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¡El Universo de lo muy pequeño!

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

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En cualquier lugar que mirémos sobre el tema, nos dirán: “Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un sistema físico idealizado para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro.”

 Cuando en 1.900, Max Planck, el físico alemán escribió un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que él decía emitirse en paquetes discretos, no continuos, a los que llamó “cuantos”, nadie fue capaz de suponer que allí estaba la semilla de lo que más tarde se conocería como la ¡Teoría de la Mecánica Cuántica! que describía a la perfección el sistema matemático que nos descubrió el universo del átomo, de lo muy pequeño e infinitesimal. Por los años de 1.925 y 1.926, Edwin Schrödinger, Werner Heisemberg y otros muchos desarrollaron esta teoría que derribó las barreras de creencias firmes durante siglos.

Aquello fue una auténtica revolución:

1.  Las fuerzas son creadas por el intercambio de paquetes discretos de energía denominados cuantos.

En contraste con la imagen geométrica de Einstein para una “fuerza”, en la teoría cuántica la luz iba a ser dividida en fragmentos minúsculos. Estos paquetes de luz fueron llamados fotones, y se comportaban de forma muy parecida a partículas puntuales. Cuando dos electrones chocan, se repelen mutuamente, no a causa de la curvatura del espacio, sino debido a que intercambian un paquete de energía, el fotón.

loi de Planck

La energía de estos fotones se mide en unidades del algo denominado constante de Planck (h ~ 10-27 ergios por segundo). El tamaño infinitesimal de la constante de Planck significa que la teoría cuántica da correcciones minúsculas a las leyes de Newton. Éstas se denominan correcciones cuánticas, y pueden ser despreciadas cuando describimos nuestro mundo macroscópico familiar y sus fenómenos familiares cotidiano. Sin embargo, cuando tratamos con el mundo subatómico microscópico, las correcciones cuánticas empiezan a dominar cualquier proceso físico, y nos da cuenta de las propiedades extrañas y “contraintuitivas” de las partículas subatómicas.

2.  Las diferentes fuerzas son causadas por el intercambio de diferentes cuantos.

La fuerza débil, por ejemplo, es causada por el intercambio de un tipo diferente de cuanto, llamado partícula W (W es la inicial de “weak” [débil]). Análogamente, la fuerza fuerte que mantiene unidos los protones y neutrones dentro del núcleo del átomo es causada por el intercambio de partículas subatómicas llamados mesones p. Tanto los bosones W como los mesones p se han visto experimentalmente en los residuos de los colisionadores de átomos, verificando de este modo la conexión fundamental de este enfoque. Y finalmente, la fuerza subnuclear que mantiene los protones y neutrones e incluso los mesones p juntos se debe al intercambio de partículas llamadas gluones (glue en inglés es pegamento).

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De este modo, tenemos un nuevo “principio unificador” para las leyes de la física. Podemos unir las leyes del electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte postulando una variedad de cuantos diferentes que sirven de vehículo para las mismas. Tres de las cuatro fuerzas (excluyendo la gravedad) están así unidas por la teoría cuántica, dándonos unificación sin geometría.

3.  Nunca podremos conocer simultáneamente la velocidad y la posición de una partícula subatómica.

Ese es el principio de incertidumbre de Heisemberg, que es con mucho el aspecto más controvertido de la teoría, aunque ha resistido todos los desafíos en el laboratorio durante más de medio siglo. No hay desviación experimental conocida de esta regla que nos dice que nunca podremos saberlo todo de todo… al mismo tiempo.

El principio de incertidumbre significa que nunca podemos estar seguros de dónde se encuentra un electrón o cuál es su velocidad.  Lo más que podemos hacer es calcular la probabilidad de que el electrón aparezca en un cierto lugar con una cierta velocidad. La situación no es tan desesperada como uno pudiera sospechar, porque podemos calcular con rigor matemático la probabilidad de encontrar dicho electrón. Aunque el electrón es una partícula puntual, está acompañado de una onda que obedece a una ecuación bien definida, la ecuación de ondas de Schrödinger con su función de onda (y), que nos dirá con mucha probabilidad el lugar en el que aparecerá el electrón.

Figura que muestra de manera artística el cambio de color cuando el efecto túnel cuántico se produce en una cavidad subnanométrica. En este caso, el acercamiento de las nanoesferas de oro generaría entre ellas un beso virtual, ya que nunca llegan a tocarse, que liberaría de carga a sus superficies y cambiaría el color de la cavidad existente entre ellas.

A distancias inferiores a un nanómetro, el vacío existente entre dichas bolas metálicas adquiere color gracias a la interacción de los electrones de su superficie con la luz. El haz los empuja y los hace oscilar, lo que les aporta un color plasmónico rojo que se va intensificando a medida que se acercan las esferas. Cuando la distancia entre ambas se reduce por debajo de 0,35 nanómetros, los electrones de sus superficies comienzan a experimentar el efecto túnel, lo que va transformando el color plasmónico del vacío en azul a medida que se reduce la carga eléctrica. (Crédito: Universidad de Cambridge.)

Ciertamente, la mecánica cuántica es extraña y, cuando viajamos hasta ese “universo”, podemos contemplar sucesos extraordinarios que, aunque estén en este, parecen de otro mundo.

4.  Existe una posibilidad finita de que las partículas puedan “tunelear” o hacer un salto cuántico a través de barreras impenetrables.

Esta es una de las predicciones más desconcertantes de la teoría cuántica. En el nivel atómico, esta predicción no ha tenido otra cosa que éxitos espectaculares. El “efecto túnel” o salto cuántico a través de barreras ha sobrevivido a cualquier desafio experimental. De hecho, un mundo sin efecto túnel es ahora inimaginable.

Si finalmente, la teoría de cuerdas lleva integrada una teoría cuántica de la Gravedad, podríamos dar respuestas a algunas de estas preguntas que nadie ha sabido contestar? El “mundo” de lo muy pequeño es, no pocas veces incomprensible y, sin embargo, ahí subyacen muchas de las respuestas que necesitamos para conocer el Universo, la naturaleza de las cosas.

emilio silvera

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Esta entrada fue publicada el domingo, 17 de marzo de 2013 a las 0:14 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.
 

  1. 1
    emilio silvera
    el 5 de septiembre del 2013 a las 4:30

    Amigo, cada cual le da a su blog un aire único que está directamente conectado con su personalidad y su manera de ver las cosas. En este, se trata de exponer las cuestiones que aquí se comentan de la manera más sencilla posible y procurando siempre que el lector posible, lo pueda entender.
    Además de la Ciencia, sin duda alguna, esos trabajos van llenos de mi propia manera de ver las cosas y de imaginar cómo es el mundo y cómo podrá ser en el futuro, lo que hay en el universo y lo que puede esperarse de nuestras mentes, lo que la vida pueda ser y cómo la Naturaleza la trajo hasta éste planeta y muchos miles de millones más, de cómo llegaremos un día lejano en el tiempo a dominar las técnicas, hoy prohibidas, de viajr por las estrellas.
    En definitiva se trata de hacer ver que con la Ciencia por delante y si nada catastrófico nos hace desaparecer, podremos seguir evolucionando hasta alcanzar niveles que sólo podemos imaginar y que, seguramente, serán mucho más de lo que la imaginación nos permite intuir.
    Un slaudo cordial

    Responder
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