Recientemente discutí esto con algunos estudiantes universitarios que enseño. Es una muy buena pregunta y, creo, proporciona un momento de enseñanza.
Verá, esta pregunta nos obliga a investigar lo que realmente queremos decir con “hacer física”. Una opinión popular en el siglo XIX era que la física era el proceso de descubrir las leyes fundamentales del universo, una visión que se basa en el supuesto de que tales leyes realmente existen en primer lugar. En cierto modo, Einstein fue el último gran físico en sostener este punto de vista con firmeza: “Quiero conocer los pensamientos de Dios. El resto son detalles ”, como dijo una vez.
Sin embargo, la forma en que la física avanza fundamentalmente no es, de hecho, a través de la construcción de teorías elegantes. Ese paso no puede suceder en absoluto sin observaciones y experimentación. Y las observaciones hechas en el siglo XX obligaron a la comunidad de la física a confrontar la misma pregunta que acaba de plantear y, al hacerlo, dio vuelta la idea de lo que queremos decir con “hacer física”.
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- Si el "aumento" de datos de Fermilab realmente indica una quinta fuerza fundamental, ¿eso hace que encontrar una Gran Teoría Unificada sea menos o más probable?
- ¿Hemos demostrado que las leyes de la física son las mismas en cualquier parte de nuestro universo visible?
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- ¿Existe la partícula antes de la medición?
El físico observacional no hace ninguna afirmación sobre la naturaleza fundamental del universo: ese es un tema para el filósofo. Más bien, el físico observa el universo e intenta identificar patrones en el universo. Implícitamente, asumimos que el universo puede hacer más o menos lo que quiera, pero observamos que algunos aspectos de su comportamiento parecen ser predecibles. Nuestro trabajo es crear modelos para esa previsibilidad. Estos modelos no se consideran “verdaderos”; se consideran útiles. Se pueden usar para predecir, con cierta incertidumbre bien definida, qué observaciones futuras nos dirán. Si fallan de alguna manera cuando se enfrentan a nuevas observaciones, entonces se requiere la modificación del modelo o un modelo completamente nuevo.
En este caso, esta cosa que llamamos ‘partícula’ fue descrita con mucho éxito durante muchos años como una esfera dura muy pequeña. Estos obedecían las leyes de la mecánica newtoniana, al igual que los planetas, y también podían contener una carga. Esto condujo al desarrollo de una teoría de los átomos en la que los electrones de la esfera dura se deslizaban alrededor de los nucleones de la esfera dura acorralados en el núcleo central, unidos por la atracción de cargas opuestas y siguiendo la misma dinámica que los planetas alrededor del sol.
Pero esto llevó a un problema. Uno grande. Las cargas aceleradas, y eso es lo que son los electrones que se mueven en una órbita circular, deberían irradiar energía (esto se llama Radiación Sincrotrón) y, por lo tanto, sus órbitas deberían decaer. Los electrones deben girar en espiral hacia adentro hasta que choquen con el núcleo en poco tiempo. Los átomos no deberían funcionar, en otras palabras.
Entonces, ¿qué da? Para entenderlo, debemos retroceder unos pasos y analizar un problema relacionado, el de si la luz es una partícula o una onda. Parecía, a fines del siglo XIX, que esta pregunta había sido aclarada: Maxwell había ideado las ecuaciones de control del electromagnetismo y éstas se habían utilizado para demostrar que la luz debe ser un campo eléctrico y magnético acoplado, propagándose de la manera de una onda (ecuaciones de Maxwell y luz). Pero luego llegó Einstein, con su “efecto fotoeléctrico” (¿Qué es el efecto fotoeléctrico?) Y demostró que esto no tenía mucho sentido. La luz que brillaba en una superficie parece entregar energía en “trozos” como una ametralladora que dispara balas, en lugar de continuamente (como implicaría una descripción de la ola). Un extraño misterio, para estar seguro.
Luego, el físico Louis de Broglie apareció y, de manera bastante informal, pensó: ‘¡Oye, sería genial que partículas como los electrones también pudieran describirse como ondas! Sería una buena simetría con el hecho de que las ondas de luz a veces se comportan como partículas. ¡Esto es completamente ad hoc ! Sin embargo, curiosamente funciona … el impulso de un electrón puede usarse en el modelo de De Broglie para predecir la longitud de onda de la ‘onda de materia’ propuesta y resultó que si intentabas disparar electrones a través de una abertura estrecha de tamaño comparable, podrías en realidad obtener difracción de electrones, una propiedad de onda!
Woah
Entonces, ¿qué tiene esto que ver con los electrones en un átomo? Bueno, en otra construcción de modelos asombrosamente ondulada a mano, Neils Bohr sugirió, a propósito de nada, que tal vez los electrones simplemente no podían caer en el núcleo. Tienen un radio de órbita mínimo y no pueden perder más energía orbital. De hecho, y esto fue motivado por otras observaciones, a los electrones solo se les permitía ocupar órbitas muy específicas, por lo que no irradian energía a medida que giran hacia adentro, sino que a veces saltan entre estas órbitas. Ahora, esto parece bastante extraño, pero sucede algo interesante cuando se combina con el modelo de De Broglie: la circunferencia de las órbitas permitidas observadas se corresponde precisamente con un número entero de longitudes de onda de electrones, para que los electrones con el momento adecuado estén en esa órbita. Para ser precisos, su electrón tiene que dar vueltas y vueltas alrededor del átomo con una velocidad bien definida y, por lo tanto, impulso en cualquier órbita dada. Este impulso te da una longitud de onda de De Broglie. Solo cuando obtienes un número entero de longitudes de onda se permite esa órbita. En otras palabras, ¡esto suena muchísimo como una condición de onda estacionaria!
Entonces, ¿qué da? El electrón es una onda? La luz está hecha de partículas? Resulta que las partículas y las ondas son modelos matemáticos para un comportamiento particular, y una vez más, el universo simplemente hace lo que quiere. Entonces necesitamos un nuevo modelo. Y finalmente, Schrodinger nos dio uno.
En el nuevo modelo, o conjunto de modelos, llamados ‘mecánica cuántica’, los electrones y los fotones no son partículas ni ondas en el sentido clásico. Son objetos cuánticos descritos usando un modelo llamado ‘función de onda’. Todavía tienen energía y momentos, pero estas son expresiones de la función de onda a lo largo de las líneas propuestas por de Broglie. La función de onda en sí no corresponde a nada en la mecánica clásica, aunque obedece a una matemática similar a las ondas clásicas, pero su cuadrado (la amplitud) gobierna la probabilidad de una interacción con el objeto cuántico en una ubicación en el espacio, siendo una interacción un intercambio de energía o impulso.
Este nuevo modelo ha tenido mucho éxito, a pesar de su naturaleza aparentemente abstracta. Pero no es necesariamente ‘más cierto’ que el modelo de partículas: solo es más ampliamente aplicable, es decir, más útil .
