Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 11 de Abril, 2009, 12:06

Quisiera, como parte de la semana sabática, encarar dos posts sobre electrodinámica cuántica, de introducción básica. La física se ha caracterizado por describir gran parte de la realidad con modelos y fórmulas. Tenemos las ecuaciones de Newton, las ecuaciones de Maxwell, las ecuaciones de Einstein, y lade Schrödinger, como ejemplos destacados. Desde finales del siglo XIX, se ha ido formando una imagen de la naturaleza basada en átomos, y luego, en partículas elementales. La teoría dominante que trata de explicar parte la física de las partículas elementales es la teoría cuántica de campos. Es un terreno difícil, lleno de ecuaciones abstractas. A veces, se tiene la sensación que las ecuaciones son demasiado complicadas para lo que tratan de explicar.

Uno de los físicos más destacados del siglo XX, Richard Feynman, usando su capacidad de visualización, consiguió armar un modelo mental de lo que describía esa teoría, creando sus ahora famosos Diagramas de Feynman. Veamos de explorar primero, antes de ver en otro post qué es un diagrama de ese tipo, los elementos de una de las primeras teorías que trató de explicar algo de la conducta de las partículas elementales más simples, la llamada electrodinámica cuántica, campo en el que se destacó Feynman.

Para comenzar a ver el tema, tenemos que describir a las partículas que son las protagonistas de esta teoría. No es una teoría del todo, sólo se ocupa de explicar, usando campos y cuántica, la conducta de dos grandes protagonistas.

El primero es el electrón. Descubierto por el físico británico J.J.Thompson en 1897, fue la primer partícula elemental descubierta. Ya se conocía la electricidad, pero no se sabía que estuviera compuesta de partículas. Thompson descubrió que las corrientes eléctricas se explican por el movimiento de partículas individuales cargadas. Esas partículas, los electrones, con su movimiento, hacen funcionar nuestras licuadores, tostadores y computadoras.

Vemos también electrones en movimiento cuando contemplamos un rayo en una tormenta. El ruido del trueno se debe a la onda de choque causada por los electrones, al colisionar con las moléculas de aire que se interponen en su camino. La luz del rayo se debe a la radiación electromagnética emitida por los electrones agitados.

Cada electrón tiene la misma carga eléctrica que todos los demás. Esto no es un hecho evidente, y aún hoy, no se conoce el origen de esa carga uniforme, ni la razón de su valor. Se dice que la carga del electrón es negativa, pero es sólo una convención. Benjamín Franklin es el culpable de haber bautizado a un tipo de corriente como positiva, y dando el nombre de corriente negativa justamente al movimiento de los electrones. Así, que con esa convención, cuando se dice que la corriente fluye hacia la izquierda, en realidad los electrones se mueven a la derecha.

Si no tuviéramos electrones, fallarían todos los aparatos como televisores y radios. Pero más importante: los electrones son parte de los átomos, componen las capas exteriores de todo átomo, orbitando alrededor del núcleo.

No hay que pensar en un electrón como una "bolita" que está dando vueltas por ahí. La física cuántica desestima la noción de partícula puntual, y es algo más sofisticada explicando cómo es una "partícula" (entre comillas, porque al final, no hay concepto de partícula como una "bolita").

El otro gran protagonista de la electrodinámica cuántica, es el fotón. Son fotones los que emiten los electrones en movimiento de un rayo, para emitir luz. Toda la electrodinámica cuántica descansa en un proceso fundamental: la emisión de un único fotón por un único electrón.

También los fotones intervienen en el átomo. Son como cuerdas que atan a los electrones al núcleo. Sin los fotones, todos los átomos de destruirían inmediatamente.

He mencionado que el átomo tiene un núcleo. Cuando se comenzó a armar la electrodinámica cuántica, se vió como primera aproximación, tratar de incluir en la descripción de la teoría a los electrones y fotones. Los núcleos de los átomos sencillos, como el hidrógeno, son fáciles de resolver, pero en otros átomos más complejos, con núcleos de varias partículas, no es fácil que puedan ser estudiados con simples fórmulas. La electrodinámica cuántica, en los años 30 del siglo XX, nace colocando al núcleo de un átomo como un espectador pasivo. Solamente con la llegada de la computación se pudo encarar el cálculo complejo de un átomo no trivial.

El núcleo de un átomo está compuesto de protones y neutrones. Son muy similares entre sí, solamente que el protón está cargado eléctricamente, y el neutrón es sin carga. En la electrodinámica cuántica, se los denomina genéricamente nucleones. Un núcleo atómico se puede ver como una gota de nucleones pegados (justamente, los nucleones no son partículas  tipo "bolita", sino que también siguen los principios de la cuántica, teniendo una estructura que luego se descubrió, era más compleja de lo pensado). Feynman y los demás, decidieron ignorar a los nucleones, y se concentraron en explicar al electrón y al fotón.

El núcleo pudo estar como espectador pasivo, porque tenía un tamaño, que comparado con el electrón, podía ser tomado como un elemento inmóvil. Además, los núcleos son pequeños comparados con todo el átomo, siendo así que el electrón orbita como a cien mil diámetros nucleares, y nunca está lo suficientemente cerca como para ser afectado por la estructura interna del núcleo.

Siguiendo con el reduccionismo en física, todo se explica por la interacción de fotones, electrones y núcleos. Lo que trata la electrodinámica cuántica, es de explicar las interacciones entre fotones y electrones. Pero aún cuando apela a fórmulas que pueden ser complejas, veremos, en un próximo post, que mucho se puede visualizar del proceso, usando los diagramas de Feynman.

Algunos datos de historia: en la década del 20, en el siglo XX, se fue desarrollando la física cuántica, y hacia el final de la década, se aplicó esa nueva física a campos, en lugar de a partículas, apareciendo así las teorías cuánticas de campo. En 1927, se puede considerar como fundadores a Dirac, Wolfgang Pauli, Weisskopf y Jordan. Luego, en los 40s, Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, y Sin-Itiro Tomonaga son los que dan forma a la primera de esas teorías terminadas, la Quantum Electrodynamics (QED).

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Principal fuente consultada: "El paisaje cósmico" de Leonard Susskind.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia