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El estado cuántico

Y aquí estamos de nuevo. Cuanteando. Hoy, vamos a hablar de un concepto que nos va a ayudar mucho a desarrollar la intuición de mecánica cuántica. Vamos a explicar lo que es un estado cuántico, o lo que es lo mismo, a qué se refieren los físicos con eso de estar y no estar al mismo tiempo. Dicho como lo vamos a explicar hoy, suena mucho menos extraordinario. Tal vez éste artículo os desilusione, pero si habéis leído el resto y os paráis a pensar, la idea resulta del todo apasionante. Comencemos:

Vamos a diseñar un sistema cuántico sencillo. Para esto necesitaremos vuestra imaginación, y que coloquéis en ella una mesa con una caja grande encima. En la caja hay una moneda con cara y cruz, como todas las monedas. Les vamos a llamar caja 1 (C1) y moneda 1 (M1). La caja se puede abrir y cerrar para mirar la moneda. La moneda, como todo el mundo sabe, puede mostrar cara o puede mostrar cruz. Supongamos que ésta moneda nuestra es muy fina y no puede caer de canto, así que la moneda sólo puede mostrar cara o cruz. Abrimos la caja y miramos la moneda: muestra cara. Cerramos la caja.

La caja en cuestión representa nuestro sistema cuántico en estudio. Ahora es una caja, pero podría ser perfectamente un átomo de deuterio. No podemos ver el átomo, ni tampoco la moneda. Así que hemos de trabajar con información supuesta. Para ello hemos de definir la información que tenemos sobre la moneda: ¿Cómo está? Pues está mostrando cara. Lo sabemos porque lo hemos visto. A esto lo vamos a llamar así: M1= Cara. Es un estado de la moneda, y es un estado cierto. Bueno, ahora agitad la caja, y dejadla cerrada sobre la mesa. Sabemos que la moneda sólo puede mostrar cara o mostrar cruz, y sólo estará de una de esas dos maneras. Pero no podemos decir de cual. ¿Significa eso que no podemos definir el estado de la moneda? En absoluto, podemos decir que la moneda está ciertamente “agitada”. M1=Agitada.

Vaya chorrada, pensaréis, eso no es útil. Bueno tal vez, pero continuemos: abrimos la caja y vemos la moneda: Muestra cruz. Así que ahora la información sobre la moneda es M1=cruz. La cuestión es si M1=agitada=cruz. Y la respuesta es no. Y eso es un estado cuántico. Me explico. El estado cuántico, lo que define las partículas, no es cómo están las partículas de verdad, sino toda la información que disponemos sobre ellas. Que estén de una forma u otra es otro asunto (ya hablaremos de eso). Pero el estado de la moneda puede ser M1=cara, M1=cruz, o M1=agitada. O lo que es lo mismo, o es cara, o es cruz, o no es ninguna de las dos cosas. ¿Sí? Pues tampoco. Jaja. No. Si agitamos la caja, la moneda no está “en un estado que no es ni cara ni cruz” está en el estado “agitada”. “Agitada” es un estado de la moneda, pero no es una exclusión de estados, sino el estado en sí. El átomo de deuterio está en un estado “agitado”, igual que la moneda. Porque las partículas, a diferencia de las monedas, tienen muchas más posibilidades.

Imaginaos que metemos un duendecillo en la caja y la cerramos, acto seguido salimos de la habitación, y nos vamos a tomar café. El duendecillo que hemos metido en la caja es muy rarito y no puede soportar que la moneda muestre cara, y cuando así pasa, se enfada y se pone a saltar, con lo que la caja se agita, y la moneda con ella. Si la moneda muestra cara de nuevo, el leprechaun seguirá enfadado y seguirá agitando la caja. Mientras tomamos café, intentamos definir el estado de la moneda y concluimos que la moneda no está siendo “cara” ni “cruz” ni “agitada” porque si sale cruz, dejará de estar “agitada”, así que decidimos escribir el estado de la moneda así: M1=[cruz+(M1’=agitada)]. Y éste tercer estado define ahora toda la información que tenemos sobre el sistema. Ese es el estado cuántico de la moneda.

Volvamos a nuestro átomo de deuterio. Digamos que el átomo tiene un electrón girando a su alrededor, o en alguna parte cerca, eso seguro. Definimos éste estado del electrón como E=orbitando. Pero cabe la posibilidad de que por éstas, el electrón se salga de su sitio y abandone el núcleo. Sabemos que eso pasa un cincuenta por ciento de las veces que el electrón da una vuelta al núcleo, pero cuando pasa, ya no puede volver a pasar, porque el átomo sólo tiene un electrón. Definamos el estado del electrón: Está, como nuestra moneda, E=[orbitando+(E’=lejos)]. Y eso es un estado cierto.

Esto perturbaba en exceso a físicos como Schrödinger, que criticó mucho ésta explicación mediante su famoso gato en la caja. Pero eso ya es otra historia, y lo veremos en próximos artículos, así como la forma real de expresar un estado cuántico. A vosotros, ¿os ha perturbado? ¿Lo habéis entendido? Preguntad, preguntad, intentaremos contestaros.

La doble rendija (y II)

Para comprender bien este artículo es conveniente que hayas leído antes nuestro especial sobre el átomo (I, II y III) y la primera parte sobre la doble rendija.

Hola de nuevo. Bienvenidos a un nuevo artículo de física cuántica en Electrones Excitados, la web en la que cada vez sabemos más y entendemos menos. Los demás redactores me han dicho que no juegue con vuestra salud mental y me piden artículos sencillos para no perder lectores por implosión cerebral, pero hoy le voy a hacer menos caso que de costumbre, y vamos a meternos de lleno en el meollo de la cuestión. Si no te has leído el resto de artículos de cuántica, igual éste te resulta algo confuso (si algún físico me lee, se indignará de la simplificación que realizo, pero ya habrá tiempo para ir precisando términos).

En el artículo anterior veíamos cómo los físicos en 1900 habían bombardeado una doble rendija con electrones disparados uno a uno y de cómo éstos, inexplicablemente, se habían comportado como si fueran una onda, cosa que sólo podía pasar, paradójicamente, si eran disparados a chorro o en masa. La tercera fase del experimento consistió en colocar un observador, es decir, algo que permitiera ver qué pasaba cuando el electrón disparado por el cañón de partículas llegaba a la doble rendija. El electrón podía elegir el camino de la rendija uno o la rendija dos, sólo uno de ellos. A partir de aquí me vais a perdonar, la cosa se vuelve complicada y apasionante.

Lo que pensaron entonces era que también podría estar pasando que el electrón eligiera los dos caminos a la vez. Pensaban que el electrón debía interferir con algo para dibujar un patrón de interferencia, y ese algo sólo podía ser… él mismo. Con esto se refieren a que de alguna manera, el electrón se dividía antes de las rendijas, pasaba por ellas y luego las dos partes chocaban al otro lado, y en éste choque, se comportaba como onda y dibujaba el patrón de interferencia. Era descabellado, pero no se lo podían explicar de otra forma y para comprobar eso era necesario observar directamente al electrón cuando pasaba por las rendijas. Pero oh sorpresa. Cuando se modificó el experimento y se introdujo un instrumento de medición que describiera el camino que hacía el electrón, o sea cuando se lo observó, el electrón… dejó de dibujar un patrón de interferencia. Sólo por ser observado.

De locura. Eso significa ni más ni menos que la naturaleza de la materia es ambigua del todo, y he aquí el quid de la cuestión. Las partículas se comportaban a veces como ondas, estaba claro. Pero la famosa dualidad onda-corpúsculo no era una cuestión de que la materia fuera ambas cosas, sino de que la materia a veces mostraba comportamiento de onda y otras de partícula pero cómo se comportaba dependía del tipo de experimento, y lo que es peor, no se podía diseñar un experimento que mostrara ambas cosas.

¿Demasiado meollo en la cuestión? Intentaré explicarme. Si decimos que algo es una onda o un corpúsculo, no nos estamos refiriendo a si son puntitos o si son contracciones y dilataciones de algo, sino que nos referimos simplemente a lo que vemos que hacen. Los puntos en la pared del experimento de la doble rendija no son los electrones, sino el efecto del electrón, sea lo que sea, en una pared sensible a su energía. Y eso es lo que vemos: efectos. Quedaos con ésta conclusión: podemos experimentar con la materia, pero los experimentos en sí, nos muestran efectos propios de la idea de onda o de la idea de cuerpo, lo que quiere decir que la materia no es exactamente ninguna de las dos cosas. Ya no podemos decir que es las dos cosas, ni que a veces es una y otras veces otra. Y existen experimentos de los que hablaremos más adelante que demuestran que una manera u otra de observar la luz o las partículas provocan que veamos “ondas” o veamos “partículas”. Esa naturaleza ambigua de la materia es lo que los científicos explicaron como que el electrón “se dividía” antes de la rendija. Eso es porque el electrón no es una partícula que oscile como una onda, sino que el electrón es una oscilación, que como tal, puede pasar por ambos lados y llegar al otro lado como puede llegar una onda.

En sucesivos artículos intentaremos desarrollar más éstas ideas, para comprender qué es lo que pasa con el electrón en la doble rendija, pero ya os adelanto que aunque existen algunas ideas fijas sobre el comportamiento de la materia no todo el mundo está de acuerdo en lo que son las cosas. Como ya decimos en Electrones, sabemos muchas cosas, pero no entendemos nada de nada.

La doble rendija

¡Hola hola! Después de casi 2 meses, traemos otro artículo de cuántica a Electrones Excitados. Hoy vamos a hablar del experimento más famoso de la historia de la cuántica (¡qué exagerado soy!), y uno de mis preferidos. Junto al artículo sobre el efecto fotoeléctrico, el tema de hoy es el que más nos ayudará desarrollar un concepto intuitivo sobre la física cuántica y sus locuras. Se trata del experimento de la doble rendija. Hoy aún pierdo noches de sueño pensando en él, y no soy el único…

Vamos allá. Espero recordéis artículos anteriores en los que hablábamos de la famosa dualidad onda-corpúsculo: las ondas se comportan como cuerpos, y los cuerpos como ondas. Sí bueno, diréis, pero ¿eso de dónde sale? Pues de fenómenos como el de éste experimento. En 1801, Thomas Young hizo lo siguiente. Colocó una fuente de luz, y al lado una lámina opaca (S1) con una rendija muy delgada (a), que al ser atravesada por la luz, actuaba como foco de ondas. Esas ondas se propagaban hasta un segundo panel (S2), en el que Young había puesto dos rendijas juntas (b y c), por lo que la cuestión quedaba así:

Eso hacía que, mediante una propiedad de la superposición de las ondas, al proyectarse al mismo tiempo las ondas que venían por b ya las que venían por c en el panel F, debiera resultar lo que se llama un patrón de interferencia. Consiste en unas bandas de intensidad que tienen ésta forma:

Ese patrón, de proyectarse en la pared, demostraría que efectivamente, la luz es una onda o bien, lo que es casi lo mismo, hace la clase de cosas que hacen las ondas. Y efectivamente así era. Muchos científicos entonces pensaron que lo que pasaba era que en realidad, la luz estaba compuesta por partículas, por fotones, como decía Einstein y que todos juntos en tropel se comportaban como onda, igual que las moléculas de agua hacen ondas, así que el experimento no tenía por qué demostrar nada más allá de que la luz se comportaba como una onda.

En 1961 el experimento volvió a realizarse. Ésta vez la tecnología permitía disparar chorros de electrones, es decir partículas. Como eso ya no eran ondas, lo que se esperaba es que al pasar el chorro de electrones por la doble rendija, unos pasaran por una y otros por otra, de tal forma que se dibujarían dos bandas en la pared, una por cada rendija. Lógico.

Pues no. Lo que se proyectó fue… un patrón de interferencia. “No es tan raro” -se dijeron- “como habíamos predicho, las partículas todas juntas se comportan como onda, interfiriendo unos con otros, y formando un patrón de interferencia, eso lo explica todo.”

En efecto, queridos lectores, eso lo explicaba todo. Sólo que no era lo que pasaba. Lo descubrieron cuando repitieron el experimento, pero ésta vez, lanzando electrones uno a uno en vez de lanzarlos a lo loco. Así suponían que cada electrón escogería pasar por la rendija b o la rendija c, no habría electrones con los que chocar, y se dibujaría, por fin, las dos bandas esperadas en el experimento anterior. Pusieron la máquina en marcha que lanzó un electrón, y se proyectó en la pared. Lanzó luego otro, más tarde otro, y otro, y otro… se fueron a tomar café, y lo dejaron lanzando electrones, como si fuera una máquina de lanzar pelotas de tenis. Cuando volvieron se habían proyectado unos cuantos cientos de miles… y habían dibujado… ¡un patrón de interferencia! No tiene sentido, si lo pensáis. Para que se dibuje el patrón, es necesario que las partículas choquen unas con otras… pero ¿cómo era posible que los electrones uno a uno dibujaran un patrón? Nuestros científicos estaban al borde del colapso.

Os emplazo la próxima entrega de cuántica en Electrones Excitados. Estad preparados, porque os voy a contar como repitieron el experimento, pero para saber bien qué había ocurrido, nuestros científicos se trajeron el café hecho al laboratorio, para no perder de vista los electrones cuando pasaban por la rendija. Lo que vieron entonces… lo sabréis en la próxima entrega.

Editamos para añadir las imágenes, que no se mostraban correctamente. Mil disculpas.

Luces y metales

Hace un tiempo ya hablamos de cómo la cuántica muestra fenómenos tan diferentes a la física clásica y de cómo hace falta hacer virguerías para entender ciertos fenómenos. Uno de ellos fue la explicación del problema de la radiación del cuerpo negro, que ya explicamos. Pues bien, hoy vamos a hablar de otro fenómeno explicado a raíz de éste y totalmente genuino y alucinante, que constituyó toda otra revolución en la física. Se trata de cómo Einstein explicó teóricamente el efecto fotoeléctrico .

Bueno, ¿qué es eso del efecto fotoeléctrico? Los científicos de entonces se habían ya dado cuenta de que a veces, la luz que incidía sobre un metal, provocaba que éste desprendiera electrones. Bueno, era algo curioso, desde luego, así que se pusieron a investigar por qué pasaba… y razonaron lo siguiente: si cierta luz tenue incidiendo sobre un metal, arrancaba un número x de electrones. Si la luz fuera más intensa debería arrancar más electrones, así que pusieron más vatios de luz a incidir sobre el metal. Pero no pasaba nada, seguía arrancando los mismos electrones.

A esas alturas ya estaban acostumbrados a que la cuántica les diera sorpresas de ese estilo así que no se dejaron amedrentar, por lo que no vacilaron en pensar lo siguiente: la luz viene de un filamento de metal caliente, que emite energía, por lo que más intensidad, más energía, así que los electrones que arrancamos serán los mismos, pero llevarán más energía. Lógico. Bueno, pues tampoco pasaba eso. Más luz, igual número de electrones, igual energía.

Una bombilla de la mesita de noche arrancaba los mismos electrones que el foco del faro del pueblo. Eso les deprimió, porque significaba que no tenían ni idea del porqué del efecto fotoeléctrico. Es más, al seguir enredando con las luces, se dieron cuenta de que había algo que sí cambiaba el número de electrones arrancados: el color de la bombilla. Imaginaos qué sinsentido: la bombilla violeta no arranca electrones. La azul y la roja en cambio sí, y además la azul arrancaba más electrones, pero los mismos todo el rato, fuese de la intensidad que fuese su bombilla, por lo que el número y la energía de los electrones dependía sólo de la frecuencia de la luz, (lo que a nuestros ojos es color). No se entendía por qué.

Pero había un hombre llamado Albert Einstein. Einstein sabía de los trabajos de Planck (¿os acordáis?) y pensó así: la luz es energía que proviene de las partículas de la materia, que vibran produciéndola. Planck dijo que ésta energía solo existe en cuantos o paquetes pequeños es decir nivel 1, 2, 3… pero nunca 1.5 o 2.00004, sino siempre múltiplos enteros. Así que la energía que emiten también ha de ser emitida en trozos, que llamó fotones. Por lo tanto, el metal desprenderá electrones si los cuantos de luz son del nivel de energía adecuado, pero no por más que sean muchos, es por eso que si hemos dado con la frecuencia o el color de luz adecuado para arrancar electrones, más fotones no dan más electrones, sólo si su energía es más alta, esto es, más hacia el color violeta. Einstein además calculó numéricamente el valor de energía de un fotón. Más tarde se descubrió que todas sus predicciones eran ciertas.

La energía viene en paquetes pequeños

Hace unos días hablábamos de los fenómenos estudiados por la Física Cuántica y de sus dos grandes premisas: la cuantización de la energía y la dualidad onda corpúsculo. Decíamos que existen fenómenos de tiempo, materia y energía que vulneran los principios de la Física Clásica, y que exigían fórmulas distintas para ser comprendidos. Hoy vamos a explicar qué significa la cuantización de la energía mediante el fenómeno que llevó a su deducción: la radiación del cuerpo negro. Haz clic para leer más.

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¿Qué narices es la Física Cuántica?

La Física es la ciencia que estudia las propiedades del espacio, el tiempo, la materia, la energía, y las interacciones entre éstas, como son la inercia, los campos gravitatorios, el movimiento, etc. La Física Cuántica es la parte de la física que explica aquellos fenómenos que no se pueden entender mediante las reglas de la física clásica, fenómenos para los que la Dinámica de Newton (¿recuerdas las tres leyes de Newton?) o el Electromagnetismo resultan teorías inútiles.

Esto es debido a que a distancias de millonésimas de centímetro, espacio, tiempo, materia y energía no se comportan igual que a distancias macroscópicas, por lo que las teorías clásicas no sirven. La Física Cuántica Teórica estudia los componentes más pequeños de la estructura de la materia para los cuales todas esas reglas son distintas, para procurar establecer unas ecuaciones válidas con las que comprender cuál es el orden que rige los elementos más básicos de la realidad, que son los átomos y sus componentes. Existen multitud de teorías cuánticas, todas ellas aplicadas a los diferentes ámbitos físicos: Electrodinámica Cuántica, Óptica Cuántica, Química Cuántica… sin embargo, todas ellas coinciden en los postulados y formulaciones elementales.

Primero: que la energía está cuantizada, (de ahí el nombre de cuántica) es decir, que toma únicamente valores determinados, que son múltiplos de una cantidad determinada.

Y segundo, que las partículas se comportan y se puede operar con ellas como si fueran ondas, y viceversa, es lo que se llama dualidad onda-partícula. Ambos principios cambian por completo la forma de comprender la Física, y son la única forma de explicar multitud de fenómenos que de otra forma resultarían totalmente absurdos o incomprensibles, como las propiedades de los quarks, o la posición de los electrones en una órbita atómica.

Os explicaré todo esto y mucho más en próximos artículos de Electrones Excitados.

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