ONDAS Y PARTÍCULAS: Ondas

El experimento de la doble rendija /1

youngMINOSSpecialROW1108YoungYa he descrito en otra ocasión el célebre experimento de la doble rendija de Thomas Young (El experimento de interferencia de Thomas Young). El lector puede consultar esa entrada y complementarla con lo que cuento aquí, que es el Anexo que incluí en mi trabajo de 1989 acerca de la filosofía de la física cuántica. Entonces me basé sobre todo en la explicación de Feynman y en otros libros, que menciono en la Bibliografía. Ahora he modificado el texto, para intentar que cualquier persona no familiarizada con la física lo pueda entender hasta su último detalle. He intentado situarme en mi perplejidad inicial cuando empecé a interesarme por estos temas y explicar hasta el más mínimo detalle cosas que pueden parecer evidentes, pero que entonces a mí me confundieron.


Voy a intentar reconstruir el experimento de Young como propone Richard Feynman en “Probabilidad e incertidumbre”, adaptándolo a la problemática cuántica.

En primer lugar, vamos a pensar en ondas de agua.

 

Estas ondas las provocamos nosotros hundiendo y sacando nuestro dedo del agua, lo que da lugar a ondas parecidas a las que se forman cuando una piedra cae en el agua.

A veces es difícil imaginar cómo son estos círculos concéntricos que tienen el centro en nuestro dedo, es decir en el origen de la perturbación. En esta mágnífica ilustración de CubaEduca se puede apreciar muy bien. Imaginemos que hemos dejaddo unos corchos en el agua a ciertas distancias. Ahora sumergimos el dedo (en una zona que estaría a la derecha de la ilustración). A partir de nuestro dedo se forman ondas, que tiene crestas y valles, esas ondas y valles hacen que el corcho oscile, que se eleve y descienda, como se ve en la perspectiva de la parte inferior de la imagen, que indica ese movimiento del corcho subiendo y bajando a medida que va llegando a él uan cresta o un valle de agua.

En el primer gráfico todavía no ha llegado la onda. En el segundo, una primera onda en forma de cresta alcanza el primer corcho y lo eleva. En el tercer gráfico la onda inicial ya ha llegado a los tres corchos y ya una segunda onda ha alcanzado el segundo corcho y una tercera está elevando el primero. Entre onda y onda (entre cresta y cresta), los corchos se elevan y desciende, como muestra el guarto gráfico.

Ahora supongamos que hemos situado un poco más allá de donde metemos el dedo una barrera de madera con un agujero a través del que pasan ondas, que en este caso son de agua. Las ondas que hemos provocado con el dedo llegan a la barrera y atraviesan el agujero en forma de nuevas ondas, en las que el punto de origen es el propio agujero [el punto (a) en la ilustración inferior].

Tras la primera barrera de madera con un agujero, se encuentra otra barrera que tiene dos agujeros. Las ondas que han entrado por el agujero anterior ahora se encuentran con la siguiente barrera y solo pueden seguir adelante a través de los dos agujeros [señalados como (b) y (c) en al ilustración].

En definitiva, las ondas provocadas por nosotros llegan al primer agujero, que, al ser muy pequeño, actúa como una nueva fuente de ondas, como si se estuvieran arrojando piedras al agua en ese mismo punto. Estas nuevas ondas circulares (o semicirculares), se propagan por el otro lado de la barrera, donde no dejan ninguna zona sin perturbar. A continuación, las ondas alcanzan la segunda barrera de dos agujeros. De nuevo, cada agujero actúa como una nueva fuente de ondas semicirculares.

El experimento de interferencia. Podemos suponer que aquí estamos viendo ondas de agua. S1 es la primera barrera a través de la que se genera una primera onda muy amplia. S2 es la segunda barrera, que hace que esa onda se divida en dos ondas, al penetrar por cada uno de los agujeros.

Más allá, nos encontramos una tercera barrera (F), aunque en realidad es un detector que mide si el agua se mueve mucho o poco, por ejemplo, pedazos de corcho sobre el agua como esos que hemos visto antes.

Ahora bien, como los dos conjuntos de ondas que atraviesan la segunda barrera S2 han sido producidos por las mismas ondas que proceden de S1 cuando atravesaron el agujero (a), eso significa que se mueven al paso (o en fase) o desfasadas.

 

¿Qué significa que las ondas se muevan en fase o fuera de fase?

Significa que cuando las ondas procedentes de cada agujero se encuentran o interfieren, pueden pasar dos cosas: que coincidan sus crestas (y consecuentemente sus valles) o que coincida una cresta con un valle.

Si coinciden dos crestas, si están en fase, se produce una cresta más pronunciada y el valle (que también coincidirá, claro) se hace más profundo. Si coinciden una cresta y un valle, es decir, si las ondas están desfasadas, ambas influencias se compensan y el agua se queda como estaba.

interferencia

Procedencia de la imagen: como señala el autor de la página, se trata de una idealización, en el mundo real siempre habrá pequeñas oscilaciones y no uan coincidencia exacta absoluta entre ondas y valles, al menos con ondas producidas por el agua. Pero para entender las leyes físicas a menudo tenemos que recurrir a idealizaciones, que corrigen las pequeñas divergencias.

Estos efectos reciben el nombre de interferencia constructiva (si coinciden las dos crestas y los dos valles) o destructiva (si coinciden cresta y valle).

En la ilustración de la izquierda podemos ver en la parte superior dos ondas cuyas crestas y valles coinciden, lo que hará que las crestas se refuercen y los valles se hagan más profundos. La amplitud de la onda es mayor que la amplitud de las ondas originales.

En la parte inferior, sin embargo, como los valles coinciden con crestas, unos y otros se cancelan. Puedes imaginarlo si piensas en una cresta que, al coincidir con un valle, no tiene otro remedio que hundirse, en vez de aumentar. El resultado es una onda resultante de amplitud igual a cero.

En esta estupenda ilustración se puede apreciar la coincidencia o no de crestas y valles en el mundo real.

interference_water_waves

Como se ve, si coinciden dos crestas (los círculos blancos), es decir, dos elevaciones del agua, entonces se produce una doble cresta y se eleva más el agua o la onda (las pequeñas montañitas blancas). Pero si coinciden crestas con valles, entonces el agua se queda como estaba, como si no hubiera pasado nada.

 

El patrón de interferencia

Ahora voy a intentar explicar los extraños dibujitos realizados a partir del detector de esas ondas, que tan difíciles de entender nos resultan a los legos en física cuando los vemos por primera vez.

interferencia-patrónA la izquierda de este texto se puede ver el patrón de interferencia, que he recortado de la imagen superior. Aunque la imagen ilustra el experimento de Young y es, por tanto, con ondas de luz  y de agua, nos sirve para explicar con sencillez ese curioso patrón. ¿De dónde sale este dibujo?

Eso es lo que nos preguntamos muchos la primera vez que nos enfrentamos al experimento de la doble rendija. Primero nos hablan de ondas que atraviesan agujeros y que chocan unas con otras. alcanzamos entonces a entender que si crestas y valles coinciden la amplitud de la onda disminuye, pero que si coinciden dos crestas la onda se eleva, pero no entendemos qué relación tiene todo eso con ese dibujo tan extraño, con ese patrón de manchas grises, negras y blancas.

La explicación es la siguiente. Las zonas blancas o más brillantes son el lugar en el que golpea la cresta de una onda o donde coinciden dos crestas; las grises representan el impacto más suave de las ondas que impulsan esa cresta; finalmente, las zonas negras son los lugares en los que no ha habido impacto (porque se han cancelado o neutralizado ondas y valles).

interferencia

interferencia2En estas ilustraciones se puede apreciar cómo las crestas o confluencias de cresta con cresta (señaladas por líneas amarillas) impactan en el detector (líneas blancas en al tira inferior). Las partes azules más oscuras representan la confluencia de crestas y valles y las azules más claras las zonas bajas de las ondas a medida que descienden a esos valles.

Como se ha dicho antes, la confluencia de crestas se llama interferencia constructiva (se construye una cresta mayor) y la de crestas con valles destructiva (el agua se calma).

Tras esta minuciosa explicación, enseguida intentaré explicar otro gráfico que suele acompañar a estos experimentos y que al final nos permitirán entender el experimento de la doble rendija y su importancia en el mundo cuántico. Pero antes tenemos que ver cuál es la diferencia entre dos entidades fundamentales del universo: las ondas, que ya conocemos, y… las partículas.

Mientras tanto, es muy útil observar muy atentamente durante horas las ondas en el agua, como en la canción de François Hardy (y no caer presa de la melancolía, claro).

Continuará…

*************

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[Escrito por primera vez  después de 1994 y antes de 1996, como un trabajo universitario. La edición actual procede de la edición personal de 1998. No he introducido ningún cambio, más allá de correcciones de estilo para hacer más claro el texto y más agradable la lectura. Ver también la categoría Física: ondas y partículas, para anexos acerca del experimento de la doble rendija]

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Originally posted 2015-07-04 16:33:24.

El modelo atómico de la materia

Durante el siglo XIX se produjo una extraña situación en la física y en el estudio de las radiaciones electromagnéticas (sonido, luz, electricidad…)

Por un lado, se consolidó la teoría ondulatoria de la luz gracias a los experimentos de Young y Fresnel (El experimento de interferencia de Young), venciendo a los partidarios de la teorías corpusculares, como Isaac Newton. Pero, por otro lado, los físicos recuperaron la teoría atómica de Demócrito y propusieron que la materia estaba compuesta de átomos o corpúsculos.

En 1803 John Dalton propuso que los elementos químicos, ya bien conocidos gracias a los trabajos de Lavoisier y otros investigadores, estaban compuestos de elementos básicos que, al combinarse, daban origen a moléculas diferentes y explicaban la existencia de compuestos tan diversos como el agua o el aire.

 

Dalton_John_desk

John Dalton. Dalton padecía un problema visual y no veía los colores como las demas personas. Estudió su caso a fondo e incluso donó sus ojos a la ciencia. Aunque su explicación no fuera correcta, se dio su nombre al daltonismo, en reconocimiento a sus esfuerzos.

Otros investigadores, como Avogrado, solucionaron algunos detalles importantes acerca de cómo se combinaban elementos como el hidríogeno y el oxígeno, y el ruso Dimitri Mendeleiev propuso finalmente la célebre tabla periódica de los elementos que ordenaba todos los elementos conocidos. Aunque quedaban algunos huecos, posteriores descubrimientos fueron probando la corrección del orden propuesto por Mendeleiev.

En 1897 J. J. Thomson demostró que la electricidad también estaba compuesta por partículas, que él llamó corpúsculos, pero que enseguida fueron conocidas como electrones.

Pero existía un grave problema: la correspondencia o convivencia entre la teoría corpuscular o atómica de la materia, aceptada por casi todos (una excepción curiosa era Ernst Mach) y la no menos aceptada y demostrada naturaleza ondulatoria de la luz. La convivencia entre los fenómenos corpusculares de la electricidad y los ondulatorios de la luz planteaba ciertas dificultades y resultaba en sí misma extraña, quizá como hoy en día resuilta la convivencia entre la teoría relativista y la cuántica.

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Este artículo está relacionado con “Filosofía de la mecánica cuántica” y puede servir para aclarar algunos aspectos, pero no pertenece al ensayo original. Es también un artículo en construcción, que será modificado y ampliado constantemente.

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Originally posted 2014-10-03 17:07:50.

El átomo de Thomson y el de Rutherford

jjthomson2Cuando la idea del átomo, propuesta en la antigua Grecia por Demócrito y en India por varias escuelas, como la jainista o la vaisesika, fue recuperada por la ciencia moderna, se imaginaron varios modelos que fueron corregidos y mejorados poco a poco.

Tras el átomo propuesto por el inglés John Dalton, su paisano Joseph John Thomson descubrió el electrón y propuso que los átomos estaban compuestos por electrones de carga negativa distribuidos en un átomo positivo. Algo así, según las metáforas de la época, como un puding de pasas.

Sin embargo, el átomo de Thomson no explicaba la regularidad de la tabla periódica de Mendeliev y planteaba problemas al predecir la distribución de esa carga positiva del átomo.

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Átomo de Thomson

El neozelandés Ernest Rutherford intentó conocer la estructura interna del átomo bombardeando una delgada lámina de oro. Si los electrones estaban distribuidos de manera más o menos uniforme, como las pasas en un pastel, las partículas alfa chocarían de vez en cuando con elllos y serían desviadas. El resultado del experimento, sin embargo, fue que algunas partículas rebotaban en dirección opuesta, como si chocaran con algo impenetrable. En palabras del propio Rutherford: “Era como si lanzaras una bala de cañón contra una hoja de papel y rebotase hacia ti”.

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Si el átomo estuviese compuesto, como decía Thomson, por una carga positiva uniformemente distribuida y algunos electrones de carga negativa, al lanzar parículas alfa, estas atravesarían el átomo y algunas serían ligeramente desviadas al impactar con los electrones. Sin embargo, Rutherford observó desviaciones mucho más significativas, que a veces hacían rebotar a las partículas alfa como si hubnieran chocado contra un muro. Eso le hizo concluir que en el centro del átomo existía un núcleo o al menos una acumulación de cargas positivas.

A raíz de su expetrimento, Rutherford dedujo que el átomo tenía un núcleo en el que se concentraba la carga positiva y electrones que giraban en órbitas más o menos indefinidas. Incluso pudo calcular el tamaño de ese núcleo, cuyo radio era diez mil veces más pequeño que el diámetro de todo el  átomo. De todos modos, Rutherford no llegó  a hablar de núcleo sino que más bien consideraba que en una zona determinada se concentraba toda la carga positiva.

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Átomo de Rutherford

 Lo asombroso de este descubrimiento fue el darse cuenta de que el átomo estaba compuesto por un núcleo diminuto rodeado de un inmenso espacio vacío en el que se movían los electrones. Se ha comparado esta proporción con la cabeza de un alfiler en la catedral de Westminster (el núcleo) y algunas moscas volando (los electrones).

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Ernest Rutherford

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Este artículo está relacionado con “Filosofía de la mecánica cuántica” y puede servir para aclarar algunos aspectos, pero no pertenece al ensayo original. Es también un artículo en construcción, que será modificado y ampliado constantemente.

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[Escrito por primera vez  después de 1994 y antes de 1996, como un trabajo universitario. La edición actual procede de la edición personal de 1998. No he introducido ningún cambio, más allá de correcciones de estilo para hacer más claro el texto y más agradable la lectura. Ver también la categoría Física: ondas y partículas, para anexos acerca del experimento de la doble rendija]

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Originally posted 2014-11-01 00:44:24.

¿Ondas y/o partículas?

El experimento de la doble rendija /3

Hemos visto en Ondas y en Partículas cómo se comportan las ondas y las partículas y hemos descubierto también que los fotones, a pesar de ser partículas que pueden ser lanzadas de una en una, en el experimiento de la doble ranura se comportan como ondas.

Pues bien, puesto que los electrones son unidades enteras, si lanzamos un electrón, hallaremos un impacto único en el detector y lo lógico sería pensar que o bien el electrón ha pasado por el agujero 1 o bien ha pasado por el agujero 2. Si esto fuera así, la suma de impactos de los electrones que han pasado por el agujero y los que han pasado por el agujero 2, sería la suma de ambas contribuciones y veríamos dos bandas paralelas en la placa de llegada, causadas por la llegada de electrones que atraviesan la ranura 1 y por los que atraviesan la ranura 2. Pero ya hemos visto que no sucede así y que lo que se forma es un patrón de interferencia con más de dos bandas paralelas, como sucede con las ondas.

En consecuencia, habrá que comprobar, dice Feynman, si es cierto que los electrones pasan por un agujero o por el otro, o si dan la vuelta por ambos agujeros, o  si se parten por la mitad u otra cosa.

Así que mantenemos abiertos los dos agujeros y observamos los electrones, iluminándolos con una luz intensa. La luz es dispersada por los electrones, los que nos permite verlos al pasar por los agujeros. Efectivamente, vemos que pasan enteros por el agujero 1 o por el 2.

Pues bien, y aquí viene lo más importante, si contamos los electrones que pasan por el agujero 1 y los que pasan por el 2 con la luz encendida, obtenemos que los electrones que han pasado por el agujero 1 dan como resultado la curva N1, mientras que los que han pasado por el agujero 2 dan como resultado la curva N2. Es decir, las curvas que obtenemos por cada agujero cuando ambos están abiertos y la luz encendida, son idénticas a las que obtenemos cuando cerramos primero un agujero y luego el otro con la luz apagada.

Sería una fuerte tentación aplicar ahora el sentido común y aventurar que la suma de las curvas obtenidas dará como resultado una curva similar a la que se obtiene con las balas (la curva N12), pero ya hemos visto, cuando hicimos el experimento con la luz apagada, que la curva resultante cuando los dos agujeros están abiertos es idéntica a la de las ondas (L12), que no es la suma de las curvas obtenidas cuando se abre uno u otro agujero.

Pues bien, miramos la curva resultante cuando hacemos el experimento con la luz encendida, descubrimos que se han cumplido por una vez las predicciones del sentido común. La curva registrada en el detector sí es la suma de las curvas de cada agujero.

Naturalmente esta es una victoria pírrica del sentido común, porque significa que el resultado es distinto si la luz está encendida o apagada. De este modo se muestra lo que se ha llamado la influencia del aparato de medida o de nuestra elección en el diseño del experimento, y cómo el mundo macroscópico determina nuestra observación de lo microscópico. Esto conduce al principio de incertidumbre de Heisenberg, que, formulado, dice Feynman, de acuerdo con nuestro experimento afirma, que: “Es imposible construir un aparato que pueda determinar el agujero a través del cual pasa un electrón sin al mismo tiempo perturbar el electrón de forma suficiente como para destruir el modelo de interferencias”.

La conclusión es que si poseemos un aparato capaz de indicarnos el agujero por el que pasa un electrón, podemos decir que pasa por un agujero o por el otro. Pero si no poseemos tal aparato, no podemos decir que pasa por un agujero o por el otro. Es más no se puede predecir por qué agujero pasará un electrón, incluso con la luz encendida: “Sólo sé -dice Feynman- que cada vez que miro pasa por uno de los dos agujeros, pero no hay manera de anticipar por cual de los dos va a pasar”. El futuro es impredecible, incluso aunque conozcamos perfectamente las circunstancias iniciales. Dice Ridley:

“Mientras que la ruta de una bola de billar golpeada por un taco es determinada precisamente por la forma en que fue golpeada… con los electrones no hay certidumbre sobre lo que va a ocurrir, porque los electrones guardan un grado de libertad de movimiento que parece ser inherente a su naturaleza”.

Así, concluye Gribbin:

“Cuanto más se conoce sobre el aspecto ondulatorio de la realidad, menos se conoce sobre su faceta corpuscular y viceversa. Los experimentos diseñados para detectar ondas siempre detectan ondas. Ningún experimento muestra al electrón comportándose simultáneamente como una onda y como una partícula” .

 


NOTA: para la descripción del experimento he utilizado varios libros, fundamentalmente el de Feynamn, utilizando a veces frases, otras palabras y otras conceptos que expresado de otra manera. Para evitar una saturación de paréntesis, no he hecho referencia en el texto a estos libros, que son los siguientes, tal como se recogen en la Bibliografía: Feynman, Trefil (1983), Ridley, Davies/Brown, Davies y Gribbin. Es muy posible que en mi explicación haya algún error, incluso algún error grave, por lo que recomiendo al lector que consulte la deslumbrante explicación del experimento de la doble ranura que da Jim Al-Khalili: Double Silt Experiment o la extraordinaria explicación de Armando Martínez Téllez en Ondas de materia.

Continuará…


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Partículas

El experimento de la doble rendija /2

En Ondas, hemos visto cómo se comportan las ondas, en especial las ondas creadas en el agua. Ahora podemos diseñar un experimento paralelo al de las ondas, pero en este caso para examinar el comportamiento de las partículas. Aunque en mi escrito original empleé las ilustraciones de Richard Feynman, aquí emplearé las de la página Ciencia como nunca, que me parecen más sencillas de entender. Los lectores también pueden seguir allí la explicación completa.

Richard Feynman propone que imaginemos una ametralladora que dispara balas a través de la rendija de una plancha blindada. La ametralladora tiene el pie un poco inestable, por lo que las balas no salen siempre en línea recta, sino que a veces pasan limpiamente a través de la rendija en cualquier dirección, mientras que otras veces rebotan en los bordes de la rendija.

Las balas o bolas atravesando la rendija e impactando en la plancha óptica (optical screen). La imagen de la derecha, donde se ven los impactos en la misma plancha, pero vista de frente o tumbada (no desde arriba)

En un segundo experimento, añadimos otra plancha, pero en este caso con dos rendijas. Más allá situamos el detector, que puede ser una caja de arena que recoja las balas u otra plancha en la que impactan, como en el primer experimento.

En esta variación se supone que se trata de bolas de pintura rojas, pero se supone que son equivalentes a las balas.

Otra idealización necesaria es que las balas son indestructibles (naturalmente, podemos diseñar este experimento en una simulación de ordenador, lo que nos evita tantas idealizaciones), por lo que en la caja de arena siempre recogemos balas enteras, unidades enteras. Naturalmente, si suponemos también que las balas poseen la misma velocidad o energía, nunca llegaran dos balas al mismo tiempo al detector, sino que unas llegarán antes y otras después.

En la figura se puede ver cómo quedaría la pared tras los impactos cuando usamos dos rendijas.

Si se abre una rendija, nos dicen en Ciencia como nunca, veríamos en la pared una franja uniforme. Al abrirse dos rendijas, vemos dos franjas uniformes, como en este caso.

Ahora bien, ya sabemos que no es esto lo que sucede con las ondas, cuando las sometemos a un experimento similar en un experimento similar:

El resultado en el caso de las ondas es un patrón de interferencia, en vez de dos franjas paralelas. Las bandas sólidas reflejan el impacto de las crestas de las ondas.

Comparación del experimento con partículas (balas o bolas de pintura) y con ondas.

Ahora ya podemos ver las ilustraciones de Feynman, que nos muestran el experimento pero con curvas de impacto.Conviene ahora examinar las curvas N1 y N2 en el extremo derecho de la ilustración.

Cada una de estas curvas se obtiene al modificar levemente el experimento, cerrando alternativamente uno u otro de los dos agujeros de la segunda barrera.

En el caso de las balas, si cerramos el agujero nº1, la probabilidad de llegada de las balas al detector originará la curva N2.

Si cerramos el agujero nº2, la curva resultante será N1.

Es fácil ver que las curvas N1 y N2 sumadas o superpuestas dan como resultado la curva N12.

A este resultado (N1+N2= N12) se le puede llamar “no interferencia”.

En el caso de las ondas si cerramos uno u otro agujero, obtenemos las curvas L1 y L2. Ahora bien, la suma de ambas curvas cuando abrimos los dos agujeros no da como resultado la curva L12.

Es decir, aunque las curvas que se obtienen al cerrar uno u otro de los de los agujeros son las mismas (L1/L2=N1/N2) tanto con ondas como con balas, la curva que resulta cuando mantenemos abiertos ambos agujeros no es la misma en uno y en el otro caso (L12 no es igual a N12).

Cuando se trata de balas, en consecuencia, el resultado del experimento es el mismo, tanto si se abre un sólo agujero como si abren los dos: en la caja se recogen las mismas balas con la misma curva de probabilidad. Sin embargo, en el caso de las ondas, el resultado es completamente diferente si se mantiene un agujero cerrado o si se dejan ambos abiertos.

Pues bien, como ya sabemos, Thomas Young se propuso en 1803 realizar un experimento similar a los anteriores para determinar si la naturaleza de la luz era corpuscular u ondulatoria. Si realizamos el experimento de las dos ranuras con una fuente luminosa, ¿qué resultado obtendremos?

Es decir: ya conocemos como actúan las partículas (balas) y cómo actúan las ondas. Ahora queremos descubrir si la luz se comporta como las partículas o como las ondas.

La respuesta es que a pesar de que lanzamos partículas, fotones de luz, el resultado es idéntico al que se obtiene con las ondas. Se produce una imagen de interferencia debida también a la interferencia entre crestas y valles de la onda luminosa. Con ello, Thomas Young dejó establecido el carácter ondulatorio de la luz, aunque este resultado puede obtenerse con cualquier tipo de radiación electromagnética (la luz visible es una onda electromagnética cuya unidad son los fotones).

Ahora bien, los electrones (y los fotones) son partículas discontinuas y pueden ser lanzados de uno en uno, como si se tratara de balas. En consecuencia, si hacemos el experimento de la doble rendija con electrones, el resultado esperado sería similar a la figura que representa el comportamiento de las balas: una curva como N12, que será la suma de N1 y N2, según abramos el agujero nº1 o el nº2.

Sorprendentemente, el resultado es exactamente idéntico al obtenido en el experimento hecho con ondas.

Con ello se muestra el carácter ondulatorio de los electrones. Y sin embargo, lo que se registra en el detector es un impacto, un “clic” dice Feynman, de cierta magnitud siempre idéntica, que, al igual que el “bang” de las balas, muestra que llegan unidades enteras al detector.

Se ve, pues, que los electrones se comportan al mismo tiempo como ondas y como partículas. Esto puede hacer pensar que son ambas cosas. Bohm, si lo recuerdo bien, propuso la teoría de ondas piloto que trasportarían a cada electrón, para explicar que hubiera tanto ondas como partículas. Otros pensaron que el comportamiento de la luz no es el de partículas ni el de ondas, sino algo distinto y no visualizable. Otros, en fin, prefieren pensar que a veces son una cosa ya aveces la otra, o que son de alguna manera las dos cosas.

Continuará…


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[Escrito por primera vez  después de 1994 y antes de 1996, como un trabajo universitario. La edición actual procede de la edición personal de 1998. No he introducido ningún cambio, más allá de correcciones de estilo para hacer más claro el texto y más agradable la lectura. Ver también la categoría Física: ondas y partículas, para anexos acerca del experimento de la doble rendija]

 FILOSOFÍA DE LA FÍSICA CUÁNTICA

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Anu y paramanu. Lo diminuto de lo diminuto

La historia del atomismo suele comenzar en los libros de texto con los filósofos griegos Leucipo y Demócrito, y sus continuadores Epicuro y el romano Lucrecio. Sin embargo, en la India se pueden encontrar filósofos atomistas quizá anteriores.

En India se usan dos términos para referirse a lo que llamamos átomo: anu y paramanu, aunque a veces también se emplea kana y pilu.

Anu significa “muy pequeño, muy diminuto”. Se emplea en los Upanisads para referirse a lo que es tan pequeño que no hay nada más pequeño, lo indivisible.

En cuanto a paramanu significa el más alto grado (parama) de lo muy diminuto (anu). Es decir, lo diminuto al máximo grado. Una equiparación podría ser: moléculas (anu) y átomos (paramanu), o bien átomos (anu) y partículas subatómicas o cuánticas, como leptones, muones, bosones o quarks (parumanu).


Los Upanisads son antiguos textos que surgieron como comentarios a los cantos dedicados a los dioses recopilados en los Vedas.

Los Vedas son textos de carácter religioso, con ligeras incursiones en la metafísica o la ontología (la pregunta acerca de qué está hecha la realidad), pero los Upanisads tienen un contenido filosófico más explícito y no rechazan ninguna pregunta ni inquietud, tanto religiosa como metafísica, ontológica o epistemológica.

Continuará


<h4>El atomismo en la filosofía india 1</h4>

[13 de octubre de 2014]

CUÁNTICA Y ATOMISMO

Sean Carroll acerca de la cuántica

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Mi opinión sobre la cuántica

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Los quantos de Planck: átomos de energía

Andreas-Osiander

Andreas Ossiander (1498-1552)

Cuando Ossiander publicó el De revolutionibus de Nicolás Copérnico, antepuso un prólogo, que se hizo célebre, en el que explicaba que la teoría de Copérnico que situaba a la Tierra en el centro del Sistema Solar no afirmaba que sucediera así en la realidad, sino que se trataba tan sólo de un artificio que facilitaba los cálculos, una herramienta matemática que simplemente “salvaba las apariencias” pero que no pretendía describir la realidad:

“Estas hipótesis no tienen por qué ser ciertas, ni siquiera probables. Pero sí proporcionan un cálculo consistente con las observaciones, lo que por sí solo es suficiente”.

Aunque este prólogo fue motivado por razones de prudencia, para evitar sufrir persecución religiosa, muchos grandes descubrimientos se propusieron por primera vez como una hipótesis para facilitar los cálculos o como una posibilidad que se sugería pero que se recomendaba no tomarse en serio. Así sucedió con las intuiciones de Henri Poincaré que anticipaban la teoría de la relatividad de Einstein, pero que el matemático francés descartó por parecerle un disparate. Algo parecido se puede decir de los átomos o quantos de energía que Max Planck propuso en 1900, pero sólo como un útil artificio matemático.

Planck

Max Planck (1858-1947)

Planck creía que la energía podía ser dividida sin límite, es decir, que no existía una unidad mínima de energía, pero se dio cuenta de que muchos cálculos se facilitaban si se suponía que había un quanto (del latín quantus, “¿qué cantidad?”) de energía.Sin embargo la idea le parecía demasiado absurda, pues era algo así como decir que la energía, por ejemplo un rayo de luz, se mueve dejando huecos o zonas por las que no pasa, como si saltase de un lugar a otro, sin pasar por los lugares intermedios.

Pero cinco años después Einstein recuperó la hipótesis de Planck y, en vez de considerarla un artificio matemático, afirmó que, efectivamente, existían unidades mínimas de energía, que la energía es corpuscular, como lo es la materia.

Eso planteaba una nueva dificultad, ¿cómo explicar entonces que la luz y otros tipos de energía se comportara como ondas continuas? Casi siempre en ciencia una respuesta da origen a otra pregunta.

  *************

Este artículo está relacionado con “Filosofía de la mecánica cuántica” y puede servir para aclarar algunos aspectos, pero no pertenece al ensayo original. Es también un artículo en construcción, que será modificado y ampliado constantemente.

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 FILOSOFÍA DE LA FÍSICA CUÁNTICA

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  CUADERNO DE CIENCIA

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CUADERNO DE BIOLOGÍA

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BREVÍSIMA INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA MOSCA Y CAJA

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SOBRE “LA ESTRUCTURA DE LA EVOLUCIÓN”, DE STEPHEN JAY GOULD
(Artículos acerca de la evolución)

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El experimento de interferencia de Thomas Young

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Thomas Young (1773-1829)

En época de Thomas Young había diversas teorías acerca de la naturaleza de la luz. Era un asunto muy escurridizo, acerca del que dos de los más eminentes miembros de la Royal Society, Isaac Newton y Robert Hooke, habían discutido durante décadas. Dicen las malas lenguas que Newton esperó hasta la muerte de Hooke para publicar su teoría de la luz, para así evitar que su odiado rival conociera la respuesta a sus dudas. O tal vez lo hizo porque no quería arriesgarse a ser criticado o refutado. Otros competidores fueron Christiaan Huygens, Leonhard Euler y el propio Johan Wolfgan Goethe con su Teoría de los colores. Había un aspecto fundamental, más allá de los detalles y los matices: ¿la luz se comportaba como una onda o como un corpúsculo, como el agua en un estanque cuando lanzamos la piedra o como la piedra misma?

Newton estaba convencido de que la luz se irradiaba de los cuerpos luminosos en forma de diminutas partículas y así quedó establecido hasta comienzos del siglo XIX.

Existían, sin embargo, algunas anomalías que la teoría de Newton no podía explicar, como los efectos de difracción en los bordes o en rendijas estrechas, los colores que aprecen en películas finísimas, por ejemplo en una superficie aceitosa o en las alas de los insectos y que cuando dos haces de luz se encontraban no se producía un choque real entre ambos; es decir, no sucedía lo que sucede cuando Luke Skywalker y Darth Vader hacen chocar sus espadas láser.

Sin embargo, la teoría corpuscular de Newton tenía seguidores de tanto renombre como Pierre-Simon de Laplace.

A finales del siglo XVIII, Thomas Young estudió el comportamiento de algo que todos estaban de acuerdo en considerar una onda, el sonido. Es muy fácil observar el comportamiento ondulatorio del sonido, por ejemplo si lanzamos un sonido sobre una fina capa hecha de arena, veremos cómo se forman ondas muy similares a las de la piedra arrojada al agua de un algo. En 1799, Young propuso que la luz era también una onda en movimiento, como el sonido, pero esperó hasta el nuevo siglo para demostrarlo.

En opinión de Young todos aquellos problemas de la luz entendida como partícula se solucionaban si consideramos que es una onda. Así, por ejemplo, al encontrarse dos haces luminosos lo que se produce no es un choque sino una interferencia entre ambos, que explica que se atraviesen y formen, por ejemplo, nuevos colores en su confluencia. El propio Young explicó  este fenómeno de interferencia en las ondas formadas en el agua, explicando su apariencia por la coincidencia o no de los valles y las crestas de las diferentes ondas al encontrarse. Cuando dos valles o dos crestas se encuentran, se anulan, mientras que cuando se encuentran una cresta y un valle la onda se refuerza. Por eso a medida que alejemos la pared en la que impactarán las ondas, nos encontraremos con columnas o colores o zonas oscuras (donde el impacto se ha producido) y espacios entre ellas (donde no ha habido impacto de una onda, por haberse anulado una a otra).

Young_Diffraction
Boceto de Thomas Young que muestra los fenómenos de difracción del agua al pasar por dos agujeros (A y B). Como se puede observar las dos ondas coinciden (dos valles o dos crestas) o no (valle y cresta), formando un dibujo característico. Finalmente, las ondas, o el resultado de ese encuentro impactan en puntos como los señalados en C, D, E y F) y dejan un espacio vacío (no impacto) entre ellos.

Finalmente, en 1801 presentó en la Royal Society su investigación “Sobre la Teoría de la Luz y los Colores” y dos años después comunicó los resultados del experimento de la doble rendija, que demostraban el carácter ondulatorio de la luz.

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Experimento de la doble rendija, o de interferencia o del interferómetro de Young, que muestra que la luz al penetrar por una doble rendija e impactar en una pared capaz de registar ese impacto, produce un dibujo de impactos o patrón de interferencia idéntico al que produciría cualquier otra onda. En consecuencia, dice Young, la luz se comporta como una onda, no como una partícula.

La historia de cómo la teoría de Young fue rechazada por los newtonianos y acabo siendo aceptada tras los intentos de Simeón Denis Poisson de refutar la defensa de Young por parte de Augustin-Jean Fresnel es fascinante, pero quizá me desviaría demasiado del asunto. Baste con saber por ahora que la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz acabó por ser aceptada y se consideró que Newton, al menos en este asunto, se había equivocado: el experimento de la doble rendija era elocuente y probaba que la luz no se comportaba como un corpúsculo. O al menos eso se pensó hasta comienzos del siglo XX…

 

Continuará…

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Cuenta atrás para el bosón de Higgs

Acelerador

 

Nos hallamos en un momento de gran expectación en física, porque el cerco sobre el bosón de Higgs se está cerrando.

El bosón de Higgs es la última partícula que falta por descubrir para completar el modelo estándar de la física cuántica.

El acelerador de partículas europeo (LHC) ya está funcionando de la manera requerida para encontrar esta última partícula que, debido a lo difícil que es de capturar, ha sido llamada “el bosón fantasma”.

Sin embargo, como cuenta Pere Estupinya en su siempre interesante y estimulante blog Apuntes científicos desde el MIT, el costoso acelerador europeo está amenazado en esta búsqueda del bosón por el acelerador estadounidense del Fermilab, que quizá prolongue su vida útil para intentar encontrar, en un ultimo esfuerzo a la desesperada, el bosón, y llevarse así el mérito por el experimento científico del siglo, o de la historia.

Si el bosón se encuentra, como dije antes, se completaría el modelo estándar y la física cuántica podría ofrecer una explicación coherente del mundo subatómico e incluso del origen del universo. El bosón de Higgs es la partícula que proporcionaría masa al resto de partículas de ese mundo subatómico tan poblado: quarks, muones, gluones, mesones, protones y hadrones (que son los que va a ser acelerados para intentar detectar al bosón).

Encontrar el bosón de Higgs haría muy difícil que pudiera ser refutado el modelo estándar de la física cuántica, una teoría que es una de las más contrastadas de la historia, pero que todavía despierta ciertos recelos por su carácter antiintuitivo, y también porque no ha podido ser unificada con la otra gran teoría de la física, la de la relatividad (que también ha sido contrastada, o si se prefiere falsada o puesta a prueba, una y otra vez).

Ahora bien, podría suceder que el bosón de Higgs no se encontrara. ¿Qué sucedería entonces?

La respuesta, como cuenta Estupinya, depende de si estamos hablando de no encontrar el bosón o de demostrar que no se puede encontrar el bosón, es decir, demostrar que no existe.

Acelerador

Uno de los aspectos más curiosos del estudio del mundo subatómico es que para intentar conocerlo se construyen cosas tan grandes (tan supraatómicas) como el acelerador europeo, que se extiende por dos países, Francia y Suiza.Lo fascinante del asunto es que el acelerador de partículas de Estados Unidos podría encontrar, aunque es improbable, el bosón, pero no puede demostrar su no existencia. Sin embargo, el LCH europeo puede hacer las dos cosas: encontrar el bosón o bien demostrar que una partícula de tales características no existe en el rango de energías predicho por el modelo estándar.

Las consecuencias serían muy diferentes.

Si se encuentra el bosón de Higgs, eso será un triunfo deslumbrante para el modelo estándar, la culminación de décadas de éxitos.

Si se demuestra que el bosón de Higgs no existe ni puede existir, significará que hay que tirar a la basura el modelo estándar y que la física tendría que reinventarse. Sería una revolución teórica de proporciones descomunales, imprevisible. Habría que aprender a pensar de otra manera, imaginar hipótesis completamente diferentes a lo que el sentido común científico ha aceptado durante casi un siglo (un sentido común, por cierto, completamente alejado del sentido común cotidiano). Comenzaría una nueva época en la física, en la que casi cualquier hipótesis sería, no ya posible, pero sí pensable.

acelerador

Un señor recorriendo los túneles del LHC (27 kilómetros a 100 metros bajo tierra)

Estupinya explica que, aunque la mayoría de los físicos cuánticos están deseando confirmar su teoría de manera casi definitiva (no hay nada definitivo en ciencia), hay otros muchos que se relamen ante la posibilidad de que el bosón de Higgs no exista:

“En principio todos esperan y desean que el Higgs aparezca en los próximos años y confirme el modelo estándar, pero algunos reconocen que les alegraría incluso más que todo cayera por tierra y viviéramos una nueva gran revolución en el mundo de la física. Así la aventura se haría más interesante, y quizás podrían pedir financiación para más juguetitos con los que continuar el reto de descubrir la naturaleza más íntima de la materia”.

No ocultaré que yo prefiero la segunda posibilidad: que se demuestre que el bosón de Higgs no existe.

 


(Publicado el 20 de marzo de 2010 en Improbable)

EPÍLOGO: como es sabido, finalmente el CERN encontró el escurridizo bosón.


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