¿Es posible el teletransporte de personas?

Para hacerlo con un objeto, habría que desintegrarlo totalmente, llevar sus átomos a otro lugar y recomponerlo en su destino.

Tripulación de la nave estelar 'Enterprise', de la serie de televisión 'Star Trek', en el teletrasportador que utilizaban en la ficción.

El diccionario de la Real Academia Española (RAE) no recoge las palabras teletransporte y teletransportar. Aunque encontramos una definición de ellas en la Wikipedia, donde se dice que teletransportar es transportar un objeto de un lugar a otro sin que exista un medio físico que haga ese transporte. Si yo estoy aquí (en Córdoba) y de repente aparezco de manera instantánea en Madrid, eso sería teletransporte.

Con los conocimientos científicos que tenemos en la actualidad, el teletransporte de objetos no es posible. Pero en ciencia nunca se puede decir que algo es imposible. En el siglo XIX nadie pensaba que se podría tener un hijo a partir de la fecundación de un óvulo y un espermatozoide en un laboratorio. Así que es probable que en algún momento se puedan teletransportar personas aunque estoy segura de que yo no lo veré.

A veces leemos que ya se ha conseguido el teletransporte. Pero a lo que se refieren esas noticias es a un teletransporte cuántico, algo muy diferente del teletransporte de personas por el que preguntas. En ese caso se trata de partículas en estado cuántico que pueden viajar como si fueran ondas electromagnéticas a otro lugar, pero se trata de fotones y partículas elementales. Si hablamos de objetos, o de personas, la enorme diferencia es que no solo están formadas por partículas sino también por las interacciones entre dichas partículas.

Para poder teletransportar un objeto inanimado habría que desintegrar totalmente ese objeto; es decir, romper sus átomos, sus moléculas, etc… y todo ello se movería, llegaría a otro lugar y se volvería a recomponer en su destino. Es seguro que cuando se haga realidad el teletransporte se comenzará con objetos inanimados porque si hablamos de seres vivos, la complejidad es todavía mayor. La cuestión es que los seres vivos, sobre todo las personas, no solo estamos formados por átomos, etc…, nosotros tenemos un cerebro y en el cerebro existen una serie de conexiones: recuerdos, pensamientos o sentimientos. Es decir, tenemos una actividad bastante diferente de una piedra o una taza. Por lo tanto, deshacer un organismo vivo y que la recomposición de ese individuo dé lugar a ese mismo ser con sus mismas conexiones cerebrales me parece muy complicado.

El artículo completo en: El País (España)

El haz de neutrinos más potente atravesará 1.300 kilómetros de la Tierra

El chorro de partículas pasará por un gigantesco detector capaz de observar la formación de un agujero negro en tiempo real y permitirá buscar respuestas al origen del universo.

Extienda la palma de la mano. Cuente hasta tres. Un billón de neutrinos acaba de atravesar la piel, el músculo y los huesos de su mano. Estas minúsculas partículas pasan por el espacio vacío de los átomos casi a la velocidad de la luz en un viaje interestelar que no deja rastro. El Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE, por sus siglas en inglés) proyecta un nuevo acelerador y dos nuevos detectores de un haz de neutrinos que recorrerá 1.300 kilómetros por el subsuelo de Estados Unidos. La prueba puede aportar respuestas sobre el origen del universo.
 
Los neutrinos son tan ligeros y escurridizos que pueden atravesar un año luz de plomo macizo sin despeinarse. Y, sin embargo, los científicos han conseguido atraparlos. A cien metros bajo tierra, en un laboratorio a las afueras de Chicago (EE UU) existe una cueva que alberga un contenedor metálico del tamaño de un autobús, repleto de luces, instrumentos de medición y cables. Es un detector de neutrinos.

Estas partículas subatómicas ostentan varios récords en el campo de la física. Son los corpúsculos de materia más abundantes del universo y, a pesar de ello, siguen siendo un rompecabezas. Esto es porque también son los más pequeños, lo cual impide estudiarlos directamente. Nadie sabe cuál es su masa, pero los experimentos indican que debe de ser al menos 100.000 veces menor que la del electrón, que es la siguiente partícula menos pesada. Además, no tienen carga eléctrica, por lo que raramente interactúan con otros cuerpos.

Aunque los neutrinos pueden venir de muchos sitios —como las estrellas o los plátanos—, su mayor fuente terrestre es un acelerador de partículas que arroja protones contra un bloque de grafito y está cerca de esa cueva de EE UU, en las instalaciones del laboratorio de ciencia básica Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory). Los científicos creen que estas partículas podrían ser la clave para descubrir física más allá del Modelo Estándar, el marco teórico incompleto que describe el comportamiento de la materia.

Un detector más grande que el de Chicago se encuentra enterrado a 800 kilómetros de distancia, en la mina Soudan del estado de Minessota. Juntos forman el experimento NOνA. Los científicos estadounidenses han creado el haz de neutrinos —que atraviesa el detector cercano y el lejano, además de toda la materia de la corteza terrestre que los separa— para tener las mejores posibilidades de observar estas partículas y de estudiar su extraño comportamiento. Los neutrinos son como fantasmas, invisibles a los instrumentos de la ciencia, pero muy de vez en cuando alguno colisiona con un átomo del fluido que hay dentro de los detectores. Esto produce partículas con carga eléctrica que dejan rastros visibles. Encontrarlos, entonces, se convierte en cuestión de cifras: cuanto más denso sea el chorro que sale del acelerador, mayor probabilidad hay de que algún neutrino choque contra un átomo en el detector.

Pero NOνA es solo el principio. Esta instalación, que desde 2014 es el mayor experimento de neutrinos de larga distancia, está abriendo camino para algo mucho mayor: DUNE. Un nuevo acelerador y un nuevo detector serán el punto de partida para un haz de neutrinos que viajará desde Fermilab hasta el Centro de Investigación Subterráneo de Sanford (SURF), en Dakota del Sur. Allí, a un kilómetro y medio de profundidad, los investigadores de la colaboración internacional DUNE pretenden enterrar el mayor detector de la historia: cuatro módulos del tamaño de una piscina olímpica cada uno, pero seis veces más profundos, rellenos con 17.000 toneladas de argón líquido.

Lea el artículo completo en:

El País (Ciencia)

Qué son las “cuasipartículas” y cómo pueden cambiar tu vida en el futuro

Durante décadas físicos han intentado una y otra vez observar la formación de un extraño fenómeno que ocurre a una trillonésima parte de segundo en algunos materiales en estados sólido.

Saber el origen, evolución y muerte de este fenómeno puede tener grandes implicaciones en nuestras vidas. 

Esto se debe a que gracias al estudio del comportamiento de las "cuasipartículas" se podrían desarrollar procesadores cuánticos. 

Y los procesadores cuánticos tienen la capacidad de -literalmente- conseguir una aguja en un pajar en cuestión de un segundo.

Si las computadoras que tenemos te parecen muy eficientes, imagina lo que se podría conseguir con procesadores ultrarápidos.

Ahora un equipo de científicos de la universidad de Innsbruck en Austria lo logró, pudo ver el origen mismo de unas cuasipartículas.

Día perfecto de esquí


¿Y qué son las cuasipartículas? 

Son partículas capaces de viajar en estado sólido rodeadas por una nube de otras partículas que se arrastran con ella a su paso.

"Imagina a un esquiador que pasa por una nieve fresca como el polvo", le dice a BBC Mundo Rudolf Grimm, uno de los investigadores del estudio. 

"A su paso, el esquiador está rodeado por una nube de cristales de nieve y juntos forman un sistema que tiene distintas propiedades a las que pudiera tener el esquiador sin la nube".

Según el experto, estas partículas con sus nubes pueden simplificar los sistemas eléctricos "casi como magia".

Por su parte, para el profesor de física Jon Prance de la universidad de Lancaster, Inglaterra, entender el comportamiento de estos sistemas es importante para construir computadoras cuánticas.

"Lo que a mi personalmente me entusiasma porque nos permitiría simular mecánica cuántica que con los computadores que tenemos no se puede".

Esta es una aplicación para la física cuántica. Sin embargo, para nosotros, tener computadores cuánticos puede tener tantos usos como uno pueda imaginar.

El artículo completo en la BBC

El 'gato' de Schrödinger, vivo y muerto en dos sitios a la vez

Un 'gato cuántico' puede estar vivo y muerto pero, además, en dos lugares al mismo tiempo.

El gato de Schrödinger es un famoso experimento mental que explora la forma en la que un sistema cuántico, como un átomo o un fotón, pueden existir en varios estados a la vez, un fenómeno conocido como superposición cuántica.

Un gato desafortunado que se encierre en una caja puede estar o no vivo, pero los científicos que analizan la caja desde fuera no pueden saber su estado a menos que la abran. El animal, por tanto, puede estar tanto vivo como muerto cuando no se le observa.

De forma similar, en física cuántica, las partículas subatómicas pueden estar en un estado o en otro. Sin embargo, estas partículas también pueden estar entrelazadas, 'conectadas' de alguna forma en un estado único a través del espacio.

Ahora investigadores de la Universidad de Yale (EE UU) demuestran con un experimento que un 'gato cuántico' puede estar vivo y muerto pero, además, en dos lugares al mismo tiempo, según publican esta semana en la revista Science.

"El objetivo de nuestra plataforma es investigar y arrojar luz sobre la naturaleza del entrelazamiento, aplicándolo potencialmente a la computación cuántica y a la comunicación a larga distancia", declara a Sinc Yvonne Gao, coautora del trabajo. "Mediante la explotación de estos estados entrelazados, también se allana el camino para realizar operaciones lógicas entre dos bits cuánticos con errores corregibles".

Fotones en cajas

Para realizar el experimento, los científicos indujeron a un conjunto de fotones a tener estados iguales, entrelazarse. Para ello diseñaron un sistema con dos cavidades separadas (denominadas Alice y Bob, que actúan de 'cajas'), y aplicaron ondas de luz, de tal manera que solo una longitud de onda puede existir en las cavidades en un momento dado, lo que las otorga cualidades similares aunque estén distanciadas.

Las dos cavidades se puentearon con un superconductor, un átomo artificial que permite manipular los estados cuánticos dentro de los cajas. Así, el equipo sometió los fotones de una cavidad a un laberinto de puertas que les proporcionó un patrón de giros distintivo. De esta forma, los investigadores pudieron darle a los fotones dos estados distintos (como el gato vivo o muerto) y observaron el mismo estado en los fotones de la cavidad de al lado.

Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Múnich (Alemania), indica a EL MUNDO que ya se habían creado estados parecidos relacionados con el gato de Schrödinger con otros sistemas: "En particular, hace 3 años dieron el premio Nobel a Haroche y Wineland por, entre otras cosas, crearlos con fotones e iones, respectivamente. La diferencia es que en el presente artículo se usan bastantes más fotones, creados de una manera distinta, con dos cavidades separadas en el espacio y con un experimento mucho más controlado". A su juicio, las aplicaciones en computación cuántica "no son directas, pero sí que van en la buena dirección".

El artículo completo en:

El Mundo Ciencia

La Teoría de Cuerdas: Una breve descripción

 

La supuesta estructura básica de toda la materia según la Teoría de Cuerdas es una especie de filamentos de sutil energía que, gracias a su aptitud para adoptar un número ilimitado de formas, explicaría la maravillosa variedad de todo lo que hay en el Universo, por muy grande o pequeño que sea. Una hipótesis por ahora indemostrable, pero sugerente y “elegante”

La mecánica cuántica y la relatividad general adoptan unos enfoques diferentes para ver cómo funciona el Universo. Muchos físicos creen que debe haber alguna forma o algún método de unificar estas dos teorías. Una aspirante a tal teoría universal es la Teoría de las Supercuerdas o la teoría de cuerdas, para abreviar. Vamos a dar un breve resumen de esta nueva y compleja hipótesis.

Cuerdas, y no partículas

 

Los niños de pequeños aprenden sobre la existencia de protones, neutrones y electrones, las partículas subatómicas básicas que crean toda la materia tal y como la conocemos. Los científicos han estudiado cómo estas partículas se mueven e interactúan unas con otras, pero en el proceso se ha planteado una nueva serie de conflictos.

Ejemplos de cuerdas cerradas

De acuerdo con la teoría de cuerdas, estas partículas subatómicas no existen. En cambio, pequeños trozos de cuerda vibrante, que son demasiado pequeñas para ser observadas por los instrumentos de hoy en día, sustituyen a estas partículas. Cada cuerda puede estar cerrada en un bucle, o puede estar abierta. Cada partícula sería en realidad una cuerda vibrante, y la vibración que tenga determinará su tamaño y su masa.

¿Cómo pueden las cuerdas sustituir a las partículas puntuales?

En un nivel subatómico, existe una relación entre la frecuencia (f) a la que vibra algo y su energía (E).

E = h*f     donde h es la constante de Planck.

Al mismo tiempo, la famosa ecuación de Einstein E=m*c² nos dice que hay una relación entre la energía y la masa.

Por lo tanto, existe una relación entre la frecuencia de vibración de un objeto y su masa. Tal relación es fundamental para la teoría de cuerdas.

El artículo completo en:

Cosmo Noticias

Las personas razonan siguiendo reglas cuánticas, sugiere un estudio

Una científica estadounidense encuentra un patrón -predicho por la física cuántica- en los resultados de múltiples encuestas respondidas por humanos.

Zheng Wang es una investigadora de la Universidad de Ohio (EEUU) que aplica la física cuántica al estudio de los comportamientos humanos. En un análisis reciente, ha descubierto un patrón propio del comportamiento de las partículas subatómicas en un comportamiento humano muy concreto: la respuesta a encuestas. Defiende que su hallazgo “sugiere que las personas razonan siguiendo reglas cuánticas”.

Zheng Wang es una investigadora de la Universidad de Ohio (EEUU) interesada en una extraña cuestión: elaborar sistemas dinámicos y probabilísticos basados en la física cuántica, en lugar de en los principios de probabilidad clásicos, para estudiar los comportamientos humanos.
En otras palabras, Wang aplica los sistemas de estudio de los comportamientos de las partículas subatómicas a los comportamientos de las personas. En su último trabajo, ha logrado establecer una relación entre el comportamiento cuántico… y el inesperado patrón que la gente sigue al responder a las preguntas de algunas encuestas.

El problema del orden  

Según publica Physorg, los resultados del presente estudio fueron bastante sorprendentes: se halló un mismo patrón de respuestas en 70 encuestas representativas a nivel nacional (de Gallup y del centro Pew Research), realizadas entre 2001 y 2011, así como en dos experimentos de laboratorio. La mayoría de las encuestas nacionales incluyeron a más de 1.000 personas de los Estados Unidos.

"Mediante el uso de la teoría cuántica, hemos sido capaces de predecir una regularidad sorprendente en el comportamiento humano, con una precisión inusual para las ciencias sociales en un gran conjunto de diferentes encuestas", afirma Wang.

En general, en las encuestas, suele cambiarse el orden de las preguntas para compensar cierto tipo de condicionamiento; el hecho de que el orden de las preguntas pueda cambiar las respuestas de la gente.

Por ejemplo, en una de las encuestas (de Gallup) analizadas por Wang y sus colaboradores se preguntaba a estadounidenses si Bill Clinton era honesto y digno de confianza; y si Al Gore era honesto y digno de confianza.

Al cambiar el orden de estas preguntas, hubo un cambio en las respuestas: cuando se preguntó a los encuestados sobre Clinton en primer lugar, el 49% señaló que tanto Clinton como Gore eran dignos de confianza. Pero cuando se preguntó a los encuestados acerca de Gore en primer lugar, el 56% dijo que ambos eran dignos de confianza.

Lea el artículo completo en:

Tendencias 21

Crean dos 'gatos de Schrödinger' ¡que pueden estar en 103 estados cuánticos a la vez!

Científicos de varios países, entre ellos España, han diseñado un sistema cuántico de dos partículas entrelazadas ('qubit'), que pueden estar en 103 estados cuánticos simultáneamente; es decir, como el 'gato de Schrödinger', que podía estar vivo o muerto, pero con otras 101 posibilidades más. Hasta ahora el récord era de 11. 

 

Representación de los estados (modos de fase e intensidad) en que se pueden encontrar los fotones entrelazados. Fuente: PNAS.

Los estados en los que pueden estar las partículas elementales, como los fotones, tienen propiedades que escapan al sentido común. Se producen superposiciones, como la posibilidad de que se encuentren en dos sitios a la vez, que desafían a la intuición.

Cuando dos partículas están entrelazadas se genera además un vínculo: medir el estado de una de ellas (si está en uno u otro sitio, o si gira en uno u otro sentido, por ejemplo) afecta el estado de la otra, por lejos que estén, de manera instantánea.

Los científicos llevan años combinando ambas propiedades para construir redes de partículas entrelazadas en estado de superposición, unos montajes que permiten avanzar hacia la construcción de ordenadores cuánticos capaces de realizar cálculos a velocidades impensables, encriptar información con total seguridad y realizar experimentos de mecánica cuántica que serían imposibles de realizar de ningún otro modo.

Hasta ahora, para incrementar la capacidad de “cálculo” de estos sistemas de partículas se ha recurrido, principalmente, a incrementar el número de partículas entrelazadas, cada una de ellas en un estado de superposición de dos dimensiones: un qubit (el equivalente cuántico a un bit de información, pero en el que los valores pueden ser 1, 0, o una superposición de ambos). Con este método se ha conseguido hasta ahora entrelazar 14 partículas, una auténtica multitud por la dificultad experimental que ello supone.

Un equipo internacional de investigadores, dirigidos por Anton Zeilinger y Mario Krenn, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austríaca de Ciencias, y en el que ha participado el investigador del Grupo de Información y Fenómenos Cuánticos del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona Marcus Huber, también investigador visitante en el Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), ha dado una vuelta de tuerca más a los sistemas cuánticos entrelazados.

En un artículo que se publica esta semana en la revista Proceedings (PNAS), los científicos describen cómo han logrado un entrelazamiento cuántico de, al menos, 103 dimensiones con sólo dos partículas. “Tenemos dos gatos de Schrödinger que pueden estar vivos, muertos, o en otros 101 estados más al mismo tiempo”, bromea Huber en la nota de prensa de la UAB. “Además, están entrelazados de tal manera que lo que le ocurra a uno afecta inmediatamente al otro”. El resultado supone un récord en el entrelazamiento cuántico de múltiples dimensiones con dos partículas, establecido hasta ahora en 11 dimensiones.

 

Dos partículas, más de cien estados

En lugar de entrelazar muchas partículas con un qubit de información cada una, los científicos han generado un sólo par de fotones entrelazados que podían estar en más de cien estados diferentes cada uno de ellos, o en cualquier superposición de estos estados, algo mucho más fácil de llevar a cabo que entrelazar muchas partículas.

Estos estados tan complejos corresponden a diferentes modos en los que se pueden encontrar los fotones, con una distribución de su fase, de su momento angular y de su intensidad características para cada modo.

“Este entrelazamiento cuántico de alta dimensión ofrece un gran potencial para las aplicaciones de información cuántica. En criptografía, por ejemplo, nuestro método permitiría mantener la seguridad de la información en situaciones realistas, con ruido e interferencias. Además el descubrimiento podría facilitar el desarrollo experimental de los ordenadores cuánticos, ya que presenta un modo más fácil para obtener altas dimensiones de entrelazamiento con pocas partículas”, explica el investigador de la UAB, Marcus Huber.

Ahora que los resultados muestran que es accesible obtener entrelazamiento de altas dimensiones, los investigadores concluyen en el artículo que el siguiente paso será averiguar cómo se pueden controlar experimentalmente esos cientos de modos espaciales de los fotones, con el fin de realizar operaciones de computación cuántica.

Fuente:

Tendencias 21

El Internet cuántico lleva funcionando en secreto dos años

Investigadores de Los Álamos confirman la creación de una red cuántica que llevaría funcionando dos años. Hasta que el desarrollo de los routers cuánticos sea una realidad, este avance supone un importante paso en el mundo de las telecomunicaciones.

 

La construcción de lo que se conoce como internet cuántico lleva siendo uno de los grandes anhelos y sueños de los expertos en seguridad y criptografía. Los aportes impresionantes que podrían realizar las leyes de la mecánica cuántica permitirían avances importantes en los nuevos sistemas de comunicación.

La razón por la que la idea del internet cuántico mejoraría la seguridad de las comunicaciones está basada, como citábamos antes, en cómo podemos medir partículas cuánticas (como los fotones). El acto mismo de medir un fotón hace que este cambie, lo que trasladado a los sistemas de comunicación, evitaría dejar cualquier tipo de "rastro" asociado en el intercambio de información a través de la red.

Esta idea permitiría el desarrollo de sistemas de comunicación mucho más rápidos y seguros. Sin embargo, el empleo de nuevos sistemas de criptografía se ven aún limitados por la tecnología actual. Por ello desde hace tiempo se trabaja en la construcción de un router cuántico. A pesar de que existen varios grupos de investigación intentando avanzar en esta solución tecnológica, lo cierto es que las propuestas existentes hasta el momento aún están lejos de ser una realidad comercial.

Este inconveniente nos alejaría de la idea del internet cuántico que planteábamos al principio. Sin embargo, un avance desarrollado por investigadores de Los Álamos, en Estados Unidos, podría acercarnos a la red cuántica y a la modernización de los sistemas de comunicación actuales. Según la información que han proporcionado, su alternativa de internet cuántico lleva funcionando en secreto dos años.

Dado que aún no existen routers especializados como comentábamos antes, el trabajo de Richard Hughes y sus colaboradores se ha basado en construir una red cuántica en torno a un nodo o hub central. Los bits cuánticos son transformados en convencionales al llegar a este punto, y a la salida, vuelven a ser convertidos en bits cuánticos, por lo que mientras se garantice la seguridad del hub, la red cuántica también lo sería.

Otras iniciativas anteriores habían logrado redes de solo dos nodos, pero el trabajo de los científicos norteamericanos ha permitido la construcción de una red cuántica de varios ordenadores, que además funciona desde hace dos años. Sin embargo, el problema que tenemos con esta aproximación (igual que en intentos anteriores) está centrado en el proceso de escalado del internet cuántico. Hughes ha conseguido superar también este problema, ya que confirman que cada nodo de la red estaría dotado de transmisores cuánticos.

Esta red podría servir hasta que el desarrollo de los routers cuánticos fuera una realidad, lo que permitiría un proceso de escalado y una eficacia en las telecomunicaciones muy superior. Hasta ese momento, la innovación planteada por el equipo de Hughes supone una buena alternativa para seguir trabajando en este fascinante campo.

Fuente:

ALT1040

Teoría del caos, Relatividad y Mecánica Cuántica

Introducción

1. Materialismo dialéctico: el método del marxismo.
2. El contexto del surgimiento del método marxista.
3. Engels y el método del marxismo.
   ¿Qué hay detrás del intento de separación entre el método del marxismo y el marxismo?

I. Movimiento, materia y teoría del conocimiento

1. Movimiento único absoluto en la naturaleza.
2. Consideraciones sobre el concepto de materia y teoría del conocimiento.

II. La teoría de la relatividad y el materialismo dialéctico

Introducción.

1. Teoría especial de la relatividad (unidad dialéctica materia y energía).
2. Teoría general de la relatividad (unidad dialéctica materia, espacio y tiempo).
3. Teoría de la relatividad. ¿Materialismo o idealismo?

III. Teoría del caos y materialismo dialéctico

Introducción.

1. Teoría del caos: susceptibilidad a las condiciones iniciales. Necesidad y accidente.
2. El caos que nace del orden: Atractores extraños.
3. El orden del caos: Fractalidad (atractores extraños).
4. El orden que nace del caos: Ventanas de orden.
5. La creatividad del caos: La objetividad progresiva del tiempo.

IV. Mecánica cuántica y dialéctica

Introducción.

1. Mecánica cuántica estándar
   1. Los saltos cuánticos o saltos dialécticos en la mecánica cuántica.
   2. El campo magnético y el espectro electromagnético: unidad y lucha de contrarios y negación de la negación.
   3. Dualidad onda partícula o unidad de contrarios.
   4. El ‘Principio de incertidumbre’.
2. Física cuántica relativista
   1. Unidad y lucha de contrarios, negación de la negación y saltos cualitativos.
   2. Materia y antimateria, unidad de contrarios.
   3. Las partículas elementales y el desarrollo del universo: unidad dialéctica de lo finito y lo infinito.

Conclusiones

1. A. Los saltos cualitativos.
2. B. Unidad y lucha de contrarios.
3. C. Negación de la negación.

INTRODUCCIÓN

El mundo, unidad de todo, no ha sido creado por ningún Dios, ni por ningún hombre, sino que ha sido, es y será un fuego eternamente vivo que se enciende y se apaga según leyes

Heráclito, 530-470 a.C.

Lea el artículo completo en:

Fundación Federico Engels

El efecto Casimir: explicación con vídeos

Hace ya más de medio siglo que Casimir postuló la existencia de una fuerza de atracción a distancias muy cortas, para objetos separados por menos de una micra. Desde entonces, la fuerza ha sido más que verificada experimentalmente.

Esta pequeña esfera de 0.1mm se usó para medir experimentalmente la atracción debida al efecto Casimir en 1998. (fuente)

El origen de esta misteriosa fuerza no tiene nada que ver ni con la gravedad ni la electricidad estática, sino con la teoría cuántica que dice que un campo de fuerzas, como el electromagnético, no puede ser totalmente nulo en ningún punto del espacio: el espacio está permeado por una energía mínima, la energía del vacío, o energía del punto cero.

La fuerza (en pico Newtons) entre una esfera y un plano se deja de sentir cuando se alejan unos ~0.0003mm. (Fuente)

¿Cómo se llega a generar una fuerza a partir de esta energía del vacío?

La explicación sin fórmulas es relativamente sencilla: la energía del punto cero de cualquier sistema cuántico implica que siempre existirán ondas. Para un péndulo de un reloj de pared, significa que aunque parezca que está totalmente inmóvil, en realidad debe estar oscilando muy poquito, pero no cero. Según la física cuántica, un péndulo no puede pararse del todo.

Con las ondas electromagnéticas en el espacio vacío ocurre algo parecido: si colocamos dos placas muy cerca, como en la figura, aparecerán ondas de distintas frecuencias debido a esta energía del vacío. Pero en el espacio entre las placas, las condiciones de contorno no permiten que se generen las mismas ondas que en las caras exteriores. Esta diferencia provoca una diferencia en las presiones internas y externas, haciendo que las placas se atraigan (¡la presión puede llegar a ser tan alta como la de una atmósfera terrestre!).

Representación artística del efecto Casimir (Fuente)

Equivalentes didácticos

El siguiente vídeo ilustra un símil del efecto Casimir con placas metálicas de un buen tamaño, nada de micras. Para que la escala se mantenga, se usan ondas también más grandes que las electromagnéticas: ondas de sonido. Reproduciendo un sonido de ruido (lo más parecido a partículas virtuales que aparecen al azar en el vacío), las ondas de sonido "grandes" no caben en los espacios entre las placas, creando una minúscula diferencia de presión, pero suficiente como para hacer que se atraigan:

  Y en este otro vídeo, se sigue la misma idea pero empleando ondas en un líquido en lugar de en el aire. Espero que os guste:

a

Fuente:

Ciencia Explicada

Video: El Origen de la Mecánica Cuántica

Conocer Ciencia:
Ciencia sencilla, ciencia divertida, ciencia fascinante...

¿Qué es la computación cuántica?

Búsqueda de la solución correcta. Imagen tomada por Lynne Hand.

Esta semana el tema que escogido es la computación cuántica. Este es un tema complicado, por lo que el objetivo de esta entrada es otorgar una visión intuitiva del proceso y las posibilidades que éste abre a la computación. Para ello es necesario introducir ciertas nociones acerca de los sistemas cuánticos. Como esto es Internet, reino de los gatos, el ejemplo con el que comenzamos es el experimento mental llevado a cabo por Erwin Schrödinger en 1935. Sí señores, vamos a hablar del gato de Schrödinger.

Como este experimento ha sido explicado hasta la saciedad en distintos blogs, intentaré ser breve. Imaginemos que se dispone de una caja, en la cual se ha depositado un gato. Además se ha incluido un emisor de partículas alfa con su correspondiente detector, un martillo y un frasco de veneno. El proceso es el siguiente: cuando se detecta una partícula, el detector libera el martillo que golpea el frasco de veneno, lo cual libera su contenido, matando al animal. No obstante, hay que tener en cuenta los siguientes puntos:

1. El gato no puede interferir en la emisión de las partículas, ni impedir que si se detecta alguna, la botella se rompa.
2. La caja se encuentra completamente aislada del mundo exterior. No es posible saber lo que está sucediendo o lo que ha sucedido sin abrirla.
3. El emisor de partículas en cada instante de tiempo puede, con la misma probabilidad, tanto emitir una partícula como no hacerlo.

El problema planteado es saber, sin mirar el interior de la caja, si el gato está vivo o muerto. Unos podrían pensar que el gato se encuentra vivo, porque el emisor no ha desencadenado la rotura del frasco de veneno. Pero es igualmente válido pensar lo contrario, que se encuentra muerto, ya que la probabilidad de que el veneno se derrame es idéntica a que permanezca intacto. Está claro que al ser incapaces de abrir la caja no podemos afirmar con certeza cual es el estado del gato. De manera algo más formal, el estado del gato puede verse en términos de la siguiente expresión:

Básicamente la expresión quiere decir que el gato está vivo con una probabilidad de un medio y muerto con la misma probabilidad. El estado final del gato es una superposición, con la misma probabilidad, de dos sucesos mutuamente excluyentes. Entonces, ¿significa ésto que el gato está vivo y muerto a la vez?

Un gato no puede estar vivo y muerto a la vez, por lo que existen varias interpretaciones a este fenómeno. Una de ellas (la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica) afirma que lo sucedido es fruto de la incapacidad de determinar en cual de los dos estados se encuentra el gato, sin realizar una observación del sistema, que en este caso, consiste en abrir la caja. Conocemos bien las condiciones iniciales, pero conforme el tiempo pasa sólo disponemos de probabilidades. Aún así, cuando abrimos la caja, el estado de la expresión (1) se colapsa a uno de los dos posibles: vivo o muerto, con la probabilidad correspondiente. Que quede claro, el gato no está vivo o muerto a la vez, es la incapacidad de conocer el estado real del sistema la que nos obliga a emplear probabilidades. Lo mismo sucede cuando manipulamos sistemas en los que intervienen partículas subatómicas, como si de una caja se tratara, no podemos conocer a ciencia cierta lo que está pasando hasta que tomamos la decisión de echar un vistazo al resultado.

Por ahora se ha visto que un sistema cuántico tiene un estado interno el cual no está completamente determinado y un estado observado, el cual se aprecia tras efectuar la medida correspondiente. Olvidémonos un rato del gato y asumamos que tenemos dos estados abstractos, 0 y 1. Realmente no importa el nombre, la clave es que sean mutuamente excluyentes. El significado de cada uno de los valores se deja a la imaginación del lector, puede significar vivo o muerto, encendido o apagado, verdadero o falso, etc.

Mediante dos estados claramente diferenciados, es posible almacenar un bit de información. Este sistema constituye el pilar de la teoría de la información en la computación clásica, por ello los ordenadores convencionales manejan bits, que pueden tomar valores de 0 o 1. Por el contrario, en la computación cuántica disponemos de otra unidad de información, el qubit, que se corresponde con un sistema cuántico regido por la siguiente expresión:

Hay una enorme similaridad estructural  con la expresión que determinaba el estado del gato, de hecho sólo cambia el nombre de los estados (vivo ha pasado a llamarse cero y muerto ha pasado a llamarse uno), además de que los  pesos pueden tomar cualquier valor. De hecho, el sistema cuántico del gato de Schrödinger sólo necesita un qubit para ser representado. La potencia de la expresión anterior viene de que un qubit puede encontrarse en una superposición continua. Entendemos por superposición a que los valores que puede tomar son una combinación de las posibles situaciones. Esta combinación también viene determinada por los valores que toman alfa y beta, que determinan la probabilidad del resultado de la medición. Es decir, si alfa toma un valor de 0.9 y beta de 0.1, al realizar la medición del sistema, 9 de cada 10 veces el resultado será cero y 1 de cada 10, será 1.

El primer reto que debe superar la computación cuántica es cómo operar con sus unidades básicas de información. En la computación clásica, las operaciones elementales son aquellas que provienen de la lógica, por lo general, un 1 representa cierto y un 0 representa falso, por lo que puede calcularse la conjunción de dos bits (a Y b), la disyunción (a O b) y la negación (NO a). En principio, con esas tres operaciones puede construirse cualquiera más compleja. Por eso se dice que esas tres operaciones, y su implementación física, son universales. 

Ahora bien, en el mundo cuántico un qubit puede contener información acerca de los dos estados simultáneamente, por lo que existen operaciones más complejas que aprovechen esta naturaleza. Por lo tanto, los algoritmos cuánticos deben aprovechar que un qubit puede estar tanto en el 0 como en el 1 para realizar cálculos en paralelo. 

Este tipo de paralelismo se basa en que mientras, por así decirlo, no "miremos" el estado, la información puede estar repartida en varios sitios a la vez. Un algoritmo que maneje un qubit podrá manejar dos valores en paralelo, pero si es de dos qubits el número se duplica, pasando a ser cuatro. En general, se incrementa el número de qubits en una unidad, las posibilidades se ven duplicadas. Esto incrementa el grado de paralelismo hasta niveles inimaginables por los computadores tradicionales. Eso si, al igual que cuando abríamos la caja del gato la magia desaparecía y conocíamos la salud del gato, aquí sucede lo mismo, por lo que las operaciones a realizar deben realizarse sin realizar observaciones sobre el estado.

Lea el artículo completo en:

Mente Enjambre

Biología cuántica: un mundo por descubrir

El extraño universo de la mecánica cuántica 

La mecánica cuántica empezó con la simple idea de que la energía no está presente en cualquier cantidad, viene en fragmentos discretos, llamados cuantos (Quanta). Pero al profundizar en la teoría se ha descubierto que sus aplicaciones son sorprendentes y útiles.

• Superposición: Una partícula existe en distintos estados y lugares de forma simultánea. Esto es, un electrón puede estar en la punta de su dedo y en el rincón más lejano del Universo al mismo tiempo. Sólo cuando observamos la partícula, esta "escog" un estado en particular.
• Entrelazamiento cuántico: Dos partículas pueden entrelazarse de manera que sus propiedades dependan las unas de las otras, sin importar la distancia a la que estén. La medición de una parece afectar la medición de la otra instantáneamente, una idea que Einstein calificó de "espeluznante".

• Efecto túnel: Una partícula puede atravesar una barrera de energía, pareciendo que desaparece en uno de sus lados y reapareciendo en el otro. Gran parte de la electrónica moderna depende de este efecto.

Desaparecer en algún lugar y reaparecer en otro. Estar en dos sitios a la vez. Transmitir información a una mayor velocidad que la de la luz.

Son fenómenos que se explican –desde hace un tiempo– a partir de la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y de la energía: la mecánica cuántica.

¿Pero qué tiene que ver esta ciencia con las flores, las aves migratorias y el olor a huevos podridos?

Bienvenido a la frontera de lo que se conoce como biología cuántica.

Sigue siendo una disciplina tentativa, incluso especulativa, pero de continuar creciendo, podría revolucionar el desarrollo de nuevos medicamentos, computadoras y perfumes, o incluso contribuir a la lucha contra el cáncer.

Hasta hace poco tiempo, la idea de que la biología -una ciencia que a los ojos de los físicos es cálida, húmeda y desordenada- estuviera relacionada con los estados de la materia se consideraba una insensatez.

Pero poco a poco y usando la poca evidencia que se ha ido encontrando, la idea ha empezado a cobrar importancia, explicó Luca Turín, del Instituto Fleming en Grecia.

Plantas, aves y narices

"Básicamente hay tres áreas en las que empieza a ser evidente la presencia de la cuántica, tres fenómenos que han derribado la idea de que la mecánica cuántica no tiene nada que ver con la biología", le dijo Turín a la BBC.

La fotosíntesis es el proceso de la naturaleza que más se ha podido relacionar con la física cuántica.

La más evidente de las tres es la fotosíntesis, el eficiente proceso mediante el cual las plantas y algunas bacterias construyen las moléculas que necesitan, utilizando energía de la luz solar. 

Cuando se observa el proceso de cerca pareciera que hubiera pequeños paquetes de energía al mismo tiempo, "probando" todos los caminos posibles para llegar a donde necesitan ir para después escoger el más eficiente.

"La biología parece haber sido capaz de utilizar este tipo de efecto en un ambiente cálido y húmedo, manteniendo la superposición. No logramos entender cómo lo hace", le dijo Richard Cogdell, de la Universidad de Glasgow a la BBC.

La sorpresa no acaba ahí. Se cree que trucos similares pueden encontrarse en el comportamiento animal: las hazañas de las aves que cruzan países, e incluso continentes volando de polo a polo en sus rutas migratorias, podrían tener relación con la física cuántica.

Los experimentos biológicos muestran que, al migrar, los petirrojos sólo se orientan a través de los colores de la luz, y que basta con una radiofrecuencia débil para confundir su sentido de dirección.
Pero las explicaciones dadas no alcanzan a explicar el fenómeno.

Para los defensores de la relación entre la cuántica y la biología, la orientación de los petirrojos al migrar se debe a un efecto de entrelazamiento cuántico.

Según este fenómeno físico, las partículas entrelazadas (en su término técnico en inglés: entangled) no pueden definirse como partículas individuales, sino más bien como un sistema. 

Por más distanciadas que estén dos partículas "entrelazadas", ambas saben lo que pasa con la otra, incluso parecen poder transmitirse información a mayor rapidez que la velocidad de la luz.

Los experimentos sugieren que este fenómeno ocurre dentro de las moléculas individuales de los ojos de las aves.

John Morton, del University College London, explicó que la manera en que las aves lo perciben puede parecer aún más extraño.

"Podríamos imaginarnos que es una especie de pantalla de visualización frontal, parecida a la que tienen los pilotos: una imagen del campo magnético impresa sobre todo lo que ven a su alrededor ", apuntó.

La idea sigue causando polémica. No menos la teoría según la cual que la biología cuántica la tenemos en nuestras propias narices.

La mayoría de los investigadores cree nuestro sentido del olfato depende únicamente de la forma que tienen las moléculas que aspiramos.

Pero el doctor Turín cree que, además de la forma, influyen las vibraciones de las moléculas, gracias a un efecto cuántico conocido como efecto túnel.

La idea sostiene que los electrones en los receptores de la nariz desaparecen en un lado de una molécula olfativa y reaparecen en el otro, dejando un poco de energía en el proceso.

Un artículo publicado en Plos One esta semana explica que las personas somos capaces de diferenciar dos moléculas de idéntica forma pero con diferentes vibraciones, lo que sugiere que la forma no es el único factor implicado en el proceso. 

Lo que intriga a los investigadores es el alcance que puede tener la cuántica en los fenómenos de la naturaleza.

"No sabemos si estas tres áreas nos están introduciendo a todo un mundo por descubrir, o si realmente no hay nada debajo" –afirmó el doctor Turín. "No lo sabremos hasta que lo veamos"

'Sumamente importante'

Este tipo de fenómeno ha suscitado un gran interés a nivel global. En 2012, la Fundación Europea de la Ciencia puso en marcha su programa Farquest, con el objetivo de crear una estructura de investigación cuántica a nivel europeo en la que la biología cuántica juega un papel muy importante.

Por otra parte, la Agencia de proyectos de investigación avanzados del departamento de Defensa de Estados Unidos (Darpa), estableció una red nacional de biología cuántica en 2010, y departamentos dedicados al tema están surgiendo en una gran cantidad de países que van desde Alemania a India.

Una mejor comprensión del olfato podría impulsar enormemente el negocio de la perfumería, con la creación de fragancias más personalizadas.

De igual manera, entender los trucos de la naturaleza podría contribuir al desarrollo de la próxima generación de computadoras cuánticas.

Pero el estudio de la biología cuántica puede tener repercusiones todavía mucho más profundas.

Algunos investigadores sugieren que los petirrojos tienen una especie de imagen del campo magnético impresa sobre todo lo que ven a su alrededor.

Simon Gane, un investigador del Royal National Throat, Nose and Ear Hospitaly autor principal del artículo publicado en Plos One, explicó que los pequeños receptores de nuestra nariz se conocen comúnmente como receptores acoplados a proteínas G. 

"Son una subfamilia de los receptores que tenemos en todas las células de nuestro cuerpo, hacen parte de los retos implicados en el desarrollo de nuevas medicinas", explicó.

"¿Qué pasa si existe una interacción receptor-droga que simplemente no estamos notando por no pensar que se puede tratar de un efecto cuántico? Un descubrimiento semejante podría tener profundas implicaciones en el desarrollo, la creación y el descubrimiento de fármacos".

Jim Al-Khalili, de la Universidad de Surrey, está investigando la posibilidad de que el efecto túnel se produzca durante mutaciones en nuestro ADN - una pregunta que puede ser relevante para comprender la evolución de la vida misma, o para la lucha contra el cáncer.

Como le dijo el científico le dijo a la BBC: "si descubrimos que el efecto túnel está presente en las mutaciones, existe la posibilidad de que la física cuántica pueda explicar por qué una célula se vuelve cancerosa.

"Este sinfín de opciones -añadió- te hace pensar en la posibilidad de que la física cuántica no sea únicamente nuestra pesadilla de secundaria, o un campo de estudio alternativo liderado por un grupo de personas con ideas estrafalarias. Si realmente puede ayudar a responder algunas de las preguntas más importantes de la naturaleza, se convertiría en una ciencia sumamente importante".

Fuente:

BBC Ciencia 

Contenido relacionado

• En fotos: la belleza de la mecánica cuántica
• Nobel de Física para pioneros en física cuántica
• El futuro: computadoras cuánticas compatibles con la nube

Una de dos: O la información es mas rápida que la luz, o todo el Universo está relacionado entre sí

El entrelazamiento cuántico debe ser una de los fenómenos más sorprendentes de la física: Al enlazar dos o más partículas en un solo estado cuántico, cuando posteriormente se observa el estado de una de las partículas, uno puede prever el estado de la otra partícula sin importar la distancia que las separe. Es como si una supiera lo que hace la otra instantáneamente y se comunicaran entre sí.

Lo interesante es que numerosos experimentos han demostrado que las dos partículas ‘comunican’ su estado entre dos lugares de medición distintos a una velocidad que superaría a la de la luz. La explicación estándar a este fenómeno –la no-localidad– es considerar que las partículas entrelazadas son realmente un sólo sistema cuántico, aunque estén muy separadas. Es una idea que incomoda a muchos (incluso a Albert Einstein) pero que preserva el principio de la relatividad.

Para encontrar otra explicación, muchas ideas se han propuesto en las ultimas décadas, las que en su mayoría caían en la categoría de variables escondidas que no podemos observar directamente mediante experimentos, por lo que no habríamos podido ocupar este fenómeno para la comunicación.

Sin embargo, un nuevo análisis de un equipo de académicos que publicó la revista Nature Physics nos indicaría que cualquier explicación a este fenómeno inevitablemente nos abriría a la posibilidad de comunicaciones mas rápidas que la luz, pues el entrelazamiento cuántico no puede traspasar información, a cualquier velocidad –incluso si es inaccesible por medio de la experimentación porque es interna–, sin involucrar también otros tipos de interacciones que sí violarían la teoría de la relatividad.

Esto es debido a que hay dos opciones: O existen estas variables escondidas y el entrelazamiento cuántico implica intercambiar información a una velocidad mayor a la de la luz, desafiando a la relatividad; o no hay influencias invisibles por lo que las existentes pueden ser infinitamente rápidas, lo que implicaría que el Universo completo es no-local, o sea que todos sus puntos se pueden conectar entre sí instantáneamente.

Uno de los miembros del equipo de académicos, el profesor de la Universidad de Ginebra, Nicolas Gisin, asegura que “nuestros resultados nos dan la idea de que, de alguna forma, las correlaciones cuánticas surgen desde afuera del espacio-tiempo“. Algo nada menor.

Link: Quantum entanglement shows that reality can’t be local (Ars Technica)

Fuente:

FayerWayer

Experimento: Verifica la teoría atómica y la mecánica cuántica ¡con un CD usado!

Si tienes una caja de cartón, un disco CD viejo que no te importe romper y un cutter, prepárate para hacer un experimento en el que vas a aprender un montón de física cuántica. Prometo no usar ni una fórmula, así que espero que disfrutes el artículo aunque odies las mates.

Hace poco más de un siglo que sabemos con absoluta certeza que las distintas sustancias que se encuentran en la Naturaleza se pueden partir una y otra vez manteniendo sus propiedades, pero no hasta el infinito: el límite es lo que llamamos átomos, del griego ἄ-τομος ("in-divisible").

Seguramente en la escuela te explicaron que los átomos consisten en un núcleo, compuesto de partículas llamadas protones y neutrones (de cargas positiva y neutra) y una nube de electrones de carga negativa orbitando a su alrededor, tal que así:

 
Pues bien, si esta imagen de un mini sistema solar es la que tenías en mente cuando piensas en un átomo, siento decirte que... ¡¡en el colegio te engañaron!!. Por suerte, un átomo es algo muchísimo más complejo y entretenido, y una de las razones es el tamaño de las partículas que lo componen. Los electrones son tan "pequeños" y ligeros (pesan unas 1800 veces menos que las partículas del núcleo atómico) que viven en el mundo microscópico donde las leyes de la Naturaleza son muy diferente a las que vemos en nuestro día a día: las de la mecánica cuántica.

Para empezar, un electrón no es una "bolita", como se lo suele representar. Se descartó hace mucho tiempo que pudieran ser esferas tras analizar un efecto llamado spin. De hecho, a día de hoy no se sabe qué son por dentro (si es que son algo).

Pero tampoco es correcto imaginárselos como "puntos" infinitamente pequeños y sin dimensión. En el mundo de la mecánica cuántica la pregunta de qué es un electrón quieto, sobre la mesa, no tiene sentido, ya que un electrón quieto no existe: debido al principio de indeterminación (que no de incertidumbre) ningún objeto puede estar quieto, aunque el efecto se atenúa para objetos más grandes que moléculas y por eso nuestra experiencia cotidiana no lo nota. Cuanto más intentes dejar un electrón quieto, más se moverá. De hecho, gracias a dicho efecto existe la materia tal y como la conocemos ya que así se evita que los electrones caigan hacia el núcleo atómico, al que se sienten atraídos por la diferencia de carga eléctrica (ya lo demostré matemáticamente aquí).

El hecho es que un electrón es en realidad un ente difuso, extremadamente pequeño pero que no está en ningún sitio concreto sino en una zona del espacio determinada siguiendo lo que llamamos funciones de densidad de probabilidad (fdp) que nos dicen donde es más o menos probable encontrar al  electrón. Por ejemplo, en un átomo de Helio, sus dos electrones orbitarán normalmente siguiendo idénticas distribuciones de probabilidad esféricas, siendo más probable encontrarlos cerca del núcleo que lejos:
 

Átomo de Helio (fuente)

 
Pero ojo: a diferencia de las estadísticas que se usan en aspectos más mundanos como cuando se acota la incertidumbre o error en encuestas y sondeos antes de unas elecciones, en el caso de los electrones la nube que estás contemplando arriba es realmente el electrón en sí.

Está en todos esos lugares... a la vez.

Han corrido ríos de tinta en debates filosóficos sobre las implicaciones de que la materia no esté bien definida (el problema del colapso de la función de onda), así que no voy ni a intentar ahondar en el debate aquí. La Naturaleza es así de extraña, no hay que intentar buscarle más explicaciones porque es posible que nunca encontremos una explicación más fundamental. En este aspecto la mecánica cuántica está muy cerca del "razonamiento de madre" frente a un crío pesado: "¿Pero por qué, pero por qué? ¡Porque sí, y punto!".

Hasta ahora, ya hemos visto que el modelo de mini sistema solar del átomo es incorrecto en el aspecto de que los electrones siguen distribuciones de probabilidad en lugar de órbitas perfectas cual pequeños planetitas. Pero hay algo más fundamental. En un sistema solar, las posiciones de los planetas son arbitrarias, dependientes de accidentes de la historia.

En el átomo no es así: en todos los átomos de hidrógeno el electrón orbita en una distribución de probabilidad idéntica. En todos los átomos de hidrógeno del universo. Si fuera coincidencia, ¡sería la madre de todas las casualidades!. Pero obviamente no es casualidad, sino otra ley de la naturaleza, y la que da nombre a la física cuántica: la energía de un electrón no puede tener cualquier valor, sino que sólo puede dar "saltitos" de unos valores determinados.

A estos "saltitos" se les llamó " cuantos" de energía porque quedaba más serio, y así nació la mecánica cuántica a principios del siglo XX. Lo curioso es que el "tamaño" de la órbita que sigue un electrón cuando está atado a un átomo depende exclusivamente de su nivel de energía (lo que se llama el "número cuántico n"), y dentro de cada nivel energético concreto puede describir órbitas de distintas formas geométricas dependiendo de otros dos números discretos (los "números cuánticos m y l "). Para hacerse una idea de qué pinta tienen estas distribuciones de probabilidad, llamadas orbitales atómicos, échale un ojo a la siguiente tabla para el caso del electrón del átomo de hidrógeno:
 

Orbitales del átomo de hidrógeno. Falta el caso básico (1,0,0) que sería una esfera perfecta (fuente)

Inmediatamente llegamos por fin al meollo de la cuestión del experimento de hoy: ¿para qué sirven los niveles de energía? Es un hecho que cuando un átomo tiene más de dos electrones, estos parecen "chocar" y egoístamente compiten por los niveles más bajos negándose a compartirlo los unos con los otros, con lo que si un electrón llega tarde tendrá que ocupar el siguiente hueco de energía que quede libre siguiendo una serie de complejas reglas. El mecanismo, que es la base misma de que exista la química, se llama principio de exclusión de Pauli. Aunque ponerle un nombre es algo muy distinto a conocer el por qué ocurre.

Por tanto, tenemos ya una imagen del átomo lo suficientemente verídica para el experimento que nos proponemos hacer, que no es otro que analizar la emisión de luz por parte de átomos. En concreto, de la luz que emiten las bombillas de una casa.

Y aquí tenemos que distinguir entre dos tipos radicalmente distintos de bombillas: las "antiguas" o clásicas lámparas de hilo incandescente se basan como su nombre indican en calentar mucho un hilo hasta que llega a tal temperatura que empieza a brillar. Este mecanismo se llama radiación térmica, y se caracteriza porque la "combinación de colores" que un objeto emite depende casi únicamente de su temperatura, no del material ni de la manera en que se ha calentado. Matemáticamente, la "combinación de colores" se representa mediante un espectro de emisión, una gráfica que nos dice cuanta luz se emite en cada color (o longitud de onda λ, o frecuencia: los tres conceptos son sinónimos):
 

Espectro de emisión según la temperatura (en grados Kelvin K). Las longitudes de onda λ de la luz visible están entre 380 y 750nm (fuente).

Es decir: en lámparas incandescentes se emite luz en un rango continuo de longitudes de onda.

Por otro lado tenemos las lámparas de tipo fluorescentes (tubos o las más pequeñas y modernas CFL). ¡Estas son mucho más interesantes! Todas estas lámparas funcionan por el mismo principio: se hace pasar una corriente de electrones libres desde un extremo del tubo al otro, y estos electrones en su camino chocan contra átomos del vapor de mercurio que las rellena:
 

Lámpara fluorescente (créditos)

 
En cada uno de estos choques ocurre algo muy interesante: el electrón libre que venía a toda velocidad pierde la energía cinética (su "velocidad") y se la transfiere a uno de los 80 electrones que hay en cada átomo de mercurio. Según las reglas de la mecánica cuántica, un electrón solo puede aceptar ciertas cantidades (cuantos) de energía, que coinciden precisamente con los "escalones" que tiene que escalar hacia niveles de orbitales más altos.

Se dice entonces que el electrón está "excitado", y realmente no aguanta mucho tiempo en ese estado hasta que vuelve a caer a su hueco natural. Como la energía ni se crea ni se destruye, la energía que le sobra al caer la emite en forma de un fotón, un "paquetito de luz", cuya longitud de onda o color depende exclusivamente del tamaño del escalón en la caída. 


La siguiente figura te ayudará a entender todo esto para el ejemplo sencillo de un átomo de hidrógeno con un sólo electrón:
 

Emisión del hidrógeno teórica (fuente)

 

Se puede predecir por tanto que un átomo que emita radiación por medio de electrones excitados sólo podrá hacerlo a unas determinadas longitudes de onda muy precisas (obviando el efecto Zeeman y otros detalles). De hecho, estas longitudes se pueden visualizar como distintos colores en el espectro visible en forma de "rayas" y caracterizan a cada elemento químico ya que dependen de la configuración de sus electrones. La siguiente foto es el espectro emitido por un gas de hidrógeno al hacerle pasar una descarga eléctrica, y se ven claramente las líneas correspondientes a los saltos 5->2, 4->2 y 3->2 (repasa el dibujo de arriba):

 

Emisión experimental de hidrógeno excitado (fuente)

Volviendo a nuestro caso de la lámpara fluorescente, el vapor de mercurio realmente emite principalmente en dos líneas espectrales (60% a 253.7nm y 10-20% en 185nm) que caen en el ultravioleta, y por lo tanto son invisibles a nuestros ojos. Por eso el interior de dichas lámparas va recubierto de sustancias químicas especialmente pensadas para absorber dicha radiación, que sus electrones salten varios niveles de golpe, y luego caigan poco a poco, emitiendo paquetes de radiación de menor energía (y por tanto, mayor longitud de onda) en cada saltito. Este fenómeno se llama fluorescencia y es la razón del nombre de dichas lámparas.

Dependiendo del fabricante de la lámpara fluorescente y del material de recubrimiento, el número de saltos será mayor o menor y estarán en distintas longitudes de onda, aunque para la mayoría de modelos "económicos" tienen prácticamente el mismo espectro de emisión:

Distintos tipos de bombillas y sus espectros (fuente)

Las líneas discretas que se ven en las tres lámparas fluorescentes centrales representan los distintos saltos de electrones de los que hemos hablado arriba.

El objetivo del experimento de hoy es ser capaces de ver dicho espectro para detectar las líneas espectrales de las lámparas que tengáis en casa. En un laboratorio profesional se usaría una red de difracción, básicamente una superficie fina con un patrón regular de agujeros microscópicos:

Principio de funcionamiento de una rejilla de difracción (fuente)

La distancia entre agujeros debe ser del orden de magnitud de la luz que se quiere analizar y lo que se consigue es separar la luz en sus distintos colores de una forma mucho más eficiente a como lo haría un prisma. Para detectar la separación habrá que mirar el patrón desde un ángulo que coincida con los puntos señalados como "m=1" en el dibujo.

Como es raro que alguien tenga un patrón de difracción de laboratorio en su casa, vamos a usar algo mucho más artesanal: un CD. Incluso un CD-R (de los grabados en casa) vale, ya que aunque esté vacío vienen con una serie de surcos de ~500nm de ancho ya pregrabados:

Superficie de un CD-R virgen, donde se aprecian los microsurcos (fuente)

Al no ser agujeros sino surcos la difracción no será perfecta sino que dependerá del ángulo con el que se mire... ¡pero esto es un experimento casero, así que nos conformamos!



Lo primero que hay que hacer es quitarle la cubierta que lleve pegada en uno de sus lados. Esto debe hacerse con un cutter y con mucho cuidado para no rayarlo. Recomiendo cortar un trozo sin preocuparse y a partir de ahí ir levantándolo muy lentamente introduciendo el cutter por debajo:

Tras separar la cubierta de un trozo, procedemos a cortarlo con unas tijeras:

Y a continuación buscamos una caja de cartón y haremos una pequeña ranura en uno de los extremos, y colocaremos el trozo de CD sin cobertura de forma que haga un cierto ángulo con un rayo de luz que entre en la caja, tal que así:

El último paso recomendable es cerrar la caja con su tapa y abrir una pequeña ventana por la que poder ver el trozo de CD desde arriba. Deberás probar para averiguar el ángulo de refracción correcto. También hay otras posibles configuraciones (con el CD paralelo a la abertura y el visor en la otra punta, etc...): prueba y descubre la que te parezca más cómoda.

Tras todo esto, ya podemos iluminar la caja a través de la ranura con el tipo de luz a analizar y podremos ver su espectro a través de la ventana. Primero os muestro lo que se ve con una lámpara incandescente (¡¡perdón por la calidad de esta imagen!!):

Como era de esperar, se ve un espectro continuo, lo que corresponde al tipo de emisión térmico.

Pero si ahora enfocamos una lámpara fluorescente hacia nuestro rudimentario analizador, veremos esta preciosa imagen:

Cada una de esas líneas representa los saltos discretos de los electrones de la cubierta del tubo fluorescente. Compáralos con los espectros de bombillas de distintas marcas que mostré arriba y verás como son idénticos.

Reconozco que el artículo se me ha ido de las manos de largo, pero si has sido capaz de aguantar leyendo hasta aquí, estoy seguro de que coincidirás conmigo en que...

¡¡esas rayitas tan tontas son la verificación palpable de que el mundo está hecho de átomos que se rigen por las reglas de la mecánica cuántica!!.

La física puede ser maravillosa, ¿o no? ;-)

Fuente:

Ciencia Explicada