Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 29 de Julio, 2012, 11:50

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Sigo traduciendo y comentando a Dirac, su sección "The need for a quantum theory" de su excelente libro "Principles of Quantum Mechanics". Pasa a exponer otra razón para tener teoría cuántica, la explicación de los fenómenos de la luz:

As another illustration of the failure of classical mechanics we may consider the behaviour of light. We have, on the one hand, the phenomena of interference and diffraction, which can be explained only on the basis of a wave theory; on the other, phenomena such as photo-electric emission and scattering by free electrons, which show that light is composed of small particles. These particles, which are called photons, have each a definite energy and momentum, depending on the frequency of the light, and appear to have just as real an existence as electrons, or any other particles known in physics. A fraction of a photon is never observed.

Como otra ilustración del fallo de la mecánica clásica podemos considerar la conducta de la luz. Tenemos, por un lado, el fenómeno de la interferencia y la difracción, que puede ser explicada solamente basándose en una teoría de ondas; por otro lado, fenómenos como la emisión fotoeléctrica y la dispersión por electrones libres, que muestran que la luz se compone de pequeñas partículas. Estas partículas, que llamamos fotones, tienen cada una un momento y energía definidos, dependiendo de la frecuencia de la luz, y parecen tener tanta existencia real como los electrones, o como cualquiera otras partículas en física. Nunca se ha observado una fracción de fotón.

Dirac menciona al efecto fotoeléctrico, explicado por Einstein usando fotones como unidad de luz, y la dispersión de fotones por electrones libres, observado por Compton. La relación entre frecuencia y energía de los fotones aparece por primera vez en el mismo trabajo de Einstein (si bien, una relación similar ya aparecía en el trabajo de Planck, pero en otro contexto, sin tener todavía el concepto de fotones claramente expuesto).

Experiments have shown that this anomalous behaviour is not peculiar to light, but is quite general. All material particles have wave properties, which can be exhibited under suitable conditions. We have here a very striking and general example of the breakdown of classical mechanics—not merely an inaccuracy in its laws of motion, but an inadequacy of its concepts to supply us with a description of atomic events.

Los experimentos han mostrados que esta conducta anómalo no es pecular a la luz, sino que es más general. Todas las partículas materiales tienen propiedades de onda, que pueden ser exhibidas bajo condiciones adecuadas. Tenemos aquí un ejemplo general e impresionante de la ruptura de la mecánica clásica, no meramente en la falta de precisión en sus leyes de movimiento, sino en la falta de adecuación de sus conceptos para darnos una descripción de los eventos atómicos.

Acá Dirac visita, sin nombrarlos, los experimentos que mostraron que los electrones también muestran fenómenos de interferencia (ver Davisson-Germen Experiment).

The necessity to depart from classical ideas when one wishes to account for the ultimate structure of matter may be seen, not only from experimentally established facts, but also from general philosophical grounds. In a classical explanation of the constitution of matter, one would assume it to be made up of a large number of small constituent parts and one would postulate laws for the behaviour of these parts, from which the laws of the matter in bulk could be deduced. This would not complete the explanation, however, since the question of the structure and stability of the constituent parts is left untouched. To go into this question, it becomes necessary to postulate that each constituent part is itself made up of smaller parts, in terms of which its behaviour is to be explained. There is clearly no end to this procedure, so that one can never arrive at the ultimate structure of matter on these lines. So long as big and small are merely relative concepts, it is no help to explain the big in terms of the small. It is therefore necessary to modify classical ideas in such a way as to give an absolute meaning to size.

La necesidad de apartarse de las ideas clásicas cuando uno quiere dar cuenta de la estructura última de la materia puede ser vista, no solamente desde los hechos establecidos experimentales, sino desde bases filosóficas generales. En una explicación clásica de la constitución de la materia, uno asumiría que está hecha de un gran número de pequeñas partes constituyentes y uno postularía leyes para la conducta de esas partes, desde las que las leyes de la materia en conjunto podría ser deducidas. Sin embargo, esto ni completaría la explicación, desde que la cuestión de la estructura y estabilidad de las partes constituyentes quedaría sin tratar. Para tratar esta cuestión, se hace necesario postular que cada parte constituyente es a su vez compuesta de partes más pequeña, en términos de las cuales explicaríamos su conducta. No hay claramente un fin a este procedimiento, pues uno nunca llegaría a la estructura última de la materia siguiendo este camino. Como grande y pequeño son meramente conceptos relativos, no es de ayuda explicar lo grande desde lo pequeño. Es entonces necesario modificar las ideas clásicas de tal forma que nos de un significado absoluto de tamaño.

Veremos en el próximo hacia donde apunta Dirac con eso de "significado absoluto de tamaño".  Pero es interesante comentar ahora sobre su exposición de partes compuestas de partes. En algún momento tenemos que detenernos. La Naturaleza parece haberse detenido. Y para conseguirlo, el concepto de partícula termina diluyéndose en simple conducta (un electrón es un electrón por la forma en que interactúa, sin poder explicarse en términos de partes internas). Pero eso daría para otro post ;-)

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia