UNA CENTURIA CUANTICA

En 1900, el físico alemán Max Planck se enfrentaba a un fenómeno que estaba en total desacuerdo con la física clásica: el perfil de la gráfica de la radiación emitida por objetos a cierta temperatura. Planck propuso una solución desesperada, pero increíblemente acertada: la radiación no se emitía de forma continua, sino a través de pequeños paquetes de energía, los famosos cuantos de Planck. Y en 1905, Albert Einstein utilizó este hallazgo para explicar el efecto fotoeléctrico; fue su annus mirabilis en que conmocionó al mundo de la física con su teoría de la relatividad especial.
Eran tiempos en que el mar de la ciencia estaba muy revuelto; parecía que los pilares fundamentales de la física se derrumbaban. Frente a estas situaciones hay dos tipos de físicos, los conservadores, que se sienten angustiados, y los transgresores que se miden contra las olas y quieren que el mar no se calme. El físico danés Niels Bohr era de los valientes. 
En 1911 y con solo 26 años, Bohr fue a Inglaterra a trabajar, primero con el grupo de Thomson y después con Rutherford, que acababa de descubrir el núcleo del átomo. 
Bohr se preguntó: ¿cómo podemos explicar con la física clásica que un átomo emita luz en pequeños paquetes de energía?

En 1913, Bohr respondió a esta pregunta en tres artículos que describían su modelo del átomo, del que este año se celebra su centenario. El primero de ellos contenía la idea más transgresora: la energía de los electrones que orbitan alrededor del núcleo también viene dada en paquetes, es decir, está cuantizada. Con este supuesto y, dado que la energía del electrón depende de la distancia a la que orbita del núcleo, concluyó que el electrón solo puede orbitar a determinadas distancias, o niveles, del núcleo. Cuando un átomo gana energía, el electrón se desplaza hacia las órbitas más alejadas, y al perderla, salta de órbita en órbita, como si bajara los peldaños de una escalera. Estos saltos, que pueden ser de uno o varios escalones, emiten luz, fotones, cuya frecuencia es proporcional a la diferencia de energía que existe entre los dos niveles orbitales.

De esta manera, tan sencilla, Bohr consiguió explicar muchos de los experimentos sobre la emisión de luz de los átomos. No le importaba que los electrones derraparan al girar y perdieran energía, simplemente postuló que eso no sucedía en estas órbitas, ya que estas eran estables por alguna razón desconocida. El modelo, pese a sus limitaciones, explicaba muchos resultados de las líneas espectrales de los gases y del orden de los elementos en la tabla periódica. Hoy sabemos que el átomo de Bohr es demasiado simple, pero introduce rasgos importantes de la física atómica. Aunque al visualizar el mundo cuántico hay que ser siempre precavido, en el caso del átomo es más correcto imaginar los electrones, no como partículas, sino como nubes difusas alrededor del núcleo, cuya densidad en cada punto representa la probabilidad de encontrar el electrón en ese sitio. Bohr fue un científico emblemático que aglutinó en su instituto a los mejores físicos cuánticos. Famosas fueron sus discusiones con Einstein sobre la interpretación de la física cuántica. En desacuerdo con él, Bohr creía que la naturaleza, en su expresión más íntima, está indeterminada, o sea, que sí juega a los dados. Y acertó.

Hoy, en numerosos laboratorios de todo el mundo, miles de físicos y físicas investigan y experimentan acerca de esos fenómenos cuánticos. Los átomos que Bohr imaginó hace 100 años se manipulan como si fueran marionetas: se atrapan individualmente con pinzas ópticas, se enfrían hasta casi el cero absoluto y se manejan sus estados internos con enorme precisión. Hace un siglo, la física cuántica estableció un nuevo paradigma y el conocimiento del átomo supuso un cambio revolucionario en la historia científica y tecnológica del mundo. 

Ahora, la realidad es que la física cuántica es un recurso sin precedentes para avanzar aún más en la nueva tecnología: desde construir relojes atómicos ultraprecisos o encriptar información muy sensible de manera absolutamente segura, hasta el desarrollo del ordenador cuántico y por supuesto de la Internet cuántica.

"Todo lo que llamamos real está compuesto por cosas que no pueden considerarse como reales" N.Bohr

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CUESTION DE ONDAS

Einstein intentó tratar unificadamente la gravedad y el electromagnetismo mediante una teoría de campos unificados. Previamente Maxwell había logrado en 1864 lo que denominaríamos primera teoría unificada, al formular una teoría de campo que integraba la electricidad y el magnetismo.
La búsqueda de Einstein de una teoría de campo unificado para el campo electromagnético y el campo gravitatorio, generalizando su teoría general de la relatividad fue infructuosa. Otro intento interesante de unificar estas dos teorías fue la teoría de Kaluza-Klein alguna de cuyas ideas inspiraron algunos aspectos de la teoría de cuerdas moderna, un ambicioso intento de formular una teoría del todo. 

¿Pero cómo comparamos estos tipos de movimientos ondulatorios en el espacio?.

Así como las ondas electromagnéticas están generadas por cargas aceleradas, en las teorías gravitatorias, es decir la Relatividad General (RG) usualmente por ser la más aceptada y comprobada experimentalmente, las ondas gravitatorias estarán generadas por configuraciones de masa que no son estacionarias, por ejemplo dos grandes masas orbitando una alrededor de la otra.
Hay una diferencia esencial entre las ondas electromagnéticas y las ondas gravitatorias.  Si uno mira a una fuente de ondas electromagnéticas astrofísicas, por ejemplo una estrella o una galaxia, tenemos que las longitudes de onda de dichas ondas es mucho más pequeña que el tamaño de la fuente que las produce. Recordemos que la longitud de onda es la distancia entre dos puntos de la onda en el mismo estado de vibración: Esto hace posible que podamos sacar fotos de la fuente, de hecho de la superficie de la fuente emisora.

 

Por contra, las ondas gravitacionales tienen longitudes de onda que son del mismo tamaño o mayores que la fuente que las emite.  Esto no nos permite “hacer fotos gravitacionales” de la fuente pero lo que nos permitiría, en caso de poder detectarlas de una forma eficiente, es aprender del interior y de la estructura de los sistemas que las producen.  Por ejemplo, en un proceso de supernova, el núcleo debería de emitir ondas gravitacionales, evidentemente no podemos acceder a él por medio de ondas electromagnéticas así que las ondas gravitacionales sería perfectas para obtener tal información. 

Por no hablar de sistemas con agujeros negros, u otros objetos compactos como estrellas de neutrones, en concreto una onda gravitacional haría que los objetos se contraigan y estiren a su paso.

El efecto sería muy pequeño, pero podría amplificarse con el estudio de objeto de gran extensión por lo que observatorios de ondas gravitacionales LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) en EEUU consisten en dos largos brazos perpendiculares (4 km cada uno) al final de los cuales hay un espejo. Un láser mide la distancia a cada espejo, la que aumentará y disminuirá alternadamente en cada brazo ante el paso de una onda gravitacional. 

Dado que otros fenómenos podrían producir una señal parecida a una onda gravitacional, se construyeron dos de estos observatorios en EEUU, uno en Hanford (estado de Washington) y otro en Livingston (Louisiana), ya que así una onda gravitacional debe detectarse al mismo tiempo y tener las mismas características en ambos observatorios.

 "En algún sitio, algo increíble está esperando ser descubierto". Carl Sagan

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EN LOS CONFINES DEL UNIVERSO

Si bien ya existe una iniciativa global para detectar ondas gravitacionales, un nuevo método ideado por el equipo de los físicos Andrew Geraci de la Universidad de Nevada en Reno, y Asimina Arvanitaki de la Universidad de Stanford en California, representa un enfoque alternativo, basado en un dispositivo bastante más pequeño y con mayor sensibilidad, que podría detectar las escurridizas ondas gravitatorias procedentes de los confines del cosmos conocido.

Este nuevo detector complementaría a los detectores ya existentes de ondas gravitatorias, puesto que es más sensible a las fuentes de tales ondas en una banda de frecuencia más alta, por lo que podría darse el caso de que captase señales que otros detectores no lograran percibir.Geraci y Arvanitaki proponen el uso de un pequeño sensor, enfriado por rayos láser (usados para empujar del modo adecuado la materia e impedir los movimientos que constituyen lo que determina la temperatura) y sintonizable, que "flota" en una cavidad óptica, por lo que no resulta afectado por la fricción. 

Las ondas gravitacionales, que se propagan desde los rincones más remotos de nuestro universo, estiran y comprimen el tejido del espacio-tiempo. Una onda gravitacional que pasa por un sitio en un momento dado, cambia la distancia física medida entre dos masas (pequeños discos o esferas) usadas a modo de balizas, y eso se puede detectar.Aunque ya se obtuvieron evidencias indirectas de las ondas gravitatorias al estudiar los cambios en el período orbital de un sistema binario de estrellas de neutrones, lo que resultó en un Premio Nobel de Física en 1993, las ondas gravitacionales aún no se han observado directamente.
El enfoque técnico que Geraci y Arvanitaki describen puede exceder la sensibilidad de los observatorios de ondas gravitacionales de la próxima generación hasta en un orden de magnitud, en el rango de frecuencias de entre 50 y 300 kilohercios. 
Información adicional: http://www.unr.edu/nevada-today/news/2013/space-time-gravitational-waves

"Cuando hayamos descubierto las leyes que rigen el Universo, nos daremos cuenta de que el hombre de acción se ilusiona más que el soñador". Oscar Wilde 

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UN LUGAR EN EL COSMOS

Cada uno de nosotros en algún momento de su vida tuvo un lugar en el Cosmos, cada uno de nosotros tuvo una infancia en algún barrio de algún lugar en este planeta Tierra. Fué cuando creíamos que alla afuera existía una frontera que nos separaba de algo más grande aún. 
Asimismo la Tierra también tiene su propio barrio, que no es tan tranquilo o humilde como pensábamos. Un nuevo modelo que examinó la estructura de la Vía Láctea dice que nuestro “Brazo Local” de estrellas es más importante de lo que creíamos.
“Hemos encontrado que no hay mucha diferencia entre nuestro brazo local y los otros brazos prominentes de la Vía Láctea, en contraste con lo que los astrónomos pensaban antes”, dijo el investigador Alberto Sanna, del Instituto Max-Planck de Radioastronomía, al hablar en la reunión anual de la Sociedad Astronómica Americana en Indianapolis, Indiana-USA.
Sanna dijo que una de las principales cuestiones de la astronomía es cómo vería la Vía Láctea un observador fuera de nuestra galaxia.
Si usted se imagina la Vía Láctea como una galleta ondulada, nuestra estrella se encuentra en un barrio en medio de dos grandes ondas (el brazo de Sagitario y el brazo de Perseo). Antes pensábamos que el brazo local (o brazo de Orión) era sólo un pequeño espolón entre los brazos.
Nuevas investigaciones, que utilizaron mediciones de paralaje trigonométrico, sin embargo, sugieren que el brazo local podría ser un “ramal significativo” de uno de los dos brazos.
En pocas palabras, nuestro vecindario estelar es más grande y más brillante de lo que pensábamos.

Como parte del BeSSeL Survey (Bar and Spiral Structure Legacy Survey, o Estudio del Patrimonio de la Estructura de Barra y Espiral), utilizando el Very Long Baseline Array (VLBA), los astrónomos pueden hacer mediciones más precisas de distancias cósmicas. El VLBA utiliza una red de 10 telescopios que trabajan juntos para averiguar lo lejos que están las estrellas y otros objetos.
Es difícil calcular la distancia de la Tierra a otras estrellas. Generalmente, los astrónomos utilizan una técnica llamada paralaje, que mide la cantidad que se mueve una estrella cuando la vemos desde la Tierra.
Cuando nuestro planeta está en sitios opuestos de su órbita —en primavera y otoño, por ejemplo— la ubicación aparente de los objetos estelares cambia ligeramente.Cuanto mayor es la precisión con que se puede medir este cambio, mejor el sentido que tenemos de la distancia de una estrella.

El VLBA llevó a cabo una búsqueda de lugares en nuestra galaxia donde las moléculas de agua y de metanol mejoran las ondas de radio (en un efecto también conocido como máser), de manera similar a cómo los láseres fortalecen las ondas de luz. Los másers son como faros estelares para los radiotelescopios, declararon desde el Observatorio Nacional de Radioastronomía. Entre 2008 y 2012, el VLBA ha seguido las distancias (y los movimientos de) varios másers con una mayor precisión que antes, lo que llevó a los nuevos hallazgos. ¿Los resultados ayudarán a aliviar nuestro “complejo de inferioridad”, después de todos esos grandes descensos? “Yo diría que sí, es una buena conclusión decir que somos más importantes”, dijo Sanna. “Pero lo más importante, ahora estamos mapeando la Vía Láctea y descubriendo cómo podría aparecer la Vía Láctea para un observador externo. ¡Ahora sabemos que el Brazo Local es algo que un observador sin duda notará desde lejos en su propio barrio del espacio y tiempo! ”.

"El tiempo es la distancia más larga entre dos lugares". Tennessee Williams

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LAS GRIETAS DEL UNIVERSO

Un equipo de físicos dice que el Big Bang debería modelarse como un cambio de fase: el momento en que un universo amorfo análogo al agua líquida enfriada, cristaliza repentinamente para formar un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, que sería análogo al hielo.

En el nuevo estudio, el autor principal James Quach y sus colegas de la Universidad de Melbourne en Australia dicen que la hipótesis puede ponerse a prueba buscando defectos en la estructura del espacio-tiempo cuando se cristalizó el universo. Actualmente, el universo tiene unos 13 700 millones de años.

“Piensa en los inicios del universo como en un líquido”, dice Quach en un comunicado. “Luego, cuando se enfría el universo, ‘cristaliza’ en las tres dimensiones espaciales y una temporal que vemos hoy. Imaginado de esta forma, cuando se enfría el universo, esperaríamos que se formasen grietas, similares a las que se forman en el hielo cuando se congela el agua”.

De existir, estas grietas serían detectables, dicen los investigadores, debido a que la luz y otras partículas se curvarían o reflejarían cuando cubren su camino a través del cosmos.

La idea de que el espacio y el tiempo son propiedades emergentes que se materializan repentinamente a partir de un estado amorfo, se propuso inicialmente por físicos del Instituto Perimeter de Canadá. Conocida como “quantum graphity”, la teoría mantiene que la geometría de cuatro dimensiones del espacio-tiempo descubierta por Albert Einstein no es fundamental; en su lugar, el espacio-tiempo es más similar a una retícula construida a partir de bloques básicos discretos de espacio-tiempo, de la misma forma que la materia tiene aspecto continuo, pero en realidad está hecha de bloques básicos llamados átomos.

Originalmente, a temperaturas extremadamente altas, los bloques básicos eran como el agua líquida: no tenían estructura, “representando un estado sin espacio”, escriben los investigadores en su artículo. En el momento del Big Bang, cuando la temperatura del universo empezó a bajar hasta el “punto de congelación” de los bloques básicos de espacio-tiempo, cristalizaron en la forma de retícula tetradimensional que vemos hoy.

Las matemáticas que describen la teoría cuadran bien, pero “el desafío ha sido que estos bloques básicos de espacio son muy pequeños, por lo que es imposibles verlos directamente”, explica Quach. Desde el punto de vista humano, el espacio-tiempo parece suave y continuo.

No obstante, aunque los propios bloques básicos podrían ser demasiado pequeños para detectarlos, los físicos esperan observar los límites que se habrían formado cuando las regiones de cristalización de los bloques básicos chocaron entre sí en el momento del Big Bang, creando “grietas” en el universo. 

Puede ser posible que por esas grietas se conecten las otras dimensiones espaciales explicadas en la teoria de los multiversos o sólo sean pasadizos espacio-tiempo dentro de nuestro propio universo.

Se requiere más trabajo para predecir la distancia media entre grietas – no se sabe si es microscópica o de años luz – para caracterizar sus efectos sobre las partículas.

La investigación de Quach y su equipo se detalla en la revista Physical Review D.

"Hay una grieta en todo, así es como entra la luz". Leonard Cohen

 
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ENTRELAZAMIENTO WARP

El entrelazamiento cuántico ya fue predicho por Einstein y fue el famoso gato de Schrödinger, quien estableció la dificultad de conocer determinada información hasta que no se la mida.
Un equipo de físicos de la Universidad Científica Tecnológica de Shangai ha podido calcular la velocidad a la que se produce la variación del estado cuántico de una partícula cuando otra que se encuentra enlazada a la misma experimenta una alteración.
En el experimento se emplearon fotones separados por 16 kilómetros de distancia pero que habían sido previamente enlazados a nivel cuántico, es decir, sus estados cuánticos reflejaban respectivamente la modificación forzada en el otro. En concreto se alteraba la polarización vertical de un fotón y se ha podido comprobar el escaso tiempo transcurrido hasta que el fotón enlazado cuánticamente replicaba dicha variación.

La mecánica de la prueba consiste en enviar a dos lugares opuestos ambos fotones entrelazados, por lo que cada uno de ellos mostrará una polarización opuesta. A partir de ahí, si sometemos a uno de ellos a un proceso que haga variar dicha polarización se producirá en un escaso espacio de tiempo una modificación a la inversa en su pareja. Si desde el punto medio hemos enviado el fotón A hasta 8 kilómetros a la derecha y el B hasta 8 kilómetros a la izquierda y el A presenta una polaridad arriba, el B estará en polaridad abajo. Si alteramos el A hasta que su polaridad es abajo de forma casi instantánea el B cambiará a polaridad arriba sin que se efectúe acción alguna sobré el mismo.
En concreto la velocidad a la que se produjo la modificación por parte del fotón que permanecía a la espera equivalía a 3.000.000.000 de kilómetros por segundo, lo que es 10.000 veces más rápido que la velocidad de la luz. Sólo que se puede cambiar la polarización de un fotón hasta que no se comprueba dicha alteración ya que no se conoce el estado de la misma.

Ahora queda por delante averiguar cómo aprovechar esta vertiginosa velocidad,
el sueño dorado de la informática y las telecomunicaciones, y del retardo en las transmisiones de información interplanetarias, de hecho algunos físicos teóricos incluso elucubran que al poder enviar información a mayor velocidad que la luz podrían enviarse mensajes que llegarían antes de ser enviados. Aún no tienen muy claro los científicos que han realizado este descubrimiento cuáles pueden ser sus posibles usos, pero sí se ha confirmado la vertiginosa velocidad a la que funciona la capacidad de transmisión de los estados cuánticos entre partículas, independientemente de la distancia que las separa. Transferencia de datos inmediata, teletransportación… hoy en día todo parece posible.

"La única posibilidad de descubrir los límites de lo posible es aventurarse un poco más allá de ellos, hacia lo imposible". Arthur C. Clarke


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EL" FANTASMA" DE EINSTEIN

Me persigue el mismo "fantasma" que perturbaba a Einstein. El entrelazamiento cuántico es uno de los grandes misterios de la ciencia. Nos muestra un funcionamiento de la física que parece magia (como el teletransporte en el espacio y el tiempo).
Dos partículas, como fotones, pueden entrelazarse. En ese estado están conectadas y se influyen una a otra, aunque estén separadas millones de kilómetros en el tiempo y el espacio, es una conexión llamada no-local. Quizás las razones fueran distintas entre el gran físico alemán y este humilde investigador, pero la obsesión por el tiempo puede unirnos como a esas partículas.
Ahora resulta que la Estación Espacial Internacional (ISS) se podría usar para un importante experimento de entrelazamiento cuántico, la famosa "acción fantasmal a distancia".
Hasta ahora, los experimentos que examinan este aspecto peculiar de la física se han limitado a distancias relativamente pequeñas en la Tierra.
En un nuevo estudio, unos investigadores han propuesto la utilización de la Estación Espacial Internacional para poner a prueba los límites de esta "acción fantasmal" y, potencialmente, ayudar a desarrollar la primera red global de comunicación cuántica.

Sus planes incluyen lo que se conoce como Experimento Bell, para poner a prueba la contradicción teórica entre las predicciones de la mecánica cuántica y las de la física clásica, y un experimento de distribución de claves cuánticas que utilizará a la ISS como repetidor para enviar una clave de codificación secreta a través de distancias mucho más grandes que las que ya se han logrado con fibra óptica en la Tierra.
Los cálculos del equipo de Rupert Ursin, de la Academia de Ciencias de Austria, muestran que los principales objetivos experimentales podrían alcanzarse con sólo unos pocos pases de la ISS sobre la estación de tierra (figura 1), teniendo cada experimento una duración de menos de 70 segundos por cada sobrevuelo. El único equipamiento necesario a bordo de la ISS sería un módulo de detección de fotones, que podría ser enviado a la ISS y conectado a instrumental ya existente.

Para el experimento Bell, se genera en la superficie terrestre un par de fotones entrelazados cuánticamente. Uno de estos fotones se envía desde la base de tierra a la ISS, mientras que el otro se puede medir de manera local en la superficie terrestre para su posterior comparación. Los fotones entrelazados cuánticamente tienen una íntima conexión entre sí, incluso cuando se les separa a grandes distancias. Esta conexión desafía las leyes de la física clásica.
Una medición en uno de los fotones entrelazados del par determinará el resultado de la misma medición en el segundo fotón, sin importar lo alejados que estén. Según la física cuántica, el entrelazamiento es independiente de la distancia. En el experimento, se pondrá a prueba esta afirmación con una distancia muy grande. Los experimentos como éste también permitirán poner a prueba los potenciales efectos que la gravedad pueda tener sobre el entrelazamiento cuántico.

Información adicional:  http://iopscience.iop.org/1367-2630/15/4/043008/article

"Toda dificultad eludida se convertirá más tarde en un fantasma que perturbará nuestro reposo".
Frédéric Chopin

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