Conceptos básicos de física cuántica y partículas elementales

Física cúantica

Ya que en este blog hablamos acerca de la percepción de la realidad, y de cómo nuestros pensamientos y acciones afectan nuestro entorno, entonces era necesario analizar el tema de la física cuántica.

La física cuántica es muy contraria a la teoría de la relatividad, ya que sigue unos principios que en apariencia son arbitrarios, como por ejemplo que una partícula puede estar en varios lugares al mismo tiempo, o que sin importar la distancia, dos partículas pueden permanecer conectadas. Por eso Einstein decía: “Dios no juega a los dados”, ya que según él, el universo siguen unas leyes inmutables.

Empezaremos con algunos conceptos básicos de la física, luego con la definición de las partículas elementales, para así entender de que estamos hablando, y ya con este conocimiento base, entraremos a definir lo que es la física cuántica y como funciona.

Conceptos básicos de las partículas elementales

Cuáles son las 4 fuerzas del universo

En la teoría del modelo estándar intentan describir las fuerzas del universo y la materia. Si antes se consideraban las fuerzas fundamentales el agua o el fuego, hoy en día se consideran otro tipo de fuerzas como la fuerza de gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerte (que permite que los protones del núcleo permanezcan unidos). Alguna partícula portadora de fuerza sería el fotón. Respecto a las partículas materiales tenemos los quarks, los protones, etc.

La fuerza nuclear débil, que es la encargada de transformar neutrones en protones y electrones. Gracias a la fuerza nuclear débil, se hace posible que el sol produzca luz y energía. La fuerza nuclear débil (llamada así porque sus procesos son muy lentos) es la encargada de la desintegración radioactiva.

Qué es la materia obscura

La materia oscura es una “materia” que debe estar allí, pero que no podemos ver (oscura). Es una materia que no emite suficiente radiación electromagnética para que la puedan detectar los medios de los que disponemos en la actualidad. Los científicos, realmente, no saben qué es. Su existencia se puede deducir a partir de sus efectos gravitacionales en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias. La materia oscura invisible ha sido descrita como el pegamento de unión, de la visible.

Qué es la Antimateria.

La materia y la antimateria se trata de copias idénticas que se diferencian en que tienen cargas opuestas o invertidas, en un inicio colisionaban y se aniquilaban liberando grandes cantidades de energía, cosa que hoy en día se puede reproducir con el acelerador de partículas, el CERN (También puede generar neutrinos). Ese desequilibrio se descompenso a favor de la materia gracias a los neutrinos. Para entender su diferencia miremos el electrón que tiene carga negativa y es materia, mientras que el positrón tiene carga positiva y es antimateria.

Qué es el acelerador de partículas

Un acelerador de partículas es un dispositivo que imita la acción de los rayos cósmicos sobre la atmosfera terrestre. El acelerador utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades, y así colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan nuevas partículas, que nos permite estudiar las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas.  El tubo de rayos catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.

El Gran Colisionador de Hadrones, fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, para examinar la validez del modelo teórico de la física de partículas. Este instrumento permitió confirmar la existencia del bosón de Higgs. Al hacer chocar dos haces de iones pesados se recrean las condiciones de temperatura que tuvieron lugar en el universo después del ‘big bang’.

Muchos científicos cómo Stephen Hawking y Neil de Grasse Tyson sostienen que hacer este tipo de experimentos puede hace que se generen accidentes que destruyan el planeta. Otro científico Sergio Bertolucci, afirma que gran Colicionador puede abrir la puerta a otras dimensiones.  El CERN investiga las partículas responsables de la materia y la energía obscura.

Cuáles son las partículas elementales

Las partículas subatómicas se dividen en fermiones que componen la materia y los bosones portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo son fermiones, mientras que los responsables de la fuerza electromagnética, nuclear fuerte y débil (el fotón, el gluón y los bosones W y Z), son bosones. El fotón y el gluón no poseen masa. El núcleo de un átomo es un fermion o un bosón dependiendo de que si el número de protones y neutrones sea par o impar. Los fermiones son por ejemplo los quarks y leptones.

La materia está formada por Quarks y leptones. Los Quarks son los que forman protones (son básicamente la materia, no se desintegran fácilmente y son muy pesados) y neutrones, mientras que los leptones forman los electrones. Los protones formados por dos quarks, son básicamente la materia, porque no se desintegran fácilmente y son muy pesados.

Todas las partículas elementales que forman la materia (6 leptones y 6 quarks) tienen masa. Existe 6 tipos de quarks en dependencia de su masa y carga. Los 6 tipos de leptones son: El electrón, el muón y el tau, que tienen carga eléctrica. Los otros 3 son neutrinos. Cada leptón con carga tiene su neutrino. Los leptones pueden habitar solos o mientras que los quarks que siempre están en grupos formando partículas llamados hadrones, que se dividen en bariones y mesones.

Que es el bosón de Higgs o partícula de Dios

El bosón de Higgs cuando interactúa con otras partículas hace que estas adquieran masa. El bosón de Higgs es una partícula que se desintegra casi de manera inmediata que se produce. Esta se transforma en otras partículas por ejemplo dos fotones.

Al igual que el fotón es el componente fundamental del campo electromagnético y de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman bosón de Higgs. En el campo de Higgs, los bosones se comportan como las moléculas de H20 en el agua. El campo de higgs es como un océano cósmico formada por bosones de higgs, en la que estamos inmersos. Si algo atraviesa ese campo, las moléculas se separan y dejan pasar, pero ofrecen una resistencia. La resistencia que ofrece estas partículas al campo, determinan su masa.

Qué son los neutrinos

Los neutrinos no poseen carga eléctrica y son los de menor masa, estos viajan casi a la velocidad de la luz (los cuerpos con masa no pueden viajar a la velocidad de la luz) y no son afectados por campos magnéticos, a excepción de la fuerza nuclear débil, la cual transformar neutrones en protones y electrones, es la encargada de la desintegración radioactiva.

Los neutrinos se producen en el interior del sol por desintegración radioactiva, y escapan y llegan a la tierra en tan solo 8 minutos, mientras que un fotón dura muchos años en abandonar el sol. Los neutrinos apenas interactúan con la materia convencional. Se calcula que pasan del orden de 100.000 millones de neutrinos por la uña de un pulgar en tan solo un segundo. Tienen una masa 200.000 veces menor que la masa del electrón. Existen tres familias de neutrinos; el electrónico, el muónico y el tauónico.

Dentro de los núcleos los neutrones son estables, pero aislados se desintegran en un protón y un electrón. Ahora bien, la suma de las masas del electrón y el protón resultante y sus energías cinéticas no es igual a la masa del neutrón. Como ni la masa ni la energía pueden desaparecer en el universo, tiene que haber algo más que sale del neutrón cuando éste se desintegra. Ese algo más es el neutrino, que representa la energía sobrante.

Qué es el fotón

Los bosones son partículas que transmiten una fuerza, la cual actúa sobre los quarks y leptones. Los bosones forman por ejemplo el fotón.

El fotón es un quantum mediador, es un tipo de bosón de gauge, es una partícula elemental de luz que se propaga en el vacío, el sol irradia fotones que contiene los rayos cósmicos, gamma, ultravioletas, etc. El fotón no posee masa y es el responsable de la fuerza electromagnética.

Cómo nuestro ojo percibe la luz

Nuestros ojos perciben el espacio comprendido entre los rayos ultravioletas e infrarrojos. En la retina de nuestros ojos hay unos fotoreceptores, que son neuronas especializadas encargadas de convertir la luz en señales electroquímicas o impulsos nerviosos, que el cerebro transforma en mecanismos que reconoce formas, colores y tamaños. Según experimentos hechos en la universidad de Rockefeller, nuestro ojo está en condiciones de ver un fotón.

¿Qué es la física cuántica?

La física cuántica, también conocida como mecánica cuántica es una rama de la física que estudia la materia a escalas muy pequeñas. La física clásica nos permite estudiar el comportamiento de los objetos que nos rodean mediante leyes matemáticas, con esto podemos predecir la velocidad de un avión o la posición de un objeto dentro de la trayectoria. Las leyes matemáticas de la física clásica no sirven para analizar la materia a escalas muy pequeñas; porque no puede predecir el comportamiento de estas partículas subatómicas, ni su velocidad, ni su posición.

Cuáles son las aplicaciones de la física cuántica

Gracias a la física cuántica se ha podido desarrollar el láser, los detectores de movimiento, tecnología genética para la manipulación del ADN, imágenes con resonancia magnética que nos permite examinar todos los tejidos del cuerpo.

A futuro se está trabajando en varias tecnologías, por ejemplo, la información cuántica, que nos ayudaría a la miniaturización de las cosas, entendámoslo de esta manera: Con el almacenamiento normal, un ordenador que trabaja con un bit, puede almacenar dos valores (1,0), si trabaja con 3 bits, puede almacenar 8 estados diferentes, con 64 bits trabaja con trillones de estados, y en el ordenado tradicional registra estos estados uno a uno, mientras que en un ordenador cuántico los puedes registrar todos al mismo tiempo.

Cuáles son los principios básicos de la física cuántica

  1. La física cuántica es probabilística

La física cuántica se caracteriza por no ser determinista sino probabilística, y por eso rompe todos los esquemas establecidos por la física clásica. En la Teoría Cuántica la probabilidad no se halla supeditada al estado de conocimiento del sujeto, sino que, en cierto modo, lo determina. Nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión.

  1. Sobre el intercambio de energía

La física clásica nos dice que el intercambio de energía entre la radiación y la materia ocurría a través de un proceso continuo, mientras que con la física cuántica y según la teoría de Max Planck, nos dice que el intercambio de energía debía suceder de una manera discontinua, es decir, a través de la emisión y absorción de cantidades mínimas de energía, que hoy denominamos “cuantos”, de ahí el nombre de quantum.

Propiedades de las partículas subatómicas

Aunque parezca increíble todos estos principios y fenómenos cuánticos se han comprobado con numerosos experimentos, confirmándose cada uno de ellos, por ello numerosos científicos aseguran que la mecánica cuántica es la ciencia más exacta jamás descubierta por el hombre.

  1. Qué es la dualidad onda-corpúsculo:

Las partículas poseen la propiedad de comportarse a la vez como ondas (imaginemos las ondas de agua), y a la vez como corpúsculos, que vienen a ser como unos objetos sólidos.

Por ejemplo, la luz se comporta como una onda y a veces es como si estuviera compuesta de pequeñas partículas, los fotones. Estos colisionan, rebotan y se dispersan como partículas.

  1. Qué es el principio de incertidumbre de heisenberg:

El Principio de incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer conjuntamente y simultáneamente con exactitud la posición y la velocidad de una partícula, y por tanto es imposible determinar su trayectoria. Cuanto mayor sea la precisión con que determinamos la posición, mayor será el error con el que calculamos su velocidad. Solamente es posible determinar la probabilidad de que una partícula, se encuentre en una región determinada.

El hecho de que cada partícula lleva asociada consigo una onda, impone restricciones en la capacidad para determinar al mismo tiempo su posición y su velocidad.

Por ejemplo Los fotones de luz al chocar con un electrón, modifica su posición y velocidad, y si vamos a medir este hecho con un instrumento, ese solo acto modifica los datos. Los humanos somos observadores, afectamos lo observado.

  1. Qué es el efecto tunneling cuántico

El efecto túnel nos afirma que un electrón puede atravesar en ocasiones “muros” de energía como un “fantasma”, puede ir de un punto A al C, si pasar por un punto intermedio, esto se debe a la dualidad onda-partícula que confirma la mecánica cuántica. De momento se puede transportar información, mas no se podría usar en cosas como los viajes.

Esto se puede ver en el experimento de Ivar Giaever sobre Tunneling Cuántico

  1. Qué es el fenómeno de superposición cuántica

El fenómeno de superposición nos indica que una partícula puede estar al mismo tiempo presente en muchos lugares a la vez con diferentes probabilidades siempre y cuando no sea observada. Una cosa puede ser otra cosa o cientos de cosas, al mismo tiempo. Una partícula existe en parte en todos sus teóricamente posibles estados de forma simultánea.

El ejemplo más claro es el del gato de Schrödinger que se encuentra dentro de una caja sin abrir. Su estado dependerá de que pase un electrón que active un mecanismo que envenena al gato. El electrón es al mismo tiempo onda y partícula. El electrón puede salir disparado como una “bala”, y al mismo tiempo, también puede salir como una “ola” (ondas de agua). Es decir, toma distintos caminos a la vez. De este modo el electrón puede ser detectado por el mecanismo y al mismo tiempo no sería detectado.  Además, cualquier observación, por mínima que fuese, podría afectar el estado del gato y por consiguiente colapsar su estado de superposición. Un solo fotón nos podría dar la información del estado del gato y a la vez colocaría al gato en un estado vivo o muerto. El mero hecho de observar contamina el experimento y define una realidad frente a las demás. Einstein lo expresaba: “¿quiere esto decir que la Luna no está ahí cuando nadie la mira?”

  1. Qué es el fenómeno de entrelazamiento cuántico

El fenómeno de entrelazamiento nos indica que dos partículas que se encuentran separadas, pueden permanecer ligadas a distancias ilimitadas sin conexión de por medio. Luego, cuando modificamos el estado de alguno de los electrones el otro cambia instantáneamente. Esto puede significar que la información viaja a velocidad infinitas, o que el concepto de espacio es ilusión. Este fenómeno de entrelazamiento se puede relacionar con el sentido de orientación de las aves, que hace parecer que tienen una brújula biológica.

Según científicos, toda la materia existente permanece en contacto desde el Big Bang. El físico Leo Kouwenhoven, explica este fenómeno en un vídeo en el sitio web: TED.

  1. Que son los Metaversos cuánticos o universos paralelos

Los Multiversos Cuánticos afirma que nuestro universo no es único, existen universos paralelos idénticos, pero en algunos casos podrían estar en diferentes estados. Estos universos se encuentran en otro espacio. Estos universos hacen notar su presencia en ciertos experimentos de laboratorio tales como la interferencia de ondas y los de computación cuántica. Por ejemplo, al lanzar un dado, la mecánica cuántica determina que salen todos los valores a la vez, pudiéndose decir que todos los valores posibles aparecen en los diferentes universos. Todo lo que puede suceder sucede en algún momento en todos estos ‘multiversos’ (los múltiples universos posibles).

De esta teoría habla el experimento de la doble rendida.

Conclusión

Mi objetivo con este artículo es en algún momento entender o encontrar como se relaciona nuestro pensamiento con el entorno y como lo afecta, que de momento no hay una teoría científica que haya establecido dicha relación, aunque dentro de los conocimientos de la antigüedad si lo hace, y dentro de la teoría cuántica es posible.

De momento si sabemos que nuestro cerebro recibe las impresiones externas y las transforma en impulsos eléctricos, luego los asocia con el contenido de otras neuronas, y a partir de ahí reacciona o toma unas decisiones, enviando nuevos impulsos eléctricos a todas las partes del cuerpo. En algunas ocasiones estos impulsos activan ciertos compuestos químicos que son expulsados del cuerpo, como el caso de las feromonas. Respecto a las partículas elementales, nos dice la física cuántica, que según el principio de incertidumbre de heisenberg y el fenómeno de superposición cuántica, es posible esta conexión entre observador y observado.

Sería ideal desde el punto de vista de la ciencia, en términos de partículas elementales, demostrar cómo interactúan estas partículas con otros pensamientos y con objetos externos. Desde el punto de vista teórico de la teoría cuántica, si se podría, pero todavía no hay experimentos que hagan una relación desde la neuronas hasta los objetos externos.

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