sábado, 23 de enero de 2016

FÍSICA CUÁNTICA



FÍSICA CUANTICA
El tao de la física – Fritjof Capra. Luis Carcamo Editor. Madrid 1984
Recopilado por Joaquín Benito Vallejo
La concepción de la física cambió radicalmente tras el desarrollo independiente de dos teorías: la de la relatividad por un lado y la física atómica, por otro. A partir de aquí se destruyen todos los conceptos principales de la concepción newtoniana del mundo: la noción del espacio y tiempo absolutos; las partículas sólidas elementales; la naturaleza estrictamente causal de los fenómenos físicos; el ideal de una descripción objetiva de la naturaleza.
Hay que destacar la figura extraordinaria  del hombre que inició este proceso: Albert Einstein,  con dos artículos publicados ya en 1905, que revolucionaron el pensamiento. Una fue la teoría de la relatividad y la otra, una nueva forma de ver la radiación electromagnética que se convirtió en la característica de la física cuántica: la teoría de los fenómenos atómicos.
La teoría cuántica fue elaborada 20 años más tarde por todo un equipo de físicos, a partir de Einstein que fue quien puso los cimientos de la civilización moderna. El creía firmemente en la armonía inherente de la naturaleza, y durante toda su vida se dedicó a encontrar el fundamento unificado de la física.  Según la teoría de la relatividad, el espacio no es tridimensional y el tiempo no es una entidad separada. Espacio y tiempo están íntimamente relacionados y forman un continuo cuatridimensional. No se puede hablar de espacio sin hablar de tiempo y viceversa. Tampoco existe ningún flujo universal de tiempo. Todo es relativo según la posición y el estado de los observadores. Dos acontecimientos que se ven ocurrir simultáneamente por un observador, pueden ocurrir en diferentes secuencias temporales para otros. Espacio y tiempo se convierten en meros elementos del lenguaje que los observadores utilizan para describir los fenómenos.
Los conceptos de espacio y tiempo son tan básicos para la descripción de los fenómenos naturales que su modificación supone, la modificación de toda la estructura que empleamos para describir la naturaleza. La consecuencia principal de esto supone la conciencia de que la masa no es más que una forma de energía. Incluso un objeto en reposo tiene energía almacenada en su masa y la relación entre las dos viene dada por la famosa ecuación E = mc 2, siendo c la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es fundamental para la teoría de la relatividad.
El armazón de la teoría incluye a la fuerza de la gravedad –atracción mutua de todos los cuerpos sólidos-. Esta fuerza tiene el efecto de curvar el espacio y el tiempo, lo que significa que la geometría bidimensional de un plano no puede aplicarse a la superficie de una esfera. Mientras que sobre un plano se pueden trazar líneas rectas, en una esfera esto no es posible. El espacio tridimensional es realmente curvo y la curvatura es causada por el campo gravitacional de los cuerpos sólidos.
Alrededor de una estrella o planeta el espacio, -así  como el tiempo, ya que son inseparables-, está curvado en relación a su masa. Los términos absolutas de espacio-tiempo no existen, así como tampoco el espacio vacío.
Rutherford descubrió que los átomos no son partículas sólidas y duras, sino que se componen de vastas regiones de espacio, en el cual, las partículas extremadamente pequeñas –los electrones- se mueven alrededor del núcleo, encadenados a él por fuerzas eléctricas. (No es fácil hacerse una idea del tamaño del átomo. Es la cien millonésima parte de un centímetro. Y su núcleo es infinitamente más pequeño aún. Si imaginamos un átomo del tamaño de la cúpula de la catedral de San Pedro, su núcleo sería como un grano de sal situado en su centro, mientras que los electrones serían como motas de polvo girando a su alrededor)
El número de electrones en los átomos de un elemento determinan sus propiedades químicas. Las interacciones entre los átomos dieron lugar a los diversos procesos químicos. Todo lo referente a la química puede explicarse en base a las leyes de la física atómica.
Las unidades subatómicas de materia son entidades muy abstractas que tienen un aspecto dual. Aparecen a veces como partículas  y otras como ondas. La luz puede manifestarse dualmente como ondas o partículas. Parece imposible percibir que una cosa pueda ser al mismo tiempo una partícula –entidad confinada en un volumen- y una onda –que se extiende por el espacio-.
Plank descubrió que la energía de la radiación no se emite continuamente sino que aparece en forma de paquetes de energía. Einstein  llamó a estos paquetes cuantos -de ahí viene el nombre de física cuántica- y los reconoció como un aspecto fundamental de la naturaleza. La luz y cualquier otra forma de irradiación electromagnética pueden aparecer como ondas y como cuantos. Los cuantos han sido aceptados como partículas y se les llama fotones. Pero son partículas sin masa y siempre viajando a la velocidad de la luz. La aparente contradicción entre partícula y onda fue resuelta de forma inesperada y se llamó concepto de la realidad de la materia. La materia subatómica no existe con seguridad en determinados lugares sino que tiene tendencia a existir y los sucesos atómicos no ocurren con seguridad en determinados tiempos sino que muestran tendencias a existir. Estas tendencias se muestran como probabilidades y están asociadas con cantidades matemáticas que toman la forma de ondas. Esta es la razón por la que las partículas pueden ser al mismo tiempo ondas. No son ondas tridimensionales, reales, sino ondas de probabilidad. Todas las leyes de la física cuántica se expresan a niveles de probabilidad. No se puede predecir un suceso atómico, solo la probabilidad de ocurrir. Se han demolido así los conceptos clásicos de objetos sólidos y principios deterministas de la naturaleza.  ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­Los objetos se reducen a patrones de probabilidades semejantes a la onda y estos patrones al final representan probabilidades de interconexiones.  Las partículas no tienen ningún significado como entidades aisladas, sino que solo pueden entenderse como interconexiones.
La teoría cuántica ha revelado de esta manera una unidad básica del universo. No se puede descomponer el mundo en las unidades más pequeñas existentes independientemente. No hay ningún bloque básico de construcción aislado, sino una complicada telaraña de relaciones entre las varias partes del conjunto. Estas relaciones siempre incluyen al observador de un modo esencial. Las propiedades de cualquier objeto solo pueden comprenderse en los términos de la interacción entre el objeto y el observador.
La materia sólida es fundamentalmente espacio vacío en lo que a la distribución de la masa se refiere, qué es lo que a la materia le da su aspecto sólido. Esto radica en la extraordinaria estabilidad  mecánica de los átomos, que nunca se destruye, que mantiene siempre sus propiedades. El aspecto sólido de la materia es la consecuencia de un típico efecto cuántico relacionado con el aspecto dual onda partícula. Cuando una partícula está confinada a una pequeña región del espacio reacciona a su confinamiento  moviéndose alrededor con más rapidez cuanto más pequeña es la región de confinamiento.
Hay 2 fuerzas que compiten: –electrones ligados al núcleo mediante fuerzas eléctricas que tratan de mantenerlos tan cerca como sea posible. Estos responden a su confinamiento moviéndose  rápidamente, cuanto más apretados están al núcleo más alta será su velocidad -700 km x segundo- estas velocidades hace que el átomo aparezca como una esfera rígida del mismo modo que una hélice que gira muy deprisa aparece como un disco compacto.. Es muy difícil comprimir más los átomos, por eso aparece como un aspecto sólido. Los electrones establecen orbitas de modo que hay un óptimo equilibrio entre la atracción y la renuencia. Más que partículas que giran alrededor del núcleo hemos de imaginar ondas de  probabilidad  ordenadas en diferentes orbitas.  En las orbitas las ondas de electrón tienen que estar ordenadas de tal manera que sus extremos se encuentren formando  patrones como ondas permanentes. Estos patrones aparecen siempre que las ondas estén confinadas a una región finita. Las ondas de electrón en un átomo solo pueden existir en ciertas órbitas con diámetros definidos.  El electrón puede saltar a otras orbitas si recibe la cantidad necesaria de energía, entonces se dice que el electrón está excitado, desde el cual volverá a su estado elemental liberando el electrón la energía excedente en la forma de un cuanto o fotón.
  Las tendencias a existir; partículas que reaccionan  al confinamiento con movimiento; átomos que cambian de pronto de un estado a otro; y una esencial interconexión de todos los fenómenos, son algunos de los rasgos insólitos del mundo atómico. La fuerza básica que origina todos los fenómenos es familiar y puede experimentarse en el mundo macroscópico. Es la fuerza de atracción eléctrica entre el núcleo  atómico cargado positivamente  y los electrones cargados negativamente. La interacción de esta fuerza con las ondas de los electrones da lugar a la tremenda variedad de estructuras y fenómenos. Es responsable de todas las reacciones químicas y de la formación de moléculas: agregados de varios átomos unidos por atracción mutua. La interacción entre los electrones y los núcleos atómicos es la base de todos los sólidos, líquidos y gases y también de todos los organismos vivos  y de los procesos biológicos.
Los núcleos juegan el papel de centros estables, extremadamente pequeños, que constituyen la fuente de la fuerza eléctrica y forman los esqueletos de las estructuras moleculares.  Para comprender estas estructuras, así como la mayoría de los fenómenos naturales solo necesitamos saber la carga y la masa de los núcleos. Sin embargo, para conocer de lo que la materia está hecha es preciso estudiar los núcleos, los cuales contienen prácticamente toda su masa. La principal tarea es comprender la estructura de los núcleos, sus componentes y las fuerzas que les mantienen juntos y apretados.
El primer paso para la comprensión de la estructura nuclear fue el descubrimiento del neutrón como segundo componente del núcleo, partícula que tiene más o menos la misma masa que el protón, -primer componente nuclear- dos mil veces la masa del electrón pero sin carga eléctrica. Los núcleos de todos los elementos químicos están constituidos de protones y neutrones.  La fuerza nuclear que conservan estas partículas tan apretadamente unidas dentro del núcleo era un fenómeno desconocido.  No podía ser de origen electromagnético ya que los neutrones son neutros. Un núcleo atómico es aproximadamente cien mil veces más pequeño que la totalidad del átomo y sin embargo contiene toda la masa del átomo. Ello significa que la materia dentro del núcleo es  extremadamente densa. Si todo el cuerpo humano fuese comprimido a una densidad nuclear ocuparía un espacio similar a una cabeza de alfiler. La elevada densidad no es la única propiedad extraordinaria. Los nucleones –protones y neutrones- responden a su  confinamiento con altas velocidades y puesto que están apretados dentro de un volumen muy pequeño su reacción es tanto más violenta.  Se precipitan alrededor del núcleo con velocidades de 50.000 Km por segundo. Podemos representarla por un líquido extremadamente denso que sesta hirviendo y burbujeado con viveza. El estudio de la materia muestra que la mayor parte está concentrada en diminutas gotas separadas por enormes distancias. En el vasto espacio entre las gotas nucleares  sólidas e hirviendo agitadamente se mueven los electrones. La energía constante  fluye y mana del sol, nuestro vínculo vital con el mundo de lo enorme es un resultado de reacciones nucleares en el mundo de lo infinitamente  pequeño.
La teoría de la relatividad nos ha obligado a modificar nuestro concepto de partícula  de un modo esencial. Demostró que la masa no tiene nada que ver con ninguna sustancia, sino que es una forma de energía. La energía es una cantidad dinámica, asociada con la actividad y los procesos. Si la masa de una partícula es equivalente a una cantidad de energía significa que la partícula no puede considerarse como un objeto estático, sino como un patrón dinámico, un  proceso que  la energía se manifiesta en sí misma como masa de partícula. 
Dirac reveló una simetría fundamental ente la materia y la antimateria. Implica esto que para cada partícula existe una antipartícula de igual masa y de carga opuesta. Al electrón –carga negativa- se opone el positrón –carga positiva-.
Cuando dos partículas colisionan con altas energías se hacen pedazos pero estos pedazos no son más pequeños.- Las partículas subatómicas son así destructibles e indestructibles  al mismo tiempo. Solo cuando adoptemos el concepto dinámico, relativista, desaparece la paradoja. Los experimentos han demostrado la naturaleza cambiante de las partículas  La materia ha aparecido completamente mutante. Todas las partículas pueden ser trasmutadas en otras. Pueden ser creadas y pueden desvanecerse. Todo el universo aparece como una telaraña dinámica de patrones de energía inseparables. Todos los modelos encontrados reflejan la unidad básica y el carácter dinámico de la materia. Las propiedades de la partícula solo pueden entenderse en términos de su actividad y de su interacción con el entorno. La partícula no puede considerarse como una entidad aislada sino como integrante del conjunto.  Las fuerzas entre las partículas, -atracción repulsión mutua- son representadas como intercambio de otras partículas. Es una consecuencia del carácter espacio tiempo cuatridimensional  del mundo subatómico que nuestra intuición ni nuestro lenguaje pueden entender muy bien.  Une las fuerzas entre los componentes de la materia con las propiedades de otros componentes de la materia y así, unifica los dos conceptos fuerza y materia que antes habían parecido ser  diferentes.  Fuerza y materia se consideran ahora con un origen común en los patrones dinámicos que llamamos partículas.  El hecho de que las partículas se influyan mutuamente a través de las fuerzas que se manifiestan como el intercambio de otras partículas, es todavía otra razón por la que el mundo subatómico no  pueda descomponerse  en partes integrantes.  Desde el nivel macroscópico hasta el nivel nuclear, las fuerzas que mantienen unidas las cosas son  relativamente débiles y es una buena aproximación decir que las cosas se componen de partes constituyentes: moléculas, átomos, núcleos, protones, neutrones. Sin embargo en cuando a la partícula esto ya no es posible. El mundo de la partícula no puede descomponerse en componentes elementales.
El universo se experimenta como un conjunto dinámico inseparable que siempre incluye de una manera  esencial al observador. Los conceptos tradicionales de espacio y tiempo, objetos aislados, y causa y efecto, pierden su significado.

Otros libros de Fitjof  Capra
El punto crucial. Ediciones Integral. Barcelona 1985
La trama de la vida. Ed. Anagrama. Barcelona 1988
Las conexiones ocultas. –Implicaciones sociales, medioambientales, económicas y biológicas de una nueva visión del mundo-. Ed. Anagrama. Barcelona 2003
 
 

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