La mecánica cuántica - Física moderna

ESTUDIO DEL MUNDO SUBATÓMICO.

INTRODUCCIÓN

¿Cuál es su aplicación?

Es el conocimiento de la propia realidad, como se desarrolla nuestro universo, en un mundo infinitamente menor y menos conocido, cuyo descubrimiento cambiaría mucho nuestra percepción de la propia realidad y elaborar numerosos avances en cuanto a la física se refiere, y además utilizar los conocimientos para nuestros avances tecnológicos porque ¿Quién sabe que podríamos hacer con estas partículas?.


¿Qué es la mecánica clásica?

Es una gran aproximación a la realidad dentro de unos límites, ya que cuando se tratan de velocidades muy elevadas, cercanas a la velocidad de la luz, se debe recurrir a la teoría de la relatividad. (cosa ya explicada con anterioridad en mi blog) - Teoría de Newton - Explica las diversas leyes de Newton acerca de los movimientos e incluso los planetas. Más tarde vino la relatividad especial para resolver el problema de las grandes velocidades - Teoría de la relatividad. 

Autores de la teoría de la gravedad a la izquierda encontramos a Galileo Galilei y a la derecha a Newton si queremos referirnos a los autores relevantes que dieron lugar a la mecánica cuántica habría que añadir a Einstein pionero y creador de la teoría de la relatividad.

Posturas de los autores ante la sociedad y solución ante este problema:

• Niles Bohr va a decir: "los que no quedaron en shock cuando enfrentaron este tema por primera vez, no pudieron entenderlo".

• Richard Feynman dirá: "Yo creo que es seguro decir que nadie entiende la mecánica cuántica. Pero... ¿será eso posible? ¿cómo? será una labor nuestra salir de esta calle ciega de la que nunca nadie ha escapado hasta ahora". Feyman impuso la "hipótesis atómica" según la cual todas las cosas están hechas de átomos: pequeñas partículas en movimiento perpetuo que se atraen mutuamente cuando están a poca distancia y se repelen al ser apretadas unas contra otras. Los átomos son las partículas mas pequeñas - La teoría de Feyman parece ser cierta ya que esta demostrado que todo está hecho de átomos y existen las partículas subatómicas.

Imagen de un átomo según la teoría de Feynman. Partícula que está en un movimiento perpetuo que al estar junto a otra de estas partículas a poca distancia se atraen y se repelen unas contra otras.

DESARROLLO DE LA MECÁNICA CUÁNTICA

¿Cuales son las preguntas mas frecuentes?


¿Será que cada electrón es como un planeta en miniatura?¿Será que podremos comprender las leyes que gobiernan este micro universo?

Probablemente la respuesta sea no. Pero lo que si se puede asegurar es que el mundo subatómico es muy diverso.

Esta imagen representa el micro universo, como son aquellas partículas de las que nosotros ni siquiera nos percatamos un mundo en una escala inferior a la de un átomo.

¿Cuál es su objeto de estudio?


En la escala microscópica lo los fenómenos físicos solo pueden estudiarse por medio de la mecánica cuántica.

En la explicación de los electrones, protones, neutrones y todo lo referido a las partículas subatómicas la relatividad deja de funcionar por ello debemos recurrir a la mecánica cuántica. Debemos tener en cuenta, cuando los elementos forman enlaces químicos se provocan por el intercambio de las partículas subatómicas. También tenemos que tener en cuenta que la carga es positiva en los protones y neutrones y la carga es negativa por parte de los electrones (las cargas han sido establecidas por convención por parte de los científicos) y además las partículas subatómicas son iguales en todos los elementos y lo que hace ser al elemento es la cantidad en la que se presentan dichas partículas subatómicas.

En en el enlace químico dentro del átomo la ruptura de los enlaces es muy complicada y se provoca gracias a las reacciones nucleares, en el núcleo del átomo.

Esta imagen demuestra el gran alboroto entre las partículas subatómicas y la gran diversidad  entre las partículas y sobre todo el mundo caótico que se nos presenta.

AQUÍ ES DONDE ENTRA EL REINO DE LA MECÁNICA CUÁNTICA. - Un viaje imaginario a otro mundo, mundo que es ultra microscópico, muy en el interior del átomo. Para ello debemos abrir la mente porque no sabemos lo que nos podemos encontrar. Todo se comporta de una manera extraña. a este mundo lo llamamos universo cuántico.





¿Qué es el Universo cuántico?.

Al llegar a ese mundo nos ocurrirá algo parecido como le pasó a Alicia cuando llegó al "país de las maravillas". Nos encontraremos en un mundo muy extraño. Gobernado por otras leyes. En el mundo cuántico todo funciona distinto ni Galileo, Newton, Einstein y todos los de su época no supieron aplicar sus leyes a este mundo.

Visión de un mundo subatómico que contiene unas leyes muy diferentes a nuestro mundo actual.

¿Cuales son las Leyes de la mecánica cuántica?.

La mecánica cuántica no tiene ningún papel en nuestro mundo, sólo en el mundo de cada átomo donde las partículas:

1. Pueden comportase como partículas y como ondas. Como la luz, que cuando se desplaza se comporta como una onda pero cuando interactúa con la materia se comporta como un haz de partículas llamados fotones.
2. Pueden poseer simultáneamente dos o mas valores de una cantidad observable, es decir, pueden tener, por ejemplo, dos posiciones a la vez. Mejor dicho, pueden estar en varias partes al mismo tiempo. A esto se lo llama superposición cuántica.
3. Pueden estar conectadas a grandes distancias (entrelazamiento).

Tema de las leyes

Según la mecánica cuántica los objetos microscópicos pueden, bajo ciertas condiciones, exhibir un comportamiento ondulatorio y bajo otras condiciones pueden comportarse como partículas (objeto que se puede localizar en una región concreta del espacio) - Es la famosa dualidad onda - partícula

Es el momento de hablar sobre el experimento de la doble rendija (en este experimento nos muestra como una partícula puede, en teoría, estar en dos sitios, o mejor en dos estados, de manera simultánea).

Visión de una superposición cuántica, dirigida  por la mecánica cuántica que estudia los objetos microscópicos bajo ciertas condiciones.

CONCLUSIÓN

Este es un mundo muy complejo en el que nuestra mente se colapsa un mundo desconocido donde las leyes de nuestro mundo se desconoce, un mundo que está en pleno estudio, por lo que aún nos falta mucho por descubrir estos grandes enigmas. Espero que al leer esto entendáis como se nos plantea la física en nuestra realidad y actualidad, un tema muy espeluznante que aún queda por descubrir.

BIBLIOGRAFIA:
http://astroverada.com/_/Main/T_quantum.html
http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/cuantica/index.htm
http://www.interciencia.org/v20_05/ensayo01.html
http://www.nuclecu.unam.mx/~vieyra/cuant1.html
http://es.wikiquote.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica
http://www.youtube.com/watch?v=aVGWdLTc_qY
http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica

La teoría de las cuerdas - Elena Herranz - 1ºA

Esta teoría, básicamente, defiende que los puntos no son simplemente puntos, si no que son cuerdas flotantes que vibran en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones.  De esta manera dependiendo de cómo se mueva esta cuerda se producirán diferentes efectos, como atrapar, defenderse, la gravedad…

Con esta teoría se pretende llegar a crear una teoría del todo, que abarque desde el minúsculo mundo cuánticuántico hasta la grandeza de la astro física.

Esta teoría basada en cuerdas fue hecha para describir una teoría gravitatoria, la cual era muy necesaria para crear la teoría del todo, esta teoría quiere unificar todas las fuerzas de la naturaleza en una sola teoría global.

Si la teoría de cuerdas es correcta, el universo entero estaría formado por diminutas cuerdas oscilantes.

Todavía no existen evidencias experimentales que prueben una teoría como la de cuerdas, esto quiere decir que es una teoría que todavía está en desarrollo.

En años recientes han habido muchos avances importantes que han mejorado radicalmente nuestra comprensión de la teoría.

El doctor Brian Greene publicó un libro llamado El Universo Elegante en el que trataba los últimos avances en la investigación de dicha teoría.

http://violetadedios.files.wordpress.com/2011/01/el-universo-elegante-de-brian-greene.pdf 

Brian Greene 

Conocemos algunas de sus partes, pero todavía no su estructura completa, y por lo tanto no podemos hacer predicciones concretas. Así que mejor quedarse con la antigua teoría hasta que se pueda demostrar lo nuevamente descubierto.

Hoy en día existen cinco teorías de las denominadas supercuerdas, estas están relacionadas con cinco modos para implementar la supersimetria en la teoría de cuerdas:

 - Teoría de cuerda Tipo I

 - Teoría de cuerda Tipo IIA

 - Teoría de cuerda Tipo IIB

 - Teoría Heterótica SO (32) (cuerda HO)

 - La Teoría Heterótica E8×E8 (cuerda HE)

Aunque al principio este gran número teorías desconcertó a los científicos, posteriormente el saber convencional sugirió que eran solo los casos límite de una única teoría sobre un espacio de 11 dimensiones (1 de tiempo, 3 de espacio y 6 adicionales resabiadas). Esta teoría única se conoce como teoría M, que fue deducida en 1995. Esta teoría no esta completa, pero puede aplicarse a muchas situaciones, por esto algunos científicos han cuestionado los éxitos tangibles de la teoría M incluso después de años de intento de investigación.

La teoría M contiene mucho más que cuerdas, contiene tanto objetos de mayor como menor dimensionalidad. Estos objetos se llaman P-branas, donde p marca su dimensión. 

Crea una organizacion de esferas/membranas sin límite pero con un orden. Para esta hipótesis, orden holográfico, definirá entre otros, el dinamismo y/o relaciones dentro del sistema.

El principal problema de la física actual es poder incorporar la fuerza de la gravedad  al resto de las fuerzas físicas ya unificadas. La teoría de las supercuerdas sería un método de unificación de dichas teorías. La teoría está lejos de estar acabada y perfilada, ya que hay muchísimas variables sin definir, por lo que existen varias versiones de la misma.

"La teoría de las cuerdas es tan ambiciosa que sólo puede ser del todo correcta o del todo equivocada. El único problema es que sus matemáticas son tan nuevas y tan difíciles que durante varias décadas no sabremos cuáles son"

Vídeo: http://www.youtube.com/watch?v=ZM387YdFzAY

Fuentes: wikipedia

             yahoo respuestas 

             diferentes blogs sobre el tema 

El anti-imán

El magnetismo es, según el Centro Magnético, un fenómeno físico por el que algunos materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Este fenómeno tiene varias aplicaciones prácticas, como por ejemplo, la energía que se genera gracias a ellos en las turbinas de las centrales nucleares, térmicas o eólicas.

Magnetismo en imanes (el polo norte atrae al polo sur).

Brújula que funciona con el magnetismo de la Tierra para orientarse.

  Aunque se sabe cómo crear magnetismo, no se sabe cómo anularlo; por eso, un grupo de investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), integrado por Álvaro Sánchez Carles Navau, Jordi Prat-Camps y Du-Xing Chen, ha realizado un estudio en el que han desarrollado una fórmula para crear el anti-imán.

Actualmente, aislar un campo magnético no es muy complicado y existen ciertos sistemas de bloqueo a modo de pantallas que se utilizan habitualmente para ello; aunque con esto no se consigue anularlo. Por eso, además de este sistema de pantallas interior, el anti-imán estaría formado por un nuevo tipo de capa magnética que protegería a los campos magnéticos externos, con lo que se conseguiría que la propia pantalla no distorsionara el campo magnético, como ocurre con los sistemas de apantallamiento actuales. De esta forma, el anti-imán no podría detectarse desde el exterior.

a-b: campos magnéticos; c: apantallamiento interno con un anti-imán de uno de los campos; d-e-f: bloqueo del campo magnético incluso cuando no está completamente cerrado (f).

Este estudio servirá para desarrollar dispositivos capaces de bloquear cualquier campo magnético, lo que permitiría, por ejemplo, hacer resonancias magnéticas a pacientes que lleven marcapasos o implantes cocleares (en el oído interno), ya que el anti-imán protegería estos objetos para que no se vieran afectados por el magnetismo.

Hace unos meses, los investigadores pusieron en evidencia la viabilidad del anti-imán con un ordenador, al recrear un dispositivo formado por diez capas cilíndricas y un imán pequeño. Además, manifestaron que la capa se podría adaptar a otras formas geométricas y distintas funciones cuando el cilindro no se cierra totalmente.

Investigadores: Á. Sánchez y C. Navau

Materiales necesarios para fabricarlo:

El anti-imán se puede conseguir al superponer capas de materiales superconductores con diferentes propiedades magnéticas y materiales ferromagnéticos, formando un metamaterial, es decir, una capa interna superconductora recubierta de varias capas de un material ferromagnético, separadas por aire u otro material no magnético.

En su estudio, los investigadores han demostrado que se puede construir este metamaterial con materiales prácticos y tecnologías disponibles.

Ejemplo de una capa formada por metamateriales

Usos y aplicaciones:

El anti-imán podría evitar la detonación de minas magnéticas, lo que podría proteger los cascos de barcos de minas magnéticas submarinas; aunque también evitaría la detección de algunos objetos magnéticos (armas, explosivos,…), con el peligro que ello supone para la seguridad. Para evitarlo, habría que desarrollar sistemas de seguridad no magnéticos con los que se pudieran detectar estos materiales magnéticos.

También, podría tener otras aplicaciones tecnológicas ya que, al ser uno de sus componentes un material superconductor que debe estar muy refrigerado, podrían desarrollarse dispositivos capaces de "encender" y "apagar" el campo magnético variando la temperatura de la sala donde se encontrara dicho dispositivo.Además, tiene aplicaciones médicas, como por ejemplo, realizar resonancias magnéticas a enfermos con marcapasos o implantes cocleares, protegiendo con un anti-imán a estos aparatos de los campos magnéticos (los cuales distorsionarían su funcionamiento o el de las máquinas). Igualmente, debido a su capacidad de adoptar distintas formas o la posibilidad de no cerrarlo completamente, haría más viable su uso, ya que, por ejemplo, los marcapasos necesitan cables para conectarse a otras partes del cuerpo.

Imagen de una radiografía de un paciente con marcapasos, en la que se ven los cables que unen el marcapasos con el corazón.

Respecto a su futura comercialización, todavía tienen que desarrollarse experimentalmente dispositivos que cumplan exactamente estas propiedades. Sin embargo, podrían fabricarse versiones simplificadas que consiguieran un buen apantallamiento con poca distorsión del campo magnético, las cuales podrían fabricarse en poco tiempo, ya que, los superconductores con los que se fabricarían se pueden conseguir fácilmente y el único problema sería conseguir capas magnéticas con las propiedades deseadas.

Ventajas del anti-imán:

Los dispositivos pueden ser fabricados con materiales que ya existen y podría adoptar diferentes formas geométricas, siendo muy eficaz aunque el espacio a proteger no pueda cerrarse del todo.

Desventajas:

Se podría distorsionar un campo magnético externo colocado sobre la capa del anti-imán, por lo que el dispositivo tendría que ser combinado con varias capas exteriores de metamateriales para corregir esta distorsión y no interferir con el campo magnético. Además, podrían llegar a usarse de forma malintencionada.


**Debido a que este es un tema tan novedoso, no existen fotografías ni vídeos en los que se pueda observar gráficamente.

Bibliografía:

http://www.centromagnetico.com/magnetismo/introducción.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo
http://universodoppler.wordpress.com/2011/09/27/cientificos-espanoles-desarrollan-el-primer-anti-iman/
http://iopscience.iop.org/1367-2630/13/9/093034/fulltext/
http://www.cuentamealgobueno.com/2011/10/inventan-un-anti-iman-que-esconde-cualquier-campo-magnetico/

¿Se derrumban los pilares de la física?- Elena Herranz 1ºA

Los pilares fundamentales de física y la teoría de la relatividad de Albert Einstein se tambalean después de que la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) haya descubierto que hay algo que se mueve más rápido que la luz: los neutrinos.

El CERN es el mayor laboratorio de investigación en física de partículas a nivel mundial situado en la frontera entre Francia y Suiza y fundado en 1954 por 12 países europeos.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −271,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008 y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008, el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.

A fines de 2009 fue vuelto a poner en marcha, y el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense.

El equipo internacional de científicos ha descubierto que unas partículas, llamadas neutrinos, viajan más rápido que la luz. Este hallazgo podría suponer un desafío a una de las leyes fundamentales de la física.

Antonio Ereditato, que trabaja en el centro de partículas físicas del CERN comento que  tres años de mediciones han mostrado que los neutrinos se movían 60 nanosegundos más rápido que la luz en una distancia de 730 kilómetros entre Ginebra y Gran Sasso, en Italia.

La luz podría haber cubierto esa misma distancia en alrededor de 2,4 milésimas de segundo, pero los neutrinos tardaron 60 nanosegundos (un nanosegundo equivale a una mil millonésima parte de un segundo) menos que los haces de luz.

El director general del CERN, Rolf Heuer, ha lanzado un mensaje de prudencia ante los primeros resultados que indican que los neutrinos alcanzan una velocidad superior a la de la luz y a animado a la comunidad científica a verificarlo ya que podría ser revolucionario y a pedido la colaboración de toda la comunidad científica para asegurar si el descubrimiento es correcto.

El director general a explicado que existe un estudio en U.S.A con unos resultados que van en la misma dirección aunque con menor resolución.

Este descubrimiento no supone que la teoría de Einstein sea errónea porque pueden existir diferentes interpretaciones del hallazgo por eso es el momento de los teóricos.

Esto no repercutiría en la vida diaria pero si en el conocimiento y en la forma de entender el universo y tendría una aplicación práctica en los hospitales.

Para no perderse

¿Qué es un neutrino?

Es un tipo de partícula subatómica sin carga eléctrica y con una masa tan pequeña que es difícil de medir. Son tan livianos que apenas interaccionan con la materia. Miles de millones de neutrinos atraviesan cada segundo la Tierra de parte a parte (y a nosotros) como si no existiera.

¿Hay varias clases de neutrinos?

SI. Existen tres clases de diferentes de neutrino, uno por cada familia leptónica: Neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico, asociados respectivamente al electrón, el muón y la partícula tau. También existen tres antineutrinos (antimateria) opuestos a los tres citados.

¿De dónde vienen? 

La mayoría de los que llegan a la tierra nacen en el sol, como producto de la desintegración de otras partículas. También se crean en cantidades ingentes en explosiones del tipo supernova y existen otros que producen directamente del Big Bang, la gran explosión que dio origen al Universo.

¿Hay otras dimensiones?

Muchas teorías postulan hasta once dimensiones de la cuales sólo conocemos cuatro (tres espaciales y una temporal). Las siete dimensiones “extra” habrían existido en los primeros instantes tras el Big Bang y, al enfriarse el Universo, se habría “congelado” y no serían perceptibles hoy. Algunos creen que las partículas subatómicas son capaces de penetrar en esas dimensiones.

¿Se puede viajar en el tiempo?

El tiempo que conocemos sólo va en una dirección, desde el pasado y hacia el futuro. Sin embargo, sobre el papel el tiempo también podría ir en la dirección contraria sin alterar mucho las ecuaciones. En la práctica, para conseguir viajar en el tiempo habría que viajar más deprisa que la luz, lo cual es imposible.

¿Por qué no se puede ir más deprisa que la luz?

Cualquiera que sea la masa inicial de un objeto en movimiento, ésta aumenta a medida que aceleramos (como un coche). A medida que nos acercamos a la velocidad de la luz (300.00 Km. por segundo) la energía necesaria para impulsar cualquier objeto aumenta exponencialmente y, a partir de 300.000 Km por segundo, se hace infinita.