Las revoluciones en la visión del mundo físico

La explicación cuántica

Las revoluciones en la visión del mundo físico

La explicación cuántica

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Libertad Emocional

Que nadie se desmoralice

• “Cualquiera que piense que puede hablar sobre la teoría cuántica sin marearse ni siquiera ha empezado a entenderla.”

Niels Bohr

• Puedo afirmar con tranquilidad que nadie entiende la Mecánica Cuántica.

R.P.Feynman.

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Entendiendo la realidad

Metafísica

Constructivismo, positivismo y mecanicismo

Método científico

Modelos y realidad

¿Es la ciencia objetiva?

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Metafísica

• La metafísica es una rama de la filosofía que se encarga de estudiar la naturaleza, estructura, componentes y principios fundamentales de la realidad.

• Pero, ¿qué es la realidad?

• Pienso luego existo.

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Constructivismo, positivismo y mecanicismo

• Constructivismo: los conceptos de la filosofía natural son construcciones mentales propuestas para explicar la experiencia sensorial.

• Positivismo: el único conocimiento auténtico es el que se basa en la experiencia sensorial real.

• Mecanicismo: todo obedece a las leyes de la química y la física, y en última instancia, puede ser totalmente explicado por estas leyes.

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Método científico

• Observación, razonamiento y experimento constituye lo que llamamos método científico.

• Las reglas del juego son lo que entendemos por “física fundamental”.

• Podemos no entender por qué se ha hecho un “movimiento”, pero si conocemos las reglas, consideramos que “entendemos” el mundo.

• Positivismo científico: todo lo que podemos saber es qué modelos matemáticos describen mejor la realidad.

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Esto es un modelo

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Esto es la realidad

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Esto es un modelo

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Esto es la realidad

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Presentando a Feynman

• CI 125 en el bachillerato.• Todo fragmento de la totalidad de la

naturaleza es siempre una mera aproximación a la verdad completa.

• La prueba de todo conocimiento es el experimento.

• Filosóficamente estamos completamente equivocados con la ley aproximada.

• Incluso un efecto muy pequeño requiere cambios muy profundos en nuestras ideas.

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¿Es la ciencia “objetiva”?

• Una nueva verdad científica no triunfa convenciendo a sus oponentes y haciéndoles ver la luz, si no porque éstos mueren y surge una nueva generación de científicos familiarizada con ella.

Max Plank

• Toda Verdad pasa por 3 fases: primero, es ridiculizada. Segundo, se le opone violentamente. Y tercero, es aceptada como auto-evidente.

Arthur Schopenhauer

• Muchos creen estar pensando cuando están meramente reordenando sus prejuicios.

David Bohm

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Criterio de Einstein

Todo aquello que no se pueda expresar con palabras sencillas se debe a que no es verdad.

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Corrección de Feynman

• En cierta ocasión un miembro del claustro de Caltech pidió a Feynman que explicase por qué las partículas de espín 1/2 obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. Él […] dijo: "Prepararé una lección sobre este tema para los novatos". Pero unos días más tarde regresó y dijo: "Sabéis, no pude hacerlo. No pude reducirlo al nivel de los novatos. Esto significa que realmente no lo entendemos".

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La crisis de la física clásica

El glorioso s XIX (todo está descubierto)

En palabras de Lord Kelvin

La crisis

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El glorioso siglo XIX

• A finales del siglo XIX la sensación general era que el próximo siglo se dedicaría a perfeccionar detalles, limar zonas ásperas y terminar de explicar algunas cosas que no tenían una explicación adecuada con las teorías clásicas (las “intuitivas”).

• Teorías: termodinámica, electromagnetismo, mecánica de fluidos, electrónica, óptica, teoría atómica y leyes de la química, …

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En palabras de Lord Kelvin

• William Thomson, primer barón Kelvin.

• Cero absoluto, efecto Thomson, participa en el proyecto del primer cable transatlántico.

• Predicciones:– “No hay nada nuevo que quede sin descubrir en

física. Todo lo que resta son medidas más y más precisas.”

– “Ningún globo o aeroplano será un éxito en la práctica.”

• Aunque veía algunas “nubes” …

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La crisis

• 1859-60 Gustav Kirchhoff: problema con la radiación de cuerpo negro.

• 1886 Becquerel: radioactividad.– Radición alfa, beta y gamma.

• 1887 Heinrich Hertz: efecto fotoeléctrico. – Problema ondulatorio-corpuscular de la luz.

• 1887 J.J. Thomson: electrón. – Problemas en la teoría atómica y espectros.

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La teoría cuántica antigua

La catástrofe ultravioleta

La hipótesis de Plank

Ondas, partículas y “cuantos”

La naturaleza de la materia

El átomo de Borh

Dualidad onda-corpúsculo

Los principios de Borh

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Catástrofe ultravioleta

• Radiación de cuerpo negro.• Lord Rayleigh 1900, y Sir

James Jeans en 1905. • Los osciladores.• La catástrofe

ultravioleta.• Comienza el

problema de los infinitos.

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La hipótesis de Planck

• 1900: los osciladores no podían tener cualquier energía arbitraria, sólo valores discretos aislados.

• Solo podían oscilar con energías múltiplos enteros de una “energía fundamental” h.

• No utilizó la palabra “cuanto”, y le costaría años reconciliarse con las implicaciones.

• Nobel 1918.

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Implicaciones

• 0,0000000000000000000000000000000007 Julios no son 0 Julios.

• h = 6,63·10^-34 ≠ 0.

• Ludwig Boltzmann ya había sugerido en 1877 que los estados de energía de un sistema físico podían ser discretos.

• Cuando aparece un infinito suele haber un cambio en la naturaleza del sistema.

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Ondas, partículas y “cuantos”

• Efecto fotoeléctrico: “a veces” la luz producía electricidad.

• Aunque se aumentase la intensidad, “a veces” no se producía.

• Otras veces se lograba a muy baja intensidad.

• 1905: cuanto de luz. • 1915, Millikan confirma.• Nobel 1921.• Fotón (1926 G.W. Lewis)

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Cuantización de la energía

• La energía no está cuantizada en magnitud.

• Puede haber “cualquier” rango de energía.

• Lo que está cuantizada es la energía en estados ligados.

• Esta energía se transmite en paquetes: cuantos de luz o fotones.

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La naturaleza de la materia

• 1er Baron Rutherford de Nelson.• Concepto de vida-media radiactiva

e identifica la emisión alfa y beta.• Nobel “química” 1908.• 1911 modelo de Rutherford.• “La materia, tal y como la

conocemos, no debería existir“.

• Cuando una carga gira, radia perdiendo energía.

• Sólo duró dos años.

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Espectros

Espectros de emisión:– Sol.– Hidrógeno.– Helio.– Mercurio.– Uranio.

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Átomo de Bohr

• 1913: supone que los electrones en el átomo son algo análogo a los pequeños osciladores cuantizados de Planck.

• No decaen hasta el núcleo.• Radian entre escalones.• Tiene carencias pero

no colapsa.• 1922 Nobel.

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Carencias

• Ecuación fenomenológica.

• Sólo funciona para el H.

• Las órbitas son circulares.

• No tiene en cuenta efectos relativistas.

• Corregido por Sommerfeld en 1916.

• Las teorías de Planck y Bohr se conocen como la teoría cuántica antigua.

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Dualidad onda corpúsculo

• Louis-Victor-Pierre-Raymond, séptimo Duque de Broglie (aka Louis de Broglie).

• 1924 Hipótesis de de Broglie:– Si toda onda conlleva energía, y la materia

es energía, suponiendo que toda materia es onda puedo calcular las propiedades de la onda.

• 1927, Clinton Davisson y Lester Germer lanzaron electrones contra cristales de níquel.

• Nobel 1929.• “Vibras” cada 10^-52 s.

Edad universo ~ 5x10^17 s.

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La dualidad onda-corpúsculo

• Llamamos a las cosas ondas o partículas porque, cuando interaccionamos con ellas, lo hacemos de modos específicos.

• Estamos dando nombres a la manera en la que esas entidades reaccionan, no a lo que son.

• Esta dualidad permite explicar porqué los estados están cuantizados.

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La doble rendija

• Figura de interferencia realizada electrón a electrón. Las imágenes fueron tomadas tras el impacto de (a) 10, (b) 200, (c) 6.000,

(d) 40.000 y (e) 140.000 electrones.

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Principios de Bohr

• Hay que elaborar una mecánica nueva que tenga en cuenta la cuantización de la energía, basada únicamente en modelos teóricos respaldados por la experimentación.

• Principio de correspondencia: las leyes de esa mecánica cuántica deben siempre corresponderse con la mecánica clásica cuando las magnitudes se hacen suficientemente grandes.

• Principio de complementariedad: es imposible que un experimento muestre la naturaleza ondulatoria y corpuscular de algo a la vez.

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La mecánica cuántica

La mecánica cuántica

Principio de incertidumbre

El problema de la medida

La ecuación de onda

La interpretación de Born

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La mecánica cuántica

• 1924 Born usa ese nombre por primera vez.

• 1925 Heisenberg (Nobel 1932) parte de cero para elaborar una teoría que no trata de predecir lo que es, sino lo que se mide “observables“.

• El estado de los observables venía descrito por series de infinitos términos.

• Para predecir el valor que se mediría hacía falta realizar productos, término a término, de estas series infinitas dando un resultado finito.

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Principio de incertidumbre

• Born y Jordan se dan cuenta de que está hablando de matrices y refinan el aparato matemático.

• ¿Qué significaban las matrices?• “¿Puedes medir eso? ¿no? pues

entonces déjalo” (Copenhague).• 1927 - La imprecisión en el

valor conjunto de los observables predicha por la teoría dependía de si los observables conmutaban o no. (xp - Et)

• Que los átomos no puedan pararse es una deducción del principio de incertidumbre.

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El problema de la medida

• Visión de Copenhague:– La trayectoria existe desde el momento

en que la observamos.– Hablando estrictamente desde la ciencia,

el electrón es borroso y debemos tratarlo como tal.

• Visión de Einstein: – El electrón es “borroso” porque estoy limitado en

mi interacción con él, o porque mi teoría física es limitada en sí misma, pero el electrón tiene una velocidad/posición “de verdad”, independiente de la observación

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Los dos “equipos”

Copenhague Real-localistas (aka mecanicistas)

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Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger

• “Conocía la teoría [de Heisenberg], por supuesto, pero me sentía descorazonado, por no decir repelido, por los métodos de álgebra trascendente, que me parecía muy complicada, y por la imposibilidad de visualización.”

• Nobel 1933.• 1925 - Se retira a una casita de los Alpes suizos

tras abandonar a su mujer y llevarse a una antigua novia. ¿Incertidumbre?

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La ecuación de onda de Schrödinger

• La formulación de Heisenberg es una especie de afirmación en lenguaje matemático de que “todo es partículas”, y la consecuencia de esa cuantización de todo es el principio de incertidumbre.

• La solución de Schrödinger fue basarse en todo lo contrario a lo de Heisenberg: las partículas son también ondas.

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La ecuación de onda de Schrödinger

• 1926 - Propone una ecuación de onda muy sencilla, que actúa de manera similar a las de Maxwell, que describe el comportamiento de las ondas de materia.

• Toda la información sobre el electrón está condensada en una función matemática compleja.

• Hace falta aplicar operaciones matemáticas (una para cada cosa que se puede medir del electrón), y se obtienen resultados que sí son reales.

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El significado según Schrödinger

• La masa y la carga de un electrón no están en un solo punto, sino “desparramadas” por todo el espacio definidas por la intensidad de la función de onda.

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La naturaleza probabilística

• La ecuación de Schrödinger suministra una predicción concreta de la evolución de la onda de materia en cualquier tiempo posterior.

• Durante una medida la superposición de estados “colapsa” a uno, observable.

• Así que la naturaleza probabilista de la mecánica cuántica nace del acto de la medida.

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La acogida

• Es mucho más sencilla de usar que las matrices.

• Pensaban que no contenía el principio de incertidumbre.

• Heisenberg: Cuanto más pienso sobre la parte física de la teoría de Schrödinger, más repulsiva la encuentro [...]. Lo que Schrödinger escribe sobre la “visualizabilidad” de su teoría “probablemente no es del todo cierto”, en otras palabras, es una basura.

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Los dos “equipos”

Copenhague Real-localistas (aka mecanicistas)

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El principio de incertidumbre de Schrödinger

• Finalmente demostró que su teoría y la de Heisenberg eran equivalentes.

• La indeterminación no se debe simplemente a que al observar el electrón lo modifiquemos; laindeterminación es una consecuencia inevitable del hecho de que el electrón es una onda, y una onda no puede tener una posición y una longitud de onda muy bien definidas a la vez

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La interpretación de Born

• Cuando se mide el electrón está en un punto único y no disperso.

• La intensidad es la probabilidad de encontrar al electrón una vez normalizada la unción de onda.

• En la interpretación de Born, hablar de lo que hace el electrón antes de que yo lo observe es fútil.

• Nobel 1954

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La opinión de Schrödinger

• Debo empezar diciendo que en esta disertación me opongo, no a algunas afirmaciones concretas de la mecánica cuántica actual (década de 1950), me estoy oponiendo –podríamos decir– al conjunto, me opongo a las ideas básicas que tomaron forma hace 25 años, cuando Max Born propuso su interpretación probabilística, que fue aceptada por prácticamente todo el mundo.

• No me gusta y me apena que haya tenido que ver algo con ella.

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Los dos “equipos”

Copenhague Real-localistas (aka mecanicistas)

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Efectos cuánticos

Superposición

Efecto túnel

Entrelazamiento

Teletransporte cuántico

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Superposición

• Rompe el determinismo radical.

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Efecto túnel

Desintegración alpha.

Microscopio de efecto túnel

Transistores.

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Entrelazamiento

• Varias partículas pueden ser descritas por una única función de onda.

• Si mido una característica de una de ellas fijo la de las demás.

• Paradoja EPR (Einstein-Podolsky-Rosen)

• La interacción es instantánea Rompe el límite de la velocidad de la luz.

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Teletransporte cuántico

• El teletransporte real sería imposible por el principio de incertidumbre.

• Mediante el entrelazamiento es posible transmitir, de manera indirecta, el estado de una parte de un sistema sin alterarlo. 1997

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El gato de Schrödinger

• Ampliar el modelo a una caja con el primer observador.

• Toda la realidad sería un estado cuántico en superposición hasta que entra por mis sentidos. Hasta que yo haga una observación.

• Las matemáticas de la física no representan lo que las cosas son, sino lo que medimos de ellas.

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Fin de una época

Primera cuantizaciónMás problemas

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• Son cuánticas las partículas y sus propiedades, no los campos y potenciales que siguen siendo ondas clásicas.

• Problema: la desexcitación espontánea del electrón tiene una probabilidad de ocurrir de exactamente el 0%.

Primera cuantización

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Más problemas

• Ni la formulación de Heisenberg ni la de Schrödinger eran relativistas.

• No tenían en cuenta la creación y destrucción de partículas.

• La ecuación no es válida para campos continuos.

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La segunda cuantización

Pauli

Dirac

El efecto Cassimir

La carga desnuda

QED

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Pauli

• “La Consciencia de la Física”.• 1924 Introduce el concepto de spin.• En 1925 el principio de exclusión.• 1930 Pauli propone el neutrón con,

propiedades de neutrino. (Nobel 1945)

• El efecto Pauli. Otto Stern, Universidad de Göttingen.

• También investigó sobre la legitimidad de la parapsicología, y colaboró con Jung sobre el concepto de sincronicidad

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Paul Adrien Maurice Dirac

• 1927 Amplía la ecuación de Pauli y unifica la teoría ondulatoria y corpuscular al hacer la ecuación de Schröediger relativista.

• 1931 postula las antipartículas debido a la solución de energía negativa de su ecuación.

• 1932 se encuentran los positrones.• Mar de Dirac: “el vacío está lleno de estados de

energías negativas.”• Nobel 1933.

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Anécdota

• Dirac: "¿Por qué bailas?”

• Heisenberg: “Cuando hay muchachas agradables, es un placer”

• Dirac reflexiona …

• Dirac: "¿Pero, Heisenberg, ¿cómo se sabe de antemano si las chicas son agradables?”

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Segunda cuantización

• La cuantización de los campos clásicos: el campo clásico pasa a ser un operador.

• Las amplitudes del campo se vuelven cuantizadas y los cuantos son partículas: e.j. fotón.

• El campo electromagnético posee un estado fundamental que llamamos “vacío” y que puede interaccionar con los estados de nuestro átomo.

• El estado estacionario que teníamos inicialmente deja de serlo al interaccionar con el vacío. Efecto Lamb.

• Aquí “vacío” significa estado de mínima energía del campo electromagnético.

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Efecto Casimir

• Propuesto en 1948 y comprobado en 1997.

• En separaciones de 10 nanómetros, el efecto Casimir produce el equivalente de 1 atmósfera de presión.

• Puede ser repulsivo.

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Carga desnuda

• Es electrón es una partícula cuasi-puntual.

• Su carga es infinita.

• La carga efectiva se debe a la polarización del vacío.

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Vuelven los infinitos

• La teoría cuántica de la interacción de la luz y la materia, que es llamada por el nombre horrible "electrodinámica cuántica", se desarrolló finalmente por un número de físicos en 1929. Pero la teoría se turbó. Si usted calcula algo con poca precisión, daría una respuesta razonable. Pero si se trata de calcular con mayor precisión, se verá que la corrección que se pensaba que iba a ser pequeña (el siguiente término de una serie, por ejemplo) era de hecho muy grande, de hecho, era infinita!

• Resultó que en realidad no se puede calcular nada más allá de una cierta precisión.

Feynman

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QED

• Feynman, Tomonaga y Schwinger.

• Nobel 1965 por la QED.

• Renormalización y diagramas de Feynman

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QED

• Esta teoría es hasta ahora la teoría física más precisa jamás desarrollada.

• Ha sido capaz de predecir magnitudes con 11 cifras de concordancia con la realidad.

• Por comparar, únicamente conocemos 4 cifras para el valor de “G” la constante de gravitación universal, la más antigua conocida.

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El significado de todo esto

Interpretaciones

Inecuaciones de Bell

Efecto Bohm-Aharonov

Nuevas propuestas

Tecnología cuántica

Efectos físicos en tejidos

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Interpretaciones de la realidad

• Determinismo. (Everett – Multiuniversos, decoherencia)

• Determinismo con aleatoriedad. (Einstein - mecánica estadística)

• Probabilístico. (Copenhague)

• Consciencia. (Von Newman, Wigner, Penrose)

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Non sequitur

• La religión es un insulto a la dignidad humana. Con o sin religión siempre habrá buena gente haciendo cosas buenas y mala gente haciendo cosas malas. Pero para que la buena gente haga cosas malas hace falta la religión.

Steven WeinbergSe denomina non sequitur (en latín «no se sigue») a un tipo general de falacia

en la cual la conclusión no se deduce («no se sigue») de las premisas

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Inecuaciones de Bell

• Las propiedades de un sistema físico existen independientemente de cualquier medición = real.

• Los cambios en un sistema físico no pueden propagarse instantáneamente a otros lugares del Universo = local.

• Conclusión: “O bien no existe una realidad objetiva, o bien la realidad no es local, o ninguna de las dos cosas”.

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Efecto Bohm - Aharonov

• Propuesto, Bohm Aharonov 1959

• Demostrado, Chambers 1960

• Aceptado, Tonomura 1986

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Nuevas propuestas

• Electrodinámica clásica:– Potencial escalar y vector.– Electromagnetohidrodinámica.– Ondas escalares.

• Electrodinámica estocástica:– Inercia.– Masa y Gravedad.– Spin.

• ZPE, masa variable.

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Tecnología cuántica

• Superfluidez.• Semitransparencia.• Radioactividad.• Microscopio de efecto

túnel.• Transistores.• IRMf.• SQUID.

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Efectos físicos en tejidos vivos

• 1945 Piezoelectricidad.• 1971-94 Plasmas.• 1975-78 Superconductividad.• 1984 Efecto Josephson y

superfluorescencia.• 1990 Efecto Hall.• 1990 Fonones.• 2007 Entrelazamiento en fotosíntesis.• 2012 Efecto Zenon cuántico en aves.

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Carl Sagan

• “El mayor poder de la ciencia es su capacidad para cometer errores, aprender de ellos y seguir avanzando sin más. Eso es, en último término, lo que la convierte en una vía de adquisición del conocimiento superior a todo dogma, doctrina y superstición.”

: )Gracias por vuestra atenciónGracias por vuestra atención: )