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Presentación de la XLI edición del Carnaval de la Física

Hoy tengo el gran honor de anunciar que la que sera la XLI edición del Carnaval de la Física estará siendo albergada por este mes de Abril en el presente Blog. Si aún no sabéis de qué se trata esta iniciativa, no os asustéis,  a continuación os explicare que tenéis que hacer para poder participar, y de verdad espero que lo hagáis, porque es muy fácil y juntos aprenderemos muchas cosas nuevas.

El Carnaval de la Física se celebra mensualmente desde el 30 de noviembre del 2009 cuando fue creado por la gente del Blog Gravedad cero y cada mes se aloja en un Blog diferente. En esta ocasión el testigo pasa a mi de parte del genial “Cuantos y Cuerdas”.

Para los que queráis participar, el único requisito es publicar en su propio blog hasta el día 25 de Abril del año en curso un texto que sea lo más divulgativo y didáctico posible sobre un tema que tenga alguna relación con el mundo de la física. No es necesario hablar de astrofísica sino que la entrada puede tratar, por ejemplo, de la explicación de un fenómeno físico, del uso de nuevos materiales, de física teórica  meteorología, de historia de la física, pero también de una poesía, una pieza de teatro, de música que hable de la relación entre física y otros ámbitos del conocimiento, cualquier cosa que os podáis imaginar pero siempre que tenga relación con la física.

En vuestra entrada debéis indicar que participáis en la XLI edición del Carnaval de la Física, mencionar el Blog anfitrión y dirigir mediante un enlace a él (en este caso este Blog “El Factor Ciencia” algo así como “Esta entrada participa en la XLI edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión en el blog El Factor Ciencia” y no os olvidéis de enlazar con mi Blog. A continuación tenéis que comunicármelo, para lo cual hay dos maneras posibles:

  • Escribirme un e-mail a: elfactorciencia@gmail.com
  • Mandar un Tuit a mi cuenta: @CienciaBlog 

Según normas del carnaval no se admite como forma de comunicación dejar un comentario en el Blog anfitrión. Por lo que debéis enlazarme a vuestra contribución. La fecha tope de envió de vuestras entradas es el 25 de Abril y el día 30 publicaré una entrada con todas las contribuciones y un pequeño resumen, aunque iré publicando y actualizando las entradas que me vayáis mandando. Recordaros que se puede participar con más de una entrada, de hecho tantas como queráis, así que no esperéis tanto para hacerme trabajar.

Ahora solo me falta sugerir una temática para vuestras contribuciones pero recordad que podéis hacerla sobre lo que vosotros querías. Lo he pensado bastante y nada me gustaría mas que una contribución que este relacionada con la Materia Oscura y la Energía Oscura, que hemos echo para detectarlas, que sabemos sobre ellas, hasta donde hemos llegado para comprenderlas y a donde llegaremos en un futuro cercano. Pero recordad que es solo una sugerencia, así que no tenéis excusa para participar y si no lo habéis echo en ediciones anteriores os invito a que os animéis a hacerlo en esta oportunidad, ya veis que es muy fácil.

Saludos y nos vemos en el Carnaval, que os estaré esperando.

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La Teletransportación: ¿Realidad o ficción?

¿Quien no ha llegado tarde alguna vez a una cita importante?, puedo asegurar que usted amable lector al igual que yo hemos asistido tarde al colegio, la universidad, el trabajo, etc., etc., etc., y muchos etcéteras mas, el ritmo de vida que todos llevamos en esta sociedad nos ha obligado a “movernos rápido”, todos tenemos muchas cosas que hacer durante el día (que cada vez nos parece mas corto) y para poder cumplir con todo lo que debemos, siempre nos encontramos viajando de un lugar a otro lo mas rápido posible, para ello recurrimos a varios medios de transporte como lo son: las bicicletas, automóviles, motocicletas, autobuses, trenes, barcos y aviones.

Pero la mente humana se ha encargado de abrir nuevas vías,  que sean mucho mas rápidas y de ser posibles instantáneas para que de esa manera tengamos un poco mas de tiempo para cumplir con nuestro trajín diario. Y es en ese instante que aparece en escena la Teletransportación. 

¿Pero qué tal si pudiésemos reemplazar ese “movernos rápido” por un “movernos instantáneamente”?

ORIGEN DEL TERMINO 

Literalmente Teletransportación quiere decir: “desplazar a distancia”. Lo cual nosotros entendemos como un desplazamiento que se produce sin necesidad de establecer contacto físico directamente con el objeto para que este se mueva. 

El termino “Teletransportación”, fue acuñado en el año 1930 por un reconocido investigador y escritor de la época, un tal Charles Fort de origen estadounidense, quien se dedicaba al estudio de los hechos que la ciencia de la época no podía solucionar.

Fort utilizo esa palabra para describir una supuesta conexión entre unas misteriosas desapariciones y apariciones que sucedían en varias partes del mundo. 

TELETRANSPORTACIÓN Y CIENCIA FICCIÓN

Si se descubriera la forma de transportar al instante a una persona o un objeto de un lugar a otro, seria sin lugar a duda una tecnología que cambiara el curso de toda nuestra civilización. Aunque todos los medios de transporte (las industrias que sirven y en las que se basan dichos sistemas) que actualmente son utilizados serian completamente obsoletos.

Imagínese un día normal, la alarma de su smartphone no funciono, se despierta tarde, se levanta y se viste lo mas rápido que puede, apenas si se acomoda el cabello (si es que lo tiene), engulle a toda prisa una rebana de pan tostado y bebe un sorbo de su taza de café, pero espere… usted no tiene que conducir al trabajo, simplemente se sienta en su sillón y presiona un botón e instantáneamente se encontrara sentado en la silla de su oficina, frente al ordenador listo para empezar a trabajar. 

Seria algo increíble y muy cómodo que la vida real fuese de esa manera, pero es una pena que simplemente sea parte de una renombrada cinta del genero favorito de los Frikis (me incluyo)… La gloriosa Ciencia Ficción.

Quizas la idea de teletransportación mas temprana que incursionó en la ciencia ficción es el cuento “The man without a body” que traducido es: “El hombre sin un cuerpo”  escrito por David P. Mitchell que relata la historia de un científico que logra descubrir un metro para desarmar los átomos de su gato y transmitirlos por uno de sus cables de telégrafo  pero debido a su mala suerte, cuando intenta hacerlo con su cuerpo, la batería de su telégrafo se agota cuando solo había transmitido su cabeza, falleciendo en el intento.

Pero la sociedad en general no adopto la idea de la teletransportación hasta que la famosa serie de 1966,  Star Trek y sus películas fueron lanzadas al aire.

Y es en esa serie que se introdujo la figura de un dispositivo que hacia posible la teletransportación llamado “transportador”, teóricamente consiste en una técnica de escaneo que permite determinar la posición de las partículas del objeto, desmantelarlo y enviarla a través de un rayo a un puno definido donde se ensamblaran nuevamente.

Si nos ponemos a pensar en detalle todo lo que eso implica, llegamos a la conclusión de que el cuerpo de una persona esta compuesto por billones de billones de átomos. Y por cada uno de ellos, se debe de reproducir con absoluta exactitud su posición, el espín de cada electrón, cada una de las estructuras moleculares y ademas las formas en que todo esto interacciona entre si, como se esta moviendo, como están vibrando, todas las velocidades exactas y muchas cosas mas. 

Aunque un dato curioso es que en la serie de “Star Trek” se utilizo el concepto de la teletransportación  porque no se contaba con el presupuesto necesario como para recrear los despegues y aterrizajes de las naves en los planetas. 

Y mas recientemente, en la serie televisiva que ha causado una revolución en concepto de ciencia y comedia, “The Big Bang Theory”, en uno de sus episodios el físico teórico Sheldon Cooper define lo que es la teletransportación:

Aunque una máquina teletransportadora pudiera determinar el estado cuántico de la materia de un individuo, en realidad no estaría teletransportándolo, sino destruyéndolo en una ubicación para luego recrearlo en otra.

TELETRANSPORTACIÓN Y CIENCIA REAL

Aunque todo eso parezca una tarea prácticamente imposible de llevarse a cabo, desde el punto de vista científico, “no existiría ninguna limitación física natural por la cual no pudiese realizarse”.

Después de todo, si podemos efectuar dicho procedimiento con un único átomo (y más adelante veremos que puede hacerse y se ha hecho) no debería haber una limitante natural que nos impida hacerlo con un objeto macroscópico, como un ser humano. Lo que si existen, por lo menos en la actualidad, son limitaciones tecnológicas que nos impiden poner todo esto en práctica.

La principal limitación tecnológica que tenemos actualmente esta relacionada directamente con la capacidad de almacenamiento de información. Imaginemos que al convertir todos los átomos de nuestro cuerpo en energía  deberíamos de almacenar toda la información relativa a cada uno de estos, para poder recuperarse nuevamente en el lugar de destino. El problema directo es que el teletransporte de una sola persona generaría miles de millones de millones de terabytes de información. 

Para poder hacernos una idea mas exacta, si lográramos almacenar toda la información de una sola persona en varios discos de 1 Terabyte cada uno, necesitaríamos unos 500 millones de edificios del tamaño del Empire State para poder guardarlos.

Y como todo esto es ciencia pero sobretodo física, no podíamos dejar fuera de la fiesta al  físico mas famoso de todos los tiempos, si señores y señoras, me refiero a Don Albert Einstein…

Y a todo esto, ¿porque Einstein ?… Pues porque también podría existir una problemática tecnológica relacionada con la conversión de materia a energía. Como bien sabemos, y según fue expresado por la famosísima ecuación de Einstein “E=MC²”, la materia y la energía son la misma cosa, e incluso pueden transformarse y convertirse la una en la otra. Aunque parezca increíble, algo tan inofensivo como una galleta, podría contener tanta energía como una bomba atómica. La clave es cuán rápidamente dicha energía es liberada, lo cual en física se conoce como potencia, equivalente a energía por unidad de tiempo. Entonces, la conversión de la masa de un ser humano promedio a energía daría como resultado 40 veces la energía liberada en la más grande de las explosiones atómicas. Sin el medio tecnológico apropiado para controlar esta situación, el teletransporte podría resultar catastrófico.

Pero aparte de los problemas tecnológicos que de por si no son pocos, se le han de sumar unos no menos importantes, los problemas éticos o filosóficos.

Estos problemas filosóficos se resumen en una sola pregunta:

¿Qué es lo que se obtiene del otro lado al llevar a cabo el proceso de teletransporte?

¿Es la misma persona, o solamente una réplica cuántica perfecta? ¿Se está desarmando a la persona y armándola en otro lado; o acaso se la está desarmando, almacenando la información y luego creándola de cero nuevamente usando dicha información? ¿El teletransporte estaría matando al individuo y luego creando una copia exacta del mismo; o de alguna forma lo preserva y luego lo transporta a otro lado? Mientras se mantengan sin contestar, todas estas preguntas plantearían profundas cuestiones éticas y filosóficas muy relevantes.

LA MECÁNICA CUÁNTICA

Seguramente todos nosotros hemos oído hablar o hemos leído acerca de la  mecánica cuántica. Esta rama de la física, que representa un gigantesco avance con respecto a la física clásica newtoniana, plantea muchas situaciones sumamente exóticas y en extremo extrañas, algunas de las cuales incluso se contradicen radicalmente con nuestra lógica y sentido común. 

Uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica es lo que se conoce como la dualidad onda-partícula, la cual desbarató completamente nuestra forma previa de observar el mundo atómico. Previo al desarrollo de la mecánica cuántica, los físicos solían considerar al átomo como una unidad compuesta por un núcleo (que estaba formado por protones y neutrones) y una serie de electrones girando en torno a dicho núcleo en órbitas establecidas. Con el desarrollo de la mecánica cuántica, los físicos descubrieron que dichas “órbitas establecidas” no existían; en cambio, los electrones actuaban como ondas y hacían saltos cuánticos en sus movimientos aparentemente caóticos dentro de los átomos.

Otra de las exóticas propiedades de la mecánica cuántica es lo que se ha dado en conocer como el principio de incertidumbre de Heisenberg. Según este principio, no se puede conocer a la vez la velocidad y la posición exacta de un electrón, ni se puede conocer su energía exacta medida en un intervalo de tiempo dado. Sumado a la dualidad onda-partícula, este nos impide conocer la posición exacta de los electrones que orbitan al núcleo; solo podemos encontrar diferentes intensidades de onda y hablar de la probabilidad de encontrar un electrón concreto en cualquier lugar y cualquier instante de la misma.

Si tomamos en consideración la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre, la mecánica cuántica nos dice entonces que en el nivel cuántico se violan todas las leyes básicas de sentido común: los electrones pueden desaparecer y reaparecer en otro lugar diferente, y también pueden estar en muchos lugares al mismo tiempo. De esta forma, los electrones podrían experimentar a nivel cuántico algo muy similar al proceso de teletransporte.

Mientras que para los electrones resulta sumamente sencillo, incluso natural, desaparecer en un lado y reaparecer en otro, trasladado a escalas macroscópicas la posibilidad de que esto mismo suceda es increíblemente remota. Aunque dicha posibilidad existe y está permitida por las leyes físicas, habría que esperar un tiempo muchísimo mayor que la edad del Universo para que ocurriera. Además, en un cuerpo humano formado por billones y billones de átomos, incluso si los electrones están danzando y saltando en su viaje alrededor del núcleo, hay tantos de ellos que sus movimientos se promedian. De hecho, a grandes rasgos, esta es la razón por la cual en nuestro nivel las sustancias parecen sólidas y permanentes.

Si bien todos estos fenómenos son sumamente interesantes y nos permiten pensar que las leyes naturales del Universo no prohíben el teletransporte, lejos se encuentran de las formas de teletransporte que nos serían útiles. Pero no nos desilusionemos y busquemos que otras opciones podemos tomar en cuenta…

EL ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO

Traten de imaginarse un fenómeno tan exótico y raro, que inclusive el propio Einstein tuvo que recurrir a la palabra “fantasmal” para describir a grandes rasgos su funcionamiento. El fenómeno al que me refiero se conoce como entrelazamiento cuántico, y es una de las propiedades más extrañas de la mecánica cuántica. Tan extraña es que solamente algunos pocos “elegidos” consiguen comprender realmente las muy complejas y extensas matemáticas detrás de dicha propiedad.

Explicado de forma sencilla, el entrelazamiento cuántico funciona así:  En primer lugar se deben tomar dos electrones (o cualquier partícula subatómica que les guste) en estado de coherencia, es decir, que cuenten con las mismas propiedades y vibren al unísono. Luego, aunque dichos electrones sean separados por inmensas distancias, incluso distancias tan grandes que la luz no consiga viajar de un electrón al otro, estos permanecerán en sincronización ondulatoria, y cualquier modificación que se realice sobre las propiedades de uno de los electrones, se reflejará instantáneamente en el otro electrón remoto.

Inclusive si las partículas se encuentran separadas por años luz de distancia, seguirá existiendo una onda invisible que las conecta, como si hubiese algún tipo de conexión profunda que las vincula, como si tuviesen conciencia o un alma propia. El mismo Einstein solía denominar a este fenómeno, de forma burlona, como una “fantasmal acción a distancia”.

En la década de 1980, un equipo científico de Francia probó experimentalmente este fenómeno utilizando dos detectores separados por 13 metros de distancia y midiendo los espines de fotones emitidos por átomos de calcio. Increíblemente, los resultados concordaron por completo con la teoría cuántica: aún estando separados, cuando se modificaban las propiedades de uno de los fotones, dicha modificación se reflejaba instantáneamente en el otro fotón, como si algo desconocido los mantuviese unidos y comunicase esa información entre ellos.

En el año 1993, científicos de IBM demostraron que era físicamente posible teletransportar objetos, al menos a nivel atómico, usando el entrelazamiento cuántico. En realidad lo que se transporta no es el objeto en sí, sino toda la información contenida dentro del mismo. Desde entonces los físicos han conseguido teletransportar fotones e incluso átomos enteros utilizando las propiedades del entrelazamiento cuántico, en lo que se ha dado a conocer como “teletransporte cuántico”.

Con la utilización de este método se han logrado increíbles avances recientes en relación con el teletransporte. En el año 2004 físicos de la Universidad de Viena teletransportaron partículas de luz a una distancia de 600 metros. En el mismo año, se consiguió el teletransporte cuántico no de fotones de luz, sino de átomos reales (puntualmente tres átomos de berilio), lo cual nos acerca a un dispositivo de teletransporte más realista y útil. En el año 2006 se logró otro avance espectacular: el primer teletransporte de un objeto macroscópico. Un equipo de físicos consiguió entrelazar un haz luminoso con un gas de átomos de cesio, el cual involucraba billones y billones de átomos. Luego codificaron la información contenida dentro de pulsos de láser y fueron capaces de teletransportar esa información a los átomos de cesio a una distancia de casi medio metro.

En el año 2012, investigadores europeos batieron el récord hasta entonces vigente pues lograron teletransportar fotones a una distancia de 143 kilómetros. Así que podemos decir que cada vez estamos mas cerca…

TELETRANSPORTE Y EL CONDENSADO DE BOSE-EINSTEIN

Debido a que lograr un estado de entrelazamiento cuántico entre objetos plantea inmensas dificultades, los físicos comenzaron a explorar otras posibilidades para el teletransporte de objetos sin la necesidad de recurrir al entrelazamiento. En el año 2007, finalmente se consiguió desarrollar un nuevo esquema de teletransporte, basado en un nuevo estado de la materia denominado “condensado de Bose-Einstein” (o BEC).

En la naturaleza se puede encontrar la temperatura más fría en el espacio exterior, la cual corresponde a 3°K por encima del cero absoluto (esto se debe al calor residual del Big Bang que aún llena el Universo). En cambio,un BEC se encuentra a una millonésima de mil millonésima de grado sobre el cero absoluto, lo más que podemos acercarnos a este último. Cuando un objeto se enfría hasta alcanzar casi el cero absoluto, todos sus átomos se ponen en el estado de energía más baja, de modo que comienzan a vibrar al unísono y se hacen coherentes entre sí.

El nuevo dispositivo de teletransporte funcionaría entonces de la siguiente manera. Se toma un conjunto de átomos de rubidio super-fríos en un estado BEC. Entonces se aplica al BEC un haz de materia, también compuesto por átomos de rubidio. Estos últimos átomos también“quieren ponerse” en el estado de energía más baja, así que ceden su exceso de energía en forma de un pulso de luz. Este haz de luz, que contiene toda la información cuántica de la materia original, se envía a través de un cable de fibra óptica. Por último, el haz de luz incide sobre otro BEC, que transforma el haz de luz en el haz de materia original.

Este nuevo método de teletransporte es sumamente prometedor, puesto que se evita el muy complicado entrelazamiento de átomos. De cualquier modo, las cosas no son tan sencillas como parecerían: este método también tiene sus problemáticas, principalmente por depender de las propiedades de los BEC, que son muy difíciles de recrear en el laboratorio.

QUE PODEMOS ESPERAR

Como nos hemos dado cuenta, la teletransportación esta un poco lejos de hacerse realidad debido a que aun tenemos problemas técnicos muy difíciles de superar, pero al paso en el que la tecnología esta evolucionando si podemos asegurar que llegara el día en el que teletransportarse sea tan común y ordinario como leer la ultima notificación de nuestra red social favorita. Quizas solo necesitemos de unos cuantos siglos o quizás de un tiempo mucho mayor.

Falta aun mucho por descubrir, mucho por hacer y demasiado por discutir.

Sabemos que actualmente se requieren los laboratorios y el instrumental más avanzado del mundo para teletransportar tan solo algunos átomos. Los físicos confían que en las próximas décadas se pueda realizar el teletransporte de objetos más complejos, como moléculas o incluso algún virus. Pero nosotros no viviríamos lo suficiente como para llegar a verlo, aunque alguno de nuestros descendientes podría estar disfrutando de esa invención dentro de un buen tiempo.

Aun siendo así  cuando llegue el momento seguro ese avance científico sera una de las mas significativas revoluciones experimentadas por la humanidad y la sociedad. 

Esta entrada participa en la XXXIX Edición del Carnaval de la Física, que esta siendo organizado en esta ocasión por el blog El zombi de Schrödinger. ]

Referencias |

¿Qué son los Diagramas de Feynman?

Me imagino que muchos de los estudiantes de Física y de otras ciencias de primer año han visto en alguna parte un diagrama como el siguiente el cual ha despertado en ellos una expectación latente por conocer la manera de entenderlos y comprenderlos. Así que si tu eres uno de esos estudiantes de ciencia o tan solo un amante de la ciencia entonces puedo decirte que haz llegado al lugar adecuado.

Esta entrada ha sido creada a petición de FranNavarro que en twitter lo pueden encontrar como @Cucfran, espero que esta entrada aclare todas sus dudas.

Richard Feynman fue uno de los más importantes físicos del siglo XX. Su trabajo en electrodinámica cuántica le valió el Premio Nobel de Física en 1965, compartido con Julian Schwinger y Sin-Ichiro Tomonaga. En este trabajo desarrolló un método para estudiar las interacciones y propiedades de las partículas subatómicas utilizando los denominados diagramas de Feynman.
Si en alguna noticia o artículo de difusión nos hemos topado alguna vez con la mención a esos diagramas y lo buscamos en el internet, terminaremos con una idea básica: diagramas de partículas. Y seguramente, el resto de la información que podamos encontrar sobre ellos nos parecerá muy extraña y difícil de entender, debido a que se encuentra plagada de términos muy técnicos que solo personas que trabajan diariamente con ellas pueden entender.

Y para los no instruidos en la materia a veces se nos complica demasiado poder entenderlos, así que aquí les va una simple y sencilla explicación.

Pensemos en las reglas de un juego en el que:

  • Podemos dibujar dos tipos de líneas: una línea recta con una flecha o una onda.

  • Las podemos dibujar en cualquier dirección. Sólo debemos conectar estas líneas si tenemos dos líneas con flechas encontrándose con una línea ondulada.

La orientación de las flechas es importante. Una flecha debe apuntar al vértice y la otra hacia el otro lado.

  • Los diagramas sólo deben contener piezas conectadas. Cada línea debe conectar con un vértice. No debe haber ninguna parte del diagrama desconectada.

  • Las líneas rectas deben ser rectas y las onduladas, eso, una onda.

Si este es el juego de los diagramas de Feynman, listo, esas son las reglas. Este juego se puede llamar QED (siglas en inglés para electrodinámica cuántica). 


Ahora podemos tratar de dibujar algún diagrama. Pero, cuidado, no podemos hacer cosas así:

Luego de hacer varios diagramas podríamos tratar de encontrar patrones:

¿Hay relación entre el número de líneas externas y el número de líneas internas y vértices?
Si sabemos el número de líneas externas con flechas apuntando hacia adentro, ¿podemos deducir el número de líneas externas con flechas que apuntan hacia afuera?
¿Es posible hacer diagramas que contengan bucles? ¿Eso cambia las respuestas anteriores?

¿Qué significa todo esto?

Cada línea recta es una partícula. Los vértices son interacciones. Las reglas antes mencionadas son una idea general de una teoría de partículas y sus interacciones. Se la llama QED, Electrodinámica cuántica. Las líneas con flechas son partículas de materia (fermiones). Las líneas onduladas es una partícula de fuerza (bosones) que, en este caso, intermedia la interacción electromagnética: es el fotón.

Los diagramas cuentan una historia acerca de cómo un conjunto de partículas interactúan. Se leen los diagramas de izquierda a derecha y esto es importante porque las partículas con flechas que apuntan de izquierda a derecha son electrones. Las que apuntan hacia la otra dirección son positrones. Se puede pensar en las flechas como apuntando en la dirección del flujo de la carga eléctrica.

Hasta aquí tenemos entonces:

e+ es un positrón, e- es un electrón y la gamma es un fotón. 
De esto podemos hacer algunos comentarios:
La interacción con el fotón mostrada arriba incluye secretamente información acerca de la conservación de la carga eléctrica: para cada flecha que apunta hacia una dirección, debe haber otra hacia el otro lado.
Pero podemos rotar la interacción y contar una historia diferente.
Aquí hay algunos ejemplos de distintas maneras de interpretar una interacción (leyendo de izquierda a derecha):

Esto se interpreta así:

(1) un electrón emite un fotón y continúa
(2) un positrón absorbe un fotón y continúa
(3) un electrón y un positrón se aniquilan en un fotón
(4) un fotón espontáneamente produce un par de electrón y positrón

En el lado izquierdo de un diagrama tenemos las “partículas entrantes”, que son las que colisionarán entre sí para producir algo. Por ejemplo, en el LHC esas “partículas entrantes” son los quarks y gluones que viven dentro de los aceleradores de protones. 
En el lado derecho de un diagrama tenemos las “partículas salientes”, que son las detectadas luego de una interesante interacción.

Para la teoría brevemente conceptuada arriba, podemos imaginar un colisionador de electrones y positrones como el viejo LEP y SLAC. En esos experimentos un electrón y un positrón colisionan y las partículas resultantes son detectadas. En nuestra simplificada teoría QED, ¿qué clase de “señales experimentales” (configuraciones de partículas salientes) podrían medirse?
Por ejemplo: ¿es posible tener una señal de un solo electrón con dos positrones? ¿Existen restricciones sobre cuántos fotones salen?

Las líneas externas corresponden a partículas que entran o que salen.
¿Y las líneas internas? Representan partículas virtuales que no son directamente observadas. Son creadas cuánticamente y desaparecen de la misma forma, sirviendo sólo a que un conjunto de interacciones ocurran para que las partículas entrantes se conviertan en partículas salientes. 
Aquí tenemos un ejemplo de un fotón virtual mediando la interacción entre un electrón y un positrón.

En el primer diagrama, el electrón y el positrón se aniquilan en un fotón que luego produce otro par electrón-positrón.
En el segundo diagrama, un electrón empuja a un fotón hacia un positrón cercano (sin siquiera tocarlo). Esto se entiende con la idea de que las partículas de fuerza son extraños objetos cuánticos que median las fuerzas. Sin embargo, nuestra teoría trata a las partículas de fuerza y materia igual. Podemos dibujar diagramas donde hay fotones en el estado externo y los electrones son virtuales:

Este es un proceso donde la luz (el fotón) y un electrón se empujan uno a otro y se llama dispersión Compton. Notar, de paso, que no me molesté en inclinar la partícula virtual vertical en el segundo diagrama. Esto es porque no importa si lo interpretamos como un electrón virtual o un positrón virtual: podemos decir que (1) el electrón emite un fotón y luego se dispersa del fotón o (2) que el fotón entrante produjo un par con la resultante aniquilación positrón-electrón para formar un fotón saliente:

Esta es la idea básica de los diagramas de Feynman. Nos permiten escribir qué interacciones son posibles. 

The Big Bang Theory y los diagramas de Feynman

Y para todos los seguidores de The Big Bang Theory seguramente recuerdan la imagen siguiente…

Corría el año 2008, era la primera temporada de TBBT, el treceavo episodio: The Bat Jar Conjecture, AA perdía 1150 puntos contra PMS con 1175, el Dr. Gablehauser hacía la última pregunta, y yo ponía una cara similar a la de Sheldon.

Estupor en los rostros de todos. Wolowitz lo resume muy bien: “Parece como algo encontrado en la nave espacial de Roswell”. Sheldon declina dar una respuesta oficial al problema, por ello pierde el Torneo de Física.

Y ahora ya saben porque la expresión de Sheldon.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es el significado de los ejes x e y?
Estos son realmente diagramas de espacio tiempo que conceptualizan la “trayectoria” de partículas. Al leer estos diagramas de izquierda a derecha, interpretamos el eje x como tiempo. Podemos pensar cada franja vertical como un momento en el tiempo. El eje y es la dirección del espacio.

¿Así que las partículas viajan en líneas rectas?
No, pero es fácil cree erróneamente eso si tomas a los diagramas demasiado en serio. El camino que las partículas toman a través del espacio es determinado no sólo por las interacciones (capturadas por los diagramas de Feynman), sino la cinemática (que no es captada por los diagramas). Por ejemplo, uno debería imponer cosas como momento y conservación de la energía. El punto de los diagramas es entender las interacciones a lo largo del camino de las partículas, no la real trayectoria de la partícula en el espacio.

¿Esto significa que los positrones son sólo electrones viajando hacia atrás en el tiempo?
En los tempranos días de la electrodinámica cuántica, eso parecía ser una idea que la gente gustaba decir de vez en cuando porque sonaba atractiva. Desde el punto de vista de los diagramas (y en algún sentido también en forma matemática) uno podría tomar esa interpretación, pero no ganamos nada. Entre otras razones más técnicas, ese punto de vista es más bien contraproducente porque el marco matemático de la teoría de campo cuántica está construida sobre la idea de causalidad.

¿Qué significa que un conjunto de partículas entrantes y partículas salientes pueden tener múltiples diagramas?
En los ejemplos de arriba de dispersiones dos a dos mostré dos diagramas diferentes que toman el estado de entrada y producen el requerido estado de salida. De hecho, hay infinitos de esos diagramas. Desde la mecánica cuántica uno debe sumar todas las formas para tener del estado de entrada el estado de salida.

¿Cuál es el significado de las reglas 3 y 4?
La regla 3 dice que sólo nos vamos a ocupar acerca de una cadena particular de interacciones. No nos importa acerca de partículas adicionales que no interaccionan o cadenas independientes de interacciones. La regla 4 hace que los diagramas sean fáciles de leer. Ocasionalmente deberemos dibujar líneas curvas o incluso líneas que pasan por debajo de otras.

¿De dónde vienen estas reglas?
Las reglas que dimos arriba (llamadas reglas de Feynman) son esencialmente la definición de una teoría de física de partículas. Más completamente, las reglas deben también incluir unos números asociados con los parámetros de la teoría (por ej.: las masas de las partículas).
Los estudiantes de graduado en física de partículas pasan gran parte de su primer año aprendiendo cómo extraer las reglas diagramáticas de expresiones matemáticas (y luego cómo usar los diagramas para hacer más matemática), pero el contenido físico de la teoría es más intuitivamente entendido al mirar los diagramas directamente e ignorando la matemática. Si tienes verdadera curiosidad, las expresiones de las cuales se obtienen las reglas lucen parecidas a esto [es un pdf], aunque es deliberadamente una formulación “terrorífica”.

Si tienen preguntas, las pueden hacer libremente y también cualquier sugerencia o corrección sera muy bien recibida.

Saludos.

Un nuevo tipo de magnetismo ha sido descubierto

Nuevos experimentos han demostrado la existencia de un nuevo tipo de magnetismo, el cual podría aplicarse al desarrollo de nuevas memorias de ordenador.

Sobre la base de predicciones teóricas anteriores, unos investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ahora han demostrado experimentalmente la existencia de un nuevo tipo de comportamiento magnético, que se suma a los dos estados de magnetismo que ya se conocían.

  • El ferromagnetismo, o sea el magnetismo simple del típico imán permanente o la aguja de una brújula, se conoce desde hace siglos.
  • El antiferromagnetismo, los campos magnéticos de los iones dentro de un metal o aleación se anulan entre sí. El antiferromagnetismo es la base de los cabezales de lectura de los discos duros de la actualidad.

El equipo de Young Lee y Tianheng Han del MIT ha demostrado que hay un tercer estado fundamental de magnetismo.

Este estado corresponde a un material que es un cristal sólido, pero su estado magnético se describe como líquido: A diferencia de los otros dos tipos de magnetismo, las orientaciones magnéticas de las partículas individuales dentro de este material fluctúan constantemente, asemejándose al movimiento constante de moléculas dentro de un líquido real.

 

Cristal de herbertsmitita. 

Philip Anderson, un importante teórico, propuso por primera vez el concepto en 1987, afirmando que este estado podría ser relevante para los superconductores de alta temperatura.

El material en sí mismo es un cristal de un mineral llamado herbertsmitita. Lee y sus colegas lograron por primera vez obtener un cristal grande y puro de este material el año pasado, un proceso que tardó 10 meses, y desde entonces han estado estudiando sus propiedades en detalle.

Puede que transcurra bastante tiempo traducir esta investigación de física fundamental en aplicaciones prácticas. Pero el trabajo podría conducir a importantes avances en el almacenamiento de datos o en las comunicaciones. Los resultados también podrían ser relevantes para la investigación de superconductores de alta temperatura, y finalmente podrían conducir a nuevos desarrollos en ese campo.

A través de sus experimentos, el equipo hizo un importante descubrimiento, Lee dice: Encontraron un estado con excitaciones fraccionados, que había sido predicho por algunos teóricos sino que era una idea muy controvertida. Mientras más materia tiene estados cuánticos discretos cuyos cambios se expresan como números enteros, este material exhibe QSL fraccionada estados cuánticos. De hecho, los investigadores encontraron que estos estados excitados, llamados espinones, forman un continuo. Esta observación, se dice en el artículo de Nature, es “una notable primera”.

Dispersión de neutrones

Para medir este estado, el equipo utilizó una técnica llamada dispersión de neutrones, que es la especialidad de Lee. Para llevar realmente a cabo las mediciones, se utilizó un espectrómetro de neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, Md.

Los resultados, dice Lee, son “evidencia muy fuerte de esta fragmentación” de los estados de espín. “Esa es una predicción teórica fundamental para líquidos giro que estamos viendo de una manera clara y detallada para la primera vez.”

Se puede tomar un tiempo largo para traducir esta “investigación muy fundamental” en las aplicaciones prácticas, dice Lee. El trabajo podría conducir a avances en el almacenamiento de datos o comunicaciones, dice – tal vez usando un exótico fenómeno cuántico llamado entrelazamiento de largo alcance, en el que dos partículas muy distantes entre sí instantáneamente puede influir en los demás estados. Los resultados también podrían influir en la investigación de superconductores de alta temperatura, y en última instancia, podría dar lugar a nuevos avances en ese campo, dice.

“Tenemos que conseguir una comprensión más completa del panorama general”, dice Lee. “No hay una teoría que describa todo lo que estamos viendo”.

Información adicional: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/mit-researchers-discover-a-new-kind-of-magnetism-1219.html

El campo magnético terrestre colabora en la degradación de la capa de ozono

La interacción del campo magnético terrestre con sustancias químicas contaminantes podría explicar la presencia de estas sustancias en las zonas polares, donde hoy se registra el mayor deterioro de la capa de ozono, según un estudio de la Universidad Autónoma de Madrid, en España.

Año tras año la capa de ozono se reduce en las zonas polares. Como causa de este fenómeno los científicos han identificado en dichas zonas la presencia de óxidos de nitrógeno, átomos de cloro y radicales monóxido, entre otras especies químicas que participan como sustancias intermedias en reacciones en cadena de degradación de las moléculas de ozono. Se sabe que el origen de estas especies químicas se encuentra en muchos productos y combustibles utilizados especialmente en las zonas más pobladas y desarrolladas del planeta, pero hasta ahora no se ha constatado cuál es el mecanismo que las transporta hasta las zonas polares. 

Una reciente investigación —publicada en la revista Green and Sustainable Chemistry por Jaime González Velasco, Catedrático de Química Física y Electro química de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM)— ofrece nuevos elementos para explicar la presencia en las zonas polares de las especies químicas que degradan esa capa que en la tierra funciona como filtro de las radiaciones ultravioleta.

En su trabajo, González Velasco encuentra que el motor de este mecanismo son las propias características magnéticas de las especies químicas. En concreto, resalta la distinción entre sustancias diamagnéticas y sustancias paramagnéticas. Esta distinción es la que permite entender que, en un campo magnético, unas sustancias —las paramagnéticas— sean atraídas hacia la región donde el campo es más intenso, mientras que otras —las diamagnéticas— sean atraídas hacia la región donde el campo es más débil.

 

En base a esto el autor argumenta que, en el campo magnético terrestre, las moléculas de oxígeno, al ser paramagnéticas, serían dirigidas hacia los polos, donde la intensidad del campo es máxima. Por el contrario, las moléculas de ozono, al ser diamagnéticas, serían transportadas por el campo magnético terrestre hacia zonas en las que su intensidad es mínima, es decir, hacia las zonas tropicales y ecuatoriales.

Para el investigador, el que las moléculas de oxígeno sean paramagnéticas y las de ozono diamagnéticas, podría explicar también la reducción anormal que cada año sufre la capa de ozono durante las estaciones de primavera y su consiguiente recuperación durante las estaciones de verano. De hecho, el catedrático propone un mecanismo que explica estos ciclos anuales de degradación-recuperación.

La degradación de la capa de ozono no tiene lugar en las zonas templadas de los hemisferios norte y sur de la tierra, que es donde se acumula la mayor concentración de población contaminante. Puesto que la degradación aparece en latitudes polares, los científicos han concluido que debe existir un mecanismo de transporte hacia esas latitudes que explique la presencia de los átomos de cloro, óxidos de nitrógeno y demás sustancias que actúan en la destrucción de la capa ozono.

Otro indicio importante de este mecanismo, es el hecho de que la degradación de la capa de ozono se produce en primavera, que es cuando comienzan a llegar fotones a las zonas polares, los cuales inducen los procesos fotoquímicos necesarios para que se produzca la desaparición de las moléculas de ozono.

Además, el agujero de la capa de ozono que aparece en las latitudes australes suele ser de mayor magnitud que el que se produce en las zonas boreales, pese a que es en el hemisferio norte donde se produce la mayor acumulación de actividades industriales y de tráfico de diversos tipos de vehículos responsables de la generación de óxidos de nitrógeno.

Como mecanismos de transporte de las especies degradantes se ha recurrido hasta el momento a considerar como responsables a los vientos dominantes a diversas alturas de la atmósfera, que generan corrientes capaces de llevar hasta los polos las moléculas, átomos y radicales perjudiciales.

No obstante, bajo esta teoría quedan sin explicación muchas cuestiones, como la distribución de concentraciones de óxidos de nitrógeno a diversas alturas de la atmósfera. Pero eso en un futuro muy corto lo podremos conocer…