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     4 nociones básicas de física cuántica

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    doblenombre
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    doblenombre

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    MensajeTema: 4 nociones básicas de física cuántica   4 nociones básicas de física cuántica Icon_minitimeLun Jul 10 2017, 15:01

    El estudio de la mecánica cuántica se origina a los primeros años de 1900 pero actualmente es uno de los temas mas relevantes de la ciencia moderna. He estado leyendo sobre este tema y me dejó pensando. Decidí escribir sobre esto como un divulgador ajeno a esta ciencia, un curioso observador sorprendido; y lo hago porque veo con claridad que los principios fundamentales de ésta materia corren en dirección contraria a lo que tú y yo conocemos en base a nuestra experiencia cotidiana. Y entiendo que cuando los científicos sean capaces de manipular las conductas cuánticas que voy a comentar, se desarrollarán innovaciones complejas y extraordinarias, que hoy no podemos ni imaginar.




    La mecánica cuántica trata de la conducta de objetos “sub-atómicos” que, evidentemente, son tan pequeños que no podemos percibir con la vista, el tacto, ni el oído. Un electrón y sus movimientos sólo pueden ser entedidos como abstracciones matemáticas. La palabra Cuántico viene deQuantum” que es el nombre que utilizó el físico Max Planck en 1900 para denominar un paquete de energía, siendo “Quanta” el plural. El “Quantum” de energía fué una aproximación disruptiva en su época, porque contradecía la idea de que la energía se emite o absorbe de una forma contínua, como un flujo de agua. A nivel microscópico, la energía se transmite en forma discontínua, de paquete en paquete. Es más, la física cuántica revela que un electrón en un átomo puede estar en un sitio, y después (o simultánemente) reaparecer en otro sitio diferente mediante la emisión o absorción de un “Quantum” o unidad de energía cuántica. Esa es una de las conductas cuánticas que voy a comentar, se llama la Superposición Cuántica. Las otras tres que comentaré son el Entrelazamiento Cuántico o Entanglement,  los Multiversos Cuánticosy el Tunneling Cuántico.
    1. Superposición Cuántica
    Una cosa puede ser otra cosa o cientos de cosas, al mismo tiempo. En circunstancias normales un solo objeto está en una única posición. Pero a nivel cuántico, se han creado estados de la materia en que los objetos pueden encontrase en dos o en miles de posiciones a la vez. Los primeros de esos objetos recibieron el nombre de Condensados de Bose-Einstein (BEC), que es un estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a bajísimas temperaturas. Son funciones de onda individuales, lo que significa que son partículas individuales pero a pesar de ser individuales la función de onda tienen múltiples posiciones. Si lo observas verás dos cosas, pero es una sola. Es una sola partícula indivisible e inseparable.

    En la vida real un cosa puede “estar” una vez (o muchas) o no estar. En cambio, en el mundo cuántico una cosa puede estar y no estar, y puede ser varias cosas a la vez. O una cosa puede vibrar y no vibrar en el mismo momento. Es un concepto increíble.
    >Experimento real:
    El físico Aaron O’Connell de la Universidad de California creó una “máquina cuántica” para demostrar la Superposición Cuántica, mira el video aquí abajo. Una de las frases que me parecen más interesantes dice:
    Citación :
    “Valió la pena encerrarme en una habitación limpia para hacer esto durante todos esos años. Porque, observen esto, la diferencia en escala entre un solo átomo y ese pedacito de metal (del experimento) es más o menos la misma que la diferencia entre ese pedacito de metal y ustedes. Por lo tanto si un solo átomo puede estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo, y ese pedazo de metal puede estar en dos lugares diferentes, ¿Por qué no ustedes también?Digo, es mi parte lógica la que habla. Por lo tanto imagínense si estuvieran en varios lugares al mismo tiempo, ¿Cómo sería eso? ¿Cómo actuaría tu consciencia si tu cuerpo estuviera deslocalizado en el espacio?”

    Aaron O’Connell Dándo sentido a un objeto cuántico visible, video sobre Superposición Cuántica en TED Conference (subtitulado en español):
    2. Entrelazamiento Cuántico o Entanglement
    Es cuando dos objetos cuánticos, protones por ejemplo, se mantienen en fuerte relación directa entre si e interactúan, aún si están a gran distacia.
    El entrelazamiento destruye muestra experiencia del espacio. El espacio sería solo el concepto gracias al cual tenemos la impresión de que hay objetos separados. Supongamos que dos electrones creados a la vez están entrelazados, y envías a uno a la otra punta del universo. Si haces alguna transformación sobre uno de ellos, el otro reaccionará al instante.





    Otro ejemplo si lo que tienes son dos partículas entrelazadas, una de color blanco y otra de color rojo, si después de enviar una la otra punta del universo pintas la blanca a color rojo, la otra cambiará a color blanco en forma instantánea; y viceversa. Esto significa que o la información viaja a una velocidad infinita o que en realidad ambos continúan conectados en la distancia. Y según los científicos, como todo estaba entrelazado cuando se produjo el Big Bang toda la materia existente se mantiene en contacto.
    >Experimento real:
    Leo Kouwenhoven físico y profesor en la Universidad de Tecnología de Delft de transporte cuántico explica en este video sus experimentos sobre el fenómeno de Entrelazamiento Cuántico o Entanglement en un evento TEDx Talks en Delft (en inglés):
    El Entanglement y la Biología Cuántica
    Parece que las aves migratorias que cruzan países y continentes volando de polo a polo en sus rutas migratorias, podrían tener relación con la física cuántica. Podrían guiarse a través de los colores de la luz, y que basta con una débil señal de radiofrecuencia para confundir su sentido de dirección. Hay científicos que lo explican por el efecto de entrelazamiento cuántico. Los experimentos sugieren que este fenómeno ocurre dentro de las moléculas individuales de los ojos de las aves. Los pájaros actúan como un sistema y podrían tener una especie de pantalla de visualización frontal, parecida a la que tienen los pilotos, que forma una imagen del campo magnético impresa sobre todo lo que ven a su alrededor.
    El Entanglement y los “Agujeros de Gusasno”
    Según investigadores de la Universidad de Washington y Universidad Stony Brook de New York el Entanglement está directamente relacionado con los Agujeros de Gusasno que permitirían atravesar el espacio-tiempo de un punto a otro del universo, a una velocidas mucho más alta que la de la luz. En física se conoce como puente de Einstein-Rosen y ha sido descrito por las ecuaciones de la relatividad general. Esto es de ciencia ficción y Einsten en 1936 afirmó que era una “acción fantasmal a distancia”.
    3. Los Multiversos Cuánticos, Meta-universos o Metaversos
    Una interprestación de mecánica cuántica, iniciada en 1950 por el físico estadounidense Hugh Everett, afirma que nuestro universo no es único, existen universos paralelos idénticos, pero en algunos casos podrían estar en diferentes estados. Nuestro universo estaría embebido en una estructura infinitamente más grande y más complejo llamado multiverso, que puede considerarse como una masa constante multiplicación de universos paralelos. Cada vez que se produce un evento a nivel cuántico -una partícula de luz que incide en la retina, por ejemplo- el universo se “divide” en diferentes universos.

    Video de un programa de la BBC sobre universos paralelos (en español):


    4. Tunneling Cuántico
    El Tunneling es el proceso de mecánica cuántica mediante el cual una partícula puede penetrar en una zona clásicamente imposible en el espacio, por ejemplo, viajando entre dos puntos separados A y B, sin pasar a través de ningún punto intermedio e invirtiendo sus polos magnéticos sin coste energético alguno.

    Si tu quisieras hacer que una gran roca pase de un lado a otro de una montaña, tendrás que subirla por la ladera hasta la cima y después deslizarla hacia abajo por la otra ladera. Pero a nivel cuántico y en ciertas condiciones, una nanopartícula puede crear un atajo en forma de túnel atravezando la montaña por el medio. Con temor a estar diciendo una barbaridad, esto me recuerda a la ósmosis (difusión de un líquido a través de una membrana semipermeable) o a la luz que puede atravesar en línea recta a través de una montaña de cristal transparente.
    La pregunta del millón: ¿Una persona o nave podrá viajar a través del tiempo y espacio utilizando el tunneling cuántico? Los científicos hoy dicen que no. Que no es posible transportar materia, sólo información o materiales exóticos. Que no es poco.
    >Experimento real:
    En el video de aquí abajo el ingeniero mecánico noruego Ivar Giaever, explica el fenómeno tunneling en sólidos. Pone un ejemplo de lanzar una bola de tenis contra la pared que, lógicamente, no penetra. La pared opone resistencia y la rechaza. Pero él inventó un aparato para demostrar cómo funciona el tunneling que le valió ganar el Premio Novel de Física en 1973, centrándos en cómo un electrón algunas veces salta a través del espacio vacío entre dos metales.
    Video de Ivar Giaever sobre Tunneling Cuántico


    5. Algunas aplicaciones concretas de éstos fenómenos físicos
    Actualmente, la tecnología cuántica es parte de nuestra vida cotidiana porque es utilizado en muchos sectores, por ejemplo:

    •  Cosmología: La exploración y conocimiento del Universo, su evolución, formación y vida de las estrellas, se basa en conocimientos de física cuántica.

    • Semiconductores y superconductores: La comunicación mediante satélites y teléfonos móviles, ordenadores y los lectores de discos y de códigos de barras utilizan circuitos integrados o chips que están formados por transistores, dispositivos hechos con “semiconductores”. Estos pueden ser o no ser conductores de la electricidad, de aucerdo con cómo los pongamos en operación. Es una propiedad es de naturaleza cuántica.

    • La tecnología MRI (imágenes por resonancia magnética) permite examinar casi todos los tipos de tejidos del cuerpo humano sin necesidad alguna de cirugía, mostrando imágenes del interior. Como el cuerpo humano está constituido por una gran cantidad de agua y los núcleos de hidrógeno son eficientes imanes cuánticos.

    • Microscopio cuántico: es un microscopio que se basa en el fenómeno Tunneling, de ultra alto vacío a baja temperatura y se utiliza para caracterización y manipulación de nanoestructuras, por ejemplo.

    • Tecnología láser

    • Alta tecnología genética y manipulación de ADN


     
    6. Algunos ejemplos de aplicaciones de física cuántica en desarrollo

    – Información Cuántica:
    Vlatko Vedral, físico de la Universidad de Oxford, dice que el universo no estaría compuesto por fragmentos de materia o energía, sino por información. Mira este video de Eduard Punset:
    Eduard Punset entrevista a Vlatko Vedral, físico de la Universidad de Oxford. Redes 94: La incertidumbre del universo cuántico – física cuántica (video en español):


    La diferencia entre información clásica e información cuántica es importante. Un ordenador tradicional de 1 Bit puede terner sólo uno de dos valores posibles (0 ó 1). En cambio un Bit cuántico (Qubit), de un ordenador cuántico, puede tener los dos de los valores posibles, ser un 0 y un 1 simultáneamente (por Superposición Cuántica). Un conjunto de 2 Bits puede estar en 4 estados distintos (00 y 11, 01 y 10), 3 Bits pueden estar en 8 estados diferentes, uno de 4 Bits en 16, etc. Con tan sólo 64 Bits el número de estados posibles es de trillones. Mientras un ordenador tradicional registra estos estados uno a uno, un ordenador cuántico podría procesarlos todos simultáneamente.
    Esto hace que la capacidad de almacenamiento tome valores extraordinarios permitiendo, incluso, una impresionante miñaturización.
    – Criptografía Cuántica: se basa en mensajes entrelazados (Entangelment) y entre sus ventajas destacan:

    • Un estado cuántico no puede ser copiado (ni espiado)

    • Cualquier intento de información sobre un sistema cuántico lleva aparejado una cierta modificación del mismo (se altera).

    • Las medidas cuánticas son irreversibles. Después de realizar una medida el sistema colapsa y dejas trazas.

    • Criptografía de clave aleatoria privada, la criptografía clásica es de clave pública


    El físico español Juan Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Munich está trabajando en haz de láser del que salen fotones entrelazados de dos en dos. Cada uno de estos dos fotones va, a través de fibra óptica, en dirección al receptor del mensaje que utiliza un detector. Cuando los dos fotones lleguen a sus destinos, si el emisor realizo algo sobre su fotón, el receptor se enterará, aunque entre ellos no haya un vínculo conocido. Nadie podrá intervenir en la comunicación porque los fotones se percatarían inmediatamente y se autodestruirían. Es decir, siguiendo la mecánica cuántica su estado de entrelazamiento se destruiría al ser observados. Lo cuenta en La mecánica cuántica permitiría hacer la declaración de la renta en un segundo.
    – Ordenador Cuántico: uno de los mayores objetivos de esta tecnología es desarrollar inteligencia artificial y resolver rápidamente problemas muy complejos. La Empresa canadience D-Wave, con participación de la NASA, Google y la agencia de inteligencia de Estados Unidos están trabajando en el primer ordenador cuántico.
    Laboratorio de Inteligencia Artificial de Google y NASA (video en inglés)


    – Piel artificial basada en Tunneling Cuántico
    La empresa Peratech del Reino Unido está trabajando en el desarrollo de nueva tecnología de detección de presión para el fabricante de pantallas táctiles Nissha y también la va a utilizar para hacer “piel” artificial para el Media Lab del MIT. Cuando el material se presiona activa unos electrones para que crucen dos conductores separados por una capa aislante de polímero recubierto con nanopartículas metálicas. Con este material un robot podrá saber dónde exactamente ha tocado y la cantidad de presión que ha ejercido. Pretenden que  también sirva para que las máquinas puedan interactuar con los humanos de una forma mas natural.


    Fuente: https://eduardopaz.com/4-nociones-de-fisica-cuantica/


    Eres lo que piensas. Vives como eres. 
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