era desesperadamente inaccesible. Si usted hubiera dicho a un físico del siglo XIX que hacia el siglo XX sería capaz de calcularlo, le habría parecido un cuento de hadas… La teoría cuántica de campos es tan difícil que nadie la creyó completamente durante 25 años.”

 

 

En su opinión, las buenas ideas siempre se verifican. Los ejemplos son innumerables: la gravedad de Newton, el campo eléctrico de Faraday y el electromagnetismo de Maxwell, la teoría de la relatividad de Einstein en sus dos versiones y su demostración del efecto fotoeléctrico, la teoría del electrón de Paul Dirac, el principio de incertidumbre de Heisenberg, la función de ondas de Schrödinger, y tantos otros. Algunos de los físicos teóricos más famosos, sin embargo, protestaban de tanto empeño en la experimentación. El astrónomo arthur Eddington se cuestionaba incluso si los científicos no estaban forzando las cosas cuando insistían en que todo debería ser verificado.

Sin embargo, muchos son los ejemplos de un ingenio superior que nos llevaron a desvelar secretos de la Naturaleza que estaban profundamente escondidos, y, el trabajo de Dirac en relación al electrón, es una buena muestra de ese ingenio humano que, de vez en cuando vemos florecer.

Siendo m la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz,  p el operador de momento, la constante reducida de Planck,  x y t las coordenadas del espacio y el tiempo,  respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La función de onda ha de ser formulada como un espinor (objeto matemático similar a un vectorque cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac) de cuatro componentes, y no como un simple escalar,  debido a los requerimientos de la relatividad especial. Los α son operadores lineales que gobiernan la función de onda, escritos como una matriz y son matrices de 4×4 conocidas como matrices de Dirac.

El premio Nobel Paul dirac incluso llegó a decir de forma más categórica: “Es más importante tener belleza en las ecuaciones que tener experimentos que se ajusten a ellas“, o en palabras del físico John Ellis del CERN, “Como decía en una envoltura de caramelos que abrí hace algunos años, «Es sólo el optimista el que consigue algo en este mundo».“

Yo, como todos ustedes, un hombre normal y corriente de la calle, escucho a unos y a otros, después pienso en lo que dicen y en los argumentos y motivaciones que les han llevado a sus respectivos convencimientos, y finalmente, también decido según mis propios criterios mi opinión, que no obligatoriamente coincidirá con alguna de esas opiniones, y que en algún caso, hasta me permito emitirla.

Niveles de aumento de la materia:

1. Materia.
2. Estructura molecular.
3. Átomos.
4. Electrones.
5. Quarks.
6. Cuerdas.

Suponiendo que algún físico brillante nos resuelva la teoría de campos de cuerdas y derive las propiedades conocidas de nuestro universo, con un poco de suerte, podría ocurrir en este mismo siglo, lo que no estaría nada mal considerando las dificultades de la empresa. El problema fundamental es que estamos obligando a la teoría de cuerdas a responder preguntas sobre energías cotidianas, cuando su “ámbito natural” está en la energía de Planck. Esta fabulosa energía fue liberada sólo en el propio instante de la creación, lo que quiere decir que la teoría de supercuerdas es naturalmente una teoría de la creación.

    Las primeras observaciones realizadas por Planck | ESA y Axel Mellinger.

Fuimos capaces de predecir que el Big Bang produjo un “eco” cósmico reverberando en el universo y que podría ser mesurable por los instrumentos adecuados. De hecho, Arno Penzias y Robert Wilson de los Bell Telephone Laboratories ganaron el premio Nobel en 1.978 por detectar este eco del Big Bang, una radiación de microondas que impregna el universo conocido. El que el eco del Big Bang debería estar circulando por el universo miles de millones de años después del suceso fue predicho por primera vez por George Gamow y sus discípulos Ralpher y Robert Herman, pero nadie les tomó en serio.

La propia idea de medir el eco de la creación parecía extravagante cuando la propusieron por primera vez poco después de la segunda guerra mundial. Su lógica, sin embargo, era aplastante. Cualquier objeto, cuando se calienta, emite radiación de forma gradual. Ésta es la razón de que el hierro se ponga al rojo vivo cuando se calienta en un horno, y cuanto más se calienta, mayor es la frecuencia de radiación que emite. Una fórmula matemática exacta, la ley de Stefan-Boltzmann, relaciona la frecuencia de la luz (o el color en este caso) con la temperatura. De hecho, así es como los científicos determinan la temperatura de la superficie de una estrella lejana; examinando su color. Esta radiación se denomina radiación de cuerpo negro.

Esta radiación, cómo no, ha sido aprovechada por los ejércitos, que mediante visores nocturnos pueden operar en la oscuridad. De noche, los objetos relativamente calientes, tales como soldados enemigos o los carros de combate, pueden estar ocultos en la oscuridad, pero continúan emitiendo radiación de cuerpo negro invisible en forma de radiación infrarroja, que puede ser captada por gafas especiales de infrarrojo. Ésta es también la razón de que nuestros automóviles cerrados se calientes en verano, ya que la luz del Sol atraviesa los cristales del coche y calienta el interior. A medida que se calienta, empieza a emitir radiación de cuerpo negro en forma de radiación infrarroja. Sin embargo, esta clase de radiación no atraviesa muy bien el vidrio, y por lo tanto queda atrapada en el interior del automóvil, incrementando espectacularmente la temperatura.

Análogamente, la radiación de cuerpo negro produce el efecto invernadero. Al igual que el vidrio, los altos niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, causados por la combustión sin control de combustibles fósiles, pueden atrapar la radiación de cuerpo negro infrarroja en la Tierra, y de este modo calentar gradualmente el planeta.

Gamow razonó que el Big Bang era inicialmente muy caliente, y que por lo tanto sería un cuerpo negro ideal emisor de radiación. Aunque la tecnología de los años cuarenta era demasiado primitiva para captar esta débil señal de la creación, Gamow pudo calcular la temperatura de dicha radiación y predecir con fiabilidad que un día nuestros instrumentos serían lo suficientemente sensibles como para detectar esta radiación “fósil”.

La lógica que había detrás de su razonamiento era la siguiente: alrededor de 300.000 años después del Big Bang, el universo se enfrió hasta el punto en el que los átomos pudieron empezar a componerse; los electrones pudieron empezar a rodear a los protones y neutrones formando átomos estables, que ya no serían destruidos por la intensa radiación que estaba impregnando todo el universo. Antes de este momento, el universo estaba tan caliente que los átomos eran inmediatamente descompuestos por esa radiación tan potente en el mismo acto de su formación. Esto significa que el universo era opaco, como una niebla espesa absorbente e impenetrable.

Pasados 300.000 años, la radiación no era tan potente; se había enfriado y por lo tanto la luz podía atravesar grades distancias sin ser dispersada. En otras palabras, el universo se hizo repentinamente negro y transparente.

Terminaré esta parte comentando que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario; un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la disminución de energías sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumentar las temperaturas*.

Hablar, sin más especificaciones, de radiación, es estar refiriéndonos a una energía que viaja en forma de ondas electromagnéticas o fotones por el universo. También nos podríamos estar refiriendo a un chorro de partículas, especialmente partículas alfa o beta de una fuente radiactiva o neutrones de un reactor nuclear.

La radiación actínida es la electromagnética que es capaz de iniciar una reacción química. El término es usado especialmente para la radiación ultravioleta y también para denotar radiación que podría afectar a las emulsiones fotográficas.

Radiación blanda, radiación cósmica, radiación de calor, radiación de fondo, de fondo de microondas, radiación dura, electromagnética, radiación gamma, infrarroja, ionizante, monocromática, policromática, de sincrotón, ultravioleta, de la teoría cuántica, de radiactividad… y, como se puede ver, la radiación en sus diversas formas es un universo en sí misma.

Siempre me llamó la atención y se ganó mi admiración el físico alemán Max Planck (1.858 – 1.947), responsable entre otros muchos logros de la ley de radiación de Planck, que da la distribución de energía radiada por un cuerpo negro. Introdujo en física el concepto novedoso de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada es la base de la teoría cuántica.

Einstein se inspiró en este trabajo para a su vez presentar el suyo propio sobre el efecto fotoeléctrico, donde la energía máxima cinética del fotoelectrón, E_m, está dada por la ecuación que lleva su nombre: E_m = hf – Φ.

Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación con una frecuencia mínima (n_o). Cualquier otra radiación de menor frecuencia, no será capaz de arrancar electrones. Por debajo de la frecuencia mínima la intensidad de corriente -”i” (amperios)- será cero. No hay efecto fotoeléctrico.

Planck publicó en 1.900 un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que sentó las bases para la teoría de la mecánica cuántica que más tarde desarrollaron otros, como el mismo Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Feymann, etc. Todos los físicos son conocedores de la enorme contribución que Max Planck hizo en física: la constante de Planck, radiación de Planck, longitud de Planck, unidades de Planck, etc. Es posible que sea el físico de la historia que más veces ha dado su nombre a conceptos de física. Pongamos un par te ejemplos de su ingenio:

1.      vale 10^-35 metros. Esta escala de longitud (veinte órdenes de magnitud menor que el tamaño del protón, de 10^-15 m) es a la que la descripción clásica de gravedad cesa de ser válida y debe ser tenida en cuenta la mecánica cuántica. En la fórmula que la describe, G es la constante gravitacional, ħ es la constante de Planck racionalizada y c en la velocidad de la luz.

2.      . Es la masa de una partícula cuya longitud de onda Compton es igual a la longitud de Planck. En la ecuación, ħ es la constante de Planck racionalizada, c es la velocidad de la luz y G es la constante gravitacional. Así, Se denomina masa de Planck a la cantidad de masa (21,7644 microgramos) que, incluida en una esfera cuyo radio fuera igual a la longitud de Planck,  generaría una densidad del orden de 10⁹³ g/cm³. Según la física actual, esta habría sido la densidad del Universo cuando tenía unos segundos, el llamado Tiempo de Planck. Su ecuación, es decir la masa de Planc se denota:

El valor de la masa de Planck se expresa por una fórmula que combina tres constantes fundamentales, la constante de Planck,  (h), la velocidad de la luz (c),  y la constante de gravitación universal (G). La masa de Planck es una estimación de la masa del agujero negro primordial menos masivo, y resulta de calcular el límite donde entran en conflicto la descripción clásica y la descripción cuántica de la gravedad.

“Aunque todas estas descripciones reflejan más una abundante imaginación que un hecho existencial apoyado teóricamente con alguna hipótesis que pueda ser comprobada en el laboratorio sobre hechos que están más allá de poder ser medidos jamás en algún laboratorio construído por humanos. La única forma de confrontar la factibilidad o la posibilidad del modelo de la espuma cuántica nos lleva necesariamente a confrontar la carencia de un modelo que logre unificar exitosamente al macrocosmos con el microcosmos, a la Relatividad General con la Mecánica Cuántica, la Gravedad Cuántica. Si la energía y la materia (o mejor dicho la masa-energía) están discretizadas, se supone que también deben de estarlo el espacio y el tiempo (o mejor dicho, el espacio-tiempo), y la “partícula fundamental” del espacio-tiempo debe de serlo el gravitón, aunque de momento todo esto son especulaciones que seguirán siéndolo mientras no tengamos a la mano algo que pueda confirmar la existencia de tan exótica partícula, quizá la más exótica de cuantas hayan sido concebidas por la imaginación del hombre.”

 

La descripción de una partícula elemental de esta masa, o partículas que interaccionan con energías por partículas equivalentes a ellas (a través de E = mc²), requiere de una teoría cuántica de la gravedad. Como la masa de Planck es del orden de 10^-8 Kg (equivalente a una energía de 10¹⁹ GeV) y, por ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 Kg y las mayores energías alcanzables en los aceleradores de partículas actuales son del orden de 10³ GeV, los efectos de gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas. Únicamente en un laboratorio aparecieron partículas que tenían energías del orden de la masa de Planck: en el universo primitivo, de acuerdo con la teoría del Big Bang, motivo éste por el que es necesaria una teoría cuántica de la gravedad para estudiar aquellas condiciones. Esta energía de la que estamos hablando, del orden de 10¹⁹ GeV (inalcanzable para nosotros), es la que necesitamos para verificar la teoría de supercuerdas.

Siempre, desde que puedo recordar, me llamó la atención los misterios y secretos encerrados en la naturaleza, y la innegable batalla mantenida a lo largo de la historia por los científicos para descubrirlos. Muchos han sido los velos que hemos podido descorrer para que, la luz cegadora del saber pudiera entrar en nuestras mentes para hacerlas comprender cómo actuaba la Naturaleza en ciertas ocasiones y el por qué de tales comportamientos, y, sin embargo, a pesar del largo camino recorrido, es mucho más el que nos queda por andar.

emilio silvera

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El Camino lo tenemos que hacer nosotros al andar. Lo mismo que se forma la vereda en la Montaña cuando los seres vivos pasan por el mismo sitio una y otra vez, dando lugar a que se forme una línea en la tierra mil veces pisada que nos habla del paso por aquel lugar que los viandantes han creído el más idóneo para transitar hacia algún otro sitio. Lo tuvieron que elegir de manera racional al ser el más indicado y, por ese “camino” se creó el sendero por el que caminar. Antes allí, no había camino.

No pocas veces, el camino se crea a partir de una idea, una intuición, una ganas de saber lo que hay más allá de nuestros dominios, de explorar lo desconocido, de comprobar si la fascinación que presentimos por lo que pensamos que “allí” pueda existir, se debe a una certera intuición, o, por el contrario, es sólo un espejismo. No siempre el explorardor encontró aquella civilización perdida que gritaba insistente en su mente llamándolo sin cesar, ni el científico encuentra la anhelada explicación a un secreto de la Naturaleza que, tan claramente veía en sus sueños.

Está claro que el mismo acto de la exploración, modifica la perspectiva del explorador; Ni Ulises, Marco Polo o Colón podían ser los mismos cuando, después de sus respectivas aventuras regresaron a sus hogares. Lo mismo ha sucedido con la investigación científica en los extremos de las escalas, desde la grandiosa extensión del esapcio cosmológico…

… hasta el mundo minúsculo y enloquecido de las partículas subatómicas.

Estos viajes nos cambiaron y cambiaron muchos de los conceptos ancestrales que, en nuestras mentes, estaban apaciblemente aposentados y, desafiaron muchas de las concepciones científicas y también filosóficas que más valorábamos. Algunas, ante aquella realidad nueva, tuvieron que ser desechadas, como el bagaje que se deja atrás en una larga y pesada travesía un desierto. Otras tuvieron que ser modificadas y reconstituidas hasta quedar casi irreconocibles.

La exploración en el ámbito de las galaxias y cúmulos de galaxias esxtendió el alcanza de la visión humana en un factor de 10²⁶ veces mayor que la propia escala humana, y produjo la revolución que identificamos con la relatividad, la cual reveló que la concepción newtoniana del mundo sólo era un parroquialismo dentro de un universo más vasto donde el esapcio es curvo y el tiempo se hace flexible.

La exploración en el dominio subatómico nos llevó lejos en el ámbito de lo muy pequeño, a unos 10^-15 de la escala humana, y también significó una revolución. Esta fue la física cuántica que transformó todo lo que abordó a partir de su nacimiento en 1900, cuando Max Planck, escribió aquel artículo de ocho páginas que fueron las semillas de las que más tarde, germiron “las flores” de la M.C.. Planck, comprendiò que sólo podía explicar lo que se llamaba la Curva del Cuerpo Negro -el espectro de energía que genera un objeto de radiación perfecta- si abandonaba el supuesto clásico de que la emisión de enertgía es continua, y lo reemplazó por la hipótesis sin presecentes de que la energía se emite en unidades discretas. Planck llamó cuantos a estas unidades y quedaron simbolizadas por la letra h.

Plan no era ningún revolucionario -a la edad de 42 años era un viejo, juzgado por los patrones de las ciencias matemáticas y, además, un pilar de la elevada cultura germana del siglo XIX-, pero se percató fácilmente de que el principio cuántico echaría abajo buena parte de la física clásica a la que habñía dedicado buena parte de su vida y de su carrera.

“Cuanto mayores sean sus dificultades -escribió-… tanto más importante será finalmente para la ampliación y profundización del conocimiento de la Física.” Aquellas palabras fueron proféticas: cambiando y desarrollándose constantemente, modificando su coloración de manera tan impredecible como una reflexión en una burbuja de jabón, la física cuántuica pronto se expandió prácticamente a todo el ámbito de la física, y el cuanto de acción de Planck, h, llegó a ser considerado una constante de la naturaleza tan fundamental como la velocidad de la luz, c, de Einstein.

En una batalla entre los principios estrellas de la historia cuántica, sólo puede haber un ganador. O no puede? . En el invierno de 1926-1927, Werner Heisenberg el brillante joven alemán estaba trabajando como jefe asistente de Niels Bohr , alojado en un desván en la parte superior del instituto del gran danés de Copenhague. Después de un día de trabajo, Bohr se acercaba al encuentro con Heisenberg para hablar de física cuántica. A menudo se sentaban hasta altas horas de la noche, en un intenso debate sobre el significado de la teoría cuántica revolucionaria, entonces en su infancia.

Un rompecabezas que se ponderó eran los rastros de las gotitas que dejan los electrones al pasar a través de las cámara de niebla un aparato utilizado para rastrear los movimientos de partículas cargadas. Cuando Heisenberg trató de cálcular estas aparentemente precisas trayectorias usando las ecuaciones de la mecánica cuántica, no lo consiguió.

Una noche de mediados de febrero, Bohr había dejado la ciudad en un viaje de esquí, y Heisenberg se había deslizado a tomar un poco de aire de la noche en las amplias avenidas de Fælled Parque, detrás del instituto. Mientras caminaba, se le ocurrió. El rastro de los electrones no era preciso en lo absoluto: si uno lo mira de cerca, consiste en una serie de puntos difusos. Eso reveló algo fundamental sobre la teoría cuántica. De vuelta en su ático, Heisenberg escribió con entusiasmo su idea en una carta a su colega el físico Wolfgang Pauli. Lo esencial de esto apareció en un documento unas pocas semanas más tarde: “Mientras más precisa la posición es determinada, menor precisión, en el momento se conoce en este instante, y viceversa.”

Fórmula y gráfico que escenifican el Principio de Incertidumbre o Indeterminación

Así el notorio principio de incertidumbre de Heisenberg había nacido. Una declaración de la incognoscibilidad fundamental del mundo cuántico, que se ha mantenido firme durante la mayor parte del siglo. Pero ¿por cuánto tiempo? Corren rumores de que un segundo principio cuántico – el entrelazamiento- puede sonar el tañido de muerte para la incertidumbre.

Sólo podemos obtener respuestas parciales, cuya narturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por infagar. Cuando Hesinberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida que nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

La indeterminación cuántica no depende del aparato experimental que podamos emplear para la investigación del mundo subatómico. Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una civilización extraterrestre avanzada conpartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la física atómioca clásica se suponía que se podía, en proncipio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas -digamos, protones– y a partir de los datos resultantes hacer predicciones exactas de donde estarían los protones en determinado tiempo futuro.

Heisenberg demostró que tal supuesto era falso, que nunca podremos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sóla partícula, mucho menos de una gran cantidad de ellas, y, por lo tanto, nunca podremos hacer predicciones sobre el futuro que sean completamente exactas en todos los detalles. Esto marcó un cambio fundamental en la visión del mundo de la física. Revelaba que no sólo la materia y la energía sino también el conocimiento están cuántizados.

El principio de incertidumbre es aplicado a modelos del espacio 3D ordinario, donde el espacio tiempo es continuo. En los sistema cuantizados con retículos diminutos que conforman a los superejes, la información de las partículas pasa de un retículo a otro o a una zona cuántica distinta del mismo retículo. Dado que en el modelo de los eventos, los objetos no pertenecen a los eventos, simplemente evolucionan generando más información de nuevos eventos, la incertidumbre asociada a estos puede estar relacionada con radio del bucle de los retículos diminutos, y para el traslado de la información de un retículo a otro debe existir un nivel incertidumbre en cuanto a cual retículo pertenece el evento durante la transferencia de dicha información, o ¿a qué conjunto de valores cuánticos del mismo pertenece?

La mecánica cuántica (el salto cuantico del electrón) nos desvelará el secreto de cómo el electrón puede, al recibir un fotón, desaparecer del nivel nuclear que ocupa para de manera instantánea, y sin necesidad de recorrer la distancia que los separa, aparecer como por arte de magia en un nivel superior. Copiaremos el salto cuántico para viajar. Nos introduciremos en un cabina, marcaremos las coordenadas, pulsaremos un botón y desapareceremos en Madrid y de manera instantánea, apareceremos de la nada en otra cabina igual situada en Nueva York a 6.000 Km de distancia.

No puede quitarme de la cabeza que, el Salto Cuántico, nos dará la idea para viajar de manera que podamos burlar, la velocidad de la luz. Sin embargo, ese “futuro” no podré verlo. Resulta que un electrón situado alrededor del núcleo de un átomo, es impacto por un fotón energético y, de inmediato, el electrón desaparece del lugar que ocupa en la órbita atómica y, de manera instantánea, aparece en otro lugar más cercano al núcleo. Lo asombroso del caso es que, no se sabe qué camino pudo coger para desplazarse de un lugar a otro. Simplemente desapareció de uno y apareció en el otro. Ese es, amigos míos, el Salto cuántico. Si somos capaces de copiarlo, viajaremos a las estrellas sin que nos importe cuántos años-luz nos puedan separar de ellas.

¿Quién sabe lo que podemos extraer del salto cuántico? El efecto túnel nos podría dar la fórmula para viajar a lugares lejanos. Creo que todos nuestros sueños se podrían realizar si, en el momento adecuado, observando la Naturaleza, sabemos elegirt el camino que tenemos que andar para llegar a ese destino soñado,o, imaginado.

Nuestras Mentes buscarán las formas de solucionar todos esos problemas complejos que ahora inquietan a la Humanidad.

La Física cuántica nos obliga a tomarnos en serio lo que antes eran puramentes consideraciones filosóficas: que no vemos las cosas en sí mismas, sino sólo aspectos de las cosas. Lo que vemos en la trayectoria de un electrón en la cámara de niebla no es un electrón, y lo que vemos en el cielo no son estrellas, como una grabación de la voz de Pavoroti no es Pavoroti. Al revelar que el observador desempeña un papel en la observación, la física cuántica hizo por la física lo que Darwin ha hecho por las ciencias de la vida: Echó abajo las paredes, reunificando la Mente con el Universo más vasto.

emilio silvera

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Un fuerte campo gravitatorio puede inducir un efecto desbocado en las fluctuaciones cuánticas que se producen en el espacio, aparentemente vacío, …

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En el Blog Taringa, me encuentro este trabajo que tenía olvidado.

 

Como no sabemos a ciencia cierta, la verdadera naturaleza de muchas de las cosas que creemos conocer, se podría dar el caso de que, en el centro del núcleo atómico y dentro de un protón y un neutrón, dos Quarks, estuvieran entablando la conversación siguiente:

 

 

_ Oye, amigo up, ¿no te cansas de estar aquí confinado? ¿no te gustaría conocer qué mundo puede haber fuera de éste nuestro tan reducido en el que vivimos?

_ Pues, si te digo la verdad, estimado down, si que estoy un poco frustrado de que, los persistentes Gluones, no me dejen alejarme mucho de la demarcación estipulada por la libertad sintótica. Y, si te he de ser sincero, preferiría mirar el mundo que, según indicios que me han llegado, es mucho mayor de lo que nosotros podemos contemplar.

_ Llevas toda la razón, a veces me desespera este mar de gluones que nos agarra impidiéndonos salir al exterior misterioso. ¿Qué cosas podríamos contemplar ahí fuera?

_ ¡Os queréis callar! (Dijo un protón) Con vuestra charla me estáis distrayendo y no puedo solucionar el problema que me he planteado de sí, en realidad, uno de ustedes puede ser más masivo que yo. Teniendo en cuenta que estoy conformado de tres de ustedes, ¿cómo es posible que uno sólo pueda ser más masivo si estuviera en estado libre?

 

        Nuestro amigo el protón

_ Que pregunta más tonta, amigo protón, a estas alturas deberías saber que, nadie sabe cuál es la masa de los quarks, ya que ningún quark puede ser observado de forma libre. Solo conocemos de forma precisa la masa del quark top (cima), ya que su gran masa hace que el error relativo en la medida permita un error absoluto pequeño. Sin embargo, muchos proclaman el descubrimiento de fórmulas matemáticas que permiten calcular la masa de todas (o casi todas) las partículas elementales (leptones y quarks). Pero, centrándonos en la pregunta que te atormenta, sí te puedo decir que, al menos en teoría, la masa del Quarks es mayor que la del Protón, toda vez que la energía potencial que se le atribuye si estuviera en estado libre, sería mayor que la tuya.

 

 

_ Sí, eso me temía. Hemos podido constatar que, ahí fuera, hay seres que se interesan por nosotros y últimamente, nos meten en máquinas enormes para hacernos chocar los unos contra los otros buscando qué puede haber dentro de nosotros. ¿Por qué lo harán? ¿Qué pueden conseguir con destruirnos?

_ Nuestra familia que está compuesta por tres generaciones, sabe que, esos extraños seres han llegado a conseguir, en sus estudios sobre nosotros que, los quarks, somos partículas elementales y que os formamos a vosotros los protones y neutrones, hasta ahora habíamos sido notablemente difíciles de detectar, y aún más de pesar. Un grupo de investigación ha calculado, con un pequeño margen de error, la masa (expresada en su valor energético) de tres de nosotros, los quarks más ligeros, y por tanto más escurridizos: Up, Down y Strange.

_ Según parece, el resultado obtenido por estos experimentos, es que, el quark up pesa aproximadamente 2 Megaelectronvoltios (MeV), el quark down pesa alrededor de 4,8 MeV, y el quark strange pesa cerca de 92 MeV.

_ Bueno, lo cierto es que, junto con los que ellos llaman electrones conformamos toda la materia conocida (según les he podido oír comentar) y, al parecer, carecen de las herramientas necesarias que les permita llegar más lejos de nosotros, y, por tal motivo, desconocen a las pequeñas briznas luminosas de las que, nosotros losquarks, estamos hechos, no tienen, en sus máquinas, la energía necesaria para llegar hasta ellas. Así que, están dando palos de ciego y teorizando no sin desbarrar en más de una ocasión pero, son tan persistentes que, terminarán conociendo la verdadera estructura del átomo y, en definitiva de la materia. ¡Qué gente tan extraña! Parece como si sólo supieran hacer preguntas.

Los físicos estudian las partículas subatómicas

_ Sí, eso parecen esos extraños seres que llaman humanos, ellos nos estudian a nosotros y no son conscientes de que nosotros, de la misma manera, podemos estudiarlos a través de las ondas electromagnéticas que emiten sus cerebros pensantes que4, están determinados a llegar hasta el fondo de los Quarks. Bueno, también de los protones y Neutrones lo quieren saber todo y, de hecho, han llegado a saber muchas de sus peculiaridades y de los parámetros que los conforman, los llaman bariones y lo clasifican en la familia de los hadrones, y, al mismo tiempo, dicen que son fermiones con unas características determinadas distintas a la de los mesones, y, además, como forman parte del núcleo del átomo, lo llaman también nucleones.

_ Sí, pero estos bariones, en realidad están supeditados a nosotros los Quarks. Según nos combinamos será un protón o un neutrón. Existe otra diferencia entre elprotón y el neutrón: dependiendo de qué combinación de quarks forma un hadrón, éste puede ser más o menos estable. Por ejemplo, ya dijimos que un protón libre podría no ser estable, pero de ser inestable su vida media probablemente es mucho mayor que la edad actual del Universo.

 

 

_ Sin embargo, debido a la combinación de quarks que forman el neutrón, un neutrón libre (no asociado al núcleo de un átomo) tiene una vida mucho más corta: unos 15 minutos. Ésa es la razón de que puedas encontrar muchos protones libres en el Universo (núcleos de hidrógeno sin el electrón), pero es muy difícil verneutrones libres más de unos minutos. Cuando un neutrón se desintegra, lo hace en un protón, un electrón y un antineutrino.

_ Debido a que un neutrón libre sólo permanece como tal durante un cuarto de hora, es difícil disponer de ellos (a diferencia de otras partículas): hay que generarlos según se necesitan. La mayor parte de ellos se obtienen de reacciones nucleares espontáneas de elementos radiactivos, que sufren la fisión de forma natural (como el polonio o el radio), emitiendo neutrones en el proceso.

_ ¡Y los neutrones libres son muy peligrosos! De hecho, es uno de los productos de la desintegración radiactiva más peligrosos que hay. Piensa que otras partículas emitidas en las reacciones nucleares, como los electrones, aunque son peligrosas, son fáciles de parar. Las partículas cargadas, en cuanto entran en contacto con un medio material más o menos denso, empiezan a desviarse (debido a la fuerza eléctrica), a ionizar átomos arrancando electrones que se llevan parte de la energía y se mueven en otra dirección. Es decir, la energía de esas partículas se disipa relativamente rápido.

 

 

_ Por eso, si vas a estar en un lugar en el que puede haber emisión de protones o electrones, un recubrimiento de plomo es una protección muy buena. De hecho, al ser un metal también absorbe muy bien los fotones, de modo que protege contra muchas clases de emisiones radiactivas (alfa, beta y gamma). Pero, ¿y los neutrones?

Al ser neutros, la única manera de que pierdan su energía es que choquen de cabeza con el núcleo de otro átomo. Por lo tanto, la protección contra neutrones requiere un espesor relativamente grande: y además, la masa atómica del núcleo de los átomos no influye mucho en su capacidad para pararlos, pues los núcleos son tan minúsculos comparados con el espacio entre ellos que un aumento de tamaño (por ejemplo, plomo en vez de hidrógeno) apenas influye. La mayor parte de los escudos contra neutrones son paredes espesas de cemento o parafina.

 

_ Por supuesto, la mayor parte de los neutrones que puedan llegar a tu cuerpo te atraviesan, pero tú también actúas de “escudo”: y cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de una base nitrogenada de tu ADN…bueno, las consecuencias pueden ser muy desagradables, salvo que la dosis no sea muy intensa y sea breve, y además tengas suerte.

_ Es decir, que los neutrones son partículas algo anodinas cuando están en el núcleo de un átomo, pero si están libres tienen una vida relativamente corta y que puede ser peligrosa…y todo por tener un quark down en vez de uno up.

– Ellos, esos seres, hablan de los misterios de lo que llaman Mecánica Cuántica en la que nos tienen inmersos para comprender nuestros comportamientos e interacciones, así como nos desenvolvemos en situaciones distintas. Alguno de estos seres se ha llegado a preguntar por los misterios de la Mecánica Cuántica y se han preguntado si serán capaces de desvelarlos alguna vez.

_ La verdad es que está hechos un verdadero lío, y, no saben que la materia se construye sobre fundamentos frágiles. Sus grupos de los que ellos llaman los físicos, acaban de confirmar que la materia, aparentemente sustancial, es en realidad nada más que fluctuaciones en el vació cuántico. Los investigadores simularon la frenética actividad que sucede en el interior de los protones y neutrones, que como sabéis son las partículas que aportan casi la totalidad de la masa a la materia común.

_ Hasta hace poco, los cálculos en lo que ellos llaman el enrejado QCD se concentraban en los gluones virtuales, e ignoraban otros componentes importantes del vacío como los pares de quarks y antiquarks virtuales.

 

 

¿Perdido pero interesado? Los quarks forman hadrones, que pueden ser bariones o mesones. Los bariones son partículas formadas por tres quarks de valencia rodeados de un océano de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Los mesones están formados por un quark y un antiquark de valencia rodeados de un océano de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Salvo el quark top (cuya vida media es demasiado corta para hadronizarse), todos los quarks pueden formar parte de los hadrones. LHCb es el detector de partículas del LHC especializado en los hadrones formados por quarks b (bottom o beauty) de valencia.

_ Los pares quark-antiquark pueden emerger y transformar momentáneamente un protón en una partícula diferente y más exótica. De hecho, el verdadero protón es la suma de todas estas posibilidades sucediendo al mismo tiempo.

_ Nuestros parientes del vacío, los quarks virtuales hacen mucho más complicados los cálculos, implicando la utilización de una matriz de más de 10.000 billones de números, comenta el Quark up.

_ Down le responde: “No existe ninguna computadora en la Tierra que pueda almacenar una matriz numérica tan enorme en su memoria”. Así que han tenido que hacer algunos trucos para evaluar la masa de un protón”. No, si ingenio no se les puede negar.
La verdad es que ese ingenio al que te refieres (dice Up), es lo que los ha llevado a los experimentos, que tratan de suplir su falta de energía para llegar más lejos y para ello tratan de aproximarse a los experimentos que no pueden realizar mediante simulaciones informáticas que, bien planteadas, pueden ser muy reveladoras de lo que pudiera ser.

_ Eso permitirá a los físicos someter a prueba a la QCD y buscar sus efectos más allá de la física conocida. Por ahora, sus cálculos demuestran que la QCD describe partículas basadas en nosotros los quarks de forma precisa, y que la mayor parte de nuestra masa viene de quarks virtuales y gluones que burbujean en el vacío cuántico.

_ Me parece casi imposible que, estemos aprendiendo tanto de nosotros a través de los estudios que hacen unos seres que están tan alejados de nosotros, hasta el punto de no poderlos ver y que, gracias a las señales electromagnéticas que nos envían, hemos podido contactar, es una maravilla.

_ Si, así es, y, además, creen que eso que ellos denominan el campo de Higgs hace también su pequeña contribución, dándonos masa a nosotros los quarks individuales, así como a los electrones y a otras varias partículas. Ese campo de Higgs también crea masa a partir del vacío cuántico, en forma de bosones virtuales de Higgs. De modo que si el mostruo que han creado, al que llaman el LHC confirma la existencia del bosón de Higgs (que tan familiar nos resulta a nosotros), eso significará que toda la realidad es virtual.

_ Cuándo descubran la realidad del mundo en el que están inmersos, ¿crees amigo up que lo podrán soportar?

_ Bueno, estimado down, estos seres han demostrado que, pocas son las cosas que les arredran, su osadía no tiene límites y, desde luego, desde el llamado Demócrito, han podido avanzar en muy poco tiempo lo que nunca podríamos haber esperado.

_ En cualquier caso es muy difícil determinar el valor de nuestras masas (dice up), ya que a los quarks no se nos pueden tener aislados. Por otro lado, nuestra carga eléctrica es fraccionaria de la unidad fundamental de carga. Así, por ejemplo, yo tengo una carga igual a 2/3 de la unidad elemental, aunque no se pueden observar tampoco cargas fraccionadas aisladas, ya que los quarks siempre están combinados. Es decir, nosotros formamos partículas compuestas llamadas que denominan hadrones, una palabra (según dicen) derivada de la griega hadrys (fuerte); de modo que la suma de las cargas eléctricas de los quarks que constituyen un hadrón es siempre un número entero.

 

 

 

_ Los diversos quarks se pueden combinar entre sí para dar lugar a todas las partículas conocidas, salvo los leptones y los bosones, y con este modelo se puede llegar a una buena aproximación en el conocimiento de las partículas elementales. Sin embargo, esta concepción, basada principalmente en la carga eléctrica, deja sin explicar numerosas cuestiones. Por ejemplo, que no existan partículas formadas sólo por dos quarks ni tampoco quarks aislados. Para abordar éstas y otras cuestiones relativas a la estructura más íntima de la materia fue necesaria la introducción de un nuevo número cuántico, el color, cuyos tres valores caracterizan las partículas con mayor precisión.

_ Oye, amigo Down, la charla me está agotando y siento la necesidad estirarme y tratar de burlar la vigilancia de los 8 gluones que nos acechan y, aunque sé que mi paseo será muy limitado, lo intentaré. Hasta luego amigo.

_ Está bien, por mi parte haré lo mismo y me daré un paseo por la región contraria a la tuya, de esa manera trataré de dividir la fuerza atractiva que nos tiene confinado.

Claro que, el paseo de Up y Down fue de muy corto trayecto, ya que, la fuerza nuclear fuerte que intermedian los Gluones, trabaja de manera distinta a las otras fuerzas y, cuando más se alejan los Quarks los unos de los otros, más fuerte es la fuerza que los atrae.

Dejaremos aquí está simpática charla que han tenido estos dos minúsculos “personajillos” y, como alguien que sabía mucho más que yo, dijo alguna vez que: “todas las cosas son” y elevó la categoría de la materia (por muy pequeña que fuese) a la de SER, he confeccionado esta reunión de Up y Down con la breve intromisión de Protón, para que, dejaran aquí sus “pensamientos”.

El responsable de Taringa finalizaba así:

Hace un par de dias me encontré esta joya, al menos para mi, es una bonita forma de explicar cosas que son difíciles de entender. A mi me gustó espero que a alguno de vosotros también.

Por Emilio Silvera.

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