cuántica

Si miráis un lagrangiano de teoría cuántica cuántica de campos de arriba a bajo, seguramente no entenderéis gran cosa. Ni la mayoría de Físicos del mundo, la verdad. Son monstruos bastante horribles, y si se desarrollan del todo pueden llegar a ocupar varias páginas de un libro.

Sin embargo, raramente hace falta desarrollarlos completamente. Hay estructuras más o menos fijas que se repiten para todas las partículas que existen. Por ejemplo, si hay seis quarks diferentes (up, down, strange, charm, bottom y top), habrá que repetir seis veces el mismo trozo del lagrangiano.

Pero todo eso no nos interesa para el propósito de un blog de divulgación. Lo que nos interesa es que, detrás de un montón de símbolos raros, el lagrangiano nos dice dos cosas: los tipos de vértices diferentes que existen en un modelo, y la probabilidad de que dicho vértice se produzca. Esto es lo que se conoce como reglas de Feynman del modelo en cuestión.

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Hagamos un pequeño resumen. Hasta ahora, hemos visto que en los diagramas de Feynman representamos la trayectoria de las partículas que intervienen en una interacción.

Dichas líneas se cruzan en vértices de interacción, donde las partículas intercambian energía (si la misma línea sale y entra del vértice) o bien se destruyen o se crean (si las líneas sólo entran o sólo salen del punto).

Además, sabemos que no podemos poner líneas en un vértice sin ton ni son. Tienen que cumplir unas cuantas leyes de conservación muy estrictas: energía, momento, carga eléctrica, (algunos) números cuánticos, etc. Pero la cosa no acaba ahí. Incluso si nos aseguramos que que se cumplen todas las leyes de conservación, no podemos poner las líneas que queramos en un vértice.

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Como cada año, la reputada revista Science ha publicado lo que considera el Top10 de la ciencia. El hallazgo que encabeza la lista, el logro más importante del año, es la primera máquina cuántica.

Con un tamaño menor que el diámetro de un cabello, los físicos Andrew Cleland y John Martinis, de la Universidad de California, han creado el primer objeto artificial que no sigue las leyes de la mecánica clásica: el diminuto aparato reacciona como un átomo o una molécula y se mueve constantemente, que consiste en una diminuta paleta metálica de semiconductor (nitruro de aluminio recubierto de aluminio).

El objeto, con forma de remo y visible al ojo humano, fue enfriado hasta que alcanzó su estado de base o el estado de menor energía permitido por las leyes de la mecánica cuántica. A continuación, elevaron la energía del dispositivo para producir un estado de movimiento puramente cuántico. Incluso consiguieron poner el dispositivo en dos estados simultáneamente, por lo que literalmente vibraba un poco y mucho a la vez, un fenómeno muy extraño permitido por las curiosas reglas de la mecánica cuántica.

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Ya desde el colegio nos repetían que, si bien existe un límite para la temperatura más fría en el universo (el Cero Absoluto, -273,15 Cº), no había límite para la temperatura más alta. En otras palabras, hay un límite para el frío, pero no para el calor (algo que por cierto adquiere un especial sentido en estos días de sofocante calor).

Sin embargo, en 1966, el físico teórico Andréi Sájarov se obsesionó con la idea de que quizá también existía un máximo de temperatura posible. Concluyó, entonces, que este límite debería estar relacionado con la cantidad máxima de energía radiante que puede introducirse en el volumen mínimo de espacio.

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La fórmula más famosa de Albert Einstein es E = m·c². La energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz. En resumen, significa que la materia no es más que una forma de energía, descubrimiento que tuvo (y tiene) unas consecuencias impactantes en el mundo de la Física.

La fórmula además indica que desintegrando cantidades muy pequeñas de materia podemos conseguir grandes cantidades de energía. Esto abrió el camino a la era nuclear. En las reacciones nucleares, parte de la materia se convierte en energía, por ejemplo, en forma de fotones de rayos gamma (los fotones, por definición, no tienen masa).

La Humanidad ha conseguido dominar las reacciones nucleares de fisión y fusión con fines destructivos (bomba atómica y bomba H, respectivamente), pero para aplicaciones pacíficas (energía nuclear) sólo la de fisión es viable en la actualidad.

Hagámonos la pregunta, ¿es posible recorrer el camino inverso y convertir energía en materia?

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Pero volvamos a la física.

“La Teoría” infantil que esgrimíamos frente a profesores poco preparados era verdaderamente muy antigua y no del todo exacta. Es cierto que estamos hechos de los mismos elementos que cualquier objeto y que estamos sometidos también a las mismas interacciones elementales. En base a esto, el físico y matemático del siglo XIX Pierre Simon Laplace postuló que todo está determinado a nivel físico y, por tanto, toda libertad es ilusoria.

Sin embargo, este razonamiento no tiene en cuenta el descubrimiento unos años más tarde del matemático Henri Poincaré respecto al “problema de los tres cuerpos”. Si se produce la imbricación de varios determinismos, el resultado de su acción a largo plazo es imprevisible. Este resultado se ha extendido al conjunto de los fenómenos llamados “caóticos”, es decir, aquellos cuyo desarrollo depende estrechamente de las condiciones iniciales; como la precisión del conocimiento de estas condiciones de partida es limitada, la previsión a largo plazo tiene también un límite.

Esta constatación de la imprevisibilidad de los fenómenos del mundo real, sin embargo, no es suficiente para demostrar la posibilidad de la libertad humana. Pero sin duda hace indemostrable su imposibilidad.

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El efecto fotoeléctrico es un fenómeno muy popular en física, especialmente porque fue gracias al cual Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad, como muchos piensan.) Se trata de una de las formas en las que la luz interactúa con la materia; en particular, cuando incide un haz sobre un metal, algunos electrones son emitidos con diferentes energías. El fenómeno ya había sido observado en 1839 por Becquerel, pero no fue hasta fines del siglo XIX y los primeros años del XX que se comenzó a estudiar en profundidad.

Un metal puede ser pensado como una serie de núcleos que tienen electrones a su alrededor. Los electrones que estén más lejos del núcleo se podrán mover prácticamente libremente; estos son los electrones que transmiten la corriente eléctrica, por ejemplo. Sin embargo a estos electrones les falta un poco de energía para poder salir del metal y esta energía puede ser provista por un rayo de luz. La peculiaridad de los experimentos que se realizaron a fines de 1800 es que no respondían a las predicciones teóricas y no había forma de salvar estas contradicciones; fue este simple experimento el que desató, años más tarde el Clásica Vs. Cuántica, con Einstein como uno de sus propulsores.

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Seguramente en algún momento de la vida se escuchó mencionar al experimento del Gato de Schrödinger; también es muy probable que nunca se haya recibido una explicación satisfactoria de su significado y que haya permanecido como un misterio más de la ciencia. Sin embargo ese experimento pensado, bastante simple, da cuenta de la visión que la ciencia desarrolló de la realidad durante los primeros treinta o cuarenta años del siglo XX. La física cuántica, al contrario de la relatividad, a veces va contra preceptos tan instalados en la mente humana que hace muy difícil su divulgación y por eso quedan tantas preguntas siempre abiertas. A veces encarar la solución de un problema es el mejor método para aproximar una teoría muy rica y compleja sobre la cual miles de científicos están trabajando alrededor del mundo.

El experimento (pensado, en alemán gedankenexperiment) que se plantea es bastante sencillo: se pone a un gato dentro de una caja cerrada (no se puede ver para adentro) junto con un átomo que tiene una probabilidad del 50% de desintegrarse y matar al gato. La pregunta que surge entonces es si el gato está vivo o está muerto. Este problema, planteado aproximadamente en 1935 por Erwin Schrödinger mezcla algunos elementos de la física cuántica (la probabilidad de desintegrarse) con la realidad cotidiana: la vida o la muerte de un gato; de esta forma queda evidenciada una de las dificultades intelectuales más grandes y complicadas de explicar que tiene la física cuántica: el concepto de superposición.

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Hasta hace muy poco tiempo preguntarse que había antes del Big Bang, o incluso a tiempo 0, cuando todo comenzó era más una pregunta religiosa que científica. La teoría de la relatividad colapsa cuando se trata del origen del cosmos, se obtienen muchos infinitos, ceros y errores, por lo que era prácticamente imposible saber cómo era el universo antes de la gran explosión. En años recientes se desarrolló una teoría conocida como Gravedad Cuántica de Bucles (o LQG por sus siglas en inglés) que predice un rebote cuántico del universo luego del colapso de un universo previo.

Los físicos Alejandro Corichi, de la Universidad Nacional Autónoma de México y Parampreet Singh, del Instituto Perimeter de Física Teórica de Ontario desarrollaron un modelo simplificado de la teoría LQG (o sLQG) en la que se obtiene que el universo pre-Big Bang habría sido muy parecido al nuestro actual. “Lo importante del este concepto es que responde qué sucedió con el universo antes del Big Bang,” dijo Singh. “Había permanecido un misterio, para los modelos que podían resolver la singularidad del Big Bang, si antes se trataba de una espuma cuántica o de un espacio-tiempo. Nuestro estudio muestra que se trataba de un universo más que nada similar al nuestro.”

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