La Fisica Cuantica en La Vida Diaria

8/8/2019 La Fisica Cuantica en La Vida Diaria

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La f´ısica cu a´ ntica en la vida diaria

por

Juan Gonzalo Muga Francisco,Un iversidad del Pa´ıs Vasco-Euskal

Herri ko Unibertsitatea

Contenidos

1. Introducci o´ n

2. Un poco de historia

2.1. Los comienzos

2.2. Evoluci o´ n y descubrimientos ma´ s destacados

3. El transistor

4. El la´ ser

4.1. Or´ıgenes

4.2. Aplicaciones

5. Otras aplicaciones de la mec a´ nicacu a´ ntica

6. El futuro: ¿ordenadores cu a´ nticos?

1. Int roducci o´ nLa mec a´ nica cu a´ ntica ha sido la teo r

´ıa f´ısica ma s influyente del siglo XX, y

se asoma al siglo XXI con enorme

pujanza, no so lo porque gracias a ella



entendemosmejor los constituyentes ba´

sicos y las propiedades de la materia o

de la radiaci o´ n, sino porque ha permitido

el desarrollo de la tecnolo g´ıa que nos

rodea. Curiosamente,

7



.

8 2. La f ısica cuántica en la vida diaria

est a´ muy extendida la creencia de que

las manifestaciones de la naturaleza cu a´

ntica de la materia en el mundo

macrosc o´ pico, y por tanto en la vida

diaria, no sonmuy importantes. He o

´ıdo abundantes comentarios en este

sentido a personas coneducaci o´ n cien t

´ıfica, ingenieros, qu´ımicos o f´ısicos.

El prop o´ sito de este ar t´ıculo esponer

de manifiesto lo contrario.

Repasemos br evemente una jornadaordinaria de un personaje urbanoimaginario.

relo j digitalProbablementese despertar aćon unhorno de micr oondas

, calentar a´ eldesayuno conun

, e ira´ al trabajo en un cochecontrolado en parte por una

seriede

chipsescuchandola

radio. Ya en eltrabajo seconecta a un

ordenador

En pr a´ cticamente cualquier gesti o´ n quedeba realiza r, bancaria o administrat iva,

le atender a´ n detr a´ s de la pantalla deotro ordenador conectado seguramente auna

impresoray a

una

red de informaci ónlocal o externa, y a lo

largo del d´ıa har a´

alguna

llamada telef onica. De vuelta al ho gar pasapor un supermercado donde

lector láser de los codigos de barraslos precios se registran mediante un ,

televisi óny encasaver a´ la , que funciona mediantetransistores, y cuya se n˜ alse

recibir a´ en br eve por cable de fibra o´ptica gracias a la seres desemiconductores,

disco compactoo escuchar a´mu sica grabadaen un . El ordenador tambi e´ n ha

entrado en nuestras casas comopasatiempo, como fuente de informaci o´ no ayuda

para estudiantes.

Muchos de estos objetos deben su

invenci o´ n (el la´ se r, el transistor), o su

estadode desarrollo actual (la tel evisi o´

n, la radio, las comunicaciones telef o´



nicas), a los conocimientos ba sicos

sobre la materia y la radiaci o´ n que

proporciona la mec a´ nicacu a´ ntica. En

otros casos la mec a´ nica cu a´ ntica

explica su mecanismo ba sico defuncionamiento (el horno de

microondas). Sin duda el transistor y

el la ser sonlas grandes estrellas de

esta historia. Su impacto social y

econ o´ mico es enorme. A partir de los

an os nov enta se fabrican al an o

miles de millones de la seres de

semiconductores, y las ventas de todo

tipo de aparatos con circuitos electr o´

nicos suponen billones de do lares al

an o. A pesar de todo esto la mec a´

nica cu a´ ntica es una ciencia

desconocida para la gran mayo r´ıa.

Podemos definirla como la Cienciade lo

incr e´ıblemente peque n˜ o, de cosas

como electrones, protones y neutrones,

queson las par t´ıculas que forman los

a´ tomos (la teo r´ıa cu a´ ntica abarca

tambi e´ n a losquarks, las par t´ıculas

que constituyen los protones y

neutrones, a los fotones, y asusinteracciones con la materia). Los a´

tomos a su vez forman las mol e´ culas y

casi toda la materia ordinaria. Un a´

tomo es realmente muy peque n˜ o, en

un mi l´ımetrocab r´ıan diez millones de

a´ tomos puestos en fila, y de hecho el a´

tomo es enorme si lo

Lascomparamos con su nu cleo, que es100.000 veces ma s peque n˜ o que el a´tomo.



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dimensiones de los ob jetos del mundo, cu´antico son tan pequen

˜as que su

comportamie nto es a menudo radicalme nte disti nto del que estamos

acostumbrados a ver en los ob jetos de la escala humana

.Por

esto la mec a´ nica cu a´ ntica es a vecestan misteriosa y tan interesante.

2. Un poco de Historia

2.1. Los comienzosTodo comenz o´ hace justamente cien

an os, en Diciembre del an o 1900,

cuandoMax Planck present o´ ante la

Sociedad Alemana de F´ısica su teo r´ıa

de la radiaci o´ ndel cuerpo negro. A

finales del siglo XIX se cr e´ıa que con

la termodin a´ mica ylas teo r´ıas sobre

el movimiento y el electromagnetismo,

que constituyen lo queh oy entendemos

como “f´ısica cl a´ sica”, po d´ıa

explicarse pr a´ cticamente cualquier

cosa. Es cierto que quedaban algunos

flecos sin aclara r, pero todos confiaban

enque termina r´ıan resolvi e´ ndose con

las leyes conocidas. Uno de estos cabos

sueltos consis t´ıa en explicar la

distri buci o´ n de la radiaci o´ n emitida

por un cuerpo

caliente o

incandescente, que

en equilibriot e´ rmico



es una distri buci o´ n

un iversal inde-

pendiente de la

naturaleza del

material, y

caracterizada por la

temperatura del

cuerpo

(cuerpo negro).

Debido a

esta dependen- cia

al calentar una barra

de hierro, la es- piral

de una cocina el e´

ctrica, por ejemplo,

primero vemos un

color rojo oscuro,

luego unrojo ma s

claro… si sigui e´

ramos calentando

pod r´ıamos pasar al

amarillo y al azul.

Es- tos colores

corresponden a las

frecuencias en las

que se emite con ma´

s intensidad en cada

temperatura. El

problema lo ha b´ıa

planteadootro f´ısico

alem a´ n, Kircho ff un

profesor de Planck,

cuarenta an os



antes, pero desde

entonces no se ha b

´ıa progresado mucho

con las

teo r´ıas cl a´ sicas. Max Planck

Planck encontr o´ la fo´ rmula que

descri b´ıa la distri buci o´ n, y una

explicaci o´ nte o´ rica de la misma. Su

teo r´ıa era revolucionaria, aunque se r´ıa

ma s exacto decir



.


que fue el comienzo de una revoluci o´ n,

porque en aquel momento nadie, ni

siquieraPlanck, se daba cuenta de la

verdadera trascendencia de aquel

descubrimiento. Tu- vieron que pasar

casi treinta an os hasta que se

desarroll o´ el bloque de la teo r´ıacu a´

ntica. Las ideas cu a´ nticas, como la

que plante o´ Planck en su ley de

radiaci o´ n eran algo completamente

contrario a lo que se cr e´ıa hastaentonces y encontraron cierta

resistencia, incluso e´ l mismo se resis t

´ıa a aceptar su propuesta. La hip o´

tesiscentral para obtener la distri buci o´

n correcta era que la ene rg´ıa no se

emite ni seabsorbe en cantidades

arbitrarias, sino solamente en paquetes

o cuantos, es algo

dinero y las monedasas´ıcomoel . Cuando compramoso vendemos algo in-

tercambiamos un nu mero de monedasde peseta, de duro, de cien, el dineroest a´

empaquetado en estas unidades, y no

podemos comprar algo que val ga, por

ejemplo, 10,287 pesetas. Con la ene rg

´ıa emitida o absorbida pasa algo

parecido. En estecaso la ene rg´ıa de

cada paquete depende de la frecuencia,

a mayor frecuencia ma s ene rg´ıa. La

ene rg´ıa de un cuanto es el producto de

la frecuencia por la constante de

Planck,

ene r g´ıa=

. frecuencia

E = hν

h es una constante importan t´ısima de lanaturaleza, que aparece una y otra vez

hen las ecuaciones de lateo r´ıa cu a´ ntica. Si elvalor de fueradespreciablemente

peque n˜ o, pod r´ıa ocurrir unatransferencia pr a´ cticamente continua deene rg´ıa como



h es muy pequenã, y muchosse esperaba en la f´ısica cl a´ sica. Dehecho

fenómenos f ısicos pueden explicarse suponiendo que es cero, es decir con las

leyes de la f ısica clásica. Pero en realidad noes cero, como se pone

de manifiesto en otra gran cantidad de

fen o´ menos, algunos de ellos de

enormeimportancia en la sociedad

actual.

La paradoja es que Planck comenz o´ unarevoluci o´ n sin quere r, no te n´ıa es p´ıritude

hrevolucionario.Cuando introdujo laconstante

“en una acto de desesperación”

lo hizo, segu´ n suspropias palabras,

, y durante an osestu vo intentandoobtener la

distri buci o´ n de radiaci o´ n prescindiendo

de esa hip o´ tesis. Adem a s, Planck cr e

´ıa que la cuantificaci o´ n o

empaquetamiento afectaba solamente al

proceso de absorci o´ n oemisi o´ n, pero

no a la ene rg´ıa una vez absorbida o

emitida. El proceso se r´ıa an a´ logo

a un grifo de agua que gotea: el agua

sale en gotas, en paquetitos de agua,

pero antesde salir o al llegar a la

fregadera se junta con las dem a´ s y cada

gota desaparece.

En realidad fueron otras personasquienes se tomaron ma s en serio loscuantos

EinsteindePlanck. fue ma s all a´ que Planck alafirmar que la luz, no solamentese



.

11

absor b´ıa o emi t

´ıa en cuantos,sino que

exist´ıa en formadecuantos,

los fotones

Con esta hip o´tesis pudoexplicar en

1905, con 26 an os ytrabajando en unaoficina

depatentesen Suiza,el

efecto fotoeléctrico, que es lo queocurre en las ce´lulas

fotoel e´ ctricas que todos conocemos.Cuando se iluminan liberan electrones.

Tratar a la luz como cuantos,

como par t´ıculas, era una especie de

here j´ıa, puesto que durante todo el

siglo XIX se hab´ıa acu- mulado

evidencia experimental a favor de la

interpretaci ón ondulatoria de la luz

. Pero laexplicaci oń

del efecto fotoel e´

ctrico y otros

efectosque se

estudiaron por

aquellos an os da-

Albert Einsteinban la raz o´ n aEinstein. Por ejemplo, en

1913 Bohr pudo explicar las frecuen-

cias discretas de luz que absorbe o

emite el a´ tomo de Hidr o´ geno (su

espectro) suponiendo que las ene rg´ıas

posibles del a´ tomo eran discretas, e

igualando las ener- g´ıas de las

frecuencias obser vadas (s egu´ n la fo´

rmula de Planck), con las diferenciasde

ene rg´ıa de los niveles at o´ micos. Este

es el comienzo de la relaci o´ n, a partir

de entonces indisoluble, entre laespectrosco p´ıa y la estructura cu a´

ntica de la materia. Sin emba rgo la

“explicaci o´ n” de Bohr era un tanto

rudimentaria, y de nu evoincompatible

con las leyes cl a´ sicas, todo lo cual



produ c´ıa un gran desasosi ego enla

comunidad cien t´ıfica. Esto no impidi o´

que Planck, Einstein, y el propio Bohr

recibieran el premio Nobel en 1918,

1921, y 1922. Aunque nadie enten d´ıamuybien todo aquello, se recono c´ıa que

algo extra n˜ o pero importante estaba

ocurriendo.

de BrogliePara terminar decomplicar lascosas,

1924

presenta sutesis doctoral enLa

Sorbona,en . En ella expone que, si lasondas de la luz puedencomportarse

las par t´ıculas materiales deber ıancomo par t´ıculas (los fotones), tambi e´ n

asociarse a una onda , cuya frecuencia depende r ´ıa de la constante dePlanck y

se r´ıa inversamente proporcional al

momento de la par t´ıcula. Las

longitudes de onda asociadas a

electrones de velocidad moderada debe r

´ıan hallarse, segu´ n su fo´ rmula, en la

regi o´ n de los rayos X. A los miembros

del tri bunal de la tesis esta hip o´ tesis les

pare c´ıa una extrapolaci o´ n totalmente

injustificada, y su primera reacci o´ n fue

sus- penderle, pero Einstein, que ya era

famoso e influyente, se mostr o´

entusiasmado con el trabajo de de

Broglie, y pudo co nvencerles finalmentede que le aprobaran. Aquella

Davissonidea descabellada se comprob o´experimentalmente muy poco despu e´ s.

y Germer , de los laboratorios Bell,bombardearon n´ıquel cristalizadocon elec-




trones. La pe l´ıcula colocada detr a´ s

del n´ıquel mostraba patrones de

interferencia, bandas oscuras y claras

como las que aparecen cuando se

lanzan rayos X en vez deelectrones.

Estos mismos patrones de interferencia

ha b´ıan sido utilizados por Youngcien

an os antes para probar que la luz te n´ıa

naturaleza ondulatoria. No so lo eso, el

trabajo de de Broglie, que recibi o´ el

premio Nobel en 1929, fue la semillapara que

Erwin Schr odinger encontrarauna

ecuaci´on de ondasque describeno so lo el

a´ tomo de Hidr o´ geno, que es el que Bohr pudo abordar con su teo r´ıa prelimina r,sino

todos los a´ tomos, todas las mol e´ culas, ylos so lidos. Esta es una de lasecuaciones

hma s importantes de la f´ısica, ypor supuesto en ella aparece laconstante . En elmo-

delo de Schr o¨ dinger los electrones nogiraban en torno al nu cleo en o´ rbitasdiscretas

definidas, como en la teo r´ıa de Boh r,

sino que ven´ıan descritos por una onda

deslocalizada. Los niveles permitidos

del a´ tomo de Bohr correspon d´ıan

simplemente alas ene rg´ıas en las que

po d´ıa formarse una onda estacionaria.

A pesar de que laecuaci o´ n de Schr o¨

dinger predice correctamente las

longitudes de onda obser vadas

espectrosc o´ picamente, la naturalezaexacta de esta onda fue, y sigue

siendo, muy discutida. En un primer

momento Schr o¨ dinger era partidario de

identificar a la ondacon el electr o´ n,

pero pronto se comprendi o´ que esta

interpretaci o´ n no era posible. H oy en d

´ıa entendemos que los dos aspectos,

el corpuscular y el ondulatorio, son

compleme ntarios

. Sobre este punto insisti o´mucho Boh r, que fue unpersonaje

cl ave durante los an os en los que se

gest o´ la teo r´ıa cu a´ ntica. Cuando

detectamos fotones, o electrones o a´

tomos, detectamos par t´ıculas



localizadas, lo que ocurre es quelas

ecuaciones que predicen estas

detecciones son ecuaciones de ondas

que nos danla probabilidad de encontrar

estas par t´ıculas en determinadasposiciones o estados. A s´ı, la distri buci o´

n de estas detecciones en una pantalla

obedece a patrones de inte r- ferencia t

´ıpicamente ondulatorios. (La

interpretaci o´ n probabilista de las ondas

de

Max BornSchr o¨dinger sedebe a .) En general nopodemos imaginar a lapar t´ıcula

cu a´ ntica como una par t´ıcula en elsentido ordinario de la palabra porque suaspecto

ondulatorio hace que se comporte de

manera realmente extra n˜ a. Por ejemplo, escapaz de atr avesar una

pared sin tene r, segu´ n los criterios cl a´

sicos, ene rg´ıa suficiente

efecto tu´nelpara hacerlo, esto eslo que se conocecomo ; o puedemov ersehacia

atr a´ s aunque nosotros la hayamosempujado hacia adelante y no encuentrening u´ n

efecto reflujoobst a´ culoen sucamino ( ). Tambi e´ n, dealguna forma, “seentera”

de cosas que pasan en zonas alejadas,zonas a las que una par t´ıcula ordinariano

pod r´ıa tener acceso, es como si se

empe n˜ ara en estar deslocalizada, como

una onda, hasta el mismo momento de la

detecci o´ n, en el que siempre aparece

localizada. Otroaspecto importante es

que no podemos preparar a las par t

´ıculas cu a´ nticas en estados que nos

parecen perfectamente naturales en la

escala de los objetos ordinarios. Por



posici o? n y su velocidad (

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ejemplo, no podemos preparar una par t´ıcula cu a´ ntica precisando al mismotiempo su

principio de incertidu mbre o de indeterminaci ón de

Heisenberg).

Estas y otras paradojas ll ev aron a

Bohr y a muchos de los fundadores (en

pa r- ticular a Born y Heisenbe rg), aunque

no a todos, a renunciar a una imagenconcretade lo que es o hace la par t

´ıcula antes de la medida. Segu n el

grupo liderado por

escuela de Copenague, la teor ıa cuántica sóloBoh r, que se conoce como

nos ayuda a predecir los resultados de las medidas pero nada más, no nos

da una imagen de cómo es el mundo “en realidad” cuando nadie mide

.

Para algunos, esta filoso f ıa posit ivista

era, y es, suficiente; pero para otros,

entrelos cuales estaban nada menos que

Einstein, de Broglie, y Schr o¨ dinge r, la

renuncia dela escuela de Copenague a

una imagen concreta y realista del

mundo cu a´ ntico antesde la medida es

prematura. El debate entre Einstein y

Bohr contin u´ a, aunque hasta el

momento nadie ha logrado proporcionar

una imagen plenamente satis factoria de

las par t´ıculas cu a´ nticas anterior a la

medida, y la mayo r´ıa de los f´ısicos

adopta unpragmatismo cercano a las

tesis de Boh r.

2.2. Evoluci o´ n y descubrimientos ma´s destacados.




En los cuarenta la segunda guerra

mundial frena muchos estudios pero

aceleraotros, se produce la primera

bomba at o´ mica y el primer reactor

nuclea r. Poco despu e´ s

Feynmandefinalizar laguerra y otros investi gadorescrearon la elecrodin a´mica

cu a´ ntica (1948), que describe la emisi o´ ny absorci o´ n de fotones por los electrones.

transistor Tambi e´ n en esta e´poca se crea el primer

como el “i nvento del

siglo”, y se descubrela

(1947), quepuedeconsiderarse

resonancia magnética nuclear

(1946), sobre los que hablaremos ma sadelante. En los cincuenta se descubrenal

máser y el láser ; en los sesenta se obtieneevidencia experimental de quelos

protones y neutrones no son par t´ıculaselementales sino que est a´ n formadospor

quarks , esto fue el origen de la teo r´ıaactual para describir la f´ısica nuclear y de

modelo standardpar t´ıculas, el . En 1981 se consiguenlas primeras ima´ genes

microscop´ıa basada en el efecto tuńelde a´ tomos ind ividuales mediante la .

Desde mediados de los ochenta eldesarrollo de los ordenadores, los la´seres y de

la electr o´ nica permite estudiar a los a´

tomos a temperaturas ultra-f r´ıas, y

realizar experimentos que confirman las

extra n˜ as predicciones sobre el

comportamiento de las par t´ıculas

microsc o´ picas que se ha b´ıan

formulado muchos an os antes.

La teo r´ıa cu a´ ntica se ha comprobado

con mediciones muy precisas. Uno de

los experimentos ma s precisos, es

decir con mayor nu mero de cifras

iguales entre el valor medido y la

predicci o´ n te o´ rica corresponde

precisamente a la electrodin a´ micacu a´

ntica. Se trata de una medida de cierta

propiedad magn e´ tica del electr o´ n. La



precisi o´ n cons eguida equ ivald r´ıa a

medir la distancia entre Bilbao y Nu ev a

York con un error del orden de la

anchura de un pelo humano. La teo r´ıa

cu a´ ntica es sin dudala teo r´ıa ma s

exitosa de la historia de la ciencia en

cuanto a sus aplicaciones, perodespu e´

s de cien an os de evoluci o´ n es muy

posible que nos si ga deparando

sorpresas. A u´ n no entendemos

satis factoriamente, por ejemplo,

cuestiones tan ba sicas comoel tiempo

en el que ocurren los sucesos.

3. El transistor Es un disposit ivo hecho de material

semiconductor que puede regular oamplificar una corriente el e´ ctrica.

Sustituye a la va lvula o

tubo de vac´ıo, que necesitabamucha

ma s ene rg´ıa y espacio para funciona r,

y adem a´ s era mucho ma s fr a´ gil. Fue

Bardeen, Shockley y Brattaindesarrolladopor , delDepartamentode F´ısica

de Estado So lido de los laboratoriosBell en 1947. Los transistores,int egrados

desde 1958 en chips, controlan todo tipo

de aparatos y procesos: motores de

coche, tel e´ fonos mo viles,

computadoras, tel evisiones,

instrumentos musicales, hornos de

microondas, relojes, impresoras, tarjetas

de identificaci o´ n, sat e´ lites, misiles,

cadenas



15

autom a´ ticas de fabricaci o´ n, redes de

gas... Pod r´ıamos considerar al

transistor comola neurona electr o´ nica

de nuestra sociedad; es el elemento

que permite en u´ ltimainstancia la

actual revoluci o´ n inform a´ tica y de

comunicaciones. Se estima que se

fabrican en torno a 500 millones de

transistores cada segundo. La

enormidad de esta cifra puede

entenderse si tenemos en cuenta que el

coraz o´ n de un ordenado r, su

procesado r, es un chip que int egra unos

treinta millones de transistores. Es

evidente que nuestra vida diaria se r´ıa

muy diferente sin el transisto r. Su influjo

es apa bullante: abarca nuestra forma de

trabaja r, de disfrutar del ocio, las tareas

dom e´ sticas, las transacciones

bancarias y comerciales, el transporte, o

las telecomunicaciones. Y



Bar deen, Shockley, y Br attain.

todo ello no hubiera sido posible sin el

desarrollo de la f´ısica del estado so´

lido, una rama de la mec a´ nica cu a´ ntica

cuyo primer objet ivo fue entender la

conducci o´ nelectr o´ nica en los metales,

debido a las limitaciones del

electromagnetismo cl a´ sico para

explicarla. El primer estudiante de

doctorado de Heisenbe rg, el suizo Felix

Bloch, supuso que los electrones que

transportan la corriente estaban

sometidos aun potencial peri o´ dico

producido por el resto de electrones y

nu cleos de la red, y resolvi o´ la

correspondiente ecuaci o´ n de Schr o¨

dinge r. Estas soluciones ll ev aron a la teor ıa

de bandas

, sobre la que descansa la f ´ısica de estado so lido, y segu´n la cual

existen zonas de ene rg´ıa (bandas)

permitidas y otras prohibidas para los

electrones de conducci o´ n. Pudo

comprenderse entonces, entre 1928 y

1933, la diferenciaentre conductores,

aislantes, y semiconductores. Wigner

y Seitz realizaron los primeros ca´

lculos realistas de una estructura de

bandas para el sodio. Los avances




posteriores, hasta llegar al transistor

tuvieron lugar fundamentalmente en

Estados Unidos, donde se combinaron

poderosos intereses econ o´ micos de

diversos sectoresindustriales (el e´ ctrico,

de comunicaciones, metal u´ rgico o

fotogr a´ fico), con el trabajo de

importantes f´ısicos cu a´ nticos, algunos

americanos (Slate r, Condon, van Vleck,

Rabi), otros venidos de Europa

(Wigne r, Bloch, Bethe), que propo n´ıan

teo r´ıas y c a´ lculos cada vez ma s

precisos de propiedades de so lidos

interesantes para estaindustria. Los

tres inventores del transistor pueden

relacionarse directamente con

eminentes te o´ ricos cu a´ nticos:

Bardeen estudi o´ mec a´ nica cu a´ ntica

con van Vleck en Wisconsin y con

Wigner en Princeton; Shockl ey fue

estudiante de doctorado enel grupo de

Slater en Massachusetts, que en los

an os treinta se dedic o´ a aplicar la

mec a´ nica cu a´ ntica para entender las

propiedades el e´ ctricas magn e´ ticas y te

´ rmicas demetales y otros materiales.

Por u´ ltimo, Brattain asisti o´ a un curso

que Sommerfeldimparti o´ en Michi gan

en 1931 sobre teo r´ıa electr o´ nica de los



metales.

4. El La´ ser

4.1. Or´ıgenes

En los an oscuarenta ycincuenta

Charles Townes y Art hur Schawlow

estaban interesados, de formaindependiente, en la espectrosco p´ıa demicroondas,

ya que la interacci o´ n entre la radiaci o´ n

de microondas y las mol e´ culas permite

determinar su estructura. Ninguno deellos ha b´ıa planeado inventar el la´ ser;

lo que que r´ıan era desarrollar un

disposit ivo que generara ondas de

longitud de onda corta para estudiar

estructuras moleculares, pero las te´

cnicas disponibles no se lo pe r- mi t´ıan.

A Townes, que ha b´ıa estado li gado

durante mucho tiempo a la investi gaci o´ n

relacionada con el rada r, se le ocurri o´

usar mol e´ culas, en vez de un aparato,

paragenerar las frecuencias deseadas.

Se dio cuenta de que se po d´ıa usar para

este fin la emisi´on estimulada

que Einstein ha b´ıa predicho

en 1917. Se trata de uno delos

fen o´ menos ba sicos de la interacci o´ n

cu a´ ntica entre la radiaci o´ n y la materia

(juntocon la emisi o´ n espont a´ nea y la

absorci o´ n), por la cual un fot o´ n en

resonancia conun salto entre niveles

cu a´ nticos de alg u´ n sistema material

(un a´ tomo, una mol e´ cula, un

semiconductor…) estimula su

des excitaci o´ n (paso a un nivel inferior

de ene rg´ıa) y la emisi o´ n de un fot o´ n

gemelo, con la misma frecuencia, fase y

direcci o´ n que el incidente. Townes fue

capaz de usar este proceso para



amplificar la emisi o´ n de microondas de

las mol e´ culas de amoniaco y produjo el

primer ma ser (acr o´ nimo ingl e´ s de

micr owave amplification by stimulated

emission of radiation).



17

La cuesti o´ n era si se pod r´ıa utilizar la emisi o´ n estimulada para longitudesde

Schawlowonda mucho menores, enparticular en el espectrovisible. , cu n˜adode

Townes, pens o´ que colocando un par deespejos, uno en cada extremo de unaregi o´ n

con a´ tomos o mol e´ culas excitadas la

luz rebota r´ıa de un lado a otro

produciendo unhaz de frecuencia pura

y muy direccional, ya que los fotones

en otras direccionesse escapa r´ıan de

la cavidad. Haciendo uno de los dos

espejos semitransparente se lograba

adem a´ s la salida del haz. En 1958

Townes y Sch awl ow publicaron un ar t

´ıculoque estable c´ıa los principios del

la´ ser (light amplification of stimulated

emissionradiation). Ya era so lo cuesti o

´ n de tiempo encontrar los materiales

apropiados y el mecanismo de bombeo

adecuado para excitar a los a´ tomos o

mol e´ culas dej a´ ndolospreparados para

la emisi o´ n estimulada. Tras la

publicaci o´ n, multitud de laboratoriosen

Un iversidades y empresas se pusieron

a trabaja r. El primer la´ ser lo construy o

´

Maimanel f´ısicoamericanoTheodore , de la compa n˜ ´ıaHughes Aircraft, conru b´ı

sint e´ tico. Hoy en d´ıa existe unavariedad enorme de la´ seres, basadosen distintos

medios materiales y mecanismos de

bombeo. Pueden funcionar de forma

continua o pulsada; su potencia y

frecuencias son tambi e´ n muy variadas,

desde el infrarrojohasta el ultr avioleta

cercano.

4.2. Aplicaciones

Salud y tecnolog´ıa m´edica . Los la´ seres se hanco nvertido enherramientas

indispensables en numerososprocedimientos me dicos terap e´ uticos ydiagn o´ sticos.



Un haz la ser puede enfocarse con

precisi o´ n en lesiones oculares, o sobre

la piel, y puede dirigirse hacia cualquier o

´ rgano de forma m´ınimamente

invas iva con fibra

o´ ptica. El uso de los la´ seres en

medicina se ha desarrollado ra´

pidamente por dos razones: primero,

debido a la existencia de una gama

muy amplia de la´ seres quepermiten

ajustar la longitud de onda o los pulsos

de la radiaci o´ n a las necesidades de

cada problema cl´ınico; en segundo

lugar, se ha logrado entender mejor la

interacci o´ nentre el la ser y los tejidos.

Los la´ seres encuentran tambi e´ n

muchas aplicaciones en oftalmolo g´ıa,

por ejemplo para corr egir defectos en la

visi o´ n debidos a peque n˜ as anoma l´ıas

en la cur vaturade la co rnea, o en

operaciones de cataratas. Los la´ seres

se usan adem a´ s como bis- tu r´ı. Sus

par a´ metros pueden ajustarse para

cortar y proporcionar suficiente calor

para causar la coagulaci o´ n, con lo que

se consigue minimizar el sangrado. Se

usantambi e´ n con e´ xito en ginecolo g

´ıa. La precisi o´ n del la´ ser permite

destruir so´ lo el tejido da n˜ ado y

preser var el resto.




Tecnolog´ıa de la informaci on y comunicaciones . Las redesde telecomuni-

caciones modernas (tel e´ fono, tel evisi o´ n,internet) se basan en el la´ ser y en lafibra

o´ ptica, que es ma s eficaz, ma s barata,

y requiere menos mantenimiento que las

redesbasadas en el cableado de cobre.

La fibra o´ ptica comenz o´ us a´ ndose en

telecomunicaciones a la rga distancia,

pero hoy estamos a punto de recibirla ya

en el ho gar. Lainformaci o´ n transmitida

se codifica mediante pulsos de la´ seres

de semiconductores. El primer la ser de

semiconductores continuo comercial que

operaba a temperaturaambiente se cre o

´ en 1975 abriendo la puerta al uso de la´

seres para transmitir co nver- saciones

telef o´ nicas codificadas. En 1988 se

ten d´ıa el primer cable de fibra o´ ptica

transoce a´nico.

El disco compacto. Los me todos dealmacenamiento o´ ptico son

posibles graciasa la investi gaci o´ n para obtener la seresde semiconductores de bajo costo y sobrela

interacci o´ n entre el la´ ser y pe l´ıculas

del gadas. Se venden 8.000 millones de

do lares de discos compactos al an o.

La informaci o´ n se almacena en un CD

en la forma demuescas poco profundas

con anchuras de unos miles de a´

tomos en una superficie de po l´ımero

cubierta con una pe l´ıcula del gada

reflectante. La informaci o´ n digital,



representada por la posici o´ n y longitud

de las muescas se lee o´ pticamente

con unl a´ ser de semiconductores.

Ener g´ıa. La mayor parte de la ene rg´ıaque consumimos se obtienequemando

com bustibles fo´ siles. Dada su

cantidad limitada y su potencial

contaminante es esencial optimizar la

com busti o´ n. Para este fin los la´ seres y

el conocimiento de los procesos

moleculares que tienen lugar en el horno

son importantes. El interior de unhorno

es un ambiente hostil en el que es di f´ıcil

colocar aparatos sin que se destruyano

da n˜ en. Sin emba rgo, por medio del

la´ se r, es posible averiguar

externamente la temperatura, el

movimiento de las par t´ıculas, la

composici o´ n molecula r, y las

velocidadesde reacci o´n.

Otros usosde l l´aser

. El la ser es una herramientamuy vers a´ til en muchas otras

industrias y aplicaciones de todo tipo. Seusa por ejemplo para cortar o grabar piezas

met a´ licas, cer a´ micas, pl a´ sticas, de

madera o tela, con velocidades y

precisiones mucho mayores que las

alcanzadas con otras te cnicas; en sat e

´ lites para transmitir informaci o´ n; como

lectores de co digos de barras, en

impresoras; en espectroscopios para

analizar la composici o´ n de muestras;

para medir distancias y tiempos con gran

precisi o´ n; en giroscopios; como

punteros; en hologra f´ıa, o como



“pinzas o´ pticas” para manipular

peque n˜ as par t´ıculas. Esta u´ ltima

aplicaci o´ n es de gran inter e´ s en

distintas ramas de la biolo g´ıa, para

manipular bacterias, ce lulas, orga´ nulos

celulares, o mol e´ culas ind ividuales de

DNA.



19

5. Otras aplicaciones de la Mec a´ nicaCu a´ nticaDisenõ de f armacos . La teo r´ıa molecular est aćontri buyendo al dise n˜ ode

mol e´ culas bioact ivas, que incluyen fa´rmacos, herbicidas y pesticidas.

Resonanciamagnética . Esta te cnica devisualizaci o´ n de los tejidosse basa en

pr ovocar con un campo magn e´ tico

constante y otro oscilante resonancias

magn e´ ticas en ciertos nu cleos at o´

micos, particularmente del hidr o´ geno

(protones.

Nuestrocuerpo contiene mucha agua, y

cada mol e´ cula de agua dos a´ tomos

de hidr o´ geno.) La resonancia se refiere

a un aumento de la absorci o´ n cuando

se consigue la adecuada combinaci o´

n de intensidad de campo y frecuencia.

La ventaja con respecto

a los rayos X es que el paciente no se

ve expuesto a una radiaci o´ n peligrosa,

y adem a´ s pueden cons eguirse ima´

genes tridimensionales. Esta te´ cnica

descansa enun efecto puramente cu a´

ntico: la discretizaci o´ n o cuantificaci o´ n

de la ene rg´ıa debida

a la acci o´ n del campo constante sobre

el prot o´ n, que puede considerarse

como unpeque n˜ o ima´ n. Pero a

diferencia de los imanes cl a´ sicos, no

es posible cualquier orientaci o´ n (y

ene rg´ıa) con respecto al campo



externo, sino so lo dos orientaciones

discretas y sus correspondientes ene rg

´ıas. En resonancia, la frecuencia del

campo oscilante coincide con la

frecuencia que corresponde segu´ n la

fo´ rmula de Planckal salto ene rge´ tico

entre los dos niveles (normalmente en

la regi o´ n de frecuenciasde radio). La

espectrosco p´ıa de resonancia magn e´

tica es una te cnica usada por los q u

´ımicos de forma rutinaria como

herramienta de an a´ lisis, ya que los

diversos en- tornos qu´ımicos de los

protones afectan las frecuencias de

resonancia de distinta

manera; tambi e´ n se emplea para

determinar estructuras de prot e´ınas ode so lidos.

BlochFelix (el mismo f´ısico que contri buy o´decis ivamente al nacimiento de la

Purcellteo r´ıa debandas) yEd ward descubrieronindependientemente elfen o´ meno

de resonancia magn e´ tica en 1946 ( yrecibieron el Nobel en 1952). Entre 1950 y1970

se us o´ fundamentalmente como te´

cnica de an a´ lisis qu´ımico. En 1971 se

mostr o´ quelos tiempos de relajaci o´ n

de la resonancia magn e´ tica de

diferentes tejidos variaba, lo que dispar o´

el inter e´ s por aplicar la te´ cnica en

medicina.

Ener g´ıa nuclear . La f´ısica nuclear es unarama de la mec a´ nica cu a´ntica. El

conocimiento de la estructura y procesos

nucleares ha permitido controla r, para

bien ypara mal, enormes ene rg´ıas. Noen vano muchos destacados te o´ ricos

cu a´ nticos, (por ejemplo Feynman ,

Wheele r, un antiguo colaborador de

Boh r, o E. Fermi) liderados por R.

Oppenheime r, trabajaron en el pr oyecto



Manhattan durante la segunda guerra

mundial para producir la primera

bomba at o´ mica en la que se fisionaba

uranio. Simult a´ neamente se llev aba a

cabo la investi gaci o´ n sobre el uso pa c´ıfico de esa

Enrico Fermienerg´ıa: consigui o´ la primera reacci o´n nuclear en cadenacontrolada




en 1942.

En 1952 Estados Unidos creaba una

bomba au n ma s mor t´ıfera , 1000

veces ma s potente que la de fisi o´ n

lanzada en Hirosima, basada en la

fuente de ene rg´ıa del sol y las

estrellas, la fusi o´ n de a´ tomos de

deuterio y tritio para formar helio. La

contrapartida “c ivil” –un reactor de fusi o´

n- no ha llegado a realizarse,

posiblemente por las dificultades que

entra n˜ a, pero tambi e´ n por la falta de

inter e´ s de los gobiernos. En cualquier

caso la producci o´ n de ene rg´ıa por fisi o´

n nuclear est a´ en claro retroceso, y es

impopular debido a los problemas de

seguridad que ha generado, no so lo por

los temidos accidentes nucleares sino

por la peligrosidad de los residuos

radioact ivos.

El horno de microondas . Ya hemos comentado alhablar del ma ser la impo r-

tancia de la espectrosco p´ıa demicroondas para determinar estructurasmoleculares.

El horno de microondas se basa en losmismos principios que la espectrosco p´ıa

Percyde microondas, aunque su invenci o´ n noest a´ li gada a esta espectrosco p´ıa.

Spencer , un inventor de la empresa RaytheonCorporation trabajaba en 1946 en un

pr oyecto relacionado con el rada r.

Estaba probando un nu evo tubo de vac

´ıo llamado magnetr o´ n cuando



descubri o´ que una barra de caramelo

que llev aba en su bolsillo se ha b´ıa

derretido. Lu ego prob o´ a poner ma´ız

cerca del tubo y observ o´ con asombro

co mo saltaban las palomitas por todo el

laboratorio; despu e´ s coloc o´ un hu evo,

y secalent o´ tan ra´ pido que explot o´

en la cara de un col ega curioso. Ha b

´ıa nacido unanu ev a forma de cocinar y

calentar alimentos. En el horno de

microondas se produce radiaci o´ n de

microondas, con la frecuencia adecuada

para hacer rotar las mol e´ culasde agua,

que tiene una parte ca rgada

posit ivamente y otra negat ivamente. En

cadaciclo de oscilaci o´ n del campo el e´

ctrico la mol e´ cula tiende a alinearse con

el campo

(t´ıpicamente se producen 2450

millones de ciclos por segundo). Este

movimientogenera fricci o´ n a tr ave´ s

de choques e interacciones con las

mol e´ culas vecinas, y por tanto calo r.

La radiaci o´ n de microondas, y no otra

cualquiera, es la adecuadapara esta

tarea porque la rotaci o´ n molecular est a

´ cuantizada, es deci r, no todas las

ene rg´ıas de rotaci o´ n est a´ n

permitidas, sino so´ lo un conjunto

discreto. La diferencia entre niveles

permitidos cae precisamente dentro de

la zona de microondas del espectro

electromagn e´ tico.



Finalmente, otra aplicaci o´ n interesantede la mec a´ nica cu a´ ntica es la de losrelojes

metrolo g´ıaat o´ micos,y engeneral la

, es decir laespecificaci o´ n precisade todos los

GPSpatrones de medida. Los relojes at o´ micosse usan por ejemplo en el sistema ,

que nos permite conocer con gran precisi o´ n el punto geogr a´ fico en el que estamos.



21

6. El futu r o: ¿ordenado res cu a´ ticos?En cierto sentido todos los

ordenadores actuales son cu a´ nticos,

puesto que sufuncionamiento se basa

en el transisto r. Sin emba rgo,

co nvendremos en llamarlos cl a´ sicos,

en la medida en que usan como unidad

elemental para almacenar info r-

bitmacio´ nel , que es en la pr a´ ctica un sistemaf´ısico que puede estar en dosestados

(di gamos 0 y 1). En un hipot e´ ticoordenador cu a´ ntico se substitui r´ıa el bitcl a´ sico por

el bit cu a´ ntico, ma s rico que el cl a´ sico

porque el sistema puede estar en

cualquier su- perposici o´ n de los estado

0 y 1. La consecuencia de esta

posibilidad es que en teo r´ıa existen

ciertas operaciones para las cuales un

ordenador cu a´ ntico se r´ıa muc h´ısimo

ma´ s ra´ pido que uno cl a´ sico. El

problema estriba en cons eguir y

manipular muchos de estos bits cu a´

nticos en la pr a´ ctica, y no es nada fa´ cil,

porque una perturbaci o´ n muypeque n˜ a

del entorno hace que las propiedades

del bit cu a´ ntico se pierdan. En este

momento no se sabe con certeza si los

ordenadores cu a´ nticos van a poder

realizarsealg u´ n d´ıa, pero lo que se

puede ganar es tanto que muchos

grupos de investi gaci o´ n en todo el

mundo est a´ n dedicados a intentarlo.

De todas formas existen otros caminos

por los que la inform a´ tica y la mec a´



nicacu a´ ntica vuel ven a encontrarse,

incluso si se mantiene el bit cl a´ sico

como unidadb a´ sica. En las u´ ltimas

de cadas la potencia de los

ordenadores ha crecido con una

velocidad vertiginosa, dobl a´ ndose

cada dos an os. Este aumento de

potencia sedebe esencialmente a la

miniaturizaci o´ n constante del transisto r.

Esta miniaturizaci o´ n hasta el momento

ha cons eguido realizarse con e´ xito pero

el proceso tiene un l´ımite f´ısico,

porque a partir de ciertos tama n˜ os

(decenas de nan o´ metros) los efectos

cu a´ nticos no pueden despreciarse, por

ejemplo los electrones atr avesa r´ıan

barreraspor efecto tu´ nel, y de hecho el

transistor tal como lo conocemos deja r´ıa

de funciona r. Una opci o´ n es dise n˜ ar

nu evos tipos de transistores que usen

estos efectos cu a´ nticos; tambi e´ n es

posible que el transistor ll egue a

substituirse por otro tipo de unidades

mejor adaptadas a las nu ev as escalas.

Bibliogra f´ıa

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La Fisica Cuantica en La Vida Diaria

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