Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 28 de Febrero, 2011, 6:31

Estoy escribiendo una serie de posts sobre física cuántica, para pasar por escrito algunos temas que he visitado en los últimos años. Quiero hoy escribir sobre temas paralelos, para mí muy interesantes: ¿cómo se desarrolló, cómo llegamos a tener una física cuántica? Ya publiqué algunos posts sobre físicos que intervinieron en su desarrollo (ejemplos: Los invitados de Bohr en Copenhague, El primer encuentro de Heisenberg con Bohr). Pero tengo que escribir más sobre los resultados y avances que se fueron obteniendo, los problemas planteados y las soluciones halladas. Este post de hoy me servirá como puntada inicial, enunciación de base de los puntos que quiero investigar. Al final, lista de temas pendientes que surgen de los puntos visitas aquí, pero no tratados en profundidad o claramente.

Toda la física cuántica es una historia que termina en el descubrimiento de la dualidad partícula-onda de los elementos de la realidad física. ¿Cuándo aparece un problema similar? Cuando se investiga la luz, en los tiempos de Newton. Los científicos se preguntaban: ¿cuál es la naturaleza de la luz? Newton, impresionado por la rectitud de los rayos de luz y la nitidez de las sombras que proyecta, adhirió a la explicación: la luz son partículas. Sus contemporáneos Huygens y Hooke prefirieron considerar a la luz como propagación de una onda. El triunfo de Newton con su mecánica, basada en la explicación del movimiento de partículas materiales, hizo que la teoría ondulatoria quedara opacada. Una de las consecuencias de adoptar la teoría ondulatoria, sería la aparición de interferencias: dos ondas de luz, que no estuviesen "en fase", podrían interferir una con otra, como las ondas de agua: una "depresión" de una onda podría anular el "pico" de otra. Pero hubo que esperar al siglo XIX para que Thomas Young demostrara la existencia de tales interferencias. ¿Por qué hubo que esperar tanto? En los tiempos de Newton y Huygens no parece haber habido los instrumentos adecuados para detectar ese fenómeno.

Por otra parte, en 1816, Fresnel y Poisson predijeron que se verían manchas brillantes detrás de obstáculos opacos: era el fenómeno de la difracción. Manchas que fueron observadas por Arago. Todo esto comenzó a poner a la teoría ondulatoria sobre un más firme fundamento. Hasta las medidas de la velocidad de la luz por parte de Fizeau y Foucault en 1850 fueron impulsadas por la controversia onda partícula en la luz. Porque las dos teorías predecían distintos resultados para cuando la luz se moviera en medios con distinta velocidad. La ley de Snell que daba los ángulos de refracción de un rayo de luz al pasar de un medio a otro (la razón por la cual vemos como "quebrado" un palo sumergido en agua), se podía explicar con partículas SI la velocidad de la luz fuese MAYOR en el medio más denso. La teoría ondulatoria, por otra parte, explicaba la ley de Snell con una velocidad menor de las ondas en el medio más denso. Todos estos experimentos (interferencia, velocidad en medios) favorecieron a la teoría ondulatoria. La velocidad de la luz es menor en agua que en el vacío, sumándose así otra confirmación experimental a la luz como onda.

Los experimentos de Faraday a principios del siglo XIX, dieron origen a su idea de campo. Más tarde, Maxwell tradujo lo que se conocía de electricidad y magnetismo en sus ecuaciones de electromagnetismo, culminando ese desarrollo en 1873. Notablemente, concluía que se debía considerar a la luz como un movimiento ondulatorio y que su velocidad podía calcularse desde el electromagnetismo.

Todo esto debería bastar para haber dirimido la disputa. Pero experimentos del final del siglo XIX, mostraron que la luz interactuando con electrones, no era tan claramente una onda. Por ejemplo, experimientos sobre el efecto fotoeléctrico mostraban que la luz se comportaba como "localizando" energía. Hasta se hablaba de "impulso" de la luz, cuando en 1923 Compton mostró cómo la luz "rebotaba" contra los electrones, dando respaldo a la idea de fotones. (Curiosamente, Hertz, que confirmó brillantemente las ideas de Maxwell sobre ondas electromagnéticas, fue quien descubrió ese efecto fotoeléctrico, que comenzó a arrojar dudas sobre la luz como onda). Fue Einstein, en 1905, quien propuso una explicación: la luz se emitía y absorbía en paquetes. Reaparecía por todos lados, la idea de luz como partículas.

Ya en 1900, Planck había introducido una explicación de la distribución de frecuencias del cuerpo negro, que dependía de la radiación de energía en montos discretos.

Volviendo atrás, a fines del siglo XIX, aparecieron otros fenómenos que derivan en el descubrimiento del electrón. La emisión de electrones (rayos catódicos) provocan sobras bien delimitadas, están localizados en el espacio. Se los consideraba partículas. Pero ya entrados en 1928, el experimiento de Davisson y Germer (ver Davisson-Germer experiment) mostró que los electrones producían fenómenos de interferencia. Esto dió apoyo a lo conjeturado por el muy intuitivo físico Louis de Broglie, en 1925: así como había que considerar a la luz como partícula, también podía considerarse a la materia, a un electrón, como una onda. de Broglie llegó a esa conclusión usando lo que se conocía desde Planck y Einstein sobre cuantos, relación de energía con la constante h, sumado a la relatividad especial.

Otro tema a resolver era: si los electrones se mueven en el átomo, que tiene un núcleo y los electrones alrededor (hecho que comienza a recibir confirmación con los experimentos de Rutherford), todo el electromagnetismo daba que esos electrones en movimiento deberían estar emitiendo radiación, perdiendo energía: todo electrón debería caer al núcleo, terminándose todos los átomos del Universo. En 1913, Niels Bohr "salva las apariencias", sacando reglas que anulan esa radiación cuando el electrón se mueve de forma "cuántica" en el átomo: cuando su momento angular está cuantizado. Sommerfeld agrega una corrección relativística, y mientras que el modelo de Bohr explicaba algunas rayas del espectro de hidrógeno, el aporte de Sommerfeld logra explicar el espectro fino: el hecho que algunas rayas eran múltiples.

Fue una época notable. Finalmente, en 1925/26 (notablemente ANTES del experimento de Davisson y Germer), Heisenberg por un lado, Schrodinger por otro, logran dar con un modelo que abarca todo lo conocido: Planck, Einstein, Bohr, de Broglie. Curiosamente, lo que descubren individualmente, al principio parecía muy distinto: pero al final, Dirac y otros mostraron que las dos aproximaciones eran equivalentes. Heisenberg, en su formulación, fue el primero en derivar el principio de incertidumbre (que no estaba incluido en su primer paper proponiendo su mecánica cuántica, llamada así en contraposición a lo que era la mecánica clásica).

Dirac se preocupa porque la ecuación de Schrodinger no es lo bastante "buena" para ser compatible con la relatividad especial. Trata al tiempo de forma un poco distinta al espacio. Motivado por ese "fallo", Dirac encuentra su famosa ecuación, que de paso, trae dos regalos: una fórmula que hace aparecer naturalmente al spin intrínsico del electrón, y la aparición en su teoría de antimateria.

Ahora, la mecánica cuántica, da paso a la teoría cuántica de campos: las partículas se pueden crear y destruir, y más que partículas "permanentes", tenemos un campo, incluso con partículas virtuales. Al poco tiempo, Feynman, y otros desarrollan la electrodinámica cuántica, unificando totalmente las ideas de Maxwell con las del nuevo siglo.

Y así podría seguir un poco más: los problemas de la renormalización, las teorías gauge, las teorías Yang-Mill, como teorías que terminan abarcando a las anteriores; campos con partículas portadoras de carga, en contraste con los fotones que son neutros, etc...

¿Ven lo interesante que es la historia de la física cuántica? Tantos personajes, tantos experimentos y resultados, tantos modelos. Como un cuerpo de detectives, los científicos investigaron cada pista, cada dato que la realidad les daba, para descubrir sus secretos.

Temas pendientes:
- El descubrimiento de la interferencia en la luz
- Explicación de la ley de Snell en la teoría ondulatoria
- Faraday, sus experimentos y vida
- Maxwell, sus desarrollos y vida
- El paper seminal de Planck de 1900
- El efecto fotoeléctrico y el paper de Einsten de 1905
- Las ideas ideas de Einstein sobre la absorción y emisión de la luz, dando paso al fundamento del láser
- Los experimentos y explicaciones de Rutherford, y otros modelos atómicos como el de Thompson
- El descubrimiento del electrón
- El modelo de Bohr y la mejora de Sommerfeld y cía
- Heisenberg, evolución de sus ideas y su modelo, tan poco tratado en los textos actuales
- Schrodinger, sus ideas y vida
- Dirac, vida, ideas y su famosa ecuación
- Experimentos como el de Davisson, Germer, el de Compton
- Los primeros tiempos de la teoría cuántica de campos, reemplazando a la mecánica cuántica
- Los problemas encontrados en electrodinámica cuántica y su resolución

Y puntos adicionales:

- Cómo ideas de la óptica y ondas clásicas, conducieron a Schrodinger a sus ecuaciones
- Cómo Hamilton, y su aportación a la mecánica clásica con hamiltonianos, ayuda de Jacobi y más, termina incluyendo el principio de mínima acción y otros, en todo el formuleo de la física cuántica (Schrodinger se basó en las ideas ya usadas de cómo deducir la óptica geométrica desde la luz como onda, como paso al límite; de la misma forma, llegó a partículas clásicas con posición y movimiento como caso límite de su ecuación de onda)

Tengo pendiente escribir sobre las fuentes que estoy consultando, son varias. Para este post, las principales fueron las primeras páginas de: "Fundamentos de mecáncia cuántica" de Sydney Borowitz, y "A Quantum Mechanic Primer" de Daniel T. Gillespie.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
http://www.ajlopez.com
http://twitter.com/ajlopez

Por ajlopez, en: Ciencia