En este post vamos a describir el motivo que mueve a los científicos a estudiar la física cuántica , utilizaremos para ello un libro muy intyeresante de eduardo ivorra.
¿Por qué cuántica?
Einstein dio una buena explicación y analogía con la vida real acerca del significado
De la palabra cuántica y cuantos. En su libro “La física, aventura del pensamiento”
Dice que por ejemplo en una mina de carbón la producción puede variar en un
Modo continuo, si aceptamos cualquier unidad de medida por mas pequeña que
Sea. Es decir podríamos decir que se produjo 1 granito mas de carbón que ayer. Lo
Que no podemos hacer es expresar la variación de personal en forma continua, no
Tiene sentido hablar de que se aumento el personal en 1,80 personas, es decir la
Medida de la cantidad de personal es discreta y no continua. Otro ejemplo, una
Suma de dinero solo puede variar de a saltos, discontinuamente. La unidad mínima
Para el dinero es el centavo. Decimos entonces que ciertas magnitudes cambian de
Una manera continua y otras de una manera discontinua o discreta, o sea por
Cantidades elementales o pasos que no pueden reducirse indefinidamente. A estos
Pasos mínimos e indivisibles, se los llama cuantos elementales de la magnitud en
Cuestión. Es evidente que al aumentar la precisión de cómo se realizan las medidas
De cualquier tipo de magnitud, unidades que se consideraban indivisibles dejen de
Serlo y adoptan un valor aun menor. O sea ciertas magnitudes que se consideran
Continuas pueden tener una naturaleza discreta.
En física, ciertas magnitudes consideradas por muchos años como continuas, en
Realidad están compuestas de cuantos elementales. La energía es una de estas
Magnitudes que al estudiar los fenómenos del mundo de los átomos, se detecto que
Su naturaleza no era continua sino discreta y que existe una unidad mínima o
Cuanto elemental de energía. Este fue el descubrimiento de Max Planck con el que
Se inicia la teoría cuántica.
Cuanto o quantum utilizado como un sustantivo se refiere a la cantidad más
Pequeña de algo que es posible tener. En el mundo de la física clásica existe el
Concepto de que todos los parámetros físicos como por ejemplo la energía, la
Velocidad, la distancia recorrida por un objeto, son continuos. Para entender que es
Esto de continuos, pensemos en el termómetro que mide la temperatura, cuando
Vemos que la misma aumenta en un grado en realidad aumento primero en una
Décima de grado y así siguiendo antes en una millonésima de grado etc. , etc. Es
Decir el proceso de aumento de temperatura que medimos con el termómetro
Decimos que es continuo. Bien en el mundo de la física cuántica esto no es así, en
Concreto cuando Max Planck estudió como se producía la radiación desde un cuerpo
Incandescente, su explicación fue que los átomos que componen el cuerpo
Incandescente, cuando liberaban energía en forma de radiación, lo hacían no en
Forma continua, sino en pequeños bloques a los que él denominó cuantos de
Energía. Lo extraño de todo este proceso o de la explicación de Planck es que no
Existen posiciones intermedias, es decir no existen medios cuantos o un cuarto de
Cuanto. Es como si en el caso del termómetro no existiera la fracción de grado,
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Simplemente la temperatura que está en 20º pasa de golpe a 21º. Decimos extraño
Porque lo que el sentido común indica es que la temperatura de un objeto aumenta
Cuando este recibe calor/energía; si el cuerpo está en 20º y le doy calor en una
Pequeña cantidad, no será suficiente para que aumente en un grado a 21º pero si
Para que algo aumente. En el mundo cuántico es como si esas pequeñas cantidades
Se van almacenando en algún lugar sin manifestarse de ninguna forma (sin
Aumento de temperatura del cuerpo), para que de repente cuando la cantidad de
Calor transmitida alcanzó un valor tal que el termómetro muestra ahora sí un
Aumento de 1º, marcando 21º. ¿Qué pasó en el medio?. Bueno esto que si bien no
Ocurre en el caso de la temperatura sino que es solo una analogía para entender, es
Lo que efectivamente ocurre en el mundo cuántico. Todas las partículas que
Componen el universo físico se deben mover en saltos cuánticos. Un cuerpo no
Puede absorber o emitir energía luminosa en cualquier cantidad arbitraria sino solo
Como múltiplos enteros de una cantidad básica o cuanto. Volviendo a la extrañeza
De estos fenómenos, imaginemos por un momento otra analogía: estamos
Arrojando piedras en un estanque de agua tranquilo. El sentido común dado por la
Experiencia que acumulamos en el tiempo nos dice que al hacer esto se producirán
Ondas en el estanque que son producto de la energía que la piedra transmitió al
Caer al agua. Un estanque cuántico, se comportaría de diferente forma, al arrojar
Una o varias piedras nada ocurrirá, y de repente sin que medie ninguna conexión
Entre la causa (arrojar piedras) y el efecto (se generan ondas en la superficie), el
Estanque comenzará a vibrar con ondas, hasta que de repente se tranquilizará
Nuevamente por mas que en ese momento estemos lanzando piedras. Si todas las
Piedras son del mismo tamaño, y arrojadas desde la misma altura, entregarán al
Caer la misma cantidad de energía al agua. Si dicha cantidad de energía resulta ser
Inferior al cuanto de energía, entonces debemos arrojar mas de una piedra para
Iniciar el movimiento.
Quiero recalcar la extrañeza de este fenómeno, llamando la atención sobre el hecho
De que el cuanto no es una cantidad que pueda subdividirse, es decir, el concepto
De continuidad pierde significación, entre 0 y el cuanto no existe nada. Son estados
Que la naturaleza no permite. Esta es la característica esencial del descubrimiento
De Planck al estudiar los fenómenos llamado radiación del cuerpo negro (tema que
Se desarrollara mas adelante): existe un límite inferior al cambio de energía
(absorción o emisión de energía en forma de luz) que un átomo puede
Las dimensiones del mundo atómico y su relación con el macro mundo
La física que estudia y explica los fenómenos que ocurren en el dominio de los
átomos, de sus núcleos y de las partículas elementales se denomina cuántica; y la
Teoría matemática básica que explica los movimientos y relaciones en este campo
Se denomina mecánica cuántica. No se debe sin embargo pensar que la física
Cuántica no corresponde al mundo macroscópico, en realidad toda la física es
Cuántica; y las leyes de ésta tal como las conocemos hoy, constituyen nuestras
Leyes MÁS GENERALES de la naturaleza.
En el mundo macroscópico las leyes de la naturaleza que se han descubierto son las
Denominadas leyes de la física clásica; en estas se tratan aquellos aspectos de la
Naturaleza para los que la cuestión de cuál es la constitución última de la materia
No es algo que importe en forma inmediata. Cuando aplicamos las leyes de la física
Clásica a los sistemas macroscópicos tratamos de describir solamente ciertos rasgos
Globales del comportamiento del sistema. Los detalles más finos del
Comportamiento del sistema se ignoran. En este sentido las leyes de la física clásica
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Son leyes aproximadas de la naturaleza y debemos considerarlas como formas
Límite de las leyes de la física cuántica, más fundamentales y que abarcan mucho
Más. Las teorías clásicas son teorías fenomenológicas. Una teoría fenomenológica
Intenta descubrir y resumir hechos experimentales dentro de un cierto dominio
Limitado de la física. No se persigue describirlo todo en el reino de la física, pero si
Es una buena teoría
COMENTARIOS DE LUIS :
OBSERVA COMO iVORRA NOS DESCRIBE LA FISICA COMO AQUELLA QUE SE INTERESA POR LAS PARTÍCULAS , HAGO LA SALVEDAD, LA FÍSICA CUÁNTICA.
LA CUÁNTICA NOS RELACIONA CON LOS FENÓMENOS QUE OCURREN EN UN CAMPO MUCHO MÁS PEQUEÑO QUE EL MACROCOSMOS.
Excelente hilo, Luis. De pronto me acuerdo que en otro lado estuvimos hablando de tiempo y espacio, y se me mezcla con otro debate en el que se insinuaba la posibilidad de que el tiempo no sea contínuo, sino discreto, cuántico. Me pareció raro, no había leído de ello. Y entonces acudo a quien sabe más: ¿El tiempo es contínuo o discreto? ¿Y el espacio? ¿Se han podido definir o generar alguna hipótesis sobre esto o no hay nada?
Desde ya, Gracias.
Saludos.
Interesante tu pregunta. En esto se centran las últimas inverstigaciones con los aceleradores. Se debe descubrir la relación entre las cuatro fuerzas que rigen la materia en el universo. Pero te sugiero que busques en internet principalmente, en you tube la teoría de cuerdas.. Te será de gran ayuda, amigo.
Las ondas, su clasificación y sus características
Considero importante extenderme algo sobre este tema de las ondas, porque
Veremos que conceptos de la mecánica ondulatoria están íntimamente ligados a la
Física cuántica. Un autor señala que usar a las ondas ordinarias en formas o
Maneras inusuales es el secreto de la teoría cuántica. Todas las ondas, no importa
Cuan exóticas sean, están construidas con un mismo plan y toman sus ordenes del
Mismo libro, de allí que las ondas cuánticas seguirán las mismas reglas que las
Ondas en general. Ahora bien, que conocemos de las ondas ordinarias. La mayoría
De las personas ha tenido experiencia con las ondas, por ejemplo al arrojar una
Piedra en un tanque de agua se forman ondas; si ponemos un corcho veremos que
El mismo se mueve hacia arriba y hacia abajo pero que no se traslada en la
Dirección que vemos se trasladan las ondas, como círculos que se abren desde el
Centro donde cayó la piedra. Estas ondas acuáticas constituyen un ejemplo de una
Amplia variedad de fenómenos físicos que presentan características análogas a las
Ondas. El mundo está lleno de ondas: ondas sonoras, mecánicas, tales como la
Onda que se propaga en una cuerda de una guitarra, ondas sísmicas que pueden
Transformarse en terremotos, ondas de choque que se producen cuando por
Ejemplo un avión supera la velocidad del sonido, es como un estampido y otras
Ondas más particulares porque no son tan fácilmente captadas con los sentidos o
No es tan sencillo interpretar su origen; son las ondas electromagnéticas. Entre
Estas están la luz visible, las ondas de radio, las señales de TV, los rayos X; muchas
De las cuales permiten el funcionamiento de algunos adminículos por todos
Conocidos: el control de canales de TV para hacer zapping, los TE celulares, Direct
TV, internet por aire.
El concepto de onda es abstracto, aquellas ondas que viajan en un medio material
Se denominan ondas mecánicas. Cuando se observa lo que denominamos una onda
En el agua, lo que en realidad se contempla es una nueva disposición de la
Superficie del agua, sin la presencia del agua no existiría onda alguna. Si fijamos el
Extremo de una cuerda y movemos el otro extremo hacia arriba y hacia abajo,
Vemos como a lo largo de la cuerda se mueve una onda. Si no existiera la cuerda
No existiría la onda. Las ondas sonoras viajan por el aire como un resultado de las
Variaciones de presión en el aire de punto a punto. En todos los casos, lo que se
Interpreta como una onda corresponde a la perturbación de un cuerpo o un medio.
En consecuencia una onda puede considerarse como el movimiento de una
Perturbación. El movimiento de la perturbación- el estado del medio o la onda en sí
Misma- no debe confundirse con el movimiento de las partículas. En el caso
Particular de las ondas mecánicas, estas requieren para su existencia de una fuente
De perturbación (la piedra que arrojo al agua), un medio que pueda ser perturbado
(agua, aire) y alguna conexión física o mecanismo mediante el cual las porciones
Adyacentes del medio – las que están en contacto- ejerzan influencia entre sí. En el
Caso de las ondas electromagnéticas, durante muchos años, no se tenía claro cual
Era el medio que se perturbaba, es así que se hablaba del éter como medio de
Transferencia de estas ondas. Hoy en día se sabe que esto del éter no es así y que
Las ondas llamadas electromagnéticas, no necesitan de ningún medio, es decir se
Pueden propagar a través del espacio vacío.
El estudio de las ondas se hace sobre una representación gráfica de la misma que
Es la forma de la función senoidal o seno:
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Y= f(x)= Asen(x+ϕ), ya veremos su significado, el cual es bastante simple para
Aquellos con ciertos conocimientos de trigonometría. Si bien no todas las ondas
Siguen esta función, un teorema muy importante de un matemático llamado
Fourier, demostró que: cualquier onda puede ser descompuesta como una suma
única de ondas componentes senoidales. Este teorema además de facilitar el
Estudio profundo de la mecánica ondulatoria, permite también para aquellos que no
Queremos profundizar tanto, representarnos gráficamente con facilidad lo que es
Una onda, dado que la función seno o senoidal es la que se forma en una cuerda
Cuando, movemos sus extremos hacia arriba y abajo repetidamente.
Veamos ahora algunos conceptos físicos que se utilizan para caracterizar a las
Ondas:
La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos puntos idénticos de la onda, por
Ejemplo entre dos crestas consecutivas en el agua (tiene unidades de distancia:
Mm, cm, m, etc.)
La máxima altura de la onda se denomina amplitud y también se mide en unidades
De distancia.
El período es el tiempo T que tarda la onda en recorrer un ciclo, es decir en volver a
La posición inicial, por ejemplo de una cresta a la cresta siguiente.
La frecuencia es lo que mide el número de veces / ciclos que un punto de la
Superficie sube y baja en un segundo (unidades de ciclos o veces por segundo, es
Decir unidades de la inversa del tiempo), en otras palabras la frecuencia es la
Rapidez con la cual la perturbación se repite por sí misma. La frecuencia es la
Inversa del período T; f= 1 / T.
La velocidad de propagación de la onda. Dado que velocidad es espacio dividido el
Tiempo en que se recorrió dicho espacio, en nuestro caso podemos expresarlo como
Longitud de onda / Período, y como la inversa del período (1/T) es la frecuencia,
Entonces tenemos que: v = λ.f. Esta dependerá de las propiedades del medio que
Experimenta la perturbación. Por ejemplo las ondas sonoras se propagan en el aire
A una velocidad menor que a través de los sólidos. Las ondas electromagnéticas
Que se propagan en el vacío, es decir que no requieren medio que se perturbe para
Propagarse, lo hacen una velocidad muy alta de 300. 000 Km. / seg (la velocidad de
La luz que se la denomina c).
El ángulo de fase ϕ, si bien es más complejo decir que es, es sencillo entender su
Significado. Cada punto de una onda posee una fase definida que indica cuanto ha
Progresado o avanzado dicho punto a través del ciclo básico de la onda.
Escuchamos la idea de fases de la luna, que indica justamente donde está la luna
Respecto a su ciclo el cual se repite siempre (por eso es ciclo). Las fases de las
Ondas son las que gobiernan lo que ocurre cuando dos o mas ondas se encuentran.
Si dos ondas en el agua se cruzan, puede ocurrir que cuando una este en la cresta
Máxima, la otra este en la mínima, y como consecuencia de esto se aplaca el
Movimiento en el lugar de cruce de ambas, es decir el máximo cancela al mínimo.
Esta superposición de ondas se da así porque ambas ondas que se encontraron
Estaban fuera de fase, es decir tenían diferentes ángulos de fase, estaban
Desfasadas. Es la diferencia de fase entre ondas que se superponen lo que produce
El fenómeno de interferencia, que posteriormente veremos como uno de los
Primeros problemas extraños de la física clásica: la doble naturaleza de la luz
Onda-partícula.
La polarización. Este concepto explica en qué dirección