Explicando Física Cuántica a mi abuelita (III)

En este artículo trataremos de comprobar cuán diferentes son los fenómenos cuánticos de los macroscópicos. A simple vista, la primera diferencia que podemos descubrir entre ambos mundos (el universo pequeñito y el universo grande) es que la gravedad parece no afectar demasiado a lo diminuto: En nuestra vida cotidiana estamos acostumbrados a que las cosas se caigan a suelo, sin embargo, en el universo de los átomos, la gravedad parece no tener mucho efecto. Veamos algunas curiosidades al respecto.

UN MUNDO INGRÁVIDO

¿Por qué la gravedad no parece afectar al mundo cuántico? Pues símplemente, esto se debe a que la Fuerza de la Gravedad depende, tanto de la masa de los objetos, como de la distancia que los separa. En el mundo cuántico, estas distancias son muy pequeñas y por tanto, la gravedad debería actuar con fuerza, pero no es así, porque las masas intervinientes son más pequeñas aún. Aunque estemos acostumbrados a representar a los átomos como núcleos grandes a cuyo alrededor orbitan "cinturones" de electrones muy próximos, lo cierto es que a escala, las distancias orbitales son gigantescas, en comparación con el auténtico tamaño de dichos átomos. De hecho, el diámetro total del átomo puede ser entre 10.000 y 100.000 veces más grande que el diámetro del núcleo. En la imagen de la derecha, arriba, vemos una representación típica de un átomo pero debajo se aprecia un dibujo hecho a escala donde se aprecian los tamaños y distancias proporcionales. Esto nos indica cuán lejos están en realidad unas partículas de otras. Por eso, la Gravedad es una Fuerza casi despreciable en el mundo cuántico

EL COMPLEJO DE JEKYL Y HYDE: DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA

En el mundo macroscópico, las "cosas" son bien diferentes de otros fenómenos como la energía, las fuerzas o las ondas. Distinguimos perfectamente entre una linterna, y la luz que sale de ella. Para nosotros, los objetos son "cosas" que se pueden tocar, se pueden romper, o pueden estar quietos o en movimiento; y son muy diferentes de las ondas o las energías: la linterna se puede tocar o romper, pero la luz que sale de su foco es intangible, no pesa, no se puede romper. En el universo cuántico, todas las "cosas" presentan cualidades tanto de objetos, como de ondas, según cómo las observemos. Es decir, un electrón que a menudo se representa como una "bolita" girando alrededor de un núcleo atómico, tiene propiedades comunes a los objetos materiales (es una partícula) y también a las ondas (como si fuera un fenómeno energético). Esta peculiaridad de las partículas atómicas la comprobó en 1801 el físico inglés Thomas Young, con el experimento de la doble rendija, gracias al cuál, demostró que la luz tiene propiedades de partícula (fotones), pero también de onda (el experimento de la doble rendija no sólo se puede hacer con fotones, sino también con electrones u otras partículas atómicas).

MATANDO MOSCAS A CAÑONAZOS: EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

En el mundo macroscópico, los objetos, las fuerzas y otros fenómenos, pueden ser medidos con gran precisión. Se puede saber con exactitud milimétrica, dónde se encuentra una manzana en relación al árbol del que pende, con sólo mirarla y medir algunas distancias. Igualmente, podríamos saber cuanta energía calorífica posee una taza de café, introduciendo un termómetro en el líquido. En este último caso, sin embargo, intuimos que al introducir un termómetro en la taza, el aparato enfriará ligeramente el líquido, ya que éste se encuentra más caliente y como consecuencia, no seremos capaces de determinar la "temperatura exacta". Claro que como la temperatura exacta es casi casi idéntica a la temperatura que medimos, podríamos darla por buena o por "bastante exacta". El problema surgiría si la taza de café tuviera el tamaño de un grano de arena: el termómetro es tan grande en comparación, que el café se enfriará en apenas unos segundos y por tanto, la medida obtenida sería muy muy imprecisa. Hoy en día existen aparatos capaces de medir la temperatura de un objeto sin tocarlo (termómetros infrarrojos), con los cuáles, parecería que el problema de "tocar" una taza del tamaño de un grano de arena quedaría resuelto. Pero si la taza de café midiera lo mismo que un átomo, la cosa se complicaría aún más: a esa diminuta escala, el hecho de proyectar un haz de luz infrarrojo contra la taza para medir su temperatura, sería como medir la temperatura del café con un lanzallamas: la luz incidente en el líquido aportaría una enorme energía al objeto y las medidas no tendrían ninguna validez.

Esta "incertidumbre" en la medición de propiedades fue planteada por primera vez por el físico alemán Werner Heisenberg, y lo llamó "principio de incertidumbre" .

Experimentalmente se puede comprobar que con frecuencia, las propiedades de las partículas van emparejadas de tal forma que, si averiguamos una de esas dos propiedades, la otra resulta imposible de determinar. Por ejemplo, las propiedades "velocidad y posición" forman una pareja relacionada. Si conseguimos medir la velocidad de una partícula, nos resultará imposible determinar su posición, y viceversa.

Un ejemplo de ésto en el mundo macroscópico sería el siguiente: Supongamos que el Sol tiene dos propiedades emparejadas, "brillo y número de manchas solares". El brillo varía un poco cada segundo, haciéndose un poco mayor o un poco menor de manera constante... y las manchas solares también aparecen y desaparecen a cada segundo. Un astrónomo quiere determinar ambos valores, brillo y manchas, en un instante determinado. Para determinar la intensidad del brillo solar, el astrónomo utilizará un Heliógrafo, que debe emplearse con la luz directa del astro. Pero para determinar el número de manchas solares, necesita cubrir la luz del Sol con un filtro que lo oscurezca. Si cubre el Sol para contar las manchas, no puede medir la intensidad, y si mide la intensidad, no puede contar las manchas.

LIBERTAD ABSOLUTA: EL EFECTO TÚNEL

En el mundo macroscópico, un objeto no puede atravesar una barrera, si la energía cinética del primero es inferior a la resistencia del segundo. Una flecha bien puede traspasar una hoja de papel, pero no puede atravesar una pared de ladrillos. Por su parte, una bala si podría atravesar el muro, porque su nergía cinética es superior a la de la flecha. En el mundo cuántico se ha comprobado que las partículas con una determinada energía cinética, son capaces de atravesar "paredes" aparentemente impenetrables. Pero ésto no se debe a que las partículas puedan ser más pequeñas que las paredes... de hecho, incluso son capaces de atravesar paredes magnéticas (campos de fuerza) que no tienen "agujeros" por donde atraversarlas. Esto es posible gracias, precisamente, a que las partículas se comportan a veces como ondas. Pongamos el siguiente ejemplo: En el interior de una caja metálica herméticamente cerrada, tenemos un pequeño aparato de radio. Por más que zarandeemos la caja, el aparato de radio no puede salir de su interior. Sin embargo, cuando el aparato está encendido, la música que reproduce puede ser escuchada desde fuera de la caja: La "partícula aparato" no puede salir de la caja, pero las ondas que produce sí pueden hacerlo. Las partículas atómicas tiene ambas propiedades: son tanto partículas como ondas y en consecuencia, pueden traspasar barreras herméticas con sólo "adoptar" la forma de una onda cuando se lo proponga. Esta peculiaridad cuántica, se conoce como "Efecto Túnel" y fue descubierto por el físico alemán Max Born en 1928. Hoy en día, este fenómeno es aprovechado en el mundo de la microscopía, la informática, los materiales semiconductores, etc...

AMOR HASTA LA ETERNIDAD: EL ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO

Este será el último efectoto cuántico del que hablaremos hoy. El entrelazamiento cuántico es una propiedad casi mágica que se da entre dos partículas que nacen de una misma fuente coherente. Por ejemplo, dos fotones que se forman en un mismo fenómeno. Contrariamente a la intuición, dos fotones entrelazados pueden depender el uno del otro de una manera instantánea, aunque se encuentren separados por millones de kilómetros: lo que hagamos en uno de esos fotones, tendrá un efecto inmediato en el otro de manera instantánea, dando incluso la sensación de que esa "información" se transmite más rápido que la velocidad de la luz. Imaginemos una manzana completa, que dividimos en dos mitades con un cuchillo. Llevemos cada una de esas dos mitades a sendos lugares del planeta, separados miles de kilómetros. Si ambas mitades estuvieran "entrelazadas cuánticamente", cuando diéramos un mordisco a una de ellas, la otra mitad perdería instantáneamente un trozo. ¿Es ésto posible en el mundo macroscópico? Pues de moento hay pistas de que este fenómeno podría reproducirse a una escala mayor que la de los átomos, como demuestra este experimento llevado a cabo por el físico inglés Ian Walmsley, de la Universidad de Oxford en 2011.

 

 

CONCLUSIÓN

 

Estos fenómenos extraños que sólo se dan o parecen darse en el mundo diminuto de los átomos, nos resultan realmente peculiares desde nuestra óptica y son contrarios a nuestra intuición. Sin embargo existen y son tan reales como la Gravedad, y demás efectos macroscópicos a los que sí estamos acostumbrados. Todos ellos han sido comprobados, demostrados y calculados... incluso muchos se utilizan para crear dispositivos que utilizamos a diario. Por ello se puede decir que en el universo cuántico, el tamaño importa y de hecho, el tamaño es la causa de las enormes diferencias físicas que separan las dos realidades

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Comentarios: 3
  • #1

    Diana (viernes, 10 enero 2014 14:45)

    Los felicito por el trabajo de divulgación que realizan. Esta serie y "El plan B para entender la relatividad" me resultaron sumamente interesantes y didácticas. Ojalá sigan profundizando estos temas que nos parecen tan lejanos a aquellos que nos dedicamos a otras áreas del conocimiento. Me encantaría que tocaran el tema de la Teoría de Cuerdas. Saludos!

  • #2

    canaldeciencias (viernes, 10 enero 2014 15:27)

    gracias Diana. Tendremos que dejar la teoría de cuerdas en reserva, porque ahora mismo estoy preparando otra serie sobre la luz y los fenómenos electromagnéticos como siempre, explicado de forma sencilla de entender, pero es una excelente propuesta. Un saludo y gracias por seguirnos

  • #3

    rolex replica (martes, 30 diciembre 2014 09:07)

    el tamaño importa y de hecho, el tamaño es la causa de las enormes diferencias físicas que separan las dos realidades