FÍSICA CUÁNTICA
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 órbitas 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 órbitas.
En las órbitas 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 órbitas 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 está 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
No hay comentarios:
Publicar un comentario