Relatividad General - Mecánica Cuántica

Ya traje una de las teorías fundamentales de la física moderna, la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, teoría que se ocupa del Universo a gran escala, de fenómenos de largo alcance, como la gravitación.

Se dijo entonces que el movimiento esta íntimamente conectado con el tiempo, se mostró la dificultad que tenemos para imaginar un espacio de cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal. Presenté al doctor Quantum, personaje animado que de forma amena ilustra la dificultad para imaginar un espacio tridimensional para seres bidimensionales, quedando claro por extensión, el hecho de que: nuestra red neuronal no esta preparada para entender el espacio de cuatro dimensiones. (ver animación al final de esta entrada).

Se dijo también, el espacio-tiempo se ha deformado por las masas, adquiriendo una geometría no euclidiana. Y en ese espacio no euclidiano ocurren cosas muy diferentes a lo normal, en él puede que la distancia más corta entre dos puntos sea una curva, puede que dos paralelas se corten en un punto o en infinitos puntos.

La gravedad ya no es una fuerza sino una deformada del espacio-tiempo. El tiempo se deforma por la masa, al igual que el espacio. (ver la última entrada sobre Relatividad General). Todos conceptos que cambian nuestro modo de entender el tiempo y el espacio.

Pero hay otra teoría fundamental en la física moderna, es la de la Mecánica Cuántica, que se enfoca en lo que sucede con las partículas elementales, el universo atómico y sub-atómico y las fuerzas e interacciones que se manifiestan en escalas muy pequeñas. Ambas teorías funcionan muy bien, cada una por su lado, pero surgen contradicciones al intentar reunirlas.

Sin embargo, antes de adentrarse en la teoría de la Mecánica Cuántica hay que decir que el Principio de Incertidumbre es la piedra fundamental sobre la que se ha construido esta teoría. El principio de incertidumbre, descubierto por Werner Heisenberg (1901-1976), y por el cual recibió el Premio Nobel de Física de 1932, surgió como consecuencia de intentar mirar el interior de las estructuras atómicas.

Una partícula elemental, como es el electrón por ejemplo, contiene algunas características básicas, como su masa y su carga eléctrica. Pero además resulta vital, para algunos experimentos, conocer con exactitud su velocidad y su posición en un momento dado. Pues bien, Heinsenberg advirtió que ambos datos no podían obtenerse simultáneamente con exactitud.

Para saber dónde se encuentra una partícula hay que iluminarla. Pero no se puede utilizar cualquier tipo de luz: hay que usar luz cuya longitud de onda sea por lo menos, inferior a la partícula que se desea iluminar. Pero sucede que cuanto más corta es la longitud de onda, más elevada es la frecuencia, de modo que esa luz transporta una muy elevada energía. Al incidir sobre la partícula ésta resulta fuertemente afectada.

El científico puede finalmente averiguar donde esta la partícula, pero a cambio de perder toda información acerca de su velocidad. Y a la inversa, si consigue calcular la velocidad, debe renunciar a conocer su posición exacta.

Parecería que la imposibilidad de medir simultáneamente velocidad y posición de una partícula elemental estaría relacionada con los dispositivos que se usan para realizar las lecturas. Se podría pensar que la tecnología actual es incapaz de medir ambas magnitudes al mismo tiempo.

Heisenberg probó matemáticamente que, la incertidumbre no dependía de cómo se realizara la medición. Descubrió además, que había un límite infranqueable más allá del cual, no era posible determinar con exactitud absoluta, dónde estaba la partícula y a qué velocidad se movía.

La idea entonces, se convirtió en: Si no hay forma de determinar con exactitud posición y velocidad de una partícula, quizá la partícula no tenga ni posición ni velocidad definida en el espacio. Y ésto es lo controversial, ¿ puede uno imaginar pelotas de fútbol, en nuestro marco Cosmos, que no tenga ni posición ni velocidad definida ?.

El Principio de Incertidumbre sepultó definitivamente el deseo de la Ciencia de calcular y determinar con precisión, todos los fenómenos de la Naturaleza: ¿ cómo predecir el funcionamiento de sistemas complejos, si ni siquiera podemos determinar velocidad y posición de una sola partícula ?.

Todo lo que se puede saber es una combinación estadística de posición y velocidad aproximada, más allá de la cual, se introduce un ineludible factor de incapacidad de predicción o azar. Einstein se levantó en contra de esta idea, con su célebre frase "Dios no juega a los dados con el Universo".

Sin embargo, ésto ha sobrevivido y goza de buena salud. De hecho, el mundo de los microprocesadores y la micro tecnología actual deben en gran parte su éxito a la Mecánica Cuántica.

Para comprender un poco mejor este principio, te pondré ejemplos de la vida cotidiana. Supongamos, por ejemplo, que queremos medir la temperatura del agua caliente de un baño. Metemos un termómetro y medimos la temperatura del agua. Pero el termómetro está frío, y su presencia en el agua la enfría una chispa. Lo que obtenemos sigue siendo una buena aproximación de la temperatura, pero no exactamente hasta la billonésima de grado. El termómetro ha modificado, de manera casi imperceptible, la temperatura que estaba midiendo.

O supongamos que queremos medir la presión de un neumático. Para ello utilizamos una especie de barrita, que es empujada hacia afuera por una cierta cantidad del aire que antes estaba en el neumático. Pero el hecho de que se escape este poco de aire significa, que la presión ha disminuido un poco por el mismo acto de medirla.

Tales cambios son harto diminutos, y en la vida corriente de hecho los ignoramos; pero los cambios siguen estando ahí. E imaginemos lo que ocurre cuando los objetos que estamos manejando son diminutos, y cualquier cambio, por diminuto que sea, adquiere su importancia.

Heisenberg logró demostrar que es imposible idear ningún método para determinar, exacta y simultáneamente, la posición y el momento de un objeto. Cuanto mayor es la precisión con que determinamos la posición, menor es la del momento, y viceversa. Heisenberg calculó la magnitud de esa inexactitud o «incertidumbre», de dichas propiedades, y ese es su «Principio de Incertidumbre».

El principio implica una cierta «granulación» del universo. Si ampliamos una fotografía de un periódico, llega un momento en que lo único que vemos son pequeños granos o puntos y perdemos todo detalle. Lo mismo ocurre si miramos el universo demasiado cerca.

El Principio de Incertidumbre demostró que ya no podemos imaginar el mundo sub atómico como una versión reducida del sistema solar, con esferas girando en torno de un núcleo. Porque lo más probable es que las partículas elementales ni se parezcan ni se comporten como las cosas que estamos habituados a ver en nuestro mundo de todos los días.

Se abre un mundo de nuevos conceptos al abordar esta teoría, en próximas entradas intentaré sintetizar, del modo más amigable que pueda, este fascinante mundo a escala atómica. Esta entrada la conformé con datos extraídos de este sitio y también de este.