(Ciencias
de Joseleg)(Química)(La materia)(El átomo
físico cuántico)(Ejercicios resueltos)(Introducción)(La caída de la teoría atómica clásica)(La luz entre Planck y Einstein)(El modelo matemático del átomo de Bohr)(Conceptos del átomo de Bohr)(El modelo atómico de Sommerfeld)(El modelo atómico moderno)(Las formas de los orbitales)( Impacto y paradojas del
modelo atómico moderno)(Configuraciones electrónicas)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
La conferencia de Solvay
La conferencia de Solvay fue fundada por Ernest Solvay en
1912 para tratar de los temas de frontera sobre física y química, debido a su
éxito se realizaron otras versiones de las cuales la más famosa y por mucho fue
la quinta.
Figura 33. Foto de la quinta conferencia de Solvay donde se encuentran los protagonistas del inicio de la física y la química modernas. En la foto tenemos de izquierda a derecha:
Tercera fila: Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, JE Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Fowler y Léon Brillouin.
Fila media: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born y Niels Bohr.
Fila frontal: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, CTR Wilson y Owen Richardson.
En 1927 un año después de que Schrödinger hubiera publicado
su ecuación se convocó en octubre la quinta conferencia de Solvay, en este caso
los temas principales serian electrones y fotones, y allí serian reunidos los físicos
más memorables del siglo XX para discutir la recientemente formulada teoría de
la mecánica cuántica ondulatoria. Las figuras más prominentes fueron Albert
Einstein y Niels Bohr, pero 17 de los 19 conferencistas eran ya ganadores del
nobel, e incluso uno de ellos ya había ganado dos, Marie Curie, quien los
obtuvo en dos disciplinas científicas independientes. Esta conferencia también
analizó aspectos fundamentales de la epistemología de las ciencias, Einstein
lideró a los científicos realistas que deseaban un sistema de reglas estricto
para el método científico propuesto por Peirce y Popper, versos Bohr quien
lideraba a los instrumentalistas quienes deseaban un sistema de reglas más
flexible que tomara en cuenta los resultados. A partir de este punto, los
instrumentalistas ganaron, y la ciencia se ha basado en los productos desde
entonces, aunque el debate ha continuado (Mehra, 2012)
La conferencia también es célebre porque los invitados se tomaron lo que es descrito como “la foto más inteligente de la historia”, y en palabras de un colombiano, los más duros de la física estaban allí reunidos en algo que no era un fotomontaje de un libro de texto. El único que no estuvo en la foto pero que si atendió a la conferencia fue Ernst Rutherford lo cual es una verdadera lástima (Bacciagaluppi & Valentini, 2009; Hansen, 1976; Langevin-Joliot, 2011; Valentini, 2009; Welch, Ray, Melendez, Fare, & Leach, 2010). Adicionalmente esta conferencia es el marco de referencia para el famoso debate entre Einstein y Bohr en la cual se esgrimieron teorías y también interpretaciones, y las citas más famosas de estas tal vez son “Dios no juega a los dados” Einstein seguido de la réplica de Bohr “deja de decirle a Dios que hacer con sus dados”.
Para 1930 la mecánica cuántica alcanzó un mayor nivel de
desarrollo y formalización gracias al trabajo de David Hilbert, Paul Dirac y
John von Neumann con un mayor énfasis en la experimentación y la medición de
los fenómenos cuánticos, la naturaleza estadística de nuestro entendimiento de
la realidad, y especulaciones filosóficas a cerca del observador con un
conjunto de paradojas como la del gato de Schrödinger o el entrelazamiento
cuántico.
Desde entonces y a medida que los científicos han tenido
acceso a mejores tecnologías informáticas, la mecánica cuántica ha ido
permeando de forma práctica a la química, la electrónica, la óptica y la teoría
de la información, a tal punto en que las tecnologías de nuestro orgulloso
mundo moderno como el celular, la computadora, el rayo láser, los Blu-ray no
podrían existir, y todo gracias a que unos científicos comenzaron a preguntarse
por qué el arcoíris del Sol no se veía completo.
A nivel teórico la mecánica cuántica posee aplicaciones para
el desarrollo de teorías nuevas de frontera del conocimiento científico como la
teoría de cuerdas y la gravedad cuántica, así como aplicaciones a teorías
prestigiosas como es el caso de la ley periódica, en enlace atómico y las
propiedades de algunos compuestos simples. A pesar de que la mecánica cuántica
fue desarrollada para describir un mundo que era muy pequeño, es necesaria para
poder entender fenómenos macroscópicos como los superconductores y los
superfluidos.
La interpretación de Copenhague tiene que ver con la
probabilidad de encontrar a un electrón en un patrón de interferencia a través
del experimento de la doble rendija, y por añadidura también cualquier
probabilidad de encontrar a un electrón en cualquier fenómeno modelado por
medio de la ecuación de Schrödinger, como por ejemplo de encontrarlo en
cualquier lugar en el espacio contenido por los orbitales (Howard, 2004).
Con el nombre de interpretación de Copenhague se hace
referencia a la interpretación de la mecánica cuántica considerada tradicional
u ortodoxa. Fue formulada en 1927 por el físico danés Niels Bohr, con ayuda de
Max Born y Werner Heisenberg, entre otros, durante una conferencia realizada en
Como, Italia. Se conoce así debido al nombre de la ciudad en la que residía
Bohr (Tegmark & Wheeler, 2001).
La interpretación de Copenhague intenta reconciliar el
contra intuitivo dualismo material de "onda" y "partícula"
de un modo adecuado a la comprensión humana Es fundamental para la
interpretación de Copenhague que los resultados de los experimentos sean
descritos en el lenguaje ordinario, no depender de la terminología arcana o
palabras que se refieren sólo a los grupos de símbolos matemáticos. El axioma
fundamental de la interpretación de Copenhague es el "postulado de la cuántica",
que dice que los acontecimientos subatómicos son sólo perceptibles como
transiciones indeterministas físicamente discontinuas entre estados
estacionarios discretos. Varias consecuencias se deducen de este postulado de
la discontinuidad física impredecible.
Una de las principales razones por que es necesaria la
interpretación del formalismo de la mecánica cuántica es que tal interpretación
proporciona una visión general no separable en el tiempo y el espacio, ya que
los dominios de la función de onda (el formalismo matemático de la mecánica
cuántica) es el espacio de configuración (una descripción esquemática), no el
espacio-tiempo físico "real" familiar a la mente humana.
La interpretación de Copenhague incorpora el principio de
incertidumbre, el cual establece que no se puede conocer simultáneamente con
absoluta precisión la posición y el momento de una partícula. La interpretación
de Copenhague señala el hecho de que el principio de incertidumbre no opera en
el mismo sentido hacia atrás y hacia delante en el tiempo. Muy pocos hechos en
física tienen en cuenta la forma en que fluye el tiempo, y este es uno de los
problemas fundamentales del Universo donde ciertamente hay una distinción entre
el pasado y futuro. Las relaciones de incertidumbre indican que no es posible
conocer la posición y el momento simultáneamente y consiguientemente no es
posible predecir el futuro ya que en palabras de Heisenberg “no podemos
conocer, por principio, el presente en todos sus detalles”. Pero es posible de
acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica conocer cuál era la posición y el
momento de una partícula en un momento del pasado. El futuro es esencialmente
impredecible e incierto mientras que el pasado completamente definido. Por lo
tanto, nos movemos de un pasado definido a un futuro incierto.
Bohr formuló en la interpretación de Copenhague lo que se
conoce como el principio de complementariedad que establece que ambas
descripciones, la ondulatoria y la corpuscular, son necesarias para comprender
el mundo cuántico. Bohr también señaló en esa conferencia que mientras en la
física clásica un sistema de partículas en dirección funciona como un aparato
de relojería, independientemente de que sean observadas o no, en física
cuántica el observador interactúa con el sistema en tal medida que el sistema
no puede considerarse con una existencia independiente. Escogiendo medir con
precisión la posición se fuerza a una partícula a presentar mayor incertidumbre
en su momento, y viceversa; escogiendo un experimento para medir propiedades
ondulatorias se eliminan peculiaridades corpusculares, y ningún experimento
puede mostrar ambos aspectos, el ondulatorio y el corpuscular, simultáneamente.
Además, según la interpretación de Copenhague toda la
información la constituyen los resultados de los experimentos. Se puede
observar un átomo y ver un electrón en el estado de energía A, después volver a
observar y ver un electrón en el estado de energía B. Se supone que el electrón
saltó de A a B, quizás a causa de la observación. De hecho, no se puede
asegurar siquiera de que se trate del mismo electrón y no se puede hacer
ninguna hipótesis de lo que ocurría cuando no se observaba. Lo que se puede
deducir de los experimentos, o de las ecuaciones de la mecánica cuántica, es la
probabilidad de que, si al observar el sistema se obtiene el resultado A, otra
observación posterior proporcione el resultado B. Nada se puede afirmar de lo
que pasa cuando no se observa ni de cómo pasa el sistema del estado A al B. A
pesar de fundamentarse en principios comprobados y de que la gran mayoría de
positivistas la aceptaron sin objeciones, Einstein y muchos otros físicos se
negaron a aceptar esta interpretación de la mecánica cuántica, presentando
varias críticas.
El experimento de la doble rendija (YouTube) no fue crucial para la formulación de la
mecánica cuántica ondulatoria, aunque manifiesta bellamente los postulados de
la interpretación de Copenhague.
El experimento de la doble rendija no fue realizado con nada
más aparte de radiación electromagnética, ya fuera luz, rayos X u otras formas
de radiación sino hasta 1961 cuando Claus Jönsson de la Universidad de Tübingen
la realizó con rayos de electrones (Jönsson, 1961, 1974). En 1974 los físicos italianos Pier Giorgio
Merli, Gian Franco Missiroli, y Giulio Pozzi repitieron el experimento
empleando electrones únicos y un biprisma en lugar de rendijas, mostrando que
cada electrón se interfiere a si mismo tal como predice la teoría (Merli, Missiroli, & Pozzi, 1976; Rosa, 2012).
El experimento de la doble rendija para electrones repite
los mismos resultados que para fotones siempre y cuando no intentemos observar
a los electrones en su camino desde el emisor hasta el detector. Si no
intentamos observarlos, los electrones funcionan como ondas de luz y
manifiestan el patrón de interferencias, a esto se refieren los cuánticos con
el hecho de intentar un diseño experimental para ver las características
ondulatorias, el cual arroja las propiedades ondulatorias. Pero cuando
intentamos ver los electrones midiéndolos, necesitamos enviar luz, y los
fotones parecen colapsar las ondas de electrones convirtiéndolos nuevamente en
partículas, por lo que al medir la característica particulada del electrón, el
resultado del experimento cambia, arrojando lo que se espera de una partícula.
En otras palabras, si diseñas el experimento para ver A, observarás A, pero
cuando lo diseñas para ver B observarás B, pero en ambos casos es la misma
sustancia, electrones.
Figura 34. El gato de Schrödinger. Como muchas de las cosas raras,
es una paradoja empleada para intentar derribar su propia teoría, las
matemáticas de la cuántica son robustas, sus conclusiones locas… Pero
experimentos modernos han convertido estas fumadas mentales en hechos
científicos, que aunque poco intuitivos, pueden servir para generar nuevas
tecnologías locas.
Erwin Schrödinger fue uno de los que más rápido se volvió
contra su propia creación, y de hecho muchas de las críticas a la mecánica
cuántica ondulatoria fueron postuladas en términos de paradojas lógicas (DeYoung, 1998; Gribbin, 2011).
Schrödinger escribió en 1937 que uno puede llegar a tener
casos ridículos (YouTube, YouTube)si es que la mecánica cuántica
está en lo correcto. Erwin Schrödinger
plantea un sistema que se encuentra formado por una caja cerrada y opaca que
contiene un gato en su interior, una botella de gas venenoso y un dispositivo,
el cual contiene una sola partícula radiactiva con una probabilidad de 0.5 de
desintegrarse en un tiempo dado, de manera que, si la partícula se desintegra,
el veneno se libera y el gato muere. Al terminar el tiempo establecido, la
probabilidad de que el dispositivo se haya activado y el gato esté muerto es de
50:50, y la probabilidad de que el dispositivo no se haya activado y el gato
esté vivo tiene el mismo valor. Según los principios de la mecánica cuántica,
la descripción correcta del sistema en ese momento (su función de onda) será el
resultado de la superposición de los estados vivo y muerto (a su vez descritos
por su función de onda). Sin embargo, una vez que se abra la caja para comprobar
el estado del gato, éste estará vivo o muerto. Sucede que hay una propiedad que
poseen los electrones, de poder estar en dos lugares distintos al mismo tiempo,
pudiendo ser detectados por los dos receptores y dándonos a sospechar que el
gato está vivo y muerto a la vez, lo que se llama Superposición. Pero cuando
abramos la caja y queramos comprobar si el gato sigue vivo o no, perturbaremos
este estado y veremos si el gato está o vivo, o muerto.
Ahí radica la paradoja. Mientras que en la descripción clásica
del sistema el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja y
comprobemos su estado, en la mecánica cuántica el sistema se encuentra en una
superposición de los estados posibles hasta que interviene el observador, lo
que no puede ser posible por el simple uso de la lógica. El paso de una
superposición de estados a un estado definido se produce como consecuencia del
proceso de medida, y no puede predecirse el estado final del sistema: solo la
probabilidad de obtener cada resultado. La naturaleza del proceso sigue siendo
una incógnita, que ha dado lugar a distintas interpretaciones de carácter
especulativo.
Siguiendo la interpretación de Copenhague, en el momento en
que abramos la caja, la sola acción de observar modifica el estado del sistema
tal que ahora observamos un gato vivo o un gato muerto. Este colapso de la
función de onda es irreversible e inevitable en un proceso de medida, y depende
de la propiedad observada, en otras palabras, si lo que desea es medir las
propiedades del gato muerto y organiza su montaje experimental lo que observará
es al gato muerto, pero si lo que desea es medir las propiedades del gato vivo
y organiza su montaje experimental para medir dichas propiedades, lo que verá
al abrir la caja será al gato vivo. Es una aproximación pragmática al problema,
que considera el colapso como una realidad física sin justificarlo
completamente. El Postulado IV de la mecánica cuántica expresa matemáticamente
cómo evoluciona el estado cuántico tras un proceso irreversible de medida.
El entrelazamiento cuántico y horrible efecto a distancia (YouTube), se dice que es un fenómeno
que permite conectar dos partículas a distancias tan altas que ni siquiera la
luz sería capaz de explicar dicha conexión, y de hecho fue otra de las grandes
paradojas que emergían de la mecánica cuántica, fue propuesta originalmente
como la paradoja Einstein-Podolsky-Rosen (Bell, 1964)
antes de que los físicos se encontraran conque semejante aberración si existía (Bennett & Wiesner, 1992; Hagley et al., 1997). El entrelazamiento cuántico
es un fenómeno físico que corre cuando un grupo de partículas, que no son necesariamente
parejas son generadas o interactúan de tal modo que sus estados cuánticos no
pueden ser descritos independientemente de los otros, incluso cuando las
partículas son separadas a largas distancias(Raimond, Brune, & Haroche, 2001).
El problema con el entrelazamiento cuántico es que los
cambios afectados en los estados cuánticos de una partícula afectan a los de
sus pares en el grupo entrelazado a distancias mayores que lo que permitiría
una comunicación por medio de luz, es como si las partículas entrelazadas
pidieran conocerse entre sí de forma instantánea. Esto va en contra de las
leyes de la relatividad pues es como si la información viajara más rápido que
la luz, una instantánea cósmica que rompe las leyes de la relatividad de
Einstein y por lo tanto una paradoja física.
La paradoja del entrelazamiento fue anterior al gato de
Schrödinger y fue descrita por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen
en 1935 y Schrödinger la recogió en varias ocasiones posteriores. Einstein y
colaboradores consideraban que el entrelazamiento era un imposible físico aun
cuando las ecuaciones de la mecánica cuántica predecían su existencia real, lo
cual era considerado como un error intrínseco de la teoría y una razón más para
buscar una mejor explicación, en serio a nadie de le gusta la mecánica
cuántica, ni siquiera sus creadores.
La maldición de los cuánticos fue que esta conclusión
contraintuitivo fue de hecho una predicción exitosa del proceso de
investigación experimental. En la actualidad ya se sabe manipular ciertos
eventos de entrelazamiento y en consecuencia se ha convertido en una de las
fronteras de investigación más vibrantes debido a sus posibles aplicaciones
prácticas en las telecomunicaciones y en la computación cuántica (Togan et al., 2010).
Desde su concepción, muchos de los conceptos
contraintuitivos de la mecánica cuántica han provocado agrias controversias
filosóficas a cerca de la naturaleza del conocimiento científico, la relación
de esta con las matemáticas, y a su vez la relación de estas con la naturaleza
misma, incluso el primer concepto cuántico, la cuantización de la energía de
los fotones no se la creía ni su propio proponente, luego conceptos como las
amplitudes de probabilidad y las probabilidades de distribución de Bron tomaron
décadas para ser apreciadas por muchos de los científicos más importantes de su
tiempo. Richard Feunman una vez dijo al respecto “creí que es adecuado decir
que nadie entiende la mecánica cuántica” y de acuerdo a Steven Weinberg “en la
actualidad y en mi opinión no existe una explicación satisfactoria para la
mecánica cuántica”. En este nivel de la teoría del átomo estamos hablando de un
conjunto de ecuaciones que funcionan, pero que no poseen un valor analizable a
una imagen fácil de interpretar por las personas.
La interpretación de Copenhague liderada por Bohr y
Heisenberg permanece como la más aceptada por los científicos de la actualidad,
casi a 80 años de su enunciación original, y tiene que ver con el problema del
observador que mencionamos con anterioridad. Debido al azar de los fenómenos
cuánticos como ley del universo, es necesario abandonar la idea aristotélica de
causalidad, en el sentido en que pueden aparecer efectos sin causa. Los
resultados experimentales también deben ser analizados en términos del diseño
experimental ya que el observador altera profundamente el comportamiento de las
partículas, colapsando sus funciones de onda, por ejemplo.
Albert Einstein jamás pudo aceptar el hecho de que el azar
fuera una ley fundamental del universo y abandonar el principio de causalidad.
De hecho, una de sus citas más famosas al respecto señala que “Dios no juega a
los dados con el universo”, pero Bohr increpó “deja de decirle a Dios que hacer
con sus dados” (Khoon, 2011).
Einstein rechazó que los resultados de un experimento dependieran del
observador, además le aterraba una aparente paradoja que emergía de la teoría,
el principio de entrelazamiento cuántico o acción a distancia que describimos
con anterioridad. El debate Bohr-Einstein provee una crítica vibrante a la
interpretación de Copenhague desde un punto de vista epistemológico, lo cual en
su tiempo concluyó con la formulación de la paradoja Einstein-Podolsky-Rosen.
El debate quedó en veremos por varias décadas hasta que
alguien encontrara una forma de transformar una paradoja filosófica en un
diseño experimental, tal como realizó John Bell. Los experimentos que el
realizó con el fin de apoyar a Einstein y refutar de una vez por todas con la
odiosa teoría que nadie entiende terminaron por… confirmar la precisión de la
mecánica cuántica.
La mecánica cuántica ondulatoria es una teoría extraña, sus padres renegaron de ella, pero no pudieron abandonarla debido a que es útil, y en la actualidad constituye una de las dos grandes teorías del mundo físico junto con la relatividad. Y Ambas se contraponen ya que las fórmulas que se emplean para una no sirven para la otra, es como si existieran dos realidades o universos superpuestos, uno en lo muy grande y otro en lo muy pequeño. En este orden de ideas varios científicos intentaron cohesionar ambas en una sola, la famosa pero hipotética teoría del campo unificado que reconcilie la relatividad general con la mecánica cuántica, pero hasta ahora ese sigue siendo uno de los sueños sin completar de la física moderna, y quien lo logre será elevado al más alto de los honores de la historia de la ciencia sobrepasando a Isaac Newton y a Albert Einstein en prestigio.
No hay comentarios:
Publicar un comentario