Tres realidades que atentan contra el sentido común; Spín de electrón, efecto túnel y las dos ranuras

Tres realidades que atentan contra el sentido común

Habíamos mencionado que implícito en el desarrollo de la  física se encuentra la búsqueda de la composición última de la materia. Siempre que alguien intenta una búsqueda y sobre todo en el mundo científico, existe una cierta suposición de la respuesta a las preguntas, esto es existen hipótesis, como también modelos semejantes a los que el que investiga está familiarizado. En la pregunta anterior acerca de los bloques básicos a partir de los cuales está construida la materia, existía la idea de que estos podrían asemejarse a pequeños ladrillos. Pues bien una de las más importantes lecciones propinadas por la física cuántica es que justamente este no es el caso, es decir, los ladrillos o bloques básicos no tienen las características que nuestro sentido común nos dice que deberíamos encontrar. Esto nos deja una lección: la que nos dice que las respuestas a ciertas preguntas que tienen que ver con el desarrollo de la física cuántica, implican conceptos que no somos capaces de visualizar directamente. Veamos para ello tres casos ilustrativos que muestran realidades que atentan contra nuestro sentido común:

El spin del electrón. 

El spin de las partículas.

Lo primero que se tiende a pensar sobre las partículas subatómicas como el electrón es que se asemejan a pequeños planetas que recorren órbitas en el espacio. Esta analogía es parcialmente correcta, los físicos consideran válido decir que las partículas rotan en torno de un eje tal como la tierra rota sobre su eje mientras gira alrededor del sol. A esta rotación similar a la de la tierra, alrededor de su eje, es a lo que se denomina el spin de la partícula. Sin embargo esta rotación sobre su eje o spin es peculiarmente distinta a la que tiene lugar en los casos macro como la tierra y los planetas. Cada partícula subatómica tiene una forma diferente de rotación o un spin propio, que para diferenciarse se les da un número al que se denomina el spin de dicha partícula. Así el spin de un fotón toma un valor igual a 1, mientras que el de un electrón es ½  mientras que otras partículas tienen un valor 0 para su spin. ¿Cuál es el significado de estos números? De acuerdo al físico Paul Davies, cuando uno hace girar un globo terráqueo hasta dar una vuelta completa, lo debe hacer en un ángulo de 360º. Bueno con el electrón no ocurre lo mismo, si se lo gira 360º, solo ha recorrido la mitad de su camino (por eso el spin=1/2), o sea para dar la vuelta completa debe girar 720º. Esto que contradice la comprensión que nuestro sentido común nos ofrece de los objetos y la realidad, según Davies sugiere, se debe a que tal vez en el nivel subatómico la realidad posea una dimensión adicional que para ser abarcada exige una rotación completa de 720º. Los efectos de esta dimensión adicional se hacen sentir solo en el plano de lo ultra pequeño, el micro mundo cuántico y por lo tanto, a diferencia del electrón, los seres humanos y los otros objetos de gran tamaño, han perdido la facultad de distinguir entre estos dos ángulos de rotación. Cualquiera sea la explicación, lo cierto es que esta extra- dimensionalidad del electrón tiene sus efectos en nuestro mundo. Así el campo magnético producido por un electrón al consumar el spin (recordemos que una carga cuya velocidad varía en el tiempo produce un campo magnético. La velocidad del electrón en su spin varía al ser un movimiento circular), tiene exactamente el doble del valor que se le podría calcular si fuera producido por la rotación de una esfera cargada eléctricamente con la misma carga de un electrón. Fuente

El efecto túnel. 

Este se trata de la capacidad que tienen las partículas subatómicas como los electrones para pasar, en ciertas circunstancias, a través de barreras aparentemente impenetrables. Imaginemos que estamos en una pista de skateboard, esas que son abovedadas, donde los skaters se deslizan desde un lado hacia el otro alcanzando según sea la velocidad que llevan, la parte superior de la pista. Supongamos que colocamos dos de esas pistas unidas por la parte superior, de forma tal que se asemeja a dos U pegadas. Si nos colocamos en el fondo, debajo de todo de la pista, y hacemos rodar una bola pesada como una bala de cañón o una bocha de crocket hacia arriba, nuestro sentido común nos indica que debemos darle una determinada fuerza para que alcance la parte superior, y caiga rodando por la otra pista que está pegada, de lo contrario volverá siempre por el mismo camino que subió. Ahora imaginemos que estamos en este proceso y que cuando la bola llega a la mitad de la pista, desaparece y cae por la otra pista contigua. Esto que está en contra de nuestro sentido común es exactamente lo que ocurre en el mundo de las partículas subatómicas y que se denomina efecto túnel. ¿Cómo es que se logra, este experimento? En vez de la bala de cañón lo que tenemos es un electrón, y en vez de la doble pista, tenemos una barrera de energía que para el electrón es un obstáculo efectivo. Si la barrera de energía es lo suficientemente fuerte, un electrón disparado a ella se limitará a rebotar. Sin embargo, a diferencia de una bala de cañón, un electrón parece saber de antemano las limitaciones que supone el obstáculo al cual se acerca y antes de llegar a la misma desaparece para volver a materializarse del otro lado de la barrera, es como si se abriera un túnel en la barrera energética. Este efecto tiene consecuencias mensurables en el plano de la vida diaria, por ejemplo puede ser utilizado para amplificar ciertas señales electrónicas. También es causante de la radioactividad nuclear. Aquí, el núcleo actúa como barrera que aprisiona a las partículas en su interior, pero que estas logran superar mediante el efecto túnel produciendo así el fenómeno de la radioactividad nuclear. La denominada fusión nuclear que se produce en los núcleos de los átomos de hidrógeno generando la energía en el interior del sol es explicada a través del efecto túnel. Fuente

El principio de incertidumbre y la dualidad onda-partícula de la luz: el experimento de las dos ranuras. 

 Ya vimos como el spin de las partículas y el comportamiento denominado efecto túnel, disipan la noción de que las partículas subatómicas son objetos comunes en el sentido que los entendemos en nuestra vida diaria. Veremos aquí nuevas pruebas al respecto. 

Las partículas subatómicas, poseen una naturaleza similar a la de las ondas, lo cual significa que no es posible a veces hablar de ellas como si existieran en alguna localización única y precisa. Este hecho fue expuesto por Heisenberg, uno de los fundadores de la teoría cuántica, en su famoso principio de incertidumbre. Este principio se ve mas claramente cuando se refiere específicamente a la idea de la trayectoria, es decir la combinación de la posición y la velocidad. Heisenberg señaló que mediante un procedimiento experimental se puede determinar la velocidad o el momento (en su acepción física) de la partícula, y mediante otro procedimiento, la posición; pero nunca simultáneamente ambas mediciones. Como consecuencia de este principio, podemos saber por ejemplo que en cierto instante un electrón partió de una fuente, y podemos también saber que muy poco después incide en una placa fotográfica dejando una marca. Pero lo que nunca podemos saber es como llegó desde la fuente a la placa, por eso carece de sentido decir que la partícula siguió una trayectoria o recorrido hecho de puntos continuamente conectados entre sí en el espacio. El principio de incertidumbre no significa que no podamos medir la posición y la velocidad por no contar con instrumentos de una precisión adecuada, es decir no significa una incapacidad de medición externa; sino que es una cualidad intrínseca del mundo subatómico. Un electrón no tiene una posición y una velocidad definida y precisa en el mismo momento. Si el electrón fuera consciente, no podría conocer en cada instante y simultáneamente donde está y hacia donde se dirige. Matemáticamente esto se expresa como  Dx.Dp>h/2p; lo que significa que el error en la medición de la posición “x” multiplicado por el error en la medición del momento “p” siempre deberá ser mayor a una constante “h/2p”, es decir que por mas que minimicemos uno de los errores, es decir seamos más precisos en dicha medición, necesariamente aumentaremos el error en la otra medición para mantener el valor del producto limitado a la inecuación anterior. El hecho de que una partícula parezca poseer cierto grado de incertidumbre acerca del lugar donde se encuentra es solo parte del problema. La partícula parecería estar insegura de qué es ella misma (una crisis de identidad diría yo en el plano psicológico, salvo que las partículas no tienen psicología ¿o si?), porque en ciertas ocasiones presenta las características de una partícula y en otras las características de una onda. Cómo explica la física cuántica esa aparente paradoja nos lleva a un debate  que ha durado los últimos 300 años comenzando con Newton y terminando en París con el experimento de Alain Aspect, algo del mismo vimos en el punto anterior. Agreguemos ahora algo más. En 1690 Huygens propuso que la luz se transmite en ondas esféricas que se propagan a partir de una fuente luminosa. Newton rechazó la teoría ondulatoria y en 1704 propuso que la luz estaba compuesta por partículas diminutas. Un siglo después otro físico, Thomas Young, inclinó la balanza a favor de Huygens probando que la luz poseía ciertas propiedades que sólo era posible asociar con una onda. Esto era así debido a que la luz en un famoso experimento conocido como el experimento de las dos ranuras, producía interferencia, y para los físicos, cuando dos fenómenos interfieren entre sí se dice que se propagan en el espacio como una onda. ¿Cómo fue esto?, Young colocó una pequeña fuente luminosa que proyectaba su luz a través de dos delgadas ranuras practicadas en un trozo de material opaco. Esta luz luego de pasar por las ranuras, se proyectaba en una pantalla. Young comprobó que en lugar de haber dos franjas de luz en la pantalla, como debería ocurrir si la luz fueran partículas que viajan en línea recta, había una serie de franjas brillantes y oscuras de diferentes intensidades. Su conclusión fue que este era un patrón de interferencia que solo se explica por el supuesto de que la luz que pasa por las ranuras tiene características ondulatorias. Esta versión se aceptó y duró otros cien años, hasta que aparecieron dos fenómenos que no se podían explicar con los conceptos de la física clásica, el primero consistió en el problema de la radiación del cuerpo negro, fenómeno estudiado por Planck, mientras que el segundo era el llamado efecto fotoeléctrico, fenómeno estudiado por Einstein, donde este propone nuevamente el concepto de la luz como compuesta  por partículas. Mas delante otro físico, Louis de Broglie planteó el enigma siguiente: si así como las ondas podían comportarse como partículas (la luz), ¿podría ser que las partículas (los electrones) se comportaran como ondas?. Hizo un bosquejo matemático de este fenómeno que más tarde fue comprobado experimentalmente. Se comprobó entonces que el universo estaba compuesto por entidades cuánticas que a veces podían comportarse como ondas y a veces como partículas. Esto era realmente asombroso al menos para los físicos. Uno de ellos, Heisenberg, solía preguntarse después de discutir largamente con Bohr: 

  

“¿Puede la naturaleza ser tan absurda como nos parece en estos experimentos atómicos?”. 

  

Para resolver la aparente paradoja de la dualidad onda / partícula del universo, algunos físicos (nótese el ingenio y la audacia para proponer algo tirado de los pelos) sugirieron que tal vez no deba pensarse que la materia está formada por ondas de materia, sino más exactamente, como ondas de probabilidad (ver el capítulo de ondas). Esto de las ondas cuánticas como ondas de probabilidad es realmente un concepto tortuoso y que el entendimiento a mi entender sólo lo acepta por acostumbramiento cuando ha escuchado y leído mucho al respecto. Este concepto significa que lo que pasa a través de las ranuras en el experimento de las dos ranuras es una onda de probabilidades. La ecuación que describe como una onda cuántica se mueve- la ecuación de Schrödinger- no describe una onda material, sino que lo que realmente describe matemáticamente es la probabilidad de encontrar el fotón o el electrón (la entidad cuántica) en un lugar definido. Sobre este cuadro pintado a partir de los estudios del físico Max Born, cualquiera de estas entidades cuánticas mientras no sean observadas, literalmente no existen con la forma o identidad de una partícula. Hay una cierta probabilidad de encontrarla aquí u otra probabilidad de encontrarla mas allá, y en principio podría estar en cualquier parte del universo, por supuesto con diferente probabilidad de que esto así ocurra. Algunas ubicaciones son mucho más probables que otras de allí como veremos que cuando marcan la placa fotográfica, existirán líneas de mayor impacto, lo que indica mayor probabilidad y otras de menor impacto o probabilidad. Esta característica permite explicarnos el efecto túnel; una “partícula” parece pasar a través de una barrera de potencial simplemente porqué su función de onda le asigna una cierta probabilidad de que exista del otro lado de dicha barrera, por eso se da esa percepción de que la “partícula” se desvanece desde el lado de la barrera donde fue lanzada y aparece del otro lado de la barrera “como si” hubiera un túnel en la misma. 

Esto que llegó a ser una de las interpretaciones más aceptables de la física cuántica, trajo consigo consecuencias perturbadoras para nuestra comprensión de la realidad. 

Por ejemplo, en el experimento de la doble ranura, las bandas de interferencia producidas por los fotones al pasar por las ranuras revelan claramente la naturaleza ondulatoria de la luz. Sin embargo, si la pantalla opaca contra la cual se proyectan los haces de luz, es sustituida por una placa fotográfica, cada fotón que incide en ella deja sólo un punto donde hizo impacto, lo cual revela que el fotón posee una índole que lo asemeja a una partícula. ¿Qué pasaría si pudiéramos dejar pasar de a un fotón por vez?. Bien esto se logró y cada fotón dejaba una marca en la placa fotográfica mostrando su identidad como partículas, pero a medida que van pasando mas y mas fotones las marcas de los impactos en la placa fotográfica, dibujan el patrón de interferencia de las ondas, es decir cada fotón que se dirige hacia la doble ranura elige un camino diferente. Si de repente se tapa una ranura, entonces el patrón de interferencia deja de producirse. ¿Cómo sabe éste o aquél fotón cuando la segunda ranura está descubierta y cuando no? Si cada fotón pasa por una sola ranura, ¿cómo conoce la situación en que se encuentra la otra ranura y por lo tanto el tipo de figura que debe construirse en la placa fotográfica? La respuesta que da la física cuántica es asombrosa, profunda y rara diría yo. Dice que cada fotón, de alguna manera, pasa por ambas ranuras al mismo tiempo y en consecuencia es portador de alguna suerte de conocimiento de la situación en que están ambas ranuras en el momento en que incide en la placa fotográfica. Es decir cuando el fotón está en tránsito no existe como un único objeto. Durante esa fase parece capaz de manifestarse como varias contrafiguras probabilísticas de sí mismo y explora todos los senderos que se le abren simultáneamente y que le están permitidos. Sólo al llegar a la placa vuelve a su estado de partícula solitaria. Este experimento resulta similar con electrones y otras entidades cuánticas que tienen la facultad de existir simultáneamente en varios estados probables distintos. Esta es la razón por la cual los físicos hablan de las fases ondulatorias de esas partículas no como ondas materiales sino como ondas cuánticas de probabilidad. Esta capacidad de las partículas subatómicas para existir en mas de un lugar al mismo tiempo plantea algunas cuestiones profundas. Una  involucra una controversia respecto del observador, ¿cuál es  el rol que desempeña el observador humano en todo esto? En virtud del principio de incertidumbre por el cual no tiene sentido hablar de la trayectoria de una partícula en el espacio, y la capacidad de la misma de estar en mas de un sitio al mismo tiempo, parece carente de sentido pensar que dicha partícula sea algo real si no existe un observador humano.  Antes de que el fotón del experimento haya dejado su marca en la placa fotográfica (cuando hacemos la observación), lo mas que podemos decir de él, es que se asemeja a un fantasma y parece existir al mismo tiempo en todos sus trayectos posibles. Otra pregunta es la siguiente: si los bloques de construcción subatómicos de los objetos materiales no poseen las características de los objetos materiales, ¿qué grado de realidad tiene el mundo en qué vivimos?, ¿Mediante qué extraños procedimientos permite la naturaleza que la aparente solidez del mundo se desintegre en la fantasmal y esquizofrénica multiplicidad de probabilidades que constituyen el mundo subatómico? 

Este experimento de la doble ranura que permitió deducir la doble identidad de determinadas entidades cuánticas, no solo fue realizado con fotones, sino también con electrones y más tarde con átomos que hasta ahora siempre fueron reconocidos en su acepción como partículas fundamentales a partir de las cuales todo nuestro mundo real está construido. Ahora bien si estas se comportan como ondas-partículas, ¿dónde se encuentra la línea divisoria entre el mundo de la física cuántica y el mundo de la física clásica?, ¿Dónde los objetos pierden su condición de ondas para comportarse como nuestro sentido común nos indica como partículas? . Fuente

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