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¿Pòrqué fisica cuántica?

luis
Lic en biologia, msc bioquimic univer...
Escrito por Luis Arturo Ayarza Aguirre
el 10/10/2010

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.

Luis Arturo Ayarza Aguirre
Lic en biologia, msc bioquimic univer...
Escrito por Luis Arturo Ayarza Aguirre
el 10/10/2010

¿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

Luis Arturo Ayarza Aguirre
Lic en biologia, msc bioquimic univer...
Escrito por Luis Arturo Ayarza Aguirre
el 10/10/2010

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.

Plutón Aragón
Música instrumental cee
Escrito por Plutón Aragón
el 10/10/2010

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.

Luis Arturo Ayarza Aguirre
Lic en biologia, msc bioquimic univer...
Escrito por Luis Arturo Ayarza Aguirre
el 11/10/2010

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.

Luis Arturo Ayarza Aguirre
Lic en biologia, msc bioquimic univer...
Escrito por Luis Arturo Ayarza Aguirre
el 11/10/2010

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