Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 18 de Enero, 2014, 9:23

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En el siglo XX aparecieron dos teorías físicas que cambiaron nuestra comprensión del universo: la relatividad y la cuántica. Mientras que en el siglo XIX se pensaba, ingenuamente, que en la ciencia física "sólo faltaba poner algunos decimales" en algunas leyes y constantes, el siglo que vino despertó a nuevas explicaciones de fenómenos. Lo que apareció como electromagnetismo derivó en la relatividad de Einstein, que pudo explicar por qué las ecuaciones de Maxwell eran invariantes en las transformaciones de Lorentz, cambiando entonces las ecuaciones newtonianas. Por otro lado, el estudio del espectro de los átomos, su estructura, el problema del cuerpo negro en termodinámica, y efectos como el fotoeléctrico, dieron paso a las explicaciones cuánticas, desde la explicación de Planck de la ausencia de "catástrofe ultravioleta", hasta el modelo de Einstein para explicar la radiación de luz, y el modelo atómico de Bohr.

Fue afortunado que los primeros intentos de explicar la estructura atómica, en especial el átomo de hidrógeno y su espectro, solo tuvieran que lidiar con velocidades del electrón que no caían en el rango relativístico. Pero al poco tiempo, aparecieron problemas que necesitaban la unión de las dos teorías.

Un nuevo fenómeno apareció en la teoría (y luego en la experimentación): las partículas se pueden crear y se pueden destruir. La famosa relación de Einstein, con la equivalencia de energía y masa, daba paso a que eso apariciones y desapariciones fueran posibles. Dirac, como tantas otras veces, fue un adelantado en este campo: su ecuación del electrón dio paso a la existencia de antimateria, aunque tardó un tiempo en proponer esa solución. Y él mismo fundó, en un artículo, la teoría cuántica de campos.

Veamos. En la mecánica cuántica que se fue formando en las primeras décadas del siglo XX, el principio de incertidumbre nos dice que la energía podría fluctuar mucho en un intervalo pequeño de tiempo. Por otro lado, la relatividad nos indica que la energía puede convertirse en masa, y viceversa. Con la unión de las dos teorías, la energía fluctuante puede transformarse en masa, en partículas que no existían previamente.

Si tomamos la ecuación de Schrödinger, ésta se aplicó primero al caso de un electrón ligado. Pero por más que juguemos con la ecuación, por más que se trabaje con sus ecuaciones diferenciales, el electrón sigue siendo electrón. La relatividad especial (no hace falta aún la variante general) permite la conversión de energía en materia. Pero la ecuación de Schrödinger es incapaz de explicar ese tipo de fenómenos.

Podemos ver el tema desde otro punto de vista. Siempre tenemos electrones, ligado a átomos o libres. Y cuando se ligan a átomos, o cambia de orbital, o se liberan, la mecánica cuántica clásica nos muestra que emiten radiación. Desde los primeros trabajos de Einstein (y algo en Planck, aunque propuesto indirectamente), la emisión y absorción aparece en unidades fijas de energías, que con el tiempo se llamaron fotones. Pero por otro lado, antes de esto, teníamos el electromagnetismo, que fue exitosamente explicado y modelado usando campos clásicos. Ese campo se puede desarrollar en componentes de Fourier, y con la aparición de la cuántica, esos componentes son cuantizados, y aparecen y desaparecen partículas (tengo que revisar los detalles). Así, el campo electromagnético está cuantizado (en lenguaje plano, tiene fotones). Pero notamos una asimetría en esto: los fotones se crean y se destruyen, en la emisión y absorción de radiación. Mientras tanto, el electrón está como alejado de ese juego: es eterno. Sería más interesante encontrar una teoría donde esta diferencia desapareciera.

Principal fuente consultada para este post: el excelente "Quantum Field Theory in a Nutshell", de Zee (muchas frases de arriba son simplemente mi traducción de sus primeras páginas).

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia