vie

13

sep

2013

Explicando Física Cuántica a mi abuelita (II)

Segunda entrega de la serie "¿Qué es la Física Cuántica? - Me preguntó mi abuelita". En esta ocasión trataremos de encontrar ejemplos sencillos para intentar comprender por qué las ondas y la materia se comportan como fenómenos cuánticos y cuáles son las consecuencias de dicho comportamiento.

¿Cómo surgio la idea de que la energía y la materia son fenómenos cuánticos?. ¿Por qué el universo de lo más diminuto se comporta de forma tan diferente al universo macroscópico?

En 1913, Niels Bohr propuso que los electrones de los átomos se encontraban "encerrados" en niveles de energía cuantizados, es decir, que "circulaban" libremente en una determinada posición, de la que no podían escapar salvo que absorbieran o emitieran energía. Estas posiciones eran concretas, tenían unos valores enteros y no existían infinitas posiciones intermedias, como sucede con las infinitas órbitas que los planetas pueden ocupar alrededor de su Sol. Con una serie de explicaciones y cálculos posteriores, Bohr pudo explicar, por ejemplo, el comportamiento de los rayos X de los elementos más pesados, o la energía de ionización de un átomo de Hidrógeno. Estos cálculos teóricos, fueron posteriormente comprobados de forma experimental. A pesar de ello, Bohr quiso dejar muy claro, que su idea de "unos electrones orbitando alrededor de un núcleo, como si fueran planetas", no era más que una alegoría burda de la realidad, y que el auténtico modelo atómico aún tardaría años en descubrirse.

Sus "saltos de energías orbitales" daban pié a pensar que la energía a nivel atómico estaba cuantizada, es decir, que dichas energía avanzaban o retrocedían a saltos enteros, y esto puede entenderse mejor cuando hablamos del comportamiento cuantizado de las ondas:

 

LAS NOTAS MUSICALES TAMBIÉN FUNCIONAN DE FORMA CUANTIZADA

Las notas musicales son vibraciones acústicas que a nuestros oídos nos suenan más graves o más agudas. Mezclando diferentes notas en una cadencia determinada, podemos crear música. Obviamente, las notas musicales son una forma de onda. Y si nos fijamos con atención, estas notas no son infinitas: entre un DO y un DO SOSTENIDO, no hay ninguna nota intermedia... el oído humano es incapaz de percibir una nota más aguda que el DO, y más grave que el DO SOSTENIDO.

 

En una guitarra, cada nota se forma variando la longitud de la cuerda que hacemos vibrar. La longitud aproximada de las cuerdas es de unos 70 cm. Si colocamos un dedo a 5 cm del borde de la cuerda, podemos hacer que ésta vibre con el sonido de un DO, por ejemplo. Pero si acortamos la cuerda colocando el dedo en el siguiente traste, obtendremos la siguiente nota (semitono), el DO SOSTENIDO. Al acortar la longitud de la cuerda, la nota suena más aguda.

 

 

EN ESTE EJEMPLO COMPROBAMOS UNA COSA CURIOSA: Para pasar de una nota a la siguiente, debemos acortar la longitud de la cuerda que vibra, colocando un dedo sobre uno de los trastes. Cada traste hace que la cuerda suene en un semitono (una nota) diferente. Supongamos que dos trastes se separan entre sí unos 5 cm (DO y DO Sostenido). ¿Qué ocurriría si, en vez de separar los dedos esos 5 cm, los desplazáramos sólo 2,5 cm? ¿Sonaría una nota intermedia entre el DO y el DO Sostenido?

Realmente no. La primera nota (en el traste 1) seguirá sonando como DO, y mantendrá el mismo tono (DO) hasta que no cubramos completamente los 5 cm que lo separan del siguiente tono, el DO Sostenido. No existe en realidad un tono intermedio entre el DO y el DO Sostenido.

Esto significa que la música, a oídos del ser humano, avanza a base de "CUANTOS", es decir, a base de "Saltos completos unitarios", sin que entre un salto y el siguiente existan posiciones intermedias, a pesar de que la longitud de la cuerda pueda acortarse micra a micra.

Por eso podemos decir que LAS NOTAS DE LA GUITARRA AVANZAN POR "CUANTOS", YA QUE ENTRE DOS NOTAS CONSECUTIVAS, NO EXISTE NINGUNA NOTA INTERMEDIA.

 

¿LAS COSAS PEQUEÑAS SE COMPORTAN DE FORMA DIFERENTE A LAS COSAS GRANDES?

 

Pues así es... En el universo de las cosas pequeñas, parece existir una física diferente. Y cuanto más pequeño es ese universo, más extraño es. En el universo de lo más diminuto, el universo cuántico, las leyes físicas parecen contrarias a nuestra intuición.

Pero no es necesario viajar hasta el interior de un átomo para comprobarlo, porque esta diferencia de comportamientos la podemos observar incluso a simple vista. He aquí algunos ejemplos:

1- LA HORMIGA ATÓMICA

 

¿Alguna vez has visto una hormiga arrastrando a una mariposa? Parece que en el mundo de los animales diminutos, la fuerza se multiplica por 100. No existe ningún animal grande, ni siquiera el mamífero terrestre más fuerte, el Elefante, capaz de llevar a cabo una proeza de similares proporciones, porque sería como si alguien pudiera levantar con sus mandíbulas, y arrastrar durante kilómetros, una avioneta mediana. Da la sensación de que cuanto más pequeño es un animal, más grande es su poder. Si en el universo de los pequeños insectos, las fuerzas se multiplican por 100, imagina lo que puede pasar en el universo de los átomos !!

2- CAER DE UN QUINTO PISO Y NO SUFRIR DAÑOS

 

Otro ejemplo con insectos. Si una persona, o cualquier animal grande cayera desde lo alto de un edificio, acabaría reventado en el suelo. Pero, ¿ qué ocurriría si en vez de un animal grande, cayera un insecto? La altura es la misma, y el esqueleto de un insecto no está hecho de acero.. aún así, el bichito no sufriría ningún daño. Efectivamente, esto es por causa de la poca energía cinética que tienen las masas pequeñas. La resistencia del aire también tiene mucho que ver, pero aún así, da la sensación de que el universo de lo diminuto se rige por una leyes diferentes. A medida que los animales son más pequeños, su "dureza" parece aumentar miles de veces...

3- ¿PIEDRAS QUE FLOTAN SOBRE EL AGUA?

 

En el mundo macroscópico, las piedras no flotan sobre el agua, entre otras cosas, porque la densidad de una piedra es tres veces superior a la del agua. Pero cuando reducimos las escalas hasta el tamaño de un grano de arena, comprobamos cómo las cosas ya no funcionan igual. ¿Nunca has visto granos de arena flotando en el mar? Esto es posible porque, cuanto más pequeño es el universo que analizamos, más diferentes son las Leyes que lo rigen: minúsculas gotas de agua capaces de flotar en el aire, insectos que caminan sobre la superficie de un lago, polvos metálicos flotando en un charco... todo ello, ejemplos de un universo diferente al que estamos acostumbrados.

Después de estos pequeños ejemplos, que no deben tomarse al pié de la letra porque no tienen mucho que ver con la mecánica cuántica, ya estamos en disposición de meternos un poco más en materia y desgranar algunas de las singularidades del universo de lo diminuto. Ya hemos comprobado que a medida que las cosas empequeñecen, su comportamiento es cada vez menos intuitivo, o más extraño, por lo que ya estamos preparados para asumir que en el universo cuántico, una cosa puede estar en dos sitios a la vez, el simple hecho de "mirar" un fenómeno hace que éste se comporte de forma diferente, o que algo puede ser a la vez material e inmaterial.

 

Pero esto lo dejaremos para las próximas entregas...

 

 

Escribir comentario

Comentarios: 3
  • #1

    Tommy (sábado, 14 septiembre 2013 15:28)

    este articulo esta aun mejor que el anterior. los ejemplos ayudan bastante

  • #2

    Er Turri (domingo, 15 septiembre 2013 23:41)

    Que tenías hambre y te has comido una Z en:
    "Las notas musicales son vibraciones acústicas que a nuestros oídos nos suenan más graves o más agudas. MECLANDO diferentes notas..."
    Y "oídos" con acento en la "i" (creo. O al menos, me dice el corrector del Chrome).

  • #3

    liyuansuarez (lunes, 16 diciembre 2013 13:29)

    Comparto la opinión de Tommy... esta muy bueno ... tengo una información sobre las notas musicales en matemática