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La
ciencia que explora el mundo atómico y subatómico, ha
puesto de manifiesto la limitación de las ideas
clásicas, motivando un cambio de percepción radical
debido a nuestros antiguos conceptos básicos de física
tales como: materia, tiempo, espacio, luz, movimiento, solidez,
causa, efecto....
El
propósito humano por descubrir la naturaleza de lo esencial,
la constitución real de las cosas, ha llevado a los
físicos modernos, ya en el siglo XX, a percibir la naturaleza
no como separada entre si, no como individualidad. Nuestro planeta,
sus muy diversas manifestaciones de vida, el sistema solar y el
universo o los universos, son un sistema de componentes inseparables
e interrelacionados en una constante intrínsecamente
dinámica de perenne movimiento.
Aún
el método científico, conocimiento meramente racional,
experimental, en donde la abstracción es el rasgo crucial para
clasificar y comparar la inmensa variedad de formas, estructuras y
fenómenos que nos rodean, se ve en la necesidad de construir
nuevos mapas intelectuales del estudio y comprensión de la
realidad, apartándose ya del conocimiento lineal y secuencial,
típico de nuestro modo mas antiguo de pensar y expresarnos.
Así, con la expansión de nuestra visión que la
física cuántica nos devela en la representación
de la naturaleza antes limitada por nuestros sentidos, de tal forma
que confundíamos la apariencia con la realidad misma, y tal
como acertadamente lo dijo Alfred Korzybsk "El mapa no es el
territorio" no pretendemos en este limitado espacio mas que
ofrecer una panorámica de esta fascinante ciencia. Esta
física, la cuántica describe de que está hecha
la materia y como se comporta a la escala del átomo. El
estudio científico se hace por medio de teorías y
experimentos. Las teorías científicas describen y
codifican las observaciones por medio de modelos matemáticos
que permiten efectuar predicciones definidas que pueden comprobarse..
Dada la limitación de nuestra naturaleza, usan los
experimentadores instrumentos de medición como extensiones de
nuestros sentidos.
Einstein
es reconocido por iniciar en 1905 las dos grandes revoluciones
conceptuales del siglo XX:
Nuestra
concepción del espacio-tiempo y la comprensiónde la
propia realidad. Einstein destrona el reposo absoluto y el tiempo
universal que los relojes miden. Cada observador tiene su propio
tiempo debido a que el movimiento es relativo, tema que
constituyó la base para la teoría de la relatividad.
La
masa y la Energía son equivalentes de acuerdo con la muy
conocida fórmula E=MC2 Se estableció la equivalencia
entre aceleración y gravedad, pero en relación al
espacio-tiempo de geometría curva en vez de plana como
anteriormente se creía. La masa y la Energía deforman
el espacio-tiempo.
El
espacio-tiempo pasó de ser una escenografía pasiva,
participante activo en la dinámica del universo.
Estos
conceptos también cambiaron el sentido del origen y el
destino del universo, ya que ahora sabemos que hubo una enorme
densidad contenida en el primer átomo llamado
"átomo primordial", a partir del cual se dio la
"Gran Explosión" que dio origen al Universo, el cual
está en expansión.
Se
consideran 15 mil millones de años desde su inicio,
acontecimiento denominado "El Big Bang". Con esto se
implica que el universo tuvo un comienzo lo cual a Einstein no le
gustó nada la idea y ún hoy causa divisiones
entre los físicos. Dicha expansión y el tiempo se acaba
en las estrellas que pierden su vida cuando les falta el
suficiente calor nuclear y se colapsan en si mismas hasta convertirse
en agujeros negros, en donde aún la luz es absorbida y el
tiempo deja de transcurrir.
Poco
mas de dos siglos antes de estos descubrimientos, Newton habiendo
pasado un rayo de luz a través de un prisma de vidrio,
veía como se reflejaba una banda de colores como el arco iris,
a la que llamó "el espectro", encontrando que la luz
solar era la mezcla de todos los colores: rojo, amarillo, verde, azul
y violeta con sus intermedios. William Heschel para inicios del
año 1800 con ayuda de un termómetro encontró que
el rojo era el color de mas temperatura y el violeta de menor efecto
de calor. Además descubrió que al lado del rojo un
color invisible detectaba aún mayor temperatura. A este le
denominó infrarrojo. Al año siguiente Wilhelm Ritter
descubrió en el lado opuesto, mas allá del violeta el
ultravioleta, el de menor calor. El color rojo es de menor frecuencia
vibratoria y el violeta es de mayor frecuencia. En este tiempo se
sabía que la luz era un fenómeno ondulatorio de campos
eléctricos y magnéticos cuyas longitudes de onda
(frecuencia) determinan el color. Fraunhofer en 1814 realizó
un experimento que permitía apreciar el espectro de la luz
solar, pero en vez de ver a través de un orificio, lo hizo por
una rendija en un telescopio y descubrió una gran cantidad de
rayas oscuras espaciadas irregularmente apreciando una gran
gráfica en la que los colores se distribuyen en relación
a su frecuencia. Esta escala, mas tarde en 1859 Robert Kirchhoff
relacionó aquella escala con los elementos químicos,
encontrando colores específicos para cada uno. Esto
permitió que la ciencia examinara la constitución de la
materia en el espacio de todo aquello que emitiera luz, identificando
el helio en el sol ya en 1878.
Siguieron
identificando los elementos ahora en otras estrellas descubriendo
que el sol y las estrellas están hechas de la misma
materia que incluso la Tierra. De hecho todo en el espacio es de
material que contiene la Tierra. Somos puro material de estrellas.
Por lo visto la luz es parte de la naturaleza que tiene mucho que
decirnos. De hecho Einstein jugaría mas tarde a imaginarse que
pasaría si viajara a la velocidad de la luz, lo cual le dio
reflexiones importantísimas. Los reflejos de las ondas que
proyecta una fuente de luz como el sol, vibra en nuestros ojos y
así podemos apreciar el mundo que nos rodea. Pero lo que vemos
no es inmediato, ya que la luz tarda en llegarnos según la
distancia. Un vehículo a gran velocidad que se cruza ante
nuestros ojos, lo vemos un poquito mas atrás de donde
realmente está. La luz solar tarda 8 minutos en alcanzarnos,
por lo que, en realidad vemos todo en tiempo pasado relativamente a
la distancia y al movimiento. Cuando miramos una estrella como Sirio,
la vemos en su pasado de hace 8.5 millones de años luz y un
Quasar lo vemos en su pasado hace miles de millones de años.
Esto quiere decir que vivimos en un presente a la vez que en el
pasado con respecto a los acontecimientos diversos y relativos en el
universo. Además, conforme a la relatividad general, la
dimensión tiempo se combina con la dimensión espacial
tridimensional para formar la cuarta dimensión de lo que
llamamos espacio-tiempo. Unos 35 años antes de la Teoría
de la Relatividad General de Einstei, Johann W. Hittorf
experimentaba con electricidad, viendo en un tubo de vacío de
vidrio, como los gases conducen la electricidad. Descubrió un
tipo de ondas electromagnéticas como la luz a los que
denominaron rayos catódicos. Sin embargo, los físicos
británicos en el mismo experimento interpretaban como
partículas lo que Hittorf identificaba como ondas. En 1897
Joseph J. Thomson descubrió que los rayos catódicos
tienen carga eléctrica negativa y estas partículas tan
pequeñitas, eran comparables en masa con el átomo mas
pequeño y ligero, el del hidrógeno, pero estas se
encontraban en toda la materia. Se les denominó
"Electrones" por sus propiedades eléctricas
Así,
de esta manera, por primera vez, se conoció que el
átomo no era sólido como el corpúsculo mas
elemental antes conocido. Ahora bien, puesto que los átomos
por lo general tienen carga eléctrica igual a cero,
además de electrones debían de contener otras
partículas de carga positiva para que se contrarrestaran entre
si. Para principios del siglo XX, el físico japonés
Hantaro Nagaoka propuso que el átomo era como un sistema solar
en miniatura con la carga positiva concentrada en el centro y la
negativa (los electrones) girando en órbitas alrededor.
Ahora
si, la otra gran revolución conceptual de comienzos del siglo
XX, es el primer gran paso a la teoría cuántica, cuando
Max Planck se dio cuenta de que la energía se intercambia a saltos.
Descubrió
que la radiación de un cuerpo al rojo era explicable si la
luz solo puede ser emitida o absorbida en paquetes llamados Quanta.
En física clásica se creía que la energía eracontinua.
Este
momento histórico marcó la ruptura con la física
clásica y dio nacimiento a la física cuántica.
Planck
dijo.....empecé a ver con claridad y una visión
inesperada se perfiló en la lejanía..... La
distribución espectral de la radiación térmica
es a saltos de energía, en paquetes, no deslizándose,
sino como a intervalos en una escalera en que para subir o bajar se
hace peldaño tras peldaño, sin partes intermedias.
Es
semejante a las imágenes digitales que aumentadas muchas
veces nos damos cuenta que en realidad se componen de una gran
cantidad de cuadritos diminutos de unos cuantos colores
básicos, que a la distancia se entremezclan y se matizan, se
suavizan dando lugar a la impresión de las imágenes que
percibimos conjuntamente. Así también los átomos
hacen relación a la materia y los cuantos a la energía.
Esto es casi insólito puesto que sobre la radiación se
tenía muy claro que eran ondas electromagnéticas, pero
curiosamente se sabía también que al interactuar la
radiación con la materia se comportaba como partículas
de energía. En 1900, Philipp Lenard, había dicho que
las partículas que emiten ciertos metales al incidir sobre
ellos luz, estas partículas eran ni mas ni menos que los
electrones descubiertos por J.J. Thomson. Encontró Lenard otro
absurdo de que a mayor energía aplicando mayor intensidad de
luz los fotoelectrones no cambiaban su velocidad ni se disparaban con
mayor energía. En cambio, al disminuir la energía
(menor intensidad) pero aumentando la frecuencia de la onda de luz,
los electrones salían disparados con mayor energía.
Einstein en 1905 aprovechó este descubrimiento y
desempolvó la hipótesis cuántica de Planck por
medio de las cuales explicó el fenómeno
fotoeléctrico, demostrando que la luz estaba hecha de
partículas y por esto a mayor frecuencia, mas partículas
de luz incidiendo en el metal arrancándole mas electrones y a
mayor velocidad. En otras palabras, al aumentar la frecuencia de luz
aumenta la cantidad de cuantos mas no su energía, permitiendo
que se desprendieran mas electrones con la misma energía..
Para Niels Bohr en 1912 ya señalaba lo inadecuada que
resultaba la física clásica para estudiar los
fenómenos atómicos. Sabía que los electrones no
podían girar como planetas alrededor de un núcleo ya
que las leyes de la electrodinámica le indicaban que al
acelerarse emiten radiación y luz electromagnética y
esta pérdida de energía atraería al
electrón al núcleo. Bohr fue relacionando poco a poco
la energía, la frecuencia y la constante de Planck para
convertir el modelo de Rutherfor como un átomo cuántico.
Descubre
que un electrón que cambia de órbita, emite o absorbe
cuantos de luz.
Sin
embargo, para schrodinger, un físico vienes que trabajaba en
Zuiza no estaba de cuerdo con los "saltos cuánticos"
del modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones
tenían un comportamiento extraño pues al pasar de una a
otra órbita, lo hacían instantáneamente, sin
cruzar el espacio y además es como si decidieran a donde era
necesario saltar. Así, la teoría cuántica
empieza a desarrollarse en una serie de proposiciones extraordinarias
que no corresponden con la naturaleza a nuestra escala humana. Por
ejemplo, no había manera de calcular en que momento un
electrón "decidía" cambiar de órbita,
solo se daban probabilidades, lo que estaba dando por entendido que
en el nivel mas fundamental, las cosas suceden, sin causa alguna aparente.
Se
descubría que el vacío no es tal, puesto que contiene
una enorme cantidad de partículas de materia y antimateria que
tan pronto aparecen, así desaparecen. Un positrón, tan
pronto aparece en el vacío, absorbe la energía de un
fotón (de luz) y desaparece en seguida, pero en forma de onda.
En
fin, Schrodinger, que seguía en desacuerdo con los
"saltos cuánticos" de Bohr, estaba tratando de
explicarse esto en términos ondulatorios, tratando de expresar
que el mundo material está hecho de ondas y solo ondas. Por su
lado, otro físico, Max Born introducía la
interpretación probabilística que sustentan las ideas
de indeterminación y acausalidad del mundo de la
cuántica. Los electrones, desde este punto de vista estaban en
probabilidad de encontrarse en todas las posiciones posibles. Para
mayor perplejidad entre los físicos de aquella época,
Bohr estaba concluyendo su concepto de "complementariedad"
por el cual entendemos que en el mundo cuántico no es que todo
sea onda y partícula, sino que esto es consecuencia del
observador, quien determina la naturaleza del objeto observado, ahora
partícula, ahora onda. Esto quiere decir que el observador
afecta los fenómenos. Todas estas teorías motivaron a
otro científico, el alemán Werner Heisenberg quien
afirmó que era imposible en el mundo cuántico a
diferencia de la naturaleza que apreciamos a simple vista, comprobar
la posición y el movimiento de partículas como son los
electrones. Todos conocemos que, para ver un objeto a simple vista se
necesita de una fuente de luz que incida sobre el objeto y por rebote
de la luz, nos llega a los ojos la imagen del mismo. Esto quiere
decir que para localizar y visualizar un electrón debemos
enviarle una partícula de luz, el fotón, y esperar la
señal en nuestra retina por rebote.
Sin
embargo, a nivel subatómico, al impactar el fotón al
electrón, le transmite su energía cambiando al instante
su posición y dirección., por lo que no podemos ver,
medir su velocidad ni localizar al electrón. Este es el
importante principio de Incertidumbre de Heisenberg.
A
nuestra escala podemos predecir velocidades y posiciones de los
objetos tales como carros, pelotas, planetas, cometas, etc., pero a
nivel subatómico entre mas preciso la posición
desconozco mas la velocidad y viceversa, por lo que las
partículas no tienen posición, velocidad y trayectoria
determinadas. La mecánica cuántica es imponente, sin
duda, decía Einstein, pero...Dios no juega a los dados....
encuentro intolerable que un electrón sometido a la
radiación decida por su propia voluntad, no solo en que
momento saltar sino también en que dirección...... Toda
esta controversia de física y filosofía culminó
en el encuentro que se conoce como "Interpretación de
Copenhague" de la mecánica cuántica.
Aún
cuando Einstein consideró la mecánica cuántica
como una teoría consistente, le refutaba a Bohr que no era una
teoría completa. Por ese tiempo otro experimento se sumó
aún mas a los misterios de la cuántica. Este fue el
experimento de las dos rendijas de Richard Feynman.
Colocó
una pared con dos agujeros entre una fuente de electrones y una
pantalla detectora.
Si
enviamos un electrón a la pared y observamos la pantalla, el
electrón de naturaleza ondulatoria atraviesa los dos agujeros
semejante a una ola y se proyecta así en la pantalla como
ondas que se interfieren (encuentro de valles con valles de ondas) y
otras que se intensifican (encuentro entre crestas de onda). Esto
demuestra la naturaleza ondulatoria de la luz. En cambio, si
observamos no la pantalla sino solo un agujero, encontramos que en la
pantalla se imprime la imagen como la de una sola partícula
como una bala. Pero, si dejamos de observar los agujeros y volvemos
la vista a la pantalla, el electrón se proyecta de nuevo como
onda y no como partícula. Es como si al mirar uno de los
agujeros, el electrón decide pasar como partícula, pero
cuando no se miran los agujeros, el electrón no sabe por que
agujero pasar y elige pasar por los dos como una onda. Cuando
Einstein, al igual que Newton, creía que Dios había
puesto un orden y que no había lugar a la incertidumbre en las
leyes de la naturaleza, Bohr decía que la teoría
cuántica debía utilizarse para describir la estructura
fundamental de la naturaleza. Las implicaciones de la
"Interpretación de Copenhague" eran tremendas,
puesto que eligiendo el lugar de observación podemos elegir el
mundo que tendremos, es decir el futuro. Los electrones presentan
todas las posibilidades pero una vez se establezca la
observación, solo se dará una posibilidad.
Incluso
Bohr decía que con una elección implica la posibilidad
de la existencia de otra posibilidad.
¿Significa
esto que podemos elegir el mundo donde queremos vivir?. De ser
así habría infinitos mundos paralelos que se
desarrollan de acuerdo a la voluntad de cada individuo.
Antes
de la observación se conoce el estado de los electrones como
"Superposición de estados coherentes".
Por
este tiempo en 1935 Schrodinger introdujo la paradoja del gato donde
sugirió una caja cerrada con cuatro cosas: una fuente
radiactiva, un detector de radiactividad, una botella con cianuro y
un gato vivo. Existe la probabilidad de que el material radiactivo se
desintegre o no. De desintegrarse el detector lo captaría
rompiendo la botella de veneno y el gato muere.
Nadie
sabe si esto sucede o no hasta no abrir la caja para saber si el
gato está vivo o muerto.
Mientras
no se realice la observación, la botella de veneno
estará rota y entera a la vez y el gato estará vivo y
muerto a la vez hasta que alguien observe la caja y mire.
Se
concluía con esto que nada es manifiesto hasta no ser
observado. Este axioma es básico en teoría
cuántica: Ningún fenómeno elemental existe hasta
que es detectado y la manera de detectarlo impone sus condiciones. La
observación condiciona al fenómeno y lo hacecambiar.
Recordemos que son aplicaciones a nivel subatómico. En el
mismo año, en 1935, Einstein continuaba tratando de demostrar
la falsedad de la teoría cuántica para locual, junto
con Boris Podolsky y Nathan Rosen, presentó la paradoja EPR.
Proponían
separar dos partículas relacionadas hasta ese momento.
Al
intervenir con una de las dos partículas y observarla, la
otra respondía complementando a la primera. Lo que afecta a
una, también afecta a la otra. Einstein con esto aseguraba que
había algo erróneo en la mecánica
cuántica, puesto que nada puede viajar a una velocidad
superior a la de la luz, de donde tenía que haber una variable
oculta que los seguidores de la teoría cuántica no
conocían, por lo que el principio de incertidumbre se anulaba.
Lo cierto es que, años mas tarde, el físico
británico John S. Bell demostró que esto si era posible
con cualquier tipo de partícula.
El
teorema de Bell demostraba que no importa la distancia, existe una
conexión entre fotones correlacionados sin la necesidad de una
variable oculta. Cualquier cambio en un fotón correlacionado
con otro produce el mismo cambio en el otro. Si bien es un tema entre
los físicos que los pone a pensar, la gran mayoría da
por sentado que Einstein no tenía razón y la
teoría cuántica es completa y no necesita variables
ocultas. El intercambio entre los fotones es instantáneo, lo
cual era aún mas extraño para Einstein ya que los
fotones deben viajar a la velocidad de la luz. Entonces
¿Cómo es posible que se conectan en información
instantáneamente?, ¿Es posible una velocidad superior a
la de la luz?.
A
esta correlación se le conoce como "No localidad".
Actualmente numerosos experimentos demuestran que dos o mas
partículas que han tenido un vínculo cuántico
hacen que interactúen instantáneamente como si fueran
una sola, aún si se encuentran separadas a cualquier distancia
. Ya una vez propuso Feynman de que muchas cosas eran posibles en
cuántica como pudiera ser que los positrones podían ser
electrones viajando hacia atrás en el tiempo. Einstein como
algo que procediera de mas allá del tiempo, reconocía
..... una intuición o inspiración venida de no se sabe donde....
En
1980 Bohm predijo un nuevo orden que se percibe a través de
la mirada de la física cuántica.
Un
nuevo orden de efectos no locales que integran un todo, puesto que
los fotones en cierta forma son uno solo, que se expandieron desde el
origen del universo donde estuvieron interrelacionados una vez y para
siempre... ¿Qué piensa usted? |
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