¡La Física! Que en su apartado cuántico…¡es extraña!

Sí, muy extraña pero…funciona. Cuando nos sumergimos en el mundo cuántico somos conscientes de que todo ese mundo fantástico de lo muy pequeño va contra la intuición, en nada se parece a nuestro mundo macroscópico y, allí, suceden cosas que nos parecen imposibles. Allí, en el “universo cuántico” se sustituye la continuidad por lo discreto. Se podría decir que no es el agua compacta que forma un todo, sino que, es como la fina arena que está formada por muchos granos que logran pasar desapercibidos en ese conjunto total.

¿Cómo podríamos suponer el carácter fantasmagórico del experimento de la doble rendija?

“El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al difractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Posteriormente, la experiencia ha sido considerada fundamental a la hora de demostrar la dualidad onda corpúsculo, una característica de la mecánica cuántica. El experimento también puede realizarse con electrones, protones o neutrones, produciendo patrones de interferencia similares a los obtenidos cuando se realiza con luz.”

Otro fenómeno que va contra la intuición es el “efecto túnel”.  Los electrones son capaces de atravesar un túnel a través de una barrera de potencial estrecha hacia una región que estaría prohibida si los electrones fuesen tratados como partículas clásicas. El que haya una probabilidad finita de que un electrón haga un túnel entre una región clásicamente permitida a otra surge como consecuencia de la mecánica cuántica. El efecto túnel es usado en el diodo túnel. La desintegración alfa es un ejemplo de proceso de efecto túnel.

Nuestra descripción de lo que les pasa a los electrones que se dirigren hacia una barrera de energía o a un electrón atrapado entre dos barreras debe tener en cuenta las ondas probabilistas. Hay una probabilidad finita de que la partícula atrapada aparezca fuera de la trampa. Esto no sólo va contra la intuición, sino que se puede considerar una paradoja de orden mayor, pues el electrón a su paso por la barrera debía tener una energía cinética negativa, lo que, desde el punto de vista clásico, es absurdo.

Claro que, cuando se desarrolla la intuición cuántica, uno puede responder que la condición de que el electrón “esté en el túnel” no mes aobservable y por lo tanto no es un problema de la física. Lo que uno observa es que se sale fuera. Este fenómeno, el paso por efecto túnel, se utilizó (como ya he dicho) para explicar la radiactividad Alfa. Por fantasmagórico que sea,  este “efecto túnel” les es esencial a los ordenadores modernos y a otros muchos dispositivos electrónicos.

Partículas puntuales, paso por efecto túnel, radiactividad, la tortura de la rendija doble: todo esto contribuyó a las nuevas intuiciones que los físicos cuánticos necesitaron a medida que fue posible desplegar todo su armamento intelectual a la búsqueda de fenómenos inexplicables.

Todo son átomos: Los mundos con sus ríos y montañas, los seres vivos, las estrellas y las galaxias, todo sin excepción… ¡átomos! Y, lo sorprendente es que, nosotros, hayamos podido llegar tan lejos y conocer lo que la materia es (al menos en parte), poder dilucidar entre esos dos “universo” de lo grande y lo pequeño.

Gracias a los acontecimientos que están recogidos en el período que va desde 1923 a 1927, se pudo comprender el átomo. Aún así, en esos días previos a los ordenadores, sólo se podían utilizar adecuadamente los átomos simples -el hidrógeno, el helio, el litio y los átomos a los que se les han quitado algunos electrones (ionizado)-. Aquí, no cabe más remedio que reconocer el gran avance debido a Wolfgan Pauli, él entendió la mecánica cuántica desde muy joven, con 19 años ya era todo un experto y supo, intuir, dónde estaba la “materia perdida”.

Los físicos se vieron durante mucho tiempo turbados por el hecho de que a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para compensar la masa perdida por el núcleo.  En realidad, los electrones no eran igualmente deficitarios.  Emergían con un amplio espectro de energías, y el máximo (conseguido por muy pocos electrones), era casi correcto, pero todos los demás no llegaban a alcanzarlo en mayor o menor grado.  Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas.  En ese caso, ¿qué era errónea en la emisión de partículas beta? ¿Qué había sucedido con la energía perdida?

                                                                              Todo parece indicar que los neutrinos…¡sí tienen masa!

En 1.922, Lise Maitner se hizo por primera vez esta pregunta, y, hacia 1.930, Niels Bohr estaba dispuesto a abandonar el gran principio de conservación de la energía, al menos en lo concerniente a partículas subatómicas.  En 1.931, Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida.

Tal solución era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida.  Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas.  No poseía carga ni masa.  Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía.  A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.

Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella ciegamente. Y esta certeza se incrementó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y se liberaba un electrón, que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía.  Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de “neutrino”, palabra italiana que significa “pequeño neutro”.

“Las partículas gamma son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero de menor longitud de onda. Su poder de penetración es muy elevado frente al de las partículas alfa o beta, pudiendo atravesar el cuerpo humano. Quedan frenadas con espesores de 1 m de hormigón o unos pocos cm de plomo, por lo que cuando se utilizan fuentes radiactivas que emiten este tipo de radiación, hay que utilizar blindajes adecuados.”

Pero sigamos con nuestro trabajo de hoy. El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino.  Como ya he comentado en otras ocasiones, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiples de una mitad según la dirección del giro.  Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación de una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede con la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una mitad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión.

Supongamos que la rotación del neutrón sea +½. Y admitamos también que la rotación del protón sea +½ y la del electrón -½, para dar un resultado neto de o. Demos ahora al neutrino una rotación de +½, y la balanza quedará equilibrada.

+½(n)=+½(p)-½(e)+½(neutrino)

Pero aun queda algo por equilibrar.  Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y, si incluimos el neutrino, tres partículas.  Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula.  En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.

“25 noviembre 2011. Físicos investigadores trabajando en el experimento Double Chooz han detectado la desaparición de antineutrinos electrónicos durante su recorrido desde el núcleo de los reactores hasta el detector situado a algo mas de 1 Km de distancia.

Este resultado, que ha sido presentado en la Conferencia LowNu de Seul, en Corea, servirá para determinar el valor del hasta ahora desconocido ángulo de mezcla q13, que es un parametro fundamental con importantes implicaciones para la física de partículas y de astropartículas.”

Pero sigamos con lo nuestro. El propio neutrino surgiría de la conversación de un protón en un neutrón.  Así, pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza.

En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partícula/antipartícula.

Es importante conservar esas leyes puesto que parece estar presentes en toda clase de reacciones nucleares que no impliquen electrones o positrones, y sería muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas.

Las más importantes conversiones protón–neutrón son las relaciones con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros.  Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de esto el 6 u 8 % de su energía.  Pero eso, sería meternos en otra historia y, por mi parte, con la anterior explicación solo trataba de dar una muestra del ingenio del hombre que, como habréis visto, no es poco.

Desde que puedo recordar, he sido un amante de la Física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite del máximo que podemos correr en nuestro Universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa cosa tan cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos.  Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible.

Entonces, ¿qué es realmente la luz?

      Sí, hemos llegado a saber muchas cosas pero… lo que realmente es la luz…queda lejos aún

Generalmente es sabido que “todos” opinan que la luz,  es algo inmaterial. Los objetos materiales, grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia.  La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial, dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro. Sin embargo, yo opino que la luz es simplemente una forma de energía lumínica, otra forma en la que se puede presentar la materia. Ya nos lo dijo Einstein: E = mc², y, si materia es energía y energía materia… ¿qué es el fotón?

Está claro que, los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Cuando la luz entra en un cristal, o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical.  La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell.  No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta e las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma. (Las dos refracciones en la misma dirección se originan por que los dos lados del prisma de se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso en una lámina ordinaria de cristal.)

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada.  Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, y violeta, en este orden.

Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores.  La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro” fantasma). Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades.

Le surgieron y se planteó algunas inquietudes cuestiones. ¿Por qué se refractaban las partículas de luz verde más que los de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbase mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

En 1.678, el físico neerlandés christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos. Hoy, la sonda en Titán, lleva su nombre) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar los diversos difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire.  La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción.   Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda mas corta que la luz azul, ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda.  Y, como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna.  (Las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades.)

Pero la teoría de Huyqhens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos; ni por qué proyectaban sobras recortadas; ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y de agua.  Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las Estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?

Muchos otros han tratado de profundizar en la naturaleza de la Luz, y, aunque sabemos bastante de ella, no por eso podemos decir a ciencia cierta: ¡Sabemos lo que la luz es!, ya que, la Naturaleza, escondealgunos secretos que tenemos que desvelar y, al igual que nos pasa con nuestras mentes, no hemos podido resolver el problema, principalmente, porque nosotros somos parte integrante de él:

¡Somos Universo, Somos luz, Somos Pensamientos!

Pero, ¿no estaba hablando de los extraños fenómenos de la mecánica cuántica? No puedo remediarlo, veo pasar una idea por delante de mi mente y…la sigo. Como nos decía el inolvidable Richard Feyman;

“Creo que es justo decir que nadie comprende la mecánica cuántica. No siga diciéndose a sí mismo, si puede evitarlo, “¿pero cómo puede ser así?” porque usted se meterá “hasta el fondo” en un callejón sin salida del que nadie ha escapado.  Nadie sabe como puede ser eso”. De hecho, a menudo se ha dicho que de todas las teorías propuestas en el siglo XX, la más absurda es la teoría cuántica. Algunos dicen que la única cosa que la teoría tiene a su favor es que “es indudablemente correcta”.

La física cuántica empezó a enseñarnos que no debemos estar tan seguros de las reglas del espacio y del tiempo, que hasta ese entonces parecían muy confiables e invariables”.

Hace algún tiempo que salió la noticia un descubrimiento en la universidad de Oxford que confirma una polémica teoría sobre el espacio y el tiempo. La teoría de los Muchos Mundos, presentada a la comunidad científica hace exactamente 50 años, proponía que existen un número infinito de realidades: una para cada posible escenario producto de cada decisión que cada ser viviente toma en cada momento de su vida.

Esto nos lleva a un escenario con tantos universos como decisiones e interacciones posibles, multiplicado por tantos seres vivientes como existan. La teoría de los Muchos Mundos se planteó como una respuesta al extraño comportamiento que tiene la materia a nivel subatómico. En la primera mitad del siglo XX la ciencia permitió por primera vez observar lo muy pequeño, y la realidad a ese nivel dejó perplejos a los científicos.

En esas dimensiones hay paradojas que chocan contra el sentido común, como por ejemplo el hecho de que una partícula subatómica puede estar en dos sitios al mismo tiempo. Esta revista puede estar en sus manos o en el librero, pero no puede estar en sus manos y en el librero al mismo tiempo. La física cuántica empezó a enseñarnos que no debemos estar tan seguros de las reglas del espacio y del tiempo, que hasta ese entonces parecían muy confiables e invariables.

Es difícil comprender que podamos estar, al mismo tiempo, en este mundo y en otro mucho más lejano que, situado en otra galaxia, nos pueda estar dando acogida al mismo tiempo que lo hace la Vía Láctea. Sin embargo, en el caso de las partículas subatómicas y, según la extraña mecánica cuántica, eso sería posible.

                      Sí, amigo Jackie Chan, esto puede volver loco a cualquiera… ¡También a mi!

emilio silvera

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