Fotón
La luz puede comportarse como una partícula (un
fotón) o una onda, dependiendo del experimento que se esté
observando.
La
luz se comporta como un fotón cuando choca contra objetos
(por ejemplo, un detector), y se comporta como una onda cuando podemos
observar fenómenos de interferencia (en la que dos ondas
se suman o se restan). Ambas cualidades de la luz son bastante opuestas
e irreconciliables, y no se manifiestan simultáneamente.
Este comportamiento de la luz se denomina "dualidad onda-corpúsculo"
y le ocurre no sólo a la energía electromagnética,
sino también a la materia.
Átomos.
Dualidad onda-corpúsculo
En
su explicación más clásica, están compuestos
por un núcleo muy pequeño y duro, formado por protones
(partículas con carga positiva) y neutrones (partículas
sin carga), rodeado por una nube de electrones (partículas
con carga negativa).
Sin
embargo, al igual que la luz, los átomos se comportan a veces
como si fueran una onda, y otras veces como si fueran un cuerpo
duro. Es lo que se denomina la dualidad onda-corpúsculo.
Visualizado
como un cuerpo, el átomo es un objeto prácticamente
vacío. Si hacemos una comparación con un objeto de
nuestro entorno cotidiano con el fin de visualizar intuitivamente
su tamaño, podemos imaginar un campo de fútbol con
un alfiler clavado en el centro. La cabeza del alfiler sería
el núcleo del átomo y los bordes del campo la distancia
a la que está girando la nube de electrones. Dado que la
materia que somos está construida con estos componentes básicos,
podemos decir que nosotros mismos estamos prácticamente vacíos.
Visualizando
el átomo como una onda, podemos decir que su estado puede
describirse mediante una función de onda y su posición
mediante una distribución de probabilidad. Esto nos indica
que nunca tenemos certeza en el conocimiento de la posición
de un átomo, sólo sabemos dónde se encuentra
probablemente. Por otro lado, el conocimiento simultáneo
de la posición y la velocidad de un átomo está
limitado por el Principio de Indeterminación de Heisenberg.
Considerando
el comportamiento ondulatorio de un átomo, como puede describirse
como una onda, podemos asignarle valores a algunos de los parámetros
que definen una onda: la longitud de onda ( )
y la frecuencia de oscilación ( ).
La
longitud de onda ()
es la distancia que hay entre dos picos de una onda y la frecuencia
()
está asociada a la rapidez del movimiento de la onda.
Como
podemos ver en la figura 3, cuanto más corta sea su longitud
de onda, más rápido oscilará un átomo
y mayor será su frecuencia. Y, al contrario, cuando más
larga sea la longitud de onda de un átomo, más lento
se moverá y más pequeña será su frecuencia.
Es de esperar que para temperaturas muy bajas, la velocidad del
átomo será muy muy pequeña y su longitud de
onda sea enorme, prácticamente una línea.
Principio
de Incertidumbre de Heisenberg
Establece
que es imposible conocer "simultáneamente" la velocidad
y la posición de una partícula o un átomo.
Para
poder medir ambas magnitudes en un átomo, tendríamos
que "pararlo", es decir que su velocidad fuera cero. En
ese momento, sabríamos su posición (porque está
parado) y su velocidad (que sería cero). Hacer que un átomo
se pare equivale a conseguir que su temperatura sea 0 Kelvin, y
esto contradice el tercer principio de la termodinámica.
Figura
4
En
la figura anterior se muestran las distribuciones de probabilidad
en tres casos:
(a)
Caso normal: el átomo tiene una cierta velocidad y, por tanto,
una cierta probabilidad del ser encontrado en la zona que se marca
con la flecha horizontal.
(b) Caso de conocer la posición del átomo: La curva
marca un pico allí donde está localizado el átomo,
aunque la velocidad es desconocida.
(c) Caso de conocer la velocidad del átomo: La curva muestra
que no es posible determinar ninguna zona pequeña donde localizar
el átomo. Éste estará en cualquier lugar con
posibilidades parecidas.
Tercer
principio de la termodinámica. Temperatura.
La
termodinámica es a la física lo que los jueces a nuestro
mundo cotidiano: establece las leyes que han de cumplirse sin excepciones.
Existen
tres principios termodinámicos que ningún proceso
físico, sea del campo que sea, puede romper. El tercer principio
establece que no es posible llegar al cero absoluto de temperaturas.
La temperatura cero kelvin es inalcanzable puesto que las dificultades
técnicas nos impiden llegar.
La
temperatura es una medida del movimiento de los átomos que
componen un sistema. En un sólido, los átomos vibran
adelante y atrás, en un gas los átomos vuelan alrededor
como pequeñas bolas. Todo vibra constantemente.
Para
medir la temperatura en física se utiliza la "Escala
Absoluta" también llamada "Escala Kelvin (K)".
La definición de esta escala está relacionada con
el movimiento de los átomos pues a 0 K todos los átomos
se encuentran a velocidad cero, parados.
Existen
otras escalas de temperatura, como Fahrenheit o Celsius (centígrada),
cuyas definiciones están basadas en otro tipo de eventos
de la naturaleza. Por ejemplo, la escala Celsius, que es la más
usada en Europa, está relacionada con la solidificación
del agua, ya que a 0ºC el agua líquida se convierte
en hielo. Es una escala más útil para los procesos
físicos que vivimos cada día.
En
esta figura podemos ver cómo se corresponden diferentes temperaturas
conocidas según las escalas Kelvin y Celsius. La temperatura
más baja natural en el universo son 3 K, que es la llamada
radiación de fondo. Esta radiación uniforme y de baja
energía se encuentra presente en cualquier dirección
del universo. Es detectable por sensores en radiofrecuencia y es
la evidencia más fuerte que tenemos de que el Big Bang realmente
ocurrió.
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