Probabilidades…..

Las palomitas de maíz son un fenómeno estadístico muy interesante. Un montón de granos de maíz se fríen en una olla. Cuando se dan ciertas condiciones, los granos estallan y se abren en una especie de flor blanca. Pero no se abren todos a la vez. Unos van primero, otros después. ¿De qué depende que un grano se abra? No lo sabemos. Posiblemente de la temperatura, que será la misma para todos los granos. Quizá también de la estructura particular de cada uno; por eso estallan en distintos momentos.

Como los detalles son muy complicados, sólo podemos aspirar a describir las palomitas con probabilidades. Una forma de hacerlo sería anunciar qué proporción de los granos han estallado al minuto de estar al fuego, a los dos minutos, a los tres, a los cuatro… Podríamos decir, por ejemplo, que al minuto ningún grano se ha convertido en palomita, pero que a los cinco casi todos lo han hecho. Hablar de cada grano individual sería dificilísimo. No sabríamos qué propiedades del grano usar para el análisis. Pero quizá algún día se pueda, y en ese caso podremos saber cuándo se convertirá en palomita cada uno de los granos de maíz.

En la física anterior a la cuántica, llamada física clásica, se usaban probabilidades cuando el fenómeno era tan complicado que no había esperanza de tomar conocimiento de todos los detalles pertinentes. La cosa no era imposible, sin embargo. Se podía uno imaginar que, con gran laboriosidad, se podría analizar el fenómeno y describirlo con toda certeza, sin usar probabilidades.

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Dualidad Onda – Particula

Para explicar la radiación térmica Planck tuvo que suponer que la radiación (y la luz en general) tenía propiedades de partícula, por lo menos en ciertas circunstancias. Pero los físicos sabían bien que la luz se comportaba como una onda.

  • ¿Qué era entonces la luz?
  • ¿Onda o partícula?
  • ¿No podría ser las dos cosas?

En la física de antes de la mecánica cuántica (llamada física clásica) ondas y partículas son cosas muy distintas. Vamos a ver por qué.

Superposicion

SUPERPOSICIÓN
UNAS OLAS QUE VIAJAN EN DIRECCIONES DISTINTAS SE ENCIMAN EN ESTA PLAYA. LAS ONDAS PUEDEN PASAR UNAS SOBRE OTRAS (SUPERPONERSE) SIN ALTERARSE.

Interferencia

INTERFERENCIA
ONDAS EN EL AGUA PRODUCIDAS POR DOS FUENTES DISTINTAS. LAS ONDAS PASAN UNAS SOBRE OTRAS.
EN LAS REGIONES DONDE SE CRUZAN, PUEDEN SUMARSE O RESTARSE. SI EN UN PUNTO COINCIDEN

LA CRESTA DE UNA ONDA CON EL VALLE DE OTRA, EL RESULTADO ES QUE SE ANULAN.OBSERVA EN ESTA FOTO LAS REGIONES DONDE NO SE VEN ONDAS (FORMAN UNAS ESPECIES DE RAYOS QUE SALEN DE LAS FUENTES). DOS ONDAS ENCIMADAS PUEDEN DAR POR RESULTADO CERO ONDAS.

difracccion

DIFRACCIÓN
LAS ONDAS QUE PASAN POR EL CANAL HACIA LA LAGUNA SE ABREN EN ABANICO AL SALIR DEL OTRO LADO. LAS ONDAS PUEDEN RODEAR OBSTÁCULOS Y DEFORMARSE AL CRUZAR LA PARED.

Incertidumbre Cuantica

En la vida diaria vemos las cosas porque reflejan luz. Las partículas de luz, llamadas fotones, llevan a nuestros ojos la información acerca de la posición de los objetos.
Para ver –y sobre todo ubicar— partículas cuánticas sería preciso que reflejaran por lo menos una partícula de luz. Una pelota no se desvía al intercambiar impulso con una ráfaga de fotones, por intensa que ésta sea; pero cuando un fotón rebota contra un electrón en movimiento, el impulso que el fotón le transfiere al electrón es suficientemente grande para desviarlo. Es como tratar de determinar la posición de una persona aventándole ladrillos: un solo fotón basta para alterar notablemente la posición y la velocidad –y por lo tanto la trayectoria– del electrón.
Cuanto más pequeña es la longitud de onda de la luz con que se ilumina al electrón, mayor es la exactitud con la que podemos determinar su posición, pero también es mayor el impulso que intercambia el fotón con el electrón, por lo que se pierde precisión en la medida de la velocidad. Este razonamiento llevó a Werner Heisenberg a concluir que “cuanto más exacta es la medida de la posición, menos lo es la de la velocidad, y viceversa”.
La escala a la que se nota este fenómeno está dada por la constante de Planck h . Cuando la precisión con que se requiere medir la posición y la velocidad se aproxima a la escala de h empieza a notarse esta imposibilidad de medir ambas con toda precisión. En la vida diaria y macroscópica las imprecisiones en las medidas de posición y velocidad son siempre gigantescas comparadas con h . Es en la escala de las partículas subatómicas donde el principio de incertidumbre hace de las suyas.
Heisenberg interpretó este resultado así: puesto que la mecánica cuántica no permite que se midan con toda precisión la posición y la velocidad a un tiempo, y puesto que, en opinión de Heisenberg, lo que no se puede medir no existe, las partículas subatómicas, no tienen posición ni velocidad determinados; por lo tanto, no tienen trayectoria.

Cuantización

La radiación térmica demuestra que la energía de la radiación (luz, ondas de radio, rayos X…) cambia a saltos discontinuos, como en una escalera. Hasta 1900 los físicos pensaron que variaba continuamente, como la altura en una rampa. ¿Qué pensarías si al subir por una rampa empezaras a avanzar a saltos misteriosamente? La cuantización de la energía fue una sorpresa para los físicos.

En la mecánica cuántica muchas cantidades que se creían continuas resultaron ser discontinuas, o discretas, como dicen los físicos. Pero la cuantización sólo se nota en la escala más pequeña, la de los átomos y las partículas elementales. Con los objetos de la vida diaria podemos seguir suponiendo que la energía y otras cantidades cambian continuamente, pero ahora sabemos que la verdad es otra. La mecánica cuántica nos revela un nuevo aspecto de la naturaleza que permaneció oculto hasta que Max Planck descubrió los cuantos en 1900.

¿mecanica cuantica?

En 1905 Albert Einstein echó mano de la hipótesis cuántica para entender por qué ciertos metales emiten electricidad cuando les da la luz (efecto fotoeléctrico). En 1913 Niels Bohr la usó para explicar por qué los átomos, en ciertas circunstancias, emiten luz de colores que son característicos de cada sustancia (espectros atómicos).

Para 1930 la hipótesis cuántica ya había dado lugar a una teoría completa del mundo de lo muy pequeño: la mecánica cuántica.

Importancia de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la teoría más exacta y versátil de la física. Está detrás de una asombrosa gama de aplicaciones tecnológicas. Le deben su existencia las computadoras, la tecnología láser, las cámaras de video, las celdas solares y las máquinas que usan los médicos para ver el interior del cuerpo sin cortarlo.

Además de útil desde el punto de vista práctico, la mecánica cuántica nos ha revelado grandes secretos acerca de la naturaleza. Comprendemos mucho mejor el universo desde que tenemos una teoría de lo muy pequeño. Hoy en día hay muy pocas investigaciones en física que no requieran la mecánica cuántica. Hasta la investigación del origen del universo la usa.