Cuántica

Antes de comenzar a escribir y a contestar las preguntas planteadas hemos decidido hacer una especie de introducción a modo de aclaración: Esta, hasta ahora última entrada,
consta de cuatro preguntas (de la 3 a la 6) que están muy relacionadas entre sí. Con esto queremos decir que con el fin de no repetirnos a lo mejor hemos contestado parte de una pregunta en la siguiente. Esta relacion e interdependencia de las tareas hace que lo que vale para responder unas también valga para responder otra más tarde. De modo, que no contestamos como si fuera un cuestionario, sino por lo contrario relacionando las preguntas entre sí.


1. Investiga sobre los parámetros y métodos utilizados para datar la edad del Universo y haz un pequeño resumen de la información que encuentres.

El universo tal y como lo conocemos es generalmente definido como todo lo que existe físicamente: El espacio, el tiempo de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y las constantes físicas que la gobiernan.
Del universo hemos podido estudiar: las galaxias, las planetas, las supernovas, las estrellas etc.…Incluso hemos podido averiguar la teoría sobre el origen y la formación del universo .Pero nunca hemos llegado a conocer con certeza algo tan sencillo como: ¿Cuántos años tendrá? ¿Cómo lo podremos llegar a saber? Eso es algo que muy pronto podremos saber…

Para poder determinar la edad del Universo, es preciso determinar antes los valores de los parámetros cosmológicos. Hoy esto se puede saber gracias al modelo de A.C.D.M., donde se asume que el Universo contiene; materia normal, materia oscura fría, radiación (protones y neutrones) y una constante cosmológica. La energía actual del Universo viene dada por los parámetros de densidad, pero para el propósito del cálculo de la edad del Universo, estos tres, junto con la ley de Hubble, que afirma que cuando la onda de una galaxia tiende a aumentar su longitud de onda (corrimiento al rojo) existe una proporcionalidad entre este fenómeno y la distancia a la que esta está; son los más importantes. Vamos a estudiar cada uno de estos parámetros:

EL A.C.D.M.

ΛCDM o Lambda-CDM es una abreviatura empleada en cosmología para Lambda-Cold Dark Matter. Representa al modelo de concordancia del big-bang que explica las observaciones cósmicas realizadas sobre la radiación de fondo de microondas, así como la estructura a gran escala del Universo y las observaciones realizadas sobre lassupernovas, todo ello arroja luz sobre la explicación de aceleración del Universo. Es el modelo conocido más simple que está de acuerdo con todas las observaciones.
Aquí tenemos una imagen sobre el contenido energético del Universo.

Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de la NASA alrededor del 70% del contenido energético del universo consiste en energía oscura, cuya presencia relacionamos en su efecto sobre la expansión del universo pero sobre cuya naturaleza última casi no sabemos nada.



Sin embargo, al mismo tiempo, observaciones de supernovas lejanas como la supernova 1ª revelaron que existe otro factor que impulsa la expansión del Universo que se ha denominado energía oscura (materia que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión negativa y acelerando el proceso de expansión del Universo) Teniendo en cuenta esta aceleración la edad del Universo sería de unos 14.000 millones de años, dato posible ya que esta en relación con los datos de las estrellas más antiguas.

Es muy importante conocer de que está formado el Universo, porque ellas nos ayudaran a calcular la edad del universo atreves de su composición y el estado de sus partículas.
Pero también es importante saber la densidad de energía del universo gracias a él sabemos que el Universo está en proceso de expansión permanente, lo que ha servido de ayuda para determinar la edad del Universo.


LA SUPERNOVA 1ª


Su alta luminosidad permite detectarlas en galaxias muy lejanas, ayudando a inferir distancias de objetos que, de otra manera, sería imposible calcular. Estas propiedades tan favorables han revolucionado la cosmología, permitiendo develar la expansión acelerada del Universo gracias a su utilización estadística y de esta forma poder calcular su edad. Las supernovas de tipo1a son, por mucho, las más potentes de todas, pudiendo emitir un brillo varias veces superior al de la galaxia que las acoge.



EL PARAMETRO DE HUBBLE


La ley de Hubble es una ley de cosmología física que establece que el corrimiento rojo, lo que quiere decir que la luz que emiten los cuerpos se ha desplazado proporcionalmente hacia longitudes de onda más larga.
Esta ley fue formulada en 1929, y es considerada como la primera evidencia observacional de la expansión del Universo y sirve como prueba para el soporte del Big-bang.

2. Busca la definición de onda en Física y los parámetros que la definen.

En física, una onda es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, que se propaga a través del espacio transportando energía. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal, el espacio o el vacío.
La física se ocupa de las propiedades de los fenómenos ondulatorios independientemente de cuál sea su origen físico. Una peculiaridad de estos fenómenos ondulatorios es que a pesar de que el estudio de sus características no depende del tipo de onda en cuestión, los distintos orígenes físicos que provocan su aparición les aportan propiedades muy particulares que las distinguen de unos fenómenos a otros.

Esta web explica muy detalladamente todos los parámetros de las ondas y cómo calcularlos, así como ejemplos de diferentes ondas.
Hay partes muy complejas, aunque es bastante interesante.

Habla de parámetros como:

· La longitud de onda, que es la distancia mínima entre dos puntos que oscilan en fase, es decir, la distancia entre dos crestas.
· El periodo, tiempo que tarda la onda en recorrer una distancia igual a la longitud de onda.
· La frecuencia, número de oscilaciones que un punto da en un segundo
· Velocidad, rapidez con la que se desplaza la onda
· Amplitud, valor máximo que adquiere la perturbación

3. ¿Qué quiere decir Einstein con la frase: "Dios no juega a los dados"?

De la mano de las últimas teorías que habían nacido, que seguían naciendo y que seguirían naciendo durante el resto del siglo surgió en Einstein una sensación de frustración. Una sensación de no poder prever los acontecimientos que aún no se han dado, y una grandísima impotencia y desazón derivada de ese sentimiento interno. ¿Cómo no se iban a poder predecir efectos de una causa? ¿Cómo podía estar todo sometido al azar? Los griegos tenían una idea muy férrea del concepto de destino, de hecho uno de los factores determinantes por los cuales se pudo pasar de la arbitrariedad del mitos a la necesidad del logos, del pensamiento racional, fue ese. La necesidad de que las cosas pasarán por algo, que estuvieran sometidas a reglas naturales que hicieran de los fenómenos de cada día algo previsible. Einstein sencillamente no podía aceptar que las cosas estuvieran sometidas al azar. Aceptar que las cosas pudieran suceder porque sí, sin ningún tipo de orden ni explicación racional. Innumerables veces Einstein defendió esta postura. De este pensamiento nace esa idea que lleva a Einstein a pronunciar la siguiente frase:

“Dios no juega a los dados”

El ya citado en anteriores trabajos, Bohr era completamente contrario a esta opinión. Desde el nacimiento de la mecánica cuántica, Bohr y otros científicos como Heisenberg, padre del indeterminismo, hablaban del azar como un concepto muy presente tanto en la creación como en el comportamiento y desarrollo del universo. El universo es lo que es, pero podría haber sido de otro modo. Bohr y Einstein mantuvieron también discusiones. A esta primera afirmación de Einstein, Bohr, con un tono un tanto sarcástico, le respondió:

“Señor Einstein, ¡deje de decirle a Dios lo que debe hacer!”

Con estas discusiones, Bohr, quería hacer ver a Einstein que el subjetivismo de su idea le hacía pensar con el concepto que tenía de realidad y no con la mente abierta a nuevas posibilidades

“Usted no está pensando, sólo está siendo lógico”.

4. Busca información sobre los conceptos causalidad y determinismo. Haz un análisis del motivo por el cual dichos conceptos se ven afectados por la interpretación probabilística de la función de ondas y en que medida eso puede ser un problema.

La causalidad y el determinismo científico están o son conceptos muy relacionados. El principio de causalidad establece que a toda causa le sigue un efecto y que nosostros podemos establecer una relación entre los dos ya que siguen unas reglas fijas, lógicas y no sometidas al azar. El determinismo expone que nada está sometido al azar. Pese a la complejidad del mundo físico todo sigue unas leyes estrictas que siempre se deben cumplir. La causalidad y el determinismo son, por lo tanto, dos posturas que no se enfrentan sino todo lo contrario se apoyan la una a la otra. Estos concpetos unidos crean la imagen de un universo lógico, fijo y, sobretodo, predecible. Cualquier fenómeno que estudiémos u observemos está regido por estas leyes no arbitrarias, fijas, dando por lo tanto siempre, el mismo efecto a una causa.

Con el progresivo nacimiento de la mecánica cuántica estas teorías se van desbaratando. Einstein rompiendo moldes con su relatividad, Heisenberg y su principio de incertidumbre, Schrödinger y su gato... Todas estas teorías tiraban por la ventana la idea de un mundo regido por leyes preestablecidas. Con el surgimiento de la variación probabilística de la posición de un electrón en el experimento de la doble rendija, las teorías deterministas dejan de tener sentido y dejan de poder ser aplicables a la totalidad de la realidad física, ya que para una causa puede haber más de un efecto. Tenemos entonces distintas PROBABILIDADES a la hora de obtener resultados.
El problema que causó esto fue tan contradictorio con todo lo creído y afirmado anteriormente, que era destruir los pilares básicos que habían construido todo nuestro conocimiento acerca de lo físico, planteando así que las ideas deterministas no eran del todo ciertas. Había que imaginarse otra posibilidad de realidad que no somos capaces de ver ni comprender, puesto que no lo rige nada, que es totalmente probabilístico e improbable.

¿Por qué un electrón es capaz de pasar por dos puntos al mismo tiempo? ¿O por qué no podemos saber con certeza dónde se encuentra un electrón en un átomo si sabemos su número atómico, número de orbitales y que todas estas partículas giran alrededor del núcleo? Esto genera un problema importante, tanto como para la manera de ser capaz de comprenderlo y visualizarlo como para poder seguir creyéndo todo lo creído en los tiempos pasados. ¿Qué hacer cuando un científico te demuestra que esos conceptos que llevas creyendo como tales toda tu existencia, no son completamente correctos?
¿Sigues creyendo en lo anterior, en lo nuevo o en ambas cosas aunque se contradigan? Objetivamente es un gran dilema al que enfrentarse. Un dilema de muy difícil resolución o, simplemente, un dilema en el que solo fraguar una opinión exige gran conocimiento y una gran capacidad de analísis crítico y científico ¿Que debé hacer el científico cuando duda? Y, haciendo referencia a la pregunta 5, ¿sigue pudiendo asegurar completamente que La Luna está ahí aún cuando no la está viendo? La Física ha llegado a un punto en el que parece ser que el azar juega un papel para algunos demasiado importante.

5. Atrevete a hacer una interpretación de lo que quiere decir el autor al escribir: "¿cómo sabemos que la Luna está ahí cuando no la miramos? (Al principio de la página 239)

Este capítulo del libro, además de ser, probablemente debido a nuestros conocimientos actuales, el capítulo más complicado, es un capítulo a lleno de dudas. ¿En qué sentido? Pues prácticamente en todos. Dudas en la ciencia, dudas al leerlo y dudas de cara al futuro. Realmente, si no estás abierto a nada, a nuevas formas de conocimiento; el principio de incertidumbre de Heisenberg puede sonar a broma pesada. ¿Una partícula que cambia su comportamiento según si estamos midiendo o no el fenómeno en cuestión? ¿Un electrón que es capaz de decidir “qué camino tomar” si es lanzado hacia una doble rendija, dependiendo de si está siendo o no observado? Acostumbradas nosotras a la concepción clásica de la física en el mundo, esto, inevitablemente, al principio nos chocó bastante. Pero sin duda no se empieza a pensar. Sin duda no se empieza a querer saber.
Una de las cosas que no mencionamos en nuestra primera tarea porque aún no lo habíamos experimentado, es la asombrosa capacidad que tiene la lectura de este libro para hacernos dudar. Dudar de lo que sabemos. Y como cualquier, ya no científico, sino ser humano curioso y consciente de la importancia de esa curiosidad, empezamos a investigar. Este libro definitivamente nos incita, nos da la necesidad de saber más, de escapar de esa duda. La misma duda que también está planteada en la siguiente afirmación que hace el autor:

"¿Cómo sabemos que la Luna está ahí cuando no la miramos?

¿Porqué yo puedo afirmar qué la Luna está ahí cuando no miro hacia ella? Está ahí o nuestra mente quiere que esté ahí. Ahí está la duda. Ahí está esa incertidumbre que también estaba presente en el gendaken experiment de Schrödinger y que según está pregunta podía estar en todo lo que observamos o creemos observar. ¿Acaso nos traicionan nuestros sentidos? ¿Vemos la realidad tal y como es o nuestra propia manera de percibirla la altera y hace que la veamos distinta, sometida a nuestras reglas de juego, cómo pueden ser el espacio, el tiempo o simplemente nuestra conciencia de saber que existimos? Si tuvieramos que encontrar una teoría filosófica que se estableciese como ánaloga a la famosa teoría de Heisenberg, no sería otra que el idealismo de Immanuel Kant que establece que el ser humano no ve la realidad tal y como es, sino que nuestros sentidos la transforman de algún modo, mostrándonos solo parte. De todos modos está pregunta planteada por el autor va más allá de la capacidad sensorial humana. Puede que por eso mismo nos esté costando tanto ir más allá del conocimiento empírico del fenómeno. La pregunta trastoca muchas de las cosas en física que creemos saber y por eso es tan díficil ir más allá. Si dejamos un poco aparcada la metafísica del problema y nos centramos en las posibles soluciones o las posibles causas físicas del mismo, podremos darnos cuenta, cómo ya hizo Heisenberg, que el simple hecho de ver algo modifica su naturaleza física. Para poder ver cualquier cosa necesitamos iluminarlo. Ese foco de luz emite fotones que interacutan con los haces de electrones, modificando así la función de ondas, y consecuentemente varía nuestra percepción de dicho objeto.

Podría parecer que, realmente, no hemos contestado o no nos hemos atrevido a contestar al enunciado y a esa pregunta del autor. De hecho casi todo el cuerpo de la respuesta está llena de preguntas abiertas para las que al menos nosotras no tenemos respuestas. Pero, en el fondo, nos hemos acercado un poco más a comprender estos concpetos tan complicados relacionados con esa gran desconocida física cuántica.

6.¿Serías capaz de hacer un pequeño resumen del vídeo mencionando: el Principio de Indeterminación de Heisenberg, la ecuación de Schrödinger, la dualidad onda-corpúsculo y el colapso de la función de ondas?

La materia, según la teoría de la dualidad onda-corpúsculo, se puede comportar de dos modos distintos. Puede actuar como un corpúsculo, una partícula material. Pero también según esta teoría, inicialmente presentada por un físico francés llamado Louis-Victor de Broglie, que lo que hizo fue trasladar la naturaleza doble de la luz a todas las demás partículas; la materia puede comportarse como una onda:

“A toda partícula clásica microscópica se le puede asignar una onda”.

El caso más llamativo y cotidiano como acabamos de decir es el de la luz, que parece cambiar a su antojo cómo es o no es. Puede ser un fotón en el efecto fotoeléctrico que arranca electrones o bien puede ser una onda electromagnética.

El experimento que Young utilizó entonces para estudiar la naturaleza ondulatoria de la luz, sirve ahora para estudiar si la materia comparte o no con la luz esa misma naturaleza. El mecanismo es el mismo, en este caso no se hace pasar luz sino electrones. Teóricamente, antes de este experimento, si arrojábamos un chorro de materia (en el video pequeñas canicas) hacia la doble rendija, obteníamos en la pantalla electro-sensible dos marcas verticales que correspondían a las dos rendijas del primer panel. Si por el contrario, disparábamos luz desde un foco obteníamos un patrón de interferencia.

Varias líneas verticales, paralelas e intermitentes que se disponían según el grado de e intensidad, desde el centro hacia fuera, quedando en el centro una franja muy intensa y disminuyendo esa intensidad a medida que nos acercábamos a cada lado. Sin embargo, el barbado científico Q, nos invita a mirar a nivel cuántico. El experimento que nos ofrece es el mismo, pero ahora cambia las canicas por electrones. Al lanzar el chorro hacia una única rendija, obtenemos el patrón esperado: una única marca vertical de electrones, pero cuando repetimos el experimento con electrones y doble rendija… ¡Obtenemos misteriosamente un patrón de interferencia! ¡¿Cómo?! ¡¿Cómo es posible que los electrones, partículas de despreciable tamaño, pero al fin y al cabo materiales, puedan interferir entre ellos para dar una marca propia de una onda?! Pensaron que debía deberse a que los electrones chocaban unos con otros y producían este dibujo. Para comprobar la veracidad de esta hipótesis decidieron lanzar electrones de uno en uno pero… ¡¿Quééééé?!

¡No puede ser! Los electrones, inexplicablemente, vuelven a formar este patrón ondulatorio en la célula sensible siendo lanzados de uno en uno.
Cómo es posible que un electrón salga como partícula única hacia la placa metálica con doble camino, se transforme en una onda, pase simultáneamente por las dos rendijas e interfiera con ella misma (después de pasar ese primer obstáculo), para llegar a la pantalla sensible como partícula material pero comportándose como una onda.

Si lo analizamos matemáticamente el resultado es incluso más chocante: Un electrón pasa por las dos rendijas, no pasa por ninguna y pasa por una o por la otra. A partir de las ecuaciones que Schrödinger dedujo partiendo del estudio de De Broglie y otros importantes físicos, como Clinton Davisson y Lester Germer o los Bragg (padre e hijo), Max Born aporta a esta nueva física con su interpretación, el definitivo toque indeterminista que tanto molestaría a físicos como Einstein. La ecuación de Schrödinger nace de dos predicciones correctas y el estudio de las mismas. El físico austríaco deduce gracias al principio de correspondencia (principio enunciado por Bohr que dice que a medida que las cosas estudiadas aumentan de tamaño la mecánica cuántica debe corresponderse con la mecánica clásica) una ecuación diferencial (para la mecánica cuántica) capaz de describir la naturaleza y comportamiento de una partícula. Todas las soluciones posibles a esa ecuación diferencial es lo que llamamos función de onda. Esas soluciones que le dan a los fenómenos cuánticos ese característico azar. No podemos predecir dónde va a estar una partícula ni por qué rendija va o no va a ir.

Schröndinger y Born

Pero los científicos querían ir más allá y ver que le pasaba realmente a ese electrón. Así que colocaron junto al experimento un instrumento de medida muy preciso. Y aquí llega lo más inquietante de estas teorías. Agárrense. ¡¡El electrón si está siendo observado o medido se comporta como una partícula material y no como una onda como había hecho antes, cuando no lo medíamos!! Si colocamos un aparato de detección de movimiento en las rendijas el patrón ondulatorio desaparece dando lugar al llamado colapso de la función de onda: Los soluciones solo por ser observadas se ven modificadas completamente. El mero hecho de observar altera el camino que coge el electrón. Si miramos se comporta como una canica y pasa por un lado o por otro, pero si no mirásemos según las ecuaciones de Schrödinger el resultado está completamente sujeto al azar. ¡Es incluso capaz de pasar por las dos aberturas al mismo tiempo! Esté fenómeno es conocido como principio de incertidumbre de Heisenberg que, muy básicamente, dice que cuanto más nos esforzamos en localizar la posición de una partícula más se ve modificado o más nos cuesta calcular de forma precisa otros valores de la misma como el momento lineal y, paralelamente, su velocidad. Es decir el hecho de observar modifica los resultados. Ni más ni menos. Ni menos ni más.