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Mecánica Cuántica (página 3)




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La oposición de Max Planck al régimen nazi, lo enfrentó con Hitler.En varias ocasiones intercedió por sus colegas judíos ante el régimen nazi.

Planck sufrió muchas tragedias personales después de la edad de 50 años. En 1909, su primera esposa Marie Merck murió después de 22 años de unión matrimonial, dejándolo con dos hijos hombres y unas hijas gemelas. Su hijo mayor Karl murió en el frente de combate en la Primera Guerra Mundial en 1916; su hija Margarete murió de parto en 1917, y su otra hija, Emma también murió de parto en 1919. Durante la Segunda Guerra Mundial, su casa en Berlín fue destruida totalmente por las bombas en 1944 y su hijo más joven, Erwin, fue implicado en la tentativa contra la vida de Hitler que se efectuó el 20 de julio de 1944. Por consiguiente, Erwin murió de forma horrible en las manos del Gestapo en 1945. Todo este cúmulo de adversidades, aseguraba su discípulo Max von Laue, las soportó sin una queja. Al finalizar la guerra, Planck, su segunda esposa y el hijo de ésta, se trasladaron a Göttingen donde él murió a los 90 años, el 4 de octubre de 1947. Max Planck hizo descubrimientos brillantes en la física que revolucionó la manera de pensar sobre los procesos atómicos y subatómicos. Su trabajo teórico fue respetado extensamente por sus colegas científicos.

Entre sus obras más importantes se encuentran Introducción a la física teórica (5 volúmenes, 1932-1933) y Filosofía de la física (1936).

Paul Dirac

Dirac nació el 8 de agosto de 1902, en Monk Road en Bishopston, Bristol, Inglaterra. Su padre era suizo y enseñaba francés en la universidad técnica mercantil Venturers en Bristol. Su madre era de Cornwall. Cursó sus estudios primarios en la escuela Bishop Road y los secundarios, primero, en la Merchant Venturers y, más tarde, en Cotham Grammar School. En 1918, entró a la universidad de Bristol, donde se graduó, en 1921, de ingeniero eléctrico con honores de primera clase. Atraído por las teorías de la relatividad de Einstein, pero impedido de tomar una beca en la universidad de Cambridge por razones financieras, permaneció en Bristol y se graduó en matemáticas, otra vez con honores de primera clase, en 1923.

Obtenido ese último grado académico, Dirac se fue al St John's College, Cambridge, para realizar investigaciones sobre física teórica bajo supervisión de Ralph (RH) Fowler del laboratorio Cavendish. Después de algunos años de intensa labor investigativa en ese establecimiento, Dirac finalizó el trabajo que le permitió obtener el premio Nobel. En 1932, lo designaron profesor de la cátedra de matemáticas Lucasian en Cambridge, puesto que fue ocupado en su época por Isaac Newton y hoy por Stephen Hawking.

Dirac tenía solamente 31 años cuando compartió el premio Nobel con el físico austriaco Erwin Schrödinger, en 1933. Hablaba con fluidez francés e inglés, pero era taciturno en ambos idiomas. Por otra parte, su timidez llegó a ser legendaria. Por ejemplo, cuando fue informado que acababa de ganar el premio, Dirac le dijo a Rutherford, entonces jefe de Cavendish, que él no lo deseaba aceptar porque le tenía aversión a la publicidad. ¡Rutherford le contestó que el rechazo del premio le traería aún más publicidad!

En 1937, Dirac se casó Margit Balasz (née Wigner), que era la hermana del famoso físico húngaro Eugene Wigner. El matrimonio tuvo dos hijas Mary Elizabeth y Florence Monica. Dirac se retiró de Cambridge en 1969 y se cambió a la universidad del estado de la Florida en los EE.UU. Murió en Tallahassee, Florida, el 20 de octubre de 1984.

Cuando Dirac se fue a Cambridge, a mediados de la década de 1920, varios experimentos habían demostrado que la física clásica no podría explicar el comportamiento de los átomos y de los electrones. En efecto, el impredecible comportamiento de las partículas en el mundo cuántico parecía tener poca relación con el comportamiento de los cuerpos a mucha mayor escala de la teoría de la relatividad. Ambas teorías estaban todavía evolucionando, y los esfuerzos por combinarlas sólo tuvieron éxito en parte. Por ejemplo, ninguno de los intentos de síntesis podía explicar adecuadamente una propiedad recientemente descubierta de los electrones llamada espín, propuesta para resolver las anomalías observadas en las posiciones y número de líneas en el espectro atómico. Por aquel entonces, los físicos pensaban que un electrón que girara rápidamente creaba un campo magnético, lo cual podía explicar esos cambios por otro lado misteriosos. Pero para producir estos efectos magnéticos, un electrón con las dimensiones asignadas en una teoría clásica tendría que girar tan rápido que los puntos de su ecuador excederían la velocidad de la luz, algo que la teoría de la relatividad decía que era imposible. En consecuencia, los físicos llegaron a la conclusión sobre la necesidad de una nueva teoría para explicar esos fenómenos.

Paul Dirac se enfrentó al desafío. Como su auténtica lengua eran las matemáticas, él consiguió en 1928 incorporar la relatividad a la descripción matemática de la mecánica de un átomo de hidrógeno. Su solución, llamada la ecuación Dirac del electrón, no sólo proporcionaba una explicación perfecta de las líneas espectrales sino que, en un inesperado desarrollo, describía también a los electrones de una forma que resolvía el dilema del espín. La sencilla elegancia de las matemáticas de Dirac hizo que su proposición consiguiera una aceptación rápida.

Dirac aseguró al espín un importante lugar en las nuevas mecánicas que iban a remplazar la «antigua teoría cuántica» de Bohr y Sommerfeld. Agreguemos que no solamente el electrón, sino otras partículas también están dotadas de espín, cuyo papel es cardinal en la estructura del núcleo atómico.

El objetivo de Dirac fue el de formular una ecuación de la onda asociada al electrón que satisficiera el principio einsteiniano de la relatividad. Este exige una simetría de las tres coordenadas del espacio y de la coordenada del tiempo. Mas, la ecuación de la onda, en la mecánica de Scrödinger, no era simétrica en las cuatro coordenadas, siendo de segundo orden en los coeficientes diferenciales con respecto al espacio, y sin embargo, de primer orden en la derivada del tiempo. Dirac logró señorear las dificultades y establecer una función de ondas conforme al postulado de simetría relativista: los cuatro componentes de la función obedecen a cuatro ecuaciones de primer orden, cuyo conjunto reemplaza la única ecuación de propagación de la mecánica ondulatoria no relativista.

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Antes que Dirac formulara su ecuación, el problema de unir adecuadamente la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad parecía estancado. Dirac, en su ecuación describe adecuadamente los fenómenos cuánticos y es compatible con el principio de la relatividad. Si existe algo así como una estética matemática, la ecuación de Dirac es una verdadera obra de arte, por la manera tan ingeniosa con la que el físico inglés resolvió un problema aparentemente irresoluble. Medularmente, la ecuación permite calcular la función de onda de un electrón, y de otras partículas elementales, tomando en cuenta todos los efectos relativistas. En ella, un electrón podía tener una energía infinitamente negativa. Pero lo que parecía una dificultad técnica resultó ser, gracias al ingenio de Dirac, la clave para descubrir un aspecto insospechado de la naturaleza.

En la descripción de los planteamientos teóricos de Dirac soslayar su desarrollo matemático, sería una empresa ilusoria, "puesto que cuando se hace abstracción del andamiaje matemático, se comprueba, escribió el propio Dirac, que la teoría está construida a partir de conceptos que no pueden ser descritos por medios de nociones que nos son familiares y de las cuales no se puede ni siquiera definir el sentido por medio de palabras comunes". El electrón, se decía con razón, es el contenido de las ecuaciones de Dirac. Esta radical disolución de entidades del mundo material en símbolos matemáticos, es el precio pagado por el mayor rigor y la mayor fecundidad de la nueva mecánica.

Si comparamos las teorías de Heisenberg y de Schrödinger con la formulada por Dirac, ésta aparece más abstracta y más general pero las sobrepasa por su poder de interpretación y de previsión. Un impresionante ejemplo de la prodigiosa fuerza de la teoría es la introducción automática del espín en la ecuación, con el cual, algunos años antes, Uhlenbeck y Goudsmit habían dotado hipotéticamente al electrón. En efecto, es un éxito extraordinario que las ecuaciones de Dirac, obtenidas con ayuda de razonamientos muy generales, en los que para nada interviene la hipótesis del espín, contengan en sí todas las propiedades del electrón magnético y giratorio. La hazaña, dice De Broglie, de hacer surgir el espín de ecuaciones establecidas con independencia de él, es uno de los resultados más notables de la física teórica contemporánea, que sin embargo, contiene tantos.

Por otra parte, la mecánica ondulatoria primitiva permanecía incapaz de dar cuenta de la estructura fina de los espectros ópticos y rontgenográficos, la teoría de Dirac lo logra con toda exactitud; asimismo, suministra una interpretación de los efectos Zeemann anormales, que ninguno de los teóricos anteriores había podido conseguir. Esto sin duda es mucho, pero no es todo.

El carácter relativista de su mecánica llevó a Dirac a admitir la posibilidad, para el electrón, de poseer un estado de energía negativa. Un corpúsculo en uno de estos estados manifestaría un comportamiento paradójico: para acelerarlo se requeriría frenarlo quitándole energía y, por el contrario, habría que proporcionarle energía para conducirlo a un estado de reposo. Nunca, en la experiencia, ningún electrón hizo evidente tan extrañas propiedades. Para salir de esta dificultad, Dirac, guiado por el principio de Pauli, formuló una ingeniosa hipótesis.

Para evitar que todos los electrones del universo cayeran a estados con energías infinitamente negativas, Dirac propuso que todos los estados con energía negativa estaban ocupados ya por electrones, aunque éstos no se puedan detectar directamente (¡el vacío de la mecánica cuántica resulta ser un mar infinito de partículas!, y esta aparente contradicción es todavía uno de los problemas más complejos de la física moderna). Pero si llegara a faltar uno de estos electrones de energía negativa, su ausencia, se detectaría como la presencia de una partícula con energía positiva y con la carga eléctrica contraria a la del electrón. Esa nueva partícula, predijo Dirac, sería un electrón; tendría la misma masa que un electrón y todas las demás propiedades, excepto el signo de la carga eléctrica, que sería positivo.

Los físicos, en 1930, acogieron con escepticismo la extraña hipótesis de Dirac. Muchos entre ellos consideraron al «antielectrón» del teórico inglés como el sueño de un matemático. Schröndinger propuso modificar la ecuación de Dirac para eliminar esos absurdos estados de energía negativa. A pesar de ello, Dirac permaneció fiel a su idea, y mientras se preguntaba si los estados energéticos desocupados no serían idénticos con los protones, la experiencia vino a traer, en agosto de 1932, la más brillante confirmación de la realidad del antielectrón. Al estudiar, con la cámara de Wilson, choques entre átomos y rayos cósmicos, Charles David Anderson , en California, notó sobre las fotografías las huellas de una nueva partícula, las del electrón con carga positiva. El nuevo corpúsculo, el positrón (o positón) reveló, en el curso de un examen detenido, exactamente las mismas propiedades que la clarividente teoría de Dirac exigiera para su antielectrón.

En esa época, no era fácil imaginar una justificación experimental más sorprendente de la osada construcción matemática de Dirac que el descubrimiento del positrón, que convierte un obstáculo aparentemente insalvable de su teoría en uno de sus más firmes soportes. En efecto, Dirac había previsto la formación simultánea de dos electrones, uno positivo y otro negativo, a expensas de la energía empleada para producir un «hueco» en la distribución de la electricidad negativa. Como veremos, esta atrevida profecía de la «materialización» de corpúsculos a partir de la energía y su inverso, la «desmaterialización», se convirtieron un año después del descubrimiento de Anderson en hechos empíricos.

Por otro lado, la perfecta simetría entre el electrón negativo y su contraparte positiva sugirió a Dirac la admisión de la posible reversión de la carga de cualquier clase de corpúsculos, y la previsión de la probable existencia del protón negativo. Incluso se descubrió posteriormente que algunos elementos radiactivos emiten positrones al decaer sus núcleos. Otro de los aciertos de su hipótesis previsora fue comprobado en 1953, cuando ya funcionaban los grandes aceleradores de partículas para estudiar el mundo subatómico. En efecto, con uno de esos instrumentos el italiano Emilio Segri y sus colaboradores lograron poner en evidencia el antiprotón, dotado de la misma masa, del mismo espín que el protón, portador, sin embargo, de carga negativa. Luego, se empezaron a producir antineutrones y todo tipo de antipartículas y, últimamente, antiátomos de hidrógeno.

Paul Dirac fue uno de los más eminentes representantes del grupo de jóvenes teóricos del período que siguiera a la primera guerra mundial. Perteneció a la a la primera generación de físicos libres de toda tradición clásica, y educado, desde sus años estudiantiles, en el espíritu de las nuevas teorías. Poseía una natural facilidad para el manejo de los nuevos métodos y conceptos. Espacio, tiempo, energía, partículas, son términos que nunca tuvieron para él la significación que poseían en la época clásica. La relatividad y los quantum son las herramientas naturales de sus investigaciones.

Werner Karl Heisenberg

(Wurzburgo, Alemania, 1901-Munich, 1976) Físico alemán. Hijo de un profesor de humanidades especializado en la historia de Bizancio, se formó en la Universidad de Munich, donde asistió a las clases de A. Sommerfeld y por la que se doctoró en el año 1923. También colaboró con M. Born, en la Universidad de Gotinga. Durante su formación fue compañero de W. Pauli tanto en Munich como en Gotinga. Más adelante trabajó con N. Bohr en Copenhague (1924-1927) y desempeñó, sucesivamente, los cargos de profesor de la Universidad de Leipzig (1927), director del Instituto Káiser Wilhelm de Berlín (1942) y del Max Planck de Gotinga (1946), así como del de Munich (1958).

Entre 1925 y 1926 desarrolló una de las formulaciones básicas de la mecánica cuántica, teoría que habría de convertirse en una de las principales revoluciones científicas del siglo XX. En 1927 enunció el llamado principio de incertidumbre o de indeterminación, que afirma que no es posible conocer, con una precisión arbitraria y cuando la masa es constante, la posición y el momento de una partícula. De ello se deriva que el producto de las incertidumbres de ambas magnitudes debe ser siempre mayor que la constante de Planck. El principio de incertidumbre expuesto por Heisenberg tiene diversas formulaciones equivalentes, una de las cuales relaciona dos magnitudes fundamentales como son la energía y el tiempo.

El enunciado del principio de incertidumbre causó una auténtica revolución entre los físicos de la época, pues suponía la desaparición definitiva de la certidumbre clásica en la física y la introducción de un indeterminismo que afecta a los fundamentos de la materia y del universo material. Por otro lado, este principio supone la práctica imposibilidad de llevar a cabo mediciones perfectas, ya que el observador, con su sola presencia, perturba los valores de las demás partículas que se consideran e influye sobre la medida que está llevando a cabo. Así mismo, Heisenberg predijo, gracias a la aplicación de los principios de la mecánica cuántica, el espectro dual del átomo de hidrógeno y logró explicar también el del átomo de helio.

En 1927 ideó una relación matemática para explicar las rayas espectrales. Para ello, y sobre la base del álgebra de matrices, desarrolló la llamada mecánica matricial, que justificaba las longitudes de onda de las rayas espectrales y que, más tarde, Von Neumann demostraría que era equivalente a la mecánica ondulatoria formulada por el físico austriaco E. Schrödinger. Fue autor también de importantes contribuciones a campos de la física tales como la teoría del ferromagnetismo, el estudio de las formas alotrópicas del hidrógeno molecular, la introducción de las fuerzas de intercambio y del isoespín y la teoría de la difusión.

Sus trabajos acerca de la teoría nuclear le permitieron predecir que la molécula del hidrógeno podía existir en dos estados, uno como ortohidrógeno, es decir, en que los núcleos de los dos átomos girasen en la misma dirección, y otro como parahidrógeno, en que dichos núcleos girarían en direcciones contrarias. Esta predicción, que se confirmó finalmente en 1929, tendría gran importancia años más tarde para el desarrollo de la astronáutica, ya que permitía frenar la evaporación del hidrógeno líquido en las grandes concentraciones de esta sustancia que se necesitan para propulsar los cohetes de combustible líquido.

Igual que Einstein, acabada la Segunda Guerra Mundial centró sus esfuerzos en el desarrollo de una teoría no lineal del campo unificado, aunque no obtuvo el resultado buscado en su empeño, tal como le sucedió a su ilustre colega. El desarrollo de la llamada mecánica cuántica matricial le valió la concesión del Premio Nobel de Física en 1932.

Louis Victor Pierre Raymond duc de Broglie:

Estudió historia en la Sorbonne en París, pensando en una carrera en el servicio diplomático. Pero a los 18 años, y después de finalizar un trabajo de investigación que se le había asignado, tomó la decisión de estudiar física.

De Broglie alcanzó su reconocimiento en el mundo de los físicos por la propugnación que describe en su teoría sobre la dualidad partícula–onda de la materia. En su tesis doctoral de 1924, propone esta teoría sosteniendo la naturaleza de onda del electrón, basándose en el trabajo de Einstein y de Planck. Esta afirmación, fue confirmada experimentalmente en 1927 por C J Davisson, C H Kunsman y L H Germer en los EE.UU. y por G P Thomson en Escocia. De Broglie, durante una entrevista en 1963, describió cómo había llegado a ese importante descubrimiento:

En conversaciones que frecuentemente sostenía con mi hermano siempre llegábamos a la conclusión que los rayos X se caracterizaban por ser corpúsculos y también ondas. Por ello, en el curso de verano de 1923, repentinamente concebí la idea de ampliar esta dualidad a las partículas materiales, especialmente a los electrones. Recordé que la teoría de Hamilton-Jacobi señalaba algo en esa dirección, ya que ella es aplicable a las partículas y, además, representa una óptica geométrica; por otra parte, en cuántica uno obtienen los números quantum de los fenómenos, que raramente se encuentran en mecánica pero ocurren frecuentemente en manifestaciones ondulatorias y en todos los problemas que se ocupan del movimiento de las ondas.

Después de doctorase, de Broglie permaneció en la Sorbonne, llegando a ser, en el año 1928, profesor de física teórica en el instituto Henri Poincaré. De Broglie enseñó allí hasta que se retiró en 1962. En 1945, fue nombrado consejero de la comisión de energía atómica francesa.

La teoría ondulatoria de De Broglie de la materia del electrón fue utilizada más adelante por schrodinger para desarrollar la mecánica de la onda. De Broglie recibió el premio Nobel en 1929.

De Broglie se autodescribió como: una persona de mente más proclive a la teoría pura que a la experimentación o a la ingeniería, con una mayor tendencia a asumir visiones especialmente generales y filosóficas...

Él escribió muchos trabajos ampliamente reconocidos incluyendo a aquellos que demuestran su interés en las implicaciones filosóficas de la física moderna, materia y luz: La Nueva Physics (1939); La revolución en Physics (1953);

La pregunta central en la vida de de Broglie era si la naturaleza estadística de la física atómica refleja una ignorancia de la teoría subyacente o si la estadística es todo lo que puede ser conocido. Durante la mayor parte de su vida él creyó lo primero, pero como un investigador joven consideró que la estadística ocultaba nuestra ignorancia. Sin embargo, en su madurez como científico, asombrosamente volvió a su visión juvenil, señalando que: las teorías estadísticas ocultan una realidad totalmente resuelta y averiguable detrás de las variables que eluden nuestras técnicas experimentales.

Erwin schrodinger

Viena, 1887-id., 1961) Físico austriaco. Compartió el Premio Nobel de Física del año 1933 con Paul Dirac por su contribución al desarrollo de la mecánica cuántica. Ingresó en 1906 en la Universidad de Viena, en cuyo claustro permaneció, con breves interrupciones, hasta 1920. Sirvió a su patria durante la Primera Guerra Mundial, y luego, en 1921, se trasladó a Zurich, donde residió los seis años siguientes.

En 1926 publicó una serie de artículos que sentaron las bases de la moderna mecánica cuántica ondulatoria, y en los cuales transcribió en derivadas parciales, su célebre ecuación diferencial, que relaciona la energía asociada a una partícula microscópica con la función de onda descrita por dicha partícula. Dedujo este resultado tras adoptar la hipótesis de De Broglie, enunciada en 1924, según la cual la materia y las partículas microscópicas, éstas en especial, son de naturaleza dual y se comportan a la vez como onda y como cuerpo.

Atendiendo a estas circunstancias, la ecuación de Schrödinger arroja como resultado funciones de onda, relacionadas con la probabilidad de que se dé un determinado suceso físico, tal como puede ser una posición específica de un electrón en su órbita alrededor del núcleo.

En 1927 aceptó la invitación de la Universidad de Berlín para ocupar la cátedra de Max Planck, y allí entró en contacto con algunos de los científicos más distinguidos del momento, entre los que se encontraba Albert Einstein.

Permaneció en dicha universidad hasta 1933, momento en que decidió abandonar Alemania ante el auge del nazismo y de la política de persecución sistemática de los judíos. Durante los siete años siguientes residió en diversos países europeos hasta recalar en 1940 en el Dublin Institute for Advanced Studies de Irlanda, donde permaneció hasta 1956, año en el que regresó a Austria como profesor emérito de la Universidad de Viena.

Albert Einstein

Ulm, 1879 - Princeton, 1955) Científico estadounidense de origen alemán. En 1880 su familia se trasladó a Munich y luego (1894-96) a Milán. Frecuentó un instituto muniqués, prosiguió sus estudios en Italia y finalmente se matriculó en la Escuela Politécnica de Zurich (1896-1901). Obtenida la ciudadanía suiza (1901), encontró un empleo en el Departamento de Patentes; aquel mismo año contrajo matrimonio.

En 1905 publicó en Annalen der Physik sus primeros trabajos sobre la teoría de los quanta, la de la relatividad y los movimientos brownianos, y llegó a profesor libre de la Universidad de Berna. En 1909 fue nombrado profesor adjunto de la de Zurich y en 1910 pasó a enseñar Física teórica en la Universidad alemana de Praga. Luego dio clases de esta misma disciplina en la Escuela Politécnica zuriquesa (1912). En 1913, nombrado miembro de la Academia de Prusia, se trasladó a Berlín. En 1916 se casó en segundas nupcias. Publicó entonces Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie e inició una serie de viajes a los Estados Unidos, Inglaterra, Francia, China, Japón, Palestina y España (1919-32).

En 1924 entregó a la imprenta Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie y el año siguiente recibió el premio Nobel por su teoría sobre el efecto fotoeléctrico. En 1933 abandonó la Academia de Prusia y se enfrentó valerosamente a Hitler. Iniciada la persecución nazi contra los judíos, marchó a América y enseñó en el Instituto de Estudios Superiores de Princeton (Nueva Jersey). En 1945 se retiró a la vida privada, a pesar de lo cual prosiguió intensamente su actividad científica.

Einstein es uno de los grandes genios de la humanidad y en el ámbito de las ciencias físicas ha llevado a cabo una revolución todavía en marcha y cuyos alcances no pueden medirse aún en toda su amplitud. En su primera formulación (teoría de la relatividad restringida) extendió a los fenómenos ópticos y electromagnéticos el principio de relatividad galileo-newtoniano, anteriormente limitado sólo al campo de la Mecánica, y afirmó la validez de las leyes de esta última tanto respecto de un sistema galileano de referencia K, como en relación con otro de referencia K' en movimiento rectilíneo y uniforme respecto de K.

Según las teorías de Einstein, la ley de la propagación de la luz en el vacío debe tener, como cualquier otra general de la naturaleza, la misma expresión ya referida, por ejemplo, a una garita ferroviaria o a un vagón de tren en movimiento rectilíneo y uniforme en relación con ésta; dicho en otros términos, la velocidad de la luz no se ajusta a la de los sistemas de referencia que se mueven en línea recta y de manera uniforme respecto del movimiento de la misma luz. En realidad, el experimento de Michelson-Morley, mil veces repetido y comprobado a partir de 1881, había demostrado la diferencia existente entre la velocidad de la luz y la de la Tierra.

La relatividad restringida ofrece la razón de tal hecho, antes inexplicable. A su vez, la invariabilidad de la velocidad de la luz lleva a la introducción, en Física, de las transformaciones de Lorentz, según las cuales la distancia temporal entre dos acontecimientos y la que separa dos puntos de un cuerpo rígido se hallan en función del movimiento del sistema de referencia, y por ello resultan distintas para K y K'. Ello nos libra, en la formulación de las leyes ópticas y electromagnéticas, de la relación con el hipotético sistema fijo "absoluto", rompecabezas metafísico de la Física clásica, puesto que tales leyes, como aparecen formuladas en la relatividad restringida, valen para K e igualmente para K', lo mismo que las de la Mecánica.

CAPÍTULO IV

Aplicaciones de la mecánica cuántica

Dos aplicaciones de la mecánica cuántica:

La mecánica cuántica levantó la dualidad onda-partícula, mostrando que las partículas microscópicas (electrones, átomos, etc.) no son bolas de billar muy pequeñas sino otra cosa gobernada por otras ecuaciones. La dualidad onda-partícula en el campo electromagnético desaparece al hacer una teoría cuántica del mismo. Es de hacer notar que el comportamiento ondulatorio de los electrones contenido en la mecánica cuántica dio origen al microscopio electrónico construido por primera vez por Ernst Ruska en Berlín en la primera mitad de la década del 30. Otro hecho típicamente cuántico también merece mención por sus aplicaciones científico-tecnológicas: el efecto túnel. El nombre proviene de lo siguiente. Si se suelta una bolilla junto a la pared interna de un recipiente semiesférico, la misma sube del lado opuesto hasta aproximadamente la misma altura desde la que se la soltó; por razones de conservación de energía, la bolilla no puede escapar del recipiente. Pero cuando se trata de una partícula gobernada por las leyes de la mecánica cuántica, la misma tiene una probabilidad no nula de estar fuera del recipiente. Hablando clásicamente es como si hubiera cavado un túnel a través de la pared del recipiente. La primera aplicación práctica de esto fue el diodo de efecto túnel, uno de los dispositivos que revolucionó la electrónica. Más recientemente, en la primera mitad de la década del 80, los científicos Gerd Birnning y Heinrich Roher, del Laboratorio de Investigación de la IBM en Zurich, inventaron el microscopio de efecto túnel, un ultramicroscopio que casi permite "ver" los átomos. Recibieron el Premio Nobel por ello en 1986, compartiéndolo con Ruska por su invento del microscopio electrónico medio siglo antes (Robinson, 1986).

La mecánica cuántica en la química:

La química cuántica es la aplicación de la mecánica cuántica a problemas de química.

Una aplicación de la química cuántica es el estudio del comportamiento de átomos y moléculas, en cuanto a sus propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y mecánicas, y también su reactividad química, sus propiedades redox, etc., pero también se estudian materiales, tanto sólidos extendidos como superficies.

Como los estudios mecanocuánticos sobre átomos se consideran en la frontera entre la química y la física, y no se incluyen por lo general dentro de la química cuántica, frecuentemente se considera como primer cálculo de química cuántica el llevado a cabo por los científicos alemanes Walter Heitler y Fritz London (aunque a Heitler y a London se les suele considerar físicos). El método de Heitler y London fue perfeccionado por los químicos americanos John C. Slater y Linus Pauling, para convertirse en el método de enlace de valencia (o Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP)). En este método, se presta atención particularmente a las interacciones entre pares de átomos, y por tanto se relaciona mucho con los esquemas clásicos de enlaces entre átomos.

Friedrich Hund y Robert S. Mulliken desarrollaron un método alternativo, en que los electrones se describían por funciones matemáticas deslocalizadas por toda la molécula. El método de Hund-Mulliken (o de orbitales moleculares) es menos intuitivo para los químicos, pero, al haberse comprobado que es más potente a la hora de predecir propiedades que el método de enlace de valencia, es virtualmente el único usado en los últimos años.

La mecánica cuántica en la física:

En física, la mecánica cuántica (conocida originalmente como mecánica ondulatoria) es una de las ramas principales de la física que explica el comportamiento de la materia y de la energía. Su campo de aplicación pretende ser universal (salvando las dificultades), pero es en el mundo de lo pequeño donde sus predicciones divergen radicalmente de la llamada física clasica.

De forma específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma que no incorpora la relatividad en su formalismo, tan sólo como añadido mediante teoría de perturbaciones. La parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas, es la mecánica cuántica relativista o ya, de forma más exacta y potente, la teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar) y más generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción que no se ha podido cuantificar ha sido la interacción gravitatoria.

La mecánica cuántica es la base de los estudios del átomo, los núcleos y las partículas elementales, (siendo ya necesario el tratamiento relativista) pero también en teoría de la información, criptografía y química.

La mecánica cuántica en la electronica:

En la electrónica cuántica es el área de la física que se ocupa de los efectos de la mecánica cuántica en el comportamiento de los electrones en la materia y de sus interacciones con los fotones.

Hoy raramente se considera un subcampo en su propio derecho, ya que ha sido absorbida por otros campos: la física de estado sólido regularmente toma en cuenta la mecánica cuántica, y usualmente trata sobre los electrones. La aplicación específica de la electrónica se investiga dentro de la física del semiconductor.

El campo también abarca los procesos básicos de la operación del láser donde los fotones están interactuando con los electrones: absorción, emisión espontánea, y emisión estimulada.

El término fue usado principalmente entre los años 1950 y los años 1970. Hoy, el resultado de la investigación de este campo es usado principalmente en óptica cuántica, especialmente para la parte de ella que se nutre no de la física atómica sino de la física de estado sólido.

La mecánica cuántica y la educación:

La introducción a la mecánica cuantica se expone tradicionalmente en Química, y no se llega a introducir en Física salvo aquellos centros de Ingeniería Superior que ofertan asignaturas del tipo Ampliación de la Física. Hoy en día. gracias al software interactivo se introducen ideas básicas de Mecánica Cuántica en Bachillerato y otras etapas pre-universitarias además de los fundamentos de la Mecánica clásica.

Desde que el ordenador se asomó tímidamente en las aulas como herramienta didáctica, distintos temas de Mecánica Cuántica son la pasión de profesores-programadores, por su naturaleza compleja desde la perspectiva matemática, y probablemente algo alejados de la experiencia cotidiana. El software de nueva generación proporciona descripciones cualitativas de las fases distintas de eventos o fenómenos mediante representaciones gráficas interactivas. Existen en Mecánica Cuántica pocas experiencias relevantes que puedan realizarse en un laboratorio escolar. La complejidad computacional de las experiencias reales, y los tiempos habitualmente cortos en los que ocurren, ocultan el proceso físico. Mediante las simulaciones en el ordenador se puede prescindir de aparatos de medida tradicionales y del exterior al sistema objeto del estudio y permite visualizar el proceso físico, acelerando o retardando según convenga.

La secuencia de contenidos destaca la dispersión de partículas asociada a fundamentos de Mecánica, el estudio de las fuerzas centrales y conservativas y el estudio de la interacción eléctrica. La trascendencia histórica de la experiencia de Rutherford en el descubrimiento de la estructura atómica suele acaparar los comentarios al principio del estudio del átomo.

Las teorías modernas del átomo se conceptualizan con el estudio del efecto fotoeléctrico y con la explicación que Einstein aporto al asunto, y con la experiencia de Frank-Hertz, la difracción de electrones y la experiencia de Stern-Gerlach.

Las soluciones simples de la ecuación de Schrödinger: el escalón de potencial, la barrera de potencial, el efecto túnel. El modelo simple de núcleo radioactivo aclara el concepto de la desintegración alfa. Verificar la ley exponencial decreciente de la desintegración, con una muestra formada por un número pequeño pero suficiente de núcleos radioactivos nos sumerge de pleno en ámbitos puros de la física y la mecánica cuántica. Los applets diseñados muestran que no podemos predecir la conducta de una micropartícula en el dominio cuántico pero podemos predecir la conducta de un número grande de partículas idénticas.

La mecánica cuántica en la salud:

Aplicada a la sanación. Nos define la mecánica cuántica como el estudio del comportamiento de la energía. Fue presentada la primera vez por M. Planck y A. Einstein, para explicar como se comportan las partículas que contiene las sub-partículas del átomo.

Electrones, protones, etc. están formados por muones, partones, etc. y afirma que de estas depende nuestro estado de salud o enfermedad.

Nuestro cuerpo físico está formado por sistemas, estos por órganos, estos por células,estas a su vez por átomos, estos por partículas sub-atómicas y estas por infra-partículas. Por lo que afirma que el cuerpo físico está formado por una cantidad astronómica de partones, luego el cuerpo físico es energía

La conclusión es que todo estado de salud o enfermedad es la alteración de esos grupos de partones que se manifiesta en el aspecto físico.

Si hay desequilibrio habrá enfermedad, si trabajamos para solucionar ese desequilibrio volveremos a tener un estado de salud.

Afirma también, que gracias al estudio de la mecánica cuantica puede decir que los milagros existen, sabiendo que la ciencia entiende como milagro "Toda manifestación en el plano físico que tuvo su causa en una dimensión, invisible para nosotros". Dice que si conocemos y comprendemos los Mecanismos Cuánticos el Milagro se convierte en un hecho científico ya que es susceptible de ser estudiado y controlado.

La Dra. Thelma Moss en 1975 estudió mecánica cuántica y entre otras cosas investigó la secuencia del estudio científico de la variación de campo electromagnético de un mismo individuo realizado en el Departamento de Neuro_Psiquiatría de la Universidad de California. Hicieron varias fotografías con la cámara Kirlian y la fotografía en estado de relax de la yema de un dedo aparecía de color azul y el sentimiento de rabia en su máxima expresión da rojo.

El organismo va enfermando cuando está vibrando en baja frecuencia (roja). Rabia, miedo, resentimiento depresión y tristeza son causantes de gran cantidad de enfermedades.

Feibert y Thelma Moss Jefe del departamento de Neuro-psiquiatría de la Universidad de Ucla Trabajaron en un caso de leucemia en 1988:Fotografiaron el dedo del paciente con cámara Kirlian y aparecía opaco y color amarillento

Le hicieron un tratamiento energético conforme a los principios de Mecánica Cuántica.

La primera semana ya aparecían unos pequeños puntitos azules, tras 7 días de imposición de manos.

La 2ª se observaba en la fotografía como la energía amarilla se desplazaba a los extremos y en el centro aparecía energía azulacea.

Tras cinco semanas de tratamiento con proyecciones mentales de luz violeta y el intenso sentimiento de amor el paciente presentaba una intensa luz azul en la imagen Kirlian, estaba curada y en principio era un caso desahuciado por la medicina oficial. El tratamiento duró siete semanas

Pensamientos y emociones positivas nos ayudarán a matener nuestra energía equilibrada.

En un estudio psiquiatrico que hicieron a un paciente con personalidad múltiple. Se comprobó que la química de su cuerpo cambiaba con el cambio de personalidad. Se está trabajando en el poder manejar con la voluntad la salud y la prevención. Nuestra mente es una estructura que pertenece al cuerpo bioléctrico y afirman que está separada del cerebro porque en algunos casos que han permanecido muertos por unos minutos y luego han sido reanimados por métodos artificiales dan detalles de las conversaciones que tuvieron los presentes mientras el cerebro del paciente no registraba actividad electrica.

El conocimiento de Mecanica Cuántica nos puede ayudar tengamos la religión que tengamos.

La mecánica cuántica en los alimentos:

La Mecánica Cuántica de las galletas: Crean un modelo mecánico cuántico para ayudar a que los alimentos industriales tengan mejores cualidades nutritivas y organolépticas.

A veces creemos que las investigaciones que se hacen en ciencia básica son lejanas y que pocas veces tienen aplicación práctica, sobre todo cuando vienen de teorías que juzgamos exóticas, académicas o simplemente fundamentales.La Mecánica Cuántica ya nos ha demostrado su utilidad en los dispositivos electrónicos de consumo, y más que lo hará conforme la miniaturización de los componentes de los microprocesadores y memorias se hagan cada vez más pequeños. Pero nunca pensaríamos que se podría aplicar a las galletas de nuestro desayuno.Un alimento, como pueda ser una galleta, es algo complejo y sus atributos de sabor, olor y textura dependen en última instancia de las interacciones moleculares de sus componentes a lo largo de todo su proceso de fabricación. Un grupo de investigadores liderados por Won bo Lee de UC Santa Barbara y del Centro de Investigaciones de Nestlé han investigado la física de la comida. Sus resultados pueden ayudar a la fabricación de alimentos más estables, nutritivos y más ricos en aromas y sabores.

Se han centrado en este caso en la interacción de los lípidos (grasas) con el agua, que son elementos vitales de la física de la estructura de los alimentos.Los alimentos, además de saber bien, deben de cumplir funciones nutricionales saludables específicas. Están hechos de una gran variedad de componentes como proteínas, vitaminas, carbohidratos, etc, que dificultan su optimización estructural. Se puede llegar a pensar que, inspirándose en este trabajo mecánico cuántico publicado en Physical Review Letters, se podría conseguir ensamblar todos estos componentes en una estructura optimizada estable. Aunque los aspectos nutricionales no están relacionados directamente con la estructura del alimento, si queremos que estos alimentos se liberen en el organismo de manera adecuada, la estructura de la comida es una parámetro importante.

En el trabajo de investigación los autores han creado un modelo termodinámico que describe las fases o estados observados en una disolución acuosa de lípidos. Varios factores son responsables de las fases en este tipo de sistemas, que incluye la competición entre puentes de hidrógeno, entropía de lípidos, efectos hidrofóbicos, etc.

La mecánica cuántica en la computación:

En la computación cuántica, a diferencia de la computación actual donde cada bit puede estar en un estado discreto y alternativo a la vez, la unidad fundamental de almacenamiento es el bit cuántico, donde cada bit cuántico puede tener múltiples estados simultáneamente en un instante determinado, así reduciendo el tiempo de ejecución de algunos algoritmos de miles de años a segundos.

La computación cuántica está basada en las interacciones del mundo atómico, y tiene elementos como el bit cuántico, las compuertas cuánticas, los estados confusos, la tele transportación cuántica, el paralelismo cuántico, y la criptografía cuántica. Una arquitectura cuántica, muy aceptada entre los investigadores y orientada a ser compatible con las actuales arquitecturas, cuenta con memoria y una unidad de procesamiento aritmético/lógico, y con elementos cuánticos como la tele transportadora de código y el planificador dinámico. Su avance teórico ha sido muy exitoso, aún así, su realización depende de la futura implementación de una computadora desarrollan los fundamentos y los elementos básicos que conforman la computación cuántica. También se presenta una arquitectura cuántica muy aceptada entre los investigadores que desde un principio han orientado sus investigaciones hacia lograr una arquitectura compatible con las actuales, de ahí que esta tiene muchas semejanza con las arquitecturas existentes, con elementos propios de la computación cuántica.

La comunidad científica dedicada a investigar tópicos en el ámbito de la computación cuántica, ha logrado enormes avances teóricos, al demostrar que es posible reducir drásticamente los recursos computacionales requeridos en la ejecución de algoritmos. Algunos de esos algoritmos requieren un inmenso poder de cómputo aún en las computadoras más avanzadas de la actualidad. Algunos algoritmos matemáticos como la búsqueda de los factores de números primos, algoritmos de manejo de información como la búsqueda en bases de datos no ordenadas; han sido teóricamente desarrollados con mucho éxito, utilizando los fundamentos de la computación cuántica.

La teoría de la computación cuántica esta basada en las interacciones del mundo atómico y en futuras implementaciones de las computadoras cuánticas. Estas aún están en los laboratorios de investigación pero ya se tienen resultados alentadores, como el desarrollo de la computadora cuántica de cinco qubits desarrollado por Steffen.

Hay que destacar que en 1980 surgieron los primeros conceptos de computacion cuántica, con avances que precisaron la idea en 1994, gracias al agoritmo-cuantico lógico desarrollado por Peter Shor. El siguiente paso a los ordenadores es una red que los comunique y los mientras nadie a logrado construir un ordenador cuantico, recientemente han logrado construir una puerta lógica cuántica en fibra óptica.

La mecánica cuántica en la internet:

Aunque en la actualidad el objetivo y proceso es claro, nadie ha podido diseñar un método práctico para construir un ordenador cuántico. Prem Kumar (profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Northwestern) ha dado un paso importante para hacer más práctica la computación cuántica y más tangible la idea de una futura Internet cuántica con una puerta lógica cuántica en una fibra óptica. ¿En qué se diferencian la Internet actual con una cuántica? Básicamente en que una red cuántica sería capaz de romper los límites de la comunicación por Internet. Hemos leído varias veces que la capacidad de la red de redes podría colapsar, que las velocidades enfrentarían cuellos de botella y que deberíamos olvidarnos del streaming de vídeos en el futuro. Una Internet cuántica podría solucionar todos estos problemas.

En Internet, la comunicación se lleva a cabo a través de pulsos de luz. La saturación de información y conexiones hace que esos pulsos se vuelvan cada vez más débiles, alcanzando un límite en lo que puede lograr. La mecánica cuántica describe que un fotón (unidad de luz indivisible) puede pasar por dos caminos diferentes a la vez. Con la ayuda de una memoria cuántica (detectar y almacenar la información en átomos), una Internet cuántica derribaría las limitaciones actuales de transferencias.

La computación cuántica es un paradigma que busca superar las limitaciones y velocidades de los ordenadores actuales. Mientras un ordenador común responde a leyes físicas clásicas, un ordenador cuántico opera con un fenómeno físico único de la mecánica cuántica que le permite procesar la información de una forma fundamentalmente nueva.

Los avances tecnológicos han permitido que los microchips cada vez sean más pequeños y que contengan más transistores para aumentar la velocidad de procesado. Sin embargo, este avance tiene un límite, pues existe un punto (escalas nanométricas) en que los electrones ya no pueden circular por los canales correctos y el chip deja de funcionar. Si existe un límite en el tamaño a manipular el único sentido en que se puede seguir es aumentar los valores de procesado en un mismo espacio.

Los ordenadores tradicionales trabajan a nivel de voltajes eléctricos. Un bit es una unidad de información representada como 0 ó 1 equivalente a si la corriente es verdadera o falsa. En la computación digital, un bit puede tomar sólo 2 valores, pero en la computación cuántica ese valor es exponencial. En un ordenador cuántico, trabajando a nivel de cuanto y acorde a las leyes de la mecánica cuántica, el qubit no es binario, sino que tiene más bien una naturaleza cuaternaria. Un qubit existe como cero, como uno y simultáneamente tanto como 0 y como 1, con un coeficiente numérico representando la probabilidad de cada estado. Esto se traduce a que un ordenador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador de 10 teraflops.

Así, el uso de qubits puede dar lugar a nuevas puertas lógicas dando origen a nuevos algoritmos, permitiendo la resolución de tareas que pueden resultar demasiado complejas para los ordenadores actuales. La computación cuántica promete resolución de problemas instantáneos y una seguridad de transmisión de datos virtualmente perfecta. Un ordenador súper capaz que se comunica con el resto a gran velocidad y sin comprometer la información.

El trabajo de Plem Kumar no sólo representa un avance en el desarrollo de una Internet cuántica, sino que también sienta una base en la implementación práctica de ordenadores cuánticos. Las puertas lógicas reciben información, desarrollan una operación lógica y producen un resultado. Una puerta lógica cuántica es un componente fundamental en un ordenador cuántico, y crearla en abre todo un espectro de posibilidades. La puerta podría ser parte del circuito que pase información de forma segura a través de cientos de kilómetros de fibra. Podría llevar a redes distribuidas, como es la comunicación cuántica a larga distancia entre dos ordenadores cuánticos. En resumen, una Internet cuántica. Tal como dice Seth Lloyd (profesor de ingeniería mecánica en el MIT), "una red tal tendría poderes que no tiene la Internet actual. Particularmente, la comunicación a través de una Internet cuántica sería automáticamente segura". Mayor velocidad, mayor capacidad, mayor seguridad. Una Internet perfecta.

La mecánica cuántica en la gravedad:

La gravedad cuántica es el campo de la física teórica que procura unificar la teoría cuántica de campos, que describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, con la relatividad general, la teoría de la cuarta fuerza fundamental: la gravedad. La meta es lograr establecer una base matemática unificada que describa el comportamiento de todas las fuerzas de las naturalezas, conocida como la Teoría del campo unificado.

Una teoría cuántica de la gravedad debe generalizar dos teorías de supuestos y formulación radicalmente diferentes:

La teoría cuántica de campos que es una teoría no determinista (determinismo científico) sobre campos de partículas asentados en el espacio-tiempo plano de la relatividad especial (métrica de Minkowski) que no es afectado en su geometría por el momento lineal de las partículas.

La teoría de la relatividad general que es una teoría determinista que modela la gravedad como curvatura dentro de un espacio-tiempo que cambia con el movimiento de la materia y densidades energéticas.

Las maneras más obvias de combinar mecánica cuántica y relatividad general, sin usar teorías de gauge, tales como tratar la gravedad como simplemente otro campo de partículas, conducen rápidamente a lo que se conoce como el problema de la renormalización. Esto está en contraste con la electrodinámica cuántica y las otras teorías de gauge que son en general renormalizables y donde el cálculo perturbativo mediante diagramas de Feynman pueden ser acomodados para dar lugar a resultados finitos, eliminando los infinitos divergentes asociados a ciertos diagramas vía renormalización.

La mecánica cuántica en la electrodinámica:

La electrodinámica cuántica (QED acrónimo de Quantum Electrodynamics) es la teoría cuántica del campo electromagnético. QED describe los fenómenos que implican las partículas eléctricamente cargadas que obran recíprocamente por medio de la fuerza electromagnética.

La electrodinámica cuántica es una descripción detallada de la interacción entre fotones y partículas cargadas de tipo fermiónico. La teoría cuántica comparte ciertos rasgos con la descripción clásica. De acuerdo con la descripción de la óptica clásica la luz viaja sobre todos los caminos permitidos, y su interferencia determina los frentes de onda que se propagan de acuerdo con el principio de Fermat. Similarmente, en la descripción cuántica de los fotones (y los fermiones), estos pasan por cada camino posible permitido por aberturas o sistemas ópticos. En ambos casos el observador detecta simplemente el resultado matemático de la superposición de todas las ondas consideradas a lo largo de integrales de línea. Una diferencia es que en la electrodinámica la velocidad efectiva de un fotón puede superar la velocidad de la luz en promedio.1

Además QED fue la primera teoría cuántica del campo en la cual las dificultades para construir una descripción completa de campos y de creación y aniquilación de partículas cuánticas, fueron resueltas satisfactoriamente.

La mecánica cuántica en la espuma cuántica:

La espuma cuántica, también referida como espuma espaciotemporal, es un concepto relacionado con la mecánica cuántica, concebido por John Wheeler en 1955. La espuma sería supuestamente la fundación del tejido del universo, pero también se utiliza el término como una descripción cualitativa de las turbulencias del espacio-tiempo subatómico, que tienen lugar a distancias extremadamente pequeñas, del orden de la longitud de Planck. En esta escala de tiempo y espacio, el principio de incertidumbre permite que las partículas y la energía existan brevemente, para aniquilarse posteriormente, sin violar las leyes de conservación de masa y energía. Puesto que la escala de espacio y tiempo se ve reducida, la energía de las partículas virtuales se ve incrementada, y puesto que la energía curva el espacio-tiempo, de acuerdo a la teoría de la relatividad general de Einstein, esto sugiere que a escalas suficientemente pequeñas, la energía de las fluctuaciones sería suficientemente elevada para causar salidas significativas de dicha energía desde el espacio-tiempo liso visto desde una escala mayor, lo que le daría al entramado espaciotemporal un carácter "espumoso". Sin embargo, sin una teoría completa de la gravedad cuántica, es imposible saber cómo se apreciaría el espacio-tiempo a estas escalas, ya que se piensa que las teorías existentes no podrían hacer predicciones muy precisas en este contexto.

La mecánica cuántica en las investigaciones del agua:

La ecuación de Schrödinger, uno de los fundamentos de la teoría de la mecánica cuántica, ha desvelado el funcionamiento de las moléculas del agua gracias al uso de un conjunto de ordenadores superpotentes. Formada por dos átomos de hidrógeno y por uno de oxígeno, se cree que el secreto de las propiedades de este líquido tan común como misterioso radica en la capacidad de sus moléculas para formar determinados enlaces entre los átomos de hidrógeno. El desarrollo de este nuevo modelo informático podría tener múltiples aplicaciones, y quizá resuelva determinadas cuestiones como la razón por la que el agua, en estado sólido (hielo), no se hunde dentro de sí misma.

Esencial para todas las formas de vida, y objetivo eterno de estudio, el agua es una sustancia con algunos misterios que aún no han podido ser revelados, al menos desde la física clásica.

El acercamiento a este extraño elemento constitutivo, sin embargo, desde la perspectiva de la física cuántica (desde la ecuación de Schrödinger para ser más exactos), y gracias al uso de un conjunto de ordenadores superpotentes, ha revelado la estructura subyacente del conjunto de moléculas aparentemente sencillas del agua, que están formadas "tan sólo" por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

El logro lo ha alcanzado un equipo de científicos de la universidad norteamericana de Delaware y de la Radboud University de Holanda, que han desarrollado un nuevo método para desvelar las propiedades ocultas del agua, y sin necesidad de concienzudos experimentos de laboratorio: simplemente, informática.

Principios fundamentales

Y es que, en teoría, toda la química y la física de la materia a escala macroscópica podría ser descrita íntegramente por una enorme ecuación de Schrödinger aplicable a más de 10 elevado a 23 átomos de una unidad de materia.

Utilizar esta ecuación y aplicarla de manera eficaz es actualmente posible gracias al uso de ordenadores con una capacidad de cálculo superpotente, que permitirían comprender algunas de las enigmáticas propiedades del agua. Este tipo de herramienta informática de análisis ya se ha aplicado en otros campos, como la meteorología y la mecánica celeste.

Los resultados de la investigación han sido publicados por la revista Science y han sido explicados en un comunicado de la universidad de Delaware. La investigación ha estado liderada por el profesor de física y astronomía de dicha universidad, Krzysztof Szalewicz, que ha colaborado con Robert Bukowski, de la Cornell University, y Gerrit Groenenboom y Ad van der Avoird, del Institute for Molecules and Materials de la Redbud University.

Conclusión

La Mecánica Cuántica no sólo nos permitió la comprensión de los átomos, sino que también introdujo un nuevo universo de conceptos e ideas, muchos de los cuales a primera vista eran descabellados. Sin embargo todas las predicciones de la Mecánica Cuántica han sido confirmadas, incluso aquellas que parecían en total contradicción con el sentido común. No solamente amplió nuestra visión intelectual o filosófica de la realidad. También permitió el desarrollo tecnológico en el cual nos encontramos inmersos en estos días. Así fue posible realizar estudios microscópicos de los materiales con una nueva disciplina, la que se llamó Física del Estado Sólido o Física del Sólido.

La Física del Sólido es la base del desarrollo tecnológico del siglo XX. Por ejemplo, es prácticamente imposible imaginarse las telecomunicaciones modernas sin dispositivos cuyas bases no se encuentren en la Mecánica Cuántica. Un teléfono portátil, por ejemplo, tendría el tamaño de una casa, difícilmente posible de llevárselo al oído. Sin la Mecánica Cuántica habrían muy limitadas comunicaciones internacionales, significaría habernos quedado con el telégrafo de los símbolos de Morse y no existiría la Internet, el correo electrónico, el contacto con bibliotecas internacionales, etc. El mundo actual sería mucho más primitivo y atrasado.

Por otra parte hizo posible el avance de la medicina, con la infinidad de instrumentos nuevos que permiten diagnósticos y tratamientos mucho más simples y precisos. Baste mencionar aquí el láser, el scanner, los equipos de resonancia magnética nuclear, los rayos X, etc. todos los cuales no existirían sin este conocimiento básico.

Por otra parte la Mecánica Cuántica es la teoría mejor comprobada experimentalmente enla historia de la Ciencia: no da razones últimas de por qué la Naturaleza es como parece ser, o de si podría ser de otra forma, pero reproduce correctamente los comportamientos observados. Aunque algunas de sus características desafíen al sentido común, no contiene contradicciones, es compatible con todos los resultados experimentales conocidos, y ha permitido numerosas predicciones sobre nuevos fenómenos que hasta ahora siempre se han confirmado. Ello no la convierte en un dogma indiscutible, pero tampoco es una mera construcción social o un simple consenso entre quienes se dedican a ella, como mantienen los sociologos postmodernos y deconstructivistas respecto a las ciencias de la naturaleza en general, negando su caracter objetivo. pregunta "¿onda o partícula?", la respuesta ortodoxa es "a veces onda y a veces partícula", mientras que en la teoría de de Broglie-Bohm es onda y partícula en todo momento.

Las leyes físicas no son simples convenciones sociales entre los físicos en un momentohistórico dado, sin más elementos objetivos que los que se dan en similares consensos en las humanidades, el Arte o la Política, donde los criterios cambian y lo mayoritariamente.

La Mecánica Cuántica tampoco es un sistema puramente matemático depostulados y teoremas sometidos sólo a su consistencia lógica interna: es unateoría de la Naturaleza experimentalmente falsable. En cualquier momentopuede aparecer nueva evidencia experimental que obligue a rechazarla o almenos modificarla. En concreto, sigue habiendo dificultades paracompatibilizarla con la Relatividad General, y existen indicios de que adistancias del orden de la llamada longitud de Planck, 1.6 ×10 -35m, mucho más pequeñas que las alcanzadas hasta el presente, la estructura del espacio tiempo puede ser muy distinta de la considerada hasta ahora, exigiendo un nivel más profundo de cuantificación (del propio espacio-tiempo e incluso de su topología). Aunque éste sea el final de esta contribución, ciertamente no hemos llegadoal Fin de la Historia de la Mecánica Cuántica.

 

 

 

 

Autor:

Oswel Albarran


Partes: 1, 2, 3


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