radio uned: Parque Cuántico VI: El montaje de los actores


Hoy en Radio UNED, ha tocado el turno a la Revista de Ciencias. La emisión ha sido muy interesante y ha tratado de un tema de física fundamental, relacionado con la mecánica cuántica (los fenómenos cuánticos) y el comportamiento de las partículas elementales (bosones y fermiones) con la temperatura, bien entendido que la temperatura no es un concepto que se maneje a nivel cuántico (es un concepto que deriva del estudio de la materia en un nivel superior)

La particularidad de esta emisión, que forma parte de una serie (parque cuántico), es la manera en que se cuentan los conceptos que se intentan explicar, de una forma muy amena y poco ortodoxa, como una especie de parábola en el que el experimento con las partículas se sitúa en un teatro con varios escenarios y las partículas son grupos de actores … sí, lo sé, contando así por escrito parece una paranoia así que lo mejor es escucharlo:

Programa: REVISTA DE CIENCIAS
06/05/2008, de 06:00 a 06:30

Título: Parque Cuántico VI: El montaje de los actores

Participante/s:

Luis M. Sesé Sánchez (Profesor (UNED))

3 comentarios en “radio uned: Parque Cuántico VI: El montaje de los actores

  1. El Departamento de la UNED donde ejerce como docente e investigador el Dr. Luis M. Sesé Sánchez, el Departamento de Ciencias y Técnicas Físico-Químicas, es un centro multidisciplinar entre la química y la física donde se investigan a nivel molecular muchos fenómenos de naturaleza práctica. Entre las líneas de investigación se destaca el estudio y simulación de polímeros, los hidrogeles y un tema relacionado con la emisión (y que con toda probabilidad es el origen de la misma):

    Efectos Cuánticos en Sistemas de Muchos Cuerpos

    También son interesantes los recursos que proporciona con software para el tratamiento/análisis gráfico y de espectros y Dibujo y visualizadores de moléculas

  2. He buscado en la página de TeleUNED las restantes emisiones de la serie de parque cuántico y esto es lo que he encontrado:

    – 06/05/2008 “Parque Cuántico VI: El montaje de los actores”,

    (ya lo hemos comentado)

    – 01/05/2007 “Departamento de Ciencias y Técnicas Fisicoquímicas”, Parque cuántico V

    Programa: REVISTA DE CIENCIAS
    01/05/2007, de 06:00 a 06:30

    Título: Departamento de Ciencias y Técnicas Fisicoquímicas

    Contenido: Parque cuántico V

    Participante/s: Luis M. Sesé Sánchez

    – 09/01/2007 “Parque cuántico”,

    Programa: REVISTA DE CIENCIAS
    09/01/2007, de 06:00 a 06:30

    Título: Parque cuántico

    Participante/s: Luis M. Sesé Sánchez

    – 09/05/2006 “DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y TÉCNICAS FISICOQUÍMICAS”, Parque Cuántico III

    Programa: REVISTA DE CIENCIAS (2005/2006)
    09/05/2006, de 06:00 a 06:30

    Título: DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y TÉCNICAS FISICOQUÍMICAS

    Contenido: Parque Cuántico III

    Participante/s: Luis M. Sesé Sánchez

    – 22/11/2005 “CIENCIAS Y TÉCNICAS FÍSICO-QUÍMICAS”, Parque cuántico

    Programa: REVISTA DE CIENCIAS (2005/2006)
    22/11/2005, de 06:00 a 06:30

    Título: CIENCIAS Y TÉCNICAS FÍSICO-QUÍMICAS

    Contenido: Parque cuántico

    Participante/s: Luis M. Sesé Sánchez (Autor)

    Habrá que escucharlos y comentarlos :)

  3. He vuelto a escuchar con más sosiego la emisión. Tras al relato más o menos imaginativo de la introducción del clip, se pasa a hablar del spin (giro) de ciertas partículas, que responde a una cualidad que se pensaba que podía poseer un electrón en 1925. Se pensaba que dentro del modelo de Bohr, el electrón, además de hacer la órbita elípticas alrededor del núcleo, debía girar sobre sí mismo (como la tierra alrededor del sol)

    La propiedad la propuso Pauli al escribir un artículo completamente matemático sobre el tema en el que no se mencionaba para nada la palabra spin. Esta interpretación la hicieron dos estudiantes que leyeron su artículo.

    Este efecto explicaba ciertas características de los espectros atómicos para los que no se tenía explicación, como su estructura fina, con el desdoblamiento de líneas espectrales por la acción de campos magnéticos externos. También se pudo justificar el orden de llenado de los orbitales por parte de los electrones en los elementos de la tabla periódica.

    Paul Dirac demostró en 1928 que la propiedad matemática que habían identificado como un giro (spin) no era tal sino que se trataba de un concepto matemático más complejo.

    Todas las partículas elementales y por lo tanto los átomos tienen spin. En general, en el universo hay dos tipos de partículas: los bosones y los fermiones. Esta división se hace por las propiedades de simetría que tienen la función de onda que describen esas partículas. En el caso de los bosones la función de onda es simétrica con respecto al intercambio de bosones, es decir, no cambia de signo. En el caso de los fermiones la función de onda es antisimétrica, es decir, que cambia de signo.

    En la dramatización que se hace lo que se intenta explicar es qué pasa con grupos de esos dos tipos de partículas cuando se las somete a una bajada de temperatura. La mecánica cuántica no reconoce a la temperatura como un observable. Es un parámetro externo. Sin embargo, se va a trabajar con una derivación de la mecánica cuántica que se llama mecánica estadística cuántica.

    La descripción técnica del relato es que se representan dos tipos de partículas, las bosónicas (actores B) que tienen un spin entero (0, 1, 2, …), que vienen descritos por funciones de onda simétricas y su comportamiento estadístico es el la estadística de Bose-Einstein. Por otro lado están los fermiones (actores F), que tienen un spin semienteros (1/2, 3/2, 5/2, 7/2, …), su función de onda es antisimétrica con respecto a la permutación de las partículas y su comportamiento obedece a la estadística de Fermi-Dirac.

    Si la la temperatura es muy alta, independiente de su naturaleza, todas las partículas se comportarían como partículas clásicas, como canicas. Pero si la temperatura es muy muy baja entonces se pone de manifiesto la diferencia en la simetría de las funciones de onda. Se asimilan los estado cuánticos del sistema como cada uno de los escenarios a diferente nivel, vemos que por una parte no existen restricciones al número de bosones que puede haber en un estado. En el caso de los ferminiones solo puede haber uno en cada estado (escenario) Es lo que se llama el principio de exclusión de Pauli.

    Lo que les ha pasado a los actores B, a medida que se baja la temperatura se empiezan a mostrar los efectos de dispersión cuántica, difracción cuántica, como si la partícula que es una bolita de billar se difuminara en una nube cada vez más ancha (su nube de probabilidad) y se darían efectos de interferencia entre las nubes de las partículas. Hasta aquí se puede explicar con física clásica (Maxwell-Boltzmann) estos efectos. Sin embargo, si se sigue bajando la temperatura todos los bosones colapsan hacia el estado de energía más baja. Esto es lo que se denomina el efecto de condensación Bose-Einstein.

    Se pone como ejemplo de una partícula bosónica el Helio 4 que tiene spin 0. Cuando se le somete a temperaturas muy bajas, llegamos a 2,17 ºK, empezaríamos a ver efectos extraños como la superfluidez del Helio 4 líquido. Esto quiere decir que fluye sin viscosidad, sin rozamiento. Esto significa que un vaso lleno de helio 4 líquido superfluido veríamos como los átomos reptan por las paredes y abandonan el recipiente. Tiene que ver con la condensación de Bose-Einstein. Condensan en un espacio de velocidades, todos se ponen en un efecto cooperativo a hacer lo mismo.

    En el caso de la familia fermiónica, los electrones son fermiones, con spin 1/2, forman parte de los átomos y moléculas. Toda la estructura electrónica sigue la estadística de Fermi-Dirac, independientemente de la temperatura. Los electrones son los responsables de la estabilidad de la molécula. Nosotros somos moléculas y por lo tanto la vida está basada en esa propiedad de los electrones.

    El Helio 3 es un fermión, con spin 1/2 y por lo tanto manifestaría todas las propiedades que hemos visto con los actores F. Cuando la temperatura es muy baja, 1 ºK, veríamos esas permutaciones (de un estado cuántico a otro) con la estadística de Fermi-Dirac. Más abajo de ahí, a 3 mK, veríamos algo increíble, como se puede conseguir que parejas de átomos de Helio 3, unos con spin 1/2 y otros con spin -1/2 se emparejen en una especie de asociación, de molécula rara, que tiene un spin de 0 y entonces esa pareja sería un bosón, un par de Cooper, tendría un efecto de superfluidez y obedecería a una estadística de Bose-Einstein!

    Todos los que han investigado estos efectos de superfluidez (y la propiedad hermana de la superconductividad) han recibido un premio nobel.

    La utilidad de las bajas temperaturas son tremendas. La criogenia tiene aplicaciones en materiales. Lo último que se está investigando es la posibilidad de la supersolidez de Helio 4 sólido a 0,2 K que fluye dentro de sí mismo.

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