sábado, 14 de agosto de 2010

El nacimiento de la mecánica cuántica

Para entender lo que es la mecánica cuántica y en qué se diferencia de la clásica, no hay mejor manera que explicar cómo nació.


Donde mejor lo podéis ver es en el extraordinario blog ‘El tamiz’ donde se expone todo el proceso sin una sola fórmula en su serie ‘mecánica cuántica sin fórmulas’. Pero me atrevo aquí a simplificar lo simplificable y a explicar lo explicado en dicho blog. ¿Por qué? Pues porque sí. Porque me sirve de ejercicio de resumen y repaso a mí personalmente. Por eso.

Podemos establecer el auténtico nacimiento de la mecánica cuántica en 1900, con el nacimiento del siglo XX (que para ser estrictos empezó en 1901).

Y como no podía ser de otro modo, este revolucionario cambio en la forma de entender el universo se produjo al intentar resolver una catástrofe.

La catástrofe ultravioleta.

Sin ponernos dramáticos de más, esta catástrofe se refería a la falta de coherencia del modelo que explicaba la radiación del cuerpo negro.

Para simplificar, el cuerpo negro sería un objeto tan negro (de color, o más bien de falta de él) que toda la luz que incidiera sobre él sería absorbida. Me explico:

Un inciso antes que nada: este objeto no tiene nada que ver con los agujeros negros que son estrellas colapsadas con tanta masa que su campo gravitatorio no permite que la luz salga de ellos. ¡No porque no la reflejen (como sería el caso del cuerpo negro) sino porque la luz ‘recae’ sobre el agujero negro debido a su extrema gravedad! Es algo así como que aunque la luz no pesa prácticamente nada, es tanta la gravedad (la fuerza que nos sujeta a nuestros planetas) del agujero negro que ni siquiera ella consigue salir.

Ahora sí que me explico:

Los colores son simplemente la interpretación de nuestro cerebro acerca de la información que le aportan nuestros ojos de la energía de la luz reflejada sobre los objetos. Recordáis que el blanco es una mezcla de todos los colores y que el negro es la falta total de colores. Pues bien: El (modelo teórico del) cuerpo negro es que se trata de un objeto tan negro, tan negro que – aunque lo ilumines muchísimo – sigue más negro que… bueno, se me entiende ¿verdad?

Pero esto no quiere decir que el cuerpo negro no emita ninguna luz (o energía). En 1862, Kirchhoff (sí. Para el que sepa de electricidad y circuitos eléctricos, es el de la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff) había observado que todo cuerpo calentado emite energía en forma de ondas electromagnéticas; esto es, de luz. De ahí le surgió la idea del cuerpo negro.

Para no complicar mucho las cosas, os será más fácil imaginar el cuerpo negro como un carboncillo (negro) que emite luz roja si está en las brasas y azul si las calentamos mucho más.

Esto precisamente es lo que describe la siguiente gráfica:

Inciso: el pequeño arco iris en las abscisas (el eje horizontal) representa la luz visible para los humanos. De 380 a 750 nm (nano metros = 10 E-9 metros).

Fijaos en los puntos de colores en los picos de cada curva de color.

Como veis, al aumentar la temperatura del cuerpo negro (curvas de frío = negro = 3500K a caliente = rojo = 5500K), este emite más radiación (Eje vertical = Intensidad) y más hacia la izquierda (del infrarrojo (IR) por encima de 750 nm, y el rojo, hacia el azul y más alláhacia el ultra violeta (UV) por debajo de 380 nm).

En cuanto a la curva de color malva (teóría clásica), se trata precisamente de la catástrofe Ultravioleta puesto que nos muestra la divergencia entre el modelo clásico (de Rayleigh-Jeans) y el de Planck. Según ella, al aumentar la temperatura del cuerpo negro, debería aumentar proporcionalmente su emisión (eje vertical derecho = Intensidad). Pero resulta que lo que ocurría en la realidad es lo que describe nuestra gráfica: Por más que aumentara la temperatura del cuerpo negro, su emisión se ‘desvanecía’ en la zona ultra violeta.

Bueno. Baste decir que Planck resolvió esta divergencia con una argucia enfocada a encajar los resultados empíricos (medibles) con las ecuaciones que describían el fenómeno. Esta argucia involucraba su famosa constante de Planck (h = 1, 054.10 E-34 J. s) y venía a corregir la teoría clásica gracias a ese factor. Lo hizo casi de pasada y sin darle mucha importancia, casi a modo de trámite. Pues bien: este apaño desembocó en una nueva manera de observar el universo: la mecánica cuántica.

Para precisar un poco más, la forma de entender el modelo de cuerpo negro que describía la gráfica anterior era verlo como un conjunto de diminutos osciladores (es fácil imaginarlos todos juntos como un manchurrón negro) que vibraban más cuantos más calientes estaban. Esa vibración se perdía entonces en forma de energía electromagnética medible ofreciéndonos los resultados de la susodicha gráfica. La gran intuición de este modelo es que ya tenía en cuenta los principios de la cuantización en la forma de pequeños ‘eslabones’ proporcionados a la constante de Planck. Es decir, ya sembraba la idea de que no solo los objetos se pueden descomponer en ‘pequeños osciladores’ que llamaríamos ‘átomos’ sino que la energía inmanente de estos también debía cuantificarse en consecuencia.

Y fijaos bien. Adelantándonos a los acontecimientos, esa constante representa el primer eslabón de la mecánica cuántica. Viene descrita por la ecuación

h = E / v

donde h es la constante de Planck, E la energía y v la frecuencia

Además

v = v / l

Donde v = velocidad de la onda y l = longitud de onda

De estas dos ecuaciones deducimos una relación entre la energía, la constante de Planck y la longitud de onda.

E = h v = h v / l

Y lo que viene a decir (resumo muchísimo) es que existen unos trocitos de energía del ‘tamaño’ de la constante de Planck… que ya hemos visto que es muy pequeña

h = 1, 054.10 E-34 J. s = 0,00000000000000000000000000000000001 J. s

En conclusión: si queréis, podéis llamar a estos trocitos de energía, átomos de energía, y mejor todavía ‘cuantos’ de energía (por estar ‘cuantificados’ y no continuos como preveía el modelo clásico).

Una vez hecho esto, habréis dado el primer paso hacia la mecánica cuántica. Acabáis de daros cuenta de que – al igual que la materia que os rodea parece uniforme y sabéis que está en realidad compuesta por minúsculos átomos que no podéis ver – la energía también está compuesta por ‘trocitos’ que se llaman ‘cuantos’.

Por cierto que Planck recibió el premio Nóbel de física en 1918 en reconocimiento de los servicios que rindió al avance de la Física por su descubrimiento de los cuantos de energía.

viernes, 13 de agosto de 2010

Por la mar chica del puerto

Por la mar chica del puerto andan buscando los buzos la llave de mis recuerdos.

Se le ha borrado a la arena la huella del pie descalzo, pero le queda la pena que eso no puede borrarlo.

Por la mar chica del puerto el agua que era antes clara se está cansando de serlo,

a la sombra de una barca me quiero tumbar un día y echarme todo a la espalda y soñar con la alegría.

Por la mar chica del puerto andan buscando los buzos la llave de mis recuerdos.

Se le ha borrado a la arena la huella del pie descalzo, pero le queda la pena que eso no puede borrarlo.

Por la mar chica del puerto el agua se queda triste por mi naufragio por dentro.

Manuel Alcántara

No os perdáis el disco 'Al cantar a Manuel' de Mayte Martín en el que está incluída esta canción. Yo no me la quito de la cabeza.


jueves, 5 de agosto de 2010

Fallos divertidos en Babylon 5

Quede constancia de que me encanta esta serie. Pero si hay fallos, hay que resaltarlos. Es más divertido así.

Os presento los fallos del telefilm de 1998 que introdujeron en medio de la serie Babylon_5 y que sería correcto visionar después del episodio 4x06. El telefilm se llamó 'Babylon 5: Thirdspace' en referencia a que, además del hiper espacio y el espacio convencional, también podría existir un ‘tercer’ espacio.
Bueno. No es mi intención hacer sangre de este hiper episodio pero dado que no está muy claro lo que llaman ‘hiper espacio’, es fútil preguntarles acerca del ‘tercer espacio’.

Lo primero es el cronómetro que el comandante coloca en 4' 00" y que pone 4' 59" en el segundo siguiente.
Fallo cronometro Babylon 5
Lo segundo, por las fotos adjuntas podéis ver el relojazo de pulsera (un clásico entre los fallos) que lleva Vir al final de la pelea y que no llevaba al principio (por lo que estamos hablando de errores de raccord y de anacronismo). Podéis pinchar las fotos para verlo con más claridad.













































Lo tercero: ¡También traigo una buena falta de ortografía!
En la foto vemos a Shari Belafonte (en su papel de xenoarqueóloga) monitorizando la evolución del objeto alienígena. En la pantalla se lee perfectamente ‘EMF EMMISIONS’ en lugar del ‘EMF EMISSIONS’ con una eme que sería lo correcto. ¡Todo sea que en el año 2261 el inglés haya evolucionado! (siempre me gusta guardar una explicación posible para todos los fallos. Quiero creer en las pelis que veo).
.
Y la última y cuarta falta es más científica: Ivanova nos dice que han datado la edad del artefacto Vorlon mediante el carbono-14, y que es de un millón de años. Esto no es nada riguroso puesto que la datación con C-14 solo es válida en la Tierra dado que las proporciones relativas de carbono y su isótopo en el espacio no tienen porque parecerse a las de aquí. Y aunque fuera parecido el ratio de carbonos, solo valdría para datar hasta los 60.000 años que es lo que tarda en C-14 en desintegrarse.

Para que nos entendamos: El carbono 14 es un isótopo inestable del carbono, por lo tanto se transforma, pero lo que interesa para la famosa datación es que deja de ser C-14. Por otra parte, se sabe que a los 5730 años, un fósil ha reducido a la mitad su C-14 y que a los 57.300 (los 60.000 de los que hablé antes) solo le queda un 0, 01 %. Como vemos, esto marca el límite de datación para cualquier fósil ya que después de estos 60.000 años ya no le queda C-14. Por otra parte, la medida de C-14 esta determinada por la concentración o la relación (el ratio) de Carbono (12) y su isótopo C-14 que existe en la atmósfera… terrestre. Y es que esta relación está relacionada íntimamente con la biosfera de nuestro planeta donde se producen continuamente átomos de C-14 gracias a los choques de neutrones cósmicos (por ejemplo procedentes de la radiación solar) sobre átomos de nitrógeno atmosférico según:

Neutrón + N = C + H

Por esto último es fácil colegir que el C-14 nace en las altas capas de la atmósfera.

Quinto: De regalo os dejo esta bonita foto de un telefilm de 1991 cuyo título era ‘Treinta minutos para morir’ y que tenía la virtud de ser protagonizada por Michael Biehn, el auténtico padre de John Connor (Terminator).
Como podéis comprobar en esta foto, se atisba hasta el último grano de la nariz del cámara y del técnico de sonido :-)