¿Qué es…?

En esta sección, podrás encontrar interesantes conceptos e información, para seguir aprendiendo del mundo de la física.




Agujeros de gusano


Artículo redactado por Romina Caubarrere.



En física, un agujero de gusano -también conocido como Puente Einstein-Rosen- es una característica topológica hipotética del espacio-tiempo, descrita en las ecuaciones de la relatividad general, y es esencialmente un atajo al espacio-tiempo. Hasta el momento, no se ha encontrado evidencia de que el espacio-tiempo conocido contenga este tipo de estructura, por lo que actualmente es solo una posibilidad teórica científica.

Los agujeros de gusano son soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein para la gravedad que actúan como "túneles", conectando puntos en el espacio-tiempo de tal manera que el viaje entre estos a través del agujero de gusano podría tomar mucho menos tiempo que el viaje a través del espacio normal.

Se les llama así porque son similares a los gusanos que pasan por el interior de una manzana hasta el otro extremo, en lugar de pasar por el exterior de esta. En comparación con viajar por el universo a la velocidad de la luz, permiten conectar dos puntos muy distantes y llegar a ellos más rápido.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, pueden existir agujeros de gusano. Tienen entradas y salidas en diferentes puntos del espacio o del tiempo. El túnel que los conecta está ubicado en el hiperespacio, que es una dimensión creada por el tiempo y la distorsión por gravedad.

Cuando la estrella roja supergigante explota, expulsa material, por lo que su tamaño se vuelve más pequeño y se convierte en una estrella de neutrones. Pero también puede suceder que se comprima tanto que absorba su propia energía y desaparezca, dejando un agujero negro en el lugar que ocupa. La gravedad del agujero es tan grande que la radiación electromagnética no puede escapar de su interior. Estará rodeado por un límite esférico llamado alcance del evento. La luz entra a través de este límite pero no se puede emitir, por lo que el agujero visto desde la distancia debería ser completamente negro (aunque Stephen Hawking especula que ciertos efectos cuánticos producen la llamada radiación de Hawking). Dentro de la cueva, los astrofísicos especulan que se trata de una formación de cono sin fondo.

El primer científico que advirtió sobre la existencia de agujeros de gusano fue el austriaco Ludwig Flamm en 1916. En este sentido, la hipótesis del agujero de gusano es una actualización de la teoría de la cuarta dimensión espacial en el siglo XIX. Esta teoría asume que, por ejemplo, hay objetos circulares en los que se pueden encontrar tres dimensiones espaciales que se pueden sentir generalmente, y la cuarta dimensión espacial puede acortar la distancia, acortando así el tiempo de viaje. Este concepto original fue propuesto de manera más científica por el matemático alemán Hermann Weyl en 1921. Sin embargo no utilizó el término "agujero de gusano" (dijo "tubo unidimensional").

Hay dos tipos de agujeros de gusano:
-Dentro del universo: Conectan dos puntos alejados del universo.
-Agujeros cósmicos o de Schwarzschild: Conectan dos universos diferentes.

Los científicos creen que los agujeros de gusano tienen una vida útil corta. Se puede abrir y cerrar rápidamente. La materia se hundirá en él, o incluso si sale por el otro extremo, no podrá retraerse. Según la relatividad general, es posible ir al futuro, no al pasado. Si podemos volver al pasado, podemos cambiar la historia, por ejemplo, para hacernos vivir para siempre. Esto es imposible.



Bibliografía

-Einstein, Albert and Rosen, Nathan. The Particle Problem in the General Theory of Relativity. Physical Review 48, 73 (1935).
-¿Qué es exactamente un agujero de gusano? respuesta de Richard F. Holman, William A. Hiscock y Matt Visser (en inglés).
-Qué son los exóticos "agujeros de gusano" de Einstein y Rosen (y por qué nos podrían permitir viajar a través del tiempo y el espacio) BBC Mundo, consultado el 1 de febrero de 2021.
-Agujeros de gusano y otras especulaciones de Luciano Combi, consultado el 1 de febrero de 2021.


 
 



Gato de Schrödinger


Artículo redactado por Julia Herrera.



El gato de Schrödinger es un experimento mental (es decir que no se lleva a cabo, si no que es imaginario y se utiliza para teorizar), lleva el nombre del científico que lo ideó, y nos sirve para explicar y dar a entender muchos fenómenos de la mecánica cuántica.

El experimento es sencillo, consiste en imaginarse un gato encerrado en una caja con una partícula que tiene 50% de posibilidades de desintegrarse luego de cierto tiempo, liberar un gas venenoso y matar al gato. Como es igual de probable que la partícula se desintegre como de que no, la única forma de saber si el gato ha muerto o no es abrir la caja, ¿pero qué ocurre antes de abrirla? Es esto lo que nos interesa, mientras la caja permanezca cerrada y nadie vea al gato, este no tiene que decidirse por ningún estado; es decir que, mientras la caja permanezca cerrada el gato estará a la vez vivo, muerto, 20% vivo y 80% muerto, 50% vivo y 50% muerto… y todos las combinaciones posibles de los estados vivo y muerto. Hasta que alguien lo observe y colapse en uno de los dos estados, el sistema queda en este estado de superposición.

Lo que este experimento pretende explicar es la superposición de estados, la posibilidad de que dos (o varios) estados diferentes y opuestos ocurran simultáneamente. De esta forma se puede explicar, por ejemplo, el experimento de doble rendija.



Bibliografía

-https://www.20minutos.es/noticia/3663872/0/fisicos-encuentran-manera-salvar-gato-schrodinger/
-https://es.wikipedia.org/wiki/Superposici%C3%B3n_cu%C3%A1ntica
-https://youtu.be/9JlOmEEyTOU
Experimento de doble rendija:
-https://youtu.be/Y9ScxCemsPM

Principio de Incertidumbre de Heisenberg


Establecido por Werner Heisenberg en 1927.


Artículo redactado por Paula Herou.



Imaginemos que una mosca vuela de manera constante a nuestro alrededor realizando círculos concéntricos, con una velocidad tal que no somos capaces de seguirla con la simple vista. Como su zumbido nos perturba, queremos saber su localización exacta.

Para ello tendremos que elaborar algún tipo de método que nos permita verla. Se nos puede ocurrir, por ejemplo, rodear la zona de una sustancia que pueda ser afectada por su paso, de manera que podamos localizar su posición. Pero este método va a reducir su velocidad. De hecho, cuanto más intentemos saber donde se encuentra, más vamos a tener que ralentizarla (ya que ésta se sigue moviendo). Lo mismo ocurre cuando tomamos la temperatura: el instrumento en sí tiene una temperatura determinada que puede provocar la alteración de la temperatura original de lo que queremos medir.

Estas situaciones hipotéticas pueden usarse como analogía a lo que ocurre cuando queremos observar el movimiento de una partícula subatómica como un electrón. Y sirve, asimismo, para explicar el principio de incertidumbre de Heisenberg.

El principio de incertidumbre o de indeterminación de Heisenberg establece la imposibilidad a nivel subatómico de conocer a un mismo tiempo la posición y el momento o cantidad de movimiento (la velocidad) de una partícula.

Este principio proviene del hecho de que Heisenberg observó que si queremos localizar en el espacio un electrón es necesario hacer rebotar fotones en él. Sin embargo esto produce una alteración en su momento, de manera que lo que hace que podamos localizar el electrón dificulta la observación precisa del momento lineal de éste.



La posición y la cantidad de movimiento de una partícula respecto de uno de los ejes de coordenadas son magnitudes complementarias, estrictamente sujetas a las restricciones del Principio de Incertidumbre de Heisenberg.



EXPLICACIÓN USANDO LA FÓRMULA MATEMÁTICA



Vamos a llamar Δx a la incertidumbre en la posición del objeto, como ser una partícula y llamaremos Δpx a la incertidumbre del momento lineal (definida como la masa del objeto por su velocidad) en la dirección x en ese mismo instante.

El principio dice que el producto de estas dos incertidumbres debe ser igual o mayor que la constante de Planck dividida por 4π. O sea,

Δx·Δpx ≥ h/4π

Existen relaciones similares para las coordenadas y y z.
Esta relación de incertidumbre dice que si usamos un fotón de longitud de onda corta en un intento de medir la posición de un electrón con una precisión muy alta, de modo que Δx sea muy pequeña, entonces la incertidumbre en la medición del momentoΔpx debe ser al menos h/(4π· Δx) . Esto significa que a medida que Δx se hace más pequeña, Δpx tiene que hacerse más grande. El efecto Compton nos sirve para entender qué ocurre: el electrón rebota con más velocidad (con mayor momento lineal) cuanto más corta sea la longitud de onda (mayor energía, por tanto) del fotón de medición.

De hecho, si medimos la posición con tanta precisión que no hay incertidumbre en absoluto en la posición, entonces Δx sería cero.Pero para hacer esto nos hubiéramos visto obligados a usar un fotón cuya longitud de onda fuese cero. Y un fotón así tendría una energía infinita. En este caso, la incertidumbre en el momento lineal del electrón sería infinita o, mejor, indefinida.

Por otro lado, si permitimos que la incertidumbre en la medición de la posición sea muy grande, entonces la incertidumbre en la medición del momento se volvería muy pequeña, ya que el fotón tendría una longitud de onda larga (momento lineal bajo).

La relación de incertidumbre nos obliga a una compensación. Cuando la precisión de una variable aumenta, la otra debe disminuir, y viceversa.

De igual manera que esta relación de incertidumbre afecta al par de variables posición y momento lineal, existen otras análogas, como la que afecta al par energía y tiempo. Si llamamos Δt a la incertidumbre en la medición del tiempo y ΔE a la incertidumbre en la medición de la energía de un objeto cuántico en un instante dado, entonces el principio de incertidumbre de Heisenberg dice que Δt· ΔE ≥ h/4π.



Fuentes:

https://psicologiaymente.com/miscelanea/principio-incertidumbre-heisenberg
https://culturacientifica.com/2020/01/21/el-principio-de-incertidumbre-cuantitativamente/



Reflexión de nuestro equipo:



Según este principio uno no puede reducir la incertidumbre de una medida (por ejemplo de la posición y la velocidad de un objeto) tanto como uno quiera, y cuanto más se acerque su par va a tener una mayor incertidumbre.

Esto se ve claro en la fórmula Δx·Δpx ≥ h/4π

Cuanto más chica es la incertidumbre de la posición mas grande tendra que ser la del momento lineal, también se ve que ninguna de estas puede dar cero, ya que si no se cumpliria la desigualdad.

Con esto queremos aclarar que no importa que tan avanzados es el instrumento u método para medir, siempre habrá un margen de error del que no se puede escapar.

El Efecto Casimir


Artículo redactado por Paula Herou.



Si disponemos en el vacío dos espejos perfectos separados por una distancia pequeña estos se atraen entre sí.



– Supongamos que tenemos dos espejos perfectos iguales. Reflejan todas las frecuencias de las ondas electromagnéticas.
– Suponemos que son planos.
– Disponemos de una región donde tenemos vacío, es decir, no hay nada de nada.
– En dicha región ponemos los dos espejos separados por una distancia pequeña (del orden del micrómetro o del nanómetro).

Y el resultado es que estos espejos se atraen. Lo cual es contraintuitivo porque estos planos no están cargados, no hay cargas en el medio así que en principio no hay razón alguna para que aparezca una fuerza de atracción entre ambos espejos.



Cuestiones ondulatorias



La longitud de onda, periodo y frecuencia en ondas:



Longitud de onda

– Distancia entre dos puntos de la onda que se encuentran en el mismo estado de vibración. Por ejemplo dos crestas de la onda o dos valles, por decir algo, nos valdrían cualquier par de puntos consecutivos en el mismo estado oscilatorio.

 

Periodo

– Nos dice cuánto tiempo ha de pasar para que un punto de la onda vuelva a una determinada posición. Es decir, nos fijamos en un punto que está en un valle y contamos el tiempo que pasa hasta que dicho punto vuelve a estar en el valle (podemos tomar cualquier otra posición como referencia). Es decir, el periodo es el tiempo que tarda en completarse una oscilación.



Frecuencia

– La frecuencia nos dice cuántas oscilaciones se producen por unidad de tiempo. Por lo tanto la frecuencia es simplemente el inverso del periodo :

 

Una onda tiene una velocidad de propagación, las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz cuando se mueven en el vacío. Dado que la velocidad es básicamente espacio recorrido por unidad de tiempo, en una onda tenemos una forma excelente de calcular su velocidad dividiendo su longitud de onda entre su periodo:

 

Pero como existe una relación entre el periodo (medido en segundos) y la frecuencia (medida en (1/segundos) = Hertz (Hz)) podemos escribir:

 

Para las ondas electromagnéticas tendremos:

 

Donde c es la velocidad de la luz.

Ahora pensemos qué ocurre cuando una onda por ejemplo en una cuerda con los extremos fijados.
Si la longitud de la cuerda es L las longitudes de onda que admite el sistema tienen que cumplir:

 

Es decir, que las longitudes de onda admitidas en la cuerda con extremos fijos tienen que cumplir que si multiplicamos la mitad de dicha longitud de onda por un número natural (1, 2, 3, 4,…) nos tiene que salir la longitud de la cuerda.

 

El vació cuántico: La visión perturbativa



Ahora nos adentramos en la cuántica. En esta teoría el vacío revela que tiene “estructura”, es decir, que influye en el comportamiento de determinados fenómenos en los sistemas cuánticos.



Nota de Advertencia


La forma en la que en divulgación se trata del tema procede de lo que se conoce como tratamiento perturbativo de la teoría cuántica de campos. Hemos de dejar claro que lo que vamos a exponer ahora es simplemente una forma de describir el fenómeno pero en absoluto es la “imagen real”, de hecho no sabemos cómo es esa imagen, lo único que sabemos es que el fenómeno se produce pero no el cómo “de verdad”. Lo que vamos a explicar es una descripción en palabras de una de las formas en que que podemos calcular este efecto, pero tiene que quedar claro que es una descripción asociada a un procedimiento matemático.



La indeterminación


Si podemos medir instantáneamente la energía del sistema entonces el sistema no nos daría respuesta alguna. Y si medimos la energía del sistema no sabemos en qué instante la hemos determinado.

Esto es muy importante por lo siguiente:

1.- Si definimos el vacío cuántico como aquel sistema que no contiene nada presuponemos que su energía es nula (esto siempre podemos suponerlo).
2.- Pero resulta que si la energía del sistema siempre es nula entonces conoceríamos en todo instante la misma, lo cual violaría el principio de indeterminación.
3.- Como conclusión hemos de aceptar que el vacío es un sistema que está teniendo fluctuaciones de energía de forma que su promedio es nulo. Es decir, el vacío subirá espontáneamente su energía siempre y cuando dicha subida se reabsorba tan rápido que no de tiempo a medirla.
4.- Cuanto mayor es la fluctuación en la energía menor será el tiempo que puede sobrevivir.

¿Pero en qué forma se presentan estas fluctuaciones?
Pues en la forma de aparición de partículas, fotones, electrones, positrones, etc. Las fluctuaciones tienen que crear siempre pares de partícula – antipartícula de forma que se puedan aniquilar para devolver la energía prestada por el vacío al mismo y el promedio quede nulo.

La imagen típica de esto es:

 

Las partículas y antipartículas (rojo y azul respectivamente) aparecen y se vuelven a aniquilar. Estas partículas aparecen porque “roban” energía del vacío y luego se aniquilan para devolver esta energía de forma que el promedio no varíe. Cuanto mayor es la masa del par de partículas producido más rápida será su desaparición en el vacío.

Evidentemente lo más fácil de producir son fotones ya que son partículas sin masa ni carga. Y aquí está la clave.



¿Qué tiene todo esto que ver con el efecto Casimir?



Intentaremos ser muy explícitos siguiendo la imagen que estamos proponiendo (Hay que recordar que esto sólo es una forma de contarlo):

1.- Tenemos el vacío cuántico, que está continuamente fluctuando y por tanto creando y destruyéndose partículas en su interior.
2.- Mayoritariamente se crean y destruyen fotones. Y hemos de recordar que los fotones se pueden considerar ondas (dualidad onda-corpúsculo), de hecho su energía corresponde a su frecuencia que también se puede reescribir en términos de su longitud de onda:

Donde hemos empleado la fórmula de la velocidad de la luz.  En el vacío por lo tanto se pueden crear fotones de cualquier energía (siempre que desaparezcan antes de poder ser medido) y eso implica de cualquier longitud de onda.

3.-  Ahora introducimos dos espejos planos perfectos.  Pero los espejos reflejan, ese es su trabajo, pero reflejar significa que el fotón no puede traspasar el espejo.  Así pues introducir los dos espejos equivale en el caso de las ondas que hemos hablado antes a tener una cuerda con los dos extremos fijos.  En ese caso la cuerda no puede moverse a partir de los extremos fijos.  En el caso de los fotones esto es lo que ocurren cuando llegan al espejo.

4.-  Por lo tanto estamos modificando la estructura del vacío ya que entre los espejos no podemos tener cualquier fotón de cualquier energía.  Si la separación entre los espejos es d, las longitudes de onda de los fotones tienen que ser consistentes con eso,

Una imagen de esto es:

Esto implica que entre los espejos no podemos tener todos los fotones que sí que pueden crearse fuera de los mismos.  Pero la luz, los fotones tienen energía, y pueden empujar a los espejos. Pensemos que una reflexión se puede considerar como una colisión del fotón con el espejo de forma que este rebota.

Como en el interior de los espejos hay “menos fotones” que fuera, los de la zona exterior del espejo producen una presión que hace que los espejos se junten dando lugar a un efecto de atracción entre los mismos.

La presión producida por el exterior (fuerza por unidad de área del espejo) es:

Donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y d es la distancia entre los espejos.  Notemos que la distancia va elevada a cuatro y entra en la fórmula dividiendo.  Eso quiere decir que si aumentamos la distancia de 1 a 10, pasamos a dividir por una cantidad 10000 mayores, reduciéndose el efecto.  Es por eso que los espejos tienen que estar muy juntos (además de que la constante de Planck es muy pequeña).  Es por eso que este efecto sólo se da en rangos de separación de micro o nanómetros.

Fuente: https://cuentos-cuanticos.com/2011/11/08/el-controvertido-efecto-casimir/