Monografias | La Fisica Cuantica Un Enfoque Personal Conceptual e Historico, aunque no Matematico Parte III

El gato de Schrödinger.

Creo necesario mencionar este tema que consistió en un ejercicio de pensamiento ideado por Schrodinger, dado que aparece mucho en todos los escritos que tiene que ver con la física cuántica. Cuando Schrodinger estableció su función de onda para las entidades cuánticas, esperaba dar una explicación mas racional o con mayor sentido común a la teoría cuántica. En particular no aceptaba lo que se mencionaba como superposición de estados, donde se decía que en realidad las entidades cuánticas solo existían en una superposición de estados con una probabilidad de ocurrencia para cada uno y que solamente se materializaban en algo real cuando se realizaba –por medio de un observador inteligente- una observación de la entidad cuántica; en ese preciso momento y no antes, se afirmaba que la función de onda colapsaba en un valor determinado, el cual tenia una cierta probabilidad de ocurrencia. Esta probabilidad podía calcularse a partir de la propia función de onda.

Imaginemos dijo Schrodinger un sistema que tiene solo dos eventos posibles ambos con la misma probabilidad (50%) de ocurrencia. Por ejemplo el decaimiento de un núcleo radioactivo. ¿Qué es esto?. Cuando un núcleo radioactivo decae, se liberan partículas u ondas electromagnéticas , pasando o transmutándose a otro elemento diferente. Es decir el elemento cuyo núcleo radioactivo decae, cambia su naturaleza debido al cambio en su estructura atómica (en el núcleo). Las partículas u ondas electromagnéticas pueden fácilmente detectarse, es decir se sabe cuando se produjo el llamado decaimiento por la aparición o detección de dichas partículas u ondas.

El razonamiento con el cual Schrodinger no acordaba, era el que decía que en realidad dicho núcleo se encuentra en los dos estados posibles la mitad que decayó y la mitad que no hasta tanto alguien mida si el núcleo decayó o no. Esta sustancia radioactiva podría encerrarse en una cámara hermética y sin ventanas (una caja) con un detector que permite monitorear si el núcleo decae o no. Este monitor a su vez se encuentra conectado a un recipiente que contiene gas venenoso y que se abrirá cuando se detecte la presencia del decaimiento del núcleo radioactivo. En dicha cámara hermética con todos esos mecanismos de detección y conexión con el recipiente que contiene el gas venenoso, vive el famoso gato de Schrodinger. Mientras nadie mire en la cámara, Schrodinger dice que de acuerdo a la interpretación que daban acerca de los estados superpuestos, el núcleo decayó y no decayó, con una probabilidad del 50% para cada uno de los estados, y por ende el gas venenoso salió y no salió, y finalmente el gato murió y no murió, es decir esta en un cierto limbo coexistiendo el gato vivo y el gato muerto hasta que alguien abra la cámara.

Lo que a Schrodinger le resultaba absurdo es la proposición de Bohr diciendo que la función de onda no colapsa en un estado determinado hasta tanto un observador inteligente hiciera una medición u observara lo que pasa. Por eso ideo esta historia preguntándose si el gato es o no es un observador inteligente, porque entonces es necesario mantener la afirmación que el gato es mitad muerto y mitad vivo hasta que alguien abra la cámara, cosa que suena realmente descabellada. Esto es aun mas descabellado cuando se agrega a un observador que a su vez esta solo o no es observado, entonces este mirando el experimento del gato, ¿provocara el colapso de la función de onda o debe aparecer otro observador? ¿dónde termina todo? ¿ donde ponemos el limite entre estados superpuestos y realidad concreta?.   

Inecuación de Bell, la paradoja EPR y el experimento de Aspect.

Habíamos mencionado anteriormente que Einstein junto con otros dos científicos (Podolsky y Rosen) idearon un llamado experimento de pensamiento, conocido como la paradoja de EPR, para explicar la imposibilidad de las acciones a distancia o también para demostrar que el concepto de realidad local era correcto incluso dentro del mundo cuántico. Este experimento se logro desarrollar experimentalmente en Paris en 1980 por el científico Alain Aspect, y a través de ciertos cálculos llevados a cabo por John Bell, se arribo a la conclusión, contra lo que el sentido común indica, que a nivel cuántico la realidad es no local, esto es que existen conexiones misteriosas entre las partículas, o bien que entre ellas intercambian información a velocidades superiores a la de la luz. Estos tres puntos, la Paradoja EPR, el experimento de Aspect y la inecuación de Bell es lo que se desarrolla a continuación.

En el experimento de Aspect se mide una propiedad que cuentan los fotones de luz, denominada polarización. Algo de esta se describió en el capitulo de ondas, por lo que lo que aquí diremos para entender el experimento, es que la polarización para cada fotón se la representa y así debemos imaginarla como una pequeña flecha que, saliendo del fotón, apunta en una dirección determinada (arriba, abajo, o en diagonal). La polarización de dos fotones emitidos desde el mismo átomo esta correlacionada en sentido cuántico, de manera tal que si por ejemplo en uno apunta hacia arriba, en el otro apuntara en diagonal, pero no hay nada que nos permita decir que fotón tendrá  polarización en uno u otro sentido. Cuando dos fotones son emitidos desde un átomo, existen como el gato de Schrodinger en estados superpuestos hasta que alguien mida la polarización de alguno de ellos. En ese momento, la función de onda del fotón medido colapsa en uno de los estados de polarización posible; digamos para nuestro caso hacia arriba. En dicho momento, la función de onda del otro fotón también colapsa en el otro estado de polarización, en diagonal. Nadie ha mirado a este segundo fotón, y en realidad en el momento que se realiza la medición sobre el primero, podría ser que ambos fotones estén en los extremos opuestos del universo,  así cuando la función de onda de uno colapsa, la del otro hace lo mismo en el mismo momento; esto es lo que se denomina acción a distancia y contra la cual Einstein se oponía. Es como si las dos entidades quánticas, los fotones, permanecieran en un estado de conexión misteriosa, para siempre. La pregunta era ¿cómo se podía observar esta conexión a distancia? Era evidente que a través de la medición simultanea de ambos fotones esto no se lograría por que siempre observaríamos las polarizaciones tal como tienen  que ser, hacia arriba en uno y en diagonal en el otro, pero no podríamos distinguir el instante de la conexión entre ambos. Quedaría siempre la duda si realmente existe esa conexión o acción a distancia; o por el contrario, que la polarización de cada fotón queda determinada en el preciso momento que son emitidos desde el átomo, siendo así que cada fotón nace con una polarización determinada careciendo de sentido el concepto de estados superpuestos.

El truco para captar sea el fenómeno de la acción a distancia, o el fenómeno no-local, es trabajar con tres  medidas conectadas, por ejemplo tres ángulos de polarización, tal como lo pensó Aspect en su experimento, pero solo medir dos de ellos uno para cada fotón.

Para hacer un ejemplo mas familiar que la polarización, llamaremos a esta color. Supongamos que un átomo en lugar de emitir fotones de a pares con polarizaciones correlacionadas, emite partículas de colores de a pares. Estos colores pueden ser ROJO, AMARILLO, AZUL. Ahora bien por definición, cada par de partículas emitidas simultáneamente deben tener colores diferentes.

Expresando esto en términos cuánticos, diremos que cuando el átomo emite un par de partículas de color, la interpretación de Copenhague (Bohr) dirá que ninguna de las dos partículas tiene un color determinado sino que existen en una superposición de tres estados (colores) posibles. Cuando el que realiza el experimento mira a una partícula , allí su función de onda colapsa adoptando un color determinado entre los tres posibles. Al mismo tiempo, la función de onda de la otra partícula también colapsa adoptando esta un color determinado entre los ahora dos posibles. Este debe ser diferente al que adopto la partícula observada, aunque no sabemos tal como realizamos el experimento cual de los dos posibles, dado que no estamos observando a esta partícula.

Veamos como proceder en nuestra investigación: Utilicemos la siguiente notación y las preguntas que siguen:

• PO es la partícula observada.

• PNO es la partícula no observada.

• A = azul, AM = amarillo, R = rojo

• NA = no azul, NAM = no amarilla, NR = no rojo

1.     ¿PO es A?

2.     SI PO es A

3.     Por lo tanto, PNO = R o AM.

4.     NO, PO es NA, aunque no sabemos aun de que color es.

5.     Por lo tanto PNO = R o AM o A, pero con mayor probabilidad de que sea A.

Calculemos algunas probabilidades:

q       Si la PO es A, entonces la PNO tiene una probabilidad del 50% de ser AM y una probabilidad del 50% de ser R.

q       Si la PO es NA puede ser R o AM.

ü     Si es R entonces la PNO podrá ser AM o A.

ü     Si es AM entonces la PNO podrá ser R o A.

Vemos entonces que si la PO es NA hay cuatro posibles resultados para la PNO, dos Azules, un Amarillo y un Rojo, por lo tanto la probabilidad de Azul será 50 % (2/4), mientras que la de Amarillo y Rojo será 25 % para cada una (1/4).

El hecho de que el estado de la primer partícula este determinado tal como sucede cuando la observamos y decimos es AZUL, implica que para la PNO, la probabilidad de adoptar determinados resultados  R o AM, será del 50% para cada estado (color). Sin embargo, si el estado de la primer partícula no esta determinado,  las probabilidades de encontrar un color particular al observar la segunda partícula varían respecto a la primer situación. Fíjense que aquí estas probabilidades será dl 50 % para un color y 25 % para cada uno de los otros dos. Para observar como las probabilidades van cambiando de acuerdo a la forma que realizamos la medición sobre la primer partícula, debemos realizar muchas mediciones sobre muchas partículas, tal como haríamos para calcular la probabilidad de que una moneda salga cara o seca, repetiríamos la tirada muchas veces anotando lo que sale en cada una de ellas. El punto crucial es que Bell mostró que el patrón estadístico que debería surgir si el fenómeno es no-local, es decir si las partículas no salen del átomo con una condición prefijada (polarización o color en nuestro ejemplo) es diferente al patrón que surge si el fenómeno es local, esto es que cada partícula adopta su color en el mismo momento que se emite desde el átomo y permanece en ese color todo el tiempo. Utilizando esta terminología de los colores, el experimento consiste en preguntar pares de preguntas acerca de ambos fotones en conjunto en la siguiente línea:

o       ¿Es el fotón 1 azul o no, y es el fotón 2 amarillo o no?

o       ¿Es el fotón 1 azul o no, y es el fotón 2 rojo o no?

Llevando a cabo este experimento con muchos pares de partículas se puede construir una lista de respuestas especificando con que frecuencia las partículas se aparean en categorías: “ A y NAM ”, “A y NR”, “NA y NAM”, etc. Lo que Bell demostró (¿?) es que si se hacen las preguntas de esta manera muchas veces, utilizando muchos pares de fotones, hay un patrón estadístico que aparece en las respuestas obtenidas. Se puede averiguar con que frecuencia la combinación “A y NAM” apareció, comparada con la combinación “NA y NR”. Y todas las otras combinaciones posibles. Debido a que las entidades cuánticas no deciden que color adoptar hasta tanto sean observadas, contrariamente a lo que harían las partículas comunes de adoptar un color en su origen; el patrón estadístico resultante para ambos tipos de partículas será diferente. Bell mostró que si las partículas fueran comunes, el patrón estadístico A debería prevalecer, es decir el patrón A > el patrón B. Pero en el experimento realizado en Paris por Alain Aspect, donde se trabajo con fotones de diferente polarización, se demostró que esto no ocurría; es decir que la desigualdad anterior se violaba, siendo el resultado experimental que el patrón A < el patrón B. El argumento, si bien desarrollado matemáticamente, esta basado en una lógica del sentido común. Esta lógica del sentido común, aplicada a un ejemplo trivial, nos dice lo siguiente:

Siendo TA, la cantidad total de adolescentes en todo el mundo; FA la cantidad de adolescentes mujeres en todo el mundo, MA la cantidad de adolescentes hombres en todo el mundo, Madu la cantidad de adultos hombres en todo el mundo y TM la totalidad de personas de sexo masculino; entonces se debe dar que:

TA < FA + TM, (1)

Por que TA = FA + MA (2) y TM = MA + Madu (3),

Por lo tanto al reemplazar (2) y (3) en (1) Þ FA + MA < FA + MA + Madu Þ FA< FA + Madu

Los resultados del experimento de Aspect son equivalentes en términos de la lógica del sentido común, a descubrir que en realidad la inecuación que se comprueba en nuestro ejemplo es TA > FA + TM;  es decir que en el mundo hay mas adolescentes que mujeres adolescentes mas todos los hombres. Este resultado, ejemplificado aquí con personas, es lo que se conoce como la violación de la desigualdad de Bell, y es lo que confirma que para las entidades cuánticas existe una conexión misteriosa, denominada realidad no-local, a pesar de que aun no entendemos cual es el significado de todo esto. El propio Bell considero a la teoría cuántica como temporaria, y siempre espero que los físicos alcanzaran alguna teoría que pudiera explicar estos resultados extraños en términos del mundo real que todos conocemos, es decir en el cual las cosas tiene características objetivas y no indeterminadas.  

Variables no conocidas. (hidden variables)

La lucha por parte de Einstein de mantener una idea de realidad objetiva, llevo a el y alguno de sus discípulos como David Bohm a explicar lo inexplicable de la física cuántica por la existencia de variables desconocidas que agregarían conocimiento para poder dar una explicación lógica a los comportamientos y resultados de los experimentos cuánticos. Si se conocieran estas variables escondidas, los físicos podrían dar resultados precisos y no probabilísticos como hasta ahora. En realidad esta interpretación de la cuántica a través de las variables ocultas, esta mucho mas de acuerdo con nuestro sentido común, que todas las otras interpretaciones que se desarrollaron con mayor extensión. Siendo así ¿por qué no se desarrolló mas esta idea para explicar la cuántica, en lugar de utilizar otras explicaciones tan contrarias al sentido común? Esto se debe a que durante mucho tiempo, se demostraba matemáticamente que esta explicación no era correcta dentro del mundo cuántico (von Neumann). Cuando Bohm retoma esta explicación, su fundamento principal era que el mundo es no-local, esto significa que lo que ocurre en un lugar del universo a una partícula afecta instantáneamente al resto de las partículas del universo. Es decir todo forma parte de un único sistema interconectado. La hipótesis de Bohm era entonces que variables ocultas eran las que explicaban las misteriosas conexiones que se detectaban entre las partículas subatómicas. Para Bohm lo que percibimos como partículas separadas, en un sistema subatómico, no lo están, sino que  en un nivel mas profundo de la realidad son meramente extensiones del mismo algo fundamental. El nivel de la realidad en que las partículas parecen estar separadas, es decir el nivel en el cual  vivimos, Bohm lo denomino el nivel explicado o explicitado. El sustrato mas profundo de la realidad, aquel en el que la separación desaparece y todas las cosas parecen convertirse en parte de una totalidad sin discontinuidades, Bohm lo llamo el orden implicado. Para ilustrar como un nivel de totalidad continua puede aclarar esas correlaciones sin apelar a transmisiones de señales mas veloces que la luz, Bohm ofreció el siguiente ejemplo. Imaginemos una pecera donde nada un pez. El mismo es filmado por dos cámaras de TV una enfocada hacia el frente y la otra hacia el costado de la pecera. Cada una de estas, esta conectada a un televisor. Imaginemos también que nosotros no vemos las cámaras dado que están detrás de unas mamparas, y solo tenemos conocimiento de la pecera por lo que vemos proyectado en los dos televisores. Es así que podemos suponer que estamos mirando dos peces diferentes, y que cuando uno de ellos realiza un movimiento el otro también realiza otro movimiento. Si el pez A esta de frente, el pez B estará de costado, y si de repente el pez A se pone de costado, el pez B se pondrá de frente. Si seguimos suponiendo que son dos peces diferentes, podríamos deducir que entre ambos existe una correlación que se manifiesta en forma instantánea, o también que uno mediante algún mecanismo oculto, le informa al otro instantáneamente cuando realizara un cambio de posición. Esto, conociendo como esta establecido el experimento sabemos que no es correcto, no hay tal transmisión de información, ni un grado de correlación perfecta; ocurre que a un nivel profundo y desconocido para nosotros (atrás de las mamparas), ambos peces son la misma cosa, es decir están interconectados como parte de un todo. Esto que dice Bohm es aproximadamente análogo a lo que nos ocurre, cuando medimos las correlaciones de dos partículas subatómicas separadas entre si por una distancia tal que solo transmitiendo la información a una velocidad superior a la de la luz, o mediante alguna conexión misteriosa entre ambas, podrían darse los resultados de los experimentos tal como se dan. Las dos pantallas corresponden al mundo tal como lo conocemos, es el orden explicado. La pecera donde esta el pez tal como es, es el orden implicado. Las imágenes que ofrecen las pantallas de TV son proyecciones bidimensionales de una realidad tridimensional. Según Bohm, nuestro mundo tridimensional es la proyección de una realidad multidimensional aun mas alta.   

La interacción luz y materia. Una pequeña aproximación a la Electrodinámica Cuántica (QED)

Los físicos y los científicos en general, saben que no importa cuanto pueda gustar o no gustar una teoría, sino que lo que distingue a una buena teoría de una mala , es si puede predecir con cierta exactitud los resultados experimentales. Pues bien , la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), describe a la naturaleza como absurda desde el punto de vista del sentido común, y sin embargo, predice con una exactitud asombrosa todos los experimentos para los cuales fue utilizada. Por eso y en palabras de Richard Feynman, debemos aceptar a la naturaleza tal como es: absurda.

Comenzando por la luz, Newton descubrió que la luz blanca es una mezcla de luces de diferentes colores puros, en el sentido de que los mismos no pueden descomponerse en otros. Cuando en esta teoría decimos luz, nos referimos a todo tipo de ondas electromagnéticas, de las cuales la luz visible es una porción dentro de un rango determinado de frecuencias. Newton también dijo que la luz estaba compuesta por partículas, a pesar de que el razonamiento que uso para deducir esto era equivocado. Actualmente sabemos que la luz esta compuesta por partículas, porque podemos utilizar un instrumento muy sensible que hace click cada vez que la luz le llega; cuando se reduce a un mínimo la intensidad de la luz que irradiamos sobre este instrumento, escuchamos el click con la misma intensidad aunque ahora mucho mas espaciados en el tiempo porque son menos las partículas que están llegando al mismo. La luz es como gotas de lluvia y a cada una de estas gotas de luz se la denomina fotón. Cuando la luz es del mismo color (misma frecuencia) es como si las gotas fueran todas del mismo tamaño.

El ojo humano es un instrumento muy bueno solo necesita cinco o seis fotones para activar una célula  nerviosa y enviar un mensaje al cerebro. Si hubiéramos evolucionado algo mas y tener una visión diez veces mas sensitiva, no seria necesario explicar todo esto dado que lo veríamos con nuestros propios ojos. El instrumento utilizado para detectar un solo fotón se denomina foto multiplicador. Valga toda esta explicación para reafirmar nuevamente que la luz esta hecha, se comporta, como un haz de partículas.

Existen una serie de fenómenos que muestran las propiedades de la luz, que son conocidos por todos, tales como que la luz se mueve en línea recta, que cuando entra en el agua se dobla, que se refleja en ciertas superficies como el espejo, que en el caso de la luz blanca se puede descomponer en diferentes colores (arco iris), que al pasar a través de un lente se puede focalizar en un punto. Conociendo estos fenómenos veremos el comportamiento verdaderamente extraño de la luz.

1. Reflexión parcial: Cuando la luz se refleja en un bloque de vidrio, vemos como una parte atraviesa el vidrio y otra se refleja como si fuera un espejo. Cuando los fotones chocan contra el vidrio, interactúan con los electrones del vidrio, no solo de la superficie sino también del interior, aunque el resultado neto es como sí solo interactuaran en la superficie. Si hacemos un experimento poniendo foto multiplicadores para detectar los fotones que se reflejan y los que traspasan el vidrio, comprobaremos que por cada 100 fotones que lanzamos contra el vidrio, 96 pasan y 4 se reflejan (rebotan). Aquí viene la primera duda, si todos los fotones son iguales, y todos fueron lanzados desde el mismo lugar y en la misma forma, como sabe un fotón que tiene que pasar o rebotar. Esto fue un gran misterio para Newton. Cuando el experimento se realiza con laminas de vidrio de diferentes espesores, la primera idea o hipótesis seria que un 8 % de los fotones se deberían reflejar, 4 % en la primera superficie, y 4 % en la segunda. Lo que comprobamos es que según sea el espesor de la lamina de vidrio, la cantidad de fotones que se reflejan, es decir rebotan fluctúa entre un mínimo de cero y un máximo de 16, y que si seguimos aumentando los espesores lo que ocurre es que los fotones reflejados siguen un ciclo, a medida que sigo aumentando el espesor. Ese ciclo esta entre 0 y 16 % de los fotones lanzados se reflejan. Así, el promedio de fotones reflejados es de un 8 %. La situación hoy en día es que no tenemos un buen modelo para explicar la reflexión parcial en laminas de dos superficies, simplemente podemos calcular la probabilidad de que un fotón pase o se refleje. Podemos explicar como hacer para calcular estas probabilidades, lo que no podemos hacer es deducir como los fotones “deciden” si pasar o rebotar. Esta forma de calcular en forma exacta los resultados es lo que permite la teoría de electrodinámica quántica (QED), pero no esperemos que la misma nos explique porque esto ocurre.

2. Reflexión total: En este caso sabemos que la luz se refleja en un espejo en su punto medio y que el ángulo de incidencia es igual al de salida. La QED nos permite hacer el mismo tipo de cálculos que en el caso anterior, estableciendo como premisa, que en realidad los fotones pueden seguir cualquier camino hacia el espejo y desde allí reflejarse hacia un mecanismo detector también por cualquier camino, las probabilidades de que cada fotón siga un camino definido son todas iguales, aunque aquellos caminos que, con igual probabilidad de ocurrencia, se refuerzan entre si (se suman las probabilidades de ocurrencia) son los de recorrido mas corto. Estos están situados en la región central del espejo, de allí que la realidad de la reflexión total esta dada porque los fotones , si bien pueden recorrer el camino que les plazca con igual probabilidad, el resultado final será que para el conjunto de todos los fotones que componen el haz de luz, el camino más probable será aquel que impacta y refleja con el mismo ángulo sobre el espejo.

3. Otros fenómenos luminosos: Tales como la refracción, la difracción, la interferencia, también fueron explicados por Feynman de la misma manera, es decir teniendo en cuenta que podemos conocer lo que hará un numero grande de fotones (entidades quánticas) probabilisticamente, pero que es un misterio cual es el comportamiento individual de cada uno de ellos.

La cromodinámica cuántica (QCD) como analogía de la QED

Así como esta teoría de la electrodinámica cuántica (QED) describe como las partículas cargadas interactúan a través del intercambio de fotones; al desarrollar el estudio de los Quarks (que veremos en la próxima sección), uno de los tipos de partículas componentes de la materia conocida (protones y neutrones), se creo por analogía, la teoría de la Cromodinámica quántica (QCD). Esta teoría describe como los quarks interactúan entre ellos a través del intercambio de gluones. El nombre cromo surge de una propiedad particular que los quarks y los gluones tienen la cual es análoga a la carga eléctrica, y a la que se le da el nombre de carga de color. No significa que tengan color sino que se utiliza esta nomenclatura como una forma de distinguir una propiedad característica de estas partículas al estudiar el tipo de fuerzas por las que se unen o se rechazan. Los tres colores que se usan para denominar o distinguir a los quarks son rojo, azul y verde; algunos físicos cambian este ultimo por el amarillo.

El fundamento de esta teoría, soportado por un desarrollo matemático complejo y avanzado, es que solamente pueden existir combinaciones de quarks que sean incoloras. Esto se logra de dos formas diferentes:

·        Tres quarks de diferentes colores dan una unión posible al ser incolora, tal como la combinación de un electrón (-) y un protón (+) da una combinación estable de carga neutra.

·        Una combinación de un par quark-antiquark también es incolora y por lo tanto posible.

Estas reglas de combinación se aplican a la conformación de todas las partículas, es así como veremos en la conformación de los protones y los neutrones mediante quarks, que el tema del color de los mismos debe tenerse en cuenta.

A comienzos de 1970, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch desarrollaron una aproximación a través de  la teoría de los campos para describir las diferentes interacciones que pueden existir entre estas partículas (quarks). Así se estableció que los quarks coloreados interactúan entre si mediante el intercambio de gluones. El color juega el role de la carga eléctrica en la QED, aunque en forma más compleja, dado que mientras que en la QED existe solo una carga (+) y su anti-carga (-); en la QCD existen tres colores con sus respectivos anti-colores, donde se da la siguiente regla de atracción-repulsión:

Dos colores o anti-colores iguales se repelen, un color y su correspondiente anti-color experimentan la máxima atracción, colores diferentes también experimentan atracción aunque de menor grado que la anterior.

Mientras que en la QED solo una partícula es necesaria para mediar en la transmisión de la fuerza electromagnética, el fotón; en la QCD son necesarias 8 partículas denominadas gluones para mediar en la transmisión de la denominada fuerza cromodinámica que es la que mantiene unidos a los quarks. El tema es aun mas complicado, porque los quarks pueden cambiar de color, por lo que los gluones deben también tener la característica del color para así poder llevar color de un quark hasta otro. Por lo tanto los gluones también son afectados por la fuerza cromodinámica, aquella cuyas reglas de interacción describimos antes.

¿Qué se entiende por partículas?

Cuando los físicos intentaron extrapolar los conocimientos de la física clásica al mundo de los átomos, se encontraron con la sorpresa de que las cosas aquí no funcionaban, según la descripción clásica. Las partículas individuales debían ser consideradas como ondas, ante circunstancias definidas, como también aquello que se pensaba era una onda, debería considerarse como partícula ante otras circunstancias experimentales. Por lo tanto el concepto de partícula se amplio.

Todo aquello sobre lo que podemos tener una experiencia directa puede en principio ser explicado en términos de seis partículas y de la forma en que interactúan entre ellas: las partículas materiales electrón, neutrino, protón y neutrón, y los intermediarios de las fuerzas que las unen: el fotón y el gravitón. En un nivel mas profundo, los protones y neutrones están formados por dos tipos de quarks diferentes

(up y down), que se mantienen unidos por una fuerza cuyo intermediario o portador se denomina gluón.

Pero veamos mas detenidamente los componentes últimos de la materia.

Los ladrillos que componen la materia, los ladrillos de los ladrillos

En la época de Aristóteles, los científicos consideraban que los cuatro elementos constituyentes de la materia eran: agua, tierra, aire y fuego. Durante esa misma época, se decía también que todas las cosas estaban constituidas por unidades indivisibles denominadas átomos. Con el correr del tiempo y de las investigaciones, se llego a saber mas acerca de los diferentes elementos, de los átomos y de cómo estos estaban compuestos. Hoy en día, la física tiene un modelo estándar de las partículas fundamentales y de la interacción entre ellas. Suponíamos que los electrones, protones y neutrones eran estos mínimos componentes, pero se ha avanzado un paso más. La situación actual es la siguiente:

1.     Existe materia y antimateria (Dirac-Anderson), es decir para cada partícula existe una equivalente con propiedades opuestas en la región de la antimateria. Si una partícula se encuentra con su antipartícula, se produce la desaparición de ambas, transformándose sus masas en reposo en energía según la ecuación de Einstein E = mc². Nuestro universo visible esta compuesto casi totalmente por materia, muy poca antimateria existe desde el inicio del universo allá por el big bang.

2.     Clasificamos a las partículas (todas tienen sus correspondientes antipartículas) en dos grandes grupos:

a)    Fermiones:

 a su vez clasificados en:

·        Quarks: son seis a saber: up(U), down (D), charm (C), strange (S), top (T), bottom (B). Tienen carga eléctrica fraccionaria. En 1964 Gell-Mann denomino a los tripletes que componían lo que hasta ese momento eran partículas elementales del núcleo atómico, como “quarks” palabra sacada de un pasaje de la obra Finnegan’s Wake de James Joyce:

“ Three quarks for Muster Mark!...”

·        Leptones: son seis a saber: electrón (e), neutrino del electrón (n_e), muon (m), neutrino del muon (n_m), tauon (t), y neutrino de tau (n_t). Tienen carga eléctrica nula o dada por un numero entero.

b)    Bosones:

Que de acuerdo a nuestro sentido común, diríamos que no son una partícula (algo que tiene masa), sino que son entes, que ahora reconocemos que pueden comportarse como partículas y están asociados con la transmisión de las fuerzas de interacción entre los fermiones, son los portadores de las fuerzas. Existen bosones para cada una de las fuerzas existentes en la naturaleza, y ellos son:

·     Fotón: que transmite la fuerza electromagnética la cual es la interacción entre partículas cargadas (recordemos QED).

·     Gluon: que transmite la fuerza cromodinámica, la cual es la interacción entre partículas con carga de color (recordemos  QCD)

·     W y Z: que transmiten la fuerza débil que aun no hemos descripto pero que esta relacionada con la desintegración y emisión de partículas desde núcleos de átomos.

·     Gravitón: que transmite la fuerza de gravedad que tampoco se ha aislado u observado sino a través de sus efectos. Es un concepto similar al de campo gravitacional.

¿Dónde están los protones y los neutrones?  La realidad es que estas partículas componentes del núcleo en los átomos y por muchos años consideradas como elementales, no son elementales ya que están compuestas por otras. Por eso hablamos acerca de los ladrillos de los ladrillos. Como vimos en la sección de la QCD, los quarks no pueden existir en forma aislada sino que se mantienen unidos según las reglas dadas por la QCD.

De los quarks surgen por combinación los Hadrones según la siguiente regla:

·        Mesón: esta formado por un par quark-antiquark (color+anti-color).

·        Barión: esta formado por tres quarks o tres anti-quarks. Los bariones más conocidos son los protones y los neutrones

Todas las partículas estables de la naturaleza están compuestas por quarks up y down y por el electrón y el neutrino del electrón. Los otros quarks forman partículas que  tienen ciclos de vida mucho mas cortos que los del protón y el neutron, a pesar de que dicho ciclo es lo suficientemente largo como para que puedan ser detectadas mediante equipos especiales. Lo que se denomina el gusto o sabor de los quarks (flavor) que es una manera de diferenciarlos, esta determinado por su carga, su masa y la presencia o ausencia de ciertas propiedades que si bien no están completamente entendidas, se las ha identificado con los siguientes nombres:

extrañeza, encanto, belleza, verdad y color (QCD).

Las fuerzas en la naturaleza son solo 4

¿Qué es una fuerza? Si ponemos dos cargas eléctricas próximas, sobre ellas existe una fuerza que tiende a separarlas o acercarlas. De la misma manera cuando clocamos un objeto a cierta altura, sobre este la tierra ejerce una cierta fuerza atrayéndolo, por eso se cae. ¿Qué es lo que transfiere esa fuerza desde un cuerpo al otro?, ¿cómo sabe un cuerpo o una carga de la existencia del otro/a? Decimos que la carga eléctrica esta rodeada por un campo eléctrico o electromagnético, que influye sobre la segunda carga. También hablamos que la tierra genera un campo gravitatorio o gravitacional que ejerce una fuerza sobre los cuerpos suspendidos a cierta altura. Pero esta idea de campo es una abstracción matemática, dado que finalmente un campo en un punto esta definido por la fuerza que en dicho punto actúa sobre una partícula de referencia tal como habíamos explicado anteriormente. Esta definición matemática no contesta la pregunta ¿que transfiere la fuerza de un objeto al otro?. En el siglo XX esta pregunta recibió la siguiente respuesta: la fuerza es transmitida o transportada por partículas, que según sea gravitatoria o eléctrica, la partícula será diferente. Los cuerpos cargados, se transmiten la fuerza electromagnética a través del intercambio de fotones. Es así que una partícula cargada emite un fotón que es absorbido por otra partícula cargada, y así se transmite el momento de una a otra, lo cual es lo mismo que decir que entre ambas se ejerce una fuerza. Pensemos en la analogía de dos personas tirando una pelota. Cada vez que una de estas personas atrapa la pelota que la otra arrojo, siente que es empujada hacia atrás es decir en la dirección que traía la pelota. Esta analogía sirve para entender el rechazo entre dos cargas de igual signo. Según esta teoría, también el efecto de la fuerza gravitatoria, se transmite por partículas denominadas gravitones, a pesar de que las mismas no han sido detectadas experimentalmente.

Bien hasta ahora nombramos dos tipos de fuerza, la electromagnética y la gravitatoria, porque ambas afectan nuestra vida diaria, estamos acostumbrados a sus efectos.

En la física clásica se entendía por fuerza aquello capaz de influir sobre el movimiento de un cuerpo o de alterar su forma. Cuando los científicos entraron al micromundo de las partículas, a la fuerza se la comenzó a entender como la causa de todo cambio, reacción, creación o desintegración. Dado que los roles desempeñados por las fuerzas en la física moderna son distintos a los tradicionales de la física clásica, se comenzó  a hablar de las interacciones básicas como sinónimo de los que los clásicos conocían como fuerzas. Estas interacciones básicas son 4:

• Gravitatoria.

• Electromagnética.

• Débil.

• Fuerte.

Veamos el significado de las dos que aun no conocemos:

Interacción o fuerza débil: No es posible entenderla en términos corrientes, es la fuerza causante de ciertos fenómenos en los átomos, tal como la conversión de un neutrón en un protón y viceversa, lo que se denomina desintegración beta, la desintegración de un pion en un muon y la de este en un  electrón. En todas estas se emite un neutrino, las cuales son las únicas partículas conocidas sobre las que puede actuar la fuerza débil. Esta fuerza si bien es mas fuerte que la de gravedad, es mucho más débil que la electromagnética y la fuerza fuerte, y tiene un rango o alcance de su influencia que no supera los 10^-16 cm. Las partículas (bosones) que transmiten esta fuerza débil son tres W⁺, W^- y Z⁰ .

Interacción o fuerza fuerte: ¿por qué los protones que son todos positivos no se rechazan entre sí en el interior del núcleo del átomo provocando el estallido del mismo? Por que existe una fuerza más poderosa que la electromagnética de repulsión que los mantiene unidos. La existencia de los neutrones en los núcleos tiende a facilitar la interacción fuerte impidiendo el decaimiento espontáneo de los núcleos, sobre todo de aquellos con gran cantidad de protones Esta es la denominada fuerza o interacción fuerte.

La comprensión de la fuerza fuerte entre los nucleones (protones y neutrones) solo será posible a partir de la comprensión de las fuerzas cromódinámicas que actuan dentro de cada nucleón entre los quarks. La fuerza fuerte es como el efecto residual de la fuerza fuerte por excelencia que es la cromodinámica.

Es interesante conocer cual es la relación de intensidad que existe entre estas fuerzas:

Tomando como base 1 para la fuerza fuerte, que es la más poderosa de las cuatro, la que le sigue es la electromagnética cuya fuerza relativa es 10^-2, luego la fuerza débil con 10^-13, y por ultimo la fuerza de gravedad con una fuerza relativa a la fuerte de 10^-38. Los rangos de actuación en el espacio de cada una de estas fuerzas, son los que hacen que dos de ellas no se perciban por los sentidos dado que actuan a nivel atómico. Tanto la gravitatoria como la electromagnética tiene un rango infinito de influencia, disminuyendo su intensidad con la distancia. La fuerza fuerte actúa en un rango de 10^-13 cm, mientras que la débil 10^-16 cm.

Diferentes realidades, ¿diferentes universos?

¿Cómo funciona el mundo? ¿Existe alguna metáfora que de significado a esta pregunta?. La vieja metáfora de la física clásica era “el mundo es como un reloj gigantesco”. Los físicos modernos hoy en día no poseen una sino varias imágenes tentativas que les permiten dar una explicación con sentido a los fenómenos que ocurren en el mundo de la física cuántica. Hoy sabemos que nuestro mundo no es determinístico como el funcionamiento del reloj donde causa-efecto se suceden en ese orden. Las diferentes realidades que aquí se mencionaran son diferentes modelos del mundo consistentes con la  teoría cuántica. Vale aquí algunas aclaraciones acerca del significado de lo que es un modelo. Los físicos al estudiar el mundo cuántico en particular, no pueden hacer replicas de cartón o madera de aquellas cosas que están estudiando tales como un fotón, por lo tanto sus modelos son una combinación de ecuaciones matemáticas y discernimientos físicos, los que les permiten tener cierta imagen de lo que pasa en ese mundo cuántico. Algunos de esos modelos son representaciones muy precisas de los fenómenos en cuestión, descriptos en términos de ecuaciones que pueden ser procesadas en una computadora para simular como un sistema o una entidad cuántica responderá a un determinado estímulo. Otros son mucho más vagos, menos precisos, en el sentido que solo intentan ayudar a la limitada imaginación humana a describir lo que está sucediendo. Una de los puntos  más importantes que se debe apreciar acerca de los modelos, es que ninguno de ellos es “la verdad”. Por eso, a pesar de que un determinado modelo sea muy preciso en describir y explicar lo que está ocurriendo en un contexto; otro modelo, completamente diferente al anterior, puede ser igualmente preciso en describir el comportamiento de la misma entidad o sistema cuántico bajo diferentes circunstancias, es decir en otro contexto. ¿Cuál de los dos representa a la realidad? ¿Cuál es la verdad? Ambos modelos son igualmente válidos.

Un ejemplo clásico de esta situación es la dualidad de la luz onda-partícula. A veces la luz debe describirse como una onda porque así es como se comporta, y en otras ocasiones como una partícula. No significa esto que la luz es realmente una onda o una partícula, sino que es algo para lo cual no hay una analogía en el mundo cotidiano de nuestros sentidos; es algo que bajo ciertas circunstancias parece comportarse como una onda, y bajo ciertas otras circunstancias, parece comportarse como una partícula.

Otro ejemplo ocurre con el modelo del átomo. Históricamente la idea de átomo se desarrolló pensando primero a los mismos como pequeñas esferas indivisibles,  luego se avanzó en la idea de un átomo compuesto por diferentes partículas. Usando el modelo de los átomos como “bolas de billar”, se pudieron hacer descripciones matemáticas muy precisas acerca del comportamiento de los gases, por ejemplo la relación entre presión y temperatura en un recipiente lleno de gas. Mas tarde cuando se desarrolló el modelo de átomo de Bohr con electrones considerados como pequeñas “ bolitas de billar” en órbita alrededor de un núcleo que es como una “bola de billar” más grande, este sirvió muy bien para poder explicar el origen de las líneas espectrales que producen los elementos. Mas adelante en el tiempo, la naturaleza de los enlaces o uniones químicas necesarios para formar diferentes compuestos, se pudo explicar utilizando el modelo de los electrones como “nubes” (distribución de probabilidades) alrededor del núcleo. A pesar de que hay una línea histórica en el desarrollo de los modelos, esto no significa que los últimos son correctos y los otros no. Los físicos aún hoy en día, utilizan el modelo de las “bolas de billar” para calcular la presión de los gases, y los químicos utilizan el modelo de Bohr para estudiar el espectro producido por diferentes elementos. Cada modelo es correcto en su propia área de aplicación, a pesar de que los diferentes modelos parecen ser incompatibles entre ellos.

Por eso la mejor manera de pensar a los diferentes modelos, que se presentan en la física (¿y en la vida cotidiana?), es considerarlos como diferentes herramientas para diferentes trabajos a realizar. Cuando utilizamos herramientas equivocadas, es imposible realizar el trabajo; de la misma forma si pretendemos explicar ciertos fenómenos con el modelo inapropiado, poco será lo que podamos explicar o bien las conclusiones serán erróneas.

Esta explicación es muy válida en términos de la física cuántica, porque en realidad todas las diferentes interpretaciones que dan lugar a diferentes realidades cuánticas, son modelos. Ninguno de ellos representa la verdad última acerca del mundo cuántico, y muy probablemente no hay manera de que el cerebro humano pueda alguna vez aprehender /comprender las verdades últimas del mundo cuántico. Todas las interpretaciones son simples ayudas para percibir lo que pasa realmente. Nadie sabe lo que el mundo cuántico realmente es, todo lo que podemos saber es como es.

Pero ¿qué quiero significar con todo esto? Como comentaba un autor, si vemos una película con huevos que están a punto de ser abiertos por el nuevo ser a nacer, nuestra imagen de la realidad nos hace esperar pollitos, si por el contrario surgen viboritas o cocodrilitos, experimentaremos la idea de que la realidad no es lo que imaginábamos de acuerdo a nuestras experiencias pasadas. Esto es lo que les ocurrió a los físicos cuando se encontraron con los fenómenos cuánticos. Este mundo en el cual vivimos no es lo que parece ser exteriormente. Ahora bien ¿cómo lo explicamos?.

Ya Kant creía que la apariencia del mundo estaba fuertemente condicionada por los sentidos humanos y por el aparato intelectual. Otros seres diferentes a nosotros los humanos, experimentarían el mismo mundo en una forma radicalmente diferente. Los hechos que llamamos científicos son tanto producto de la naturaleza humana del observador, como de la realidad intrínseca del hecho o fenómeno. Vemos al mundo a través de unos  anteojos humanos. El hombre está destinado, según Kant, a conocer ya sea directamente o a través de la creación de conceptos, solo las apariencias del mundo, y de ellas solo aquella parte que tiene origen humano. Kant es un ejemplo del pesimismo en la investigación de la realidad.

La teoría cuántica ha sido universalmente exitosa en describir fenómenos a todo nivel accesibles mediante experimentos,  la teoría cuántica funciona como un libro de cocina perfecto para cualquier cosa que queramos realizar dentro del mundo físico, sin embargo acompañando a esta precisión, existe un total desacuerdo acerca de lo que significa y de que clase  de realidad está sustentando. Existen varias “realidades” cuánticas que diferentes físicos defienden como “La realidad real o verdadera” que sustenta la apariencia externa. Algunas de estas “realidades” son además contradictorias entre sí, pero todas producen los mismos resultados ante los mismos experimentos. Veamos cuales son y que dice cada una de ellas; son las visiones  de algunos físicos de renombre que se expresan en la forma de ocho realidades distintas, las cuales representan ocho aproximaciones importantes a lo que realmente ocurre detrás de la escena, ocho modelos diferentes:

Realidad Cuántica # 1: La interpretación de Copenhague parte 1. Representada por Niels Bohr, que dice:

En el mundo físico, no existe una realidad profunda

Bohr no niega la evidencia de nuestros sentidos, el mundo que nos rodea es real, pero flota en un mundo mas profundo que no es real. Algunos físicos que se oponían a esta interpretación por ejemplo Einstein, decían que seguramente Bohr quería significar no extender las especulaciones por fuera del rango de los experimentos que se realizan, sino que existirían ciertas realidades escondidas y no conocidas por el momento con la tecnología existente. Pero Bohr no aceptaba esta interpretación, sino que insistía diciendo: “ no hay un mundo cuántico, solo existe una descripción cuántica abstracta”. Heinserberg, el Cristóbal Colón de la teoría cuántica escribió:

la esperanza de que nuevos experimentos nos guiarán hacia hechos objetivos en el tiempo y el espacio tiene tanto fundamento como esperar descubrir el final del mundo conocido en las zonas inexploradas de la Antártida.

Para dar una metáfora de la postura de esta realidad 1, muchos utilizaron las siguientes preguntas ¿La luna existe si no la observamos? O mejor, si una rama de un árbol cae en el bosque ¿hace ruido si nadie esta escuchando?. Es decir ¿existen realidades físicas objetivas o estas dependen de la existencia de un observador externo?. Los defensores de esta  realidad cuántica # 1 responden que no, no existen realidades objetivas en el mundo cuántico.

Realidad Cuántica # 2:  La interpretación de Copenhague, parte 2.

La realidad es creada por el acto de observar

Algo así como decir  las cosas existen solo cuando son observadas (recordemos las metáforas de la luna y la rama que cae en el bosque)

Es así que la interpretación de la escuela de Copenhague consiste en dos partes:

1.     No existe la realidad en ausencia de observación.

2.     La observación crea la realidad.

Pero surge la pregunta entonces de ¿qué es una observación? O ¿cuáles son las características que una observación debe tener para poder crear la realidad?. La respuesta a estas surge con la máxima del físico John Wheeler, que separa lo real de lo no real diciendo: Ningún fenómeno es un fenómeno real hasta que el mismo es observado. Esta creencia de que la realidad es creada por el observador si bien puede ser común en el campo de la filosofía, no lo es en el campo de la física, por lo menos no lo era hasta la aparición de la física cuántica.

Realidad Cuántica # 3: Que dice

La realidad es un todo indivisible

El mundo físico, a pesar de mostrarse como un conjunto de partes con límites entre dichas partes constitutivas, es un todo inseparable e indivisible, todo afecta a todo. Es así que si bien el observador puede crear la realidad, el observador es parte del todo y no algo separado. No se puede mantener según dicen los partidarios de este concepto de realidad, una separación en el mundo entre una realidad objetiva y nosotros observadores conscientes; objetos y sujetos se han convertido en inseparables unos de otros. Esta no separabilidad del mundo cuántico no tiene nada que ver con la idea sistémica de los clásicos donde todo estaba interconectado. Por ejemplo a través de las teorías de los campos; aunque dichas interconexiones decaían y finalmente desaparecían con la distancia entre las partes. Las conexiones distantes eran irrelevantes, ¿cuánto afecta el campo gravitatorio de la tierra si estoy en la luna? ¿y si estoy fuera de la galaxia?

Esta realidad de un todo indivisible es diferente, de manera tal que no estará relacionada ni espacial ni temporalmente. Es como si armáramos un cubo de resortes, donde no importa donde toquemos, repercute en toda la estructura así armada instantánea o cuasi instantáneamente.

Esta idea de realidad está en línea con una visión holística propia de los orientales.

Realidad Cuántica # 4: Muchos mundos, muchos universos que coexisten.

La realidad consiste en una gran cantidad de universos paralelos.

Para cualquier situación en la cual existen diferentes resultados posibles (por ejemplo lanzar una moneda al aire), algunos físicos defensores de esta idea dicen que todos los resultados ocurren pero en diferentes universos, cada universo es igual al anterior salvo en lo que respecta al resultado de la situación analizada en cuestión.(¿raro no?)

Realidad Cuántica # 5:  La lógica diferente.

El mundo obedece a una clase de razonamiento diferente al que estamos acostumbrados los seres humanos y que definimos como lógico.

La lógica es el esqueleto de nuestro cuerpo de conocimientos. Desde hace mas de dos mil años la lógica  está basada en el molde de los silogismos de Aristóteles.

Si cambiamos las reglas de dicha lógica podremos entonces ver la nueva física o los hechos que esta describe como lógicos dentro de esta nueva lógica. Es difícil de entender pero, pensemos en algo similar que ya ocurrió con la geometría. Durante dos mil años la geometría que existía era la euclidiana, la ciencia de los puntos y las líneas. Hubo algunos matemáticos locos como Nicolai Lobachevski, Gauss y Riemann que crearon una nueva geometría, esta fue considerada como un juego de altas matemáticas, pero fuera de la realidad (de nuevo observemos el concepto realidad). La geometría verdadera  era la euclidiana que, después de todo no es mas que el sentido común aplicado a las figuras geométricas. Sin embargo en 1916, Einstein propuso una nueva teoría de la gravedad que demolió el monopolio euclidiano. Einstein declaró que la gravedad no es una fuerza sino una curvatura en el espacio-tiempo, un objeto entonces cuando cae no lo hace por ser atraído por una fuerza (la gravedad), sino que se mueve por una  línea recta según los estándares de estas nuevas geometrías. Esta apreciación de Einstein pudo ser comprobada por vía experimental al medir la deflexión de un rayo de luz de una estrella al pasar cerca de la deformación del espacio-tiempo provocada por el sol. La lección de los partidarios de la nueva lógica cuántica es la siguiente: la cuestión de la verdadera geometría, o la verdadera lógica que gobierna al mundo  no está fijada por el sentido común de los seres humanos, sino por las experiencias reales que se pueden observar y medir. Para determinar las reglas de la correcta razón, no hay que buscar en el interior de nuestra propia cabeza, sino en el laboratorio.

Realidad cuántica # 6: Neorrealismo.

El mundo esta compuesto por objetos ordinarios, los cuales poseen atributos propios sea que son observados o no.

Einstein es el representante por excelencia de esta realidad, sus disputas con Bohr duraron hasta su muerte. Según escribió:

“Todavía creo en la posibilidad de un modelo de la realidad; esto es, de una teoría que represente los fenómenos en sí mismos y no meramente la probabilidad de su ocurrencia”.

Realidad cuántica # 7:

La conciencia crea la realidad.

Los partidarios de este modelo, dicen que solamente algo dotado de conciencia tiene le privilegio de crear la realidad. El único observador que cuenta es el observador consciente.

Realidad cuántica # 8: El mundo dúplex de Heisenberg.

El mundo tiene dos partes, la de los potenciales, lo que está en potencia lo que puede ser; y la de las realidades de las cosas que pasan.

La mayoría de los físicos defienden una de las dos primeras realidades cuánticas: la realidad cuánticas 1 (no hay realidades profundas) y  la 2 (la observación crea la realidad. Lo que ambas tienen en común, es que solo los fenómenos son reales, pero debajo de esos fenómenos no hay realidad.

Ahora bien si la observación crea la realidad, ¿en qué se basa dicha observación para crear la realidad? ¿Desde donde la crea?. Dado que la teoría cuántica describe  la realidad que sé mide/observa con una exactitud perfecta, debe contener (la teoría cuántica) algunas claves desde donde surgen o en que se basan los fenómenos observados. Tal vez usando la imaginación podemos intuir el basamento en el cual se sustenta  nuestro mundo familiar, el que vemos todos los días.

De acuerdo a Heisenberg no existía una realidad profunda, el mundo no medido es semirreal y solo alcanza realidad total durante el acto de observación:

En los experimentos acerca de eventos atómicos debemos tratar con cosas y hechos concretos, con fenómenos que son tan reales como cualquier fenómeno en la vida diaria. Pero los átomos y las partículas elementales no son reales, estas forman un mundo de posibilidades, de cosas en potencia, mas que uno de cosas o hechos... La onda de probabilidades significa una tendencia por algo. Es la versión cuantitativa del viejo concepto Aristotélico de potencia. Introduce algo en el medio entre la idea de un evento y la realización de dicho evento, una clase extraña de realidad física justo en el medio entre la posibilidad y la realidad.

El mundo de todos los días en el cual vivimos, tiene un aspecto bien concreto del cual carece el mundo cuántico, solo ocurren eventos uno por vez. Por el contrario  el mundo cuántico no es un mundo de eventos reales sino un mundo lleno de tendencias de acción que no se concretan, que no ocurren; estas tendencias están constantemente en “movimiento” de las posibilidades. Los dos mundos, el dúplex, que menciona Heisenberg, se une a través de un puente que denominamos medición. Durante este acto “mágico”, una de las posibilidades entre todas las existentes, es la que se concreta y así aparece en el mundo de las acuerdo a exactas leyes de movimiento. Nada ocurre sino que todo permanece en el ámbito de realidades como un evento concreto. Todo lo que ocurre entonces en nuestro mundo de realidades, surge de las posibilidades preexistentes en el mundo cuántico de las potencias. El mundo no observado consiste en un racimo de posibilidades cada una con su valor probabilístico de ocurrencia.

Una característica asombrosa de estas 8 realidades cuánticas, es que para cualquier tipo de experimento que se pueda concebir, cada una de estas predice exactamente los mismos resultados observables. En la actualidad cada una de estas realidades cuánticas puede ser considerada como la que explica con certeza como es el mundo realmente.

Galería de monstruos: Einstein, Bohr, Planck, Schrödinger, de Broglie, Heisenberg, Born, Dirac, Pauli, Feynman Gell-Mann

El desarrollo de la física cuántica fue el esfuerzo de muchos hombres de ciencia que en el transcurso de 25 años revolucionaron un campo que se creía acabado para nuevos avances, y que continua hasta nuestros días. La idea aquí es simplemente recordar a esos monstruos de la ciencia, con algunos datos personales y menciones acerca de cuales fueron sus logros, algunos de los cuales se han desarrollado a lo largo de este trabajo.

v     Albert Einstein (1879-1955): Lo mas notable de este hombre fue que con sus trabajos acerca del efecto fotoeléctrico, confirmo de alguna manera los avances de Planck acerca de la existencia d e los cuantos de energía. No obstante lucho hasta el fin de su vida contra la interpretación que se le daba a esta física que el ayudo a nacer. Sin duda el mundo lo conoce a Einstein por su Teoría de la relatividad, en sus versiones especial y general. Esta teoría junto con la cuántica fueron las que le quitaron el sueño a los clásicos. Einstein nació en la ciudad de Ulm, gano el premio Nobel no por sus dos teorías de la relatividad sino por el mencionado efecto fotoeléctrico. Cuando quiso entrar en la escuela técnica de Zurich, fracaso en el ingreso por lo que tuvo que pasar un año reforzando sus conocimientos de matemáticas antes de poder ingresar. No fue un alumno brillante, no consiguió un trabajo fácilmente al graduarse y tuvo que contentarse con un empleo menor en una oficina de patentes en Berna. Allí en sus ratos libres fue desarrollando trabajos científicos que finalmente le permitieron alcanzar su doctorado. Fue a partir de 1909, que logro ingresar como profesor en la Universidad de Zurich. Con la llegada de Hitler a Alemania, Einstein se mudo a Princeton USA donde permaneció desde 1933 hasta su muerte. Nunca como dijimos acepto la interpretación de Copenhague de Niels Bohr, con su famosos dicho que “Dios no juega a los dados”, por lo que, a su criterio, debería existir algún mecanismo o variables ocultas que hicieran que el Universo fuera explicable dentro de la lógica humana, y con un carácter mas determinístico y no tan probabilístico en sus comportamientos, como surgía en todos los sistemas cuánticos estudiados.

v     Niels Bohr (1885-1962) : Físico danés quien obtuvo el premio Nobel por sus trabajos acerca d la estructura del átomo basada en la espectroscopia y la física cuántica. Inicio sus trabajos con J.J.Thomson pero no tuvo éxito en sus relación personal con este físico. Se traslado entonces a Manchester para trabajar con Ernest Rutherford quien recientemente  había descubierto la estructura atómica constituida por un núcleo en el centro y partículas cargadas (los electrones) como en orbitas alrededor del núcleo. En 1916, las autoridades de Dinamarca, le ofrecieron una cátedra y la promesa de armar su propio Instituto. Así en 1918, el Instituto de Física Teórica se estableció con donaciones , principalmente de la cervecería Carlsberg, siendo Bohr nombrado Director,  cargo que retuvo hasta su muerte. Dentro de ese Instituto, Bohr atrajo para trabajar durante periodos mas cortos o largos a los mejores físicos teóricos del momento, brindándoles estímulos para el desarrollo de ideas acerca de la teoría cuántica. La interpretación que surgió de este Instituto, se transformo en una de las clásicas para la física cuántica, se la conoce como la interpretación de Copenhague. Si bien muchos fueron los que aportaron para fortalecer esta interpretación de la física quántica, la fuerte personalidad de Bohr y su prestigio personal fueron factores decisivos para que la interpretación de Copenhague  fuera “la interpretación aceptada de la mecánica cuántica”, a pesar de sus falencias, hasta las décadas del 80 y 90. Bohr siempre tuvo una preocupación relacionada con la posibilidad de construir armamento nuclear a partir del desarrollo de sus teorías. Después de la guerra, trabajo activamente para el control de las armas nucleares y organizo la primera conferencia denominada Átomos para la Paz, en Ginebra en 1955.

 El principal aporte de Bohr como dijimos fue su desarrollo del modelos atómico. En este , Bohr decía que los electrones que están en orbita alrededor del  núcleo, no caen en espiral como predecía la teoría electromagnética, sino que los mismos se encuentran en orbitas estables, correspondientes a ciertos niveles fijos de energía, en donde pueden mantenerse sin perder energía. Estos niveles fijos no adoptan cualquier valor, sino que son múltiplos enteros de una cantidad mínima: el cuanto de energía. De esta forma solo existen estas orbitas permitidas y entre ellas nada, es decir no hay orbitas intermedias. Este cuanto de energía es medido en términos de la constante de Planck h. Un electrón según explicaba Bohr, puede saltar de una orbita permitida a otra, ya sea emitiendo la energía sobrante, si es que pasa de una orbita de mayor energía a una de menor (proceso de acercamiento al núcleo), o absorbiendo energía en el caso contrario. Este cuanto de energía que emite o absorbe, lo hace en la forma de un fotón cuya energía es la que resulta de la formula de Planck DE = h.n, donde n es la frecuencia del fotón sea emitido o absorbido. Además Bohr agrego el concepto de que las orbitas permitidas no pueden albergar a un numero ilimitado de electrones sino que pueden completarse. La representación grafica o visual de este modelo es la de los electrones que como bolitas están ubicados en los escalones de una escalera cuya capacidad es limitada. Cuando un escalón tiene lugar libre, otro electrón situado en un peldaño superior puede caer hacia ese lugar libre, perdiendo la energía correspondiente al salto o diferencia de altura entre ambos escalones. Estas caídas y subidas explicaban las líneas de emisión y absorción en los espectros de la luz emitida por los átomos de gases monoatómicos. El genio de Bohr consistió en que no pretendió ni se preocupo por armar una teoría completa y consistente del mundo atómico, sino que tomo parte de la teoría cuántica (el cuanto de energía), parte de la clásica ( las orbitas) y las combino para intentar explicar fenómenos hasta ese momento inexplicables. Bohr explico este modelo en Inglaterra durante 1913 con diferente suerte, algunos lo aceptaron y continuaron avanzando sobre el mismo, otros lo desecharon. Finalmente en 1922 Bohr recibe el premio Nobel debido a este trabajo. Los avances fueron lentos, el modelo de Bohr permitía muchas mas líneas en los espectros de las que en realidad se veían. La limitación de la cantidad de electrones en cada orbita permitida, también era una idea arbitraria y sin comprobación aparente. Estas propiedades, se organizaron mediante la asignación de números, llamados números cuánticos, que servían para describir el estado del átomo y hacer que su comportamiento fuera convalidado por las observaciones. Bohr no dio en ese momento, ninguna explicación teórica de donde provenían estos números cuánticos o porque algunas transiciones no eran permitidas. A pesar de todas estos puntos débiles,  el modelo funciono. Predijo la existencia de líneas en el espectro que hasta el momento no  habían sido detectadas pero que fueron luego detectadas experimentalmente en los lugares exactos donde el modelo las pronosticaba.

v     Max Planck (1858-1947) : Físico alemán quien fue el primero en darse cuenta a fines del siglo XIX que la radiación de un cuerpo negro (un radiador perfecto) podría explicarse si se consideraba que la energía electromagnética absorbida o irradiada, solo lo hacia en forma discreta y no continua, en cuantos o paquetes de energía. Planck no pensaba en la existencia de los después llamados fotones, sino que simplemente era su forma para explicar la interacción entre los átomos que oscilaban al ser calentados y las radiaciones que se generaban en el interior de este cuerpo radiante, interacción esta que debía mantenerse en equilibrio. Planck era un eximio pianista, tocando a veces junto con Einstein quien lo acompañaba con el violín. Fue profesor de física en la Universidad de Berlín desde 1892 hasta su retiro en 1926 cuando fue sucedido por Erwin Schrodinger, otro de los hacedores de la cuántica. Planck fue un físico de la vieja escuela que trabajaba muy duro y era sumamente conservador en sus ideas, su gran interés era la termodinámica, de allí su interés en intentar resolver lo que se conocía como la catástrofe ultravioleta mediante la aplicación de conceptos de termodinámica. Si bien se sintió frustrado por no lograr una solución aceptable y una correcta explicación de los espectros de radiación; publico varios trabajos que establecieron una conexión entre la termodinámica y la electrodinámica. Su logro al inventar su famosa constante h, no fue algo frío y meditado sino que resulto de un estado prácticamente desesperado en el que se encontraba para poder hallar una solución satisfactoria al dilema que surgía entre dos propuestas incompletas y aparentemente contradictorias acerca de la radiación electromagnética (las leyes de Rayleigh-Jeans y la de Wien). En este proceso ideo algún artificio matemático para que ambas pudieran compatibilizarse. Planck saco la curva correcta de la galera con una afortunada intuición, sin entender a fondo el fenómeno que estaba explicando. En el orden familiar vale recordar que el hijo menor de Planck, fue brutalmente asesinado por la Gestapo por haber tomado parte en un complot para asesinar a Hitler durante 1944.

v     Erwin Schrodinger (1887-1961): Físico austriaco que desarrollo la formulación de la física cuántica conocida como la mecánica ondulatoria, recibiendo como resultado de estos trabajos, el premio Nobel en 1933. Es reconocido como un científico de la vieja escuela, cuyos trabajos acerca de la mecánica ondulatoria, apuntaban a rescatar el sentido común según las ideas clásicas, para la física cuántica. La idea detrás de la mecánica ondulatoria surge del trabajo realizado por Louis de Broglie que consideraba a los electrones en su comportamiento ondulatorio. Respecto a los conceptos extraños que suponía la cuántica tales como el salto quántico o el papel del observador en la determinación de la realidad, Schrodinger decía: “esto me disgusta y hubiera querido no tener nada que ver con el desarrollo de esta disciplina”. Con la llegada de los nazis al poder, Schrodinger se traslado a Oxford donde no permaneció mucho tiempo. Regreso a Austria, posteriormente paso a Italia, USA y finalmente a Irlanda. Durante sus estadía en este país, escribió un libro denominado “¿Qué es la vida?” que alentó a un gran numero de físicos a orientarse al estudio de la biología molecular después de finalizada la guerra. Su desarrollo fundamental fue la llamada ecuación de onda, que se utilizo en una de las versiones de la física cuántica para describir el comportamiento de una entidad cuántica tal como un electrón o un fotón. Este fue el inicio de lo que se conoce como mecánica ondulatoria que fue el marco preferido por los científicos para resolver los problemas implícitos en las interacciones cuánticas. Esta preferencia se debió a que los físicos estaban familiarizados con el lenguaje de las ecuaciones de ondas. Esta también es la razón por la que todavía hoy se utiliza esta aproximación al tema , cuando se ha demostrado que otras son mas potentes para proveer un mejor discernimiento acerca de este submundo atómico y posibilita realizar trabajos mas avanzados en el tema.

v     Louis de Broglie (1892-1987): Era un príncipe de la nobleza francesa, que inicialmente estudio Historia en La Sorbona, y se inicio en las ciencias por la influencia de su hermano mayor. La genialidad de de Broglie esta en que extrapolo lo que surgía del trabajo de Einstein acerca del efecto fotoeléctrico, donde algo como la luz que era considerada una onda, tenia también comportamientos de partícula, al mundo de lo material. Fue así que se pregunto si esto pasa con lo que considerábamos ondas, podría  ser lo mismo con lo que consideramos partículas. Su inquietud resulto cierta, y solo pudo llegar a tesis de doctorado, gracias al apoyo intelectual brindado por Einstein quien fuera consultado acerca de si esto que este alumno intentaba discutir, no era una burrada. Einstein fue conciso pero contundente, y dijo a Paul Langevin, tutor de de Broglie, “creo que esto es mas que una mera analogía”, y así de Broglie recibió su doctorado en física. Tanto Louis como su hermano se involucraron en el desarrollo pacifico de la energía atómica.   

v     Werner Heisenberg (1901-1976): Nació en Alemania y es uno de los padres fundadores de la física cuántica. Su mayor descubrimiento es el denominado Principio de Incertidumbre. La expresión formal de este principio dice que la cantidad de incertidumbre cuántica en la determinación simultanea de ambos miembros de un par de variables conjugadas, nunca es cero. En física cuántica, el concepto incertidumbre es algo preciso y definido. Existen pares de parámetros denominadas variables conjugadas, para las que es imposible conocer el valor que adquieren en el mismo momento. Las mas conocidas de estas variables conjugadas son la posición y el momento ( velocidad, cantidad de movimiento), como también la energía y el tiempo. La incertidumbre posición/momento es la típica que explico Heisenberg en 1927, diciendo que ninguna entidad cuántica puede tener una velocidad precisa y determinada, y una posición también precisa y determinada al mismo tiempo, es decir simultáneamente. Esto no era el resultado de deficiencias en los sistemas o aparatos, o dificultades en el proceso de medición; es decir que no pudiéramos físicamente realizar esta medición. La realidad es que las entidades cuánticas- el electrón por ejemplo- no tienen una posición y una velocidad precisa al mismo tiempo. Esta incertidumbre, como ya se había mencionado es la que explica el fenómeno denominado efecto túnel. La incertidumbre de las variables conjugadas energía /tiempo, es la que nos permite identificar la existencia de las llamadas partículas virtuales. La incertidumbre cuántica, no obstante, no se manifiesta sensiblemente en los grandes objetos, es decir objetos mas grandes que una molécula, esto se debe a la dimensión de la constante de Planck “h” del orden de 10^-34. Heisenberg trabajó con Born y con Bohr antes de convertirse en profesor en la Universidad de Leipzig. Dado que permaneció en Alemania durante la segunda guerra mundial, se sospechaba de el que tenia simpatía para con el régimen nazi. Los aliados temían que fuera unos de los científicos que pudiera facilitar el desarrollo de la bomba atómica para los alemanes. En realidad dada la limitada investigación en esta materia, llevada a cabo en Alemania durante la época, solo le permitió concentrarse en el desarrollo de medios para la obtención de energía y no en armamentos. Heisenberg siempre dijo que esto fue gracias a que el mantuvo el interés enfocado hacia este tema. Aunque algunos dudan de esta afirmación. Durante un periodo de recuperación de una enfermedad en las montañas de Heligoland, fue cuando Heisenberg formulo lo que luego se reconoció como mecánica matricial, la primera teoría cuántica completa y consistente con los resultados experimentales. Posteriormente Born y Jordan ayudaron a completar la misma dándole una significación física mas perceptible. Una copia del trabajo de estos tres científicos antes de que fuera publicado, fue la inspiración para que Paul Dirac elaborara su propia versión de la teoría cuántica. Todo esto ocurría un año antes que Schrodinger publicara su versión de la mecánica ondulatoria como otro enfoque de la misma teoría cuántica. En tan solo un par de años, se revolucionaron trescientos años de la física clásica. Mas adelante Heisenberg desarrollo el concepto de incertidumbre. Luego de la guerra, Heisenberg tuvo un papel importante en el establecimiento dl Instituto Max Planck para la física. Sus últimos trabajos científicos intentaron en vano desarrollar una teoría unificada de los campos. El fue un proponente de la idea de “todo indivisible” en la que todo en el mundo y especialmente en el mundo cuántico, es parte de un sistema único, que por ejemplo permitiera explicar en el experimento de la doble ranura, porque los electrones tiene comportamientos diferentes según se este observando o no por que ranura están pasando. Estas ideas aunque no tenidas muy en cuenta, fueron posteriormente desarrolladas por David Bohm.

v      Max Born (1882-1970): Físico alemán que introdujo la idea de que los resultados de los experimentos o interacciones en las cuales participan entidades cuánticas, no son directamente deterministicos, sino que son intrínsecamente probabilísticos. Después de la guerra en 1920 se estableció Gottingen donde desde la cátedra de física teórica desarrollo un centro de excelencia en dicha disciplina, algo menos reconocido que el Instituto Niels Bohr de Copenhague. Durante los años 20 Born contaba en dicho centro con la participación de físicos de renombre tales como Heisenberg, Jordan y Pauli. Cuando Heisenberg desarrollo su descripción matemática de la física cuántica, fue Born quien reconoció su intima conexión con la teoría matricial. Trabajando en conjunto con Heisenberg y Jordan, concluyeron en la primera versión consistente y completa de la mecánica cuántica. Algo mas tarde Schrodinger concluyo la versión ondulatoria de la mecánica cuántica, basada en tratar a las entidades cuánticas (electrones, fotones, partículas subatómicas), como si fueran ondas. Born fue el que mostró que las ondas en la mecánica cuántica de Schrodinger, podrían ser consideradas no como una realidad física, sino como representaciones de probabilidades. Así llego a ser el mas firme proponente de la idea que el resultado de cualquier interacción dentro del mundo cuántico, estará determinado, en un sentido estrictamente matemático, por la probabilidad de ocurrencia de dicho resultado entre muchos de los posibles permitidos por las leyes físicas. Era de familia judía por lo que fue obligado a dejar Alemania durante el régimen nazi, emigrando hacia Inglaterra primero y finalmente Escocia, regresando a Alemania con nacionalidad británica luego de finalizada la guerra. Fue un gran pacifista, formando parte de activos oponentes al desarrollo de las armas nucleares. Murió a los 87 años de edad.  

v     Paul Dirac (1902-1984): Físico ingles nacido en Bristol. Luego de graduarse como ingeniero electricista y en matemáticas, ingreso en Cambridge bajo la supervisión de Ralph Fowler, recién aquí en Cambridge es cuando entra en contacto con la teoría cuántica. En 1925, Heisenberg dio una exposición en Cambridge, donde Dirac era parte de la audiencia. Si bien no discutió sus ideas en esa charla, si lo hizo en privado con Fowler y le envió una copia de su trabajo aun no publicado acerca del enfoque de la teoría cuántica a través es de los conceptos de la mecánica matricial. Fowler le mostró el trabajo a Dirac y le pidió una opinión según sus conocimientos matemáticos. Así Dirac utilizando lo que ya sabia hizo su propio desarrollo de esta teoría, conocido como Teoría del Operador o Álgebra Cuántica. Después de obtener su doctorado en 1926, Dirac visito el Instituto Niels Bohr en Copenhague, donde mostró que tanto la mecánica matricial de Heisenberg como la mecánica ondulatoria de Schrodinger, eran casos especiales de su propia teoría del operador o álgebra cuántica, y que a demás eran totalmente equivalentes. En 1927, Dirac introdujo la idea de segunda cuantizacion a la física cuántica, abriendo el camino hacia el desarrollo de la teoría del campo cuántico. Sin embargo su mayor contribución al campo de la ciencia , se debe a la ecuación que desarrollo incorporando los conceptos de la física cuántica y los requerimientos de la teoría especial de la relatividad, para así dar una explicación completa del electrón. Uno de los puntos sobresalientes de esta ecuación, fue que tenia dos soluciones, correspondiente a electrones con energías positivas y con energías negativas. Estos últimos son denominados positrones. Dirac así había pronosticado la existencia de la antimateria, hasta que Carl Anderson experimentalmente detecto la existencia de positrones en 1932. Dirac también desarrollo las reglas estadísticas que gobiernan el comportamiento de gran cantidad de partículas cuyo spin es la mitad de un numero entero, tales como los electrones. Las mismas reglas estadísticas fueron desarrolladas por Enrico Fermi, de allí que son conocidas como estadística de Fermi-Dirac; a las partículas que obedecen estas reglas cuando se hayan en grandes cantidades se las denomina fermiones. Después de su retiro en Cambridge, se instalo en Florida USA como profesor de la Florida State University hasta su muerte.

v