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Tearía Cuántica para

Principiantef

Título en inglés: lntroducing Quantum Theory (lcon Books, U.K.) J. P. McEvoy. de las ilustraciones: Oscar Zárale. @ de los derechos exclusivos para ¡dioma español: Era Naciente SRL.

@ del texto: @

Director de la serie: Juan Carlos Kreimer E-mail: kreimer@ ciudad.com.ar Traducción: Paula Grossman

PanPñncipianEg es una colección de libros de Era Naciente SRL Fax: (5411) 4775-5018 Buenos Aires, Argentina E-mail: kreimer@ ciudád.com.ar www. paraprincipiantes.com Mc Envoy, J.P

Teía cuánt¡€ para principiantes / J.P Mc Envoy ; ilustEdo por ed. 3a re¡mp. - Buenc Airs : EE Naciente, 2007. 176 p. : il. ; 20x14 cm. (Dcumentiales ilustrados)

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Záale - 1a

Traducido por Paula Gr6man rsBN 97E-987-9065-56-3

1. Fís¡€-Teoría Cuántica. L Oscar Zárate, ilus. ll. Paula Grosman, tEd. lll. Título

cDD 530.12

ISBN: 978-987-9065-56-3

Queda hecho el depós¡to que prevé la Ley

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Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, almacenada o transmitida de manera alguna por ningún med¡o, ya sea electrónico, químico o de fotocop¡a, sin permiso previo escrito del editor. Esta edición de 3000 ejemplares se term¡nó de imprimir en la planta ¡mpresora de Sevagraf S.A., Buenos A¡res, República Argentina, en noviembre de 2007.

¿Qué es Ia

teoría cuántica?

La teoría cuántica es el conjunto de ideas más exitoso jamás concebido por seres humanos. Ella explica la tabla periódica de los elementos y el porqué de las reacciones químicas. Formula predicciones exactas acerca delfuncionamiento de lásers y microchips, la estabilidad delADN y el modo en que las partículas alfa abandonan el núcleo.

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La presentación por parte de Niels Bohr de la teoría cuántica en 1927 integra la ortodoxia actual. No obstante, los experimentos mentales de Einstein en la década de 1930 cuestionaron la validez fundamental de la teoría y aun hoy siguen siendo objeto de debate. ¿Acaso tenía razón nuevamente? ¿Falta algo? Empecemos por el principio...

Presentación de la teoría cuántica...

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El problema es el siguiente. A fines del siglo pasado, los físicos estaban tan absolutamente seguros de sus ideas acerca de la naturaleza de la materia y la radiación que no tomaban muy en cuenta los conceptos nuevos opuestos a su cuadro clásico. Además de la perfección delformalismo matemático de lsaac Newton (1642-1727) y James Clerk Maxwelt (1831-79), las predicciones basadas en sus teorías habían sido confirmadas mediante minuciosos experimentos practicados durante años. ¡La Era de la Razón se había convertido en la era de la certeza!

Físicos clásicos

¿Cuáles la definición de "clásico"? Eltérmino clásico se refiere a los físicos de fines del siglo XIX alimentados en lo intelectualcon una dieta estricta a base de la mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell: las dos síntesis de fenómenos físicos de mayor éxito en la historia del pensamiento.

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La puesta a prueba de teorías mediante la observación había sido el rasgo distintivo de la buena física desde , Galileo (1564-1 642). El enseñó a idear

experimentos, realizar mediciones y comparar los resultados con las predicciones de las leyes matemáticas. La interacción de teoría y experimentación sigue siendo el mejor camino a seguir en el mundo de la ciencia aceptable.

Está todo probado (al me¡or estilo clásico)... En los siglos XVlll y XlX, las leyes del movimiento de Newton fueron confirmadas mediante pruebas confiables.

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¡No es de extrañar que estos clásicos confiaran en lo que sabian!

"Completar la serrta posición decimal" Un físico clásico de la Universidad de Glasgow, el prestigioso

Lord Kelvin (1824-1907), afirmaba que sólo dos nubes oscurecían el horizonte newtoniano.

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En junio de 1894, el

Premio Nobel estadounidense, Atbert Michelson (1852-1 931 ), pensó que no hacía más que reformular a Kelvin al realizar una bservación que lamentaría por el resto de su vida. AJÉD^?R.I.'IA&R.EN

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Postulados fundarnentales de la física clásica -:s Íísicos clásicos habían concebido toda una serie de postulados qr:e orientaban su razonamiento y en virtud de los cuales resultaba muy difícil aceptar ideas nuevas. He aquí una lista de lo que sabían con certeza en cuanto al mundo material... 1) El universo era como una máquina gigante que operaba en un marco de tiempo y espacio absolutos. Los movimientos complicados podían entenderse como movimientos simples de las piezas internas de la máquina, aun si no era posible visualizar tales piezas.

2) La síntesis newtoniana implicaba que todo movimiento tenía una causa. Si un cuerpo manifestaba algún rnovimiento, siempre podía imaginarse qué lo producía. Simplemente se trataba de causa y efecto, y nadie lo cuestionaba. 3) Sise conocía el estado de movimiento en un momento dado ejemplo, el presente-, era posible determinarlo en cualquier -por otro delfuturo o incluso del pasado. No había nada incierto, todo era consecuencia de una causa anterior. Esto era el determinismo.

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Las propiedades de la luz habían sido descriptas en forma cabal la teoría de la onda electromagnética de Maxwell y confirmadas a

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"avés de los patrones de interferencia observados en un sencillo expe' rento de ranura doble llevado a cabo porThomasYoung en 1802.

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Existían dos modelos físicos para explicar la energía en movimienel de las partículas, representadas por esferas impenetrables -rilares a bolas de billar, y el de las ondas, sernejantes a las olas = :,e aparecen en la superficie del mar y barren la playa. Estos mode: s se excluyen mutuamente, es decir que la energía puede tomar :: c una de estas formas.

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lra posible medir con la precisión deseada las propiedades

de sistema, tales corno su temperatura o velocidad. Bastaba con '=:Lrcir la intensidad de sondeo del observador o realizar las co"'=:ciones necesarias a través de un ajuste teórico. Los sistemas =':rnicos no eran considerados una excepción. -

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-:s f isicos clásicos creían que estas aseveraciones eran absoluta*ente ciertas pero, con eltiempo, los 5 supuestos resultarían du: isos. Los primeros en saberlo fueron los físicos que se reunieron - el Hotel Metropole de Bruselas el 24 de octub¡"e de 1927. = g

La Conferencia Soluay de 1927 Formulación de la teoría cuántica Pocos años antes del estallido de la Primera Guerra Mundial, el industrial belga Ernest Solvay (1838-1922) auspició el primero de una serie de encuentros internacionales de física que tendrían lugar en Bruselas. Para asistir a tales encuentros era menester una invitación especial, y los participantes (por lo general no más de 30) debían concentrarse en un tema prefijado. Los primeros cinco encuentros, celebrados entre 191 1 y 1927, describieron notablemente eldesarrollo de la física del siglo XX. La reunión de 1927 estuvo dedicada a la teoría cuántica y en ella se hicieron presentes por lo menos nueve de los físicos teóricos cuyos aportes resultaron fundamentales para dicha teoría. Posteriormente, cada uno de los nueve recibiría el Premio Nobel por su contribución. eOCOtv\O9l$W

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Asíera como los primeros alfareros determinaban la temperatura en el interior de sus hornos. Ya en 1792, el famoso ceramista Josiah Wedgwood había advertido que a cierta temperatura todos los cuerpos se vuelven rojos. aLIÍAWL

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En 1896, un amigo de Planck, Wilhelm Wien, y otros miembros del departamento de física de la R e i c h s a n st a/f (Of c n a de Patrones) de Berlín montaron un costoso cilindro de porcelana y platino vacto. i

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En la Tech nisch e Hoch sch ule de Berlín, otro de los colegas más cercanos de Planck, Heinrich Rubens, trabajaba con un horno diferente.

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Estas curvas de radiación

de los problemas centrales de 1890- resultaban muy similares a las calculadas por Maxwell para la distribución de las velocidades (es decir, la energía) de las moléculas de un gas caliente en un recipiente cerrado. la física teórica de fines de-uno la década de

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Resultados paradójicos ¿Acaso era posible estudiar el problema de la radiación de! cuerpo negro del mismo modo que el gas idealde Maxwell, pero utilizando para el cálculo ondas electromagnéticas en lugar de moléculas, que rebotabah equilibradamente contra las paredes de una caja cerrada?

Wien obtuvo una fórmula, basada en algunos argumentos teóricos discutibles que concordaban con los experimentos publicados, pero sólo para la parte de alta frecuencia del espectro. Los físicos clásicos ingléses Lord Rayleigh (1842-1919) y Sir James Jeans (1877-1946) recurrieron a los mismos supuestos teóricos que Maxwell había empleado en su teoría cinética de los gases. ALJfIA.JÉ

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La ecuación de Rayleigh y Jeans era adecuada para bajas frecuencias, pero ambos se impresionaron al ver qué sucedería en la región de alta frecuencia. La teoría clásica predecía la existencia de una intensidad infinita para la región ultravioleta y más allá de sus límites, según señata el gráfico. A este fenómeno se lo apodó "la catástrofe ultraviolela". ¿Qué implica en realidad este resultado experimental?

¿Qué salió mal? El resultado de RayleighJeans es claramente erróneo; de lo contrario, a quien mirara el interior de la cavidad (o el Sr.Wedgwood, de su horno)...

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