Aquí intento describir cuales son las enseñanzas que me quedan luego de haber escrito estas 100 paginas sobre un tema tan extraño para el común de las personas como es la física cuántica.
v Lo primero que quiero destacar es que realmente a través del proceso de escribir acerca de un tema, por mas que esto no sea totalmente original, sino que trata de ordenar conceptos; facilita la incorporación de conocimientos. Es decir, luego de realizar este trabajo he aprendido y entendido mucho de lo que antes con una simple lectura no lograba comprender.
v El concepto de modelo que se describe en el capitulo de las diferentes realidades cuánticas, me parece esclarecedor y adaptable a otras disciplinas. A lo largo de toda mi vida muchas de los cosas que aprendí, me fueron enseñadas como verdades absolutas. Esto produjo en mi, y creo que en muchas personas también, la imposibilidad de ver las cosas desde otros ángulos, es decir la imposibilidad de avanzar en la búsqueda de la verdad utilizando modelos como herramientas para avanzar en la construcción del conocimiento. Aceptar a los modelos no como la realidad, sino como la mejor representación de la misma en un momento determinado. Esto abre la mente, porque nos hace pensar las cosas no como definidas y determinadas, sino pasibles de cambiar o evolucionar. Esto es valido para otras disciplinas. Vemos como en economía se insiste en modelos para determinadas realidades, que si bien funcionan en algunos contextos, podrían no funcionar en otros, así y todo, no vemos un esfuerzo honesto por encontrar alternativas tal como realizaron los físicos a principio de siglo, incluso teniendo que ir contra trescientos años de pensamiento clásico.
v La creatividad con que estos personajes encararon los problemas a resolver. Planck inventando su constante simplemente para que los números le cerraran aunque no tenia ninguna fundamentacion física; Einstein tomando estas ideas para dar una explicación sencilla del efecto fotoeléctrico; Bohr desarrollando un modelo atómico, que si bien en un principio tenia muchas fallas, dio pie a que se siguiera investigando y avanzando sobre el mismo; De Broglie, extendiendo por razones de simetría, de elegancia diría yo, el concepto de ondas que también eran partículas, a las partículas para que también estas se comportaran como ondas; Schrodinger aplicando teorías conocidas y muy manejadas como las de las ondas a la partícula que De Broglie le encontró características de onda, el electrón, desarrollando así la mecánica ondulatoria; Dirac creando una teoría completa de la mecánica cuántica a partir de un borrador de Heisenberg que le fuera dado por su tutor. Vemos como los avances no son ni meticulosos, ni prolijos, sino que estos hombres se tiraban a la pileta y luego con total honestidad discutían, pensaban y escribían. Este es un habito perdido y que debiera tratar de incorporarse en la educación de los hombres.
v Es imponente la gran cantidad de desarrollos teóricos en temas tan complejos que se lograron en un periodo de tiempo tan corto, entre 1900 y 1925. Es increíble también que hayan compartido un momento en la historia tantos científicos de renombre. Me hace suponer que para que esto ocurra no es solo fruto de la casualidad, sino que el entorno también ayuda; este entorno es el que se debe facilitar desde los gobiernos.
v Se debe hacer divulgación científica de la misma manera que se intenta hacer divulgación artística. Así como las letras y las artes son buenas en si mismas porque humanizan al hombre, las ciencias también lo son y logran los mismos resultados. La divulgación además, permitiría un mayor gusto por la ciencia y por lo tanto una mayor inclinación de jóvenes hacia estos temas. El desarrollo científico es a su vez generador de mejoras en la calidad y estándar de vida de las sociedades. No obstante estos desarrollos no pueden ser planificados, simplemente se debe brindar el espacio, el entorno y las posibilidades. La curiosidad e inquietud del ser humano por conocer mas, es lo que producirá el avance.
v Leyendo una reflexión de Richard Feynman acerca de la religión y la ciencia, decía que estas no pueden estar juntas. Su razonamiento es que la ciencia parte siempre de la dudad a partir de donde construye e investiga, mientras que la religión parte de verdades absolutas. No comparto este criterio de Feynman; la religión implica la fe en un Dios creador, y como todo lo referente a la fe no es absoluto, la fe es un don y se va adquiriendo con idas y vueltas a lo largo de toda la vida, nunca estamos totalmente seguros. La fe debe hacernos mas humildes ante la grandeza de un Dios creador. La verdadera ciencia también nos hace mas humildes ante la grandeza de mecanismos tan maravillosos e incomprensibles para el entendimiento humano. Mi fe en un Dios grande crece, al encontrarme con estos temas, no solo por los temas en si, sino también por los caminos y los desarrollos que adoptan los hombres para dar con explicaciones a lo que ocurre. ¿Quién puso la inteligencia asombrosa que hay en hombres de la talla de los que aquí mencionamos?
v Percibo la importancia de las matemáticas como herramienta fundamental para poder expresar ideas y conceptos que de otra manera seria imposible expresarlos. Es por eso que me interesaría poder avanzar en los fundamentos matemáticos de la física cuántica, aunque no creo que esto sea factible para mi hacerlo solo. Aquí el grupo de trabajo y el maestro son imprescindibles.
El buscar y lograr mayor conocimiento acerca de algo, como en este caso para mi en temas científicos, es en si mismo una actividad muy motivadora y reconfortante. En un estado del mundo donde solo se privilegia el criterio utilitario de todo, inclusive del conocimiento; experimentar por mi mismo la no necesidad de que las cosas solamente valgan por lo que sirven o producen es un avance importante. La felicidad, al menos mi experiencia así me lo indica, se consigue también aprendiendo cosas novedosas de cómo es nuestro mundo, aunque no busquemos aplicaciones concretas para estos conocimientos. En pocas palabras, la búsqueda del conocimiento en si mismo produce felicidad, yo creo que esto se debe a que se involucra algo muy excelso del ser humano, aquello que lo hace ser imagen de Dios: su inteligencia.
domingo, 1 de fevereiro de 2009
Galería de monstruos: Einstein, Bohr, Planck, Schrödinger, de Broglie, Heisenberg, Born, Dirac, Pauli, Feynman, Gell-Mann
El desarrollo de la física cuántica fue el esfuerzo de muchos hombres de ciencia que en el transcurso de 25 años revolucionaron un campo que se creía acabado para nuevos avances, y que continua hasta nuestros días. La idea aquí es simplemente recordar a esos monstruos de la ciencia, con algunos datos personales y menciones acerca de cuales fueron sus logros, algunos de los cuales se han desarrollado a lo largo de este trabajo.
v Albert Einstein (1879-1955): Lo mas notable de este hombre fue que con sus trabajos acerca del efecto fotoeléctrico, confirmo de alguna manera los avances de Planck acerca de la existencia d e los cuantos de energía. No obstante lucho hasta el fin de su vida contra la interpretación que se le daba a esta física que el ayudo a nacer. Sin duda el mundo lo conoce a Einstein por su Teoría de la relatividad, en sus versiones especial y general. Esta teoría junto con la cuántica fueron las que le quitaron el sueño a los clásicos. Einstein nació en la ciudad de Ulm, gano el premio Nobel no por sus dos teorías de la relatividad sino por el mencionado efecto fotoeléctrico. Cuando quiso entrar en la escuela técnica de Zurich, fracaso en el ingreso por lo que tuvo que pasar un año reforzando sus conocimientos de matemáticas antes de poder ingresar. No fue un alumno brillante, no consiguió un trabajo fácilmente al graduarse y tuvo que contentarse con un empleo menor en una oficina de patentes en Berna. Allí en sus ratos libres fue desarrollando trabajos científicos que finalmente le permitieron alcanzar su doctorado. Fue a partir de 1909, que logro ingresar como profesor en la Universidad de Zurich. Con la llegada de Hitler a Alemania, Einstein se mudo a Princeton USA donde permaneció desde 1933 hasta su muerte. Nunca como dijimos acepto la interpretación de Copenhague de Niels Bohr, con su famosos dicho que “Dios no juega a los dados”, por lo que, a su criterio, debería existir algún mecanismo o variables ocultas que hicieran que el Universo fuera explicable dentro de la lógica humana, y con un carácter mas determinístico y no tan probabilístico en sus comportamientos, como surgía en todos los sistemas cuánticos estudiados.
v Niels Bohr (1885-1962) : Físico danés quien obtuvo el premio Nobel por sus trabajos acerca d la estructura del átomo basada en la espectroscopia y la física cuántica. Inicio sus trabajos con J.J.Thomson pero no tuvo éxito en sus relación personal con este físico. Se traslado entonces a Manchester para trabajar con Ernest Rutherford quien recientemente había descubierto la estructura atómica constituida por un núcleo en el centro y partículas cargadas (los electrones) como en orbitas alrededor del núcleo. En 1916, las autoridades de Dinamarca, le ofrecieron una cátedra y la promesa de armar su propio Instituto. Así en 1918, el Instituto de Física Teórica se estableció con donaciones , principalmente de la cervecería Carlsberg, siendo Bohr nombrado Director, cargo que retuvo hasta su muerte. Dentro de ese Instituto, Bohr atrajo para trabajar durante periodos mas cortos o largos a los mejores físicos teóricos del momento, brindándoles estímulos para el desarrollo de ideas acerca de la teoría cuántica. La interpretación que surgió de este Instituto, se transformo en una de las clásicas para la física cuántica, se la conoce como la interpretación de Copenhague. Si bien muchos fueron los que aportaron para fortalecer esta interpretación de la física quántica, la fuerte personalidad de Bohr y su prestigio personal fueron factores decisivos para que la interpretación de Copenhague fuera “la interpretación aceptada de la mecánica cuántica”, a pesar de sus falencias, hasta las décadas del 80 y 90. Bohr siempre tuvo una preocupación relacionada con la posibilidad de construir armamento nuclear a partir del desarrollo de sus teorías. Después de la guerra, trabajo activamente para el control de las armas nucleares y organizo la primera conferencia denominada Átomos para la Paz, en Ginebra en 1955.
El principal aporte de Bohr como dijimos fue su desarrollo del modelos atómico. En este , Bohr decía que los electrones que están en orbita alrededor del núcleo, no caen en espiral como predecía la teoría electromagnética, sino que los mismos se encuentran en orbitas estables, correspondientes a ciertos niveles fijos de energía, en donde pueden mantenerse sin perder energía. Estos niveles fijos no adoptan cualquier valor, sino que son múltiplos enteros de una cantidad mínima: el cuanto de energía. De esta forma solo existen estas orbitas permitidas y entre ellas nada, es decir no hay orbitas intermedias. Este cuanto de energía es medido en términos de la constante de Planck h. Un electrón según explicaba Bohr, puede saltar de una orbita permitida a otra, ya sea emitiendo la energía sobrante, si es que pasa de una orbita de mayor energía a una de menor (proceso de acercamiento al núcleo), o absorbiendo energía en el caso contrario. Este cuanto de energía que emite o absorbe, lo hace en la forma de un fotón cuya energía es la que resulta de la formula de Planck DE = h.n, donde n es la frecuencia del fotón sea emitido o absorbido. Además Bohr agrego el concepto de que las orbitas permitidas no pueden albergar a un numero ilimitado de electrones sino que pueden completarse. La representación grafica o visual de este modelo es la de los electrones que como bolitas están ubicados en los escalones de una escalera cuya capacidad es limitada. Cuando un escalón tiene lugar libre, otro electrón situado en un peldaño superior puede caer hacia ese lugar libre, perdiendo la energía correspondiente al salto o diferencia de altura entre ambos escalones. Estas caídas y subidas explicaban las líneas de emisión y absorción en los espectros de la luz emitida por los átomos de gases monoatómicos. El genio de Bohr consistió en que no pretendió ni se preocupo por armar una teoría completa y consistente del mundo atómico, sino que tomo parte de la teoría cuántica (el cuanto de energía), parte de la clásica ( las orbitas) y las combino para intentar explicar fenómenos hasta ese momento inexplicables. Bohr explico este modelo en Inglaterra durante 1913 con diferente suerte, algunos lo aceptaron y continuaron avanzando sobre el mismo, otros lo desecharon. Finalmente en 1922 Bohr recibe el premio Nobel debido a este trabajo. Los avances fueron lentos, el modelo de Bohr permitía muchas mas líneas en los espectros de las que en realidad se veían. La limitación de la cantidad de electrones en cada orbita permitida, también era una idea arbitraria y sin comprobación aparente. Estas propiedades, se organizaron mediante la asignación de números, llamados números cuánticos, que servían para describir el estado del átomo y hacer que su comportamiento fuera convalidado por las observaciones. Bohr no dio en ese momento, ninguna explicación teórica de donde provenían estos números cuánticos o porque algunas transiciones no eran permitidas. A pesar de todas estos puntos débiles, el modelo funciono. Predijo la existencia de líneas en el espectro que hasta el momento no habían sido detectadas pero que fueron luego detectadas experimentalmente en los lugares exactos donde el modelo las pronosticaba.
v Max Planck (1858-1947) : Físico alemán quien fue el primero en darse cuenta a fines del siglo XIX que la radiación de un cuerpo negro (un radiador perfecto) podría explicarse si se consideraba que la energía electromagnética absorbida o irradiada, solo lo hacia en forma discreta y no continua, en cuantos o paquetes de energía. Planck no pensaba en la existencia de los después llamados fotones, sino que simplemente era su forma para explicar la interacción entre los átomos que oscilaban al ser calentados y las radiaciones que se generaban en el interior de este cuerpo radiante, interacción esta que debía mantenerse en equilibrio. Planck era un eximio pianista, tocando a veces junto con Einstein quien lo acompañaba con el violín. Fue profesor de física en la Universidad de Berlín desde 1892 hasta su retiro en 1926 cuando fue sucedido por Erwin Schrodinger, otro de los hacedores de la cuántica. Planck fue un físico de la vieja escuela que trabajaba muy duro y era sumamente conservador en sus ideas, su gran interés era la termodinámica, de allí su interés en intentar resolver lo que se conocía como la catástrofe ultravioleta mediante la aplicación de conceptos de termodinámica. Si bien se sintió frustrado por no lograr una solución aceptable y una correcta explicación de los espectros de radiación; publico varios trabajos que establecieron una conexión entre la termodinámica y la electrodinámica. Su logro al inventar su famosa constante h, no fue algo frío y meditado sino que resulto de un estado prácticamente desesperado en el que se encontraba para poder hallar una solución satisfactoria al dilema que surgía entre dos propuestas incompletas y aparentemente contradictorias acerca de la radiación electromagnética (las leyes de Rayleigh-Jeans y la de Wien). En este proceso ideo algún artificio matemático para que ambas pudieran compatibilizarse. Planck saco la curva correcta de la galera con una afortunada intuición, sin entender a fondo el fenómeno que estaba explicando. En el orden familiar vale recordar que el hijo menor de Planck, fue brutalmente asesinado por la Gestapo por haber tomado parte en un complot para asesinar a Hitler durante 1944.
v Erwin Schrodinger (1887-1961): Físico austriaco que desarrollo la formulación de la física cuántica conocida como la mecánica ondulatoria, recibiendo como resultado de estos trabajos, el premio Nobel en 1933. Es reconocido como un científico de la vieja escuela, cuyos trabajos acerca de la mecánica ondulatoria, apuntaban a rescatar el sentido común según las ideas clásicas, para la física cuántica. La idea detrás de la mecánica ondulatoria surge del trabajo realizado por Louis de Broglie que consideraba a los electrones en su comportamiento ondulatorio. Respecto a los conceptos extraños que suponía la cuántica tales como el salto quántico o el papel del observador en la determinación de la realidad, Schrodinger decía: “esto me disgusta y hubiera querido no tener nada que ver con el desarrollo de esta disciplina”. Con la llegada de los nazis al poder, Schrodinger se traslado a Oxford donde no permaneció mucho tiempo. Regreso a Austria, posteriormente paso a Italia, USA y finalmente a Irlanda. Durante sus estadía en este país, escribió un libro denominado “¿Qué es la vida?” que alentó a un gran numero de físicos a orientarse al estudio de la biología molecular después de finalizada la guerra. Su desarrollo fundamental fue la llamada ecuación de onda, que se utilizo en una de las versiones de la física cuántica para describir el comportamiento de una entidad cuántica tal como un electrón o un fotón. Este fue el inicio de lo que se conoce como mecánica ondulatoria que fue el marco preferido por los científicos para resolver los problemas implícitos en las interacciones cuánticas. Esta preferencia se debió a que los físicos estaban familiarizados con el lenguaje de las ecuaciones de ondas. Esta también es la razón por la que todavía hoy se utiliza esta aproximación al tema , cuando se ha demostrado que otras son mas potentes para proveer un mejor discernimiento acerca de este submundo atómico y posibilita realizar trabajos mas avanzados en el tema.
v Louis de Broglie (1892-1987): Era un príncipe de la nobleza francesa, que inicialmente estudio Historia en La Sorbona, y se inicio en las ciencias por la influencia de su hermano mayor. La genialidad de de Broglie esta en que extrapolo lo que surgía del trabajo de Einstein acerca del efecto fotoeléctrico, donde algo como la luz que era considerada una onda, tenia también comportamientos de partícula, al mundo de lo material. Fue así que se pregunto si esto pasa con lo que considerábamos ondas, podría ser lo mismo con lo que consideramos partículas. Su inquietud resulto cierta, y solo pudo llegar a tesis de doctorado, gracias al apoyo intelectual brindado por Einstein quien fuera consultado acerca de si esto que este alumno intentaba discutir, no era una burrada. Einstein fue conciso pero contundente, y dijo a Paul Langevin, tutor de de Broglie, “creo que esto es mas que una mera analogía”, y así de Broglie recibió su doctorado en física. Tanto Louis como su hermano se involucraron en el desarrollo pacifico de la energía atómica.
v Werner Heisenberg (1901-1976): Nació en Alemania y es uno de los padres fundadores de la física cuántica. Su mayor descubrimiento es el denominado Principio de Incertidumbre. La expresión formal de este principio dice que la cantidad de incertidumbre cuántica en la determinación simultanea de ambos miembros de un par de variables conjugadas, nunca es cero. En física cuántica, el concepto incertidumbre es algo preciso y definido. Existen pares de parámetros denominadas variables conjugadas, para las que es imposible conocer el valor que adquieren en el mismo momento. Las mas conocidas de estas variables conjugadas son la posición y el momento ( velocidad, cantidad de movimiento), como también la energía y el tiempo. La incertidumbre posición/momento es la típica que explico Heisenberg en 1927, diciendo que ninguna entidad cuántica puede tener una velocidad precisa y determinada, y una posición también precisa y determinada al mismo tiempo, es decir simultáneamente. Esto no era el resultado de deficiencias en los sistemas o aparatos, o dificultades en el proceso de medición; es decir que no pudiéramos físicamente realizar esta medición. La realidad es que las entidades cuánticas- el electrón por ejemplo- no tienen una posición y una velocidad precisa al mismo tiempo. Esta incertidumbre, como ya se había mencionado es la que explica el fenómeno denominado efecto túnel. La incertidumbre de las variables conjugadas energía /tiempo, es la que nos permite identificar la existencia de las llamadas partículas virtuales. La incertidumbre cuántica, no obstante, no se manifiesta sensiblemente en los grandes objetos, es decir objetos mas grandes que una molécula, esto se debe a la dimensión de la constante de Planck “h” del orden de 10-34. Heisenberg trabajó con Born y con Bohr antes de convertirse en profesor en la Universidad de Leipzig. Dado que permaneció en Alemania durante la segunda guerra mundial, se sospechaba de el que tenia simpatía para con el régimen nazi. Los aliados temían que fuera unos de los científicos que pudiera facilitar el desarrollo de la bomba atómica para los alemanes. En realidad dada la limitada investigación en esta materia, llevada a cabo en Alemania durante la época, solo le permitió concentrarse en el desarrollo de medios para la obtención de energía y no en armamentos. Heisenberg siempre dijo que esto fue gracias a que el mantuvo el interés enfocado hacia este tema. Aunque algunos dudan de esta afirmación. Durante un periodo de recuperación de una enfermedad en las montañas de Heligoland, fue cuando Heisenberg formulo lo que luego se reconoció como mecánica matricial, la primera teoría cuántica completa y consistente con los resultados experimentales. Posteriormente Born y Jordan ayudaron a completar la misma dándole una significación física mas perceptible. Una copia del trabajo de estos tres científicos antes de que fuera publicado, fue la inspiración para que Paul Dirac elaborara su propia versión de la teoría cuántica. Todo esto ocurría un año antes que Schrodinger publicara su versión de la mecánica ondulatoria como otro enfoque de la misma teoría cuántica. En tan solo un par de años, se revolucionaron trescientos años de la física clásica. Mas adelante Heisenberg desarrollo el concepto de incertidumbre. Luego de la guerra, Heisenberg tuvo un papel importante en el establecimiento dl Instituto Max Planck para la física. Sus últimos trabajos científicos intentaron en vano desarrollar una teoría unificada de los campos. El fue un proponente de la idea de “todo indivisible” en la que todo en el mundo y especialmente en el mundo cuántico, es parte de un sistema único, que por ejemplo permitiera explicar en el experimento de la doble ranura, porque los electrones tiene comportamientos diferentes según se este observando o no por que ranura están pasando. Estas ideas aunque no tenidas muy en cuenta, fueron posteriormente desarrolladas por David Bohm.
v Max Born (1882-1970): Físico alemán que introdujo la idea de que los resultados de los experimentos o interacciones en las cuales participan entidades cuánticas, no son directamente deterministicos, sino que son intrínsecamente probabilísticos. Después de la guerra en 1920 se estableció Gottingen donde desde la cátedra de física teórica desarrollo un centro de excelencia en dicha disciplina, algo menos reconocido que el Instituto Niels Bohr de Copenhague. Durante los años 20 Born contaba en dicho centro con la participación de físicos de renombre tales como Heisenberg, Jordan y Pauli. Cuando Heisenberg desarrollo su descripción matemática de la física cuántica, fue Born quien reconoció su intima conexión con la teoría matricial. Trabajando en conjunto con Heisenberg y Jordan, concluyeron en la primera versión consistente y completa de la mecánica cuántica. Algo mas tarde Schrodinger concluyo la versión ondulatoria de la mecánica cuántica, basada en tratar a las entidades cuánticas (electrones, fotones, partículas subatómicas), como si fueran ondas. Born fue el que mostró que las ondas en la mecánica cuántica de Schrodinger, podrían ser consideradas no como una realidad física, sino como representaciones de probabilidades. Así llego a ser el mas firme proponente de la idea que el resultado de cualquier interacción dentro del mundo cuántico, estará determinado, en un sentido estrictamente matemático, por la probabilidad de ocurrencia de dicho resultado entre muchos de los posibles permitidos por las leyes físicas. Era de familia judía por lo que fue obligado a dejar Alemania durante el régimen nazi, emigrando hacia Inglaterra primero y finalmente Escocia, regresando a Alemania con nacionalidad británica luego de finalizada la guerra. Fue un gran pacifista, formando parte de activos oponentes al desarrollo de las armas nucleares. Murió a los 87 años de edad.
v Paul Dirac (1902-1984): Físico ingles nacido en Bristol. Luego de graduarse como ingeniero electricista y en matemáticas, ingreso en Cambridge bajo la supervisión de Ralph Fowler, recién aquí en Cambridge es cuando entra en contacto con la teoría cuántica. En 1925, Heisenberg dio una exposición en Cambridge, donde Dirac era parte de la audiencia. Si bien no discutió sus ideas en esa charla, si lo hizo en privado con Fowler y le envió una copia de su trabajo aun no publicado acerca del enfoque de la teoría cuántica a través es de los conceptos de la mecánica matricial. Fowler le mostró el trabajo a Dirac y le pidió una opinión según sus conocimientos matemáticos. Así Dirac utilizando lo que ya sabia hizo su propio desarrollo de esta teoría, conocido como Teoría del Operador o Álgebra Cuántica. Después de obtener su doctorado en 1926, Dirac visito el Instituto Niels Bohr en Copenhague, donde mostró que tanto la mecánica matricial de Heisenberg como la mecánica ondulatoria de Schrodinger, eran casos especiales de su propia teoría del operador o álgebra cuántica, y que a demás eran totalmente equivalentes. En 1927, Dirac introdujo la idea de segunda cuantizacion a la física cuántica, abriendo el camino hacia el desarrollo de la teoría del campo cuántico. Sin embargo su mayor contribución al campo de la ciencia , se debe a la ecuación que desarrollo incorporando los conceptos de la física cuántica y los requerimientos de la teoría especial de la relatividad, para así dar una explicación completa del electrón. Uno de los puntos sobresalientes de esta ecuación, fue que tenia dos soluciones, correspondiente a electrones con energías positivas y con energías negativas. Estos últimos son denominados positrones. Dirac así había pronosticado la existencia de la antimateria, hasta que Carl Anderson experimentalmente detecto la existencia de positrones en 1932. Dirac también desarrollo las reglas estadísticas que gobiernan el comportamiento de gran cantidad de partículas cuyo spin es la mitad de un numero entero, tales como los electrones. Las mismas reglas estadísticas fueron desarrolladas por Enrico Fermi, de allí que son conocidas como estadística de Fermi-Dirac; a las partículas que obedecen estas reglas cuando se hayan en grandes cantidades se las denomina fermiones. Después de su retiro en Cambridge, se instalo en Florida USA como profesor de la Florida State University hasta su muerte.
v Wolfgang Pauli (1900-1958): Físico austriaco cuyo principal aporte a la teoría cuántica, es el denominado principio de exclusión, por el cual recibió su Premio Nobel. Su talento fue demostrado cuando en un trabajo de 200 paginas presento una comprensiva revisión de las teorías de la relatividad de Einstein en sus versiones especial y general. Su famoso Principio de Exclusión se publico en 1925. Explicaba porque cada orbital en un átomo ( en ese tiempo aun se pensaba a los electrones en orbitas, aunque el principio vale también ahora) podía ser ocupado como máximo por dos electrones. El principio establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, es decir no pueden tener los mismos números cuánticos. Este principio es el que requiere que los electrones en el átomo ocupen diferentes niveles de energía en lugar de agruparse todos en el nivel mas bajo de energía. Sin la existencia de esta exclusión cuántica no existiría la química. Los denominados niveles de energía son los permitidos para un sistema cuántico como un átomo, y corresponden a las diferentes cantidades de energía almacenadas. En el átomo, un electrón tiene una bien definida cantidad de energía correspondiente a su lugar en la estructura atómica. Otros sistemas cuánticos como las moléculas o los núcleos atómicos también tienen niveles de energía bien definidos. En el mundo cuántico una característica fundamental es que los sistemas cuánticos pasan directamente desde un nivel de energía a otro sin estadios intermedios, este es el conocido salto cuántico. Se decía que Pauli era tan malo como físico experimental que con solo acercarse a un laboratorio de experimentación, los aparatos se descomponían.
v David Bohm (1917-1992) : Físico y filosofo de la ciencia americano, que realizo contribuciones importantes a la interpretación de la mecánica cuántica. Se acerco a la ciencia a través de lecturas de ciencia ficción y posteriormente de astronomía. En tiempos de Mc Carthy fue echado de la Universidad de Princeton por haberse negado a implicar a ciertos compañeros de trabajo como miembros del partido comunista. Se traslado a Brasil donde trabajo en la Universidad de San Pablo, para luego ir a Israel y finalmente a Inglaterra. Su libro de Teoría Cuántica es considerado como uno de los mas accesibles para entender la interpretación de Copenhague. En el proceso de clarificar esta interpretación, Bohm se convenció de que la misma tenia errores, y así dedico el resto de su carrera a desarrollar y promover una versión alternativa de las interpretaciones de la teoría cuántica, conocida como la de las variables ocultas o la de la onda piloto o el todo indivisible. Bohm se refirió a esta, como la interpretación ontológica. Uno de los principales aspectos incorporados en la interpretación de Bohm, es el fenómeno denominado no-local o de la acción instantánea a distancia que tiene lugar entre dos entidades cuánticas; fenómeno este que fue comprobado con el experimento de Alain Aspect en los 80. Bohm también trabajo en varios problemas filosóficos ligados a las ideas modernas de la física y en la naturaleza de la conciencia humana.
v Richard Feynman (1918-1988) : Fue el físico mas grande de su generación, a la altura de Newton y Einstein. Feynman reformulo la mecánica cuántica poniéndola en una fundamentacion lógica incorporando los conceptos de la mecánica clásica. Desarrollo el enfoque de la integral de campo para la física cuántica desde donde surgió la mas clara y completa versión de la electrodinámica cuántica (QED), la cual junto con la teoría general de la relatividad es una de las mas exitosas y bien establecidas, en términos de dar explicación a todos los fenómenos experimentales donde se la ha aplicado. Fue un excelente maestro, que supo popularizar la ciencia. Feynman estudio en el MIT donde comenzó en Matemáticas para luego moverse a la Física. En Princeton bajo la supervisión de John Wheeler desarrollo su trabajo para el doctorado. Trabajo en Los Álamos en el proyecto para el desarrollo de la bomba atómica. Terminada la guerra fue contratado por la Universidad de Cornell para trabajar como profesor de física teórica. Es allí donde completo su trabajo en electrodinámica quántica por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1965. En 1950 se traslado a Caltech permaneciendo en dicha Universidad hasta el fin de su carrera. En 1950 desarrollo la teoría de los superfluidos y descubrió una ley fundamental que describía el comportamiento de la fuerza débil. Al comienzo de 1960, Feynman dicto sus famosas clases que luego se editaron en tres tomos como “Las clases de Física de Feynman” que tuvieron impacto en la enseñanza de esta disciplina en todo el mundo. Desarrollo también la teoría de los partones para describir lo que pasa cuando electrones surgen de colisiones inelásticas entre protones. Esta fue un input importante para el desarrollo posterior de la teoría de los quarks, los gluones y la fuerza fuerte. Casi como un hobby, Feynman también investigo acerca de la teoría de la gravedad y sentó las bases para el desarrollo de una teoría quántica de la gravedad.
Murray Gell-Mann (1929- ) : Físico americano que obtuvo su premio Nobel en 1969 por sus trabajos sobre la clasificación de las partículas fundamentales. Fue quien introdujo el concepto de los quarks. Fue un niño prodigio recibiendo su PhD en física a los 22 años en el MIT. Trabajó desde 1956 hasta el fin de su carrera en Caltech junto con Richard Feynman, de quien siempre sintió su sombra intelectual.. En 1953, Gell-Mann y un físico japonés – Nishijima- trabajando independientemente, explicaron ciertas propiedades de las partículas fundamentales, asignando a las mismas una propiedad denominada extrañeza. Esta propiedad fue llamada así simplemente porque estas partículas eran extrañas debido a la duración de su vida excesivamente larga, en comparación con la de otras partículas similares. En 1962 Gell-Mann simultáneamente con otro físico llamado Zweig descubrió que muchas de las propiedades de las partículas fundamentales como los protones y los neutrones podrían explicarse si se asumía a los mismos compuestos por tres partículas mas pequeñas que posteriormente denomino Quarks
v Albert Einstein (1879-1955): Lo mas notable de este hombre fue que con sus trabajos acerca del efecto fotoeléctrico, confirmo de alguna manera los avances de Planck acerca de la existencia d e los cuantos de energía. No obstante lucho hasta el fin de su vida contra la interpretación que se le daba a esta física que el ayudo a nacer. Sin duda el mundo lo conoce a Einstein por su Teoría de la relatividad, en sus versiones especial y general. Esta teoría junto con la cuántica fueron las que le quitaron el sueño a los clásicos. Einstein nació en la ciudad de Ulm, gano el premio Nobel no por sus dos teorías de la relatividad sino por el mencionado efecto fotoeléctrico. Cuando quiso entrar en la escuela técnica de Zurich, fracaso en el ingreso por lo que tuvo que pasar un año reforzando sus conocimientos de matemáticas antes de poder ingresar. No fue un alumno brillante, no consiguió un trabajo fácilmente al graduarse y tuvo que contentarse con un empleo menor en una oficina de patentes en Berna. Allí en sus ratos libres fue desarrollando trabajos científicos que finalmente le permitieron alcanzar su doctorado. Fue a partir de 1909, que logro ingresar como profesor en la Universidad de Zurich. Con la llegada de Hitler a Alemania, Einstein se mudo a Princeton USA donde permaneció desde 1933 hasta su muerte. Nunca como dijimos acepto la interpretación de Copenhague de Niels Bohr, con su famosos dicho que “Dios no juega a los dados”, por lo que, a su criterio, debería existir algún mecanismo o variables ocultas que hicieran que el Universo fuera explicable dentro de la lógica humana, y con un carácter mas determinístico y no tan probabilístico en sus comportamientos, como surgía en todos los sistemas cuánticos estudiados.
v Niels Bohr (1885-1962) : Físico danés quien obtuvo el premio Nobel por sus trabajos acerca d la estructura del átomo basada en la espectroscopia y la física cuántica. Inicio sus trabajos con J.J.Thomson pero no tuvo éxito en sus relación personal con este físico. Se traslado entonces a Manchester para trabajar con Ernest Rutherford quien recientemente había descubierto la estructura atómica constituida por un núcleo en el centro y partículas cargadas (los electrones) como en orbitas alrededor del núcleo. En 1916, las autoridades de Dinamarca, le ofrecieron una cátedra y la promesa de armar su propio Instituto. Así en 1918, el Instituto de Física Teórica se estableció con donaciones , principalmente de la cervecería Carlsberg, siendo Bohr nombrado Director, cargo que retuvo hasta su muerte. Dentro de ese Instituto, Bohr atrajo para trabajar durante periodos mas cortos o largos a los mejores físicos teóricos del momento, brindándoles estímulos para el desarrollo de ideas acerca de la teoría cuántica. La interpretación que surgió de este Instituto, se transformo en una de las clásicas para la física cuántica, se la conoce como la interpretación de Copenhague. Si bien muchos fueron los que aportaron para fortalecer esta interpretación de la física quántica, la fuerte personalidad de Bohr y su prestigio personal fueron factores decisivos para que la interpretación de Copenhague fuera “la interpretación aceptada de la mecánica cuántica”, a pesar de sus falencias, hasta las décadas del 80 y 90. Bohr siempre tuvo una preocupación relacionada con la posibilidad de construir armamento nuclear a partir del desarrollo de sus teorías. Después de la guerra, trabajo activamente para el control de las armas nucleares y organizo la primera conferencia denominada Átomos para la Paz, en Ginebra en 1955.
El principal aporte de Bohr como dijimos fue su desarrollo del modelos atómico. En este , Bohr decía que los electrones que están en orbita alrededor del núcleo, no caen en espiral como predecía la teoría electromagnética, sino que los mismos se encuentran en orbitas estables, correspondientes a ciertos niveles fijos de energía, en donde pueden mantenerse sin perder energía. Estos niveles fijos no adoptan cualquier valor, sino que son múltiplos enteros de una cantidad mínima: el cuanto de energía. De esta forma solo existen estas orbitas permitidas y entre ellas nada, es decir no hay orbitas intermedias. Este cuanto de energía es medido en términos de la constante de Planck h. Un electrón según explicaba Bohr, puede saltar de una orbita permitida a otra, ya sea emitiendo la energía sobrante, si es que pasa de una orbita de mayor energía a una de menor (proceso de acercamiento al núcleo), o absorbiendo energía en el caso contrario. Este cuanto de energía que emite o absorbe, lo hace en la forma de un fotón cuya energía es la que resulta de la formula de Planck DE = h.n, donde n es la frecuencia del fotón sea emitido o absorbido. Además Bohr agrego el concepto de que las orbitas permitidas no pueden albergar a un numero ilimitado de electrones sino que pueden completarse. La representación grafica o visual de este modelo es la de los electrones que como bolitas están ubicados en los escalones de una escalera cuya capacidad es limitada. Cuando un escalón tiene lugar libre, otro electrón situado en un peldaño superior puede caer hacia ese lugar libre, perdiendo la energía correspondiente al salto o diferencia de altura entre ambos escalones. Estas caídas y subidas explicaban las líneas de emisión y absorción en los espectros de la luz emitida por los átomos de gases monoatómicos. El genio de Bohr consistió en que no pretendió ni se preocupo por armar una teoría completa y consistente del mundo atómico, sino que tomo parte de la teoría cuántica (el cuanto de energía), parte de la clásica ( las orbitas) y las combino para intentar explicar fenómenos hasta ese momento inexplicables. Bohr explico este modelo en Inglaterra durante 1913 con diferente suerte, algunos lo aceptaron y continuaron avanzando sobre el mismo, otros lo desecharon. Finalmente en 1922 Bohr recibe el premio Nobel debido a este trabajo. Los avances fueron lentos, el modelo de Bohr permitía muchas mas líneas en los espectros de las que en realidad se veían. La limitación de la cantidad de electrones en cada orbita permitida, también era una idea arbitraria y sin comprobación aparente. Estas propiedades, se organizaron mediante la asignación de números, llamados números cuánticos, que servían para describir el estado del átomo y hacer que su comportamiento fuera convalidado por las observaciones. Bohr no dio en ese momento, ninguna explicación teórica de donde provenían estos números cuánticos o porque algunas transiciones no eran permitidas. A pesar de todas estos puntos débiles, el modelo funciono. Predijo la existencia de líneas en el espectro que hasta el momento no habían sido detectadas pero que fueron luego detectadas experimentalmente en los lugares exactos donde el modelo las pronosticaba.
v Max Planck (1858-1947) : Físico alemán quien fue el primero en darse cuenta a fines del siglo XIX que la radiación de un cuerpo negro (un radiador perfecto) podría explicarse si se consideraba que la energía electromagnética absorbida o irradiada, solo lo hacia en forma discreta y no continua, en cuantos o paquetes de energía. Planck no pensaba en la existencia de los después llamados fotones, sino que simplemente era su forma para explicar la interacción entre los átomos que oscilaban al ser calentados y las radiaciones que se generaban en el interior de este cuerpo radiante, interacción esta que debía mantenerse en equilibrio. Planck era un eximio pianista, tocando a veces junto con Einstein quien lo acompañaba con el violín. Fue profesor de física en la Universidad de Berlín desde 1892 hasta su retiro en 1926 cuando fue sucedido por Erwin Schrodinger, otro de los hacedores de la cuántica. Planck fue un físico de la vieja escuela que trabajaba muy duro y era sumamente conservador en sus ideas, su gran interés era la termodinámica, de allí su interés en intentar resolver lo que se conocía como la catástrofe ultravioleta mediante la aplicación de conceptos de termodinámica. Si bien se sintió frustrado por no lograr una solución aceptable y una correcta explicación de los espectros de radiación; publico varios trabajos que establecieron una conexión entre la termodinámica y la electrodinámica. Su logro al inventar su famosa constante h, no fue algo frío y meditado sino que resulto de un estado prácticamente desesperado en el que se encontraba para poder hallar una solución satisfactoria al dilema que surgía entre dos propuestas incompletas y aparentemente contradictorias acerca de la radiación electromagnética (las leyes de Rayleigh-Jeans y la de Wien). En este proceso ideo algún artificio matemático para que ambas pudieran compatibilizarse. Planck saco la curva correcta de la galera con una afortunada intuición, sin entender a fondo el fenómeno que estaba explicando. En el orden familiar vale recordar que el hijo menor de Planck, fue brutalmente asesinado por la Gestapo por haber tomado parte en un complot para asesinar a Hitler durante 1944.
v Erwin Schrodinger (1887-1961): Físico austriaco que desarrollo la formulación de la física cuántica conocida como la mecánica ondulatoria, recibiendo como resultado de estos trabajos, el premio Nobel en 1933. Es reconocido como un científico de la vieja escuela, cuyos trabajos acerca de la mecánica ondulatoria, apuntaban a rescatar el sentido común según las ideas clásicas, para la física cuántica. La idea detrás de la mecánica ondulatoria surge del trabajo realizado por Louis de Broglie que consideraba a los electrones en su comportamiento ondulatorio. Respecto a los conceptos extraños que suponía la cuántica tales como el salto quántico o el papel del observador en la determinación de la realidad, Schrodinger decía: “esto me disgusta y hubiera querido no tener nada que ver con el desarrollo de esta disciplina”. Con la llegada de los nazis al poder, Schrodinger se traslado a Oxford donde no permaneció mucho tiempo. Regreso a Austria, posteriormente paso a Italia, USA y finalmente a Irlanda. Durante sus estadía en este país, escribió un libro denominado “¿Qué es la vida?” que alentó a un gran numero de físicos a orientarse al estudio de la biología molecular después de finalizada la guerra. Su desarrollo fundamental fue la llamada ecuación de onda, que se utilizo en una de las versiones de la física cuántica para describir el comportamiento de una entidad cuántica tal como un electrón o un fotón. Este fue el inicio de lo que se conoce como mecánica ondulatoria que fue el marco preferido por los científicos para resolver los problemas implícitos en las interacciones cuánticas. Esta preferencia se debió a que los físicos estaban familiarizados con el lenguaje de las ecuaciones de ondas. Esta también es la razón por la que todavía hoy se utiliza esta aproximación al tema , cuando se ha demostrado que otras son mas potentes para proveer un mejor discernimiento acerca de este submundo atómico y posibilita realizar trabajos mas avanzados en el tema.
v Louis de Broglie (1892-1987): Era un príncipe de la nobleza francesa, que inicialmente estudio Historia en La Sorbona, y se inicio en las ciencias por la influencia de su hermano mayor. La genialidad de de Broglie esta en que extrapolo lo que surgía del trabajo de Einstein acerca del efecto fotoeléctrico, donde algo como la luz que era considerada una onda, tenia también comportamientos de partícula, al mundo de lo material. Fue así que se pregunto si esto pasa con lo que considerábamos ondas, podría ser lo mismo con lo que consideramos partículas. Su inquietud resulto cierta, y solo pudo llegar a tesis de doctorado, gracias al apoyo intelectual brindado por Einstein quien fuera consultado acerca de si esto que este alumno intentaba discutir, no era una burrada. Einstein fue conciso pero contundente, y dijo a Paul Langevin, tutor de de Broglie, “creo que esto es mas que una mera analogía”, y así de Broglie recibió su doctorado en física. Tanto Louis como su hermano se involucraron en el desarrollo pacifico de la energía atómica.
v Werner Heisenberg (1901-1976): Nació en Alemania y es uno de los padres fundadores de la física cuántica. Su mayor descubrimiento es el denominado Principio de Incertidumbre. La expresión formal de este principio dice que la cantidad de incertidumbre cuántica en la determinación simultanea de ambos miembros de un par de variables conjugadas, nunca es cero. En física cuántica, el concepto incertidumbre es algo preciso y definido. Existen pares de parámetros denominadas variables conjugadas, para las que es imposible conocer el valor que adquieren en el mismo momento. Las mas conocidas de estas variables conjugadas son la posición y el momento ( velocidad, cantidad de movimiento), como también la energía y el tiempo. La incertidumbre posición/momento es la típica que explico Heisenberg en 1927, diciendo que ninguna entidad cuántica puede tener una velocidad precisa y determinada, y una posición también precisa y determinada al mismo tiempo, es decir simultáneamente. Esto no era el resultado de deficiencias en los sistemas o aparatos, o dificultades en el proceso de medición; es decir que no pudiéramos físicamente realizar esta medición. La realidad es que las entidades cuánticas- el electrón por ejemplo- no tienen una posición y una velocidad precisa al mismo tiempo. Esta incertidumbre, como ya se había mencionado es la que explica el fenómeno denominado efecto túnel. La incertidumbre de las variables conjugadas energía /tiempo, es la que nos permite identificar la existencia de las llamadas partículas virtuales. La incertidumbre cuántica, no obstante, no se manifiesta sensiblemente en los grandes objetos, es decir objetos mas grandes que una molécula, esto se debe a la dimensión de la constante de Planck “h” del orden de 10-34. Heisenberg trabajó con Born y con Bohr antes de convertirse en profesor en la Universidad de Leipzig. Dado que permaneció en Alemania durante la segunda guerra mundial, se sospechaba de el que tenia simpatía para con el régimen nazi. Los aliados temían que fuera unos de los científicos que pudiera facilitar el desarrollo de la bomba atómica para los alemanes. En realidad dada la limitada investigación en esta materia, llevada a cabo en Alemania durante la época, solo le permitió concentrarse en el desarrollo de medios para la obtención de energía y no en armamentos. Heisenberg siempre dijo que esto fue gracias a que el mantuvo el interés enfocado hacia este tema. Aunque algunos dudan de esta afirmación. Durante un periodo de recuperación de una enfermedad en las montañas de Heligoland, fue cuando Heisenberg formulo lo que luego se reconoció como mecánica matricial, la primera teoría cuántica completa y consistente con los resultados experimentales. Posteriormente Born y Jordan ayudaron a completar la misma dándole una significación física mas perceptible. Una copia del trabajo de estos tres científicos antes de que fuera publicado, fue la inspiración para que Paul Dirac elaborara su propia versión de la teoría cuántica. Todo esto ocurría un año antes que Schrodinger publicara su versión de la mecánica ondulatoria como otro enfoque de la misma teoría cuántica. En tan solo un par de años, se revolucionaron trescientos años de la física clásica. Mas adelante Heisenberg desarrollo el concepto de incertidumbre. Luego de la guerra, Heisenberg tuvo un papel importante en el establecimiento dl Instituto Max Planck para la física. Sus últimos trabajos científicos intentaron en vano desarrollar una teoría unificada de los campos. El fue un proponente de la idea de “todo indivisible” en la que todo en el mundo y especialmente en el mundo cuántico, es parte de un sistema único, que por ejemplo permitiera explicar en el experimento de la doble ranura, porque los electrones tiene comportamientos diferentes según se este observando o no por que ranura están pasando. Estas ideas aunque no tenidas muy en cuenta, fueron posteriormente desarrolladas por David Bohm.
v Max Born (1882-1970): Físico alemán que introdujo la idea de que los resultados de los experimentos o interacciones en las cuales participan entidades cuánticas, no son directamente deterministicos, sino que son intrínsecamente probabilísticos. Después de la guerra en 1920 se estableció Gottingen donde desde la cátedra de física teórica desarrollo un centro de excelencia en dicha disciplina, algo menos reconocido que el Instituto Niels Bohr de Copenhague. Durante los años 20 Born contaba en dicho centro con la participación de físicos de renombre tales como Heisenberg, Jordan y Pauli. Cuando Heisenberg desarrollo su descripción matemática de la física cuántica, fue Born quien reconoció su intima conexión con la teoría matricial. Trabajando en conjunto con Heisenberg y Jordan, concluyeron en la primera versión consistente y completa de la mecánica cuántica. Algo mas tarde Schrodinger concluyo la versión ondulatoria de la mecánica cuántica, basada en tratar a las entidades cuánticas (electrones, fotones, partículas subatómicas), como si fueran ondas. Born fue el que mostró que las ondas en la mecánica cuántica de Schrodinger, podrían ser consideradas no como una realidad física, sino como representaciones de probabilidades. Así llego a ser el mas firme proponente de la idea que el resultado de cualquier interacción dentro del mundo cuántico, estará determinado, en un sentido estrictamente matemático, por la probabilidad de ocurrencia de dicho resultado entre muchos de los posibles permitidos por las leyes físicas. Era de familia judía por lo que fue obligado a dejar Alemania durante el régimen nazi, emigrando hacia Inglaterra primero y finalmente Escocia, regresando a Alemania con nacionalidad británica luego de finalizada la guerra. Fue un gran pacifista, formando parte de activos oponentes al desarrollo de las armas nucleares. Murió a los 87 años de edad.
v Paul Dirac (1902-1984): Físico ingles nacido en Bristol. Luego de graduarse como ingeniero electricista y en matemáticas, ingreso en Cambridge bajo la supervisión de Ralph Fowler, recién aquí en Cambridge es cuando entra en contacto con la teoría cuántica. En 1925, Heisenberg dio una exposición en Cambridge, donde Dirac era parte de la audiencia. Si bien no discutió sus ideas en esa charla, si lo hizo en privado con Fowler y le envió una copia de su trabajo aun no publicado acerca del enfoque de la teoría cuántica a través es de los conceptos de la mecánica matricial. Fowler le mostró el trabajo a Dirac y le pidió una opinión según sus conocimientos matemáticos. Así Dirac utilizando lo que ya sabia hizo su propio desarrollo de esta teoría, conocido como Teoría del Operador o Álgebra Cuántica. Después de obtener su doctorado en 1926, Dirac visito el Instituto Niels Bohr en Copenhague, donde mostró que tanto la mecánica matricial de Heisenberg como la mecánica ondulatoria de Schrodinger, eran casos especiales de su propia teoría del operador o álgebra cuántica, y que a demás eran totalmente equivalentes. En 1927, Dirac introdujo la idea de segunda cuantizacion a la física cuántica, abriendo el camino hacia el desarrollo de la teoría del campo cuántico. Sin embargo su mayor contribución al campo de la ciencia , se debe a la ecuación que desarrollo incorporando los conceptos de la física cuántica y los requerimientos de la teoría especial de la relatividad, para así dar una explicación completa del electrón. Uno de los puntos sobresalientes de esta ecuación, fue que tenia dos soluciones, correspondiente a electrones con energías positivas y con energías negativas. Estos últimos son denominados positrones. Dirac así había pronosticado la existencia de la antimateria, hasta que Carl Anderson experimentalmente detecto la existencia de positrones en 1932. Dirac también desarrollo las reglas estadísticas que gobiernan el comportamiento de gran cantidad de partículas cuyo spin es la mitad de un numero entero, tales como los electrones. Las mismas reglas estadísticas fueron desarrolladas por Enrico Fermi, de allí que son conocidas como estadística de Fermi-Dirac; a las partículas que obedecen estas reglas cuando se hayan en grandes cantidades se las denomina fermiones. Después de su retiro en Cambridge, se instalo en Florida USA como profesor de la Florida State University hasta su muerte.
v Wolfgang Pauli (1900-1958): Físico austriaco cuyo principal aporte a la teoría cuántica, es el denominado principio de exclusión, por el cual recibió su Premio Nobel. Su talento fue demostrado cuando en un trabajo de 200 paginas presento una comprensiva revisión de las teorías de la relatividad de Einstein en sus versiones especial y general. Su famoso Principio de Exclusión se publico en 1925. Explicaba porque cada orbital en un átomo ( en ese tiempo aun se pensaba a los electrones en orbitas, aunque el principio vale también ahora) podía ser ocupado como máximo por dos electrones. El principio establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, es decir no pueden tener los mismos números cuánticos. Este principio es el que requiere que los electrones en el átomo ocupen diferentes niveles de energía en lugar de agruparse todos en el nivel mas bajo de energía. Sin la existencia de esta exclusión cuántica no existiría la química. Los denominados niveles de energía son los permitidos para un sistema cuántico como un átomo, y corresponden a las diferentes cantidades de energía almacenadas. En el átomo, un electrón tiene una bien definida cantidad de energía correspondiente a su lugar en la estructura atómica. Otros sistemas cuánticos como las moléculas o los núcleos atómicos también tienen niveles de energía bien definidos. En el mundo cuántico una característica fundamental es que los sistemas cuánticos pasan directamente desde un nivel de energía a otro sin estadios intermedios, este es el conocido salto cuántico. Se decía que Pauli era tan malo como físico experimental que con solo acercarse a un laboratorio de experimentación, los aparatos se descomponían.
v David Bohm (1917-1992) : Físico y filosofo de la ciencia americano, que realizo contribuciones importantes a la interpretación de la mecánica cuántica. Se acerco a la ciencia a través de lecturas de ciencia ficción y posteriormente de astronomía. En tiempos de Mc Carthy fue echado de la Universidad de Princeton por haberse negado a implicar a ciertos compañeros de trabajo como miembros del partido comunista. Se traslado a Brasil donde trabajo en la Universidad de San Pablo, para luego ir a Israel y finalmente a Inglaterra. Su libro de Teoría Cuántica es considerado como uno de los mas accesibles para entender la interpretación de Copenhague. En el proceso de clarificar esta interpretación, Bohm se convenció de que la misma tenia errores, y así dedico el resto de su carrera a desarrollar y promover una versión alternativa de las interpretaciones de la teoría cuántica, conocida como la de las variables ocultas o la de la onda piloto o el todo indivisible. Bohm se refirió a esta, como la interpretación ontológica. Uno de los principales aspectos incorporados en la interpretación de Bohm, es el fenómeno denominado no-local o de la acción instantánea a distancia que tiene lugar entre dos entidades cuánticas; fenómeno este que fue comprobado con el experimento de Alain Aspect en los 80. Bohm también trabajo en varios problemas filosóficos ligados a las ideas modernas de la física y en la naturaleza de la conciencia humana.
v Richard Feynman (1918-1988) : Fue el físico mas grande de su generación, a la altura de Newton y Einstein. Feynman reformulo la mecánica cuántica poniéndola en una fundamentacion lógica incorporando los conceptos de la mecánica clásica. Desarrollo el enfoque de la integral de campo para la física cuántica desde donde surgió la mas clara y completa versión de la electrodinámica cuántica (QED), la cual junto con la teoría general de la relatividad es una de las mas exitosas y bien establecidas, en términos de dar explicación a todos los fenómenos experimentales donde se la ha aplicado. Fue un excelente maestro, que supo popularizar la ciencia. Feynman estudio en el MIT donde comenzó en Matemáticas para luego moverse a la Física. En Princeton bajo la supervisión de John Wheeler desarrollo su trabajo para el doctorado. Trabajo en Los Álamos en el proyecto para el desarrollo de la bomba atómica. Terminada la guerra fue contratado por la Universidad de Cornell para trabajar como profesor de física teórica. Es allí donde completo su trabajo en electrodinámica quántica por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1965. En 1950 se traslado a Caltech permaneciendo en dicha Universidad hasta el fin de su carrera. En 1950 desarrollo la teoría de los superfluidos y descubrió una ley fundamental que describía el comportamiento de la fuerza débil. Al comienzo de 1960, Feynman dicto sus famosas clases que luego se editaron en tres tomos como “Las clases de Física de Feynman” que tuvieron impacto en la enseñanza de esta disciplina en todo el mundo. Desarrollo también la teoría de los partones para describir lo que pasa cuando electrones surgen de colisiones inelásticas entre protones. Esta fue un input importante para el desarrollo posterior de la teoría de los quarks, los gluones y la fuerza fuerte. Casi como un hobby, Feynman también investigo acerca de la teoría de la gravedad y sentó las bases para el desarrollo de una teoría quántica de la gravedad.
Murray Gell-Mann (1929- ) : Físico americano que obtuvo su premio Nobel en 1969 por sus trabajos sobre la clasificación de las partículas fundamentales. Fue quien introdujo el concepto de los quarks. Fue un niño prodigio recibiendo su PhD en física a los 22 años en el MIT. Trabajó desde 1956 hasta el fin de su carrera en Caltech junto con Richard Feynman, de quien siempre sintió su sombra intelectual.. En 1953, Gell-Mann y un físico japonés – Nishijima- trabajando independientemente, explicaron ciertas propiedades de las partículas fundamentales, asignando a las mismas una propiedad denominada extrañeza. Esta propiedad fue llamada así simplemente porque estas partículas eran extrañas debido a la duración de su vida excesivamente larga, en comparación con la de otras partículas similares. En 1962 Gell-Mann simultáneamente con otro físico llamado Zweig descubrió que muchas de las propiedades de las partículas fundamentales como los protones y los neutrones podrían explicarse si se asumía a los mismos compuestos por tres partículas mas pequeñas que posteriormente denomino Quarks
Diferentes realidades, ¿diferentes universos?
¿Cómo funciona el mundo? ¿Existe alguna metáfora que de significado a esta pregunta?. La vieja metáfora de la física clásica era “el mundo es como un reloj gigantesco”. Los físicos modernos hoy en día no poseen una sino varias imágenes tentativas que les permiten dar una explicación con sentido a los fenómenos que ocurren en el mundo de la física cuántica. Hoy sabemos que nuestro mundo no es determinístico como el funcionamiento del reloj donde causa-efecto se suceden en ese orden. Las diferentes realidades que aquí se mencionaran son diferentes modelos del mundo consistentes con la teoría cuántica. Vale aquí algunas aclaraciones acerca del significado de lo que es un modelo. Los físicos al estudiar el mundo cuántico en particular, no pueden hacer replicas de cartón o madera de aquellas cosas que están estudiando tales como un fotón, por lo tanto sus modelos son una combinación de ecuaciones matemáticas y discernimientos físicos, los que les permiten tener cierta imagen de lo que pasa en ese mundo cuántico. Algunos de esos modelos son representaciones muy precisas de los fenómenos en cuestión, descriptos en términos de ecuaciones que pueden ser procesadas en una computadora para simular como un sistema o una entidad cuántica responderá a un determinado estímulo. Otros son mucho más vagos, menos precisos, en el sentido que solo intentan ayudar a la limitada imaginación humana a describir lo que está sucediendo. Una de los puntos más importantes que se debe apreciar acerca de los modelos, es que ninguno de ellos es “la verdad”. Por eso, a pesar de que un determinado modelo sea muy preciso en describir y explicar lo que está ocurriendo en un contexto; otro modelo, completamente diferente al anterior, puede ser igualmente preciso en describir el comportamiento de la misma entidad o sistema cuántico bajo diferentes circunstancias, es decir en otro contexto. ¿Cuál de los dos representa a la realidad? ¿Cuál es la verdad? Ambos modelos son igualmente válidos.
Un ejemplo clásico de esta situación es la dualidad de la luz onda-partícula. A veces la luz debe describirse como una onda porque así es como se comporta, y en otras ocasiones como una partícula. No significa esto que la luz es realmente una onda o una partícula, sino que es algo para lo cual no hay una analogía en el mundo cotidiano de nuestros sentidos; es algo que bajo ciertas circunstancias parece comportarse como una onda, y bajo ciertas otras circunstancias, parece comportarse como una partícula.
Otro ejemplo ocurre con el modelo del átomo. Históricamente la idea de átomo se desarrolló pensando primero a los mismos como pequeñas esferas indivisibles, luego se avanzó en la idea de un átomo compuesto por diferentes partículas. Usando el modelo de los átomos como “bolas de billar”, se pudieron hacer descripciones matemáticas muy precisas acerca del comportamiento de los gases, por ejemplo la relación entre presión y temperatura en un recipiente lleno de gas. Mas tarde cuando se desarrolló el modelo de átomo de Bohr con electrones considerados como pequeñas “ bolitas de billar” en órbita alrededor de un núcleo que es como una “bola de billar” más grande, este sirvió muy bien para poder explicar el origen de las líneas espectrales que producen los elementos. Mas adelante en el tiempo, la naturaleza de los enlaces o uniones químicas necesarios para formar diferentes compuestos, se pudo explicar utilizando el modelo de los electrones como “nubes” (distribución de probabilidades) alrededor del núcleo. A pesar de que hay una línea histórica en el desarrollo de los modelos, esto no significa que los últimos son correctos y los otros no. Los físicos aún hoy en día, utilizan el modelo de las “bolas de billar” para calcular la presión de los gases, y los químicos utilizan el modelo de Bohr para estudiar el espectro producido por diferentes elementos. Cada modelo es correcto en su propia área de aplicación, a pesar de que los diferentes modelos parecen ser incompatibles entre ellos.
Por eso la mejor manera de pensar a los diferentes modelos, que se presentan en la física (¿y en la vida cotidiana?), es considerarlos como diferentes herramientas para diferentes trabajos a realizar. Cuando utilizamos herramientas equivocadas, es imposible realizar el trabajo; de la misma forma si pretendemos explicar ciertos fenómenos con el modelo inapropiado, poco será lo que podamos explicar o bien las conclusiones serán erróneas.
Esta explicación es muy válida en términos de la física cuántica, porque en realidad todas las diferentes interpretaciones que dan lugar a diferentes realidades cuánticas, son modelos. Ninguno de ellos representa la verdad última acerca del mundo cuántico, y muy probablemente no hay manera de que el cerebro humano pueda alguna vez aprehender /comprender las verdades últimas del mundo cuántico. Todas las interpretaciones son simples ayudas para percibir lo que pasa realmente. Nadie sabe lo que el mundo cuántico realmente es, todo lo que podemos saber es como es.
Pero ¿qué quiero significar con todo esto? Como comentaba un autor, si vemos una película con huevos que están a punto de ser abiertos por el nuevo ser a nacer, nuestra imagen de la realidad nos hace esperar pollitos, si por el contrario surgen viboritas o cocodrilitos, experimentaremos la idea de que la realidad no es lo que imaginábamos de acuerdo a nuestras experiencias pasadas. Esto es lo que les ocurrió a los físicos cuando se encontraron con los fenómenos cuánticos. Este mundo en el cual vivimos no es lo que parece ser exteriormente. Ahora bien ¿cómo lo explicamos?.
Ya Kant creía que la apariencia del mundo estaba fuertemente condicionada por los sentidos humanos y por el aparato intelectual. Otros seres diferentes a nosotros los humanos, experimentarían el mismo mundo en una forma radicalmente diferente. Los hechos que llamamos científicos son tanto producto de la naturaleza humana del observador, como de la realidad intrínseca del hecho o fenómeno. Vemos al mundo a través de unos anteojos humanos. El hombre está destinado, según Kant, a conocer ya sea directamente o a través de la creación de conceptos, solo las apariencias del mundo, y de ellas solo aquella parte que tiene origen humano. Kant es un ejemplo del pesimismo en la investigación de la realidad.
La teoría cuántica ha sido universalmente exitosa en describir fenómenos a todo nivel accesibles mediante experimentos, la teoría cuántica funciona como un libro de cocina perfecto para cualquier cosa que queramos realizar dentro del mundo físico, sin embargo acompañando a esta precisión, existe un total desacuerdo acerca de lo que significa y de que clase de realidad está sustentando. Existen varias “realidades” cuánticas que diferentes físicos defienden como “La realidad real o verdadera” que sustenta la apariencia externa. Algunas de estas “realidades” son además contradictorias entre sí, pero todas producen los mismos resultados ante los mismos experimentos. Veamos cuales son y que dice cada una de ellas; son las visiones de algunos físicos de renombre que se expresan en la forma de ocho realidades distintas, las cuales representan ocho aproximaciones importantes a lo que realmente ocurre detrás de la escena, ocho modelos diferentes:
Realidad Cuántica # 1: La interpretación de Copenhague parte 1. Representada por Niels Bohr, que dice:
En el mundo físico, no existe una realidad profunda
Bohr no niega la evidencia de nuestros sentidos, el mundo que nos rodea es real, pero flota en un mundo mas profundo que no es real. Algunos físicos que se oponían a esta interpretación por ejemplo Einstein, decían que seguramente Bohr quería significar no extender las especulaciones por fuera del rango de los experimentos que se realizan, sino que existirían ciertas realidades escondidas y no conocidas por el momento con la tecnología existente. Pero Bohr no aceptaba esta interpretación, sino que insistía diciendo: “ no hay un mundo cuántico, solo existe una descripción cuántica abstracta”. Heinserberg, el Cristóbal Colón de la teoría cuántica escribió:
la esperanza de que nuevos experimentos nos guiarán hacia hechos objetivos en el tiempo y el espacio tiene tanto fundamento como esperar descubrir el final del mundo conocido en las zonas inexploradas de la Antártida.
Para dar una metáfora de la postura de esta realidad 1, muchos utilizaron las siguientes preguntas ¿La luna existe si no la observamos? O mejor, si una rama de un árbol cae en el bosque ¿hace ruido si nadie esta escuchando?. Es decir ¿existen realidades físicas objetivas o estas dependen de la existencia de un observador externo?. Los defensores de esta realidad cuántica # 1 responden que no, no existen realidades objetivas en el mundo cuántico.
Realidad Cuántica # 2: La interpretación de Copenhague, parte 2.
La realidad es creada por el acto de observar
Algo así como decir las cosas existen solo cuando son observadas (recordemos las metáforas de la luna y la rama que cae en el bosque)
Es así que la interpretación de la escuela de Copenhague consiste en dos partes:
1. No existe la realidad en ausencia de observación.
2. La observación crea la realidad.
Pero surge la pregunta entonces de ¿qué es una observación? O ¿cuáles son las características que una observación debe tener para poder crear la realidad?. La respuesta a estas surge con la máxima del físico John Wheeler, que separa lo real de lo no real diciendo: Ningún fenómeno es un fenómeno real hasta que el mismo es observado. Esta creencia de que la realidad es creada por el observador si bien puede ser común en el campo de la filosofía, no lo es en el campo de la física, por lo menos no lo era hasta la aparición de la física cuántica.
Realidad Cuántica # 3: Que dice
La realidad es un todo indivisible
El mundo físico, a pesar de mostrarse como un conjunto de partes con límites entre dichas partes constitutivas, es un todo inseparable e indivisible, todo afecta a todo. Es así que si bien el observador puede crear la realidad, el observador es parte del todo y no algo separado. No se puede mantener según dicen los partidarios de este concepto de realidad, una separación en el mundo entre una realidad objetiva y nosotros observadores conscientes; objetos y sujetos se han convertido en inseparables unos de otros. Esta no separabilidad del mundo cuántico no tiene nada que ver con la idea sistémica de los clásicos donde todo estaba interconectado. Por ejemplo a través de las teorías de los campos; aunque dichas interconexiones decaían y finalmente desaparecían con la distancia entre las partes. Las conexiones distantes eran irrelevantes, ¿cuánto afecta el campo gravitatorio de la tierra si estoy en la luna? ¿y si estoy fuera de la galaxia?
Esta realidad de un todo indivisible es diferente, de manera tal que no estará relacionada ni espacial ni temporalmente. Es como si armáramos un cubo de resortes, donde no importa donde toquemos, repercute en toda la estructura así armada instantánea o cuasi instantáneamente.
Esta idea de realidad está en línea con una visión holística propia de los orientales.
Realidad Cuántica # 4: Muchos mundos, muchos universos que coexisten.
La realidad consiste en una gran cantidad de universos paralelos.
Para cualquier situación en la cual existen diferentes resultados posibles (por ejemplo lanzar una moneda al aire), algunos físicos defensores de esta idea dicen que todos los resultados ocurren pero en diferentes universos, cada universo es igual al anterior salvo en lo que respecta al resultado de la situación analizada en cuestión.(¿raro no?)
Realidad Cuántica # 5: La lógica diferente.
El mundo obedece a una clase de razonamiento diferente al que estamos acostumbrados los seres humanos y que definimos como lógico.
La lógica es el esqueleto de nuestro cuerpo de conocimientos. Desde hace mas de dos mil años la lógica está basada en el molde de los silogismos de Aristóteles.
Si cambiamos las reglas de dicha lógica podremos entonces ver la nueva física o los hechos que esta describe como lógicos dentro de esta nueva lógica. Es difícil de entender pero, pensemos en algo similar que ya ocurrió con la geometría. Durante dos mil años la geometría que existía era la euclidiana, la ciencia de los puntos y las líneas. Hubo algunos matemáticos locos como Nicolai Lobachevski, Gauss y Riemann que crearon una nueva geometría, esta fue considerada como un juego de altas matemáticas, pero fuera de la realidad (de nuevo observemos el concepto realidad). La geometría verdadera era la euclidiana que, después de todo no es mas que el sentido común aplicado a las figuras geométricas. Sin embargo en 1916, Einstein propuso una nueva teoría de la gravedad que demolió el monopolio euclidiano. Einstein declaró que la gravedad no es una fuerza sino una curvatura en el espacio-tiempo, un objeto entonces cuando cae no lo hace por ser atraído por una fuerza (la gravedad), sino que se mueve por una línea recta según los estándares de estas nuevas geometrías. Esta apreciación de Einstein pudo ser comprobada por vía experimental al medir la deflexión de un rayo de luz de una estrella al pasar cerca de la deformación del espacio-tiempo provocada por el sol. La lección de los partidarios de la nueva lógica cuántica es la siguiente: la cuestión de la verdadera geometría, o la verdadera lógica que gobierna al mundo no está fijada por el sentido común de los seres humanos, sino por las experiencias reales que se pueden observar y medir. Para determinar las reglas de la correcta razón, no hay que buscar en el interior de nuestra propia cabeza, sino en el laboratorio.
Realidad cuántica # 6: Neorrealismo.
El mundo esta compuesto por objetos ordinarios, los cuales poseen atributos propios sea que son observados o no.
Einstein es el representante por excelencia de esta realidad, sus disputas con Bohr duraron hasta su muerte. Según escribió:
“Todavía creo en la posibilidad de un modelo de la realidad; esto es, de una teoría que represente los fenómenos en sí mismos y no meramente la probabilidad de su ocurrencia”.
Realidad cuántica # 7:
La conciencia crea la realidad.
Los partidarios de este modelo, dicen que solamente algo dotado de conciencia tiene le privilegio de crear la realidad. El único observador que cuenta es el observador consciente.
Realidad cuántica # 8: El mundo dúplex de Heisenberg.
El mundo tiene dos partes, la de los potenciales, lo que está en potencia lo que puede ser; y la de las realidades de las cosas que pasan.
La mayoría de los físicos defienden una de las dos primeras realidades cuánticas: la realidad cuánticas 1 (no hay realidades profundas) y la 2 (la observación crea la realidad. Lo que ambas tienen en común, es que solo los fenómenos son reales, pero debajo de esos fenómenos no hay realidad.
Ahora bien si la observación crea la realidad, ¿en qué se basa dicha observación para crear la realidad? ¿Desde donde la crea?. Dado que la teoría cuántica describe la realidad que sé mide/observa con una exactitud perfecta, debe contener (la teoría cuántica) algunas claves desde donde surgen o en que se basan los fenómenos observados. Tal vez usando la imaginación podemos intuir el basamento en el cual se sustenta nuestro mundo familiar, el que vemos todos los días.
De acuerdo a Heisenberg no existía una realidad profunda, el mundo no medido es semirreal y solo alcanza realidad total durante el acto de observación:
En los experimentos acerca de eventos atómicos debemos tratar con cosas y hechos concretos, con fenómenos que son tan reales como cualquier fenómeno en la vida diaria. Pero los átomos y las partículas elementales no son reales, estas forman un mundo de posibilidades, de cosas en potencia, mas que uno de cosas o hechos... La onda de probabilidades significa una tendencia por algo. Es la versión cuantitativa del viejo concepto Aristotélico de potencia. Introduce algo en el medio entre la idea de un evento y la realización de dicho evento, una clase extraña de realidad física justo en el medio entre la posibilidad y la realidad.
El mundo de todos los días en el cual vivimos, tiene un aspecto bien concreto del cual carece el mundo cuántico, solo ocurren eventos uno por vez. Por el contrario el mundo cuántico no es un mundo de eventos reales sino un mundo lleno de tendencias de acción que no se concretan, que no ocurren; estas tendencias están constantemente en “movimiento” de las posibilidades. Los dos mundos, el dúplex, que menciona Heisenberg, se une a través de un puente que denominamos medición. Durante este acto “mágico”, una de las posibilidades entre todas las existentes, es la que se concreta y así aparece en el mundo de las acuerdo a exactas leyes de movimiento. Nada ocurre sino que todo permanece en el ámbito de realidades como un evento concreto. Todo lo que ocurre entonces en nuestro mundo de realidades, surge de las posibilidades preexistentes en el mundo cuántico de las potencias. El mundo no observado consiste en un racimo de posibilidades cada una con su valor probabilístico de ocurrencia.
Una característica asombrosa de estas 8 realidades cuánticas, es que para cualquier tipo de experimento que se pueda concebir, cada una de estas predice exactamente los mismos resultados observables. En la actualidad cada una de estas realidades cuánticas puede ser considerada como la que explica con certeza como es el mundo realmente.
Un ejemplo clásico de esta situación es la dualidad de la luz onda-partícula. A veces la luz debe describirse como una onda porque así es como se comporta, y en otras ocasiones como una partícula. No significa esto que la luz es realmente una onda o una partícula, sino que es algo para lo cual no hay una analogía en el mundo cotidiano de nuestros sentidos; es algo que bajo ciertas circunstancias parece comportarse como una onda, y bajo ciertas otras circunstancias, parece comportarse como una partícula.
Otro ejemplo ocurre con el modelo del átomo. Históricamente la idea de átomo se desarrolló pensando primero a los mismos como pequeñas esferas indivisibles, luego se avanzó en la idea de un átomo compuesto por diferentes partículas. Usando el modelo de los átomos como “bolas de billar”, se pudieron hacer descripciones matemáticas muy precisas acerca del comportamiento de los gases, por ejemplo la relación entre presión y temperatura en un recipiente lleno de gas. Mas tarde cuando se desarrolló el modelo de átomo de Bohr con electrones considerados como pequeñas “ bolitas de billar” en órbita alrededor de un núcleo que es como una “bola de billar” más grande, este sirvió muy bien para poder explicar el origen de las líneas espectrales que producen los elementos. Mas adelante en el tiempo, la naturaleza de los enlaces o uniones químicas necesarios para formar diferentes compuestos, se pudo explicar utilizando el modelo de los electrones como “nubes” (distribución de probabilidades) alrededor del núcleo. A pesar de que hay una línea histórica en el desarrollo de los modelos, esto no significa que los últimos son correctos y los otros no. Los físicos aún hoy en día, utilizan el modelo de las “bolas de billar” para calcular la presión de los gases, y los químicos utilizan el modelo de Bohr para estudiar el espectro producido por diferentes elementos. Cada modelo es correcto en su propia área de aplicación, a pesar de que los diferentes modelos parecen ser incompatibles entre ellos.
Por eso la mejor manera de pensar a los diferentes modelos, que se presentan en la física (¿y en la vida cotidiana?), es considerarlos como diferentes herramientas para diferentes trabajos a realizar. Cuando utilizamos herramientas equivocadas, es imposible realizar el trabajo; de la misma forma si pretendemos explicar ciertos fenómenos con el modelo inapropiado, poco será lo que podamos explicar o bien las conclusiones serán erróneas.
Esta explicación es muy válida en términos de la física cuántica, porque en realidad todas las diferentes interpretaciones que dan lugar a diferentes realidades cuánticas, son modelos. Ninguno de ellos representa la verdad última acerca del mundo cuántico, y muy probablemente no hay manera de que el cerebro humano pueda alguna vez aprehender /comprender las verdades últimas del mundo cuántico. Todas las interpretaciones son simples ayudas para percibir lo que pasa realmente. Nadie sabe lo que el mundo cuántico realmente es, todo lo que podemos saber es como es.
Pero ¿qué quiero significar con todo esto? Como comentaba un autor, si vemos una película con huevos que están a punto de ser abiertos por el nuevo ser a nacer, nuestra imagen de la realidad nos hace esperar pollitos, si por el contrario surgen viboritas o cocodrilitos, experimentaremos la idea de que la realidad no es lo que imaginábamos de acuerdo a nuestras experiencias pasadas. Esto es lo que les ocurrió a los físicos cuando se encontraron con los fenómenos cuánticos. Este mundo en el cual vivimos no es lo que parece ser exteriormente. Ahora bien ¿cómo lo explicamos?.
Ya Kant creía que la apariencia del mundo estaba fuertemente condicionada por los sentidos humanos y por el aparato intelectual. Otros seres diferentes a nosotros los humanos, experimentarían el mismo mundo en una forma radicalmente diferente. Los hechos que llamamos científicos son tanto producto de la naturaleza humana del observador, como de la realidad intrínseca del hecho o fenómeno. Vemos al mundo a través de unos anteojos humanos. El hombre está destinado, según Kant, a conocer ya sea directamente o a través de la creación de conceptos, solo las apariencias del mundo, y de ellas solo aquella parte que tiene origen humano. Kant es un ejemplo del pesimismo en la investigación de la realidad.
La teoría cuántica ha sido universalmente exitosa en describir fenómenos a todo nivel accesibles mediante experimentos, la teoría cuántica funciona como un libro de cocina perfecto para cualquier cosa que queramos realizar dentro del mundo físico, sin embargo acompañando a esta precisión, existe un total desacuerdo acerca de lo que significa y de que clase de realidad está sustentando. Existen varias “realidades” cuánticas que diferentes físicos defienden como “La realidad real o verdadera” que sustenta la apariencia externa. Algunas de estas “realidades” son además contradictorias entre sí, pero todas producen los mismos resultados ante los mismos experimentos. Veamos cuales son y que dice cada una de ellas; son las visiones de algunos físicos de renombre que se expresan en la forma de ocho realidades distintas, las cuales representan ocho aproximaciones importantes a lo que realmente ocurre detrás de la escena, ocho modelos diferentes:
Realidad Cuántica # 1: La interpretación de Copenhague parte 1. Representada por Niels Bohr, que dice:
En el mundo físico, no existe una realidad profunda
Bohr no niega la evidencia de nuestros sentidos, el mundo que nos rodea es real, pero flota en un mundo mas profundo que no es real. Algunos físicos que se oponían a esta interpretación por ejemplo Einstein, decían que seguramente Bohr quería significar no extender las especulaciones por fuera del rango de los experimentos que se realizan, sino que existirían ciertas realidades escondidas y no conocidas por el momento con la tecnología existente. Pero Bohr no aceptaba esta interpretación, sino que insistía diciendo: “ no hay un mundo cuántico, solo existe una descripción cuántica abstracta”. Heinserberg, el Cristóbal Colón de la teoría cuántica escribió:
la esperanza de que nuevos experimentos nos guiarán hacia hechos objetivos en el tiempo y el espacio tiene tanto fundamento como esperar descubrir el final del mundo conocido en las zonas inexploradas de la Antártida.
Para dar una metáfora de la postura de esta realidad 1, muchos utilizaron las siguientes preguntas ¿La luna existe si no la observamos? O mejor, si una rama de un árbol cae en el bosque ¿hace ruido si nadie esta escuchando?. Es decir ¿existen realidades físicas objetivas o estas dependen de la existencia de un observador externo?. Los defensores de esta realidad cuántica # 1 responden que no, no existen realidades objetivas en el mundo cuántico.
Realidad Cuántica # 2: La interpretación de Copenhague, parte 2.
La realidad es creada por el acto de observar
Algo así como decir las cosas existen solo cuando son observadas (recordemos las metáforas de la luna y la rama que cae en el bosque)
Es así que la interpretación de la escuela de Copenhague consiste en dos partes:
1. No existe la realidad en ausencia de observación.
2. La observación crea la realidad.
Pero surge la pregunta entonces de ¿qué es una observación? O ¿cuáles son las características que una observación debe tener para poder crear la realidad?. La respuesta a estas surge con la máxima del físico John Wheeler, que separa lo real de lo no real diciendo: Ningún fenómeno es un fenómeno real hasta que el mismo es observado. Esta creencia de que la realidad es creada por el observador si bien puede ser común en el campo de la filosofía, no lo es en el campo de la física, por lo menos no lo era hasta la aparición de la física cuántica.
Realidad Cuántica # 3: Que dice
La realidad es un todo indivisible
El mundo físico, a pesar de mostrarse como un conjunto de partes con límites entre dichas partes constitutivas, es un todo inseparable e indivisible, todo afecta a todo. Es así que si bien el observador puede crear la realidad, el observador es parte del todo y no algo separado. No se puede mantener según dicen los partidarios de este concepto de realidad, una separación en el mundo entre una realidad objetiva y nosotros observadores conscientes; objetos y sujetos se han convertido en inseparables unos de otros. Esta no separabilidad del mundo cuántico no tiene nada que ver con la idea sistémica de los clásicos donde todo estaba interconectado. Por ejemplo a través de las teorías de los campos; aunque dichas interconexiones decaían y finalmente desaparecían con la distancia entre las partes. Las conexiones distantes eran irrelevantes, ¿cuánto afecta el campo gravitatorio de la tierra si estoy en la luna? ¿y si estoy fuera de la galaxia?
Esta realidad de un todo indivisible es diferente, de manera tal que no estará relacionada ni espacial ni temporalmente. Es como si armáramos un cubo de resortes, donde no importa donde toquemos, repercute en toda la estructura así armada instantánea o cuasi instantáneamente.
Esta idea de realidad está en línea con una visión holística propia de los orientales.
Realidad Cuántica # 4: Muchos mundos, muchos universos que coexisten.
La realidad consiste en una gran cantidad de universos paralelos.
Para cualquier situación en la cual existen diferentes resultados posibles (por ejemplo lanzar una moneda al aire), algunos físicos defensores de esta idea dicen que todos los resultados ocurren pero en diferentes universos, cada universo es igual al anterior salvo en lo que respecta al resultado de la situación analizada en cuestión.(¿raro no?)
Realidad Cuántica # 5: La lógica diferente.
El mundo obedece a una clase de razonamiento diferente al que estamos acostumbrados los seres humanos y que definimos como lógico.
La lógica es el esqueleto de nuestro cuerpo de conocimientos. Desde hace mas de dos mil años la lógica está basada en el molde de los silogismos de Aristóteles.
Si cambiamos las reglas de dicha lógica podremos entonces ver la nueva física o los hechos que esta describe como lógicos dentro de esta nueva lógica. Es difícil de entender pero, pensemos en algo similar que ya ocurrió con la geometría. Durante dos mil años la geometría que existía era la euclidiana, la ciencia de los puntos y las líneas. Hubo algunos matemáticos locos como Nicolai Lobachevski, Gauss y Riemann que crearon una nueva geometría, esta fue considerada como un juego de altas matemáticas, pero fuera de la realidad (de nuevo observemos el concepto realidad). La geometría verdadera era la euclidiana que, después de todo no es mas que el sentido común aplicado a las figuras geométricas. Sin embargo en 1916, Einstein propuso una nueva teoría de la gravedad que demolió el monopolio euclidiano. Einstein declaró que la gravedad no es una fuerza sino una curvatura en el espacio-tiempo, un objeto entonces cuando cae no lo hace por ser atraído por una fuerza (la gravedad), sino que se mueve por una línea recta según los estándares de estas nuevas geometrías. Esta apreciación de Einstein pudo ser comprobada por vía experimental al medir la deflexión de un rayo de luz de una estrella al pasar cerca de la deformación del espacio-tiempo provocada por el sol. La lección de los partidarios de la nueva lógica cuántica es la siguiente: la cuestión de la verdadera geometría, o la verdadera lógica que gobierna al mundo no está fijada por el sentido común de los seres humanos, sino por las experiencias reales que se pueden observar y medir. Para determinar las reglas de la correcta razón, no hay que buscar en el interior de nuestra propia cabeza, sino en el laboratorio.
Realidad cuántica # 6: Neorrealismo.
El mundo esta compuesto por objetos ordinarios, los cuales poseen atributos propios sea que son observados o no.
Einstein es el representante por excelencia de esta realidad, sus disputas con Bohr duraron hasta su muerte. Según escribió:
“Todavía creo en la posibilidad de un modelo de la realidad; esto es, de una teoría que represente los fenómenos en sí mismos y no meramente la probabilidad de su ocurrencia”.
Realidad cuántica # 7:
La conciencia crea la realidad.
Los partidarios de este modelo, dicen que solamente algo dotado de conciencia tiene le privilegio de crear la realidad. El único observador que cuenta es el observador consciente.
Realidad cuántica # 8: El mundo dúplex de Heisenberg.
El mundo tiene dos partes, la de los potenciales, lo que está en potencia lo que puede ser; y la de las realidades de las cosas que pasan.
La mayoría de los físicos defienden una de las dos primeras realidades cuánticas: la realidad cuánticas 1 (no hay realidades profundas) y la 2 (la observación crea la realidad. Lo que ambas tienen en común, es que solo los fenómenos son reales, pero debajo de esos fenómenos no hay realidad.
Ahora bien si la observación crea la realidad, ¿en qué se basa dicha observación para crear la realidad? ¿Desde donde la crea?. Dado que la teoría cuántica describe la realidad que sé mide/observa con una exactitud perfecta, debe contener (la teoría cuántica) algunas claves desde donde surgen o en que se basan los fenómenos observados. Tal vez usando la imaginación podemos intuir el basamento en el cual se sustenta nuestro mundo familiar, el que vemos todos los días.
De acuerdo a Heisenberg no existía una realidad profunda, el mundo no medido es semirreal y solo alcanza realidad total durante el acto de observación:
En los experimentos acerca de eventos atómicos debemos tratar con cosas y hechos concretos, con fenómenos que son tan reales como cualquier fenómeno en la vida diaria. Pero los átomos y las partículas elementales no son reales, estas forman un mundo de posibilidades, de cosas en potencia, mas que uno de cosas o hechos... La onda de probabilidades significa una tendencia por algo. Es la versión cuantitativa del viejo concepto Aristotélico de potencia. Introduce algo en el medio entre la idea de un evento y la realización de dicho evento, una clase extraña de realidad física justo en el medio entre la posibilidad y la realidad.
El mundo de todos los días en el cual vivimos, tiene un aspecto bien concreto del cual carece el mundo cuántico, solo ocurren eventos uno por vez. Por el contrario el mundo cuántico no es un mundo de eventos reales sino un mundo lleno de tendencias de acción que no se concretan, que no ocurren; estas tendencias están constantemente en “movimiento” de las posibilidades. Los dos mundos, el dúplex, que menciona Heisenberg, se une a través de un puente que denominamos medición. Durante este acto “mágico”, una de las posibilidades entre todas las existentes, es la que se concreta y así aparece en el mundo de las acuerdo a exactas leyes de movimiento. Nada ocurre sino que todo permanece en el ámbito de realidades como un evento concreto. Todo lo que ocurre entonces en nuestro mundo de realidades, surge de las posibilidades preexistentes en el mundo cuántico de las potencias. El mundo no observado consiste en un racimo de posibilidades cada una con su valor probabilístico de ocurrencia.
Una característica asombrosa de estas 8 realidades cuánticas, es que para cualquier tipo de experimento que se pueda concebir, cada una de estas predice exactamente los mismos resultados observables. En la actualidad cada una de estas realidades cuánticas puede ser considerada como la que explica con certeza como es el mundo realmente.
Las fuerzas en la naturaleza son solo 4
¿Qué es una fuerza? Si ponemos dos cargas eléctricas próximas, sobre ellas existe una fuerza que tiende a separarlas o acercarlas. De la misma manera cuando clocamos un objeto a cierta altura, sobre este la tierra ejerce una cierta fuerza atrayéndolo, por eso se cae. ¿Qué es lo que transfiere esa fuerza desde un cuerpo al otro?, ¿cómo sabe un cuerpo o una carga de la existencia del otro/a? Decimos que la carga eléctrica esta rodeada por un campo eléctrico o electromagnético, que influye sobre la segunda carga. También hablamos que la tierra genera un campo gravitatorio o gravitacional que ejerce una fuerza sobre los cuerpos suspendidos a cierta altura. Pero esta idea de campo es una abstracción matemática, dado que finalmente un campo en un punto esta definido por la fuerza que en dicho punto actúa sobre una partícula de referencia tal como habíamos explicado anteriormente. Esta definición matemática no contesta la pregunta ¿que transfiere la fuerza de un objeto al otro?. En el siglo XX esta pregunta recibió la siguiente respuesta: la fuerza es transmitida o transportada por partículas, que según sea gravitatoria o eléctrica, la partícula será diferente. Los cuerpos cargados, se transmiten la fuerza electromagnética a través del intercambio de fotones. Es así que una partícula cargada emite un fotón que es absorbido por otra partícula cargada, y así se transmite el momento de una a otra, lo cual es lo mismo que decir que entre ambas se ejerce una fuerza. Pensemos en la analogía de dos personas tirando una pelota. Cada vez que una de estas personas atrapa la pelota que la otra arrojo, siente que es empujada hacia atrás es decir en la dirección que traía la pelota. Esta analogía sirve para entender el rechazo entre dos cargas de igual signo. Según esta teoría, también el efecto de la fuerza gravitatoria, se transmite por partículas denominadas gravitones, a pesar de que las mismas no han sido detectadas experimentalmente.
Bien hasta ahora nombramos dos tipos de fuerza, la electromagnética y la gravitatoria, porque ambas afectan nuestra vida diaria, estamos acostumbrados a sus efectos.
En la física clásica se entendía por fuerza aquello capaz de influir sobre el movimiento de un cuerpo o de alterar su forma. Cuando los científicos entraron al micromundo de las partículas, a la fuerza se la comenzó a entender como la causa de todo cambio, reacción, creación o desintegración. Dado que los roles desempeñados por las fuerzas en la física moderna son distintos a los tradicionales de la física clásica, se comenzó a hablar de las interacciones básicas como sinónimo de los que los clásicos conocían como fuerzas. Estas interacciones básicas son 4:
Gravitatoria.
Electromagnética.
Débil.
Fuerte.
Veamos el significado de las dos que aun no conocemos:
Interacción o fuerza débil: No es posible entenderla en términos corrientes, es la fuerza causante de ciertos fenómenos en los átomos, tal como la conversión de un neutrón en un protón y viceversa, lo que se denomina desintegración beta, la desintegración de un pion en un muon y la de este en un electrón. En todas estas se emite un neutrino, las cuales son las únicas partículas conocidas sobre las que puede actuar la fuerza débil. Esta fuerza si bien es mas fuerte que la de gravedad, es mucho más débil que la electromagnética y la fuerza fuerte, y tiene un rango o alcance de su influencia que no supera los 10-16 cm. Las partículas (bosones) que transmiten esta fuerza débil son tres W+, W- y Z0 .
Interacción o fuerza fuerte: ¿por qué los protones que son todos positivos no se rechazan entre sí en el interior del núcleo del átomo provocando el estallido del mismo? Por que existe una fuerza más poderosa que la electromagnética de repulsión que los mantiene unidos. La existencia de los neutrones en los núcleos tiende a facilitar la interacción fuerte impidiendo el decaimiento espontáneo de los núcleos, sobre todo de aquellos con gran cantidad de protones Esta es la denominada fuerza o interacción fuerte.
La comprensión de la fuerza fuerte entre los nucleones (protones y neutrones) solo será posible a partir de la comprensión de las fuerzas cromódinámicas que actuan dentro de cada nucleón entre los quarks. La fuerza fuerte es como el efecto residual de la fuerza fuerte por excelencia que es la cromodinámica.
Es interesante conocer cual es la relación de intensidad que existe entre estas fuerzas:
Tomando como base 1 para la fuerza fuerte, que es la más poderosa de las cuatro, la que le sigue es la electromagnética cuya fuerza relativa es 10-2, luego la fuerza débil con 10-13, y por ultimo la fuerza de gravedad con una fuerza relativa a la fuerte de 10-38. Los rangos de actuación en el espacio de cada una de estas fuerzas, son los que hacen que dos de ellas no se perciban por los sentidos dado que actuan a nivel atómico. Tanto la gravitatoria como la electromagnética tiene un rango infinito de influencia, disminuyendo su intensidad con la distancia. La fuerza fuerte actúa en un rango de 10-13 cm, mientras que la débil 10-16 cm.
Bien hasta ahora nombramos dos tipos de fuerza, la electromagnética y la gravitatoria, porque ambas afectan nuestra vida diaria, estamos acostumbrados a sus efectos.
En la física clásica se entendía por fuerza aquello capaz de influir sobre el movimiento de un cuerpo o de alterar su forma. Cuando los científicos entraron al micromundo de las partículas, a la fuerza se la comenzó a entender como la causa de todo cambio, reacción, creación o desintegración. Dado que los roles desempeñados por las fuerzas en la física moderna son distintos a los tradicionales de la física clásica, se comenzó a hablar de las interacciones básicas como sinónimo de los que los clásicos conocían como fuerzas. Estas interacciones básicas son 4:
Gravitatoria.
Electromagnética.
Débil.
Fuerte.
Veamos el significado de las dos que aun no conocemos:
Interacción o fuerza débil: No es posible entenderla en términos corrientes, es la fuerza causante de ciertos fenómenos en los átomos, tal como la conversión de un neutrón en un protón y viceversa, lo que se denomina desintegración beta, la desintegración de un pion en un muon y la de este en un electrón. En todas estas se emite un neutrino, las cuales son las únicas partículas conocidas sobre las que puede actuar la fuerza débil. Esta fuerza si bien es mas fuerte que la de gravedad, es mucho más débil que la electromagnética y la fuerza fuerte, y tiene un rango o alcance de su influencia que no supera los 10-16 cm. Las partículas (bosones) que transmiten esta fuerza débil son tres W+, W- y Z0 .
Interacción o fuerza fuerte: ¿por qué los protones que son todos positivos no se rechazan entre sí en el interior del núcleo del átomo provocando el estallido del mismo? Por que existe una fuerza más poderosa que la electromagnética de repulsión que los mantiene unidos. La existencia de los neutrones en los núcleos tiende a facilitar la interacción fuerte impidiendo el decaimiento espontáneo de los núcleos, sobre todo de aquellos con gran cantidad de protones Esta es la denominada fuerza o interacción fuerte.
La comprensión de la fuerza fuerte entre los nucleones (protones y neutrones) solo será posible a partir de la comprensión de las fuerzas cromódinámicas que actuan dentro de cada nucleón entre los quarks. La fuerza fuerte es como el efecto residual de la fuerza fuerte por excelencia que es la cromodinámica.
Es interesante conocer cual es la relación de intensidad que existe entre estas fuerzas:
Tomando como base 1 para la fuerza fuerte, que es la más poderosa de las cuatro, la que le sigue es la electromagnética cuya fuerza relativa es 10-2, luego la fuerza débil con 10-13, y por ultimo la fuerza de gravedad con una fuerza relativa a la fuerte de 10-38. Los rangos de actuación en el espacio de cada una de estas fuerzas, son los que hacen que dos de ellas no se perciban por los sentidos dado que actuan a nivel atómico. Tanto la gravitatoria como la electromagnética tiene un rango infinito de influencia, disminuyendo su intensidad con la distancia. La fuerza fuerte actúa en un rango de 10-13 cm, mientras que la débil 10-16 cm.
Los ladrillos que componen la materia, los ladrillos de los ladrillos
En la época de Aristóteles, los científicos consideraban que los cuatro elementos constituyentes de la materia eran: agua, tierra, aire y fuego. Durante esa misma época, se decía también que todas las cosas estaban constituidas por unidades indivisibles denominadas átomos. Con el correr del tiempo y de las investigaciones, se llego a saber mas acerca de los diferentes elementos, de los átomos y de cómo estos estaban compuestos. Hoy en día, la física tiene un modelo estándar de las partículas fundamentales y de la interacción entre ellas. Suponíamos que los electrones, protones y neutrones eran estos mínimos componentes, pero se ha avanzado un paso más. La situación actual es la siguiente:
1. Existe materia y antimateria (Dirac-Anderson), es decir para cada partícula existe una equivalente con propiedades opuestas en la región de la antimateria. Si una partícula se encuentra con su antipartícula, se produce la desaparición de ambas, transformándose sus masas en reposo en energía según la ecuación de Einstein E = mc2. Nuestro universo visible esta compuesto casi totalmente por materia, muy poca antimateria existe desde el inicio del universo allá por el big bang.
2. Clasificamos a las partículas (todas tienen sus correspondientes antipartículas) en dos grandes grupos:
a) Fermiones:
a su vez clasificados en:
· Quarks: son seis a saber: up(U), down (D), charm (C), strange (S), top (T), bottom (B). Tienen carga eléctrica fraccionaria. En 1964 Gell-Mann denomino a los tripletes que componían lo que hasta ese momento eran partículas elementales del núcleo atómico, como “quarks” palabra sacada de un pasaje de la obra Finnegan’s Wake de James Joyce:
“ Three quarks for Muster Mark!...”
· Leptones: son seis a saber: electrón (e), neutrino del electrón (ne), muon (m), neutrino del muon (nm), tauon (t), y neutrino de tau (nt). Tienen carga eléctrica nula o dada por un numero entero.
b) Bosones:
Que de acuerdo a nuestro sentido común, diríamos que no son una partícula (algo que tiene masa), sino que son entes, que ahora reconocemos que pueden comportarse como partículas y están asociados con la transmisión de las fuerzas de interacción entre los fermiones, son los portadores de las fuerzas. Existen bosones para cada una de las fuerzas existentes en la naturaleza, y ellos son:
· Fotón: que transmite la fuerza electromagnética la cual es la interacción entre partículas cargadas (recordemos QED).
· Gluon: que transmite la fuerza cromodinámica, la cual es la interacción entre partículas con carga de color (recordemos QCD)
· W y Z: que transmiten la fuerza débil que aun no hemos descripto pero que esta relacionada con la desintegración y emisión de partículas desde núcleos de átomos.
· Gravitón: que transmite la fuerza de gravedad que tampoco se ha aislado u observado sino a través de sus efectos. Es un concepto similar al de campo gravitacional.
¿Dónde están los protones y los neutrones? La realidad es que estas partículas componentes del núcleo en los átomos y por muchos años consideradas como elementales, no son elementales ya que están compuestas por otras. Por eso hablamos acerca de los ladrillos de los ladrillos. Como vimos en la sección de la QCD, los quarks no pueden existir en forma aislada sino que se mantienen unidos según las reglas dadas por la QCD.
De los quarks surgen por combinación los Hadrones según la siguiente regla:
· Mesón: esta formado por un par quark-antiquark (color+anti-color).
· Barión: esta formado por tres quarks o tres anti-quarks. Los bariones más conocidos son los protones y los neutrones
Todas las partículas estables de la naturaleza están compuestas por quarks up y down y por el electrón y el neutrino del electrón. Los otros quarks forman partículas que tienen ciclos de vida mucho mas cortos que los del protón y el neutron, a pesar de que dicho ciclo es lo suficientemente largo como para que puedan ser detectadas mediante equipos especiales. Lo que se denomina el gusto o sabor de los quarks (flavor) que es una manera de diferenciarlos, esta determinado por su carga, su masa y la presencia o ausencia de ciertas propiedades que si bien no están completamente entendidas, se las ha identificado con los siguientes nombres:
extrañeza, encanto, belleza, verdad y color (QCD).
1. Existe materia y antimateria (Dirac-Anderson), es decir para cada partícula existe una equivalente con propiedades opuestas en la región de la antimateria. Si una partícula se encuentra con su antipartícula, se produce la desaparición de ambas, transformándose sus masas en reposo en energía según la ecuación de Einstein E = mc2. Nuestro universo visible esta compuesto casi totalmente por materia, muy poca antimateria existe desde el inicio del universo allá por el big bang.
2. Clasificamos a las partículas (todas tienen sus correspondientes antipartículas) en dos grandes grupos:
a) Fermiones:
a su vez clasificados en:
· Quarks: son seis a saber: up(U), down (D), charm (C), strange (S), top (T), bottom (B). Tienen carga eléctrica fraccionaria. En 1964 Gell-Mann denomino a los tripletes que componían lo que hasta ese momento eran partículas elementales del núcleo atómico, como “quarks” palabra sacada de un pasaje de la obra Finnegan’s Wake de James Joyce:
“ Three quarks for Muster Mark!...”
· Leptones: son seis a saber: electrón (e), neutrino del electrón (ne), muon (m), neutrino del muon (nm), tauon (t), y neutrino de tau (nt). Tienen carga eléctrica nula o dada por un numero entero.
b) Bosones:
Que de acuerdo a nuestro sentido común, diríamos que no son una partícula (algo que tiene masa), sino que son entes, que ahora reconocemos que pueden comportarse como partículas y están asociados con la transmisión de las fuerzas de interacción entre los fermiones, son los portadores de las fuerzas. Existen bosones para cada una de las fuerzas existentes en la naturaleza, y ellos son:
· Fotón: que transmite la fuerza electromagnética la cual es la interacción entre partículas cargadas (recordemos QED).
· Gluon: que transmite la fuerza cromodinámica, la cual es la interacción entre partículas con carga de color (recordemos QCD)
· W y Z: que transmiten la fuerza débil que aun no hemos descripto pero que esta relacionada con la desintegración y emisión de partículas desde núcleos de átomos.
· Gravitón: que transmite la fuerza de gravedad que tampoco se ha aislado u observado sino a través de sus efectos. Es un concepto similar al de campo gravitacional.
¿Dónde están los protones y los neutrones? La realidad es que estas partículas componentes del núcleo en los átomos y por muchos años consideradas como elementales, no son elementales ya que están compuestas por otras. Por eso hablamos acerca de los ladrillos de los ladrillos. Como vimos en la sección de la QCD, los quarks no pueden existir en forma aislada sino que se mantienen unidos según las reglas dadas por la QCD.
De los quarks surgen por combinación los Hadrones según la siguiente regla:
· Mesón: esta formado por un par quark-antiquark (color+anti-color).
· Barión: esta formado por tres quarks o tres anti-quarks. Los bariones más conocidos son los protones y los neutrones
Todas las partículas estables de la naturaleza están compuestas por quarks up y down y por el electrón y el neutrino del electrón. Los otros quarks forman partículas que tienen ciclos de vida mucho mas cortos que los del protón y el neutron, a pesar de que dicho ciclo es lo suficientemente largo como para que puedan ser detectadas mediante equipos especiales. Lo que se denomina el gusto o sabor de los quarks (flavor) que es una manera de diferenciarlos, esta determinado por su carga, su masa y la presencia o ausencia de ciertas propiedades que si bien no están completamente entendidas, se las ha identificado con los siguientes nombres:
extrañeza, encanto, belleza, verdad y color (QCD).
¿Qué se entiende por partículas?
Cuando los físicos intentaron extrapolar los conocimientos de la física clásica al mundo de los átomos, se encontraron con la sorpresa de que las cosas aquí no funcionaban, según la descripción clásica. Las partículas individuales debían ser consideradas como ondas, ante circunstancias definidas, como también aquello que se pensaba era una onda, debería considerarse como partícula ante otras circunstancias experimentales. Por lo tanto el concepto de partícula se amplio.
Todo aquello sobre lo que podemos tener una experiencia directa puede en principio ser explicado en términos de seis partículas y de la forma en que interactúan entre ellas: las partículas materiales electrón, neutrino, protón y neutrón, y los intermediarios de las fuerzas que las unen: el fotón y el gravitón. En un nivel mas profundo, los protones y neutrones están formados por dos tipos de quarks diferentes
(up y down), que se mantienen unidos por una fuerza cuyo intermediario o portador se denomina gluón.
Pero veamos mas detenidamente los componentes últimos de la materia.
Todo aquello sobre lo que podemos tener una experiencia directa puede en principio ser explicado en términos de seis partículas y de la forma en que interactúan entre ellas: las partículas materiales electrón, neutrino, protón y neutrón, y los intermediarios de las fuerzas que las unen: el fotón y el gravitón. En un nivel mas profundo, los protones y neutrones están formados por dos tipos de quarks diferentes
(up y down), que se mantienen unidos por una fuerza cuyo intermediario o portador se denomina gluón.
Pero veamos mas detenidamente los componentes últimos de la materia.
La Cromodinámica cuántica (QCD) como analogía de la QED
Así como esta teoría de la electrodinámica cuántica (QED) describe como las partículas cargadas interactúan a través del intercambio de fotones; al desarrollar el estudio de los Quarks (que veremos en la próxima sección), uno de los tipos de partículas componentes de la materia conocida (protones y neutrones), se creo por analogía, la teoría de la Cromodinámica quántica (QCD). Esta teoría describe como los quarks interactúan entre ellos a través del intercambio de gluones. El nombre cromo surge de una propiedad particular que los quarks y los gluones tienen la cual es análoga a la carga eléctrica, y a la que se le da el nombre de carga de color. No significa que tengan color sino que se utiliza esta nomenclatura como una forma de distinguir una propiedad característica de estas partículas al estudiar el tipo de fuerzas por las que se unen o se rechazan. Los tres colores que se usan para denominar o distinguir a los quarks son rojo, azul y verde; algunos físicos cambian este ultimo por el amarillo.
El fundamento de esta teoría, soportado por un desarrollo matemático complejo y avanzado, es que solamente pueden existir combinaciones de quarks que sean incoloras. Esto se logra de dos formas diferentes:
· Tres quarks de diferentes colores dan una unión posible al ser incolora, tal como la combinación de un electrón (-) y un protón (+) da una combinación estable de carga neutra.
· Una combinación de un par quark-antiquark también es incolora y por lo tanto posible.
Estas reglas de combinación se aplican a la conformación de todas las partículas, es así como veremos en la conformación de los protones y los neutrones mediante quarks, que el tema del color de los mismos debe tenerse en cuenta.
A comienzos de 1970, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch desarrollaron una aproximación a través de la teoría de los campos para describir las diferentes interacciones que pueden existir entre estas partículas (quarks). Así se estableció que los quarks coloreados interactúan entre si mediante el intercambio de gluones. El color juega el role de la carga eléctrica en la QED, aunque en forma más compleja, dado que mientras que en la QED existe solo una carga (+) y su anti-carga (-); en la QCD existen tres colores con sus respectivos anti-colores, donde se da la siguiente regla de atracción-repulsión:
Dos colores o anti-colores iguales se repelen, un color y su correspondiente anti-color experimentan la máxima atracción, colores diferentes también experimentan atracción aunque de menor grado que la anterior.
Mientras que en la QED solo una partícula es necesaria para mediar en la transmisión de la fuerza electromagnética, el fotón; en la QCD son necesarias 8 partículas denominadas gluones para mediar en la transmisión de la denominada fuerza cromodinámica que es la que mantiene unidos a los quarks. El tema es aun mas complicado, porque los quarks pueden cambiar de color, por lo que los gluones deben también tener la característica del color para así poder llevar color de un quark hasta otro. Por lo tanto los gluones también son afectados por la fuerza cromodinámica, aquella cuyas reglas de interacción describimos antes.
El fundamento de esta teoría, soportado por un desarrollo matemático complejo y avanzado, es que solamente pueden existir combinaciones de quarks que sean incoloras. Esto se logra de dos formas diferentes:
· Tres quarks de diferentes colores dan una unión posible al ser incolora, tal como la combinación de un electrón (-) y un protón (+) da una combinación estable de carga neutra.
· Una combinación de un par quark-antiquark también es incolora y por lo tanto posible.
Estas reglas de combinación se aplican a la conformación de todas las partículas, es así como veremos en la conformación de los protones y los neutrones mediante quarks, que el tema del color de los mismos debe tenerse en cuenta.
A comienzos de 1970, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch desarrollaron una aproximación a través de la teoría de los campos para describir las diferentes interacciones que pueden existir entre estas partículas (quarks). Así se estableció que los quarks coloreados interactúan entre si mediante el intercambio de gluones. El color juega el role de la carga eléctrica en la QED, aunque en forma más compleja, dado que mientras que en la QED existe solo una carga (+) y su anti-carga (-); en la QCD existen tres colores con sus respectivos anti-colores, donde se da la siguiente regla de atracción-repulsión:
Dos colores o anti-colores iguales se repelen, un color y su correspondiente anti-color experimentan la máxima atracción, colores diferentes también experimentan atracción aunque de menor grado que la anterior.
Mientras que en la QED solo una partícula es necesaria para mediar en la transmisión de la fuerza electromagnética, el fotón; en la QCD son necesarias 8 partículas denominadas gluones para mediar en la transmisión de la denominada fuerza cromodinámica que es la que mantiene unidos a los quarks. El tema es aun mas complicado, porque los quarks pueden cambiar de color, por lo que los gluones deben también tener la característica del color para así poder llevar color de un quark hasta otro. Por lo tanto los gluones también son afectados por la fuerza cromodinámica, aquella cuyas reglas de interacción describimos antes.
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