Curiosidades

Un electrón viaja a la velocidad suficiente en el átomo como para dar la vuelta al mundo en 18 segundos

Componentes elementales: Materia 1

Toda la materia que vemos, a escales pequeñas está descrita por el modelo estándar de la física de partículas. Según esto la materia está formada por 12 partículas elementales, que se clasifican en dos grupos: - Leptones: electrón e, muón µ , partícula tau τ y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico ν e , neutrino muónico µ ν y neutrino tau ν τ ). - Quarks: u, d, c, s, t y b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom. Estas partículas se llaman fermiones y tienen una propiedad (el spin) con valor en fracción (3/2). Los bosones tienen spin entero (0, 1, 2) y portan las fuerzas que rigen el universo.

Principios: Superposición

La superposición se entiende con el concepto de función de onda. Si la partícula (por ejemplo un electrón) está en definida por algo (la función de onda) que de forma similar a una onda no está definido, significa que está en varios estados posibles a la vez. Que quede claro que no es que no lo entendamos con nuestras tecnologías o matemáticas, sino que ni la propia naturaleza tiene decidido desde un principio su posición, velocidad, etc.
¿Pero entonces las partículas existen siempre como una onda de materia, no son bolitas? Las partículas más pequeñas, si se observan se pueden determinar en un punto, a esto se le llama colapso de la función de onda y es como la superposición deja de darse. Si haces interactuar algo con la partícula, la estarás forzando a determinar su posición, lo que significa que ya no está definida por su función de onda.
Para terminar, si obligamos a que nos diga su posición una de estas partículas, se decantará por una al azar, esto también está confirmado. Esto revela a las partículas como si de una especie de dado se tratase.

Concepto: Función de onda

Quiero empezar directamente con un experimento mental. Imaginemos una pistola de paintball, hacemos dos agujeros en un muro y disparamos por ambos agujeros, si hay una pantalla detrás veremos como se forman dos agrupaciones de pintura, por un lado la pintura que salió por la derecha y por otro la pintura que salió por el agujero de la izquierda. Bueno pues ahora en vez de bolas de pintura lo vamos ha hacer con átomos, el resultado son varias agrupaciones por el ancho de la pantalla. Esto sería normal visto con ondas, unas se cruzan con otras y se forma un patrón de interferencia, pero aquí lo estamos haciendo con bolas solidas de materia pequeña ¿no?
Realmente, la materia se propaga como onda a escalas tan pequeñas, esto significa que no son solo trozos pequeños de materia.
Para describir el estado de las partículas se inventó el termino función de onda. Esto te dice toda la información sobre la partícula.

El problema viene cuando vemos que esta función se comporta como una onda. Las ondas no están localizadas en el espacio, sino que están distribuidas, pues la función de onda se encuentra igual. Mientras no se observe la partícula, se encontrará definida por una función de onda que no tiene definido su estado físico. Esto rompe el determinismo de hasta entonces, y causa la superposición, pero de eso se hablará más tarde.

Para acompañar esto os podéis ver el vídeo animado de QuantumFracture en youtube:

https://youtu.be/Y9ScxCemsPM

Conceptos básicos

Bueno, creo que lo mejor es explicar que es la mecánica cuántica para empezar a entenderla. La cuántica es la rama de la física que explica la materia en su nivel más pequeño, esto es intentar explicar todos los porqués.
Está bien pero ¿como de pequeño es esto? bueno, pues trabaja a una escala más pequeña que la de los átomos, y estos ya son bastante pequeños. Para entenderlo mejor imaginad que un pomelo lo agrandamos al tamaño de la Tierra, bueno pues los átomos del pomelo (tomando todos como nitrógeno) serían tan grandes como un arándano aproximadamente. Si agrandamos el arándano al tamaño de un estadio de fútbol el núcleo del átomo sería del tamaño de una canica pequeña, en las gradas más alejada estarían los electrones y en medio solo espacio vacío.

Ahora que tenemos alguna imagen de los átomos vamos a complicarlo más, hablaré de lo que de verdad compone todo el universo hasta donde sabemos, y varios fenómenos raros de esta rama de la física.
Mientras os dejo un vídeo que explica mejor lo que os he dicho ya con animaciones.