UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SOBRE EL MIEDO A LA FÍSICA CUÁNTICA

MATEO SÁNCHEZ ESPEJO

INGENIERÍA MECÁNICA

PRINCIPIOS DE QUÍMICA

MARCO FIDEL SUAREZ HERRERA

Bogotá D.C.

Mayo de 2014

Introducción

“Hasta el más valiente de nosotros pocas veces tiene el valor de enfrentarse a lo que realmen

te sabe ... ”

Cómo se filosofa a Martillazos. Friedrich Nietzsche (1844-1900)

Hace un tiempo decidí salir a preguntar a las personas que pasaban por un centro comercial1

si sabían algo sobre física en general. La gran mayoría contestó asuntos relacionados con las

fuerzas y la energía, aunque ninguno de ellos definió los conceptos en sí. Decidí ser más espe

cífico y preguntar si en realidad sabían o tenían una idea de lo que era la física cuántica, las re

spuestas de esta segunda pregunta fueron el motivo para realizar este escrito.

¿Qué es lo que hace que las personas que “no son de ciencia”2 desconozcan esta teoría? ¿C

ómo es que hemos ignorado por tanto tiempo, por no decir siempre en algunos casos, un conj

unto de ideas que le han dado forma a la forma de ver el mundo en el siglo XX y por consiguie

nte al siglo XXI? Si se podría decir que casi 1/3 de la economía mundial depende de los logros

de esta teoría3.

El principal objetivo del presente documento es hacer ver al lector la importancia de una de las

teorías más sólidas de la física a lo largo del siglo XX, la mecánica cuántica.

Busco introducir los postulados básicos de esta teoría ya que con estos, se podría llegar a hac

er una idea (con un poco de imaginación) de los alcances de la misma, y además, hacer ver a

que la física moderna puede llegar a ser de mucho interés para cierto tipo de personas que de

sconocen de estos temas pero que les hace falta un “chispazo” para despertar su asombro y s

u curiosidad hacia los fenómenos que rigen la naturaleza.

Antes, hay que saber qué es y qué estudia la física cuántica. En palabras de Richard Feynm

an4:

“La mecánica cuántica es la descripción del comportamiento de la materia en todos sus detall

es y, en particular, de lo que sucede a escala atómica. Las cosas a una escala muy pequeña

no se comportan como nada de lo que ustedes tengan experiencia directa. No se comportan c

omo ondas, no se comportan como partículas, no se comportan como nubes, o como bolas de

billar, o como pesos colgados de muelles, o como nada que ustedes hayan visto alguna vez.”

1 Centro Comercial “Ecoplaza”. Mosquera, Cundinamarca. 2 De pequeños, somos científicos natos, observamos, nos preguntamos y experimentamos. Algo similar al método científico 3 http://www.youtube.com/watch?v=-9k8JnqujC8 4 Feynman, Richard (2011). Six easy pieces. Disponible en: http://f3.tiera.ru/2/P_Physics/PPop_Popularlevel/Feynman%20R.P.,%20Leighton%20R.B.,%20Sands%20M.%20Six%20Easy%20Pieces%20(Basic%20Books,%202011)(ISBN%200465025277)(O)(177s)_PPop_.pdf

La catástrofe ultravioleta

“… Ha habido, pues, varias épocas en la historia que se han sentido a sí mismas como arriba

das a una altura plena, definitiva: tiempos en que se cree haber llegado al término de un viaje,

en que se cumple un afán antiguo y se plenifica una esperanza...”

La Rebelión de las Masas. José Ortega y Gasset (1883-1955)

¿Qué es un cuerpo negro y por qué ese nombre? ¿Por qué el acero, por ejemplo, rojo brillante

luego amarillo y después blanco cuando se calienta?

Para responder la primera pregunta, un cuerpo negro es un sistema térmico físico idealizado

para estudiar la emisión electromagnética que incide sobre este mismo. El término se debe a

que los materiales oscuros son capaces de irradiar y de absorber energía en una buena propo

rción. Fue propuesto por Gustav Robert Kirchhoff.

Los científicos lord Rayleigh y James Jeans utilizando los conceptos clásicos, llegaron a result

ados paradójicos luego de deducir sus fórmulas para responder esta segunda pregunta. Un ej

emplo de esto es que un cuerpo negro al ser incidido con radiación electromagnética debe em

itir energía a altas frecuencias (en el espectro ultravioleta), tanta que al hacer los cálculos de

la energía interna, esta será infinita. Lo cual está en completo desacuerdo con los datos experi

mentales y los postulados de la conservación de la energía. Esta situación es conocida como

“la catástrofe ultravioleta”.

Max Karl Ernst Ludwig Planck en “un acto de desesperación para salvar la teoría…” recurrió

de mala gana a la mecánica estadística de Boltzmann para explicar este fenómeno. Su idea fu

e tratar la radiación electromagnética de la misma forma que se trataba el calor en la termodin

ámica. Igual que la temperatura es la acción conjunta de muchas partículas, Planck idealizó

unos osciladores o diminutas unidades subatómicas de un campo electromagnético (que deno

minó “cuantos”) para describir la luz, y para que cuadrara matemáticamente su teoría establec

ió una relación entre la frecuencia de la luz y la energía de cada una de esas pequeñas unida

des. Al final, los resultados teóricos de Planck concordaron con los datos experimentales.

Lo que nunca se imaginó, fue que estos osciladores que idealizó iban a ser reales. Pero en un

a época donde la física atómica se desarrollaba con una velocidad vertiginosa, la nueva formu

lación tuvo resultados sorprendentes en los científicos jóvenes de la época, plantando así la

semilla para el nacimiento de la física cuántica.

Cabe resaltar que a finales del siglo XIX la física era una ciencia determinista en donde todos l

os fenómenos estaban explicados por las leyes de Newton y por las ecuaciones de Maxwell,

no había oportunidad para la probabilidad. Inclusive, Lord Kelvin llegó a afirmar que no había

nada nuevo que descubrir, sino que simplemente había que hacer mediciones más exactas.

Superposición e incertidumbre

“Lo opuesto de una afirmación correcta es una afirmación falsa. Pero lo opuesto de la profund

a verdad, puede ser otra profunda verdad”

Atribuido a Niels Bohr (1895-1962)

¿Y… algo puede llegar a hacer dos cosas al mismo tiempo? ¿Cómo podemos saber que lo

que estamos viendo es verdad? ¿Qué tal si con el simple hecho de mirar, perturbáramos el re

sultado de lo que se quería en un principio?

Estos, son unos de los pilares de la mecánica cuántica, y con pilares me refiero a las ecuacion

es de onda que describen la probabilidad de que una partícula se encuentre en un punto deter

minado si se comporta como una onda, de Erwin Schrödinger y la ineficacia al hacer una medi

ción de un sistema cuántico (nunca se va a saber el lugar y la velocidad exacta de una partícul

a, si se tiene un parámetro, no se tiene el otro), de Werner Heisenberg.

Schrödinger trató de describir el comportamiento de los electrones en un átomo. Para hacer e

sto decidió tomar la partícula y describir su movimiento como si este fuera el de una onda, es

decir, se inclinó por decir que un electrón podía ser dos cosas al mismo tiempo. Utilizó el conc

epto de “cuantos” de Planck y la probabilidad para describir este comportamiento. Gracias a e

sto llegó al concepto de “función de onda”, donde a cada sistema cuántico está descrito en su

mayor parte por una de estas. Su ecuación revolucionó la física introduciendo la idea de la

dualidad onda-partícula no solo en un átomo, sino en toda la materia5.

Heisenberg tomó otro camino, y estableció luego de sus estudios que nunca podremos tener

conocimiento de dónde está esa partícula en realidad, ya que el solo acto de observar o medir

el experimento hacía que la función de onda colapsara, lo que quiere decir que no se puede

predecir con exactitud la futura trayectoria de la partícula.

Adicional a esto, existe un experimento que nos da a entender lo que es este extraño mundo

de la mecánica cuántica:

Entre una pared y un dispositivo existe una lámina con dos rendijas en ella. Al lanzar una cani

ca hacia la pared se observó que esta solo podía atravesar una de las rendijas. Luego se lanz

5 Baker, Joanne (2007). Traducción: 50 cosas que hay que saber sobre física. 6ta ed. Barcelona España.

Editorial Ariel, S.A.

aron ondas hacia estas dos rendijas, el resultado en la pared fue un patrón de interferencia de

las ondas, algo así como un código de barras, pero siguiendo unos lineamientos específicos.

Ya sabiendo cómo se comportaba una partícula y una onda por aparte, se decidió hacer este

mismo proceso, pero con electrones. Después de ser lanzados se observó que en la pared ha

bía un patrón de interferencia, es decir, una partícula se estaba comportando como una onda.

Entonces decidieron colocar un dispositivo en la rendija para analizar qué era lo que pasa, e l

resultado fue aún más desconcertante, ya que al observar que era lo que pasaba, el electrón

se estaba comportando como una partícula. ¿Qué era lo que pasaba? Parece como si el elect

rón decidiera actuar de una manera diferente cuando lo observan y cuando no lo observan.

Analizando este experimento desde el punto de vista de la teoría cuántica se llegó a concluir un electrón, al no ser observado, se interfiere a sí mismo y por eso crea los patrones de interferencia. Esto se debe a que en la función de onda del sistema, hay probabilidades de que el electrón pase solo por una, por las dos y por ninguna de las dos rendijas al mismo tiempo, es decir, los eventos están en superposición unos con otros (son varias cosas al tiempo).

Entonces, ¿qué pasa cuando queremos observar el experimento? Acá es cuando la incertidumbre de Heisenberg entra en el juego. El simple hecho de querer observar qué era lo que en realidad le sucedía al experimento, hizo que la función de onda colapsara y que el electrón se comportara como como una partícula, es decir, siguiendo la línea recta que marcaba cada una de las rendijas.

Un gato paradójico

I.

II.

Siguiendo con el tema de la superposición e incertidumbre, he aquí una analogía que permite hacerse una idea un tanto más concreta de este fenómeno:

“…..Pueden incluso plantearse casos bastante absurdos. Un gato está encerrado en una cám

ara de acero, junto con el siguiente aparato (que debe ser protegido frente a una posible injerencia por parte del gato): en un contador Geiger 6hay una minúscula cantidad de una sustancia radioactiva, tan pequeña que tal vez, en el transcurso de una hora, uno de los átomos se desintegre, pero también, con igual probabilidad, ninguno lo haga; si sucede, el tubo del contador Geiger se descarga y, a través de un relé, libera un martillo que rompe un pequeño frasco de ácido cianhídrico. Si se deja este sistema aislado durante una hora, podríamos decir entonces que el gato seguirá vivo si ningún átomo se ha desintegrado. La función de onda de este sistema expresaría esto incluyendo el gato vivo y el gato muerto (perdón por la expresión) mezclados o esparcidos a partes iguales.”

Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Erwin Schrödinger (1887-1961)

Aunque está situación se haya planteado para demostrar lo ridícula que le parecía la interpretación de Copenhague7 al autor, paradójicamente, este es uno de los casos más citados a la hora de dar a entender a las personas lo que es la superposición cuántica.

El mar de Dirac

“Nada es lo bastante maravilloso si está de acuerdo con las leyes de la naturaleza”

Michael Faraday (1791-1867)

¿Qué es la antimateria? ¿Cuánta hay?

Paul Adrien Maurice Dirac, un físico de comienzo del siglo decidió combinar el trabajo previo

de Heisenberg y de Schrödinger en un único modelo matemático, por este trabajo recibió un

doctorado en física por parte de la universidad de Cambridge. Adicional a esto también logró

combinar parcialmente la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica para

predecir la existencia del positrón (misma masa, signo positivo), la antipartícula del electrón.

Pero solo fue el comienzo de lo que hoy conocemos como “antimateria”, Dirac también dedujo

lógicamente la existencia de la antimateria en general, y no solo el positrón, el cual dedujo teó

ricamente8:

“Al analizar la naturaleza de las partículas subatómicas Dirac comprendió lo que gracias a él s

abemos hoy: que hay una infinidad de estados cuánticos9 en los que dichas partículas pueden

6 Es un detector de partículas y de radiaciones ionizantes. 7 Niels Bohr desarrolló la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, para dar una aproximación

filosófica de la nueva ciencia. Esta argumentaba que un experimento aislado es algo que no existe, que las intervenciones del observador determinan los resultados de los experimentos cuánticos. 8 http://es.wikipedia.org/wiki/Mar_de_Dirac 9 Un estado cuántico queda caracterizado por los posibles valores de las propiedades físicas observables.

estar. Pero entonces debían de existir ya una infinidad de partículas ocupando todos esos po

sibles estados cuánticos, este es el mar de Dirac, del que también se deduce la antimateria, y

a que es posible mediante aceleradores de partículas y otros medios de convertir a una partíc

ula en otra y así "sacarla" del mar de Dirac, lo cual resultaría en un estado cuántico que nada

ocuparía, y que Dirac comprendió que no podía ser, así que dedujo que cuando una partícula

se convertía en otra debía de haber también alguna, en alguna parte, que "bajara" y ocupara

dicho espacio, solo que lo haría con la energía opuesta a la otra que había "salido", esta es la

antimateria.”

¿Puede existir un imán con solo un polo?

Dirac también es conocido por sus avances teóricos en los monopolos magnéticos, ya que gra

cias a estos se podría explicar la cuantificación de la carga eléctrica.

La teoría cuántica en un colegio de Mosquera…

“¿Cómo es que, siendo tan inteligentes los niños, son tan estúpidos la mayor parte de los ho

mbres? Debe ser fruto de la educación.”

Alejandro Dumas (1803-1870)

Dejando los temas teóricos a un lado y teniendo presente lo que sucedió en el centro comerci

al, decidí ir a un colegio de carácter público a preguntarles a los estudiantes si sabían algo

sobre la mecánica cuántica. Cabe resaltar que esto fue posible gracias a la generosidad de la

rectora del plantel.

Lo primero que hice fue acercarme a un grupo de unos siete estudiantes que estaban

reunidos tomando algo y hablando entre ellos. Los abordé haciendo la pregunta con la que em

pecé la primera encuesta. Al tener los temas más frescos que los primeros encuestados, se

podría decir que fue casi de inmediato que me empezaron a hablar sobre conceptos newtonia

nos10 como momento, ondas, cinemática, conservación de la energía, etc. Entonces les hice

la segunda pregunta: ¿Qué saben sobre la física cuántica? Ninguno contestó. Les hablé un

poco sobre el Gato de Schrödinger y me despedí de ellos después de preguntarles sobre su

profesor de física.

Fui a ir a preguntarle al profesor de física del colegio sobre la razón por la cual los estudiantes

de último grado no veían en su programa, por lo menos, lo que eran los principios de la mecá

nica cuántica. A esto, él me respondió que no era necesario ver esos temas, que con lo que te

nían era suficiente. Y…¿Qué tal que por dejar de enseñar estos temas se le niegue la oportuni

dad de conocer más de ciencia a unos de los “posibles científicos que tiene o que tendrá com

10 Física clásica.

o alumnos? ¿Es posible, que el profesor, al no entender estos temas, le haya cogido miedo, q

ue después inculcó indirectamente a los alumnos, a las nuevas teorías, y con esto, hacer crec

er el número de personas que repudian estos tipos de temas?

Lo que me llamó la atención de todo esto fue que al salir del colegio, uno de los estudiantes

con lo que hablé cuando entré, me pidió que le hablara más sobre estos temas…

Conclusiones

Pienso, que la mejor manera de dar a conocer a las personas los principales postulados de la

mecánica cuántica, es enseñarles primero que todo la “magia” que hay detrás de todo esto, ya

que cosas como estar vivo y muerto al mismo tiempo, depender únicamente de probabilida

des, ver que existen versiones opuestas de una misma cosa como es el caso de la antimateria

, entre otros, hacen despertar cierto interés en aprender estos temas, ya que por naturaleza pr

opia, los seres humanos siempre hemos querido saber más sobre los temas que nos llaman la

atención.

Pero también se tiene claro que habrá personas que no les interesen estos temas, o que simpl

emente se quieren quedar con su visión clásica del mundo. De cualquier modo se habrá cump

lido con uno de los objetivos que tienen los escritos que hablan de ciencia, enseñar un poco

sobre la naturaleza de las cosas y hacer ver a las personas que una cosa es tener miedo a lo

desconocido y otra muy distinta es el miedo a lo que no queremos saber.

“Recordemos también que el futuro no es nuestro, pero tampoco puede decirse que no nos pertenezca del todo. Por lo tanto no hemos de esperarlo como si tuviera que cumplirse con certeza, ni tenemos que desesperarnos como si nunca fuera a realizarse.”

Carta a Meneceo. Epicuro (343 a.C.-270 a.C.)

Referencias

Baker, Joanne (2007). Traducción: 50 cosas que hay que saber sobre física. 6ta ed. Barcelona España. Editorial Ariel, S.A.

Reshetkov, Alexander (2011). 50 paradojas de la física. 1era ed. México D.F. Editorial Limusa

Fernandez Vidal, Sonia, (2011). La puerta de los tres cerrojos. 1st ed. Barcelona, España. Editorial La Galera

Campos Romero, Diógenes(2012). La Física, una odisea en la escalera de Jacob. 1era ed. Universidad Jorge Tadeo Lozano.

Sagan, Carl, (2000). El mundo y sus demonios. 1st ed. Barcelona, España: Editorial Planeta

Feynman, Richard (2011). Six easy pieces. Disponible en: http://f3.tiera.ru/2/P_Physics/PPop_Popularlevel/Feynman%20R.P.,%20Leighton%20R.B.,%20Sands%20M.%20Six%20Easy%20Pieces%20(Basic%20Books,%202011)(ISBN%200465025277)(O)(177s)_PPop_.pdf

Lewin, Walter (2011). For the love for physics. Disponible en: http://www.librosmaravillosos.com/poramoralafisica/pdf/Por%20amor%20a%20la%20fisica%20-%20Walter%20Lewin.pdf

Bibliografía de imágenes

I. http://deista.wordpress.com/2010/08/08/el-gato-de-schrodinger-o-la-paradoja-de-

schrodinger-fisica-cuantica/ II. http://www.astromia.com/astronomia/paradojagato.htm