HISTORIA DEL ÁTOMO. 11 – EL CONGRESO DE SOLVAY Y LA INTERPRETACION DE COPENHAGUE.

by Encke

En el otoño de 1927, llenos de confianza para una lucha, supieron que estaban finalmente listos para enfrentarse a los conservadores. Para tener esta confrontación, eligieron la Conferencia Solvay en Bruselas. Todos los principales físicos atómicos del mundo iban a asistir. Si Bohr y Heisenberg tenían éxito, conseguirían una Revolución Científica.

Entre los participantes estaban Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Pauli, Einstein, etc. En la semana que duró la conferencia, todos los congresistas pudieron pensar y hablar acerca de la Mecánica Cuántica de Bohr. El Principio de Incertidumbre fue uno de los temas principales de la discusión y realmente se trataba de una teoría formidable. Y durante la semana, se produjo el último enfrentamiento entre Bohr y su súper rival, Albert Einstein.

Einstein odiaba la Mecánica Cuántica. Cada mañana exponía a Bohr un argumento en contra y sentía que había creado un agujero en la nueva teoría. Bohr se iba lejos, muy trastornado, y pensaba en ello, luego volvía con un contra argumento que desmantelaba la crítica de Einstein. Esto sucedió día tras día hasta el final de la conferencia. Bohr había superado todas las críticas de Einstein y se consideraba victorioso.

La anécdota más famosa que ha quedado de esta conferencia fue la protagonizada por Albert Einstein y Niels Bohr cuando discutían acerca del Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Einstein comentó "Dios no juega a los dados", a lo que Bohr le contestó "Einstein, deje de decirle a Dios lo que debe hacer con sus dados".

Su visión del átomo, que pasó a ser conocida como Interpretación de Copenhague, se convirtió de repente en la base de la Física Atómica. Al final de la conferencia, todos se reunieron para la foto del equipo. Nunca antes se había visto tantos grandes nombres de la física juntos en un solo lugar. En la parte delantera, el anciano estadista de la física, Hendrik Lorentz, flanqueado en ambos lados por Madame Curie y Albert Einstein. Einstein abatido porque había perdido la batalla. Louis de Broglie tampoco había podido convencer a los congresistas. La victoria era de Niels Bohr. Sentía una gran satisfacción consigo mismo. Junto a él, uno de los héroes olvidados de la Mecánica Cuántica, el alemán Max Born, que colaboró en el desarrollo matemático. Y detrás de ellos, los dos jóvenes discípulos de Bohr, Heisenberg y Pauli.

Este fue el momento cuando todo cambió en la Física. La vieja guardia fue sustituida por la nueva. El azar y la probabilidad se entrelazaron en el tejido de la propia naturaleza y ya no se podían describir los átomos con simples imágenes sino solo con matemáticas abstractas. La visión de Copenhague había salido victoriosa.

Aunque Albert Einstein se fue a la tumba sin creer en la Mecánica Cuántica, el Congreso de Solvay de 1927 fue el punto de inflexión y el resto de la ciencia abrazó la Interpretación de Copenhague. Y la interpretación sigue siendo aceptada hoy en día.

Toda la física que se usa en la investigación del mundo microscópico y la Mecánica Cuántica que se enseña a los estudiantes se basa en las ideas que se forjaron y cristalizaron en el Congreso de Solvay, en octubre de 1927. En cierto sentido, todo lo que se sabe acerca de la forma en que el mundo que nos rodea está formado, comenzó aquí.

La descripción del átomo basada en la Mecánica Cuántica es una de las glorias de la creatividad humana. Durante los últimos 80 años, se ha demostrado, una y otra vez y su autoridad nunca se ha puesto en duda. Es un logro científico monumental.

Entre 1905 y 1927, la Ciencia cambió nuestro punto de vista del mundo. También ha cambiado nuestro punto de vista de la Ciencia en sí misma. Los científicos investigaron los más pequeños bloques que constituyen la materia y crearon la teoría más famosa y poderosa, la Mecánica Cuántica. Nos permite describir de que esta hecho todo lo que hay en el Universo, la forma en que interactúa y cómo encaja todo. Pero a un gran precio. En su nivel más fundamental, tenemos que aceptar que la naturaleza está gobernada por el azar y la probabilidad. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg dicta que hay ciertas limitaciones en el tipo de preguntas que podemos hacer al mundo atómico. Y lo más importante, mientras no sepamos más acerca del átomo y su comportamiento, tenemos que renunciar a cualquier posibilidad de imaginar lo que parece.

Nuestra naturaleza humana nos ha obligado a cuestionar todo lo que vemos a nuestro alrededor. Lo que hemos descubierto ha ido más allá de nuestra imaginación salvaje.

Continuará...

Mas info: http://es.wikipedia.org/wiki/Congreso_Solvay

http://es.wikipedia.org/wiki/Interpretaci%C3%B3n_de_Copenhague

Para los interesados en identificar a cada participante:

‎1.Peter Debye
2.Irving Langmuir
3.Martin Knudsen
4.Auguste Piccard
5.Max Planck
6.William Lawrence Bragg
7.Émile Henriot
8.Paul Ehrenfest
9.Marie Curie
10.Hendrik Anthony Kramers
11.Edouard Herzen
12.Hendrik Antoon Lorentz
13.Théophile de Donder
14.Paul Adrien Maurice Dirac
15.Albert Einstein
16.Erwin Schrödinger
17.Arthur Holly Compton
18.Jules-Émile Verschaffelt
19.Paul Langevin
20.Louis-Victor de Broglie
21.Charles-Eugène Guye
22.Wolfgang Pauli
23.Werner Heisenberg
24.Max Born
25.Charles Thomson Rees Wilson
26.Ralph Howard Fowler
27.Léon Brillouin
28.Niels Bohr
29.Owen Willans Richardson

Un video ilustrativo sobre el 5º Congreso Solvay:

Otro con una interesante valoracion sobre Solvay de Antonio Fernandez-Rañada, Catedratico de Fisica de la Universidad Complutense de Madrid:

HISTORIA DEL ÁTOMO. 10 – PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG

by Encke

Schrödinger expone su conferencia sobre la nueva mecánica de onda hay mucho público de pie debido a la gran audiencia. Escribe su nueva ecuación de onda. Para Schrödinger, describe una imagen física y real del átomo con los electrones como ondas que rodean el núcleo atómico.

Un Werner Heisenberg de 24 años de edad está en la audiencia. Apenas se puede contener. Al final de la conferencia se levanta y pronuncia un monologo atacando el enfoque de Schrödinger. Para Heisenberg es imposible tener una imagen de lo que realmente es el átomo. El público está del lado de Schrödinger. Prefieren más la simple interpretación física que la abstracta y complicada matemáticas de Heisenberg. Heisenberg es abucheado y el público le dice que se siente y se calle. Deja la conferencia triste y deprimido.

Heisenberg regresó a Copenhague con su confianza gravemente mermada. Allí en el instituto, él y Bohr pasaron sus momentos más oscuros. Casi toda la comunidad científica estaba en contra de ellos. Se sintieron aislados y desesperados. A pesar de ello, se negaron obstinadamente a renunciar a su polémica teoría.

Bohr visitaría noche tras noche la sala de estudio de Heisenberg y debatían acerca del significado de la mecánica cuántica. Debatían de una manera tan apasionada, que en una ocasión Heisenberg se deshizo en lágrimas. Y entonces, cuando Heisenberg, en su desesperación, miraba a través de la ventana de su ático hacia el parque de abajo, tuvo un extraordinario pensamiento.

Comprendió porque el átomo no puede ser visualizado y porque no puede ser entendido intuitivamente. No es solo porque sea diminuto, complicado y difícil. Es porque es intrínsecamente incognoscible. Se dio cuenta de que existía un límite fundamental en la capacidad de comprensión del mundo subatómico.

Por ejemplo, si sabemos dónde se encuentra un electrón en un momento determinado, entonces no podemos conocer su velocidad de desplazamiento. Pero si sabemos su velocidad, no podemos conocer su posición. Esta ambigüedad no es un defecto de la teoría en sí misma. Tampoco es debido a la torpeza de la forma de llevar a cabo las mediciones, se trata de una verdad fundamental acerca de la forma en que la naturaleza se comporta a escala subatómica. Y se conoció como el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, y es probablemente el concepto más profundo, increíble e inquietante de toda la Ciencia.

Lo que Heisenberg descubrió al utilizar la Mecánica Matricial fue una característica profunda y chocante del mundo atómico. Los átomos son deliberadamente crípticos. Nunca podremos conocer simultáneamente la posición y la velocidad de un átomo. El mundo atómico se niega a permitir que eso suceda. Es completamente alucinante. Sin embargo, ellos lo aceptaron.

Ahora, Heisenberg y Bohr tenían la confianza necesaria para ser aún más audaces. Se dieron cuenta de que el Principio de Incertidumbre les forzaba a poner una paradoja en el corazón del átomo.

Los átomos no son simplemente inimaginables. Son contradictorios en su propia naturaleza. Se comportan como partículas y ondas. Y esto es muy extraño. Cuando no se observa un átomo, este se comporta como una onda. Pero cuando es observado para determinar su posición, se comporta como una partícula. Esto es una locura. Los átomos no pueden ser observados del todo ya que cambian su comportamiento dependiendo de si están siendo observados o no.

El principio de incertidumbre lo habia cambiado todo. Desveló la existencia de una chocante contradicción en el corazón de la Naturaleza. Todo lo que vemos está hecho de átomos. Y, sin embargo, los propios átomos son incognoscibles. Sólo pueden ser entendidos a través de las matemáticas. Por primera vez para Bohr y Heisenberg el átomo estaba en su lugar.

Continuará...

Mas info: http://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%B3n_de_indeterminaci%C3%B3n_de_Heisenberg

Un video explicativo:

HISTORIA DEL ÁTOMO. 9 – WERNER HEISENBERG

by Encke

Werner Heisenberg, uno de los verdaderos genios del siglo XX. Joven, atlético, gran escalador, excelente pianista y también un estudiante excepcional. A la edad de tan solo 20 años, terminó su doctorado y fue cortejado por las grandes universidades de toda Europa.

En el verano de 1925, sufrió un ataque de fiebre del heno. Su cara estaba hinchada de forma que casi no se le podía reconocer. Y decidió escapar solo, a la hermosa pero aislada isla de Helgoland. Caminó a lo largo de las playas, nadó, escaló las rocas y reflexionó.

Desde que se dedicó a la física atómica, Heisenberg sintió en sus huesos que todos los intentos por visualizar el átomo, utilizando imágenes familiares, acabarían fracasando. A su juicio, el átomo era demasiado caprichoso, demasiado extraño para poder ser explicado de forma simplista. Así que decidió abandonar todas sus imágenes y describirlo utilizando únicamente las matemáticas. Pero como suponía, se dio cuenta de que el átomo no solo desafiaba la visualización, también desafiaba las matemáticas tradicionales.

Ocurrió que, mientras estaba Helgoland, Heisenberg tuvo una revelación increíble. Se dio cuenta de que, con el fin de describir ciertas propiedades de los átomos, tenía que usar un nuevo tipo extraño de matemáticas. Parecía que ciertas propiedades como la posición del electrón en un determinado momento y su velocidad, no cumplían la propiedad conmutativa de la multiplicación.

Dicho de otra manera. Si multiplicamos dos números, no importa el orden en que lo hagamos. Por lo tanto, tres por cuatro es claramente lo mismo que cuatro por tres. Pero cuando se trata de átomos es diferente. Heisenberg se dio cuenta de que el orden en el que las cantidades son multiplicadas influye en el resultado. Esto le llevó rápidamente a otros descubrimientos y estaba convencido de que había desvelado el código en el átomo y la matemática oculta dentro de él.

Estaba entusiasmado y también muy asustado. Esa misma noche, escaló hasta la cima de una roca y se sentó allí esperando hasta la madrugada. La llamo su “Noche de Helgoland”.

De vuelta en la Universidad de Goettingen, le contó a su colega Max Born lo que había descubierto y se pusieron a trabajar intensamente durante varios meses en el desarrollo de toda una nueva teoría del átomo. Una teoría que hoy llamamos Mecánica Matricial.

La Mecánica Matricial usa conjuntos complejos de números, como una hoja de cálculo. Mediante la manipulación de estos conjuntos, Heisenberg y su mentor, el brillante físico Max Born, consiguieron predecir con precisión el comportamiento del átomo. Sin embargo, para Einstein y los tradicionalistas, esto era pura herejía científica. Un átomo no puede ser realmente una matriz de números. Sin duda, estamos hechos de átomos, no de números.

De vuelta en Copenhague, Bohr y Pauli estaban encantados con la Mecánica Matricial. Entonces, ¿qué pasa si no podemos imaginar el átomo como un objeto físico? Ellos exaltaron la pureza de las matemáticas y lanzaron ataques despiadados contra las vulgares y sensuales ondas de Schrödinger.

Heisenberg escribió, “Cuanto más reflexiono sobre la parte física de la ecuación de Schrödinger, más repugnante me parece. De hecho, es una sandez”. Pero Schrödinger era tan mordaz como Heisenberg, y dijo que le repugnaban sus métodos y encontraba sus matemáticas escandalosa.

En Munich en 1926, su enemistad comenzó a llegar al punto de ebullición. Schrödinger fue a dar una conferencia sobre su ecuación de onda. Heisenberg, reunió el dinero para viajar a Munich y asistir a la conferencia. Para finalmente verse cara a cara con su rival.

Lo que estaba en juego era más que sólo la reputación de Heisenberg. A su juicio el enfoque simplista de Schrödinger no solo estaba equivocado, sino que era totalmente erróneo. Y su intención era nada menos que destruir la teoría de Schrödinger.

Continuará...

Mas info: http://es.wikipedia.org/wiki/Werner_Heisenberg

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_matricial

HISTORIA DEL ÁTOMO. 8 – LA FUNCION DE ONDA DE SCHRÖDINGER

by Encke

Hasta este momento, los debates acerca de la nueva física atómica habían sido corteses y caballerosos. Ahora las dos partes desempolvaban sus mejores armas.

Dos de los más grandes nombres de la física que tenían caracteres opuestos. Por la nueva ciencia revolucionaria estaba un alemán estirado y competitivo llamado Werner Heisenberg. Por los conservadores estaba un elegante austriaco llamado Erwin Schrödinger.

Erwin Schrödinger era apasionado, poético, filósofo y romántico. Escribió libros sobre la filosofía y la religión de los antiguos griegos, y estaba influenciado por el hinduismo. También tenía un carácter muy extravagante, fresco, suave, sofisticado, una manera de vestir impecable y un gran éxito con las damas.

La promiscuidad de Schrödinger era legendaria. Tuvo bastantes amantes en su vida conyugal, algunas mucho más jóvenes que él.

En 1925, cuando Schrödinger tenía 38 años estuvo en la estación alpina de Arosa en Suiza manteniendo una relación secreta con una antigua novia cuya identidad sigue siendo un misterio a día de hoy. Sin embargo, su pasión demostró ser el catalizador del genio creativo de Schrödinger.

Otro físico comento acerca de sus semanas de física inspiradas en la sexualidad, que “Tenía dos tareas durante la semana. Satisfacer a una mujer y resolver el enigma del átomo. Afortunadamente, estaba preparado para ambas cosas”.

Tomó la idea de De Broglie acerca de la misteriosa onda piloto que transportaba los electrones alrededor del átomo y la llevó un paso más allá. Sostuvo que el electrón en realidad era una onda de energía que vibraba tan rápido que parecía una nube alrededor del átomo. Una onda de pura energía con forma de nube. Lo que es más, elaboró una nueva y poderosa ecuación que describía completamente esa onda y el conjunto del átomo en términos de la física tradicional.

Esta ecuación se llama, hoy en día, la Ecuación de onda de Schrödinger. Es increíblemente poderosa. Y su característica principal es que muestra una nueva cantidad llamada la función de onda que según Schrödinger describe completamente el comportamiento del mundo subatómico.

La ecuación de Schrödinger y la imagen del átomo que describía, creada durante unas vacaciones cargadas de sexualidad en los Alpes suizos, permitió una vez más que los científicos pudieran imaginar el átomo en términos simples. Es difícil estimar el alivio que la idea de Schrödinger produjo en la comunidad de la física tradicional. Aunque extraña, su imagen del átomo era, al menos, una imagen y los científicos aman las imágenes. Ellos le permitieron el uso de su intuición.

Pero todavía quedaba un fastidioso problema, uno que los radicales creyeron que Schrödinger no podría resolver. Su nueva teoría todavía no podía explicar los extraños saltos cuánticos instantáneos de Bohr. Llegó el momento de que los radicales golpearan de nuevo.

En el verano de ese mismo año, un protegido de Niels Bohr, Werner Heisenberg, viajaba a una oscura isla frente a la costa norte de Alemania. Era ferozmente competitivo y tomó las ideas de Schrödinger como una afrenta personal.

El creyó firmemente que la rareza de los saltos cuánticos instantáneos eran realmente la clave para la comprensión del átomo. Pensaba que el átomo era tan único e inusual, que no debería ser descrito, usando una simple analogía, como una onda o una órbita, o incluso como un edificio de varios pisos. A su juicio, había llegado el momento de abandonar cualquier imagen del átomo.

Continuará...

Mas info: http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Schr%C3%B6dinger

HISTORIA DEL ÁTOMO. 7 – PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI

by Encke

En 1924, desafiando la tradicional explicación del átomo propuesta por Einstein y De Broglie, los radicales revelaron una nueva teoría, basada en los saltos cuánticos de Bohr. Y esta era aún más ambiciosa y controvertida.

En principio, fue desarrollada por Wolfgang Pauli, una de las brillantes estrellas de Bohr. Pauli partió de la idea extraña de los saltos cuánticos de Bohr y la convirtió en uno de los conceptos más importantes de toda la Ciencia. Y esto no se dice a la ligera. La idea de Pauli tiene el aburrido nombre de “Principio de Exclusión”. Pero quizás un nombre mejor sería “el secreto de Dios mejor guardado” porque explica la gran variedad de la creación.

La idea de Pauli trataba de responder lo siguiente. Cada átomo está compuesto de los mismos componentes. Entonces, ¿por qué aparecen en tantas formas diferentes? En una variedad tan rica de colores, texturas y propiedades químicas. Por ejemplo, oro y mercurio. Dos elementos muy diferentes. El oro es sólido y el mercurio es líquido. El oro es inerte y el mercurio es altamente tóxico. Y, sin embargo, difieren en un solo electrón. El oro tiene 79 y el mercurio 80. Entonces, ¿cómo puede un único electrón ser el causante de esta gran diferencia?

Lo que hizo Pauli fue extraer de la nada otra regla cuántica. ¿Recuerdan el átomo de Bohr como un edificio de varios pisos? Con el núcleo que es la planta baja y los electrones ocupando progresivamente los pisos superiores. Pauli dijo que existe otro regla cuántica que establece que cada piso solo puede acomodar a un número fijo de electrones. Por lo tanto, si se quiere añadir otro electrón al átomo, este tiene que buscar un lugar vacante en el piso superior. Y si este piso está lleno, se creara otro piso por encima de este para que lo ocupe el nuevo electrón.

De este modo, un único electrón puede cambiar radicalmente la forma del átomo y esto, a su vez, afectara al comportamiento del mismo átomo y a la forma en que este encaja con otros átomos.

Por lo tanto, el principio de Pauli es realmente la base de la totalidad de la química y, en última instancia, de la biología. El principio de exclusión de Pauli fue un gran avance en la Mecánica Cuántica de Bohr. Por primera vez, parecía haber una explicación real de la existencia de la increíble variedad que hay en el mundo que nos rodea y de la vida misma.

Su éxito produjo un gran agujero en la defensa de Einstein por la antigua física. Y, al igual que el salto cuántico, fue una de las reglas del extraño libro de la física atómica. Pauli no explico por qué su principio funcionaba. Se limitó a decir que funcionaba. Einstein y los tradicionalistas lo odiaban. Para ellos, esto sonaba como arrogante y sin sentido científico. Pero, necesitaban devolver el golpe, y duramente.

Continuará...

Mas info: http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Un par de videos explicando el nivel de llenado de los orbitales atómicos y la configuración electrónica de un átomo, que se derivan del Principio de Exclusión:

HISTORIA DEL ÁTOMO. 6 – LOUIS DE BROGLIE Y LA DUALIDAD ONDA-CORPUSCULO

by Encke

El extraño átomo de Bohr y sus locos saltos cuánticos suponía un disparo a la línea de flotación de la Ciencia clásica y tradicional, y la vieja escuela reaccionó airadamente.

El líder de los tradicionalistas era el gigante de la física mundial, Albert Einstein. El odiaba las ideas de Bohr y se disponía a luchar contra ellas. Cualquier cosa para salvar al orden del mundo y el sentido común de este asalto de locura.

Sin embargo, Bohr no se dejó intimidar y la década de 1920 comenzó con las líneas de batalla de uno de los mayores conflictos de la Ciencia, bien definidas. Einstein paso la mayor parte de los primeros años de la década de 1920 argumentando en contra de Niels Bohr, con desigual éxito. Su condición de celebridad le proporcionó credibilidad, así que cuando dijo que las detestables ideas, como el salto cuántico, parecían sacadas de la nada, la gente le escuchó.

Entonces, en 1925, una carta apareció en su escritorio que resultó ser mana procedente del cielo de la física. Al fin una idea que describía el mundo atómico y que estaba basada en los principios de la ciencia tradicional. Einstein estaba frenético. Y se lo comunicó a sus amigos. Finalmente un velo se había levantado sobre el funcionamiento del Universo. La carta llegó con la tesis doctoral de un joven francés. Y se trataba de una historia extraordinaria.

Durante la Primera Guerra Mundial, un joven estudiante francés, pasó su tiempo en la parte superior de la Torre Eiffel como operador de radio. Su nombre era Louis de Broglie. Procedía de la aristocracia francesa pero se dedicó a la física. Era tan rico que construyó su propio laboratorio a las afueras de los Campos Elíseos.

Después de la guerra, De Broglie fue atrapado por los misterios y controversias que rodeaban al átomo. Y, entonces, su experiencia como operador de radio en tiempos de guerra le proporcionó una idea intrigante. Tal vez las ondas de radio podrían explicar la naturaleza del átomo.

Aunque invisibles, se comportan de forma parecida a las olas en el agua. Al igual que la difusión de las ondas a través de un estanque, las ondas de radio obedecían ecuaciones matemáticas fiables y bien entendidas desde décadas anteriores. Por lo tanto, para su tesis doctoral, De Broglie imaginó una especie de ondas de radio que empujaba al electrón alrededor del átomo. El la llamo una “onda piloto”. Esta onda piloto también retendría fuertemente a los electrones en su órbita, anulando el colapso del átomo. No había saltos cuánticos instantáneos, solo aparecían las familiares ondas.

Era palpable el alivio sentido por los tradicionalistas. “¡El átomo está compuesto por ondas!”, gritaron, “y entendemos lo que son las ondas”. Einstein y los tradicionalistas sintieron que la victoria estaba a su alcance. Creían que tenían acorralado a Bohr y a la nueva ciencia atómica con sus locos saltos cuánticos.

Pero Niels Bohr no era del tipo de hombre que se da por vencido. A pesar de que había explicado el espectro del hidrógeno con su nueva teoría revolucionaria, no tuvo un reconocimiento mundial como el de Einstein. Pero en su país natal, Dinamarca, su teoría fue suficiente para hacer de el una estrella.

Eufórico por el triunfo, Niels Bohr regresó a Copenhague en 1916, como un héroe victorioso. Su nueva condición de celebridad facilitó la recaudación de fondos para la investigación. De hecho, la fábrica de cerveza Carlsberg le ayudó a financiar su nuevo instituto de investigación. Se podría decir que fue la cerveza la que ayudo a comprender los secretos del átomo.

Este instituto llegó a ser uno de los principales centros de investigación teórica en física que sobrevive hasta hoy en día. La principal sala de conferencias del Instituto Niels Bohr no parece muy impresionante, pero está llena de grandes detalles extravagantes. El mismo Niels Bohr diseñó algunos de los sofisticados mecanismos que subían y bajaban las pizarras. Hay una increíble serie de pizarras, unas debajo de otras, repletas de sus fórmulas, de forma que no necesitaba borrar ninguna de sus ecuaciones.

La reputación que tenía Bohr para las ideas radicales y no convencionales hizo que Copenhague fuera un imán para los físicos jóvenes y ambiciosos. Ellos estaban deseosos de dejar su marca y ser parte de la nueva e innovadora ciencia de Bohr, que llego a ser conocida como la mecánica cuántica.

Continuará...

Un video explicando la teoria de De Broglie, extraido de la fantastica serie documental "El Universo Mecánico":

HISTORIA DEL ÁTOMO. 5. NIELS BOHR Y SURGIMIENTO DE LA MECANICA CUANTICA.

by Encke

Niels Bohr fue uno de los primeros de esa nueva raza de la que se habló anteriormente. Viajó desde Dinamarca en 1911 y se dirigió a suelo inglés. Después de haber terminado sus estudios en Copenhague, Bohr decidió mudarse al extranjero hacia el centro de la nueva física.

El viaje le llevo a Gran Bretaña, a la Universidad de Manchester y a Ernest Rutherford. Bohr tenía una mente brillante, a veces obstaculizada por una patológica obsesión por el detalle. De hecho, se dice que Bohr aprendió inglés leyendo una y otra vez la novela de Dickens “Los papeles del Club Pickwick”.

Bohr estaba tan cautivado por la imagen del átomo de Rutherford que decidió resolver el rompecabezas de por qué el átomo no colapsaba y por qué estaba compuesto de tanto espacio vacío. Como físico teórico de la nueva generación, fue audaz en su pensamiento y estaba preparado para abandonar el sentido común y la intuición humana con el objetivo de encontrar una explicación.

Así pues, en un ejercicio de genialidad, comenzó a buscar pistas acerca de la estructura del átomo no observando la materia, sino examinando la misteriosa y maravillosa naturaleza de la luz.

Hoy día sabemos que los átomos y la luz están claramente relacionados. La mayoría de las sustancias brillan cuando son calentadas. Durante siglos el hombre ha notado que algunas sustancias brillan con un color propio y distintivo, como una especie de firma. El color verde del cobre, el amarillo del sodio, el rojo del litio, etc. Estos colores asociados con diferentes sustancias se llama espectro. Y el gran acierto de Bohr fue darse cuenta de que el espectro nos dice algo sobre la estructura interna del átomo, que podría explicar la razón de tanto espacio vacío.

La idea de Bohr consistió en tomar el modelo de “sistema solar” de Rutherford y sustituirlo por algo que casi es imposible de imaginar o visualizar. Así que las ideas razonables como espacio vacío y partículas en movimiento alrededor de orbitas se desvanecen y son sustituidas por algo, que es uno de los conceptos peor entendidos y utilizados en el conjunto de la ciencia, el salto cuántico. Los físicos tardaron muchos años en llegar a familiarizarse con los saltos cuánticos. Bohr dijo que si crees haberlo entendido, entonces es que no lo has pensado lo suficiente.

Así que vamos a tratar de explicar uno de los conceptos más complicados del conjunto de la ciencia pero uno en el que se basa todo el Universo.

Bohr describió el átomo no como un “sistema solar” sino como un “edificio” de varios pisos o niveles energéticos. La “planta baja” está ocupada por el núcleo y los electrones ocupan los niveles superiores. Leyes misteriosas obligan a los electrones a situarse en los niveles, nunca entre ellos. Otras leyes misteriosas hacen que, a veces, puedan saltar instantáneamente de un piso a otro. Estos son lo que llamamos saltos cuánticos.

Bohr no tenía absolutamente ninguna idea acerca del origen de estas leyes. Sin embargo, esta hipótesis le permitió realizar una predicción sorprendente. Cuando un electrón salta de un nivel energético superior a uno inferior, genera luz. Y además, el color de la luz depende de cuán grande sea el salto cuántico que realiza el electrón. Por lo tanto, un electrón que salta del tercer nivel al segundo nivel podría generar luz roja. Y un electrón que salta del décimo nivel al segundo nivel, luz azul.

Para probar su nueva teoría, Bohr la utilizó para hacer una predicción. ¿Podría explicar la misteriosa firma del espectro del hidrógeno? Después de meses de cálculo intensivo, finalmente obtuvo un resultado. Y su predicción fue sorprendentemente precisa. Por primera vez en la historia, parecía que podía explicarse el espectro. Y fue una gran noticia en 1913.

Pero la nueva idea de Bohr se basaba en una suposición polémica. ¿Por qué los electrones y el átomo tenían que comportarse como si fueran un edificio de pisos? ¿Y por qué los electrones tenían que realizar saltos cuánticos de un nivel a otro? No había ningún precedente parecido en la Ciencia. Cuando un físico afirmo que los saltos no tenían ningún sentido, Bohr respondió: “Si, estas en lo cierto, pero eso no prueba que no existan los saltos, sólo prueba que no se pueden observar”.

Sin embargo, el hecho de no poder observar las cosas parecía ir en contra del objetivo de la Ciencia. En particular, los científicos de mayor edad consideraban que la Ciencia existí para facilitar la comprensión del mundo, no para crear normas arbitrarias que hacían que los datos encajasen. El conflicto entre las dos generaciones de científicos era inevitable.

Continuará...

Un par de videos muy ilustrativos y didacticos:

HISTORIA DEL ÁTOMO. 4 – DESCUBRIMIENTO DEL NÚCLEO ATÓMICO

by Encke

En una tarde en 1909, Geiger irrumpió en la oficina de Rutherford con noticias sorprendentes. Muy de vez en cuando, una partícula alfa, rebotaba en la lámina de oro. Geiger calculo que solo una de cada 8000 partículas alfa hacia esto. Es un pequeño porcentaje, pero Rutherford estaba asombrado con la noticia. Más tarde diría que era como disparar un proyectil hacia un trozo de papel tisú y que rebotara hacia ti. Allí y entonces, Rutherford supo que había desentrañado la física de oro. A pesar de que tardo más de un año en comprender por qué las partículas alfa se comportaban de esa manera, cuando lo hizo, enseño por primera vez a la humanidad el interior de un átomo.

La gente apenas se había acostumbrado a la idea de que existían los átomos. Y ahora Rutherford sabía que ese mundo diminuto, un décimo de una millonésima parte de un milímetro de ancho, tenía su propia estructura interna. Dentro del átomo, existe un mundo subatómico. Y Ernest Rutherford creyó saber cómo era.

Rutherford se dio cuenta de que el rebote de las partículas alfa revelaban una estructura atómica totalmente inesperada. No tenía una analogía parecida en la Tierra. Por lo que, Rutherford busco en los cielos. Describió el átomo como un sistema solar diminuto. Los electrones, partículas diminutas con carga eléctrica negativa, orbitaban alrededor de un objeto diminuto con carga eléctrica positiva llamado núcleo.

Rutherford calculo que el núcleo era 10.000 veces más pequeño que el átomo en sí mismo. Por esa razón, solo una de cada 8.000 partículas alfa rebotaba. Eran las únicas que golpeaban el núcleo por casualidad. El resto pasaba sin golpearlo.

La primera consecuencia sorprendente de esta idea es que el átomo de Rutherford es casi en su totalidad espacio vacío. Por eso, casi todas las partículas alfa atraviesan los átomos de la lámina de oro como si no estuvieran allí. Realmente no hay nada allí.

Considere las extrañas implicaciones que tiene el átomo de Rutherford al pensar a una escala más grande. Si el núcleo tuviera el tamaño de un balón de futbol, entonces, el electrón más cercano estaría orbitando a más de medio kilómetro de distancia. El resto del átomo estaría completamente vacío. Explicado de otro modo. Si fuera extraído todo el espacio vacío de cada átomo de mi cuerpo, este tendría solo el tamaño de un grano de sal. Por supuesto, seguiría pesando lo mismo. Si se hace lo mismo con toda la raza humana, entonces los seis mil millones de seres humanos podrían caber en una sola manzana. El átomo era diferente a cualquier cosa encontrada antes. Y era muy extraño.

Casi de inmediato, surgió un problema y era un gran problema. Según la ciencia de la época, los electrones deberían perder su energía, de forma que acabarían chocando con el núcleo en menos tiempo que parpadea un ojo. El átomo de Rutherford contradecía las leyes conocidas de la ciencia. El átomo desafiaba la convención científica. Es casi su totalidad espacio vacío y permanece de esa manera. Nadie muestra signos de disminución que reduzcan su tamaño a un grano de sal. Y la Tierra es así, con su tamaño. No se está reduciendo.

Merece la pena repasar los acontecimientos ocurridos. En seis cortos años, desde 1905 hasta 1911, se había descubierto la existencia del átomo, que era inimaginablemente pequeño. Luego se demostró que estaba compuesto sobre todo de espacio vacío. Y finalmente que no obedecía las leyes de la física. No es de extrañar que todos los científicos de la época, incluido Einstein, estuvieran desconcertados. Las ideas científicas que desarrollaron habían fracasado completamente a la hora de explicar el átomo. El estudio del átomo requería una nueva generación de científicos que seguirán los pasos de Rutherford. Audaces, brillantes y, sobre todo, jóvenes. Era fundamental que no tuviesen lealtad ni apego a las ideas de las generaciones anteriores.

Continuará...

HISTORIA DEL ATOMO. 3 – EL EXPERIMENTO DE RUTHERFORD

by Encke

Dos de los hombres más extraordinarios en la historia de la ciencia trabajaron en el departamento de física de la Universidad de Manchester entre 1911 y 1916. Eran Ernest Rutherford y Niels Bohr, dos personalidades muy diferentes y nada colaboradoras.

Rutherford procedía de una parte lejana de Nueva Zelanda y creció en una granja. Era fundamentalmente un experimentador. Amaba la tecnología y realizaba experimentos ingeniosos con baterías, bobinas, imanes y rocas radiactivas. Pero también fue bendecido con una profunda intuición.

Bohr nació en Copenhague, era rico y erudito, prácticamente un aristócrata. Era un gran teórico. Para el, la ciencia consistía en profundos pensamientos abstractos y matemáticas. Sus herramientas eran la pluma, el papel, la tiza y la pizarra. La lógica era su camino hacia la verdad.

Aunque sus enfoques de su trabajo no podrían haber sido más diferentes, tenían una cosa en común. Estaban dispuestos a zanjar tres siglos de convencionalismo científico si no encajaba con lo que, a su juicio, era verdad. Eran auténticos revolucionarios.
Rutherford y Bohr fueron dos de las más extraordinarias mentes producidas por la raza humana. Pero, la investigación del átomo les forzó a desplegar toda su tenacidad, inspiración y brillantez.

En 1907, Ernesto Rutherford se hizo cargo del Departamento de Física en Manchester. Este fue un periodo de cambio trascendental en la ciencia. Poco más de diez años antes, en Alemania, se realizó la primera demostración de unos rayos extraños que podían atravesar la carne y permitir ver los huesos. Estos rayos eran tan inexplicables que los científicos no sabían cómo llamarlos. Así que fueron llamados rayos X.

Un par de años después, en Cambridge, se demostró que corrientes eléctricas potentes podían producir extraños haces de diminutas partículas cargadas que brillaban que fueron llamadas electrones.

Y en 1896 en Paris, se realizó el descubrimiento más importante de todos. Uno que, más que ningún otro, desbloquearía los secretos del átomo. El metal de uranio emitía una extraña y poderosa energía que se denominó radiactividad. Parecía ciencia ficción. Los metales radiactivos estaban calientes al tacto. Podían incluso quemar la piel. Y los rayos atravesaban la materia sólida como si esta no estuviese presente. Realmente fue una maravilla de la edad moderna.

Rutherford estaba obsesionado con la radiactividad. Todo tipo de preguntas le atormentaban. ¿Cómo se formaba? ¿Porque adoptaba formas distintas? ¿En qué medida podría viajar a través del vacío o del aire? ¿Alteraría el material que atravesaba?

En Manchester, junto con sus colaboradores, Hans Gegser (famoso por el contador Geiger) y Ernest Marsden, concibió una serie de experimentos que sondeaban el enigma de la radiactividad.

1909, Universidad de Manchester. Estos son los componentes:

• Pan de oro, golpeado hasta acabar teniendo unos pocos átomos de espesor.
• Una pantalla fosforescente móvil que destelleaba cuando las ondas radiactivas incidían en ella.
• Y dentro de una caja estaba la atracción estrella. Una pequeña pieza de metal de radio.

El radio es una fuente extraordinariamente poderosa del tipo de radiactividad que Rutherford había llamado rayos alfa. No eran realmente rayos. Se parecía más a un flujo constante de partículas. El radio generaba estas partículas como una ametralladora que nunca se quedaba sin balas.

Rutherford propuso a sus alumnos una simple tarea. Usar la pistola de radio. Disparar los rayos alfa hacia la lámina de oro y con la placa fosforescente, contar el número de partículas que procedían del otro extremo. En la práctica, esto significaba sentarse solo en la oscuridad y contar los pequeños, casi invisibles, destellos en la pantalla fosforescente. Era muy tedioso, pero Rutherford insistió.

Pasaron semanas y el equipo de investigadores no encontró nada inusual. Las partículas alfa parecían atravesar la lámina de oro casi como si no estuviese allí. Muy de vez en cuando, se desviaban ligeramente de su trayectoria. Pero esto no fue todo.

Algo ocurrió en la observación que tuvo grandes consecuencias en la historia de la ciencia. Algo que cambio el mundo. Rutherford se encontró en un pasillo con su ayudante Geiser. Este le informo de que hasta el momento no habían visto nada inusual. En respuesta, Rutherford podría haber asentido y seguir su camino, pero no lo hizo.

Más tarde afirmo que lo que dijo en ese momento, lo dijo por decir. Pero es difícil creerle. Rutherford tenía una gran intuición científica y creo que tenía una corazonada de que algo estaba a punto de suceder. Esto es lo que le dijo a Geiger:

“Dígale al joven Marsden si puede detectar partículas alfa entre la lámina de oro y la fuente de radio”.

En otras palabras, comprobar si alguna partícula alfa rebota en la lámina. Es una extraordinaria sugerencia de Rutherford pero no era lógica. Después de todo, Geiger y Marsden pasaron semanas viendo que las partículas alfa atravesaban el pan de oro, casi como si no estuviese allí. ¿Porque tendrían que rebotar?

Sin embargo, Geiger y Marsden eran jóvenes y temían al gran neozelandés. Hicieron lo que su maestro les pedía y volvieron al oscuro laboratorio y esperaron pacientemente. Durante días, no vieron absolutamente nada. Tenían los ojos tensos hasta el punto de la miopía, pero no vieron ni una sola partícula alfa rebotar en el oro. Parecía que la sugerencia de Rutherford era realmente estúpida. Pero entonces ocurrió lo imposible.

Continuará...

HISTORIA DEL ÁTOMO. 2 – ALBERT EINSTEIN Y EL MOVIMIENTO BROWNIANO.

by Encke



En 1905, el año anterior al suicidio de Boltzmann, Albert Einstein tenía 26 años de edad. Su arrogancia había disgustado a la mayoría de sus profesores y maestros y apenas conseguía empleo. Entonces su novia se quedó embarazada. Y esto fue seguido por un matrimonio apresurado. Necesitaba un trabajo, cualquier puesto de trabajo. Como no destaco demasiado en la universidad, consiguió un empleo como empleado de patentes en Berna, Suiza. Se trasladó a un pequeño apartamento en Kramgasse con su joven esposa Mileva.

A pesar de su situación desesperada, el joven Einstein tenía una ardiente ambición. Quería destacar como físico, y en 1905, durante un año milagroso, realizó un hallazgo realmente increíble.

El trabajo dejaba al joven Einstein mucho tiempo libre tanto en el propio trabajo como en este pequeño apartamento para tener pensamientos profundos. En el espacio de unos pocos meses, publicó varios trabajos que cambiarían la ciencia para siempre. Hoy en día, todos hemos oído hablar de su Teoría de la Relatividad, aunque no la entendamos. Su trabajo acerca de la naturaleza de la luz (efecto fotoeléctrico) le hizo ganar el premio Nobel varios años más tarde.

Sin embargo, irónicamente, no fue ninguno de estos dos trabajos los que han tenido el mayor impacto en el descubrimiento del átomo. El que realmente estaba relacionado con este descubrimiento fue un breve documento que trataba sobre la forma en que los granos de polen se mueven en el agua.

Casi 80 años antes, en 1827, un botánico escoces llamado Robert Brown roció granos de polen en un poco de agua y lo examinó a través del microscopio. Lo que vió fue realmente extraño. En lugar de granos de polen flotando suavemente en el agua, observo que los granos se movían vertiginosamente, casi como si tuvieran vida. Este movimiento llamado movimiento browniano era extraño, pero los científicos pronto se olvidaron de él. Lo consideraron mundano, incluso aburrido. ¿A quién le importaba si el polen se movía sobre el agua? ¿Y que tenía que ver este movimiento con los átomos? Durante casi 80 años, el descubrimiento de Brown permaneció como una pequeña anomalía científica. Entonces, Einstein lo cambió todo.

En una sorprendente visión, Einstein vio que el movimiento browniano se debía a la presencia de los átomos. De hecho, se dio cuenta de que el movimiento de los granos de polen en el agua podría resolver para siempre el debate sobre la existencia de los átomos.

Su argumento era simple: el polen se moverá solo si es zarandeado por otra cosa. Por lo tanto, Einstein dijo que el agua debe estar compuesta de pequeñas partículas que a su vez se mueven y continuamente golpean el polen. Si no hubiera átomos, entonces el polen se quedaría quieto.

Por lo tanto, Boltzmann y sus contemporáneos habían discutido para nada. La respuesta había estado allí todo el tiempo. Einstein demostró que para que se produzca el movimiento browniano, deben existir los átomos.

El trabajo de Einstein fue más allá de los simples argumentos verbales. Con un impecable estudio matemático, demostró que el movimiento del polen revelaba el tamaño del átomo. Y es abrumadoramente pequeño. Un décimo de la millonésima parte de un milímetro. Un cabello humano, que es lo más pequeño que se puede ver a simple vista, es más de un millón de veces más grande que un átomo. Dicho de otra manera. Hay más átomos en un solo vaso de agua que vasos de agua en todos los océanos del mundo. Esto produce dolor de cabeza con solo pensar en ello.

El trabajo de Einstein puso fin al debate acerca de si el átomo era real o no. Y Boltzmann fue totalmente reivindicado. El átomo tenía que ser real.

En los primeros años del siglo XX, el átomo había llegado. Los científicos que habían argumentado que el átomo era real ya no eran herejes. En un dramático cambio repentino, se convirtieron en la nueva ortodoxia. Pero iban a pagar un gran precio por su éxito. Antes de que tuvieran la oportunidad de felicitarse por el descubrimiento del átomo, se rasgó la alfombra bajo sus pies y fueron enviados a un nuevo mundo increíble y extraño. Y todo comenzó, en lo que en 1910 era el centro de la física atómica del mundo, Manchester.


Continuará...

Mas info sobre el movimiento browniano:

http://es.wikipedia.org/wiki/M​ovimiento_browniano

Aqui teneis el trabajo original de Einstein titulado “Sobre el movimiento de las partículas en suspensión en líquidos en reposo según la teoría cinética del calor”. Solo para muy muy interesados en el tema, que sepa aleman y con altos conocimientos de matematicas y fisica... ;-)

http://www.physik.uni-augsburg​.de/annalen/history/einstein-p​apers/1905_17_549-560.pdf

Un par de vídeos sobre el fenómeno:

HISTORIA DEL ÁTOMO. 1 – LUDWIG BOLTZMANN Y EL VAPOR.

(por Encke)

“Esta es la historia del mayor descubrimiento científico. El descubrimiento de que todo está compuesto de átomos. La variedad y riqueza de todo lo que vemos a nuestro alrededor en el mundo y más allá, el como están construidas las cosas, el cómo encaja todo junto, es debido a los átomos y a las misteriosas leyes que siguen.

Los científicos investigaron profundamente el átomo, dentro del corazón de la materia, y desvelaron los secretos más impactantes de la naturaleza. Tuvieron que abandonar todo lo que ellos creían y elaborar toda una nueva ciencia. Una ciencia que, hoy en día, es la base de la física, la química, la biología, e incluso de la propia vida.

Para mí, la historia de cómo la humanidad resolvió el misterio del átomo es a la vez inspiradora y notable. Es una historia de grandes genios. De hombres y mujeres impulsados por su sed de conocimiento y gloria. Es una historia de falsos comienzos y conflictos, de ambición y revelación. Una historia que nos conduce a través de algunas de las más emocionantes y excitantes ideas jamás concebidas por la raza humana. Y para un físico como yo, es la historia más importante que existe”.

Jim Al-Khalili, fisico teorico y divulgador.

El 5 de octubre de 1906, en una habitación de un hotel cerca de Trieste, se ahorcó un científico alemán llamado Ludwig Boltzmann. Boltzmann tuvo una larga historia de problemas psicológicos y uno de los factores clave de su depresión era que había sido vilipendiado e incluso condenado al ostracismo, por creer algo que hoy en día damos por descontado.

A su juicio, la materia no podía ser dividida infinitamente cada vez en trozos más pequeños. En cambio, sostuvo que, en última instancia, todo está compuesto de pequeños bloques: Átomos.

Ahora parece increíble que la revelación de Boltzmann fuese tan controvertida. Pero hace 100 años, la afirmación de que los átomos eran reales fue considerada por la mayoría como una pérdida de tiempo.

Aunque los filósofos desde los griegos habían especulado que el mundo podría estar hecho de algún tipo de unidad básica de materia, se dieron cuenta de que eran demasiado pequeños para ser vistos incluso con los microscopios más potentes. Por lo tanto, especular acerca de ellos, se consideró una completa pérdida de tiempo.

Pero entonces, a mediados del siglo XIX, independientemente de si el átomo era real o no, apareció de repente una cuestión de suma importancia. La razón fue el vapor.

En la década de 1850, el mundo estaba cambiando. Se utilizaban motores potentes en trenes, en barcos y en las fábricas de la Revolución Industrial. Averiguar cómo usarlos de manera más eficiente se convirtió en un asunto crucial desde el punto de vista comercial, político y militar. No es de extrañar, entonces, que se convirtiera en la cuestión clave de la ciencia del siglo XIX.

La demanda para construir motores de vapor más potentes y eficientes trajo consigo la necesidad urgente de comprender y predecir el comportamiento del agua y el vapor a altas temperaturas y presiones.

Ludwig Boltzmann y sus aliados científicos pusieron de manifiesto que si se imaginaba el vapor como millones de diminutas esferas rígidas, átomos, entonces se podrían desarrollar algunas ecuaciones matemáticas. Y estas ecuaciones serían capaces de predecir el comportamiento del vapor con una increíble precisión.

Sin embargo, estas mismas ecuaciones llevaron a Boltzmann y a sus colegas atomistas a una gran polémica. Sus enemigos alegaron que, dado que los átomos en los que se basaban sus cálculos eran invisibles, estos eran solamente una conveniencia matemática en lugar de ser objetos físicos reales. Afirmar que estas entidades imaginarias eran reales parecía presuntuoso, incluso blasfemo. Los críticos de Boltzmann argumentaron que era sacrílego reducir el milagro de la creación a una serie de colisiones entre esferas diminutas inanimadas. Boltzmann fue condenado como un materialista irreligioso.

La trágica ironía de la historia de Boltzmann es que cuando se suicidó en 1906, no sabía que su teoría había sido confirmada. Un año antes de morir Boltzmann, un joven científico había publicado un documento que innegablemente e irrefutablemente proclamaba la realidad del átomo. Usted puede haber oído hablar de este joven científico. Su nombre era Albert Einstein.

Continuará...