Física cuántica parte 1

Listado Parte 1

Física clásica
Desarrollo de la física cuántica
Dualidad onda-partícula
Principio de incertidumbre
Experimento de doble rendija
Superposición
El mundo se compone de energía

Listado Parte 2

Los Quarks
con el puño sobre la mesa
Partículas enredadas (Fenomeno EPR)
Conclusion
Física digital y realidad virtual
¿Qué dice Max Planck a la materia?

La física clásica (newtoniana)

En el tiempo de Galileo (1564-1642), Kepler (1571-1630) y Newton (1642-1726) el mundo todavía fue en orden. Entonces se discutió si la tierra o el sol está en el centro de nuestro sistema planetario, si las planetas se mueven en orbitas circulares o elípticos. Por lo demás el mundo era más o menos lógico y comprensible. La física clásica es la física mecánica, aclara cuestiones como las leyes de la palanca y de la velocidad de la caída. Es necesario para construir máquinas, etc.. Es la física “real” y se trata del mundo que podemos ver y tocar.

La física clásica ve nuestro mundo y nuestro universo como una máquina gigante predecible. Todo está inequívoco. La misma causa siempre tiene el mismo efecto. Las leyes de la física son las mismas en todas partes del universo. Una partícula como por ejemplo una piedra con una masa de 100 g, sigue ser una piedra, no puede ser más ligero, sólo puede caer abajo, nunca hacia arriba y él será capaz de licuarse sólo por suministro de una energía muy alta. Si conoceríamos el estado exacto de cada partícula del universo en la segunda corriente, podríamos calcular el futuro del universo en una hora o una semana más tarde. Pero sólo si las criaturas y especialmente la persona se comportan exactamente de acuerdo con las leyes de la física clásica, y que no es seguro.

Hay algunos excepciones extrañas a estas leyes: Cualquier sustancia se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. Por el agua esta ley se aplica sólo entre 4 ° y 100 °, ella se comporta al revés entre 0 ° y 4 ° centígrados. Esta anomalía de agua es vital para los seres vivos: si un lago se enfría, el agua a 4 ° tiene el volumen más pequeño y se hunde hasta la parte más profunda de un lago. En un enfriamiento adicional a 0 °, se eleva de nuevo, y cuando se congela, el hielo se forma sólo en la superficie. De esta manera, los organismos pueden sobrevivir en invierno en agua dulce. Si el agua se comportaría de manera diferente, un lago se congelaría de abajo hacia arriba, y resultaría en un solo bloque de hielo, ningún pez podria sobrevivir. Es como si alguien había planificado los pescados antes de determinar el comportamiento térmico del agua.

A pesar de que la física clásica puede explicar solamente una parte de nuestro mundo, todavía determina nuestra visión del mundo y nuestra manera de pensar en muchos campos de la ciencia.

Desarrollo de la física cuántica

Es diferente con la física cuántica de hoy. La descripción científica de los componentes los más pequeños de nuestro mundo se parece más a la magia.

Comenzó Max Planck en 1900, cuando descubrió que la radiación de calor puede liberar su energía sólo fragmentaria, a manera de quantum, como “Quanta”.

La Dualidad onda-partícula

Descubrimientos de Einstein y de Broglie en 1923 llevaron al concepto de la dualidad onda-partícula que dice que cada partícula (átomo, protón, electrón,…) al mismo tiempo es un pequeño cuerpo con un peso (masa) y al mismo tiempo es una onda electromagnética.

Una onda se puede comparar con las ondas del agua, que crea una piedra lanzada al agua. Las ondas sonoras de las moléculas de aire consisten en movimientos de las moléculas de agua, ondas del agua. Las ondas forman círculos y ciertos patrónes. Las ondas electromagnéticas, que incluyen las ondas de luz, sigen los mismos principios que las ondas del agua y las ondas sonoras, así formando círculos y patrónes. Pero las ondas electromagnéticas no consisten en movimientos de partículas, pero consisten en nada, se propagan en el espacio, en el vacío sin aire. No tienen ningún peso y son totalmente inmateriales.

No tienen ningún peso y son completamente immateriales. Asimismo, no se localizan, que se encuentran simultáneamente en varios lugares, así que no tienen localización exacta. Una partícula, sin embargo, tiene en un momento dado una localización precisa.

La teoría de la dualidad onda-partícula ahora dice que cada partícula de nuestro universo puede ser al mismo tiempo una onda, mientras que cada onda de nuestro universo puede ser al mismo tiempo una partícula.

La teoría de la dualidad onda-partícula explica que incluso los immateriales rayos de luz tienen un peso pequeño (fotones) y pueden ser desviados por la gravedad. Por lo tanto, no pueden verse “agujeros negros” en el espacio, porque tienen una atracción tan inmensa, que ni siquiera los fotones de la luz, los rayos son demasiado pesados para superar esta atracción y irradiar en el espacio exterior.

A su vez, la naturaleza de onda de la luz explica el arco iris, que son patrones de las diferentes longitudes de onda de la luz. El llamativo y contradictorio en esta teoría es que las ondas electromagnéticas, los rayos de luz o incluso las ondas de calor son partículas localizables de carga y tanto al mismo tiempo ondas no-localizables sin peso. Esto contradice el principio de la unicidad de la física clásica, pero es cierto para cada partícula y cada átomo.

El principio de indeterminación (ó de incertidumbre)

Y ahora continúa con los aspectos mágicos de la física cuántica: en 1927 adémas se produjo el principio de indeterminación (principio de incertidumbre) de Heisenberg. Cuando una partícula tal como un electrón, por ejemplo, es básicamente imposible determinar tanto su ubicación exacta, así como la velocidad al mismo tiempo. Si en un momento el lugar es determinado con precisión de nanómetro, no puede determinarse la velocidad y viceversa.

Pero si conduzco mi coche en un control de radar con una velodidad de 65 km/h, encontraro en el aviso de multa tanto la ubicación exacta y la velocidad exacta (bueno, tal vez no en el nanómetro preciso). ¿Por qué no es el mismo de los electrones? El electrón ya no es únivoco, es vago y impreciso, escapa á una determinación precisa y sólo es detectable estadísticamente.

Experimento de la doble rendija (Experimento de Young)

Partículas: 2 tiras (escopeta)

Esto es un experimento físico muy bien conocido y misterioso. Fue realizado en 1802 por primera vez, para probar que la luz es una onda. La luz es enviado en una placa, que tiene sólo dos rendijas estrechas, a través del cuales la luz puede pasar. Si uno fuera a bombardear una placa de doble rendija con partículas, por ejemplo con una escopeta, entonces verá 2 tiras estrechas de perdigones por otra parte, precisamente donde las bolas o partículas pueden volar todavía debido a las rendijas estrechas. Pero si uno envía luz a través de esta rendija, se puede ver un patrón de muchas tiras en el otro lado, ya que la luz de los dos rendijas según las leyes de propagación de ondas está reforzado en ciertos lugares y en otros lugares se debilita, por lo tanto hace un patrón. Con este experimento, Thomas Young fue capaz de demostrar que la luz es una onda, porque se forman muchas tiras dando un patrón.

Video del experimento de doble rendija

Ondas: patrón de interferencia

En una modificación moderna de este experimento, enviaron un solo fotón, es decir una partícula muy pequeña, a la doble rendija. Sorprendentemente, se vío no tiras pero un patrón de ondas. Pues ¿cómo puede un fotón volar simultáneamente a través de ambas rendijas y forma con sí mismo un patrón de onda?

En una altra versión del experimento de doble rendija establecieron instrumentos para determinar a través de cuál de las dos rendijas una partícula a volado. Y listo, apenas el medidor estaba allí, y luego de repente había dejado de ser un patrón de onda, pero dos tiras como en el modelo de escopeta. Pues donde el fotón puede saber que se mide después, y luego de repente puede comportarse de manera diferente? ¿Es importante para el fotón, si se observa o no? Cambiara solo la voluntad de llevar a cabo una medición el proceso? Es la conciencia para medir el proceso más fuerte que la física? Hasta la fecha, nadie pudo esclarecer plenamente este rompecabezas.

La última variante de este experimento, el “Delayed Choice Quantum Eraser Experiment” (1999), es realmente desconcertante: en el momento en que el electrón pasa a través de la rendija, ya no es determinado si se mide o no. Sin embargo, el fotón se comporta de la misma manera como se describió anteriormente: si no es observado, surge el patrón de interferencia de una onda, pero si es medido por cual rendija que vuela, se crea la tira de una partícula. Es como si el fotón pudiera ver el futuro o como si la medición del fotón en el futuro afectara el pasado.

Es como un escondite: casi no vamos a considerar las partículas mas precisamente, casi no vamos a medir su lugar ya la particula desaparece y se convierte en una onda de energía. El gran misterio de la física sigue siendo: ¿por qué el establecimiento de un instrumento de medida, por lo que la observación de la partícula, desempeña un papel tan grande? La observación es un acto humano. Si nosotros seres humanos – de acuerdo a la visión materialista del neodarwinismo – seríamos sólo una colección complicada et programada de manera inteligente de moléculas, no habría posibilidad de una explicación para este fenómeno.

Los escépticos defienden la concepción material del mundo y tentan de quitar a los experimentos de la física cuántica su carácter misterioso. Se cita a menudo el argumento escéptico siguiente: hay leyes para el pequeño mundo de las partículas y otros leyes por el grande mundo visible, que sería todavia científicamente legítimo. El secreto del experimento de la doble rendija seria simplemente que por el hecho de medir el fotón se conectaria el mundo pequeño al grande mundo y por lo tanto las leyes del gran mundo se aplicarían en lugar de aquellas del pequeño mundo. – Este argumento es un intento desesperado de salvar las viejas teorias tradicionales, pero carece de toda lógica. ¿Por qué un dispositivo de medición para el paso de la rendija unira los dos mundos, pero no el detector de fotones, que debe estar presente en ambos casos? En ambos casos, miramos como elementos del “gran mundo” a los acontecimientos en el “mundo pequeño” y tendríamos los mismos resultados! El experimento Wheeler funciona en lugar de la doble rendija con espejos semi-transparentes y trae los mismos resultados desconcertantes como el experimento de doble rendija, pero que no utiliza un detector adicional, pero un espejo adicional semi-transparente. De acuerdo con los escépticos un solo espejo segiría entonces separando el mundo pequeño del grande mundo a dos niveles, pero dos espejos conectarían los dos mundos. Qué disparate!

Superposición

Nuestro mundo 3-d puede parecer tan claro y tangible a nosotros, por lo que las partículas de las cuales consiste no están inciertos. Los electrones tienen un espin, es decir, una dirección de rotación, y pueden girar en sentido horario o antihorario. Desafortunadamente, se giran pero simultáneamente en sentido horario y antihorario. Si no son observados. Estos dos estados (direcciones) se superponen, no son fijos. Esto se conoce como “Superposición”. Sólo cuando uno desea determinar el espin con cualquier dispositivo de medición, entonces el electrón establece a sí mismo en una dirección. Sólo si se mira.

El mundo se compone de energía

Los átomos que componen nuestro mundo son cáscaras vacías: en el centro hay un núcleo de neutrones y protones, alrededor una corteza con un radio de 10 000 veces el tamaño del núcleo y los electrones, que pesan sólo la dos millesima parte del núcleo. Todo lo demás está vacío, se compone de las fuerzas de atracción y repulsión que conectan las componentes del nucleo y los átomos, y los campos de energía. Una vez leí que si todos los átomos de nuestro globo se ponen conjuntamente, de manera que todos los protones y neutrones se pegan con los electrones, entonces nuestro mundo sería sólo tan grande como la cabeza vidriosa de un alfiler. Esto por supuesto también se aplica a las moléculas que componen un ser humano. Básicamente, consistemos solamente en campos de energía. Y aun el pequeño resto de la materia, que teóricamente aún queda (protones, neutrones y electrones), como ahora sabemos, también es energía en forma de una onda electromagnética, lo que significa que las partículas las más pequeñas son partículas materiales y al mismo tiempo ondas de energía. Para convertir la masa de una partícula en la energía de una onda, hay la ecuación famosa E = mc². Somos así hechos de energía pura. Nosotros y nuestro mundo son una forma especial de energía, somos por así decirlo ondas frenadas, somos “luz congelada rápidamente”. Este es el concepto de la física moderna.