Evolución Tecnologica

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20 de noviembre de 2011

La Mecánica Cuántica, su impacto en la vida diaria y el contexto histórico de la obra "Copenhague"

Por : Ivan K. Schuller y Ricardo Ramírez
Texto extraido literalmente de : http://ischuller.ucsd.edu/copenhague/cuantica.htm
Cuando se habla de personas influyentes, uno siempre piensa en los gobernantes o en los políticos. Sin embargo el impacto que ha tenido el descubrimiento de la Mecánica Cuántica en nuestro quehacer diario es tan formidable que es dable pensar que los científicos que contribuyeron a su desarrollo, son las personas que más influyen actualmente en nuestras vidas. Nombres desconocidos como Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Bardeen, Oppenheimer, Gabor, Schockley, Brattain, Roentgen, Dirac, etc. y el único muy conocido Einstein, han cambiado el mundo completamente.
A principios del siglo XX se produjo en el mundo una verdadera revolución científica en el campo de la física, la que respondió a la inquietud del hombre por conocer la estructura de la materia, es decir saber cuales son sus componentes primarias. Ya los griegos habían pensado que estaba formada de pequeñas esferas que ellos denominaron átomos. Pero hasta entonces se trataba sólo de una conjetura. El descubrimiento de los rayos X en 1900 or Roentgen (primer Premio Nobel en Física), permitió tener las primeras evidencias de su existencia.
En las décadas iniciales del siglo pasado se realizaron muchos experimentos tendientes a dilucidar numerosas interrogantes respecto a la naturaleza de los átomos y sus constituyentes. Estos experimentos generaron una gran cantidad de datos. Sin embargo la recolección de resultados experimentales no basta en el trabajo científico. Para hacerlos valederos es necesario tener una visión global y coherente del fenómeno en estudio. Es lo que en la ciencia se llama una teoría. La Mecánica Cuántica es la teoría que por primera vez permitió entender el mundo microscópico de la materia, es decir él de los átomos. Fue el resultado del trabajo intelectual de físicos como Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac y otros.
Durante esta época no solo hubo una gran revolución en el campo de la ciencia, pero también el mundo estaba pasando por grandes cambios históricos como la revolución rusa, la primera y segunda guerras mundiales. Las consecuencias de la mecánica cuántica podrían haber completamente cambiado el mundo tal como lo conocemos ahora. Una de las consecuencias casi inmediatas de la mecánica cuántica es que ciertos átomos como el Uranio-235 se pueden fisionar (“quebrar”) si un neutrón (una partícula subatómica) choca con el. Cuando esto ocurre, se liberan un gran cantidad de energía y dos neutrones. En turno cada uno de estos neutrones choca con otro átomo de Uranio-235, libera energía y dos neutrones más. Esto es lo que se llama una “reacción en cadena” y da origen a una terrible arma: la bomba atómica. El único problema para construir una bomba atómica es que el uranio tiene varias formas (isótopos). El más abundante en la naturaleza es el Uranio-238 que no es fisionable y el Uranio fisionable (U-235) es solo 0.7% del Uranio que ocurre en la naturaleza. Separar el U-235 de los otros isótopos del Uranio es una tarea monumental. Y la principal dificultad para construir La Bomba.
Heisenberg, ex-discípulo del físico danés Bohr, estaba a cargo del esfuerzo nazi para construir la bomba atómica. En 1941 Heisenberg visitó Dinamarca que estaba bajo ocupación nazi expresamente para encontrarse con Bohr. Después de esta reunión la relación amistosa entre Bohr y Heisenberg se interrumpieron para siempre. Estaba tratando Heisenberg de convencer Bohr que trabaje para el esfuerzo alemán para desarrollar la bomba ¿ Estaba tratando de convencerlo que no ayude a los aliados ¿ Estaba Heisenberg espiando tratando de descubrir que sabia el enemigo ¿ Todo esto esta complicado por relaciones de tipo personales como discípulo-estudiante, padre-hijo, y competidores científicos y por el hecho de que Bohr tenia raíces judías. Michael Frayn, en su obra Copenhague, esta tratando de darnos varias posible soluciones a este misterio.
A todos nosotros este gran misterio nos abre una ventana en las actividades más influyentes y menos conocidas del quehacer humano. A diario uno esta en contacto con la mecánica cuántica a través de los transistores, computadoras, sensores, relojes, teléfonos, aviones, autos, láseres, rayos X, resonancia magnética etc., El mundo moderno esta tan invadido por estos inventos y descubrimientos que son una consecuencia directa de la mecánica cuántica y del trabajo de físicos de nombres comúnmente desconocidos. La existencia de estos dispositivos y artefactos es considerada tan natural como el aire que respiramos. Imaginarse un mundo sin estos avances tecnológicos es casi imposible. Todo esto, consecuencia de descubrimientos en la física básica, que cambio el mundo.
La Mecánica Cuántica no sólo nos permitió la comprensión de los átomos, sino que también introdujo un nuevo universo de conceptos e ideas, muchos de los cuales a primera vista eran descabellados. Sin embargo todas las predicciones de la Mecánica Cuántica han sido confirmadas, incluso aquellas que parecían en total contradicción con el sentido común. No solamente amplió nuestra visión intelectual o filosófica de la realidad. También permitió el desarrollo tecnológico en el cual nos encontramos inmersos en estos días. Así fue posible realizar estudios microscópicos de los materiales con una nueva disciplina, la que se llamó Física del Estado Sólido o Física del Sólido.
La Física del Sólido es la base del desarrollo tecnológico del siglo XX. Por ejemplo, es prácticamente imposible imaginarse las telecomunicaciones modernas sin dispositivos cuyas bases no se encuentren en la Mecánica Cuántica. Un teléfono portátil, por ejemplo, tendría el tamaño de una casa, difícilmente posible de llevárselo al oído. Sin la Mecánica Cuántica habrían muy limitadas comunicaciones internacionales, significaría habernos quedado con el telégrafo de los símbolos de Morse y no existiría la Internet, el correo electrónico, el contacto con bibliotecas internacionales, etc. El mundo actual sería mucho más primitivo y atrasado.
Por otra parte hizo posible el avance de la medicina, con la infinidad de instrumentos nuevos que permiten diagnósticos y tratamientos mucho más simples y precisos. Baste mencionar aquí el láser, el scanner, los equipos de resonancia magnética nuclear, los rayos X, etc. todos los cuales no existirían sin este conocimiento básico.
El transistor, inventado en la primera compañía de teléfonos, Bell Telephone, ciertamente es el invento más importante del siglo XX. Basado en el trabajo de tres físicos de sólidos, Bardeen, Brattain y Shockley, el transistor reemplazó los tubos. Su gran aporte fue la posibilidad de la miniaturización de la electrónica. Esto dio origen a los llamados circuitos integrados. Actualmente estos dispositivos están virtualmente en todos los aparatos y maquinarias que nos rodean: automóviles, aviones, cocina, computadores, medicina, sensores, controles industriales, etc., y ciertamente son esenciales en las telecomunicaciones a través de teléfonos, radio y televisión. Probablemente 99% de la industria moderna y 100% de las telecomunicaciones están impactadas por la invención del transistor. El mundo moderno, sin estos dispositivos, es inimaginable. Por el descubrimiento del efecto del transistor Bardeen, Brattain y Schockley recibieron el premio de Nobel en Física el año 1956.
Foto de un transistor


Foto de un láser verde

El láser, junto con la fibra óptica, han aumentado el volumen de comunicaciones posibles y han mejorado enormemente la calidad de la transmisión. Inicialmente, las señales telefónicas se transmitían a través de cables metálicos. Hoy, con la invención de la fibra óptica y del láser, es posible transmitir en el mismo volumen de cables, millones de señales telefónicas más de lo que era posible anteriormente. También, gracias a que las comunicaciones son digitales, la calidad de la señal es enormemente superior, lo que permite, por ejemplo, la transmisión de señales de alta calidad acústica.

El impacto de la Física del Sólido en el futuro se esta vislumbrando también por descubrimientos e investigaciones basadas la Mecánica Cuántica. Uno de los temas de más intensa investigación actual es el de la llamada Spintrónica. Esta técnica posiblemente dará origen a toda una nueva electrónica digital. Hasta ahora la electrónica estaba basada en la carga eléctrica del electrón. Sin embargo otra propiedad fundamental del electrón, el llamado spin, no ha sido explotada en electrónica. Otro tema de investigación básica es la Computación y Comunicaciones Cuánticas. Una vez más una idea de la ciencia básica tiene implicaciones importantes para el futuro de las comunicaciones seguras, a través de la criptologia (la ciencia que permite enviar mensajes en clave), y la posibilidad de hacer crecer la velocidad de los computadores y de las telecomunicaciones enormemente. A dónde nos llevará esta nueva dirección de investigación básica en Física del Sólido es imposible imaginarse. Tal como hace 30 años hubiera sido imposible imaginar el mundo moderno que nos rodea.
La base de la tecnología moderna es la Mecánica Cuántica aplicada a la Física del Sólido en la cual la escuela de Copenhague de Bohr, Heisenberg, Einstein, Schrödinger jugaron un rol esencial. La obra de teatro Copenhague de Michael Frayn toca íntimamente este tema y discute varios problemas relacionados al desarrollo de la Mecánica Cuántica. La obra describe un encuentro entre dos gigantes de la mecánica cuántica; el danés, Bohr y su discípulo alemán, Heisenberg, durante la ocupación alemana de Dinamarca. Una de las consecuencias importantes de la Mecánica Cuántica es que todas las predicciones son probabilísticas, o sea que nada se puede predecir con absoluta precisión. Frayn muy astutamente mezcla ésto con acciones humanas que producen efectos inesperados como la muerte de un hijo de Bohr, las relaciones impredecibles entre padre e hijo, profesor y discípulo, conquistador y conquistado. Una obra de gran envergadura que ha conquistado los más famosos escenarios teatrales de Londres, Nueva York, Madrid, Buenos Aires etc.
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