la frase del mes

"La física es como el sexo. Seguro que tiene una utilidad práctica, pero no es por eso que lo hacemos" Richard Feynman

Física...qué

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Deliquios le debía a su mascota un artículo. Éste es. Y con él no sólo saldamos nuestra deuda sino que por añadidura inauguramos una nueva sección dedicada a la Física Cuántica.

La Cuántica resulta algo marciano que asoma medio agazapado en algún tema de Química de Bachiller entre los modelos atómicos y el mejunje de los orbitales: justo en el momento en que el alumno acaba de digerir la física corpuscular y la ondulatoria como dos platos distintos... ¡zas! el camarero le sirve un puré de ambos no muy bien triturado en el que se distinguen como grumos la relación de De Broglie, el Principio de Incertidumbre de Heisenberg y una ecuación diferencial en derivadas parciales -la de Schröedinger- que atraganta sin siquiera tener que llevársela a la boca.

La Cuántica, como toda gran teoría, es una teoría de unificación. No desmiente lo anterior, lo engloba. Antes de su irrupción, cuanto sucedía en el mundo era susceptible de ser taxativamente catalogado como corpuscular o como ondulatorio. Por ejemplo, que dos bolas de billar alcancen a la vez un mismo lugar del espacio y colisionen es un fenómeno corpuscular; que las crestas de dos olas hagan lo propio y de resultas generen una cresta de altura superior, inferior o simplemente diferente a la suma de la de ambas por separado -es decir, que interfieran- es ondulatorio. La interferencia parecía ser la prueba del algodón, el criterio a seguir a la hora de discernir entre qué es corpuscular y qué es ondulatorio. Sin embargo, diversos experimentos dieron al traste con el método y nos demostraron que quizá no tenía sentido establecer diferencias tan tajantes entre corpúsculos y ondas. Todo aquel desconcertante boom de experiencias extravagantes que sugerían un nuevo horizonte por explorar en el mundo de la física, a finales del XIX y principios del XX, constituyen hoy lo que se conoce como Física Pre-Cuántica o Teoría Cuántica Antigua. Fueron, entre otros, Schröedinger y Heisenberg en la década de los veinte quienes desarrollaron el soporte matemático y conceptual de lo que sigue conociéndose y estudiándose hoy como Física Cuántica.

Uno de los experimentos más famosos es el de la Doble Rendija -para cuya explicación hemos recurrido a un educativo vídeo traducido una vez más por nuestro traductor personal Silthion. Evidencia el comportamiento ondulatorio de los electrones*. No os lo saltéis, merece la pena, en serio.







Aunque existen muchas más experiencias interesantes que comentaremos en otros artículos, merece la pena mencionar aquí el extendido experimento mental del Gato de Schröedinger, que ilustra el alcance macroscópico de la física, en principio, de lo microscópico. Simplificamos un poco la experiencia original.


Supóngase un gato encerrado en una caja dentro de la cual un dispositivo libera un gas venenoso si detecta en sus proximidades la presencia de una partícula. Digamos, por ejemplo, que el detector abarca sólo la mitad de la caja: si la partícula por lo que fuera se encontrara en su mitad de la caja, el gas se liberaría y el gato moriría. Ahora bien, dónde se encuentra la partícula es algo que no podemos saber. Sencillamente sabemos que hay un 50% de probabilidad de que se halle en la zona abarcada por el detector y otro 50% de que no; en otras palabras, hay un 50% de probabilidad de que el gato esté muerto y un 50% de que esté vivo.



A caja cerrada, no podemos afirmar "el gato está vivo", ni tampoco "el gato está muerto". A caja cerrada, el gato está las dos cosas a la vez, vivo y muerto. Se dice que su estado es una superposición de los dos estados. Al escribir en negro sobre la superficie interior de la caja esa suma de funciones de onda, nuestra mascota se está describiendo a sí misma. Una de esas funciones de onda es portadora de la información "gato vivo", la otra, de la información "gato muerto" (la tercera que el gatito dibuja sobra). Si abriéramos la caja para saber cómo se encuentra el gato, la incertidumbre en su estado desparecería. Diríamos "pues mira, sigue vivo" o tal vez "ha palmado". Esto es colapsar la función de onda. Esto es lo que también sucede en el vídeo de la doble rendija: por el simple hecho de mirar, los resultados varían.



Incapaz de soportar semejante incertidumbre existencial, hace tiempo que el Gato decidió abandonarse a una vida vacua y anodina


Ahora bien, para que los resultados varíen, y hablo del experimento de la doble rendija ¿sobre qué actúa el observador? Sobre la función de onda. ¿Y qué es eso de la función de onda? La expresión que describe la amplitud de probabilidad de que la partícula se halle en un determinado lugar del espacio**. ¿Pero es algo puramente físico? No. Interviniendo en algo que no es físico, se modifica algo que sí lo es. Si hubiésemos dispuesto un detector en la rendija por la que el electrón no pasa, el hecho de no medir su paso habría modificado también la experiencia.


Puesto que este artículo pretende ser una introducción-adelanto no nos extendemos en el desarrollo de estas ideas de función de onda de probabilidad, colapso, superposición de estados... las expondremos una a una en sucesivos artículos sobre el tema.


Pero la idea que debemos conservar de este primer contacto es el la del doble comportamiento de la materia, no la de su doble naturaleza. En el vídeo de la doble rendija, el anciano comprueba la dualidad para el caso del electrón. Desde luego, si reproducimos el experimento en nuestras casas con canicas, no obtendremos ningún patrón de interferencias. Resulta tan obvio... ¡cómo se va a comportar como una onda una canica, o un melón si lo hiciéramos con melones! Una canica es corpuscular, al igual que un melón o cualquier otra cosa de nuestro entorno cuya naturaleza corpuscular no dé lugar a duda.


Con la luz tampoco parece haber duda sobre su naturaleza ondulatoria. De hecho, con luz también se puede realizar el experimento de la doble rendija y los resultados son exactamente los mismos que los mostrados en el vídeo:un patrón de interferencia. Sin embargo, si uno en casa se fabrica una doble rendija con cartulina y echa mano de una linterna para ver las interferencias se lleva un chasco, pues no se observa figura de interferencia alguna... ¿significa esto que la luz no es ondulatoria? ¡Claro que no! Significa que no hemos tenido en cuenta los pormenores, los detalles, las condiciones quisquillosas en que se han de realizar el experimento, como por ejemplo, el tamaño de las rendijas***. Quizá lo tan obviamente corpuscular se comportara como una onda si fuera posible realizar el experimento en las condiciones adecuadas; pero está claro que no podemos disparar seres humanos contra dos rendijas finísimas y esperar que las atraviesen y se forme un patrón de interferencias de seres humanos detrás****.


Hallado en mis apuntes de T.E. En Física Cuántica. Más clarificador imposible.

Entonces, si tanto depende todo de cómo nos las apañemos para mirarlo no tiene sentido pretender saber cuál es la naturaleza de las cosas, conformémonos con entender cómo se comportan.


En realidad, al final, lo que hay es la realidad, inaccesible tal vez, y otra cosa es cómo la interpretamos.

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*Una de esas anécdotas de la ciencia: a J.J. Thomson le concedieron el Nobel por demostrar la existencia corpuscular del electrón; a J.J.Thomson hijo se lo concedieron por demostrar su naturaleza ondulatoria.

**Y eso es la onda a la que uno se refiere con onda asociada a la partícula, una "onda de probabilidad" de posición; no que la partícula se mueva sinusoidalmente, nada de una onda electromagnética que guíe y preceda a la partícula... como dijera el sr. Bernabéu -quien sin saberlo ha bautizado esta página- en una de sus clases de cuántica, eso "son ideas erróneas extendidas por los divulgadores de baja condición".

***o la monocromaticidad de la luz, etc.


****o si fueran lo suficientemente grandes no se formaría tampoco porque el tamaño de las rendijas habría de ser del orden de la longitud de onda asociada al objeto macroscópico. Es una condición que se ha de dar.















6 comentarios:

ruben_vkv dijo...

Hola a todos. Enhorabuena por comenzar otro blog de divulgación científica y ánimo.
El vídeo me ha parecido muy instructivo, ¿dónde los podría encontrar?
Gracias.

J. Salvador dijo...

En Youtube, bajo el nombre de Dr Quantum. Gracias y un saludo

Fran dijo...

Muy buen artículo Jesús, menudo fichaje Silthion.

Espero ansioso la continuación, a ver si logro "comprender" la cuántica.

jotape dijo...

Me ha encantado el cañón de señores pequeñitos xD

Por si te apetece, yo también tengo una notación al respecto: http://jplopez.net/2006/11/14/semana-de-la-ciencia-teoria-de-cuerdas/

Un saludo.

jotape dijo...

Perdón, el enlace aquí

Anónimo dijo...

No digiero que la función de onda no sea física, pues las partículas impactan en sitios de la pantalla a los que no podrían llegar como bolas de materia.
Si fuera así, las partículas tampoco serían físicas, no se puede existir a antojo.