Cuántica y relatividad por todas partes

Aunque la cuántica trata de la “física de lo muy pequeño” y la relatividad “de lo muy rápido” no es cierto que sus efectos sólo se perciban en el mundo microscópico o a velocidades próximas a la de la luz, respectivamente.

Quizá el problema sea percibir esas situaciones como poco cotidianas o los efectos macroscópicos perceptibles como situaciones excepcionales.

Antes de la teoría cuántica había un “problemita” que preocupaba a los científicos: “Si una carga en movimiento radia energía y, por lo tanto, la va perdiendo, ¿cómo se mantiene el electrón girando en el átomo de hidrógeno sin ir cayendo poco a poco al núcleo?” . Una tontería… la estabilidad de la materia.

Tuvimos que aceptar el concepto de “órbita mínima de la que no se puede caer”. Más adelante el de “niveles discretos” para comprender los espectros atómicos… pero tuvimos que llegar al concepto de fermión para entender que no se apelotonen todos los electrones en el nivel de menor energía.

De esta forma, la estabilidad del átomo, la existencia de atómos diferentes y la estructura de capas que dará lugar a toda la química son una expresión más que visible y cotidiana de la cuántica.

Modelo de Bohr | Fuente wikicommons

Respecto a la relatividad hay que recordar que antes del trabajo de Einstein ya se habían formulado las transformaciones de Lorentz. Me explicaré.

Ya se conocían las ecuaciones de Maxwell, que explican el electromagnetismo; una de las cosas que más nos gustan a los físicos por su potencia, su sencillez, su elegancia, por “unificar” la electricidad y el magnetismo, por predecir las ondas electromagnéticas… en fin, por tantas cosas. Como iba diciendo, ya se conocían estas ecuaciones, pero tenían un pequeño problema… no eran compatibles con la relatividad de Galileo, con algo tan de “sentido común” como que si dos observadores se mueven a velocidad constante uno respecto del otro (sistemas inerciales), su tiempo discurra igual y obtengamos las velocidades aparentes en cada sistema compensando (sumando o restando) con la velocidad entre ellos. Un problemita de nada… porque no ser compatible significa que los fenómenos electromagnéticos no serían iguales para dos observadores en esos sistemas… y no sólo deben serlo, sino que podemos medir que lo son.

El experimento de Michelson-Morley demostró que la velocidad de la luz no variaba al moverse la Tierra | Fuente wikicommons

Con todo el dolor, nos vimos obligados a dejar algo tan querido como las transformaciones de Galileo por las de Lorentz. Más tarde se vio cómo eran deducibles en el contexto de la relatividad especial asumiendo simplemente que la velocidad de la luz fuera constante e independiente del observador y que el espacio fuera homogéneo e isótropo.

Así que, nada menos que la consistencia de que todos los fenómenos electromagnéticos sean iguales para dos observadores inerciales necesita de la relatividad especial.

Con estos ejemplos no es difícil ver que la cuántica y la relatividad son imprescindibles para la explicaciones de lo más sencillo y cotidiano, pero fíjate además en estos dos aspectos:

  • Fue así como históricamente llamaron nuestra atención, mostrándose en el mundo macroscópico y perceptible por nuestros sentidos.
  • Necesitamos de los efectos perceptibles para poder tomar medidas en esos mundos de otra manera inaccesibles.

Quizá la forma más sencilla de entenderlo es que nosotros y nuestro mundo está compuesto por cosas muy pequeñas que se mueven muy rápido… y se nota.

NOTA 1: Los electrones, como otros fermiones, no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Así que si vamos añadiendo electrones a un sistema estos tienen que ir ocupando los estados libres, aunque tengan mayor energía. En el caso del átomo los distintos orbitales en los sucesivos niveles de energía.

NOTA 2: Las transformaciones de Lorentz permiten cambiar entre sistema de referencia inerciales sin que los fenómenos electromagnéticos se distorsionen y se reducen a las de Galileo si la velocidad es mucho menor que la de la luz.

Este post ha sido realizado por Javier Fernández Panadero (@Javierfpanadero) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

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Francisco Barradas SolasFrancisco Barradas Solas

La referencia de la primera figura: “World View” de Abstruse Goose:

abstrusegoose.com/275

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