Divulgación de la física cuántica. Por qué y para quien.

Divulgación de la física cuántica. Por qué y para quien.

Estudia sistemas físicos que están muy alejados de nuestra percepción sensorial. Esto significa que el comportamiento de tales sistemas no interviene, al menos directamente, en el quehacer diario del ser humano. Para justificar la ciencia básica y su divulgación se recurre a menudo a las consecuencias tecnológicas que aquella tiene. En el caso de la mecánica cuántica, la lista es imponente. La mecánica cuántica ha permitido el desarrollo de materiales semiconductores para la fabricación de componentes electrónicos cada vez más pequeños y eficaces, usados en radios, televisores computadoras y otros innumerables aparatos. La mecánica cuántica ha permitido un mejor conocimiento del núcleo de los átomos abriendo el campo para sus múltiples aplicaciones en medicina y generación de energía eléctrica.

Sistemas físicos. Estructuras de las teorías físicas: formalismo e interpretación.

El sistema físico está compuesto, entonces, por un conjunto de observables que se eligen de forma arbitraria. Aclaremos esta definición con un ejemplo. Tomemos una piedra. La simple observación revela que la realidad de la piedra es muy compleja: posee una forma propia; su superficie tiene una textura particular; su peso nos indica una cantidad de materia; notamos que su temperatura depende de su reciente interacción con su medio ambiente; puede estar ubicada en diferentes lugares y moverse y rotar con diferentes velocidades; su composición química es muy compleja, conteniendo un gran número de elementos, entre los cuales el silicio es el más abundante; un análisis microscópico revelara que está formada por muchos dominios pequeñísimos en cuyo interior los átomos integran una red cristalina regular; la piedra puede esconder algún insecto petrificado desde hace muchos millones de años; hasta llegar a nuestra manos, ha tenido una historia que le ha dejado trazas; aunque sea altamente dudoso, ninguna observación o razonamiento nos permite afirmar con certeza que la piedra no tenga conciencia de su propia existencia; etc. Vemos que la realidad de la simple piedra es muy compleja, con muchas características que participan, sin prioridades, en la misma. Sin embargo, cuando un físico estudia la caída libre de los cuerpos y toma dicha piedra como ejemplo, de toda esa compleja realidad selecciona solamente su posición y velocidad. Así, el físico ha definido un sistema físico simple. Las demás características han sido declaradas irrelevantes para el comportamiento físico del sistema, si bien algunas pueden ser incluidas en el según las necesidades. Por ejemplo podemos incluir la forma y rugosidad de la superficie de la piedra si deseamos estudiar la fricción con el aire durante la caída, pero se supone que la historia de la piedra no afectara dicha acción.

El ejemplo presentado pone en evidencia que es un error identificar el sistema físico con la realidad; nuestros sentidos nos informan rápidamente de ello, por que percibimos que la piedra es algo más que su posición. La percepción sensorial nos protege. Sin embargo, los sistemas físicos que se estudian con la mecánica cuántica no tienen un contacto directo con nuestros sentidos y dicha protección es desactivada. No podemos estar seguros de no haber omitido en nuestra selección del sistema físico alguna propiedad relevante de la realidad que aún no se ha manifestado a nuestro estudio o que nunca lo hará.

El concepto de “observable” que aparece en la definición de sistema físico intervendrá en numerosas ocasiones en este libro. Como su nombre lo indica una observable es una cualidad susceptible de ser observada. Pero en física es necesario ser un poco más preciso: un observable es una cualidad de la realidad para la cual existe un procedimiento experimental, la medición, cuyo resultado puede ser expresado por un número.

Observables cinemáticos y dinámicos. En física hay reacción y energía.

En este capítulo se hará hincapié en un conjunto de observables de gran importancia para la descripción de los sistemas físicos. Estos son: las coordenadas generalizadas, los impulsos canónicos, la energía y la acción. A continuación se definirán escalas características para todos los sistemas físicos, lo que permitirá establecer una clasificación de los mismos y así definir los rangos de aplicación de las diferentes teorías físicas disponibles para su estudio. En este contexto es fundamental determinar los límites de validez de nuestra intuición cuando se le aplica a los sistemas físicos.

La velocidad es una cantidad esencialmente cinemática pues se refiere a la descripción espacio-temporal del movimiento. El formalismo de la mecánica clásica nos ha enseñado que la velocidad asociada a una coordenada es relevante, pero mucho más lo es una cantidad que depende de la velocidad y también de la cantidad de materia que se encuentra en movimiento. No es lo mismo un mosquito que avanza a 60 km/h que una locomotora a esta velocidad. Se define entonces al impulso como el producto de la velocidad por la masa p=mV. Esta es una cantidad dinámica –vinculada a las causas que originan el movimiento-, cuyo valor se conserva cuando ninguna fuerza actúa y cuyo cambio temporal depende de la fuerza aplicada en la dirección indicada por la coordenada. Si la coordenada es un ángulo, el impulso asociado será la velocidad angular multiplicada por una cantidad que indica la inercia o resistencia que opone el cuerpo a ser rotado con mayor velocidad. Generalizamos esto diciendo que, para cada coordenada generalizada, se define una cantidad dinámica llamada impulso canónico.

Por lo visto la energía juega un papel de fundamental importancia en la física.

La variedad y el número de sistemas físicos a estudiar es enorme. Es tan grande la variedad y son tan grandes las diferencias entre los sistemas que podemos dudar de que una sola teoría física pueda tratarlos a todos. Para tener una noción de los múltiples sistemas físicos es útil establecer una clasificación de los mismos. Es un sueño de los físicos (o un prejuicio) que alguna vez se desarrolle una teoría completa, en el sentido de que contenga en su formalismo

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