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martes, 7 de octubre de 2014

El problema de la medida en mecánica cuántica


Uno de los postulados de la física cuántica establece la conocida como reducción del estado cuántico según la cual, si |f(inicial)> se efectúa una medida ideal de una magnitud A que da valor de A dentro de un intervalo S, el estado tras la medida será |f(final)>=P(S)|f(inicial)>, siendo P(S) el proyector ortogonal correspondiente a S. Así el uso de un aparato de medida M introduce una transformación según la cual |f(inicial)> se convierte en |f(final)>, mediando un colapso de la función de onda y que resulta incompatible con las leyes de evolución cuántica de Schrödinger. A esta situación se la conoce como el problema de la medida.

Un caso para comprender el problema

Para estudiar esta situación, planteemos el siguiente caso. Se desea medir idealmente un observable A de un sistemas de estados e(P) al que denominaremos partícula. Dado un dispositivo M y pudiendo A tomar los valores +a y -a, M podrá indicar una medida neutra |g(0)>, una medida A=+a |g(+)> y una medida A=-a |g(-)>. El proceso de medida comienza en un estado |g(0)> correspondiente a la posición neutra del aparato de medición. Si el estado inicial de la partícula fuese |f(+)>, la medida daría A=+a, siguiendo la siguiente pauta: 
      |f(+)>·|g(0)> --(ES)--> |f(+)>·|g(+)> 
donde ES corresponde a la evolución de acuerdo a la ecuación de Schrödinger. Si hubiese sido |f(-)>, la pauta sería: 
      |f(-)>·|g(0)> --(ES)--> |f(-)>·|g(-)> 
y el aparato de medida indicaría A=-a.

martes, 30 de septiembre de 2014

El postulado de De Broglie


De Broglie uno de los físicos que cimentó las bases de la mecánica cuántica. Su principal aportación, la cual fue desarrollada durante su doctorado y por el cual recibió el premio Nobel de física en 1929, se conoce como el postulado de De Broglie (y del que surge la dualidad onda-corpúsculo) y vamos a describirlo para entender en que consiste. Sea un fotón con un vector de onda K=kv con un momento lineal (hk)/(2·pi) (siendo h la constante de Planck) y una energía E=(hw)/(2·pi) (siendo w la frecuencia angular). 

De Broglie supuso que lo aplicado a los fotones se pude aplicar a la materia. Así, sea una partícula material de masa m, momento lineal p y energía E, la onda asociada a esta partícula será descrita mediante un vector de onda K=(2p·pi)/h y una frecuencia angular w=(2E·pi)/h, y se define la longitud de onda de De Broglie como l=(2·pi)/K=h/p. De este modo con la onda de materia aparecen fenómenos ondulatorios. Tenemos que tener cuidado, pues a pesar de la suposición aplicada, no es igual que para un fotón, pues su velocidad de fase de onda no es la misma que para una partícula material.

miércoles, 24 de septiembre de 2014

¿Qué son las partículas virtuales?

Los fotones son las partículas mediadoras de la interacción electromagnética, y son lo que se denominan, fotones virtuales: así mismo otras partículas mediadoras también son virtuales.

Pero ¿Qué es una partícula virtual? ¿Existe realmente? La existencia de una partícula virtual se produce temporalmente y mediante una violación de la conservación de la energía. 

¿Cómo puede ocurrir ésto? Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, el grado de conocimiento de cantidad de momento y posición de una partícula implica que existe cierto grado de desconocimiento. Pero no sólamente existe esta relación (la más conocida). Hay otra que relaciona energía y tiempo:

lunes, 22 de septiembre de 2014

El estado cuántico de una partícula


El física clásica, el movimiento de una partícula y su estado se deduce de la posición r y el momento lineal p: (r,p). Mediante las ecuaciones del movimiento conocemos como evoluciona (r(0),p(0)) -> (r(t),p(t)), siendo una evolución determinista. Sin embargo se desprecia que toda medida perturba el estado del sistema y se asume que se puede medir con la precisión necesaria. Y no solamente eso, además también se supone que se pueden medir varias magnitudes simultáneamente. Sin embargo, esto no es válido a escala microscópica.

Si usamos una doble rendija de Young para ver cómo se comportan los fotones emitidos desde una fuente remota, observamos que aparece un patrón de interferencia, y la densidad de impactos es proporcional a la probabilidad de detectar una partícula en un punto de la pantalla. Si ahora repetimos el experimento pero tapando una rendija, de modo que sabemos por cuál va a pasar el fotón, no aparece el patrón de interferencia anteriormente detectado. Así pues, está claro que no puede describirse el proceso que ocurre en términos de los valores de su posición y momento lineal.

domingo, 21 de septiembre de 2014

¿Cuáles son las familias de partículas?

quarks leptones y particulas portadoras

Hay tres familias de partículas: Quarks, leptones y partículas mediadoras.

Los quarks responden a la interacción fuerte y cada quark tiene su correspondiente antiquark. Son seis:
- Abajo (d) con carga -1/3
- Arriba (u) con carga +2/3
- Extraño (s) con carga -1/3
- Belleza (c) con carga +2/3
- Inferior (b) con carga -1/3
- Superior (t) con carga +2/3
Así mismo cada quark puede ser de un color: rojo, verde o azul (solo es una forma de asignarle un atributo concreto) y todos tienen espín 1/2

jueves, 18 de septiembre de 2014

Leyes de conservación

leyes de conservacion
Hay algunos atributos de las partículas que podemos calcular, sin embargo ésto no es posible en otros. Se pueden aplicar leyes de conservación a los números cuánticos, energía y momento. 

Por ejemplo, en el caso de la conservación del número bariónico, los protones y neutrones son bariones con número bariónico +1, mientras que los antiprotones y antineutrones tienen -1. Así cualquier reacción de partículas debe conservar el número bariónico total. En el caso de la conservación del número leptónico, ocurre igual (los electrones y neutrinos son leptones).

También hay simetrías en el espacio-tiempo. Se asume que la física aquí es la misma que en el resto del Universo, lo cual implica que si todas las partículas de un sistema cerrado son trasladas de un punto a otro, el sistema permanece inalterado. A esto se le llama invarianza translacional y tiene como consecuencia la conservación del momento. 

lunes, 28 de abril de 2014

Destellos desde Vega: ¿Y si el espacio-tiempo fuese un fluido?


Una nueva propuesta sobre la verdadera naturaleza del espacio-tiempo ha sido presentada en The Journal Physical Review Letters por dos investigadores europeos. Stefano Liberati (International School for Advanced Studies -SISSA- de Trieste) y Luca Macciune (Universidad Ludwing-Maximilian de Munich) han propuesta que en la escala de Planck (10^(-35) metros) el tejido del espacio-tiempo podría ser un superfluido. No es la primera propuesta que se hace sobre la fluidez del espacio-tiempo, y al igual que la propuesta de un espacio-tiempo no continuo -discreto-, tiene sus detractores y quienes apoyan la idea. Sin embargo en esta ocasión, Liberati y Macciune proponen una nueva vía para la comprobación de esta propuesta.

Según Liberati y Macciune, el espacio-tiempo sería un superfluido cuya viscosidad sería prácticamente nula -aunque no nula- y además causaría efectos disipativos. Estos efectos serían los responsables de la desviación de los fotones de su trayectoria original. Según su propuesta, una manera indirecta de observar dicha disipación consistiría en observar objetos astrofísicos lejanos comprobando si los observamos en posiciones que no son las correctas, y como consecuencia de la desviación a lo largo de su viaje por el espacio-tiempo de los fotones que emiten 

jueves, 10 de abril de 2014

Destellos desde Vega: El plasmón sufre el principio de interferencia cuántica

Crédito: Jim Fakonas/Caltech/Phys.org

El plasmón, una quasipartícula que es el cuanto de las oscilaciones del plasma, podría ayudar en del desarrollo de celdas fotovoltaicas y del futuro ordenador cuántico. Según un artículo publicado en Nature Photonics el pasado 31 de Marzo por investigadores del Caltech liderados por Jim Fakonas, el plasmón sí que sufre el principio de interferencia cuántica, al igual que lo hace el fotón (cuanto del campo electromagnético). Para ello han creado un divisor de haz basado en un dispositivo denomina waveguide (guía de ondas), ya que el haz plasmones no puede ser dividido usando el clásico divisor de haz con espejos semiplateados para los fotones. El plasmón es fácilmente absorbible por la materia y para evitarlo han usado dos waveguides sobre la superficie de un chip de silicio de tan sólo 10 micrómetros cuadrados, reduciendo así la posible absorción.

Como ya hemos dicho, el plasmón es una quasipartícula que es el cuanto de las oscilaciones del plasma, en concreto oscilaciones en la densidad del gas de Fermi (gas de electrones libres). Como quasipartícula podría considerarse como una partícula en movimiento en un sistema donde está rodeada por una nube de otras partículas, las cuales, o bien se apartar el movimiento de la partícula o bien son arrastradas. De este modo, la entidad entera se puede considerar como una partícula libre. En concreto en la física de materia condesada, el estudio de las quasipartículas permite simplificar bastante el problema de los muchos cuerpos existente en la mecánica cuántica.

martes, 25 de febrero de 2014

Pensando en el sustituto del LHC

[This post participates in Carnival of Space #343, at Urban Astronomer


Aunque parezca sorprendente, el CERN ya ha comenzado a pensar en el sustituto del colisionador LHC (que lleva tres años a pleno rendimiento), tal y como lo anunció el pasado 6 de Febrero. En contra de lo que se pueda pensar, a pesar de haber permitido descubrir el bosón de Higgs, el LHC aún no está operando a la máxima energía. Hasta hora a funcionado a 8 TeV, aunque puede trabajar hasta los 14 TeV. En estos momentos está parado para realizar operaciones de mantenimiento y actualización, y arrancará nuevamente el próximo año, con el objetivo de llegar al máximo de energía, e intentar adentrarse en la búsqueda de la materia oscura.

Y justamente, este será el punto de arranque del sucesor del LHC. La idea es construir un anillo de 100 kilómetros (frente a los 27 kilómetros del LHC) que pueda alcanzar los 100 TeV. En base a los resultados que obtenga el LHC a partir del próximo año, se decidirán los objetivos del nuevo colisionador y su diseño. De momento, la única etapa que es abordable en este megaproyecto será la construcción del enorme túnel, para el que preveen la extracción de 10 millones de metros cúbicos de roca, y para el cual será necesario la realización del posible impacto medioambiental.

El LHC es un colisionador. Vamos a profundizar un poco en el mundo de los aceleradores, colisionadores... En alguna ocasión todos hemos oído hablar de un acelerador de partículas. En concreto, en Julio de 2012, el LHC saltó a la primera plana informativa al realizar el anuncio del descubrimiento de un bosón de Higgs. Los aceleradores de partículas constituyen uno de los máximos exponentes del desarrollo tecnológico y científico de humanidad. Son auténticas catedrales del conocimiento.

lunes, 13 de enero de 2014

G, h, c y k... y las exóticas unidades de Planck

De izquierda a derecha: Nernst, Einstein, Planck, Millikan y Laue

Tras un anterior artículo sobre las unidades de medida (ver "El kilómetro, la milla y el castañazo del MCO"), abordamos unas nuevas unidades, pero mucho más exóticas. Generalmente cuando intentamos hablar sobre el tamaño del Universo o su edad, tendemos a usar unidades como el año-luz, los años (o millones de años), kilómetros, etc.. Sin embargo ¿habéis pensado alguna vez en medir el Universo en otro tipo de unidades? ¿Conocéis las llamadas unidades de Planck? Vamos a hablar de ellas.

En el año 1.899, el famoso físico Max Planck (ver artículo "¡Feliz cumpleaños, física cuántica!") propuso un sistema de unidades alternativo al existente. Un sistema más "natural" y menos vínculado a la escala humana. Para ello, usó tres constantes de la naturaleza: la constante de gravitación (G), la velocidad de la luz en el vacío (c) y la constante de acción (h) -más conocida por constante de Planck-. También empleó la constante de Boltzmann (k). A partir de dichas constantes desarrollo unas unidades con dimensiones de masa, longitud, tiempo y temperatura, y cuyos valores son:
      - masa de Planck: (hc/G)^(1/2)=5,56x10^(-8) kilogramos [*]
      - longitud de Planck: (Gh/(c^3))^(1/2)=4,13x10^(-35) metros
      - tiempo de Planck: (Gh/(c^5))^(1/2)=1,38x10^(-43) segundos
      - temperatura de Planck: ((h(c^5)/G)^(1/2))/k=3,5x10^(32) Kelvin

martes, 31 de diciembre de 2013

Lo más destacado en Vega 0.0 durante 2013


A pocas horas del final de este año 2013, creo que es bueno mirar atrás, y recordar que noticias y eventos han sido los más destacadas. Para ello, os he preparado una colección de 12 posts, uno por cada mes, que he considerado como más destacados. Evidentemente es una elección personal, pero espero que os guste.

Enero
Enero no destaco por ser un mes de grandes noticias en el ámbito de la astronomía. Sin embargo, la caída del satélite ruso Kosmos-1484 a finales del mes, protagonizó algunos titulares periodísticos:

Febrero
Todos estuvimos expectantes del paso cercano del asteroide 2012 DA14. La noche del 15 al 16 de Febrero apuntamos los telescopios para observar un como un cuerpo de la magnitud +11 pasaba a poco más de 27.000 kilómetros de la Tierra. Sin embargo, en contra de lo que se pensaba, la noticia saltaba a los medios de comunicación horas antes. La caída de un meteorito en Rusia causaba 1.000 heridos :

Marzo
Marzo suponía el arranque de un gran observatorio, ALMA. Rápidamente pudimos ver su verdadero potencial:

Abril
Este mes permitió intentar observar un eclipse de Luna, aunque desde España era penumbral. Era el comienzo de una "sequía". Tendríamos que conformarnos con eclipses penumbrales:

Mayo
IBM una vez más nos sorprendía. En esta ocasión con una película formada por átomos de carbono:

Junio
En Junio, una gran misión ponía final a su vida útil. COROT, la misión francesa que descubrió 32 exoplanetas y más de 100 candidatos, se apagaba definitivamente.

Julio
Los amantes de la observación de supernovas estaban de enhorabuena. Una supernova brillante (SN 2013ej) aparecía en la conocida galaxia M74:

Agosto
Agosto nos daba una sorpresa pocos días después de las Perseidas. Una nova muy brillante. Se trata de la nova Delphini 2013 y llego a ser visible a simple vista la segunda mitad del mes:

Septiembre
El mes finalizaba, como en 2012, con una cita obligada para todos los amantes de la ciencia: Naukas Bilbao 2013:

Octubre
Y si Septiembre finalizaba con el Naukas, Octubre arrancaba con otra gran cita obligatoria para los amantes de la física: Quantum Donosti 2013:

Noviembre
El día 28 todos nos quedamos apenados tras la destrucción del cometa ISON a su paso por el perihelio. Paso de ser el cometa del milenio a únicamente un rastro de polvo y gas. Fueron horas intensas y emocionantes:

Diciembre
China lograba alunizar con éxito y se convertía en la tercera nación en logran posar una nave en la superficie de nuestro satélite. La Chang'e 3 se posaba en la superficie lunar a mediados de mes, y pocas horas después el rover Yutu, daba sus primeros pasos:

No quiero finalizar este post sin antes agradecer todas vuestras visitas y desearos un buen comienzo de año 2014. También quiero agradecer a Verónica Casanova, por toda la ayuda que ha prestado a Vega 0.0 desde que arrancó en Septiembre de 2010, y sin la cual este blog, no existiría.

¡Nos leemos el año que viene!

sábado, 14 de diciembre de 2013

¡Feliz cumpleaños, física cuántica!


Tal día como hoy (14 de Diciembre), pero de hace 113 años (en 1900), Max Planck expone en Berlín su idea del cuanto y se considera dicho momento como el nacimiento de la física cuántica. Los problemas de la física a comienzos del siglo XX eran fundamentalmente tres y dieron lugar al nacimiento de la física moderna. A continuación los repasamos.

1. Radiación de cuerpo negro

Un cuerpo a altas temperaturas emite en todas frecuencias: la intensidad tiende a 0 para longitudes de onda muy cortas o muy largas. Presenta un máximo en gráfico I/l (Intensidad frente a longitud de onda) en lmax que depende de la temperatura. 

Si se cierra una superficie a estilo de un horno y observamos, descubrimos que:
       lmaxT = C0 = 0,2898 cm K
que se conoce como la Ley desplazamiento de Wien, que da que C0 es constante universal. 

miércoles, 27 de noviembre de 2013

Cuentos Cuánticos: Premio en el IV concurso de divulgación CPAN

Una buena noticia, el blog Cuentos Cuánticos ha sido el ganador del IV concurso de divulgación CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas Nuclear), en la categoría Webs y/o Blogs.   ¡¡Enhorabuena!!

Aquellos que conocéis el blog, seguro que sois adictos a sus artículos. Aquellos que aún no habéis pasado a visitarlo, os animamos a hacerlo. ¡Engancha!

Direcciones de interés:

sábado, 9 de noviembre de 2013

Galería fotográfica de Quantum 2013


Aunque con un poco de retraso, aquí os presentamos una galería fotográfica que obtuvimos durante el Quantum 2013, celebrado en la ciudad de San Sebastián (Guipúzcoa) a principios de Octubre.

miércoles, 6 de noviembre de 2013

Hawking vs. Penrose: La naturaleza del espacio y del tiempo


No suelo hacer artículos sobre los libros que suelo leer, pero creo que en esta ocasión haré una excepción, pues me parece interesante hacer un breve comentario sobre el último que he leído. Se trata de la obra "La naturaleza del espacio y del tiempo", cuyos autores son Stephen Hawking y Roger Penrose.

Se trata de un ensayo publicado en 1996 por la editorial Debate y cuya extensión es de unas 192 páginas. Es posible que muchos lectores a la hora de comprarlo, al ver uno de sus autores -Stephen Hawking-, consideren que dicho libro va en la misma línea que su popular "Breve historia del tiempo" (donde Hawking expone de manera sencilla y concisa una visión moderna de las modernas teorías sobre cosmología, agujeros negros y física cuántica). Sin embargo, quienes conozcan las obras de Penrose (por ejemplo, con su magnífica obra "El camino a la realidad"), se harán una rápida idea del enfoque de este libro. 

lunes, 21 de octubre de 2013

Los físicos prueban que la intuición de Heisenberg es correcta

[Fuente de la noticia: Phys.org]
Nota del webadmin: Esta noticia hace referencia a un reciente paper publicado. Como otras muchas investigaciones relacionadas con el principio de incertidumbre de Heisenberg, debe ser tomado como una nueva aportación cara a comprenderlo, el cual posee tanto su partidarios como detractores.


Un equipo internacional de científicos ha aportado pruebas de una característica fundamental de la física cuántica -la relación de incertidumbre de Heisenberg- 80 años después de ser por primera vez propuesta.
 
Uno de los conceptos básicos en el mundo de la mecánica cuántica es que es imposible observar objetos físicos sin afectarles en modo importante; no pueden ser medidos sin perturbarlos.
 
En un documento de 1927, Werner Heisenberg, uno de los arquitectos de las teorías fundamentales de la física moderna, declaro que esto puede ser expresado mediante una relación de incertidumbres, describiendo una relación recíproca entre la precisión en la posición y en el momento. Aunque no aportó ninguna evidencia de una teoría muy basada en la intuición.

sábado, 19 de octubre de 2013

CPAN: Ciclo de conferencias sobre el descubrimiento del bosón de Higgs



El Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN) y sus centros participantes ha organizado un ciclo de conferencias titulado "El bosón de Higgs: un descubrimiento con participación española", y que se celebrará en diferentes ciudades de nuestro país. 

A continuación detallamos las fechas:
- Jaén: 22 de Octubre a las 19:00 horas en la Sala de conferencias del Museo Provincial de Jaén.
- Sevilla: 23 de Octubre a las 18:00 horas en la Casa de la Ciencia del CSIC.
- Málaga: 24 de Octubre a las 19:30 horas en el salón de actos del Edificio del Rectorado.
- Madrid: 24 de Octubre a las 19:00 horas en el auditorio del CSIC.

miércoles, 2 de octubre de 2013

Una grata sorpresa...


Hoy no me ha sido posible acudir al Passion for Knowledge - Quantum13, por motivos personales. Sin embargo, Verónica Casanova (Blog Astrofísica y Física) si que ha ido. Entre los ponentes, se encontraba Jocelyn Bell, la astrónoma que descubrió el primer púlsar en 1967.

Y en la fotografía superior, ¡podéis ver el regalo que Verónica me ha entregado a su vuelta!

¡Muchas gracias Vero!
:-)

Para finalizar el post, comentar un escándalo de la Ciencia relacionado con Jocelyn. Cuando Bell realizó el descubrimiento, estaba realizando su tesis doctoral con Antony Hewish, quién recibió el premio Nobel en 1974 por este hallazgo. Sin embargo parece que se "olvidaron" de Jocelyn....

Sigue en streaming el Passion for Knowledge - Quantum13


Tal y como indicamos en su momento (Ver artículo "Ya tenemos el programa del Naukas Bilbao 2013 y Quantum Naukas Donosti"), estos días se está celebrando el Passion for Knowledge - Quantum13 en la ciudad de San Sebastián. Aunque el evento ya ha cruzado su ecuador, aún estáis a tiempo, para aquellos que no podáis acudir en persona, de seguirlo por streaming en la siguiente dirección:

                  http://www.quantum13.eu/es/home_2


domingo, 8 de septiembre de 2013

Fermiones y bosones


La física de partículas estudia las propiedades de las partículas fundamentales (o elementales) y las interacciones entre ellas. Los electrones están considerados una partícula fundamental: aparentemente no tiene sub-estructuras. Sin embargo los protones y neutrones, al estar compuestos de 3 quarks, no son considerados partículas fundamentales. Son los quarks los considerados como partículas fundamentales.

Las fuerzas de la naturaleza


Hay cuatro fuerzas conocidas:
- La interacción/fuerza fuerte: Ocurre entre quarks, los cuales se unen formando protones y neutrones. También une a neutrones y protones formando el núcleo atómico. La partícula portadora se llama gluón.
- La interacción/fuerza débil: Es la responsable, por ejemplo, de radiación beta. Las partículas portadoras son las partículas W(+), W(-) y Z(0) 
- La interacción/fuerza electromagnética: Ocurre entre partículas cargadas eléctricamente. Por ejemplo une los electrones al núcleo formando átomos. La partícula portadora es el fotón.
- La interacción/fuerza gravitacional: Une cuerpos con masa, como por ejemplo el Sol, los planetas,.... y gobierna el Universo a gran escala. Aún no se ha descubierto la partícula  portadora (se le ha dado el nombre de gravitón). Sin embargo esta fuerza no está considerada como una parte de la física de partículas.

Por otro lado, existen las siguientes teorías cuánticas de campos:
- Cromodinámica cuántica: o QCD. Explica la interacción fuerte e introduce el concepto de color para los quarks y gluones (realmente no tienen color, simplemente es una forma de asignar valores a una propiedad).
- Teoría electrodébil: Para explicar la interacción electrodébil. La interacción electrodébil es la unificación entre la interacción débil y la electromagnética.
- Electrodinámica cuántica: o QED. Explica la interacción electromagnética. Fue la primera teoría cuántica moderna de campos, y a la vez se considera la teoría mejor comprobada de la física.
- Teoría de cuerdas: Si bien aún no hay ninguna evidencia experimental, es actualmente la teoría cuántica de campos más prometedora para la gravedad.

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