La ciencia – 2.10
¿Se han preguntado ustedes a veces de qué estamos hechos? ¿Cuales son nuestros bloques Lego, nuestros ladrillos, el cemento que los une?
“¡Por Tutatis!. Lo sabemos perfectamente”. Estamos hechos de átomos que a su vez están formados por neutrones, protones y electrones, y que a su vez se enlazan entre sí formando toda clase de moléculas, sencillas o complejas.
Pero ¿qué es un átomo? Recuerden ustedes aquella anécdota del fotógrafo de prensa que tras la primera explosión atómica se acercó a Oppenheimer sugiriendole tres fotografías: La primera poniendo un átomo en la mesa de experimentos, la segunda, viendo como se partía en trocitos y la tercera, mirando los trocitos.
Mis manos se mueven sobre el teclado cuando escribo ésto. Puedo ver y sentir las convoluciones en la piel que forman las huellas dactilares. ¿Puedo imaginar que en cada una de esas lineas de piel de mis dedos hay 10²³ átomos? ¿Podemos contar 10²³ objetos?
Hablamos de ellos aunque es difícil asumirlos como objetos familiares.
Pero veamos cómo funcionan, si podemos. En primer lugar los átomos tienen núcleos razonablemente masivos rodeados por electrones muy ligeros. ¿Qué quiere decir ésto? Lo más sencillo es pensar que los núcleos se mueven muy lentamente, como elefantes marinos en una playa rodeados de mosquitos que vuelan a muy alta velocidad a su alrededor.
¿Es esto así?
Lo más común, cuando se habla de mecánica cuántica, es mencionar el “Principio de Incertidumbre de Heisemberg”, en mayúsculas y con una inmnsa reverencia. El principio de incertidumbre es, sin embargo, algo muy sencillo. Se supone que destruyó nuestra confianza en saber cómo se mueven las cosas, porque lo que dice es que, de un electrón moviéndose a muy alta velocidad, no podemos saber con precisión infinita al mismo tiempo su velocidad y su posición. ¿Es esto tan raro? En primer lugar la precisión de nuestras medidas no es nunca, ni siquiera en teoría, infinita. En segundo lugar, miremos un coche a alta velocidad en una autovía. Cuando pasa por un cierto punto de la misma tiene una velocidad de 40 m/s. Pero ¿Cúando pasa por ese punto? ¿Cuando pasa el capó del coche? ¿O la parte delantera del radiador? ¿O el escudo de la marca? O la parte delamtera de ese escudo? ¿O los primeras micras de esa parte delantera? Es difícil, ¿verdad?
Y ¿Un electrón? ¿Cúando pasa por un punto? ¿Cómo podemos “verlo”? ¿Cómo vemos la cara de nuestro bebé en una noche obscura, en la que se ha ido la luz de toda la ciudad, hay nubes espesas y la luna es nueva? La única forma es lanzar un rayo de luz que salga de una linterna que tengamos a mano. Lanzar un rayo de luz es hacer caer radiación electromagnética sobre el objeto. Los átomos de la cara del bebé reciben la radiación, absorben la energía y la devuelven de maneras distintas y con distintas frecuencias, de forma que vemos las mejillas blancas, los labios rojos, los ojos azules y las cejas rubias, por ejemplo. Imaginemos que enviamos energía electromagnética para que caiga sobre un electrón. Si la frecuencia de la radiación es muy baja, las ondas son muy anchas, mucho mayores que el electrón. ¿En que parte de la onda está el electrón? Si la frecuencia de la radiación es muy elevada para que las ondas sean muy estrechas y den o no den al electrón, entonces la energía de esas ondas es muy alta, de manera que si coinciden con el electrón le comunican mucha energía, es decir, le cambian su posición. Por lo tanto es -esencialmente- imposible saber en cualquier instante donde está exactamente un electrón. Por otro lado, si hacemos pasar al electrón por un campo magnético y detectamos su paso, el electrón cambia su velocidad al entrar en ese campo. Si conseguimos tener una idea de donde puede estar un electrón, dejamos de tener información exacta de su velocidad.
Las frases al uso en los libros de mecánica cuántica indican que la diferencia estriba en que en ésta la determinación simultánea de la posición y la velocidad de un electrón es imposible en principio, mientras que si lo es en la mecánica clásica. Pero, ¿Ese principio de la mecánica clásica es correcto? ¿Es posible determinar la velocidad y la posición de un automovil con precisión infinita? ¿O son mecánica clásica y mecánica cuántica ambas solamente aproximaciones a la realidad?
Imaginemos que lanzamos un electrón a través de una rejilla, por ejempo, a través de una pantalla en la que hemos hecho algunos agujeros muy pequeños. Al pasar el electrón por esos agujeros interacciona con los campos eléctricos de los electrones y los protones de la pantalla. Cuando el electrón cae sobre otra pantalla posterior deja en ella una manchita. Si lanzamos muchos electrones uno detrás de otro, bien separados en el tiempo, y dejamos que estos electrones pasen por la primera pantalla observamos un hecho curioso. Cuando hay un solo agujero abierto, los electrones caen sobre la segunda pantalla alrededor de un único punto. Pero cuando hay dos agujeros abiertos los electrones, que pasan uno a uno por la primera pantalla, caen sobre la segunda alrededor de dos puntos. Esto mismo ocurre cuando hacemos pasar ondas de radiación electromagnética por dos rendijas en una pantalla. Es razonable pensar que los electrones se comportan como las ondas em. Pero también es razonable pensar en las interacciones entre los electrones que viajan y los electrones de la primera pantalla. La solución más inmediata es la primera: Decidir que los electrones son ondas que pueden interferir entre sí. Es la más inmediata.
¿Es la correcta? Fresnel y Arago propusieron el éter en 1818. La teoría del éter, que impidió el desarrollo de la física durante 87 años era la más evidente para explicar la propagación de la luz. ¿Era la correcta?
Cuando un rayo de luz incide sobre una hoja de ciertos metales se detecta una corriente de electrones que deben salir de las órbitas atómicas (este es el fundamento de las celdas solares). Dependiendo del metal se precisa una luz de un color o de otro. Supongamos que elegimos un metal que desprende electrones cuando recibe luz azul. Podemos enviarle megawatios de luz roja, que no desprenderá electrones, mientras que unos miliwatios de luz azul si los desprenden. Einstein propuso que la luz estaba cuantizada y que los electrones se desprendían cuando los fotones chocaban con ellos. Pero el fenómeno puede interpretarse como un problema de resonancia, de funciones propias de un sistema oscilante. Solo si los empujones a un columpio tienen la frecuencia adecuada puede este columpio alcanzar la amplitud máxima. Cuando el viento soplaba con la velocidad adecuada para generar una frecuencia de generación de vórtices correcta, se partió el puente de Tacoma. ¿Salen los electrones de sus órbitas solo cuando los hacemos resonar con la frecuencia adecuada? La radiación electromagnética ¿Es un conjunto de fotones o son ondas? Si son fotones, ¿como es un fotón de una onda de la radio pesquera cuya longitud es de varios kilómetros?
Los electrones se ven atraidos por los protones de los núcleos, y giran en torno a ellos en órbitas caóticas o aleatorias. Cuando, por ejemplo, en el hidrógeno hacemos saltar a un electrón de la primera órbita a otra cualquiera de las exteriores, vuelve al poco tiempo a la órbita más baja, más cercana al protón. Pero de ahí no pasa. La ecuación Schroedinger describe este hecho, y solo tiene soluciones para electrones que no caen al núcleo. Pero ¿por qué no caen? La ecuación de Schroedinger no responde a esta pregunta. Podríamos diseñar otras ecuaciones en las cuales los electrones pudiesen caer al núcleo. ¿Por que la ecuación correcta es la de Schroedinger y no a alguna de otras muchas posibles? ¿Cómo explicar la estabilidad de la primera órbita del átomo?
La teoría cuántica funciona razonablemente bien como paradigma de cálculo de los procesos de dimensiones atómicas, aunque los cálculos exigen tantas aproximaciones de caracter semi-clásico que a veces uno llega a preguntarse si ese esquema perfecto de cálculo es tan perfecto. Pero aun asi no deja de ser un esquema de cálculo. Las preguntas básicas siguen sin ser contestadas al cabo de 80 años de teoría.
¿Nos seguimos haciendo preguntas? ¿Seguimos haciendo ciencia o nos limitamos a calcular?
Las teorías físicas al uso son teorías de la realidad, no epistemologías de la realidad: por eso la incertidumbre en mecánica clásica y en mecánica cuántica son bien distintas. En mecánica clásica el error o la precisión de la medida es un añadido a la teoría: no es parte de la realidad sino de la información incompleta que tenemos de ésta, o sea, del proceso de medición. Además y muy importantemente no existe correlación en la incertidumbre de dos magnitudes físicas distintas, v.g. velocidad y posición. En mecánica cuántica, por el contrario, la incertidumbre es estructural en la teoría y es causal: es parte del sistema. (Algunos prefieren suponer que el sistema de medición no puede "desconectarse" del sistema de estudio.) Además, de forma muy importante existe correlación en las incertidumbres de distintas magintudes. En último término, eso conduce a que en mecánica clásica (teniendo en cuenta la precisión de las medidas, usando proyectores) uno pueda hacer proposiciones lógicas con todas las magnitudes del sistema (A está en B, o A no está en B) de forma completa, mientras que en mecánica cuántica algunas de estas proposiciones no tienen sentido, o hay que añadir alguna condición lógica más (no podemos saber si A está en B o no).
Claro que todo lo dicho pertenece a la estructura formal de la teorías, no al objeto físico de estudio. Por supuesto es posible (¿probable?) que la mecánica cuántica sea sólo una aproximación a la realidad.
Hola, arden.arboles:
¿Es así como dices? Es evidente que en la asignatura de mecánica clasica no se introduce la incertidumbre, pero ésta existe realmente en la mecánica de los cuerpos incluso del tamaño de planetas y soles: ¿Como describe la asignatura de mecánica clásica el movimiento de 4 estrellas de masas semejantes en interacción gravitatoria? No lo encontrarás en ningún ningún libro ni en ningún artículo. En ese movimiento la incertidumbre es esencial, no es posible, ni siquiera en principio, describir el movimiento de forma detallada, o con precisión.
Esto debería ser reconocido en esos libros de texto que deberían empezar en la primera página indicando que en las 500 páginas siguientes van a desarrollar un ingente aparato matemático para describir el movimiento de dos cuerpos de masas iguales, de varios cuerpos, uno de ellos de masa muy grande y los demás muy pequeñas, el oscilador armónico lineal para amplitudes pequeñas y
las leyes generales de la energía, punto.
En la mecánica cuántica hubo que introducir la indeterminación desde el principio, pues es imposible tratar los electrones como sistemas de dos masas aisladas: La medida de la posición o velocidad de un electrón implica su interacción con un sistema enorme de otras partículas o de otros "fotones", e incluso es imposible, esencialmente imposible, pensar en un electrón, aún en medio del espacio intergalactico, aislado de otras interacciones.
En otro de estos blogs hago la pregunta de si lo que se afirma muchas veces, que la dinámica de los cuerpos macroscópicos es reversible en el tiempo, es real para el movimiento de más de dos cuerpos de masas similares en iteracción mútua. Es claro que las ecuaciones de Newton son reversibles en el tiempo, pero ¿lo es el movimiento? Para conseguir esa reversibilidad necesitaríamos una precisión infinita en la especificación de velocidades y posiciones.
Lo que falla en el argumento es la asumpción implícita, y falsa, de que existe la precisión infinita. Voy a escribir, hoy o mañana, otro blog hablando del problema (que viene ya desde Laplace) de la matematización de la física, del asumir que la física son matemáticas.Las matemáticas funcionan siempre que las hipótesis de los teoremas sean correctas, pero no hay nada en las matemáticas que nos permita probar esa corrección de las hipótesis. La física, menos mal, comprueba las hipótesis en el laboratorio. No las "prueba" pero las comprueba.
Menos mal que no podemos conseguir la "verdad absoluta" , la "teoría del todo". Menos mal que existe la posibilidad de una vida con sorpresas.
Saludos cordiales
No estoy seguro de entenderle del todo.
Pretende usted indicar que si a la mecánica clásica le añadimos a nivel fundamental cierta incertidumbre clásica, asociada a la imposibilidad práctica o fundamental de tener precisión infinita, ¿eso bastaría o podría bastar para predecir el resultado estadístico de cualquier experimento microscópico?
Su argumento me recuerda a algo que leí de André Julg. Si mal no recuerdo, aproximadamente venía a decir que el cero de energía, la incertidumbre cuántica y de hecho todas las aparentemente sorprendentes propiedades cuánticas se podrían reducir a efectos electromagnéticos debidos a un entorno inseparable del objeto de estudio, quizá incluso asociable a la radiación de fondo del universo.
Aunque no podamos controlar la relación de nuestro sistema con el todo, sin embargo, sí podemos controlar el grado de interacción entre dos partes de un sistema, y sabemos que muchas propiedades que desafían la localidad no pueden reducirse a correlaciones iniciales entre los subsistemas (desigualdades de Bell). No creo que las bifurcaciones en el espacio fásico ni nada por el estilo de la dinámica no lineal puedan justificar este comportamiento.
Disculpe además que se me haya olvidado saludarle y agradecerle su respuesta anterior.
LeoGim se defiende de los esclavos, es decir los mamelucos-. Creo energa, por primera vez, al conseguir empujar toneladas sin precisar variar el volumen de fluido-. En mi rotacin, lleno de aceite mineral, alcanzo el punto de fuerza cuando mi plano de trabajo abre un ngulo determinado donde todos los vectores directores de fuerzas inciden en un 80 % sobre el seno del ngulo recto del plano de trabajo y del perpendicular, el seno del ngulo fijo de la camisa aporta su fuerza unidireccional al plano de trabajo como gradiente-. El momento de fuerza se produce al inyectar un 0,5 % del volumen de la masa por cada 70 k/pcm2 que eleva la presin de empuje. El volumen de fluido de ambos ngulos obligan a la rotacin del cilindro-rotor, y cuando los planos perpendiculares se separan con el giro, los surcos hacen posible mantenerlos comunicados durante el tramo que empuja SIN VARIAR LA PRESION Y EL VOLUMEN.
Sres. De madridmasd, representis la ciencia de I+D+I de Espaa, la que hace que la cada de la industria del tocho sea irrelevante para la economa, que derroche de talento,. Deberais empezar a asimilar lo mas fcil, el portal de libertad que supone Internet, -para todos-.
Os continuo retando a que en este portal expongis vuestros argumentos tcnicos- contra LEOGIM. El insulto dejarlo para los polticos, a m, no me paga nadie.
LEOGIM Motor Hidrulico.
http://www.energia-electrica-leogim.info
Eduardo Ferreyra, desconozco si perteneces a madridmasd, para decir lo que escribes. Te aclaro que son ellos los que están insultando a través de realizar más de cien Links, en 24 horas, con el objeto de insultar y desprestigiar la invención. Madridmas I+D+I están vinculados con la ciencia de España y otros países. Mejor harían en exponer públicamente sus argumentos contra LEOGIM de manera técnica, si son capaces entre tantos Doctores de Ciencias, los estoy esperando para dejarlos en ridículo y llamarles lo que se merecen, mientras llega el momento de que les haga comparecer en los tribunales, amén de otras acciones. A madridmasd, les debería dar vergüenza del papel que están haciendo –sirviendo a quien yo me imagino- que no dudaré en sacar públicamente.
No pe pidas que me calle al insulto Javier, soy una persona que no he recibido nunca, un céntimo del Gobierno, a ti no se te cae la cara de vergüenza, si es que la conoces, diciéndome lo que debo hacer, como dice ese que opina ¿eres gilipollas? O que te mueve en esto. Todo el gasto lo vengo poniendo yo, y como sabrás los organismos del estado gastan y también despilfarran muchos millones. Mi trabajo de años no me lo paga nadie, faltaría más que aguante insultos de un centro de ciencias, que ellos si que cobran de mis impuestos. Anímalos a que expongan sus dudas, os espero.