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¿¿¿FÍSICA QUÉ???....... Cuántica
Un Enfoque Personal Conceptual e Histórico, aunque no
Matemático
por: Eduardo Yvorra
Tres
realidades que atentan contra el sentido
común.
Habíamos
mencionado que implícito en el desarrollo de la física
se encuentra la búsqueda de la composición última de la materia. Siempre que
alguien intenta una búsqueda y sobre todo en el mundo científico, existe una
cierta suposición de la respuesta a las preguntas, esto es existen hipótesis,
como también modelos semejantes a los que el que investiga está familiarizado.
En la pregunta anterior acerca de los bloques básicos a partir de los cuales
está construida la materia, existía la idea de que estos podrían asemejarse a
pequeños ladrillos. Pues bien una de las más importantes lecciones propinadas
por la física cuántica es que justamente este no es el caso, es decir, los
ladrillos o bloques básicos no tienen las características que nuestro sentido
común nos dice que deberíamos encontrar. Esto nos deja una lección: la que nos
dice que las respuestas a ciertas preguntas que tienen que ver con el desarrollo
de la física cuántica, implican conceptos que no somos capaces de visualizar
directamente. Veamos para ello tres casos ilustrativos que muestran realidades
que atentan contra nuestro sentido común:
El spin
del electrón.
El efecto
túnel.
El
principio de incertidumbre y la dualidad onda-partícula de la luz: el
experimento de las dos ranuras.
El spin
de las partículas
Lo
primero que se tiende a pensar sobre las partículas subatómicas como el electrón
es que se asemejan a pequeños planetas que recorren órbitas en el espacio. Esta
analogía es parcialmente correcta, los físicos consideran válido decir que las
partículas rotan en torno de un eje tal como la tierra rota sobre su eje
mientras gira alrededor del sol. A esta rotación similar a la de la tierra,
alrededor de su eje, es a lo que se denomina el spin de la partícula. Sin
embargo esta rotación sobre su eje o spin es peculiarmente distinta a la que
tiene lugar en los casos macro como la tierra y los planetas. Cada partícula
subatómica tiene una forma diferente de rotación o un spin propio, que para
diferenciarse se les da un número al que se denomina el spin de dicha partícula.
Así el spin de un fotón toma un valor igual a 1, mientras que el de un electrón
es ½ mientras
que otras partículas tienen un valor 0 para su spin. ¿Cuál es el significado de
estos números? De acuerdo al físico Paul Davies, cuando uno hace girar un globo
terráqueo hasta dar una vuelta completa, lo debe hacer en un ángulo de 360º.
Bueno con el electrón no ocurre lo mismo, si se lo gira 360º, solo ha recorrido
la mitad de su camino (por eso el spin=1/2), o sea para dar la vuelta completa
debe girar 720º. Esto que contradice la comprensión que nuestro sentido común
nos ofrece de los objetos y la realidad, según Davies sugiere, se debe a que tal
vez en el nivel subatómico la realidad posea una dimensión adicional que para
ser abarcada exige una rotación completa de 720º. Los efectos de esta dimensión
adicional se hacen sentir solo en el plano de lo ultra pequeño, el micro mundo
cuántico y por lo tanto, a diferencia del electrón, los seres humanos y los
otros objetos de gran tamaño, han perdido la facultad de distinguir entre estos
dos ángulos de rotación. Cualquiera sea la explicación, lo cierto es que esta
extra- dimensionalidad del electrón tiene sus efectos en nuestro mundo. Así el
campo magnético producido por un electrón al consumar el spin (recordemos que
una carga cuya velocidad varía en el tiempo produce un campo magnético. La
velocidad del electrón en su spin varía al ser un movimiento circular), tiene
exactamente el doble del valor que se le podría calcular si fuera producido por
la rotación de una esfera cargada eléctricamente con la misma carga de un
electrón.
El
efecto túnel.
Este se
trata de la capacidad que tienen las partículas subatómicas como los electrones
para pasar, en ciertas circunstancias, a través de barreras aparentemente
impenetrables. Imaginemos que estamos en una pista de skateboard, esas que son
abovedadas, donde los skaters se deslizan desde un lado hacia el otro alcanzando
según sea la velocidad que llevan, la parte superior de la pista. Supongamos que
colocamos dos de esas pistas unidas por la parte superior, de forma tal que se
asemeja a dos U pegadas. Si nos colocamos en el fondo, debajo de todo de la
pista, y hacemos rodar una bola pesada como una bala de cañón o una bocha de
crocket hacia arriba, nuestro sentido común nos indica que debemos darle una
determinada fuerza para que alcance la parte superior, y caiga rodando por la
otra pista que está pegada, de lo contrario volverá siempre por el mismo camino
que subió. Ahora imaginemos que estamos en este proceso y que cuando la bola
llega a la mitad de la pista, desaparece y cae por la otra pista contigua. Esto
que está en contra de nuestro sentido común es exactamente lo que ocurre en el
mundo de las partículas subatómicas y que se denomina efecto túnel. ¿Cómo es que
se logra, este experimento? En vez de la bala de cañón lo que tenemos es un
electrón, y en vez de la doble pista, tenemos una barrera de energía que para el
electrón es un obstáculo efectivo. Si la barrera de energía es lo
suficientemente fuerte, un electrón disparado a ella se limitará a rebotar. Sin
embargo, a diferencia de una bala de cañón, un electrón parece saber de antemano
las limitaciones que supone el obstáculo al cual se acerca y antes de llegar a
la misma desaparece para volver a materializarse del otro lado de la barrera, es
como si se abriera un túnel en la barrera energética. Este efecto tiene
consecuencias mensurables en el plano de la vida diaria, por ejemplo puede ser
utilizado para amplificar ciertas señales electrónicas. También es causante de
la radioactividad nuclear. Aquí, el núcleo actúa como barrera que aprisiona a
las partículas en su interior, pero que estas logran superar mediante el efecto
túnel produciendo así el fenómeno de la radioactividad nuclear. La denominada
fusión nuclear que se produce en los núcleos de los átomos de hidrógeno
generando la energía en el interior del sol es explicada a través del efecto
túnel..
El
principio de incertidumbre y la dualidad onda-partícula en el experimento de las
dos ranuras
ü
Ya vimos
como el spin de las partículas y el comportamiento denominado efecto túnel,
disipan la noción de que las partículas subatómicas son objetos comunes en el
sentido que los entendemos en nuestra vida diaria. Veremos aquí nuevas pruebas
al respecto.
Las
partículas subatómicas, poseen una naturaleza similar a la de las ondas, lo cual
significa que no es posible a veces hablar de ellas como si existieran en alguna
localización única y precisa. Este hecho fue expuesto por Heisenberg, uno de los
fundadores de la teoría cuántica, en su famoso principio de incertidumbre. Este
principio se ve mas claramente cuando se refiere específicamente a la idea de la
trayectoria, es decir la combinación de la posición y la velocidad. Heisenberg
señaló que mediante un procedimiento experimental se puede determinar la
velocidad o el momento (en su acepción física) de la partícula, y mediante otro
procedimiento, la posición; pero nunca simultáneamente ambas mediciones. Como
consecuencia de este principio, podemos saber por ejemplo que en cierto instante
un electrón partió de una fuente, y podemos también saber que muy poco después
incide en una placa fotográfica dejando una marca. Pero lo que nunca podemos
saber es como llegó desde la fuente a la placa, por eso carece de sentido decir
que la partícula siguió una trayectoria o recorrido hecho de puntos
continuamente conectados entre sí en el espacio. El principio de incertidumbre
no significa que no podamos medir la posición y la velocidad por no contar con
instrumentos de una precisión adecuada, es decir no significa una incapacidad de
medición externa; sino que es una cualidad intrínseca del mundo subatómico. Un
electrón no tiene una posición y una velocidad definida y precisa en el mismo
momento. Si el electrón fuera consciente, no podría conocer en cada instante y
simultáneamente donde está y hacia donde se dirige.
Matemáticamente
esto se expresa como Dx.Dp>h/2p; lo que
significa que el error en la medición de la posición “x” multiplicado por el
error en la medición del momento “p” siempre deberá ser mayor a una constante
“h/2p”, es
decir que por mas que minimicemos uno de los errores, es decir seamos más
precisos en dicha medición, necesariamente aumentaremos el error en la otra
medición para mantener el valor del producto limitado a la inecuación anterior.
El hecho de que una partícula parezca poseer cierto grado de incertidumbre
acerca del lugar donde se encuentra es solo parte del problema. La partícula
parecería estar insegura de qué es ella misma (una crisis de identidad diría yo
en el plano psicológico, salvo que las partículas no tienen psicología ¿o si?),
porque en ciertas ocasiones presenta las características de una partícula y en
otras las características de una onda. Cómo explica la física cuántica esa
aparente paradoja nos lleva a un debate
que ha durado los últimos 300 años comenzando con Newton y terminando en
París con el experimento de Alain Aspect, algo del mismo vimos en el punto
anterior. Agreguemos ahora algo más. En 1690 Huygens propuso que la luz se
transmite en ondas esféricas que se propagan a partir de una fuente luminosa.
Newton rechazó la teoría ondulatoria y en 1704 propuso que la luz estaba
compuesta por partículas diminutas. Un siglo después otro físico, Thomas Young,
inclinó la balanza a favor de Huygens probando que la luz poseía ciertas
propiedades que sólo era posible asociar con una onda. Esto era así debido a que
la luz en un famoso experimento conocido como el experimento de las dos ranuras,
producía interferencia, y para los físicos, cuando dos fenómenos interfieren
entre sí se dice que se propagan en el espacio como una onda. ¿Cómo fue esto?,
Young colocó una pequeña fuente luminosa que proyectaba su luz a través de dos
delgadas ranuras practicadas en un trozo de material opaco. Esta luz luego de
pasar por las ranuras, se proyectaba en una pantalla. Young comprobó que en
lugar de haber dos franjas de luz en la pantalla, como debería ocurrir si la luz
fueran partículas que viajan en línea recta, había una serie de franjas
brillantes y oscuras de diferentes intensidades. Su conclusión fue que este era
un patrón de interferencia que solo se explica por el supuesto de que la luz que
pasa por las ranuras tiene características ondulatorias. Esta versión se aceptó
y duró otros cien años, hasta que aparecieron dos fenómenos que no se podían
explicar con los conceptos de la física clásica, el primero consistió en el
problema de la radiación del cuerpo negro, fenómeno estudiado por Planck,
mientras que el segundo era el llamado efecto fotoeléctrico, fenómeno estudiado
por Einstein, donde este propone nuevamente el concepto de la luz como
compuesta por partículas. Mas
delante otro físico, Louis de Broglie planteó el enigma siguiente: si así como
las ondas podían comportarse como partículas (la luz), ¿podría ser que las
partículas (los electrones) se comportaran como ondas?. Hizo un bosquejo
matemático de este fenómeno que más tarde fue comprobado experimentalmente. Se
comprobó entonces que el universo estaba compuesto por entidades cuánticas que a
veces podían comportarse como ondas y a veces como partículas. Esto era
realmente asombroso al menos para los físicos. Uno de ellos, Heisenberg, solía
preguntarse después de discutir largamente con Bohr:
“¿Puede
la naturaleza ser tan absurda como nos parece en estos experimentos atómicos?”.
Para
resolver la aparente paradoja de la dualidad onda / partícula del universo,
algunos físicos (nótese el ingenio y la audacia para proponer algo tirado de los
pelos) sugirieron que tal vez no deba pensarse que la materia está formada por
ondas de materia, sino más exactamente, como ondas de probabilidad (ver el
capítulo de ondas). Esto de las ondas cuánticas como ondas de probabilidad es
realmente un concepto tortuoso y que el entendimiento a mi entender sólo lo
acepta por acostumbramiento cuando ha escuchado y leído mucho al respecto. Este
concepto significa que lo que pasa a través de las ranuras en el experimento de
las dos ranuras es una onda de probabilidades. La ecuación que describe como una
onda cuántica se mueve- la ecuación de Schrödinger- no describe una onda
material, sino que lo que realmente describe matemáticamente es la probabilidad
de encontrar el fotón o el electrón (la entidad cuántica) en un lugar definido.
Sobre este cuadro pintado a partir de los estudios del físico Max Born,
cualquiera de estas entidades cuánticas mientras no sean observadas,
literalmente no existen con la forma o identidad de una partícula. Hay una
cierta probabilidad de encontrarla aquí u otra probabilidad de encontrarla mas
allá, y en principio podría estar en cualquier parte del universo, por supuesto
con diferente probabilidad de que esto así ocurra. Algunas ubicaciones son mucho
más probables que otras de allí como veremos que cuando marcan la placa
fotográfica, existirán líneas de mayor impacto, lo que indica mayor probabilidad
y otras de menor impacto o probabilidad. Esta característica permite explicarnos
el efecto túnel; una “partícula” parece pasar a través de una barrera de
potencial simplemente porqué su función de onda le asigna una cierta
probabilidad de que exista del otro lado de dicha barrera, por eso se da esa
percepción de que la “partícula” se desvanece desde el lado de la barrera donde
fue lanzada y aparece del otro lado de la barrera “como si” hubiera un túnel en
la misma.
Esto que
llegó a ser una de las interpretaciones más aceptables de la física cuántica,
trajo consigo consecuencias perturbadoras para nuestra comprensión de la
realidad.
Por
ejemplo, en el experimento de la doble ranura, las bandas de interferencia
producidas por los fotones al pasar por las ranuras revelan claramente la
naturaleza ondulatoria de la luz. Sin embargo, si la pantalla opaca contra la
cual se proyectan los haces de luz, es sustituida por una placa fotográfica,
cada fotón que incide en ella deja sólo un punto donde hizo impacto, lo cual
revela que el fotón posee una índole que lo asemeja a una partícula. ¿Qué
pasaría si pudiéramos dejar pasar de a un fotón por vez?. Bien esto se logró y
cada fotón dejaba una marca en la placa fotográfica mostrando su identidad como
partículas, pero a medida que van pasando mas y mas fotones las marcas de los
impactos en la placa fotográfica, dibujan el patrón de interferencia de las
ondas, es decir cada fotón que se dirige hacia la doble ranura elige un camino
diferente. Si de repente se tapa una ranura, entonces el patrón de interferencia
deja de producirse. ¿Cómo sabe éste o aquél fotón cuando la segunda ranura está
descubierta y cuando no? Si cada fotón pasa por una sola ranura, ¿cómo conoce la
situación en que se encuentra la otra ranura y por lo tanto el tipo de figura
que debe construirse en la placa fotográfica? La respuesta que da la física
cuántica es asombrosa, profunda y rara diría yo. Dice que cada fotón, de alguna
manera, pasa por ambas ranuras al mismo tiempo y en consecuencia es portador de
alguna suerte de conocimiento de la situación en que están ambas ranuras en el
momento en que incide en la placa fotográfica. Es decir cuando el fotón está en
tránsito no existe como un único objeto. Durante esa fase parece capaz de
manifestarse como varias contrafiguras probabilísticas de sí mismo y explora
todos los senderos que se le abren simultáneamente y que le están permitidos.
Sólo al llegar a la placa vuelve a su estado de partícula solitaria. Este
experimento resulta similar con electrones y otras entidades cuánticas que
tienen la facultad de existir simultáneamente en varios estados probables
distintos. Esta es la razón por la cual los físicos hablan de las fases
ondulatorias de esas partículas no como ondas materiales sino como ondas
cuánticas de probabilidad. Esta capacidad de las partículas subatómicas para
existir en mas de un lugar al mismo tiempo plantea algunas cuestiones profundas.
Una involucra una controversia
respecto del observador, ¿cuál es
el rol que desempeña el observador humano en todo esto? En virtud del
principio de incertidumbre por el cual no tiene sentido hablar de la trayectoria
de una partícula en el espacio, y la capacidad de la misma de estar en mas de un
sitio al mismo tiempo, parece carente de sentido pensar que dicha partícula sea
algo real si no existe un observador humano. Antes de que el fotón del experimento
haya dejado su marca en la placa fotográfica (cuando hacemos la observación), lo
mas que podemos decir de él, es que se asemeja a un fantasma y parece existir al
mismo tiempo en todos sus trayectos posibles. Otra pregunta es la siguiente: si
los bloques de construcción subatómicos de los objetos materiales no poseen las
características de los objetos materiales, ¿qué grado de realidad tiene el mundo
en qué vivimos?, ¿Mediante qué extraños procedimientos permite la naturaleza que
la aparente solidez del mundo se desintegre en la fantasmal y esquizofrénica
multiplicidad de probabilidades que constituyen el mundo subatómico?
Este
experimento de la doble ranura que permitió deducir la doble identidad de
determinadas entidades cuánticas, no solo fue realizado con fotones, sino
también con electrones y más tarde con átomos que hasta ahora siempre fueron
reconocidos en su acepción como partículas fundamentales a partir de las cuales
todo nuestro mundo real está construido. Ahora bien si estas se comportan como
ondas-partículas, ¿dónde se encuentra la línea divisoria entre el mundo de la
física cuántica y el mundo de la física clásica?, ¿Dónde los objetos pierden su
condición de ondas para comportarse como nuestro sentido común nos indica como
partículas? .
Continúa.........
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