FÍSICA CUANTICA

FÍSICA CUANTICA

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Qué es la física cuántica?

La naturaleza atómica de la materia es algo ahora aceptado. Sin embargo, la comprensión del mundo microscópico entraña muchas difilcutades, ya que el comportamiento de sus componentes es muy direfente al de los que conforman el mundo de la vida cotidiana. Para explicar ese comportamiento fue necesario construir la física cuántica. Lo común es pensar que al aceptar que la materia tiene una estructura atómica se acepta también que toda sustancia está compuesta por partes irreducibles –átomos en su sentido literal– y que éstas son las partículas estudiadas en la mecánica newtoniana. Lo primero es correcto pero lo segundo no, ya que suponer que toda sustancia está compuesta por partículas puntuales conduce a predicciones falsas como las que tuvo que enfrentar Plack al estudiar la radiación del cuerpo negro. Veamos por qué.


Cuando un haz luminoso incide en un vidrio parte de él lo atraviesa y la otra parte se refleja. Si consideramos que la luz está formada por fotones explicaríamos la experiencia anterior diciendo que la superficie del vidrio admite que algunos fotones sigan su camino y que otros boten y regresen. La aceptación de la estructura atómica obliga a responder qué sucede a cada componente por lo que cabe preguntarse qué ocurriría si incide un sólo fotón en la superficie del vidrio; ¿el fotón pasa o se regresa? Antes de tener una respuesta surge, inevitablemente, otra pregunta: ¿el fotón es una partícula puntual?

 

Historia:

Hace un siglo, el 14 de diciembre de 1900, en una conferencia impartida por el profesor Max Planck de la sociedad de física de Berlín, se habló por primera vez de la física cuántica. En esa ocasión Planck dio a conocer una buena forma de describir el comportamiento del color de la luz producida por un cuerpo caliente. Este fenómeno no nos es totalmente desconocido pues sabemos por experiencia que si calentamos un pedazo de hierro éste se hace luminoso –tanto más brillante cuanto más caliente– y que su luz, como la solar, está compuesta por una extensa gama de colores que nos recuerda al arco iris. ¿Por qué sucede esto?

Para precisar el color de una luz se le asigna una cantidad llamada frecuencia. Cuando la luz pasa del rojo al amarillo y luego al violeta la frecuencia crece. Si seguimos aumentando la frecuencia, la luz se hará invisible para nuestro ojos y diremos que se trata de luz ultravioleta. El crecimiento de la frecuencia nos conducirá a otras luces: los rayos X y los llamados "gamma". La organización de las luces en términos de sus frecuencias constituye el espectro electromagnético y la teoría correspondiente ya estaba firmemente establecida cuando Planck realizaba sus estudios. Sin embargo, su aplicación a la emisión de luz por un cuerpo caliente predecía algo absurdo: el aumento de temperatura haría crecer sin límite la frecuencia.

Planck fue el primero en hablar de Física cuantica


Aunque se afirma que la física cuántica nació con el descubrimiento de Planck, en 1900, lo cierto es que su formulación se inició hasta 1925, con los trabajos de otro físico alemán, Werner Heisenberg. Es indudable que la mecánica cuántica, como casi todas las teorías científicas modernas, es una obra colectiva resultante de una gran variedad de esfuerzos personales realizados durante muchos años y en diversos lugares. Sin embargo, buscando los antecedentes determinantes de lo que ahora sabemos de ese campo, es imposible pasar por alto un artículo –fechado en 1925– en el que Heisenberg señaló la importancia de cambiar la formulación matemática de los fenómenos que ocurren en el mundo atómico.

A partir de 1926, el desarrollo de la mecánica cuántica fue espectacular. En ese año Erwin Schrödinger (físico austriaco) formuló la famosa ecuación que desde entonces lleva su nombre y con ella los físicos iniciaron la construcción del gran edificio que alberga ahora las explicaciones de los fenómenos atómicos y moleculares. Poco después se puso en limpio la estructura matemática de la teoría cuántica, especialmente por los trabajos del físico inglés Paul Adrien, Maurice Dirac y del matemático estadounidense, de origen húngaro, John von Neumman. Los logros de la mecánica cuántica fueron tantos que enumerarlos llenaría esta revista. Sin embargo no todo era miel sobre hojuelas, pues la lista de problemas pendientes también fue creciendo.

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

 

En la búsqueda de una estructura que fuera compatible con la mecánica cuántica Werner Heisenberg descubrió, cuando intentaba hallarla, el «principio de incertidumbre», principio que revelaba una característica distintiva de la mecánica cuántica que no existía en la mecánica newtoniana.

 

Según el principio de incertidumbre, ciertos pares de variables físicas, como la posición y el momento (masa por velocidad) de una partícula, no pueden calcularse simultáneamente con la precisión que se quiera. Así, si repetimos el cálculo de la posición y el momento de una partícula cuántica determinada (por ejemplo, un electrón), nos encontramos con que dichos cálculos fluctúan en torno a valores medíos. Estas fluctuaciones reflejan, pues, nuestra incertidumbre en la determinación de la posición y el momento. Según el principio de incertidumbre, el producto de esas incertidumbres en los cálculos no puede reducirse a cero. Si el electrón obedeciese las leyes de la mecánica newtoniana, las incertidumbres podrían reducirse a cero y la posición y el momento del electrón podrían determinarse con toda precisión. Pero la mecánica cuántica, a diferencia de la newtoniana, sólo nos permite conocer una distribución de la probabilidad de esos cálculos, es decir, es intrínsecamente estadística.

 

En síntesis, se puede describir que el principio de incertidumbre postula que en la mecánica cuántica es imposible conocer exactamente, en un instante dado, los valores de dos variables canónicas conjugadas (posición-impulso, energía-tiempo, …, etc.) de forma que una medición precisa de una de ellas implica una total indeterminación en el valor de la otra. Matemáticamente, se expresa para la posición y el impulso en la siguiente forma:

Dx Dy ³ h/2

donde Dx, incertidumbre en la medida de la posición; Dp, incertidumbre en la medida del impulso; para la energía, E, y el tiempo, t, se tiene DE Dt ³  h/2p ; en ambas relaciones el límite de precisión posible viene dado por la constante de Planck, h.


El principio de incertidumbre fue hecha por Werner Heisenberg

 

HIPÓTESIS DE PLANCK

La hipótesis de Planck
El problema de la radiación emitida o absorvida fué estudiado por Max Planck, intentando encontrar una relación entre la distribución del espectro de radiación de un cuerpo y su temperatura. En 1900 encontró que la energía de la radiación electromagnética absorvida o emitida tenía relación, asombrosamente, con la frecuencia de la misma radiación.

Llegó a concluir, sin poder justificar la razón, que la energía electromagnética emitida o absorbida solo podría serlo en cantidades que fueran proporcionales a la frecuencia u de la radiación.

 

E=h.u

o bien, a la velocidad angular, w, en radianes por segundo:

 

E=h.w

siendo:

 h= 6,6256.10-34 Julios x segundo

MECÁNICA DE FEYMAN

Cuando un disco rígido de radio R, choca contra un obstáculo puntual la dirección de la velocidad de su centro cambia.

 

Se denomina parámetro de impacto b, a la distancia entre la dirección de la velocidad del centro del disco y el obstáculo puntual. Si el parámetro de impacto b, es mayor o igual que el radio del disco R, no se dispersa continuando con la dirección incidente original.

Ahora bien, si el parámetro de impacto es menor que el radio del disco, al chocar con el obstáculo se refleja siguiendo una dirección que forma un ángulo suplementario a la suma del ángulo de incidencia i y  reflejado r.

Del mismo modo que en una reflexión especular, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, i=r. La normal en este caso es la recta que une el obstáculo puntual y el centro del disco.

BIOGRAFÍAS

  

Albert Einstein (1879-1955), físico alemán nacionalizado estadounidense, premiado con un Nobel, famoso por ser el autor de las teorías general y restringida de la relatividad y por sus hipótesis sobre la naturaleza corpuscular de la luz. Es probablemente el científico más conocido del siglo XX.

Nació en Ulm el 14 de marzo de 1879 y pasó su juventud en Munich, donde su familia poseía un pequeño taller de máquinas eléctricas. Ya desde muy joven mostraba una curiosidad excepcional por la naturaleza y una capacidad notable para entender los conceptos matemáticos más complejos. A los doce años ya conocía la geometría de Euclides.

 A la edad de 15 años, cuando su familia se trasladó a Milán, Italia, a causa de sucesivos fracasos en los negocios, Einstein abandonó la escuela. Pasó un año con sus padres en Milán y viajó a Suiza, donde terminó los estudios secundarios e ingresó en el Instituto Politécnico Nacional de Zurich.

 

Durante dos años Einstein trabajó dando clases particulares y de profesor suplente. En 1902 consiguió un trabajo estable como examinador en la Oficina Suiza de Patentes en Berna.

 

EINSTEIN Y SU TEORIA DE LA RELATIVIDAD

 

En 1905 se doctoró en la Universidad de Zurich, con una tesis sobre las dimensiones de las moléculas; también publicó cuatro artículos teóricos de gran valor para el desarrollo de la física del siglo XX. En el primero de ellos, sobre el movimiento browniano, formuló predicciones importantes sobre el movimiento aleatorio de las partículas dentro de un fluido, predicciones que fueron comprobadas en experimentos posteriores. El segundo artículo, sobre el efecto fotoeléctrico, anticipaba una teoría revolucionaria sobre la naturaleza de la luz. Según Einstein, bajo ciertas circunstancias la luz se comportaba como una partícula. También afirmó que la energía que llevaba toda partícula de luz, denominada fotón, era proporcional a la frecuencia de la radiación. Lo representaba con la fórmula E = hu, donde E es la energía de la radiación, h una constante universal llamada constante de Planck y u es la frecuencia de la radiación. Esta teoría, que planteaba que la energía de los rayos luminosos se transfería en unidades individuales llamadas cuantos, contradecía las teorías anteriores que consideraban que la luz era la manifestación de un proceso continuo. Las tesis de Einstein apenas fueron aceptadas. De hecho, cuando el físico estadounidense Robert Andrews Millikan confirmó experimentalmente sus tesis casi una década después, éste se mostró sorprendido e inquieto por los resultados.

 

Einstein, interesado por comprender la naturaleza de la radiación electromagnética, propugnó el desarrollo de una teoría que fusionara las ondas y partículas de la luz. De nuevo fueron muy pocos los científicos que comprendieron y aceptaron estas ideas.

 

 

La tercera publicación de Einstein en 1905, Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, y la cuarta titulada ¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene?, formulaban lo que después llegó a conocerse como la teoría especial de la relatividad (o teoría restringida de la relatividad). Desde los tiempos del matemático y físico inglés Isaac Newton, los filósofos de las ciencias naturales (nombre que recibían los físicos y químicos) habían intentado comprender la naturaleza de la materia y la radiación, y su interacción en algunos modelos unificados del mundo. La hipótesis que sostenía que las leyes mecánicas eran fundamentales se denominó visión mecánica del mundo. La hipótesis que mantenía que eran las leyes eléctricas las fundamentales recibió el nombre de visión electromagnética del mundo. Ninguna de las dos concepciones era capaz de explicar con fundamento la interacción de la radiación (por ejemplo, la luz) y la materia al ser observadas desde diferentes sistemas de inercia de referencia, o sea, la interacción producida en la observación simultánea por una persona parada y otra moviéndose a una velocidad constante

En la primavera de 1905, tras haber reflexionado sobre estos problemas durante diez años, Einstein se dio cuenta de que la solución no estaba en la teoría de la materia sino en la teoría de las medidas. En el fondo de su teoría restringida de la relatividad se encontraba el hallazgo de que toda medición del espacio y del tiempo es subjetiva. Esto le llevó a desarrollar una teoría basada en dos premisas: el principio de la relatividad, según el cual las leyes físicas son las mismas en todos los sistemas de inercia de referencia, y el principio de la invariabilidad de la velocidad de la luz, según el cual la velocidad de la luz en el vacío es constante. De este modo pudo explicar los fenómenos físicos observados en sistemas de inercia de referencia distintos, sin tener que entrar en la naturaleza de la materia o de la radiación y su interacción, pero nadie entendió su razonamiento.

 

En su cuarto artículo, Einstein dedujo la famosísima fórmula E = m·c2 que relaciona la energía (E) con la masa (m) y la velocidad de la luz (c). Como el valor de c es muy elevado, una pequeña masa equivale a una gran cantidad de energía

 

Antes de dejar la oficina de patentes, en 1907, Einstein ya trabajaba en la extensión y generalización de la teoría de la relatividad a todo sistema de coordenadas. Empezó con el enunciado del principio de equivalencia según el cual los campos gravitacionales son equivalentes a las aceleraciones del sistema de referencia. De este modo, una persona que viajara en un elevador o ascensor no podría en principio determinar si la fuerza que actúa sobre ella se debe a la gravitación o a la aceleración constante del ascensor. Esta teoría general completa de la relatividad no fue publicada hasta 1916. De acuerdo con ella, las interacciones entre los cuerpos, que hasta entonces se atribuían a fuerzas gravitacionales, se explican por la influencia de aquéllos sobre la geometría espacio-tiempo (espacio de cuatro dimensiones, una abstracción matemática en la que el tiempo se une, como cuarta dimensión, a las tres dimensiones euclídeas).

 

Basándose en la teoría general de la relatividad, Einstein pudo entender las variaciones hasta entonces inexplicables del movimiento de rotación de los planetas y logró predecir la inclinación de la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol. La confirmación de este fenómeno durante un eclipse de Sol en 1919 fue toda una noticia y su fama se extendió por todo el mundo.

 

Einstein consagró gran parte del resto de su vida a generalizar su teoría. Su último trabajo, la teoría del campo unificado, que no tuvo demasiado éxito, consistía en un intento de explicar todas las interacciones físicas, incluidas la interacción electromagnética y las interacciones nucleares fuerte y débil, a través de la modificación de la geometría del espacio-tiempo entre entidades interactivas.

 

La mayoría de sus colegas pensaron que sus esfuerzos iban en dirección equivocada. Entre 1915 y 1930 la corriente principal entre los físicos era el desarrollo de una nueva concepción del carácter fundamental de la materia, conocida como la teoría cuántica. Esta teoría contempla la característica de la dualidad onda-partícula (la luz presenta las propiedades de una partícula, así como las de una onda), que Einstein había intuido como necesaria, y el principio de incertidumbre, que establece que la exactitud de los procedimientos de medición es limitada. Además, esta teoría suponía un rechazo fundamental a la noción estricta de causalidad. Sin embargo, Einstein mantuvo una posición crítica respecto a estas tesis hasta el final de su vida. “Dios no juega a los dados con el mundo”,

EINSTEIN EL PACIFISTA NACIONALIZADO ESTADOUNIDENSE 

A partir de 1919, Einstein recibió el reconocimiento internacional y acumuló honores y premios de distintas sociedades científicas, como el Nobel de Física en 1921. Sus visitas a países de todo el mundo, como la que realizó a España en 1923, impulsada por el matemático Julio Rey Pastor, o las que realizó a Argentina, Uruguay y Brasil en 1925, eran un acontecimiento; le seguían fotógrafos y periodistas.

 

El pacifismo y el sionismo fueron los dos movimientos sociales que recibieron todo su apoyo. Durante la I Guerra Mundial, Einstein fue uno de los pocos académicos alemanes que condenaron públicamente la participación de Alemania en el conflicto. Después de la guerra siguió con sus actividades pacifistas y sionistas, por lo que fue blanco de los ataques de grupos antisionistas y de derechas alemanes. Sus teorías llegaron a ser ridiculizadas en público, especialmente la de la relatividad.

 

Cuando Hitler llegó al poder en 1933, Einstein abandonó Alemania y emigró a Estados Unidos, donde ocupó un puesto en el Instituto de Estudios Superiores en Princeton, Nueva Jersey. Siguió con sus actividades en favor del sionismo pero abandonó su postura pacifista anterior a la vista de la amenaza que suponía para la humanidad el régimen nazi en Alemania.

 

En 1939 Einstein participó junto con otros físicos en la redacción de una carta dirigida al presidente Franklin D. Roosevelt en la que se pedía la creación de un programa de investigación sobre las reacciones en cadena. La carta, que sólo iba firmada por Einstein, consiguió acelerar la fabricación de la bomba atómica, en la que él no participó ni supo de su finalización. En 1945, cuando ya era evidente la existencia de la bomba, Einstein volvió a escribir al presidente para intentar disuadirlo de utilizar el arma nuclear.

 

Después de la guerra, Einstein se convirtió en activista del desarme internacional y del gobierno mundial, y siguió contribuyendo a la causa del sionismo, pero declinó una oferta de los líderes del Estado de Israel para ocupar el cargo de presidente. A finales de la década de 1940 y principios de la de 1950, defendió en Estados Unidos la necesidad de que los intelectuales del país hicieran todo lo posible para mantener la libertad política. Einstein murió el 18 de abril de 1955 en Princeton.

FEYMAN EL GENIO DE LA FISICA

Richard Phillips Feynman: (1918-1988)

 

 físico y premio Nobel estadounidense, nació en Nueva York y estudió en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y en la Universidad de Princeton. En esta universidad, en 1942 Feynman trabajó en las primeras etapas del proyecto Manhattan, el programa de desarrollo de la bomba atómica de Estados Unidos. Continuó este trabajo durante la II Guerra Mundial en el laboratorio científico de Los Álamos en Nuevo México. Desde 1945 hasta 1950 dio clases de física en la Universidad de Cornell. En 1950 fue profesor del Instituto de Tecnología de California. Durante una serie de viajes a Río de Janeiro, entre 1949 y 1959, influyó en los físicos brasileños y formó a un grupo de jóvenes que posteriormente se graduaron en universidades estadounidenses. Compartió el Premio Nobel de Física del año 1965 con otros dos físicos, el estadounidense Julian S. Schwinger y el japonés Shin'ichirō Tomonaga. Feynman fue nominado por su investigación de la transformación de un fotón en un electrón y en un positrón, y el descubrimiento de un método para medir los cambios producidos en la carga y en la masa. Desempeñó un papel relevante en la comisión presidencial que investigó la explosión de la lanzadera espacial Challenger en 1986. Entre sus escritos para el público en general se encuentran: ¡Está usted de broma, Mr. Feynman! Aventuras de un curioso (1985) y QED: La extraña teoría de la luz y la materia (1985).

 

PLANCK EL PADRE DE LA FISICA CUANTICA

 

MAX PLANCK:

Plank, quien nació en Alemania en 1858 (murió en 1947), se había doctorado en la Universidad de Munich en 1879 y especializado en termodinámica, esto es, en el estudio de las propiedades de la materia relacionadas con las condiciones a las que está sujeta, en especial su temperatura. Una característica esencial del estudio termodinámico es que puede tratar un objeto sin necesidad de detallarlo demasiado y por ello podemos saber mucho del comportamiento de un gas sin tomar en cuenta que está hecho de partículas. Pero la curiosidad humana es insaciable y hemos construido otras disciplinas que extienden y profundizan nuestros conocimientos. Desde fines del siglo pasado se sabía cómo usar la mecánica para explicar las conclusiones de los estudios termodinámicos en términos de las componentes básicas del objeto en consideración, por ejemplo la presión que ejerce un gas como resultado de que está hecho de partículas.

 

 

 Si tal objeto tuviera cavidad interna –una burbuja que quedó atrapada dentro de él, por ejemplo– al calentarlo la luz emitida en su interior llenaría la cavidad y entonces tendríamos una especie de frasco repleto de luz. No es extraño entonces estudiar la luz como un gas y preguntarse acerca de sus componentes. Antes de continuar es preciso señalar algo que podría parecer paradójico; un buen emisor puede ser también un gran absorbente, esto es, los objetos luminosísimos son la otra cara de los hoyos negros. Esto es claro si se piensa que una cavidad repleta de luz podría dejar escapar un haz de gran luminosidad, mientras que la misma cavidad, cuando está totalmente vacía, guardaría toda la luz que entrara en ella. De ahí que los físicos se refieran al trabajo de Planck como el estudio de "la radiación del cuerpo negro".

 

STEPHEN HAWKING

(1942- ), físico teórico británico, conocido por sus intentos de aunar la relatividad general con la teoría cuántica y por sus aportaciones íntegramente relacionadas con la cosmología. Nació en Londres y obtuvo el doctorado en la Universidad de Cambridge, donde trabajó como profesor de matemáticas desde 1979. Gran parte de su trabajo hace referencia al concepto de agujero negro. Su investigación indica que la relatividad general, si es cierta, apoya la teoría de que la creación del Universo tuvo su origen a partir de una Gran Explosión o Big Bang, surgida de una singularidad o un punto de distorsión infinita del espacio y el tiempo. Más tarde depuró este concepto considerando todas estas teorías como intentos secundarios de describir una realidad, en la que conceptos como la singularidad no tienen sentido y donde el espacio y el tiempo forman una superficie cerrada sin fronteras. Ha escrito Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988) y otras obras que se han convertido en best sellers. Hawking ha hecho estas importantes aportaciones a la ciencia mientras lucha contra la esclerosis lateral amiotrófica, una enfermedad incurable del sistema nervioso. En 1989 le fue concedido en España el Premio Príncipe de Asturias de la Concordia.

 

el hombre de los agujeros negros

 

 

 

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