Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 28 de Noviembre, 2020, 14:56

Hace unas décadas tuve el acierto de comprar y leer el excelente libro de divulgación "Los quarks, la materia prima del universe" de Harald Fritzsch (1943-) Fue uno de los libros que me explicó el tema de las partículas elementales, su historia y el modelo estándar, tópicos que en aquel entonces estaban fuera de los estudios de mi adolescencia. Junto con los números del Scientific American de los ochenta del siglo pasado, fue un descubrimiento fascinante, no solo por esos temas sino por comenzar a entender cómo funciona la investigación científica en física.

En estos días vuelvo al libro, y leo:

A principios de este siglo se erigieron dos edificios teóricos que han influido de manera decisiva en el desarrollo de la física desde 1910, aproximadamente. Son la teoría cuántica y la teoría de la relatividad.

Es un tema que ya he comentado: cómo la física de fines del siglo XIX, que parecía totalmente resuelta, en realidad deparaba estas sorpresas.

La teoría de la relatividad, formulada en el año 1905 por el joven de 26 años Albert Einstein (empleado de la oficina de patentes de Berna) tuvo como consecuencia una revolución en nuestros conceptos de espacio y tiempo. A grandes velocidades no sirven nuestras ideas intuitivas de espacio y tiempo, las ideas que Isaac Newton formuló en forma matemática. Una consecuencia especial de la teoría de la relatividad es que existe una velocidad máxima: la velocidad de la luz, llamada c (unos 300 000 km/s). Ningún cuerpo puede moverse con una velocidad que supere c. Otra consecuencia es que la masa no se conserva. En la mecánica no relativista ordinaria se espera que la masa de un objeto compuesto de dos partes sea igual a la masa de éstas. Cuando, por ejemplo, juntamos dos bolas de acero, cada una con una masa de un kilo, esperamos que el sistema conjunto tenga una masa de dos kilos. Esto ya no es así en la teoría de la relatividad; la masa puede ser tanto destruida como puede ser creada. Por ejemplo, dos partículas elementales como son el protón y el neutrón pueden unirse y formar un sistema ligado llamado deuterón. Resulta que la masa del producto final (deuterón) es algo menor que la suma de las masas del protón y el neutrón.

Pero no acaba aquí la sorpresa:

Mientras que la teoría de la relatividad ha modificado radicalmente nuestros conceptos del espacio y el tiempo, la teoría cuántica revolucionó nuestra concepción del acto mismo de conocer los procesos naturales. En el marco de la teoría cuántica ya no pueden hacerse predicciones de validez absoluta, sólo pueden describirse la probabilidad de un proceso. Sabemos, por ejemplo, que el neutrón (una de las partículas elementales de las que nos ocuparemos en detalle más adelante) no es un objeto estable. Por el contrario, se desintegra transcurrido un cierto intervalo de tiempo. Como productos de la desintegración se “crean” un protón y otras partículas.

Ahora bien, resulta imposible fijar un tiempo exacto al cabo del cual el neutrón se ha desintegrado. Sólo se puede hablar de una probabilidad. Decimos, por ejemplo: existe una probabilidad del 50% de que un neutrón se haya desintegrado transcurridos diez minutos (este tiempo recibe el nombre de vida media). Eso significa, en particular, que al considerar un gran número de neutrones, aproximadamente la mitad de ellos se ha desintegrado transcurridos diez minutos. Por ejemplo, esperamos que pasados diez minutos, de 1000 neutrones queden “con vida” sólo unos 500. Después de otros diez minutos se habrán desintegrado otros 250 neutrones, etc.

Las leyes probabilísticas de la mecánica cuántica permiten, por tanto, hacer predicciones sobre muchos estados; en nuestro caso, sobre muchos neutrones. No es posible, sin embargo, decir nada definitivo sobre un solo neutrón. De manera que la probabilidad de que un neutrón se desintegre pasados algunos minutos no aumenta transcurridos éstos. Un neutrón no envejece.

En el marco de la mecánica cuántica, desarrollada a mediado de los años veinte, principalmente por Max Born, Werner Heisenberg y Pascual Jordan, es imposible hacer una predicción ajustada para un proceso físico. Sólo podemos decir: la probabilidad de que pase ésto o aquello es así o asá. Recuerdo un poco a una ruleta, donde cualquier que entienda algo de probabilidad puede calcular sus posibilidades de ganar (en el interés del casino éstas son las más pequeñas posibles).

Curioso que no mencione a Schrödinger. O a Dirac comenzando a unificar ambos temas.

Se ha intentado repetidamente interpretar las leyes probabilística de la teoría cuántica como la consecuencia de nuestra ignorancia acerca de los procesos elementales en cuestión. En efecto, podríamos pensar que un neutrón es de hecho un objeto harto complicado en el cual se desarrollan ciertos procesos desconocidos. Un neutrón se desintegraría en el momento que se diese un proceso muy determinado. La ignorancia sobre dichos procesos obligaría a un observador exterior a hacer solo afirmaciones de tipo probabilístico. Pero si fuese posible hacer visibles los procesos que transcurren en el interior del neutrón -con un microscopio especial, por ejemplo- un observador tendría la posibilidad de conocer el momento exacto en que el neutrón por él observado se desintegrase.

Creemos hoy que las afirmaciones probabilísticas de la teoría cuántica no nacen de una ignorancia sobre los procesos elementales en cuestión, sino que éstos fijan un límite absoluto a nuestra capacidad de conocimiento. Nunca será posible decir con seguridad absoluta cuándo se va a desintegrar un determinado neutrón. Así, la teoría cuántica establece un límite preciso de la misma manera que la teoría de la relatividad fija la velocidad de la luz como la velocidad máxima en la naturaleza. La limitación que impone a nuestra capacidad cognoscitiva la teoría cuántica no ha sido aceptada de buen grado por muchos físicos, incluso físicos que en un principio hicieron aportaciones decisivas a la teoría cuántica, como, por ejemplo, Albert Einstein. Así, Einstein hasta el final de sus días de la interpretación probabilística de la teoría cuántica, lo que ha quedado plasmado, por ejemplo, en sus famosa frase: “Dios no juega a los dados”.

Recuerdo a Schrödinger resistiéndose a esta interpretación de la mecánica cuántica que él mismo ayudo a cimentar, y cómo en una visita a la casa de Borh, estando el propio Schrödinger convalesciente de un resfrío, el anfitrión entablaba conversación tratando de convencerlo.

Espero poder seguir escribiendo de estos temas.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia