El Quantum cotidiano

Es común que solo demos por hecho la existencia de diversas herramientas y artefactos que usamos diariamente, sin considerar que su sola existencia es derivada de los efectos de la física cuántica.

Muchas veces he escuchado como se cuestiona la cantidad de inversión usada en investigación científica, principalmente considerando que existen problemas más apremiantes como la pobreza o la salud; estas discusiones se basan mucho en la premisa de que la inversión hechas en estas investigaciones no es productiva y por ende no es un gran diferenciador que mejore nuestra sociedad.

En mi opinión esto es esto es simplemente un problema de visión, confusión y de desconocimiento de estos hechos, especialmente considerando que la historia indica todo lo contrario; mostrando como las investigaciones en ciencias puras como la Física y las Matemáticas han sido la llave para poder tener los beneficios tecnológicos que disfrutamos de forma cotidiana; y como estas han sido una fuerza transformadora que ha cambiado nuestra forma de vida en prácticamente todos sus aspectos.

Una rama de la ciencia que pocas veces es considerada como parte de los objectos de uso cotidiano es la física cuántica, este tema comúnmente presentado como algo puramente teorético, y relacionado con historias de personajes de ciencia un tanto desconocidos, o bien conocidos por clichés (como el gato de Schrödinger, tema para otro post). Esta rama de la ciencia, que fue desarrollada en los inicios del siglo XX, está tan intrínsecamente combinada a nuestro diario vivir que la hace sin duda la rama de la ciencia más exitosa hasta ahora. Si te preguntas en donde se aplican los aspectos de la física cuántica en objetos de uso cotidiano, podemos revisar algunos ejemplos.

 

El Láser

El láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation por sus siglas en inglés), es el más distintivo ejemplo de un dispositivo basado en efectos cuánticos. En este efecto, descubierto por Einstein y conocido como la “emisión estimulada de Radiación”.

La luz viaja en ondas (ondas electromagnéticas), y se distinguen por su longitud de onda, La luz roja por ejemplo tiene una longitud de onda mayor que la luz azul. La luz que vemos de una lámpara o del Sol, contiene luz de varias longitudes de onda, y estas viajan sin orden o “fase”, esto es, la crestas y valles de estas ondas no coinciden, al final la luz que percibimos es una luz blanca, la combinación de todas estas ondas.

Luz no-coherente - spaceplace.nasa.gov

Luz no-coherente – spaceplace.nasa.gov

En los Láseres, se usa un medio que es sometido a radiación estimulado usando para este propósito un medio como el rubí o gases como el rubidio. Esta luz provoca que los electrones en sus átomos se estimulen o “energicen”, moviendo sus electrones de un estado de energía baja (o un orbital atómico de baja energía), a uno de alta energía. Este estado es mantenido brevemente y al regresar a su estado habitual de baja energía lo hace emitiendo un fotón o un paquete cuántico de energía electromagnética; este “salto” es el efecto cuántico, y los fotones emitidos tienen la propiedad de tener la misma frecuencia (distintiva del medio), y la misma fase. Por ello el haz viaja en una sola dirección y es de una frecuencia (o color), específico.

Luz Coherente (Láser) – spaceplace.nasa.gov

Es difícil considerar que Einstein pudiera vislumbrar cómo se usará el láser para casos como dispositivos de escáner de código de barras o para reproductores de audio o video (como CD o BluRay). El láser se usa en una gran cantidad de sistemas y servicios, desde la medicina a la tecnología y ciencia. todo esto funcionando gracias a los efectos cuánticos de la emisión de estimulada de radiación.

 

Electrónica

Hoy en día damos por hecho el uso de diversos dispositivos electrónicos, desde las cosas más simples como las llaves electrónicas en autos modernos o dispositivos USB de almacenamiento de datos; a los indispensables Televisores móviles inteligentes (Smartphones) o computadoras portables. Todos ellos funcionan en base a efectos cuánticos que ocurren en los micro circuitos de estado sólido tales como como los usados en microprocesadores o la memoria de ellos.

Estos dispositivos usan transistores para poder operar, y en la microelectrónica, los transistores grabados en el sustrato de silicio funcionan gracias al efecto túnel, otro efecto cuántico que le permite a una partícula como el electrón cruzar una barrera física aislante al alcanzar cierto nivel de energía (del que deriva el nombre de “semiconductor” dado que estos materiales conducen parcialmente la corriente eléctrica, dadas ciertas condiciones).

Esto sucede dada la propiedad cuántica de dualidad del electrón (que se puede comportar tanto como onda, así como partícula), con este efecto cuántico al ganar energía, el electrón puede atravesar esta barrera física; en una analogía burda pero simple, es como si el electrón fuera una partícula “fantasma” y pudiera cruzar por esta barrera, tal como los fantasmas cruza paredes en ciertas películas, siempre y cuando la barrera alcance cierto nivel de energía.

Efecto Tunel - cosmosmagazine.com

Efecto Tunel – cosmosmagazine.com

Actualmente es difícil imaginar algún servicio o sistema donde el uso de la microelectrónica no sea usado (todo esto basado en efectos quánticos), este es el fundamento con el cual servicios los sistemas de información y comunicaciones como el internet, operan.

 

Iluminación

El estudio derivado del invento de las lámparas incandescentes, a finales de siglo diecinueve, fue lo que dio origen a la física cuántica; esta nueva rama de la física fue descubierta por Max Planck, quien buscando una explicación al fenómeno de por qué un material incandescente emite luz. Hasta entonces, este efecto era conocido, pero la razón de por qué sucede no lo era, la explicación de porque un material como el metal a muy alta temperatura tienen un resplandor rojizo. Planck se encontró con dificultades e inconsistencias intentando explicar este efecto con la física clásica, teniendo que inventar una nueva teoría donde la energía que absorbe un cuerpo, es emitida como radiación electromagnética, mayormente en una frecuencia específica, más esta radiación no se emitía como ondas, sino como pequeños paquetes de energía que llamó “quanta” Creando con esto una revolución en la ciencia y la nueva rama de la Física cuántica.

Metal a diferente temperatura & diferente color de luz- researchgate.net

Metal a diferente temperatura & diferente color de luz- researchgate.net

Otros tipos de lámparas también se basan en efectos cuánticos son las lámparas fluorescentes, comúnmente llamadas lámparas de Neón (por el gas que algunas de ellas usan), funcionan mediante la vaporización de Mercurio. Y sus átomos, al ser ionizado con una corriente eléctrica, provoca que sus electrones absorban y después liberen energía en forma de luz; que en el caso del Mercurio, es luz ultravioleta; todo esto debido un efecto cuántico. Esta luz ultravioleta es después convertida en luz visible usando una cubierta fluorescente que estas lámparas tienen.

Finalmente, las más recientes y comunes lámparas están basadas en LED’s, siglas en inglés de Diodo emisor de luz, Los LED’s también funcionan bajo el mismo principio de los semiconductores como los de los transistores usados en equipos electrónicos, pero en su arreglo particular, la recombinación de electrones en sus átomos libera energía en forma de fotones, o partículas de luz, todos ellos de una sola frecuencia. Además de sus ventajas en cuanto a duración y menor consumo de energía; con la disponibilidad de los colores primarios (Rojo, Azul y Verde), ahora se usan para fabricar pantallas como las que se usan en smartphones y televisores de pantalla plana, ya que pueden reproducir una amplia gama de colores.

Diodos RBG - Wikipedia.org

Diodos RBG – Wikipedia.org

La física cuántica no es solo una descripción científica interesante de ciertos efectos, esta es una parte fundamental de la ciencia que nos ha permitido obtener enormes beneficions tecnológicos, efectos que por cierto, son también frecuentes en la naturaleza.

Los mecanismos con los que funcionan las estrellas como nuestro sol, el funcionamiento de nuestro propio cerebro o como generan oxigeno las plantas mediante la fotosíntesis son tambien casos que son posibles por efectos cuánticos. Así que no es solo de forma artificial como estos efectos son aplicados, estos están también intimamente relacionados con la naturaleza.

Saludos Alex, ScienceKindle!

 

 

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Un comentario sobre “El Quantum cotidiano

  1. Este contenido sería muy beneficioso a favor de que haya más niñas interesadas en la ciencia si de difundiera por ejemplo en las escuelas. Muy bueno AlexGreenlan!

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