Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 24 de Julio, 2012, 8:03

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Cuando uno estudia física cuántica desde el modelo matemático llega un momento en que se pregunta ¿por qué es necesario este modelo? (algo que pregunté y traté de contestar en mi charla de física cuántica). La pregunta tiene una respuesta histórica: entre el siglo XIX y principios del XX se encontraron fenómenos que no podían ser explicados por la física cuántica. Quiero compartir con Uds. mi traducción de la sección "The need for a quantum theory" que inicia el primer capítulo del excelente libro de P.A.M. Dirac "Principles of Quantum Mechanics" (ya comenté algo de su introducción en Grupos y Física, por Dirac) (Abraham Pais recuerda muy bien a ese libro, como comenté en Paul Adrien Maurice Dirac por Abraham Pais (1))

Classical mechanics has been developed continuously from the time of Newton and applied to an ever-widening range of dynamical systems, including the electromagnetic field in interaction with matter. The underlying ideas and the laws governing their application form a simple and elegant scheme, which one would be inclined to think could not be seriously modified without having all its attractive features spout. Nevertheless it has been found possible to set up a new scheme, called quantum mechanics, which is more suitable for the description of phenomena on the atomic scale and which is in some respects more elegant and satisfying than the classical scheme. This possibility is due to the changes which the new scheme involves being of a very profound character and not clashing with the features of the classical theory that make it so attractive, as a result of which all these features can be incorporated in the new scheme.

La mecánica clásica ha sido continuamente desarrollada desde los tiempos de Newton y aplicada a un cada vez más amplio rango de sistemas dinámicos, incluyendo el campo electromagnético en interacción con la materia. Las ideas subyacentes y las leyes que gobiernan su aplicación forman un esquema simple y elegante, que uno se ve inclinado a pensar que no podría ser seriamente modificado sin perder todas sus atractivas cualidades. Sin embargo se ha encontrado que es posible tener un nuevo esquema, llamado mecánica cuántica, que es más adecuado para la descripción de los fenómenos a escala atómica y que es en algunos aspectos más elegante y satisfactorio que el esquema clásico. Esta posibilidad se debe a los cambios que el nuevo esquema involucra siendo éstos de un carácter profundo y que sin embargo no colisionan con los de la teoría clásica, lo que lo hace tan atractivo, teniendo como resultado que todas estas características pueden ser incorporados en el nuevo esquema.

Newton se vió "modificado" por dos frentes: el del espacio y tiempo absoluto, y la acción a distancia, con la relatividad especial y general, y en los tiempos de Dirac, en el ámbito de lo atómico, donde la física cuántica lleva a replantear cómo "funciona" la Naturaleza. Y ahora Dirac comienza a exponer qué es lo que llevó a la necesidad del nuevo modelo:

The necessity for a departure from classical mechanics is clearly shown by experimental results. In the first place the forces known in classical electrodynamics are inadequate for the explanation of the remarkable stability of atoms and molecules, which is necessary in order that materials may have any definite physical and chemical properties at all. The introduction of new hypothetical forces will not save the situation, since there exist general principles of classical mechanics, holding for all kinds of forces, leading to results in direct disagreement with observation.

La necesidad de apartarse de la mecánica clásica es claramente expuesta por los resultados experimentales. En primer lugar las fuerzas conocidas en electrodinámica clásica son inadecuadas para la explicación de la remarcable estabilidad de átomos y moléculas, lo que es necesario para que los materiales puedan tener propiedades físicas y químicas. La introducción de nuevas fuerzas hipotéticas no salva la situacióm, desde que existen principios generales de la mecánica clásica, que se aplican a toda clase de fuerzas, que llevan a un desacuerdo directo con la observación.

Es interesante ver que la electrodinámica cumplió un papel decisivo en la aparición de fenómenos que llevaron tanto a la relatividad, el concepto de campo, y la cuántica. Por otro lado, el descubrimiento del electrón llevó a intentar ver cómo estaba armado un átomo, proponiendo modelos como los de Thompson (electrones como "pasas" en un "pastel" de carga positiva), o el de Rutherford (un nucleo y electrones de alguna forma afuera, basado en experimentos). Ambos llevaban a resultados que no se veían en los experimentos, ni siquiera en la realidad natural.

For example, if an atomic system has its equilibrium disturbed in any way and is then left alone, it will be set in osculation and the oscillations will get impressed on the surrounding electromagnetic field, so that their frequencies may be observed with a spectroscope. Now whatever the laws of force governing the equilibrium, one would expect to be able to include the various frequencies in a scheme comprising certain fundamental frequencies and their harmonics. This is not observed to be the case. Instead, there is observed a new and unexpected connexion between the frequencies, called Ritz's Combination Law of Spectroscopy, according to which all the frequencies can be expressed as differences between certain terms, the number of terms being much less than the number of frequencies. This law is quite uninteligible from the classical standpoint.

Por ejemplo, si un sistema atómico ve su equilibrio disturbado de alguna forma y es entonces dejado solo, se pondrá en oscilación y esas oscilaciones serán trasmitidas al campo electromagnético circundante, de tal manera que sus frecuencias podrían ser observadas con un espectroscopio. Ahora cualquiera sean las leyes que gobiernen este equilibrio, podríamos esperar que podamos incluir las varias frecuencias en un esquema que comprenda ciertas frecuencias fundamentales y sus armónicos. No es éste el caso observado. En cambio, hay una nueva e inesperada conexión entre las frecuencias, llamada la Ley de la Combinación de Ritz en Espectrocopía, de acuerdo a la cual todas las frecuencias [encontradas en los experimentos] pueden ser expresadas como diferencias entre ciertos términos, siendo el número de términos mucho menor que el número de frecuencias. Esta ley es inintelegible [yo pondría inexplicable, no modelable] desde el punto clásico.

Yo podría escribir gran parte de la historia de la física moderna, simplemente siguiendo la historia del espectro de hidrógeno (a veces me veo tentando a iniciar serie de post del tema ;-). Algo ya va a llegar en mi serie sobre física cuántica.

Bien por hoy, seguiré traduciendo y comentando esta sección en próximos posts.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia