Introducción Al Universo Mecánico (El Universo Mecánico 01)

[Música] el universo cuántico mecánico llegamos casi al final de nuestro largo viaje a través de toda la física y debo decirles que tengo que hacer una confesión embarazosa y es que aún no tenemos todas las respuestas sabemos que en una escala muy pequeña el mundo está gobernado por las leyes de la mecánica cuántica y también sabemos que a escala cósmica muy grande el mundo está gobernado por la teoría general de la relatividad cuando esas dos grandes teorías se examinan muy cuidadosamente se encuentra que no son completamente compatibles entre sí y esto significa que aún no

conocemos las últimas reglas del juego pero mis amigos que trabajan en ese problema son muy optimistas presienten que muy pronto tendremos las ecuaciones definitivas que describan todo lo que ocurre en el universo podrá suponer que ese será el fin de la física cuando llegue el momento en que se hayan escrito las ecuaciones definitivas todos los físicos podrán hacer sus maletas e irse a casa para hacer algo útil cómo arreglar un grifo o algo por el estilo imaginen lo que tendríamos que hacer si tuviéramos esas ecuaciones definitivas del universo presumiblemente serían ecuaciones muy difícil es probablemente

ecuaciones diferenciales y no sería posible escribir todas las soluciones tan solo con lápiz y papel se necesitaría un ordenador muy grande un gran ordenador que arrojaría una inmensa cantidad de datos una información que nos daría todas las posibles soluciones a esas ecuaciones definitivas y ese sería verdaderamente el fin de la física porque tendríamos todas las soluciones de las ecuaciones definitivas del universo bien el hecho es que todo eso no nos serviría para nada porque esas soluciones serían necesariamente al menos tan complicadas como el propio universo y para eso ya tenemos el universo no aprenderíamos nada

absolutamente con todo eso la verdadera tarea de los físicos no es descubrirlo todo la verdadera tarea es entenderlo es averiguar cómo unas cosas están relacionadas con otras es desarrollar una forma de intuición adiestrada que nos permita comprender en cualquier fenómeno dado lo que es importante y lo que no lo es lo que queremos saber es por qué las cosas funcionan del modo que lo hacen en la física la mayor parte del trabajo no piensen que consiste en encontrar cómo funciona todo consiste en hacer lo contrario exactamente venir separando lo sencillo de lo complicado en hacer

aproximaciones en hacer estimaciones en profundizar a través de las dificultades para llegar a dominar las características esenciales de cualquier fenómeno hoy echaremos una mirada atrás una vez más para ver cómo se ha realizado todo esto muy de vez en cuando aparece alguien que descubre un cierto comportamiento que nadie había advertido anteriormente podría ser por ejemplo que los planetas del sistema solar obedecen a reglas precisas y relativamente sencillas [Música] no podría ser que las rayas del espectro del hidrógeno obedecen con una precisión misteriosa a una fórmula sencilla tal vez sea una similitud entre la trayectoria de

una bala de cañón y la órbita de la luna lo que atrae la atención de alguien o podría ser una disposición de partículas sub nucleares lo que sugiere su funcionamiento interno observaciones como esas jamás son meras ráfagas de inspiración son el resultado de interminables trabajos de intentos y fracasos de completos errores y verdad exámenes y que frecuentemente una vez conseguidas se vuelve un objeto de amargas controversias sobre a quién le corresponde el mérito pero hay algo que no se discute una vez que se ha descubierto un nuevo modelo de comportamiento y se ha relacionado una

parte del universo con otra la conexión jamás será olvidada tales acontecimientos nunca son el final de la historia con frecuencia son precisamente el comienzo y lo que comienza con ellos puede ser nada menos que revolucionaria la historia del universo mecánico comenzó con una revolución científica cansado de la inmensa complejidad de la astronomía antigua copérnico sacó la tierra del centro del universo y la puso en su lugar bajo la influencia del sol cuando se calmó el revuelo provocado por esta teoría el resultado fue una nueva visión del universo como una máquina una máquina maravillosamente complicada pero

que cumplía unas leyes mecánicas precisas a sabiendas o no esa idea es el fundamento silencioso de todo el pensamiento occidental desde la época de newton hasta incluso nuestros días pero irónicamente ya no es aceptada por la misma gente que la creó los físicos y así el relato del universo mecánico finaliza con la historia de la segunda revolución una revolución que tuvo lugar en este siglo casi dentro de nuestra generación y que provocó un revuelo que aún no se ha calmado [Música] al igual que la primera revolución la segunda nació en el intento de solucionar un

problema la primera resolvió el problema del sistema solar y la segunda el problema del átomo es realmente posible que los problemas tan similares hayan requerido soluciones tan radicalmente distintas de modo que sería necesaria una segunda revolución para derribar a la primera después de todo la primera revolución la invención de la mecánica clásica había resuelto no sólo el problema del sistema solar había logrado mucho más para empezar parecía reducir todos los fenómenos de los cielos en la tierra a la única ecuación una ecuación vectorial para ser más exactos una ecuación diferencial vectorial pero dentro de su

ámbito contenía las respuestas a una asombrosa variedad de preguntas cuál es el principio para que un reloj haya bien de hora o el secreto de seguir una trayectoria infalible porque las olas del océano rompen en una playa y porque un puente sólido se puede derrumbar con respuestas a preguntas como esas parecía que la propia mecánica clásica era una estructura que jamás se derrumbaría en lugar de eso que inspiraría y la exploración de nuevos cambios [Música] y a la larga ninguna expedición sería más fructífera o impactaría con mayor fuerza que el estudio de la electricidad [Música]

benjamin franklin con un talento aparentemente sin límites para la invención yo la primera descripción útil de la carga eléctrica y así proporcionó la primera explicación de un extraordinario invento del siglo 18 llamado la botella de leiden por supuesto una revolución aunque no sea del tipo científico separaba a michael faraday de benjamin franklin sin embargo la ley y franklin tenían mucho en común compartían una ignorancia casi perfecto de las matemáticas una insaciable curiosidad por la naturaleza especialmente la naturaleza de la electricidad y una participación verdaderamente considerable de genialidad y eso es justo lo que necesito para

relacionar las cargas eléctricas con las líneas de fuerza y el concepto de líneas de fuerza incluiría por suerte también el magnetismo [Música] y cuando michael faraday se enfrentó a la cuestión de cómo poder utilizar el magnetismo para crear electricidad su respuesta la inducción electromagnética pondría al mundo bajo un estado constante de flujo variable [Música] nadie capto el significado del flujo variable mejor que james clerk maxwell [Música] maxwell tenía un secreto y un dilema a la vez el secreto era que oculta detrás de las fuerzas entre cargas eléctricas y detrás de la fuerza magnética entre corrientes

eléctricas estaban nada menos que la propia velocidad de la luz esperando ser descubierto el dilema era que a pesar de toda la elegancia y la fuerza de las leyes de la electricidad y del magnetismo las leyes de caos de amper y de fraga y había algo que faltaba [Música] cuando james clerk maxwell suministró la pieza que faltaba la idea de que un flujo eléctrico variable podría producir un campo magnético no sólo había iluminado todo el espectro electromagnético había completado la ciencia de la electricidad y el magnetismo [Música] fue un logro que rivalizó con la invención

por parte de isaac newton de la propia mecánica clásica [Música] cuando el siglo 19 llegaba a su fin la mecánica clásica de newton y la teoría electromagnética de maxwell parecían ser los cimientos gemelos de un edificio de la física que permanecería para siempre pero era un para siempre que no estaba destinado a durar mucho tiempo que podría haber fallado ciertamente no parecía que fuera mucho en ese momento solamente unos pocos detalles que no encajaban bien en la gran escena por ejemplo al ver a michaels había construido un dispositivo maravilloso para medir el movimiento de la

tierra mediante el estudio de los cambios de unas franjas de luz todo lo que se podía esperar era un pequeño cambio en la figura pero cuando michael sohn giró su interferómetro en el viento del éter en lugar del pequeño cambio que esperaba no se produjo absolutamente ninguno luego estaba el curioso caso de max planck su problema era explicar el color de un cuerpo caliente brillante para resolver este problema necesito introducir una nueva constante era una constante muy muy pequeña de hecho plank tenía la esperanza de que se anularía por completo pero no sea nulo y

luego estaba la extraña historia de ernest no hacen forma cuando bombardeó una fina chapa de oro con rayos alfa ordinarios el experimento funcionó casi perfectamente casi todos los rayos alfa pasaban a través de chapa justo como se había supuesto sólo unos pocos rebotaban pero como podía ser eso [Música] ni tan siquiera uno debería rebotar partiendo de esos comienzos modestos surgió la nueva revolución y nadie jugó un papel más importante que el joven albert eisntein en el mundo de la física el año 1905 año en el que el joven einstein presentó su tesis doctoral será recordado

a la par que el año mil 665 año en el que el joven isaac newton huyó a lincolnshire para escapar de la peste asolaba londres y completó lo que fue quizás su trabajo más importante pero a diferencia de newton que utilizaba su pacífico retiro para encontrar las respuestas a las revolucionarias preguntas del pasado albert eisntein en 1905 hizo descubrimientos que hicieron poner en marcha la nueva revolución el problema del interferómetro de michaelson podría resolverse como demostró en rich florence sin diferentes observadores medían diferentes cientos y diferentes distancias pero albert eisntein fue más lejos combinando espacio

y tiempo en un continuo sin fisuras [Música] y la teoría especial de la relatividad de einstein de 1905 fue sólo el primer paso no el último pretendiendo explicar el viejo misterio de la ley de la caída de los cuerpos einstein re concluiría más tarde que el propio espacio o más bien el propio espacio tiempo estaba curvado dando así un nuevo giro a la ley de la inercia una nueva explicación de la fuerza de la gravedad y una nueva teoría del cosmos pero nos estamos adelantando en nuestro relato volvamos a 1905 albert eisntein también se dio

cuenta de que tenía un modo de explicar algo llamado efecto fotoeléctrico porque la luz ultravioleta descargaría una placa metálica cargada eléctricamente lo haría si la luz llegaba en paquetes cuya energía dependiera de la frecuencia de acuerdo con la fórmula de max planck la idea puede haber parecido bastante inocente pero en realidad no ha habido jamás un manifiesto más revolucionario un siglo antes tomás young había sido el primero en justificar el fenómeno de la interferencia probando de una vez por todas que la luz era una onda a finales del siglo 19 la teoría de maxwell había

explicado lo que ocurre cuando cargas eléctricas crean ondas luminosas que se propagan en el vacío pero el mundo de la física apenas se había sentado a descansar para gozar de su triunfo cuando albert eisntein negándose a cabalgar sobre la cresta de la ola dijo que la luz podría estar formada por partículas eso provocó que la revolución comenzaba en serio provoco a ernest rutherford el cual desde el momento en que se dio cuenta de que algunos rayos alfa rebotaban en la plancha de metal eran exactamente revoluciones lo que tenía en mente al igual que copérnico antes

que el router for sitúa el núcleo en el centro del átomo y colocó los electrones en movimiento girando a su alrededor hubo una vez mucho tiempo antes en que la pregunta había sido si la tierra se está moviendo lanzada a través del espacio porque no salen volando las cosas que están sobre ella ahora la pregunta era si el electrón es acelerado constantemente cayendo eternamente en su órbita alrededor del núcleo porque no irradia su energía orbital y cae al núcleo meals board se presentó con un salto acuático y una parte de la respuesta sólo se permitirían

ciertas órbitas especiales aquellas cuyos momentos cinéticos fueran múltiplos de h con barra y la luz solo podría ser emitido absorbida en saltos entre órbitas eso es exactamente lo que se necesitaba para explicar el tamaño y el espectro del átomo de hidrógeno que se necesitaría para explicar por qué se permitían precisamente esas órbitas y no otras el príncipe louis de boyle era un aristócrata como el que más pero tenía también un espíritu democrático y un sentido de la igualdad de oportunidades dijo si la luz puede estar formada por partículas porque no pueden los electrones el ondas

las ondas del electrón producirían interferencias constructivas tan sólo en las órbitas que el doctor von había organizado y eso realmente provocó problemas mientras quien el mundo de la física parecía ir de triunfo en triunfo su propia estructura se estaba desenmarañando o para expresar lo de otro modo la dualidad partícula honda parecía una metáfora defectuosamente mezclada indudablemente las ondas de diferentes longitudes podrían combinarse en un paquete o en un bulto vagamente parecido a una partícula pero entonces ésta ni siquiera tendría una cantidad de movimiento definida a su debido tiempo de esta extraña idea no sólo llegaría

a ser aceptada sino que se conocería como el principio de incertidumbre de heisenberg el principio del profesor heisenberg escribía en términos generales las nuevas líneas de la física los detalles se podrían encontrar al resolver una nueva ecuación dada por erwin schrödinger [Música] y cuando se resolvió esa ecuación ofreció una imagen del átomo que iba más allá de la imaginada por meals born la nueva teoría llamada mecánica cuántica explicaría mucho más que los estados del átomo de hidrógeno explicaría también todos los otros átomos de todos los otros elementos la mecánica cuántica puede muy bien convertirse en

el triunfo definitivo de la física pero como muchos triunfos fue adquirido con costó enorme [Música] [Aplausos] desafía la idea más fundamental de todas la relación entre causa y afi en la física aristotélica cada movimiento tenía que tener una causa inmediata [Música] se necesitaba un ímpetu un impulso para mantener en movimiento una bala de cañón en la física newtoniana el movimiento ya no necesitaba de una causa pero cada cambio en el movimiento si la necesitaba sin embargo en la física moderna dada una causa no siempre se produce el mismo efecto este es el verdadero abandono del

pasado los resultados de un conjunto dado de circunstancias no estaban completamente determinados hay resultados alternativos posibles solo están determinadas con precisión las probabilidades de las alternativas esta falta de determinismo es verdaderamente revolucionaria y no debe confundirse con una situación similar que surgió en la física y newtoniana la estadística se ha utilizado extensamente para describir el movimiento de las moléculas en un gas [Música] eso fue solamente un procedimiento práctico teóricamente se podía calcular la trayectoria de cada bolita sólida teóricamente se podía predecir el futuro del universo sencillamente no era práctico hacerlo pero con la mecánica cuántica

la situación ha cambiado fundamentalmente como una cuestión de principios las trayectorias de las partículas atómicas no pueden predecirse con exactitud y el futuro del universo no es predeterminado en los países como en los campos de la ciencia tienen lugar revoluciones vienen y se van y las cosas permanecen más o menos igual incluso en el universo mecánico cuántico algunas cosas no han cambiado [Música] [Aplausos] la energía se conserva como siempre lo hizo y así la cantidad de movimiento y también el momento cinético de hecho esas mismas ideas residen en el propio corazón de la física moderna

por ejemplo en la teoría de la relatividad se conserva la cantidad de movimiento aún cuando eso signifique que la masa debe aumentar con la velocidad y es precisamente por eso que energía es igual a m x al cuadrado incluso en meals board a pesar de su audacia no desafío la idea de que la energía se conserva siempre y la idea de energía sigue siendo fundamental incluso para las partículas fundamentales con respecto al momento cinético la idea no sólo vio a meals board sino que surgió como un concepto central de la nueva física en que cada

electrón por no mencionar las otras partículas elementales es un tipo de giróscopo mecánico cuántico [Música] y sin embargo es difícil imaginar cambios más profundos que los originados por esos dos grandes revoluciones separadas solamente unos pocos cientos de años primero las esferas de cristal de los antiguos se transformaron en una máquina racional perfectamente ordenada el universo mecánico y luego en un asombroso cambio de rumbo de los acontecimientos el tiempo y el espacio la materia y el movimiento los símbolos y engranajes propios de la gran máquina se hicieron irreconocibles [Música] bienvenido al universo mecánico cuántico bueno este

es el momento que todos estaban esperando nuestro largo viaje juntos a través de la física ha terminado finalmente [Aplausos] nos quedó el tiempo justo para echar una última ojeada atrás hacia donde hemos estado todo el relato comenzó por supuesto con copérnico copérnico dio un pequeño empujón al sistema aristotélico y todo se vino abajo 150 años más tarde había sido reemplazado por la visión del mundo de newton y hoy todavía la gente culta ve el mundo de esa manera bueno no toda la gente culta resulta que los científicos ya no piensan de esa forma en nuestro

propio siglo y de hecho prácticamente dentro de nuestra generación ha habido una nueva revolución científica y las leyes de newton ya no son la ley de la tierra pues bien esto plantea una pregunta interesante si ya no creemos que las leyes de newton son verdaderas porque nos pasamos tanto tiempo enseñando se las a ustedes y otra pregunta relacionada con la anterior es esta nueva revolución semejante a la original en el sentido en que se han reemplazado leyes erróneas por leyes correctas la respuesta a ambas preguntas reside en el hecho de que las leyes de newton

son realmente tan verdaderas como lo han sido siempre la luna sigue cayendo un veinteavo de pulgada por segundo como lo ha hecho siempre lo que hemos descubierto es que las leyes de newton no son la última verdad surgen de leyes aún más profundas pero en cierto sentido esta nueva revolución es semejante a la anterior y es que ha habido un cambio en el tipo de preguntas que formulamos en la primera revolución científica la disputa sobre la interpretación de la autoridad humana o divina fue con la poderosa ayuda del razonamiento matemático cuantitativo reemplazada por la observación

por la medición y por la comprobación de hipótesis y el resultado de todo ello fue el universo mecánico un universo que inexorablemente forjaba su destino de acuerdo con leyes mecánicas precisas y capaces de predecir hoy no creemos ya en ese universo si yo conozco la posición exacta de una partícula en un cierto instante yo no puedo tener idea de a dónde va o a qué velocidad va y esa pregunta no es en absoluto diferente a preguntarse a decir muy bien no se sabe a dónde va pero realmente va esa es precisamente la clase de pregunta

científicamente sin significado esa es la naturaleza del mundo en que vivimos ese es un universo mecánico cuántico y hoy no puedo decirles hasta el próximo día hoy lo que les digo es adiós y buena suerte