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Jun

20

¡El límite de las teorías!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (20)

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Presentado en la XIX Edición del

Siempre andamos a vueltas con las teorías, y, tenemos que ser conscientes que las teorías tienen unos límites que están bien determinados. Veamos:

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

Resultado de imagen de Longitud de onda cuántica de la masa del Universo

Y precisamente esta constante es el segundo motivo por el que no encuentras los muebles en una posición diferente cada vez que entras en el salón.

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10-33 centímetros, más joven que el tiempo de Planck 10ˉ⁴³ segundos y supere la temperatura de Planck de 1032 grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

Resultado de imagen de Resultado de imagen de Teoría cuántica de la Gravedad

La Gravedad Cuántica, el eslabón perdido para comprender la evolución del Universo. Los físicos teóricos la han encontrado, ellos saben que dicha teoría subyace en la Teoría de Supercuerdas que, desgraciadamente, es inverificable… ¡Por el momento! Se cree que llegar hasta las cuerdas requeriría disponer de la energía de Planck (1019 GeV).

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.

Image Slider Image

La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes. Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

Resultado de imagen de La Información en unidades de Planck

      Representación gráfica de la obtención experimental de la constante de Planck

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10-66 cm2.  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

Resultado de imagen de representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.Imagen relacionada

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias. Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y mprotón.

Imagen relacionada

En nuestro Universo todo es energía y el resultado de dos fuerzas contrapuestas que, al ser iguales en potencia, equilibran el todo y hace posible la estabilidad que podemos contemplar en las estrellas y en los átomos.

α = 2πe2 / hc ≈ 1/137
αG = (Gmp2)2 / hc ≈ 10-38

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y aG, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro. Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Otro de los mundos imaginarios ideados por la artista. (Foto: Reuters)Resultado de imagen de Otros mundos

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Resultado de imagen de El número puro y adimensional 137

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese número puro, adimensional, que guarda los …

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137. Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender; me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías. Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”. El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza sólo por la observación y la experimentación. Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos.

Para poner un ejemplo de nuestra ignorancia poco tendríamos que buscar, tenemos a mano miles de millones.

Imagen relacionada

Hablamos de portales cuánticos, fluctuaciones de vacío… Cuerdas y de Taquiones pero…

Un gran Físico nos decía:

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben. En el cartel sólo pondría esto: 137. Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”.

Resultado de imagen de el 137 la constante de estructura fina

 

 

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba. La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón, por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck. Tanta palabrería y numerología no significan otra cosa sino que ese solo numero, 137, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón, e–), la relatividad (la velocidad de la luz, c), y la teoría cuántica (la constante de Planck, h).

¡Sabemos aun tan poco!

emilio silvera

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Esta entrada fue publicada el jueves, 20 de junio de 2019 a las 4:01 y está clasificada bajo: Física Cuántica. Puede hacer un seguimiento de los comentarios de esta entrada gracias al feed RSS 2.0. Puede dejar un comentario, o enviar un trackback desde su sitio.
 

Comentarios siguientes
  1. 1
    Pedro
    el 20 de junio del 2019 a las 9:38

    Acerca de la fórmula, resulta que los fotones no tienen masa, osea no tienen momento (masa x velocidad). ¿Como tienen longitud de onda las ondas electromagneticas?. 

    Responder
  2. 2
    nelson
    el 20 de junio del 2019 a las 16:29

    Los fotones sí tienen momento lineal: 
    https://www.ugr.es/~amaro/radiactividad/tema1/node7.html

    Responder
    • 2.1
      emilio silvera
      el 21 de junio del 2019 a las 5:06

      Un enlace muy apropiado amigo Nelson.

      Recuerdo un  personaje que pretendía llamar la atención y decía que los fotones no existían- De todas las maneras, cuando hablamos de cuestiones como éstas, objetos situados en ese “universo” de lo cuántico, pueden aparecer resultados sorprendentes. 

      “Uno de los fenómenos más sorprendentes de las partículas subatómicas es que, según las leyes de la física cuántica, se pueden relacionar entre ellas a distancia de manera instantánea o a velocidades superiores a la de la luz. De hecho, existen modelos que explican esta relación a partir de señales que se propagan a velocidades supralumínicas. Un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de investigadores ha demostrado que estos modelos son posibles sólo si la velocidad de estas señales es infinita, lo que supone que, en el universo, todo estaría influenciado por todo de manera instantánea, y se perdería la noción de espacio-tiempo. Esta fascinante sugerencia, sin embargo, podría ser desbancada por otros modelos teóricos y debe ser testeada por futuros experimentos, para los que la tecnología aún no está preparada, afirman los científicos.

      Las predicciones cuánticas desafían la teoría que mejor ha descrito hasta la fecha la naturaleza del espacio y el tiempo: la teoría de la relatividad de Einstein. En ella se establece como límite universal de velocidad la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s. En el artículo de Nature Physics, los científicos estaban interesados en desvelar si esta teoría era violada por las partículas cuánticas o si, por el contrario, se podrían “explicar los fenómenos que observamos (a nivel cuántico) sin sacrificar el sentido de las cosas, que se suceden en el espacio y el tiempo”, explica el investigador del CQT y primer autor del trabajo, Jean-Daniel Bancal, en un comunicado del CQT. El cambio viene de que, stricto sensu, la teoría cuántica no viola la teoría de la relatividad.”
       
       Está claro que no pasará un día sin que alguna noticia nos sorprenda.

      Responder
  3. 3
    Pedro
    el 22 de junio del 2019 a las 15:45

    Si los fotones no tienen masa y si momento lineal, entonces ¿Que es lo que se mueve? Impetu sin mas

    Responder
    • 3.1
      Pedro
      el 22 de junio del 2019 a las 17:16

      Acerca del rubor de los fotones:Si resulta que tienen un ímpetu implícito, osea movímiento fervoroso obstinado  cuyo único afán cuestionar a todo lo de  demás, osea ridiculizar a las mis mísimas leyes de la naturaleza (efecto túnel-salto cuantico), etc.

      A la longitud de onda de los campos electromagnéticos, en vez de h/p (constante de Planck) /(cantidad de movimiento=m x v) no sería más acertado definirlo por h/desconcierto, de tal manera que la energía de un foton dependiera del desconcierto que produce y no por el espanto que produce. 
      Siendo el desconcierto una magnitud relativa, toda definición se tornaría imposible, por tanto toda objetividad no es más que +/- desconcierto consensuado. 
      Por tanto ¿ que son las leyes de la naturaleza? : consenso obstinado sin más, para no resultar excesivos ridiculos pusilanimes. 
      Conclusion: ¿Que es la luz? Una obstinación pertinaz, y nosotros meros títeres. 

      Responder
  4. 4
    nelson
    el 22 de junio del 2019 a las 17:52

    Es sencillo. La luz existe.
    Esto es tan objetivo como que si no existiera no tendrían sentido nuestros ojos.
    Y se mueve; ya sabemos su velocidad.
    Además existe todo el resto del espectro electromagnético,que no se ve pero por ejemplo nos permite detectar y tratar tempranamente patologías que nos podrían resultar fatales de otro modo.
    Entonces está ahí, no es un sueño.
    Las ondas electromagnéticas tiene la misma velocidad en el vacío, tienen distintas frecuencias y distintas longitudes de onda (en el espectro visible esto no permite distinguir los colores); tienen energías distintas y tienen distintos momentos.
    Su soporte son los fotones, partículas de masa 0. 
    ¿Cuál es la duda?, ¿esto no se entiende?
    ¿Dónde está la Obstinación, el Desconcierto, el Desvarío?…. ¿Has pensado si fueras tú el obstinado?…    

    Saludos.

    Responder
  5. 5
    nelson
    el 22 de junio del 2019 a las 17:54

    … nos permite distinguir los colores… 
    Mis disculpas.

    Responder
  6. 6
    Pedro
    el 22 de junio del 2019 a las 19:48

        Hola, Nelson: Lo que trato de cuestionar es como un ente: luz óptica, compuesta de conjunto fotones, unidades mínimas de acción, si estos no tienen masa,  ¿que es lo que se propaga? 
    Excitaciones de campos eléctricos y magnéticos al unísono. 

    Una  onda electromagnética lo forman un conjunto de fotones, bien, ¿un solo foton?  ¿En qué se sustenta?. Si resulta que no tienen masa. Son una mera abstraccion entre constante de planck y determinada longitud de onda. Relación entre distintos componentes. 

           Osea: ¿Como un conjunto de fotones, si resulta que no tienen masa, pueden siquiera propagarse? 
    Dicho de otra forma: ¿Como pueden formarse ondas de la índole que queramos, con componentes indeterminados osea fotones, ya que carecen de masa?. 
     
    En resumen :¿Cuanto pesa un foton? Es lo mismo que decir ¿cuanta energía cóntiene? h/longitud de onda=energia 
    Masa  y energía son equivalentes, kg y ergios, acaso no el lo mismo que decir el peso que tiene. 
    Un foton masa= 0, por tanto su energía= 0.¿Como podemos definirlo, como unidad minima de acción?

    Igual de absurdo resulta he viajado a la velocidad de la luz en un vehículo sin masa. 

    Responder
  7. 7
    Pedro
    el 22 de junio del 2019 a las 20:23

    Aun mas, seguimos:resulta que el principio de indeterminación nos indica que no hay sistema donde su energía sea cero, sino +/_   1, próximo cero pero nunca cero.¿Como puede haber partículas cuya masa sea cero? Si resulta que masa y energía son equivalentes. 

    Responder
  8. 8
    Pedro
    el 22 de junio del 2019 a las 20:33

    Energia=frecuencia/lo gitud de onda

    Responder
  9. 9
    nelson
    el 23 de junio del 2019 a las 2:28

    Transcribo desde Wikipedia:
    La ecuación para la energía del fotón​ es:
    {\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}
    Donde E es la energía de los fotones, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz en el vacío y λ es el fotón de longitud de onda. Como h y c son ambas constantes, la energía de los fotones cambia de forma inversamente proporcional a la longitud de onda λ.
    Para encontrar la energía de los fotones en electronvolts, utilizando la longitud de onda en micrómetros, la ecuación es:
    {\displaystyle E(eV)={\frac {1.2398}{\mathrm {\lambda } ({\mu }m)}}}
    Por lo tanto, la energía de los fotones a 1 µm de longitud de onda (la longitud de onda cerca de la radiación de infrarrojos) es de aproximadamente 1.2398 eV.
    Desde donde f es la frecuencia, la energía de los fotones de la ecuación puede ser simplificada a:
    {\displaystyle E=hf}
    Esta ecuación es conocida como la relación de Planck-Einstein. Sustituyendo h con su valor en J⋅s y f con su valor en hertz da la energía de los fotones en joules. Por lo tanto, la energía de los fotones en 1 Hz de frecuencia es 6.62606957 × 10-34 j o 4.135667516 × 10-15 eV.

    Ejemplo:
    Una estación de FM de radio transmitiendo a 100 MHz emite fotones con una energía de alrededor de 4.1357 × 10-7 eV. Esta minúscula cantidad de energía es de aproximadamente 8 × 10-13 veces a la masa del electrón (a través de la equivalencia de masa-energía).

    Saludos.

    Responder
  10. 10
    nelson
    el 23 de junio del 2019 a las 2:30

    A ver ahora:
    La ecuación para la energía del fotón1​ es:
    {\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}
    Donde E es la energía de los fotones, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz en el vacío y λ es el fotón de longitud de onda. Como h y c son ambas constantes, la energía de los fotones cambia de forma inversamente proporcional a la longitud de onda λ.
    Para encontrar la energía de los fotones en electronvolts, utilizando la longitud de onda en micrómetros, la ecuación es:
    {\displaystyle E(eV)={\frac {1.2398}{\mathrm {\lambda } ({\mu }m)}}}
    Por lo tanto, la energía de los fotones a 1 µm de longitud de onda (la longitud de onda cerca de la radiación de infrarrojos) es de aproximadamente 1.2398 eV.
    Desde donde f es la frecuencia, la energía de los fotones de la ecuación puede ser simplificada a:
    {\displaystyle E=hf}
    Esta ecuación es conocida como la relación de Planck-Einstein. Sustituyendo h con su valor en J⋅s y f con su valor en hertz da la energía de los fotones en joules. Por lo tanto, la energía de los fotones en 1 Hz de frecuencia es 6.62606957 × 10-34 j o 4.135667516 × 10-15 eV.
    Ejemplos[editar]
    Una estación de FM de radio transmitiendo a 100 MHz emite fotones con una energía de alrededor de 4.1357 × 10-7 eV. Esta minúscula cantidad de energía es de aproximadamente 8 × 10-13 veces a la masa del electrón (a través de la equivalencia de masa-energía).

    Responder
  11. 11
    nelson
    el 23 de junio del 2019 a las 2:35

    Bueno… Solicito al moderador que me suprima los últimos comentarios (los que quedaron para moderar y este) pues se tornaron ilegibles al copipegar la cita.
    Mis disculpas una vez más. Cuando tenga más tiempo trataré de copiar manualmente la cita.
    Saludos cordiales.

    Responder
    • 11.1
      emilio silvera
      el 23 de junio del 2019 a las 11:16

      Amigo mío, a todos nos ha pasado alguna vez, no tienes que disculparte por nada, sino que, por el contrario, se agradece tu aportación.

      Un abrwzo.

      Responder
  12. 12
    nelson
    el 23 de junio del 2019 a las 3:09

    Hola muchachada.

    Intentaré (si se me permite la insistencia) con otro enlace:
    https://www.ugr.es/~amaro/radiactividad/tema1/node6.html

    Gracias; saludos.

    Responder
  13. 13
    Pedro
    el 24 de junio del 2019 a las 16:03

     
    Haber Fandila, estoy leyendo tu artículo física cuántica facil:acerca de la definición de masa fotonica, resulta que masa de un objeto es la propia masa del mismo, o bien  la variable que cuantifica presión que ejerce el medio sobre tal objeto frente a su desplazamiento. 
    Bien algo no me cuadra. Según esta definición resulta que un foton nos dicen  no tiene masa y ahora resulta que falta añadir la presión que ejerce el medio sobre dicho foton. 
    ¿Que presión puede haber sobre algo que carece de consistencia, osea masa? 
    Mi sentido común me dice que eso no se sostiene:tengo un objeto por ejemplo un coche pesa 1 tonelada y media, en parado. Ok
    Pregunta:¿Cuáles la masa de dicho coche? Yo diría que 1 tonelada y media al margen de si se mueveo no. 
    Por tanto añadir la componente presión del medio sobre un objeto no puede formar parte de ninguna masa. 
    Salvo que con ello queramos significar ¿cuál es su masa /peso inercial (energía cinética) ? Osea al propio peso del objeto añadir su energía inercial. Osea dos componentes :el propio peso del objeto en reposo y la propia energía cinética  del vehículo en movimiento. 
    Ahora: si resulta que a la masa de un objeto hay que añadir la presión que ejerce el medio sobre el,  la atracción o repulsión entre cargas eléctricas se tornaría imposible. El poder del conjunto del medio es mayor que todo lo demás. 
    Todo el universo frente a una minuscula carga. 

    Fusión de dos fotones surgen electrones, dos partículas sin carga , violan la ley de conservación de carga. Ya que los fotones no tienen ni masa ni cargas eléctricas. 

    Responder
  14. 14
    nelson
    el 24 de junio del 2019 a las 18:35

    Hola muchachada. 
    ¿Está comprobado experimentalmente que de la fusión de dos fotones surgen electrones (o un electrón y un positrón)? Está propuesto pero ¿probado?…
    Saludos cordiales.

    Responder
  15. 15
    emilio silvera
    el 24 de junio del 2019 a las 19:02

      Una cosa si que se sabe: Cuando se acelera un electrón, puede absorber o radiar energía en forma de fotones. Por otra parte, el electrón es una partícula elemental, es decir, se considera que no está compuesta por otras partículas más pequeñas. Cuando hablamos de fotones… ¡Algunos detalles se nos escapan!

    Responder
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