¿La Mecánica Cuántica! ¡El Efecto Túnel! Y, ¿Cuánto más?

Los núcleos para formar átomos están rodeados por varios niveles de electrones y todos sabemos que un átomo es la parte más pequeñaque puede existir de un elemento, es la fracción mínima de ese elemento. Consta de un denso núcleo de protones y neutrones (los nucleones) rodeados de electrones moviéndose a velocidades cercanas a las de la luz. Es lo que se conoce como estructura electrónica del núcleo y que tiene que ver con los niveles de energía que los electrones ocupan en sus orbitales.

El orbital s tiene simetría esférica alrededor del núcleo atómico. En la figura siguiente se muestran dos formas alternativas para representar la nube electrónica de un orbital s: en la primera, la probabilidad de encontrar al electrón (representada por la densidad de puntos) disminuye a medida que nos alejamos del centro; en la segunda, se representa el volumen esférico en que el electrón pasa la mayor parte del tiempo.

La forma geométrica de los orbitales p es la de dos esferas achatadas hacia el punto de contacto (el núcleo atómico) y orientadas según los ejes de coordenadas. En función de los valores que puede tomar el tercer número cuántico m_l (-1, 0 y 1) se obtienen los tres orbitales p simétricos respecto a los ejes x, z e y. Análogamente al caso anterior, los orbitales p presentan n-2 nodos radiales en la densidad electrónica, de modo que al incrementarse el valor del número cuántico principal la probabilidad de encontrar el electrón se aleja del núcleo atómico. El orbital “p” representa también la energía que posee un electrón y se incrementa a medida que se aleja entre la distancia del núcleo y el orbital.

Los orbitales d tienen formas más diversas cuatro de ellos tienen forma de 4 lóbulos de signos alternados (dos planos nodales, en diferentes orientaciones del espacio), y el último es un doble lóbulo rodeado por un anillo (un doble cono nodal). Siguiendo la misma tendencia, presentan n-3 nodos radiales.

Los orbitales f tienen formas aún más exóticas, que se pueden derivar de añadir un plano nodal a las formas de los orbitales d. Presentan n-4 nodos radiales.

Una vez dejada la reseña básica de lo que es el átomo y donde están situados los electrones por capas o niveles alrededor de su núcleo, veamos el fenómeno principal de este comentario referido a “esquivar el tiempo”.

Si un fotón viajero va por el espacio a 299.792’458 Km/s, velocidad de c, golpea a un electrón situado alrededor de un núcleo, lo que ocurre trae de cabeza a los científicos que no saben explicar de manera convincente la realidad de los hechos. El electrón golpeado absorbe el fotón y, de manera inmediata, desaparece del nivel que ocupa y, sin recorrer la distancia que los separa, simultáneamente aparece en el nivel superior. Es lo que llamamos el “salto cuántico” que es ir, más allá de los límites que podemos comprender, el fenómeno se aparta de lo que nos dicta el sentido común.

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas. La Mecánica cuántica, ese Modelo de la Física que nos habla del mundo infinitesimal, aunque está muy avanzada y se utiliza como una eficiente herramienta científica, lo cierto es que, tiene aún muchos rincones en sombra que nos impide ver más allá. Sin embargo, se tiene la esperanza de que, en un futuro próximo, la luz del entendimiento inunde esos lugares en penumbra y nos permita, al fin, comprender la verdadera personalidad de la naturaleza de la materia y de las fuerzas que la rigen.

El electrón desaparece y, e manera simultánea, sin saber por donde recorrió el trecho, se sitúa en otra órbita superior.

 

El Salto cuántico es uno de los muchos misterios que desean desvelar los físicos, y, la pregunta a contestar es: ¿Por dónde hizo el viaje el electrón? ¿En qué lugar se escondió mientras desapareció? ¿Cómo pudo aparecer simultáneamente en otro lugar, sin recorrer la distancia existente entre el nivel de partida y el de llegada? Y, ¿Cómo esquivó el tiempo para que todo ocurriera simultáneamente?

Estas son preguntas que aún no podemos contestar, aunque sí es verdad que nos gusta especular con el hecho de que sería una posible manera traspasar el muro que supone, para los viajes espaciales, la velocidad de la luz y si pudiéramos descubrir ese misterio, podríamos soñar con viajar en el tiempo, y lo del electrón, conocido como “efecto túnel” o salto cuántico, es una idea que, desde hace algún tiempo, no deja de resonar en la mente de muchos con este fin.

                        ¿Estará la respuesta del viaje a otros mundos en la mecánica cuántica?

Necesitamos tiempo para cambiar las cosas. Sobre todo, la cultura científica de los pueblos. La Ciencia es un ámbito que sólo visitan unos pocos. Debería ser obligatorio que en las escuelas todos salieran sabiendo (de manera básica) lo que es la Ciencia, en qué mundo vivimos, el origen de los seres humanos y de las demás criaturas, y, desde luego, un conocimiento sencillo de la Naturaleza y del Universo al que pertenecemos. Es penoso que, preguntados unos recién licenciados por cómo se formaban las estrellas, de una encuesta realizada a 3.000 individuos, sólo tres contestaron de manera correcta.

Sinceramente creo que son los gobiernos los que fomentan este tipo de sociedades “no pensantes” que se pueden guiar fácilmente con los programas “basura” de las televisiones que facilitan y colaboran a que no levantemos cabeza.

                                    Programas como este de Gran Hermano nos denigra a todos

¡¡ Es una pena!! Que personas adultas se puedan prestar a estas bajas actividades que denigran al Ser humano.

Tenemos que desterrar esta situación de programas vacíos de contenido o prensa embrutecedora de los sentidos. Mejorar los hábitos y, desde pequeñitos, hacer que los niños lean mucho, que se interesen por las cosas verdaderamente importantes y que sientan dentro de su ser la curiosidad, la necesidad de saber.

Para seguir avanzando habrá que eliminar esta clase de sociedad aberrante, lo que de nuevo nos lleva a la misma cruda realidad, necesitamos tiempo… y buena voluntad. Pero sigamos con lo nuestro.

El tiempo es una dimensión que permite distinguir entre dos sucesos que ocurren en el mismo punto del espacio y que de otra forma serían idénticos (espacio-tiempo). El intervalo entre dos de esos sucesos constituye la base de la medida del tiempo. Para propósitos generales, más cotidianos, la rotación de la Tierra sobre su eje sirve para definir las unidades del reloj (el día y la noche con 24 horas) y la órbita del planeta Tierra, alrededor del Sol, (el año) se utiliza para definir las unidades del calendario con 365 días. Para fines científicos, los intervalos de tiempo son ahora definidos mediante la frecuencia de una radiación electromagnética especificada. También es interesante pararse a ver lo que es dilatación de tiempos que está dado en un factor . Por otra parte, podríamos hablar de la operación de reemplazar el tiempo t por el tiempo -t. La simetría de la inversión temporal es conocida como invariancia.

Como estamos comentando asuntos diversos que de alguna manera pueden estar relacionados con el tiempo, y comentamos también las diversas perspectivas y formas o enfoques de mirar el tiempo, no me puedo resistir aquí una reseña de lo que es el…

El joven Planck en su época de estudiante

Tiempo de Planck

Es el tiempo que necesita el fotón (viajando a la velocidad de la luz, c, para moverse a través de una distancia igual a la longitud de Planck. Está dado por  segundos, donde G es la constante gravitacional (6’672 59 (85) ×10^-11 N m² kg^-2), ħ es la constante de Planck racionalizada (ħ = h/2π = 1’054589 × 10^-34 Julios segundo) y c es la velocidad de la luz (299.792.458 m/s).

El valor del tiempo del Planck es del orden de 10^-44 segundos. En la cosmología del Big Bang, hasta un tiempo T_p después del instante inicial, es necesaria usar una teoría cuántica de la gravedad para describir la evolución del universo.

Expresado en números corrientes que todos podamos entender, su valor es el de la fracción de 1 segundo, que es el tiempo que necesita el fotón para recorrer la longitud de Planck, de 10^-35 metros (veinte ordenes de magnitud menor que el tamaño del protón de 10^-15 metros). El límite de Planck es .

Todo, desde Einstein, es relativo. Depende de la pregunta que se formule y de quién nos de la respuesta. Y, desde luego, si nos sumergimos en el “universo” de la Mecánica Cuántica, además de relativo, nos puede resultar mágico, incomprensible, inaudito, asombroso, increíble, y, cualquier calificativo de negación que podamos encontrar…le vendría bien a las cosas que realmente pueden ocurrir en ese “mundo” de “realidad fantástica” que no todos quisieron comprender.

Fue por eso que Einstein se negó a aceptar las conclusiones que pudiesen llegar de un método científico tan abierto a errores relativos, enunciando así su ya conocida frase “No creo que Dios juegue a los dados con nosotros”.

Sin embargo, la Teoría Cuántica siguió adelante y hemos llegado a lo que hemos llegado. Hoy podemos explicar algunos de los más especiales fenómenos de entre los años 1930-1950, y, posteriormente, muchos han sido los avances que en la Física cuántica se han logrado.

Si hasta casi 1930 las únicas partículas realmente conocidas eran los electrones y los fotones, a partir de entonces comenzaron a descubrirse teóricamente más tipos de ellas, y experimentalmente a lo largo de las décadas siguientes. Hoy son cientos las partículas conocidas y sabemos las funciones que cada una de ellas tiene asignado, sus vidas medias, sus masas y cargas, sus espines, y, en definitiva, podemos estar orgullosos de conocer, en gran medida, a los principales componentes de la mate3ria que nos rodea y podemos ver y detectar por medio de su radiación electro-magnética. Incluso, estamos buscando partículas profundamente escondidas, unas pueden estar en los océanos de Higgs, como el dicho Bosón que supuestamente le da masa a las demás partículas, y, otras, como el gravitón, puede estar escondido por todo el Universo pero, su inmenso radio de acción y su pequeñez, lo hacen “invisible” a nuestros detectores.

No pocas veces nos olvidamos de que todo lo grande está hecho de cosas pequeñas, y, así, una estrella está compuesta de partículas pequeñísimas que juntas hace ese todo descomunal que brilla en el cielo y emite luz y calor al espacio que la circunda. Hay estrellas, como VY Canis Majoris cuyo diámetro es de entre ~ 3,600 a 4,200 D☉, su radio podría extenderse mas allá de la órbita de Saturno, alrededor de 9 UA.

Lo cierto es que para las estrellas super-masivas, cuando llegan al final de su ciclo y dejan de brillar por agotamiento de su combustible nuclear, en ese preciso instante, el tiempo se agota para ella. Cuando una estrella pierde el equilibrio existente entre la energía termonuclear (que tiende a expandir la estrella) y la fuerza de gravedad (que tiende a comprimirla), al quedar sin oposición esta última, la estrella super-masiva se contrae aplastada bajo su propia masa. Queda comprimida hasta tal nivel que llega un momento que desaparece, para convertirse en un agujero negro, una singularidad, donde dejan de existir el “tiempo” y el espacio. A su alrededor nace un horizonte de sucesos, que si se traspasa se es engullido por la enorme gravedad del agujero negro, y, es precisamente cuando se forma ese nuevo y exótico objeto, cuando necesitamos de nuevo de la Mecánica cuántica para poder comprender, lo que una singularidad es.

En fin amigos, ¡es todo tan complej0!

emilio silvera

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