Gracias al blogger 1y2tres.com, científico de profesión, deshacemos un poco esta madeja y desentrañamos los conceptos básicos de esta rama de la ciencia
Tenemos la imagen de los viajes al espacio tan introducida en nuestro imaginario colectivo que casi parece que podemos llegar al planeta Marte con alargar un poco las manos.
Desde cientos de teorías conspiranoicas sobre el viaje a la luna hasta el hombre de las estrellas de David Bowie; 2001 Odisea en el espacio; La Fundación de Isaac Asimov; o Julio Verne y su viaje a la luna…
Mientras tanto ha ido surgiendo un campo científico que lleva ya algo más de un siglo apuntando en la dirección correcta: la física cuántica.
Para establecer unos primeros puntos clave que debes saber sobre la física cuántica, te hablamos en este capítulo sobre 4 grandes teóricos dedicados a ella y por qué cada uno ha destacado en este campo.
Max Planck
El primero de ellos es el físico alemán Max Planck, con quien nace la física cuántica al introducir el concepto de cuantos de energía.
Planck fue galardonado en 1918 con el Premio Nobel de Física «por su papel en el avance de la física debido al descubrimiento de esta teoría cuántica». Gracias a la cual se pudo aplicar la física al mundo de lo infinitamente pequeño. Un mundo muy diferente al de lo visible que hasta entonces había dominado a la física tradicional.
A grandes rasgos, en el mundo cuántico no se puede saber con exactitud dónde está un electrón, sino su función de probabilidad.
Para pasar de un orbital a otro absorbe o emite una cantidad exacta de energía que no puede variarse.
Un misterio que aún hoy sigue sin resolverse.
Albert Einstein
Después de Planck llegó Einstein, quien escribió en 1905 tres artículos que se consideran fundamentales para el desarrollo de la física.
Uno de ellos, el del movimiento browniano, explicaba que el movimiento errático/aleatorio que se puede observar de una partícula suspendida en un líquido es debido al choque de las moléculas del líquido que están continuamente vibrando contra la partícula mencionada.
El éxito le llega imaginando que un líquido está formado por partículas en movimiento que chocan contra esa partícula extraña que está en el líquido, que será una comprobación de la materia atómica.
En el mismo año escribió también un artículo sobre el efecto fotoeléctrico cuando la luz incide sobre una placa de materia de una composición determinada.
También se encargó de explicar porqué el choque de unos fotones contra la materia puede producir una corriente eléctrica. Se genera el movimiento de electrones, que es una corriente eléctrica.
En el tercer artículo describía la teoría restringida de la relatividad, explicando que el espacio y el tiempo son medidas que varían en la velocidad del laboratorio en el que se mida o en la proximidad de grandes masas.
Esto explicaría que en el sol el tiempo transcurre de un modo diferente. Por si no lo sabías, este está siempre tan iluminado que es imposible ver bien lo que pasa en la proximidad, sólo se puede ver en un eclipse porque la luna tapa la superficie del sol y se puede ver la corona.
Así que Einstein y su equipo en un eclipse comprobaron que las estrellas en la proximidad de la circunferencia del sol estaban desviadas de la posición en la que se suponía que debían estar.
Esto quiere decir que la luz es desviada por la gravedad del sol y es una demostración de que el espacio y el tiempo son variables que responden a la teoría de la relatividad de Einstein.
Por explicarlo con palabras sencillas, la luz se curva por la gravedad solar y cuanto más te acerques al sol el tiempo variará más de cómo lo percibimos aquí abajo.
Stephen Hawking
Tal vez el físico más conocido de las últimas décadas haya sido el recientemente fallecido Stephen Hawking, quien trabajó en el desarrollo de las matemáticas que tenían que ver con los agujeros negros.
Debido a la demostración de la teoría de la relatividad de Einstein los físicos tuvieron la certeza de que el espacio se curva por efecto de la gravedad.
Dentro de estos estudios, se elucubraba sobre la posibilidad de que hubiera una estrella que al colapsar por efecto de haberse acabado su combustible de la reacción que la mantiene activa había provocado un objeto que impedía que la luz pudiera incluso escapar a su gravedad.
Hawkin desarrolla esta teoría de los agujeros negros, que ya se conocía en la época de Einstein y en la que Hawkin llegó a la conclusión de que la superficie de un agujero negro estaba relacionada directamente con la cantidad de materia que había engullido el propio agujero negro.
En el centro de la mayor parte de las galaxias ahora se considera que hay un enorme agujero negro que o bien ya estaba originariamente en el principio de la vida de la galaxia o lo más probable es que fuera por acumulación de estrellas, que se fusionaban y adquirían una masa enorme.
En el centro de la vía láctea tenemos un agujero negro, SAGITARIO A, de millones de masas solares y que está a 26.000 años luz de nosotros.
Penrose
Por último, el matemático Penrose investigó sobre agujeros negros y también sobre los problemas que se derivan de intentar entender en qué consiste la conciencia o la mente.
Era un admirador de la obra matemática de Alan Touring, creador del mecanismo para descifrar códigos, conocido como Enigma, y con el que en la Segunda Guerra Mundial fue capaz de descifrar mensajes del ejército alemán.
(Si quieres conocer más su historia, te la cuentan en la película The Imitation Game. Además te cuentan cómo el desciframiento de los códigos nazis, los agujeros negros y en general toda la física están relacionados.)
Uno sus libros más conocidos es La nueva mente del emperador, en el que habla sobre la mecánica cuántica del cerebro, con la que sugiere que los mecanismos de la mente no siguen la física tradicional.
El libro abarca varios conceptos relacionados con las ciencias de la computación, las matemáticas y la física cuántica. Penrose defiende la idea de que la conciencia humana no es solo algorítmica y por lo tanto no puede ser modelada mediante una máquina de Turing ni computadoras digitales.
Penrose apunta como hipótesis que la mecánica cuántica juega un papel esencial en la comprensión de la consciencia. Además, el colapso de la función de onda cuántica jugaría un importante papel en el funcionamiento del cerebro.
Algunos datos básicos
Si no te ha quedado demasiado claro, ¿qué ideas principales tienes que recordar de la física cuántica?
1. Es la rama de la ciencia que estudia las características, comportamientos e interacciones de partículas a nivel atómico y subatómico.
2. La teoría cuántica fue reforzada en el año 1905 por el físico Albert Einstein al explicar el efecto fotoeléctrico (por lo cual, además, ganó un premio Nobel).
3. La física cuántica tiene interesantes aplicaciones tecnológicas, como la invención del transistor y por lo tanto del ordenador. Y es la base de casi toda la alta tecnología electrónica que utilizamos hoy en día.
4. Para complicar más las cosas, los elementos constituyentes de la materia tienen tanto propiedades de partícula como de onda. Y los átomos son mayoritariamente espacios vacíos. Todo lo que tocamos está vacío. Al menos en su gran mayoría.
Así que la física cuántica demuestra que todo lo que vemos está conectado por infinitos campos cuánticos. Una especie de red invisible en la que parece que está entrelazado todo el universo. Y los límites de cada objeto o ente son ilusiones que nos impone nuestra percepción, que no deja de ser muy limitada.
5. La física cuántica es la física de las probabilidades. Es una manera de describir el mundo. Su campo de actuación es el de las partículas elementales, que se desenvuelven de manera misteriosa para la percepción ordinaria, y que son ajenas a las leyes de los objetos físicos dando lugar a diferentes interpretaciones.
6. Dos principios cuánticos básicos que hay que tener claros para entender la física cuántica son el principio de incertidumbre (de Heisenberg) y la dualidad onda – partícula (de Srodinger).
Hay aún mucha polémica y los científicos se dividen entre la idea de que todo se forma a partir de partículas o los que opinan que todo son manifestaciones de ondas.
El principio de incertidumbre dice que no es posible conocer simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula. Sólo se puede saber a través de la estadística. Para saber dónde está un electrón tienes que enviarle un fotón y comprobar la repercusión del choque del electrón con el fotón. En el momento en el que el fotón choca con el electrón le altera su velocidad y su posición.
7. Los efectos cuánticos podrían explicar procesos vitales tan dispares como la fotosíntesis, la respiración, la genética, la migración aviar o incluso el olfato. ¿Por qué? Pues básicamente porque la coherencia cuántica se da en organismos vivos, aunque también es cierto que no se sabe muy bien cómo.
8. Por si no lo sabías, en tu día a día tienes la física cuántica mucho más cerca de lo que crees: en resonancias electromagnéticas, en la seguridad de los billetes con los que pagas, en las luces led, en la fosforescencia que aparece en los letreros de seguridad, el microondas de tu casa, en el láser del lector de CDs, o en las memorias de los discos de tu ordenador o de tu teléfono.
9. El tipo de asombro que trata de promover la física cuántica en el ser humano es la magnificencia del universo y la posible revelación científica de su origen, considerando las partículas y eventos que lo han desarrollado.
10. Todo esto no es que esté siendo estudiado en el último siglo, sino que ya los griegos consideraban 4 elementos que lo formaban todo: tierra, agua, aire y fuego.
Pasado el tiempo, durante muchos siglos de estudio, y con la aportación del ruso Mendeleiev y su sistema periódico llegamos a saber que hay como 100 elementos entre naturales y artificiales.
Y la belleza de la física cuántica reside en que es capaz de explicar la naturaleza de toda la materia sólo con cuatro partículas: dos quarks, un electrón y un neutrino. De ahí salen protones, neutrones, núcleos, electrones… Y en medio de todo esto nos encontramos a los neutrinos vagando por el universo sin saber si tienen masa pero que son imprescindibles porque sin ellos las operaciones no sirven.
Para que lo visualices un poco, está demostrado que salen del sol y cruzan la tierra sin que pase nada.
Toda la materia del universo: estrellas, sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón.
11. La física cuántica no acaba de conseguirse unificar en la teoría de la relatividad.
Básicamente la física cuántica sería válida para fenómenos pequeños y la de la relatividad para fenómenos muy grandes.
Mientras tanto nos quedamos con Newton, que no es ni una cosa ni la otra, pero que es el Aristóteles moderno y que consigue revolucionar las matemáticas y la física de una manera completa.
Quédate con esta idea: las órbitas son movimientos de caída, que siguen cayendo eternamente. Y Newton comprendió que el movimiento de la luna alrededor de la tierra era una eterna caída sin fin. Como una bala de cañón que nunca llega al horizonte.
12. El llamado modelo estándar de la física de partículas es una teoría en proceso de elaboración, que puede explicar mucho cómo está hecho y cómo funciona el mundo conocido.
13. La física cuántica permite producir pronósticos o predicciones exactas de fenómenos naturales pero es absolutamente imposible de entender por una mente normal. No sufras si no lo entiendes.
Bibliografía
Si con todo este batiburrillo he conseguido despertarte el interés sobre el mundo de la física cuántica, hay 5 libros divulgativos que pueden ser un buen comienzo:
– La naturaleza del espacio y el tiempo, de Hawking y Penrose, en el que debaten sobre el futuro del universo.
– La biblia de la física cuántica: Guía de viaje a través de 200 años de ciencia subatómica, de Brian Clegg y traducido por Alejandro Pareja Rodríguez. Es muy ilustrativo y a mí me está ayudando mucho a introducir conceptos en mi cabeza de una manera ordenada y gráfica.
– Las matemáticas del cosmos, de Ian Stewart. Describe la arquitectura del espacio y el tiempo, la materia oscura y la energía, cómo se forman las galaxias, por qué las estrellas implosionan, cómo empezó todo y cómo acabará.
– Electrodinámica cuántica, de Richard Feynman y traducido por Ana Gómez Antón. Introduce una serie de diagramas muy sencillos con los que describe la vida de una partícula, su descomposición y unión a otras partículas.
– Alice in Quantumland: An Allegory of Quantum Physics, una alegoría de la física cuántica elaborada por Robert Gilmore.
¿Has entendido al menos la parte básica del capítulo de hoy?
