¿qué es la física cuántica? y ¿para qué sirve?

Answer 1

La física cuántica establece que las partículas elementales, constituyentes del átomo, no son elementos esencialmente reales dada su imprecisión existencial. Se pueden comportar como partículas en un momento dado y como ondas en el siguiente o en el anterior. Existen en un espacio y un tiempo que no reconoce el presente, saltan del pasado al futuro, y a la inversa. El presente material sólo es reconocido como una necesidad y una arbitrariedad de la observación humana. No obstante, contradictoriamente, las partículas elementales y las ondas exigen su derecho de ser el fundamento de la materia. Paradigma complejo y de difícil solución. La curiosidad estriba en que tanto la física relativista como la cuántica resuelven problemas siempre que no sea simultáneamente. Esta disyuntiva generó el Principio de Incertidumbre propuesto por Heisenberg, que expresa el que no hay ningún elemento que exista en un lugar y en un tiempo determinados. Por tanto, la velocidad y situación de una partícula elemental solamente se puede fijar en un instante dado (por el diagrama de Friedmann), pero nunca se sabrá que sucederá en el instante siguiente, y tampoco si actuará como tal partícula o como función de onda.

La física clásica la erigió Newton como respuesta al sentido común. La materia se puede evaluar, se precisa su posición y su comportamiento, se prevén los movimientos y velocidades, sus energías y sus resultados. Las ondas eran elementos de segundo orden en comparación con las partículas que por sí solas eran suficientes para conformar la materia. La física clásica no intuyó con la perspicacia necesaria, las posibilidades de las ondas actuando como partículas, al no conocer estos elementos subatómicos, a la vez extremadamente cercanos y lejanos, pero vinculados estrechamente a la vida de los átomos. No fue más allá del horizonte molecular.

La física cuántica teoriza sobre la constitución íntima de la "materia real" fundamentándola en dos partículas elementales: fermiones y bosones.

Los fermiones son las partículas que construyen la estructura de la materia, y se encuentran representados por los electrones, protones y neutrones. Son partículas que actúan con cierta independencia y autonomía. Los bosones son los vectores que transportan la esencia y la fuerza de la Naturaleza, facilitando la conjunción del Universo. Son partículas independientes que siempre interactúan entre sí, a veces sincrónicamente, pero que en ciertas condiciones pierden su individualidad. Esta paradoja de la interdependencia e individualidad de estas partículas fue enunciada por Einstein, Podolski y Rosen. Los bosones están constituidos por los gluones, gravitones y fotones, siempre con tendencia unívoca a la reunión dispersa.

La interrelación dinámica entre fermiones y bosones, la fundamenta, especialmente, el fotón, que al no tener carga, es su propia antipartícula. Pares de electrones y positrones pueden ser creados espontáneamente por fotones, y este proceso se puede invertir como consecuencia de su propia aniquilación. La antipartícula del electrón es el positrón. La colisión de un fotón (γ) con un electrón (e-) genera un brusco cambio en la dirección de este. El e- absorbe al γ. Luego, lo emite cambiando de nuevo su direcciσn.

La física cuántica establece que las partículas elementales, constituyentes del átomo, no son elementos esencialmente reales dada su imprecisión existencial. Se pueden comportar como partículas en un momento dado y como ondas en el siguiente o en el anterior. Existen en un espacio y un tiempo que no reconoce el presente, saltan del pasado al futuro, y a la inversa. El presente material sólo es reconocido como una necesidad y una arbitrariedad de la observación humana. No obstante, contradictoriamente, las partículas elementales y las ondas exigen su derecho de ser el fundamento de la materia. Paradigma complejo y de difícil solución. La curiosidad estriba en que tanto la física relativista como la cuántica resuelven problemas siempre que no sea simultáneamente. Esta disyuntiva generó el Principio de Incertidumbre propuesto por Heisenberg, que expresa el que no hay ningún elemento que exista en un lugar y en un tiempo determinados. Por tanto, la velocidad y situación de una partícula elemental solamente se puede fijar en un instante dado (por el diagrama de Friedmann), pero nunca se sabrá que sucederá en el instante siguiente, y tampoco si actuará como tal partícula o como función de onda.

La física clásica la erigió Newton como respuesta al sentido común. La materia se puede evaluar, se precisa su posición y su comportamiento, se prevén los movimientos y velocidades, sus energías y sus resultados. Las ondas eran elementos de segundo orden en comparación con las partículas que por sí solas eran suficientes para conformar la materia. La física clásica no intuyó con la perspicacia necesaria, las posibilidades de las ondas actuando como partículas, al no conocer estos elementos subatómicos, a la vez extremadamente cercanos y lejanos, pero vinculados estrechamente a la vida de los átomos. No fue más allá del horizonte molecular.

La física cuántica teoriza sobre la constitución íntima de la "materia real" fundamentándola en dos partículas elementales: fermiones y bosones.

Los fermiones son las partículas que construyen la estructura de la materia, y se encuentran representados por los electrones, protones y neutrones. Son partículas que actúan con cierta independencia y autonomía. Los bosones son los vectores que transportan la esencia y la fuerza de la Naturaleza, facilitando la conjunción del Universo. Son partículas independientes que siempre interactúan entre sí, a veces sincrónicamente, pero que en ciertas condiciones pierden su individualidad. Esta paradoja de la interdependencia e individualidad de estas partículas fue enunciada por Einstein, Podolski y Rosen. Los bosones están constituidos por los gluones, gravitones y fotones, siempre con tendencia unívoca a la reunión dispersa.

La interrelación dinámica entre fermiones y bosones, la fundamenta, especialmente, el fotón, que al no tener carga, es su propia antipartícula. Pares de electrones y positrones pueden ser creados espontáneamente por fotones, y este proceso se puede invertir como consecuencia de su propia aniquilación. La antipartícula del electrón es el positrón. La colisión de un fotón (γ) con un electrón (e-) genera un brusco cambio en la dirección de este. El e- absorbe al γ. Luego, lo emite cambiando de nuevo su direcciσn.
Esta es un logro del esfuerzo humano por saber. Nunca sobrará subrayar que la ciencia es un conocimiento y que éste se está ampliando y profundizando en forma insospechada gracias al descubrimiento y comprensión de los fenómenos cuánticos. Por lo tanto, un buen final para este artículo es recordar la máxima del profesor John Archibald Wheeler, otro de los grades constructores de la física cuántica, que reza así: Comprenderemos lo simple que es el Universo cuando aceptemos lo extraño que es.

Answer 2

En el siglo XX, hubo dos revoluciones en el campo de la física. La primera, fue el nacimiento de la física cuántica. Ésta cambió para siempre la perspectiva mecanicista del mundo, basada en las leyes del movimiento de Newton. En el mundo físico, según la teoría cuántica, cada entidad posee una naturaleza dual. En la física clásica, se utilizaban dos conceptos distintos para describir los fenómenos naturales diferenciados: las ondas y las partículas. Las cosas que anteriormente percibíamos como partículas (objetos del tamaño de un punto), a veces pueden comportarse como ondas. Los fenómenos que antes percibíamos como ondas, a veces pueden comportarse como partículas. Posteriormente, estas partículas se dieron a conocer como fotones. La aceptación de la naturaleza cuántica de la energía (y de la luz), sólo fue el comienzo de la revolución que fundó la mecánica cuántica moderna.

Un aspecto importante, de esta dualidad onda-partícula, y el principio de indeterminación. Tal principio, formulado por Heisemberg, afirma que no se puede conocer la velocidad y la posición de una partícula independientemente de la otra. Este principio es cuantitativo y no se aplica sólo a la posición y el impulso, sino también a la energía y el tiempo, y a otros pares de cantidades conocido como «variables conjugadas.»

La paradoja del Gato de Schrödinger

Una peculiaridad del principio de Heisemberg, es que la medición cambia la función de onda, y, por lo tanto, altera la realidad. Esto ha llevado a muchos físicos a especular, idealísticamente sobre la interacción entre la conciencia y la «realidad cuántica» ¿Es la conciencia la que causa la desactivación de la función de onda? Un ejemplo famoso de este enigma, es la denominada «Paradoja del gato de Schrödinguer». Se imagina que hay un gato en una estancia totalmente cerrada, donde también hay un frasco de veneno. El frasco está unido a un mecanismo que romperá el frasco y envenenará al gato, cuando tenga lugar un suceso cuántico, por ejemplo, la emisión de una partícula alfa por parte de un material radioactivo. Si el frasco se rompe, la muerte del gato es instantánea. La mayoría aceptaríamos que el gato está vivo o muerto en un momento determinado. Pero si nos tomamos en serio la interpretación cuántica, denominada de la «Escuela de Copenhague» el gato está vivo y muerto. La función de onda del gato, comprende una superposición de dos estados posibles. Sólo cuando se abre la estancia, y se «mide» el estado del gato, se convierte en vivo o muerto.

Una alternativa materialista a la «interpretación de Copenhague» es que nada cambia físicamente cuando se lleva a cabo una medición. Lo que ocurre es que el estado de conocimiento del observador varía. Esta perspectiva implica una interpretación de la mecánica cuántica en la que en cierto nivel, las cosas podrían ser deterministas, aunque no sabemos lo suficiente para predecirlo.

La revolución de la Relatividad

El segundo golpe mortal a la física del siglo XIX, fue la introducción, por Albert Einstein, del principio de relatividad. Aunque tiene antecedentes en Galileo, la versión de Einstein sobre tal principio, lo transformó en el enunciado de que todas las leyes de la naturaleza tienen que ser exactamente las mismas para todos los observadores en movimiento relativo. Lo que Einstein había demostrado, era que los fundamentos de las leyes del movimiento de Newton se tambaleaban. Las ideas de espacio-tiempo están profundamente entrelazadas en las tres leyes del movimiento de Newton. ¿Cómo determinar si un cuerpo está en reposo, si se desconoce quién lo está observando y cómo se mueve?

La teoría de la relatividad de Einstein, supuso un gran avance pero no se detuvo ahí. Einstein dedicó los diez años siguientes a desarrollar una generalización completa de su teoría que le permitiera descartar definitivamente la concepción newtoniana del mundo y que remplazara la teoría de la gravitación universal de Newton. La teoría de la relatividad de Einstein es, esencialmente, una teoría de la gravedad. En la relatividad del tiempo, existen efectos adicionales de dilatación del tiempo y contracción de la longitud, debido a la gravitación. El espacio-tiempo se tuerce por la presencia de la materia. La luz deja de viajar en línea recta, e, incluso, viajar en el tiempo se convierte en una posibilidad (tal vez, puramente matemática). El obstáculo para ello, se basa en la irreversibilidad de las leyes de la termodinámica, según expusimos en nuestro trabajo «Las flechas del tiempo».

Armados con las nuevas teorías de la relatividad y la mecánica cuántica, así como con los avances de la tecnología experimental, los físicos actuales tratan de ampliar el alcance de la ciencia para describir el mundo natural. Los logros de la física teórica no se detuvieron con la elaboración de las teorías clásicas del electromagnetismo y de las acciones nucleares fuertes y débiles. Los físicos creen que en el caso de energías altas, se produce una simetría entre las acciones electromagnéticas y débiles. Las interacciones electrodébiles y fuertes, coexisten en una teoría combinada de las interacciones fundamentales denominadas el «modelo estándar». Los físicos esperan que, con el tiempo, lograrán unificar a las tres fuerzas básicas en una única teoría denominada GUT (Grand Unified Theory), en la que tanto trabajó Einstein sin resultado apreciable, tratando de unificarla con la teoría de la gravedad. El primer paso, en esa dirección, consistiría en incorporar la física cuántica a la teoría de la gravedad, con la finalidad de crear una teoría de la gravedad cuántica. Si alguna vez se consigue, la próxima tarea consistirá en tratar de unificar la gravedad cuántica con una teoría unificada completa. El resultado de este esfuerzo, sería una Teoría del Todo. Según Stephen Hawking, conocerla, sería como «conocer la mente de Dios», utilizando una metáfora.

La mejor teoría de la gravedad vigente, es la teoría general de la relatividad de Einstein. Se trata de una teoría clásica, en el sentido de que las ecuaciones de electro magnetismo de Maxwell también son clásicas, porque ambas teorías incluyen cantidades similares, en vez de distintas y describen un comportamiento que es determinista, en vez de probabilístico. Aunque las ecuaciones de Einstein también son precisas, para la mayoría de los casos, es igual de natural, buscar la creación de una teoría cuántica de la gravedad. El mismo Einstein, siempre creyó que su teoría era incompleta, y que, con el tiempo, se debería reemplazar por una completa. Aunque no se haya logrado completar tal teoría total, existen algunas ideas especulativas interesantes. Por ejemplo, ya que la relatividad general es una teoría del espacio-tiempo, el espacio y el tiempo en sí, deben cuantificarse en las teorías clásicas de la gravedad. Esto indica que, a pesar de que el espacio y el tiempo parecen continuos y uniformes, a una escala minúscula, a la longitud de Planck (a unos 1033), el espacio es mucho más grumoso y complicado, tal vez compuesto de una topología espumosa de burbujas unidas por túneles denominados «agujeros de gusano», que se forman continuamente, y se vuelven a cerrar siguiendo una escala de tiempo correspondiente al tiempo de Planck que es de 19-43 segundos.

Una aportación singular de Hawking, ha sido el estudio de los «agujeros negros». Estos surgen en una región del espacio-tiempo, donde la acción de la gravedad es tan intensa que la luz no puede salir. Fue Karl Schwarschild, el primero que apuntó tal posibilidad, basándose en las ecuaciones de Einstein.

Desde el trabajo pionero de Schwarschild, la investigación sobre los agujeros negros ha sido muy intensa. Aunque todavía no hay datos irrefutables sobre su existencia en la naturaleza, se cree que existen en muchos cuerpos astronómicos. Además de tener consecuencias potencialmente observables, los agujeros negros también plantean cuestiones fundamentales sobre la relatividad general. En tal teoría, la incapacidad de la luz para salir se debe a la curvatura extrema del espacio-tiempo creada por la existencia de grandes masas de materia.

Técnicamente, la existencia de agujeros negros se refiere a algo llamado el horizonte de evento, o de sucesos, que define el límite del agujero. El horizonte define el límite del agujero. No hay comunicación posible entre las regiones del espacio-tiempo dentro del horizonte y las del exterior al mismo. La presencia de tal horizonte, asegura que ninguna luz, u otra forma de radiación salgan del agujero negro, lo cual parece una denominación adecuada. Sin embargo, esta descripción lógica de los agujeros negros, quedó refutada en la década del 70 por Stephen Hawking, que estaba interesado en tratar de explorar las consecuencias de la física cuántica en regiones donde los campos gravitacionales son fuertes. Hawking demostró que, bajo ciertas circunstancias, los agujeros negros podían emitir tanta radiación, que al final se evaporarían por completo. Ahora bien, ¿cómo puede emitir radiación un agujero negro que está rodeado por un horizonte de sucesos? La razón por la que se admite tal «radiación de Hawking», es esencialmente porque se trata de un proceso cuántico.

Los cálculos de Hawking, habían demostrado que pueden ocurrir hechos singulares en torno a un agujero negro, cerca del horizonte de sucesos. Pero ¿qué ocurre dentro de tal horizonte? Según los teoremas de Roger Penrose, y de otros autores, el resultado inevitable es anómalo. Se trata de lo que se denomina una singularidad, en la que fallan las leyes tradicionales de la física. En matemática, una «singularidad» es una propiedad patológica donde el valor de una cantidad particular se vuelve infinito durante el transcurso del cálculo. El trabajo de Roger Penrose sobre las propiedades matemáticas de la singularidad de un agujero negro, causó una fuerte impresión en Hawking, quien se interesó en aplicarla en otros ámbitos. Para ello, se puso en contacto con Penrose para trabajar conjuntamente sobre problemas teóricos. La teoría del Big-bang proporciona el marco teórico para que los cosmólogos puedan interpretar las observaciones y construir nuevas ideas teóricas. Para Peter Coles, no es del todo correcto calificar al Big-bang de «teoría». Él prefiere utilizar la palabra «modelo». La diferencia entre teoría y modelo es sutil, pero una definición útil sería que normalmente una teoría es del todo independiente (puede carecer de parámetros regulables, y todas las cantidades matemáticas se definen a priori), mientras que un modelo no es de la misma manera. Según el modelo del Big-bang, el Universo se origino a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y desde entonces se ha ido expandiendo. La dinámica del Big-bang, se define matemáticamente en las ecuaciones de la teoría de la relatividad de Einstein. Estos modelos predicen la existencia de una singularidad al principio, donde la temperatura y la densidad son infinitas. La mayoría de los cosmólogos interpretan la singularidad del Big-bang en forma muy parecida a la singularidad del agujero negro. Si esto es así, entonces la única esperanza para comprender las etapas iniciales de la expansión del Universo, es mediante una teoría de la gravedad cuántica. Como carecemos de tal teoría, la teoría del Big-Bang resulta incompleta. Podemos calcular las escalas de longitud y tiempo en que eso sucede. Nuestra comprensión del Universo se desmorona completamente en momentos anteriores al tiempo de Planck, que es de unos 10-43 segundos después del Big-bang en sí.

Eliminar los infinitos

La presencia de una singularidad al principio del Universo, es algo muy negativo para el modelo del Big-bang. A escala cosmológica, el Big-bang parece tener una dirección predilecta, tal y como lo describimos en nuestro artículo «Las flechas del tiempo». Nuestro Universo se expande en vez de encogerse, pero podría estar derrumbándose y describirse con las mismas leyes. ¿O podría ser que la discrecionalidad del tiempo que observamos es elegida por la expansión a gran escala del Universo. Hawking y otros expertos han especulado, sobre que si viviéramos en un universo cerrado que al final dejara de expandirse, y empezara a contraerse, entonces el tiempo empezaría a contraerse y a correr hacia atrás durante la contracción. Hawking estuvo convencido durante un tiempo de que así tendría que ser, pero después cambió de opinión.

Hay al menos otras dos ramas de la teoría física que plantean preguntas sobre la «flecha del tiempo». Una surge directamente del principio físico de la segunda ley de la Termodinámica. Esta ley establece que la «entropía» (o desorden) de un sistema cerrado nunca disminuye. La entropía es una medida del desorden de un sistema, o que tal desorden siempre tiende a incrementarse. Tal ley es una afirmación «macroscópica»: alude a cuerpos grandes, como una máquina de vapor, pero una descripción microscópica de átomos y estados energéticos proporcionados por la mecánica estadística. Las leyes que rigen estos microestados son perfectamente reversibles respecto al tiempo.

Una idea relacionada con la cosmología cuántica, desarrollada por Hawking, junto a Jim Hartie, es que la firma distintiva de un tiempo puede borrarse cuando el campo gravitacional es muy fuerte. Tal idea se basa en un uso ingenioso de las propiedades de los números imaginarios. (Los números imaginarios son todos los múltiplos del número 1, que se define como la raíz cuadrada de menos uno) Esta intromisión en la naturaleza del tiempo, forma parte de la hipótesis «sin fronteras» de la cosmología cuántica de Harde y Hawking. Puesto que en esta teoría, el tiempo pierde las características que lo separan del espacio, el concepto de comienzo en el tiempo no tiene sentido. Espacio-tiempo con esta firma carecen de fronteras. No hay big-bang, no hay singularidad porque no hay tiempo, sólo otra dirección del espacio. Esta perspectiva del Big-bang, considera que no hay creación, puesto que la palabra «creación» implica una especie de «antes y después» si el tiempo no existe, entonces el Universo no tiene comienzo. Peguntar que ocurrió antes del Big-bang, es como preguntar que hay más al norte del Polo Norte. La pregunta carece de sentido.

Otra cuestión importante relacionada con las leyes de la física y vinculada con el inicio mismo del espacio y el tiempo da lugar a las interpretaciones idealistas de algunos físicos, que estudian los comienzos del Universo hacia una filosofía idealista neoplatónica, que defiende que lo que realmente existe son las ecuaciones matemáticas de la denominada «teoría del todo» (por ahora desconocida), en vez del mundo físico de la materia y la energía. Una «teoría del todo» estaría compuesta de un paso adicional hacia la unificación de las leyes de la física, hasta incluir la gravedad cuántica. Sin embargo, la búsqueda de la Teoría del todo, también plantea interesantes preguntas filosóficas. Algunos físicos, Hawking entre ellos, considerarían la construcción de una teoría del todo como una lectura e de la mente de Dios. Pero Hawking ha expresado con frecuencia, en muchas de sus citas, que no cree en algo parecido al Dios cristiano. En realidad, su noción de un mundo sin fronteras (y por lo tanto, sin un comienzo y un final) descrito en todos sus aspectos por una única teoría matemática del todo, no deja espacio para ningún creador. No obstante, Hawking cree que cuando la teoría del todo se descubra (si eso llega a suceder) se explicará que el Universo tiene un significado y cuál es nuestra función en él, aparte de permitirnos «saber porqué existe el Universo. Hawking cree que es posible sustituir la religión y la metafísica por una teoría que incluya todas las leyes de la naturaleza. Pero las preguntas filosóficas sobre el Universo, incluirán inevitablemente algunas que no pueden responderse en el marco de las matemáticas. Por otra parte, la utilización por Hawking de la metáfora «la mente de Dios», recuerda la también utilización de la metáfora por Einstein, en su crítica al indeterminismo en física, al manifestar que «Dios no juega a los dados». Es curioso que ateos, o no creyentes como Einstein y Hawking utilicen tales metáforas divinas. Quizás debido a sus insuficiencias filosóficas no les permite emanciparse del todo de sus anteriores creencias religiosas.




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Answer 3

una rama de la físika dedikada al estudio de kuerpos mucho mas pekeños k los atomos, no se sabe si en realidad existen pero según ellos ahi tan... se basan en esta idea:
si se encierra un gato en una kaja de zapatos, hay 50% de posibilidades k este ahi y 50% de k no este mientras no hemos habierto la kaga, pero el principio kuantiko afirma k en realidad hay un 100% de posibilidades de k este y un 100% de k no. kon esta teoria afirman la exstencia de pekeñisisisisisisimos kuerpos k no se puede komprobar su existencia pero tampoko se puede negar, este principio m agrada mussho en lo partikular ya k es muy parecido a mi forma de ver la vida jajaja.
spero t halla servido de algo todo este texto.

Answer 4

trata la dualidad onda particula de la luz...
y el ordenamiento electronico de los átomos...