¿Física qué?... Cuántica 1. Un Enfoque Personal por Eduardo Yborra - muestra HTML

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¿FISICA QUE???

...CUANTICA

1

[Un enfoque personal

conceptual e histórico

aunque no matemático]

POR

POR EDUARDO YVORRA

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GUIA DE LECTURA

En primer lugar algo sobre el nombre de este trabajo. Murray Gell-Mann el descubridor

de los quarks o componentes fundamentales y últimos (hasta el momento) de la materia,

opinaba que muchas ideas y teorías abstractas y complejas, se podían hacer mas

atractivas si venían empaquetadas bajo un nombre gracioso o extravagante. Es así como

aparecen en el mundo de los átomos, subpartículas denominadas, quarks, encanto,

belleza, verdad, arriba, abajo. Éste fue, salvando las distancias entre MG-M y yo, el

objetivo de este título. Cuando a alguien le mencionaba que estaba escribiendo acerca de

física cuántica, inexorablemente venía la pregunta ¿¿¿Física qué???... y mi tímida

respuesta: ... cuántica. Ese fue entonces el título elegido.

Para todos aquellos que se topen con este trabajo, les pido que al menos lean, además de

esta guía, la introducción y las conclusiones porque a través de ellas intento explicar

porque lo escribí, y qué siento haber aprendido al terminarlo. Aquellos con más

inquietud, pueden hacer una aproximación mayor al tema leyendo: Un recorrido

histórico a vuelo de pájaro, para tener una descripción somera del inicio y posterior avance de esta física. También sin necesidad de contar con conocimientos o gusto por la

ciencia, pueden recorrer la Guía de monstruos donde aparecen algunos datos

biográficos de los personajes que hicieron esto posible.

El resto lo dejo librado a lo que cada uno pueda o quiera leer, no hay garantías de que

todo les resulte comprensible o ameno. No obstante, creo que tal como este trabajo fue

escrito, de acuerdo a la forma en que fui entendiendo los fundamentos, puede ser una

ayuda para introducirse en el tema conceptualmente, y sin necesidad de contar con

conocimientos matemáticos avanzados.

CONTENIDOS

Estos serán los temas a desarrollar y sobre los que pretendo escribir y explicar. Los

mismos son aquellos que me resultaron interesantes para esforzarme en entenderlos y

así poder explicarlos no sin cierto esfuerzo, y sin conseguir muchas veces, una

comprensión acabada del tema. Queda entonces claro que otros tópicos aquí no

desarrollados, no lo fueron porque no sean importantes, sino porque: o no me topé con

ellos, o me superaron totalmente, no capturando por lo tanto mi atención.

INTRODUCCION

¿Cómo se me ocurrió esta idea de escribir un paper o escrito acerca de este tema? ¿Cuál es la razón por la que lo hago? ¿Para quién lo hago? ¿Qué provecho, si es que hay alguno,

obtendrán los lectores?

Desde hace aproximadamente algo más de un año, en uno de mis viajes a Uruguay

donde paso bastante tiempo solo, me tope con un libro de Isaac Asimov llamado El

Universo; sin razón aparente o al menos, de la que yo sea consciente, me detuve a hojearlo y lo compré. Tal vez la razón deba buscarla en que siempre tuve una particular

inclinación hacia los temas científicos, y según mi opinión, contrabalanceada por la no-

inclinación hacia los temas artísticos como la poesía o la literatura; un cierto

desequilibrio. Sea por la razón que fuere, compré el libro como muchas veces hago con

otros libros y como creo que muchas personas compran cosas: impulsivamente. A partir

de allí, me vi absorbido por la lectura del mismo, lo que me llevó a otro de Stephen

Hawking acerca de La Historia del Tiempo. En ellos me fui fascinando por la inter-relación que se mostraba entre lo grande: el cosmos y lo ultra pequeño, el mundo

atómico, y por la búsqueda constante que siempre existió entre los hombres de llegar a

conocer cuáles son los bloques últimos que componen todas las cosas que vemos y las

que no vemos también. Esta situación, coadyuvada por disponer de cierto tiempo, me

llevó a buscar con cierto interés lecturas que, si bien en sí mismas muchas veces me

resultaban complejas e inentendibles, producían en mí, al comprender una idea o

concepto complejo, una rara sensación de felicidad. Durante la feria del libro de Buenos

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Aires del año 2000, busqué títulos relacionados, encontrando sólo uno acerca de los

llamados cazadores de partículas, personas estas que están a la búsqueda de los

componentes últimos de la materia, como si fueran pequeños ladrillos de materia

fundamental. Este campo de las partículas cuyos tamaños y vidas o duración son

imposible de aprehender con la razón, es el mundo de la mecánica cuántica. A poco de

entrar en este tema, del cual yo tenía referencias desde mis épocas de estudiante de

ingeniería, sentí una fuerte atracción por tratar de comprenderlo a través de lo que para

mí ya resulta un hobby: la lectura. Dando pie a muchos conocidos y familiares para que me hagan algunas bromas. Debo decir públicamente que mucho antes de mi paso por la

Universidad ya tenía inclinaciones por las ciencias, es así que aún hoy conservo una

enciclopedia de Ciencia y T

,

ecnología como también un libro llamado Nuestro amigo el

átomo, que por alguna razón le pedí a mi madre que me lo comprara cuando aún estaba en la escuela primaria. Volviendo al tiempo actual, comencé una búsqueda sin ninguna

guía especializada, y con la facilidad que brinda internet para encontrar títulos que

tuvieran que ver con el tema. Dado que los mismos, deben tener poco mercado, me

asombré por lo barato que resultan ciertos títulos que contenían un caudal de

conocimientos, creatividad y esfuerzo humano dignos de otros precios. Así me lancé en

una carrera de compra y lectura de libros, y de charlas y comentarios con amigos, los que

normalmente terminaban en bromas a poco de comenzar, dado que no daba en el clavo

acerca de cómo comunicar lo que estaba haciendo y fundamentalmente por qué lo hacía.

Metido en este proceso, y basándome en algunos conocimientos pedagógicos que había

adquirido, me propuse en algún momento escribir algo.

En primer lugar, para mí, porque creo que cuando uno intenta poner por escrito las

ideas, las mismas se van clarificando en la mente del escritor, o al menos eso parece ya

que de tanto jugar con los conceptos por más abstractos que estos sean, el entendimiento

se familiariza con los mismos y los acepta a pesar de su complejidad, como naturales y

fáciles; preguntémonos por ejemplo: ¿Por qué menos por menos es más y más por

menos es menos?.

En segundo lugar porque por algún motivo, desconocido para mí, percibo con cierta

fuerza una relación entre estos conceptos científicos y la fe en un Dios Creador; como

también percibo lo que el filósofo George Steiner mencionaba en una entrevista

publicada en la revista de La Nación: “...creo que en las ciencias se puede encontrar una moral de la verdad... y la Verdad está en Dios.

En tercer lugar aunque como un subproducto, para aquellos que puedan encontrarse

con este escrito, y que a través del mismo, puedan adquirir ciertos conceptos básicos y

mínimos de esta “nueva física” (Ojo!! tiene ya mas de 100 años) más revolucionaria que

la Teoría de la Relatividad de Einstein pero mucho menos conocida o al menos

nombrada. Finalmente tengo la certeza de que esto lo hago porque tengo el tiempo para

hacerlo por un lado y también la motivación. Así como hay personas que disfrutan

leyendo poesía o ficción, o contemplando cuadros, yo disfruto, leyendo temas

científicos, a pesar de que muchas veces, luego de repetir la lectura varias veces, no

alcance a comprender totalmente el sentido de lo que se dice, al menos según palabras

del filósofo alemán Josef Pieper, no con la razón como ratio, pero sí en mayor medida con la razón como intellectus. Esta idea de las dos facetas o facultades de la razón me parece sumamente interesante para lo cual nada mejor que leer lo que Pieper dice al respecto en

su libro El Ocio y la Vida

:

Intelectual

“La ratio es la facultad del pensar discursivo, del buscar e investigar, del abstraer, del precisar y concluir. El intellectus, en cambio, es el nombre de la razón en cuanto que es la facultad del simplex intuitus, de la simple visión, a la cual se ofrece lo verdadero como al ojo el paisaje. Ahora bien la facultad cognoscitiva espiritual del hombre, y así lo

entendieron los antiguos, es ambas cosas: ratio e intellectus; y el conocer es una actuación conjunta de ambas. El camino del pensar discursivo está acompañado y

entretejido por la visión comprobadora y sin esfuerzo del intellectus, el cual es una facultad del alma no activa sino pasiva, o mejor dicho receptiva; una facultad cuya

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actividad consiste en recibir... la actuación de la ratio, el pensar discursivo, es trabajo, actividad esforzada. La simple visión del intellectus, la intuición, sin embargo no es trabajo.”

Yo agregaría que el intelecto, es esa faceta o facultad de la razón inexplicable que nos

hace percibir que estamos ante algo importante, glorioso diría yo. Y aquí quisiera

detenerme un poco mas sobre la relación que yo encuentro entre este tema tan científico

y abstracto, y la fe. Muchas veces me ha pasado entrar en discusiones interesantes pero

que difícilmente lleguen a conclusiones acerca de temas religiosos y de la fe. En estas, es común encontrar dos posiciones extremas, los dogmáticos que intentan por todos los

medios o con cierta fuerza demostrar la lógica de la fe en la existencia de un Dios

creador, y los escépticos o racionales que al no ver esa lógica (razón como ratio según

)

Pieper fundamentan la imposibilidad de la existencia de Dios. Bueno en este tema de la

física cuántica, yo me encontré con explicaciones o hechos que muestran el

comportamiento real y demostrado de ciertos eventos, a pesar de que eso que muestran

se da patadas con el sentido común (de nuevo con la razón como

).

ratio

Por eso a mí

personalmente esto me llevó a preguntarme: ¿Si estas cosas son así y los científicos no

logran dar explicaciones satisfactorias para la lógica humana, por qué no podrá ser lo

mismo con la existencia de Dios? ¿No será que si bien no podemos captarlo con la razón

como

,

ratio infinidad de veces se nos hace presente a través de la razón como

intellectus?. ¿No será cuestión de darle más importancia a eso que muchos defenestran por ser particularidad de las mujeres que es la intuición?

Valga esto como introducción tal vez un poco larga y sobre todo muy diferente a lo que a

partir de aquí será este

,

paper ya que tomará una dirección mas científica o mejor dicho

de descripción de temas científicos, todos los cuales en mayor o menor medida están

tomados de la referencia bibliográfica adjunta, la cual no sé si es mucha, buena o válida, pero es la que yo mismo me construí.

En este camino en que me he metido, me doy cuenta claramente de la importancia del

maestro, que para esto yo aún no lo tengo y me gustaría encontrarlo. El maestro es aquel

que me diría, lee primero esto, ahora fíjate en esto, tratá de explicarte aquello otro,

compará lo que dicen fulano y mengano del mismo tema.

Quisiera por último ser muy claro respecto al origen de lo escrito; no son aportes

originales sino que intento explicar con mis palabras y también transcribiendo

directamente las palabras de los diferentes autores todos los temas. Si no hiciera

referencia directa a esta situación, sentiría que estoy plagiando dado que alguien podría

pensar que el aporte es original cuando no lo es. No obstante esta aclaración considero

que hay un cierto esfuerzo de mi parte y aporte original, dado que lo escrito está

ordenado y digerido luego de una lectura mas esforzada que apunta a clarificar

conceptos.

GUIA DE LECTURA. CONTENIDOS. INTRODUCCION.

1. ¿Por qué cuántica? 2. El Tamaño del Átomo 3. Un recorrido histórico a vuelo de pájaro 4. Tres realidades que atentan contra el sentido común 5. Los problemas que los clásicos no pudieron explicar 6. Efecto fotoeléctrico y los fotones 7. El nacimiento de la cuántica como teoría 8. Física clásica vs. Física cuántica, sus diferencias. 9. Realidad local y no local 10. El gato de Schrödinger La interacción luz y materia 11. La cromodinámica cuántica ¿Qué se entiende por partículas? 12.

Diferentes realidades, ¿diferentes universos? 13. Galería de monstruos 14. Conclusiones.

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EDUARDO YVORRA

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1.

¿POR QUE CUANTICA?

instein dio una buena explicación y

analogía con la vida real acerca del significado de la

palabra cuántica y cuantos. En su libro La física,

aventura del pensamiento, dice que por ejemplo en

una mina de carbón la producción puede variar en un

modo continuo, si aceptamos cualquier unidad de

medida por más pequeña que sea. Es decir

podríamos decir que se produjo 1 granito más de

carbón que ayer. Lo que no podemos hacer es

expresar la variación de personal en forma continua,

no tiene sentido hablar de que se aumentó el personal

en 1,80 personas, es decir la medida de la cantidad de

personal es discreta y no continua. Otro ejemplo, una

suma de dinero solo puede variar de a saltos,

discontinuamente. La unidad mínima para el dinero

es el centavo. Decimos entonces que ciertas

magnitudes cambian de una manera continua y otras

de una manera discontinua o discreta, o sea por

cantidades elementales o pasos que no pueden

reducirse indefinidamente. A estos pasos mínimos e

indivisibles, se los llama cuantos elementales de la

magnitud en cuestión. Es evidente que al aumentar la

precisión de cómo se realizan las medidas de

cualquier tipo de magnitud, unidades que se

consideraban indivisibles dejen de serlo y adoptan

un valor todavía menor. O sea ciertas magnitudes que

se consideran continuas pueden tener una

naturaleza discreta.

En física, ciertas magnitudes consideradas por

muchos años como continuas, en realidad están

Max Karl Ernst Ludwig Planck. Nació el 23 abril de 1858, en Kiel,

compuestas de cuantos elementales. La energía es

Schleswig-Holstein,

Alemania.

Descubrió

una

constante

de

una de estas magnitudes que al estudiar los

naturaleza universal que se conoce como la Constante de Planck, fue

fenómenos del mundo de los átomos, se detectó que

premiado con el Nobel y hoy es considerado el creador de la Teoría

Cuántica.

su naturaleza no era continua sino discreta y que

existe una unidad mínima o cuanto elemental de

energía. Este fue el descubrimiento de Max Planck

con el que se inicia la teoría cuántica.

Cuanto o quantum utilizado como un sustantivo se

refiere a la cantidad más pequeña de algo que es

posible tener. En el mundo de la física clásica existe el

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concepto de que todos los parámetros físicos como

efectivamente ocurre en el mundo cuántico. Todas

por ejemplo la energía, la velocidad, la distancia

Las partículas que componen el universo físico se

recorrida por un objeto, son continuos. Para entender

deben mover en saltos cuánticos. Un cuerpo no

que es esto de continuos, pensemos en el termómetro

puede absorber o emitir energía luminosa en

que mide la temperatura, cuando vemos que la

cualquier cantidad arbitraria sino solo como

misma aumenta en un grado en realidad aumento

múltiplos enteros de una cantidad básica o cuanto.

primero en una décima de grado y así siguiendo antes

Volviendo a la extrañeza de estos fenómenos,

en una millonésima de grado etc., etc. Es decir el

imaginemos por un momento otra analogía: estamos

proceso de aumento de temperatura que medimos

arrojando piedras en un estanque de agua tranquilo.

con el termómetro decimos que es continuo.

El sentido común dado por la experiencia que

Bien, en el mundo de la física cuántica esto no es así,

acumulamos en el tiempo nos dice que al hacer esto

en concreto cuando Max Planck estudió como se

se producirán ondas en el estanque que son producto

producía la radiación desde un cuerpo

de la energía que la piedra transmitió al caer al agua.

incandescente, su explicación fue que los átomos que

Un estanque cuántico, se comportaría de diferente

componen el cuerpo incandescente, cuando

forma, al arrojar una o varias piedras nada ocurrirá,

liberaban energía en forma de radiación, lo hacían no

y de repente sin que medie ninguna conexión entre la

en forma continua, sino en pequeños bloques a los

causa (arrojar piedras) y el efecto (se generan ondas

que él denominó cuantos de energía. Lo extraño de

en la superficie), el estanque comenzará a vibrar con

todo este proceso o de la explicación de Planck es que

ondas, hasta que de repente se tranquilizará

no existen posiciones intermedias, es decir no

nuevamente por más que en ese momento estemos

existen medios cuantos o un cuarto de cuanto. Es

lanzando piedras. Si todas las piedras son del mismo

como si en el caso del termómetro no existiera la

tamaño, y arrojadas desde la misma altura,

fracción de grado, simplemente la temperatura que

entregarán al caer la misma cantidad de energía al

está en 20º pasa de golpe a 21º. Decimos extraño

agua. Si dicha cantidad de energía resulta ser

porque lo que el sentido común indica es que la

inferior al cuanto de energía, entonces debemos

temperatura de un objeto aumenta cuando este

arrojar más de una piedra para iniciar el movimiento.

recibe calor/energía; si el cuerpo está en 20º y le doy

Quiero recalcar la extrañeza de este fenómeno,

calor en una pequeña cantidad, no será suficiente

llamando la atención sobre el hecho de que el cuanto

para que aumente en un grado a 21º pero í

s para que

no es una cantidad que pueda subdividirse, es decir,

aumente en algo.

el concepto de continuidad pierde significación,

En el mundo cuántico es como si esas pequeñas

entre 0 y el cuanto no existe nada. Son estados que la

cantidades se van almacenando en algún lugar sin

naturaleza no permite. Esta es la característica

manifestarse de ninguna forma (sin aumento de

esencial del descubrimiento de Planck al estudiar los

temperatura del cuerpo), para que de repente cuando

fenómenos del llamado radiación del cuerpo negro

la cantidad de calor transmitida alcanzó un valor tal

(tema que se desarrollara mas adelante): existe un

que el termómetro muestra ahora sí un aumento de

límite inferior al cambio de energía (absorción o

1º, marcando 21º. ¿Qué pasó en el medio?. Bueno

emisión de energía en forma de luz) que un átomo

esto que si bien no ocurre en el caso de la temperatura

puede experimentar.

PROXIMA ENTREGA:

2. EL TAMAÑO DEL ATOMO

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