Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 14 de Marzo, 2015, 12:09

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Inicio hoy esta serie, sobre un tema fascinante, una teoría física que nació en el siglo XX, usando todo lo nuevo de la mecánica cuántica. Quizás sea la teoría más satisfactoria que tenemos en física. Veamos de explorarla en algún detalle.

La historia de la física nos muestra el avance en la explicación de diversos fenómenos desde unas pocas teorías. Por ejemplo, el movimiento de los planetas, el movimiento de los proyectiles, el sonido, y el calor, terminaron siendo fenómenos explicables con la física newtoniana del movimiento de los cuerpos. Esa teoría logró la primera "gran unificación" de la física al igualar la física de los cielos con los de la tierra, algo que había quedado separado claramente desde la época de Aristóteles. Se vió que el sonido también podía explicarse como movimiento de las moléculas que forman el aire. Y que el calor era la manifestación de los movimientos atómicos. En cambio, la gravitación, otro de los temas de Newton, no puede explicarse por una teoría del movimiento: es una fuerza básica de la naturaleza, que no ha encontrado todavía una explicación física de su origen.

Aunque Newton trató de explicar la luz en términos de movimientos mecánicos de partículas, se vió que esa teoría no explicaba totalmente los fenómenos lumínicos, como los patrones de interferencia. Y hubo otros fenómenos, conocidos desde la antigüedad, como los eléctricos y magnéticos, que tenían puntos de contacto con la gravitación, pero eran claramente diferentes. El siglo XIX vió nacer, principalmente de la mano de Faraday y Maxwell (para nombrar a los dos principales científicos de toda una serie de personas que contribuyeron a este avance) la unificación del electromagnetismo. Y fue Maxwell quien propuso que la luz era un fenómeno electromagnético.

Se descubrió que el calor tenía puntos de contacto con la luz: que se podía radiar, sin intercambio de materia, y que la luz transportaba energía, que podía transformarse en calor al llegar a la materia. Ese punto de contacto entre luz y materia fue misterioso por muchas décadas, y ese misterio impulsó el desarrollo de la termodinámica y la teoría de Planck para explicar el cuerpo negro. Cuando finalmente la teoría atómica fue aceptada, hubo que comenzar a explicar la interacción entre materia y luz a nivel atómico. Con los estudios de la electricidad se postuló la existencia de una partícula (la primera descubierta como tal): el electrón. La dificultad para explicar su presencia en el átomo, lleva a Bohr a su modelo atómico en 1913, donde pone en suspenso la física de su tiempo. Según ésta, si el electrón se movía debía emitir energía: todo el electromagnetismo apuntaba hacia ese resultado. Pero no era así.

Recién en 1926 el misterio comienza a resolverse mejor, gracias a la aparición de la mecánica cuántica. Al menos, para explicar el movimiento del electrón. La mecánica cuántico aportó explicación a muchos detalles de los átomos, moléculas y espectros atómicos. Explicó por qué un átomo de oxígeno se combina con dos de hidrógeno, y así sirve de fundamento a la química. Pero si bien tuvo éxito en ese campo, todavía había algo que se escapaba: la relación entre materia y luz.

Hubo que esperar a la fusión entre esa mecánica nueva y la relatividad para comenzar a explicar (desde los trabajos de Dirac) la interacción en detalle de la materia (electrón en este caso) y la luz (que gracias a la cuántica, pasó a verse como compuesta de fotones). Nació la electrodinámica cuántica. Pero la nueva teoría tenía un problema. Si se calculaba algo de forma aproximada, daba una predicción correcta. Pero si se seguía afinando el cálculo, los resultados daban: infinito! No se podía calcular nada más allá de cierta aproximación.

Como mencioné, fue Dirac el que dió una teoría que unificaba cuántica y relatividad. Triunfó donde otros habían fracasado, y de una forma notable. Su teoría explicaba no sólo el electrón, sino también la aparición del spin, un fenómeno netamente cuántico. Y anticipaba la existencia de antimateria. Relacionado con el spin, la teoría de la Dirac derivaba un momento magnético para el electrón, con valor a 1 Cerca de 1948 los experimentos mostraron que el valor era cercano en realidad a 1.00118, con una incertidumbre de 3 en el último dígito. Ya para ese entonces se esperaba que no fuera igual a uno, debido a la interacción entre electrones y fotones. Pero cuando se usaba la electrodinámica cuántica para calcular la corrección, el resultado daba infinito.

El problema fue resuelto en 1948, de forma simultánea por Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga, y Richard Feynman.

Principal fuente: el excelente libro de Richard Feynman, "QED: the strange theory of light and matter". Mucho de estos posts será apenas una transcripción en mis palabras de lo que escribe Feynman.

Mientras, sigo estudiando los temas que preceden a éste en:

Mecánica Clásica
Hacia la Mecánica Cuántica
Matemáticas y Física Cuántica
Física Cuántica
Electromagnetismo
Lagrangianos y Hamiltonianos

y algo de lo que vino después:

Teoría de Grupos y Partículas Elementales
La necesidad de una teoría cuántica de campos
Notas sobre Teorías Gauge

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia