domingo, 28 de noviembre de 2010

Espín y Objetividad; hacia un nuevo paradigma en la ciencia

La objetividad, junto a la exactitud, han sido de las características principales de la física desde su constitución como ciencia[1]; la no intervención del observador en un experimento, se convirtió en una regla indispensable de la práctica científica; la objetividad predicaba una ciencia libre de valores; es decir, libre de los prejuicios y opiniones personales de quienes hacen ciencia. El sujeto cognoscente al estar en contacto con el objeto a conocer, debía ver a éste aislando su propia manera de pensar o sentir; esa debía ser la relación objeto sujeto; una relación objetiva, cuya prioridad suprema es el objeto en si mismo.

Sin embargo, en el experimento mental propuesto por Albertr Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, más conocido como experimento EPR,  se demuestra que un aspecto crucial en el mundo subatómico lo es el sujeto observador. El Spin o giro del electrón, como ya se mencionó ( ver entrada "Experimento EPR"), depende del eje de referencia que ha seleccionado el observador; y esto más; el segundo electrón interpretara dicho eje de referencia como suyo también. Así,  en física cuántica el observador no sólo es necesario para apreciar las propiedades de los fenómenos en el mundo subatómico; sino también para provocar la aparición de dichas propiedades.

De esta forma, el papel del observador se convierte en parte fundamental, traspasando la objetividad impuesta por la física newtoniana: al respecto Fridtjof Capra, físico estadounidence, escribe:

Por ejemplo, mi decisión consciente sobre la manera de observar un electrón determinará hasta cierto punto las propiedades de este electrón. Si le hago una pregunta considerándolo como partícula, me responderá como partícula; si, en cambio, le hago una pregunta considerándolo una onda, me responderá como onda. El electrón no tiene propiedades objetivas que no dependen de mi mente. En física atómica es imposible mantener la distinción cartesiana entre la mente y la materia, entre el observador y lo observado. No se puede hablar de la naturaleza sin hablar, al mismo tiempo, sobre uno mismo[2].

La física cuántica, por lo tanto, rompe el ideal clásico de una descripción objetiva de la naturaleza, en donde el observador no puede intervenir con su sistema de valores en las teorías y conclusiones. El viejo dogma de una ciencia libre de valores queda invalidado con los experimentos cuánticos ¿Interesante, no? Desde una ciencia dura, objetiva y exacta como la física, surge una nueva forma de hacer ciencia, en donde los constructos subjetivos, los cuales eran vetados y eliminados de forma radical, retoman la  validez perdida, llevando a la ciencia a un nuevo escenario; en donde los significados, creencias, valores y estados subjetivos, adquieren protagonismo; dándole a la ciencia una nueva orientación, de emancipadora y no solo de una simple observadora aséptica de la realidad[3].

Para Capra, si bien, las profundas investigaciones que realizan los investigadores están separadas de sus sistemas de valores, el paradigma dentro de la cual éstas se llevan a cabo, jamás estará libre de valores. Es decir, las conclusiones que los científicos sacan acerca de sus observaciones en la realidad, están íntimamente relacionadas con sus ideas, conceptos, modelos de pensamiento y por ende, con su sistema de valores. No se puede separar al observador de lo observado; en física cuántica, ambos establecen una relación, la cual es más importante, que los protagonistas de la misma


[1] Tippens, Paul. Física, conceptos y aplicaciones. Editorial McGraw-Hill. México, 2001. Pág. 723

[2] CAPRA Fridtjof. El Punto Crucial. Editorial Integral. Barcelona España, 1985. Pág. 95

[3] Tobar, Anneliza. Ensayo sobre Pobreza, salud mental y Psicología. FLACSO. Guatemala, 2007

lunes, 22 de noviembre de 2010

Entrevista con el Dr. Gustavo Ponce

En el siguiente enlace pueden apreciar una entrevista que le realizaron a nuestro querido Dr. Gustavo Ponce (Q.D.D.G.) hablando acerca de la espintronica, los alumnos de Fisica Moderna II del tercer periodo del año 2009.
Esperamos esto sea de mucho provecho para ustedes.


http://www.youtube.com/watch?v=riiBQLNFOqg

sábado, 20 de noviembre de 2010

Decaimiento Beta

Pensarán que al hablar del decaimiento "beta" nos hemos salido del tema principal del blog; sin embargo, queremos compartir con ustedes una experiencia de aprendizaje muy significativa, que también tiene que ver con física moderna.

Explorando en la web, nos encontramos con una simulación virtual del decaimiento beta; esta simulación fue elaborada por la universidad de Colorado, la pueden encontrar en el siguiente enlace:

decaimiento beta

La simulación se puede realizar con uno ó varios átomos, desde el hidrogeno-3, el carbono-14 o se puede personalizar.

Al hacer la simulación del decaimiento beta para el Hidrógeno-3 observamos que:

  • Después del decaimiento, el Hidrógeno-3 se convierte en Helio-3
  • Al decaer el hidrogeno-3 se libera (irradia)  un electrón y un antineutrino
  • El numero atómico aumenta en el decaimiento, ya que de un sólo protón (que tiene el Hidrógeno) en el núcleo, aumenta a dos (número atómico del Helio)
  • El número de masa (A) se mantiene igual; ya que el decaimiento va de Hidrógeno-3 a Helio-3; es decir, el numero de masa "3" es el mismo, antes y después del decaimiento

Algo importante de recalcar, es que, como expusimos en las observaciones anteriores, el átomo de hidrógeno-3  se convertirá en helio-3 ya que,  un "decaimiento"se caracteriza por un aumento en el número átomico en un factor de uno; así que, si observamos la tabla periódica de los elementos notaremos que el Helio prosede al Hidrógeno en el orden Z (número atómico), además son los únicos dos elementos que están en el primer nivel de energia.

Ahora bien, al realizar la simulación para el carbono-14 se observan las sigueintes similitudes, con respecto al decaimiento del hidrógeno-3:

  • En el decaimiento del Carbono -14 siempre se observa la liberación (irradiación) de un electrón y un antineutrino.
  • Al igual que con el Hidrogeno-3, para el decaimiento del carbono.14 el número de masa no cambia, ya que después del decaimiento se convierte en Nitrogeno-14 ( A=14 antes y despues)
  • También, como sucede con el decaimiento del Hidrógeno-3, en el decaimiento del Carbono 14 el número átomico aumenta en "uno", por lo que se convierte en Nitrogeno, siguiendo siempre el orden Z, de la tabla periódica.
Algo importante de recalcar, es que el carbono 14 tarda más tiempo en decaer que el hidrogeno-3; esto debido a que el primero, tiene un núcleo más pesado.

Si ahora se realiza la simulación con multiples átomos de hidrogeno-3, se puede observar lo siguiente

  • Los núcleos de Hidrógeno no decaen al mismo tiempo
  • El decaimiento sigue un patrón específico ( exponencial)
  • los electrones y antineutrinos, de cada átomo de hidrógeno producto del decaimiento, se dispersan en direcciones diferentes
Con esta simulación se puede comprobar que, como en efecto manda la teoría, el decaimiento sigue un patron exponencial. Esto es facil de determinar, ya que el simulador en la parte superior muestra una gráfica de los tiempos de decaimiento para cada uno de los 99 átomos  simulados.

Si por ejemplo, pausamos la simulación cada cinco años ( esto se indica en la parte superior de la pantalla) y anotamos el número de átomos de hidrógeno-3 remanentes despues de cada periodo de tiempo ( 5 años como tiempo estimado) observaremos que el decaimiento muestra un patron exponencial; es decir, en lenguaje netamente matemático, el decaimiento sigue la gráfica de una función exponencial.


TiempoNúmero remanente de átomos de H-3
099
575
1051
1537
2030
2520
3015
3511
4010



miércoles, 17 de noviembre de 2010

El Debate: La espintrónica, ciencia o tecnología

En la actualidad, mucho se ha hablado ya acerca de la diferencia entre ciencia y tegnología; a la primera se le relaciona con la generación de conocimientos, y a la segunda con la aplicación de ese conocimiento para satisfacer necesidades humanas.

Ya hemos compartido con ustedes los principios científicos en que se basa la espintrónica y de los esfuerzos que hacen algunos científicos especializados en esta área para descubrir nuevas formas de aprovechar el "Espín" del electrón; además, hemos hablado de los dispositivos espintrónicos que están revolucionando el mundo tecnológico de hoy.

Teniendo claro que el objetivo de la ciencia es la generación de conocimiento y el de la tegnología, el de aplicar ese conocimiento y convertirlo en un ente concreto que le facilitará la vida al ser humano.

En su opinión,
¿Cree que la espintrónica es una ciencia o una tecnología?

lunes, 8 de noviembre de 2010

Espintrónica vrs Electrónica

Espintrónica  Vrs Electrónica
En la actualidad, muchos científicos alrededor del mundo prevén que la espintrónica vendrá a sustituir a la electrónica y quitarle el reinado de “tecnología madre”. Desde el descubrimiento de la magnetoresistencia gigante en 1988 por los ganadores del premio nobel de física del 2007, Fert y Grünberg (http://gluonconleche.blogspot.com/2007_10_01_archive.html, 2010) , la espintrónica ha venido a revolucionar el diseño y capacidad de almacenamiento de los discos duros y se estima que dentro de diez años, no sólo gobierne la tecnología informática, sino que también la medicina y la tecnología del entretenimiento.
¿Por qué le será imposible a la electrónica competir con esta nueva tecnología?
Para muchos, la espintrónica es el perfeccionamiento de la electrónica; es decir, se basa en los mismos principios del control de la carga eléctrica, sin embargo, aprovecha una segunda propiedad del electrón, su espín. Por tal razón, la espintrónica va más allá que la electrónica, aprovechando dos propiedades diferentes del electrón, su carga y su espín.
Al ser capaz la espintrónica de no solamente controlar carga eléctrica, sino también el momento magnético del electrón ( giro o espín), la convierte en la tecnología vanguardista que cambiará en el mediano plazo la informática, la tecnología médica, las telecomunicaciones, etc. Llevando a la ciencia aplicada (como se le denomina a la tecnología) a nuevos estadios, tal vez inimaginados por el ser humano actual.
Sin embargo, antes de convertirse en la tecnología de vanguardia, la espintrónica debe lograr conjuntar en un solo dispositivo, el control de la carga y del espín del electrón (http://gluonconleche.blogspot.com/2007_10_01_archive.html, 2010) .De hecho ya se han hecho algunos avances; a partir del descubrimiento  de la magneto resistencia gigante se logró regular la resistencia eléctrica ( y con ello el flujo de carga o corriente eléctrica) de un material, a través del control del giro del electrón por campos magnéticos paralelos o anti paralelos.
 El reto ahora esta en lograr que los dispositivos semiconductores (hechos de silicio o germanio, los cuales revolucionaron la electrónica a partir de su propiedad de poder controlar e incluso amplificar flujo de carga eléctrica a un bajo costo y diseño reducido) se conviertan en dispositivos capaces no solo de controlar o amplificar carga, sino también de controlar el espín e interpretar el momento angular de este, esto es, 0´s y 1´s (espín hacia abajo y espín hacia arriba); es decir, usar el espín como lenguaje binario para almacenar información.
Esto haría los aparatos espintrónicos más eficientes y rápidos al momento de transportar o guardar datos a un menor costo energético y a una mayor velocidad; ya que al aprovechar ambas propiedades del electrón, se estarían diseñando dispositivos con el doble de sensibilidad, capacidad de memoria, velocidad, y lo mas asombroso, a un menor tamaño y a un menor consumo energético.
En la actualidad, muchos laboratorios tanto en Europa, Asia y Estados Unidos, están trabajando en perfeccionar el diseño de dispositivos espintrónicos, que tengan la propiedad de manipular tanto la carga como el espín del electrón. Si esto llega a ser posible, en el mediano plazo serán sustituidos los actuales ordenadores, microprocesadores, discos duros, y computadoras en general; se dice que dentro de muy poco saldrán al mercado las nuevas “computadoras cuánticas” las cuales cargarán al instante al no más encenderlas, calentaran menos y por ende, consumirán menos energía; estas nuevas computadoras aprovecharán tanto el espín como la carga del electrón, lo que las hará mas eficientes, rápidas y con mayor capacidad de memoria (Servicio de informacion y noticias científicas, 2010).
 Nos encontramos pues, ante el umbral de un cambio en el mundo de la informática, las telecomunicaciones, la tecnología médica, el entretenimiento, transporte, y cuanto nos podamos imaginar.



Giro del electrón, sus caracteristicas magnéticas

A continuación queremos compartir la siguiente presentación en powerPoint acerca de algunas  características físicas del espín del electrón

giro del electrón

Interacción Espín Órbita

Interacción  Espín - Orbita

La existencia de los momentos  magnéticos de espín y orbita del electrón inevitablemente lleva  a su interacción mutua. La denominada interacción espín – orbita se entienden mejor desde la interpretación ventajosa del electrón en órbita, que “ve” el nucleo atómico girando a su alrededor. El movimiento orbital aparente del núcleo genera un campo magnético en la posición del electrón, y el momento del espín del electrón adquiere energía magnética  en este campo según la ecuación
U= -m.B
Esto puede entenderse como un efecto Zeeman interno, donde B surge el movimiento orbital del electro en sí.  El electrón posee una energía superior cuando su espín apunta hacia riba, o está alineado con B, que cuando su espín apunta hacia abajo o está alineado de manera opuesta a B.


El acoplamiento de los momentos de espín y orbita que ni el momento angular orbital ni el momento angular del espín se conserva por separado. Pero el momento angular total J=L+S se conserva en tanto no esté presente ninguna torca externa. En consecuencia, existen estados cuánticos  para los cuales   J  y Jz son observables nítida cuantizadas, según  se ha esperado para el momento angular:
            lJl = Raiz(j(j+1) Hbarra 
JZ  =mj h  barra                        Con mj =j,j-I,…,-j
Los valores permitidos para el numero cuántico j del momento angular total  son
J=l+s, l+s-1,…,ll-sI
EN términos de los números cuánticos  orbital (l ) y de espín (s). Para un electrón atómico s=  y l=0, 1, 2… de modo que j=  (para l) y
j= l  (para l>0)
 Observa que el número de valores mj siempre es par para un solo electrón, lo cual conduce a un número par de orientaciones en el modelo semiclasico para J, en vez del número impar pre dicho para solo el momento angular orbital L.

La notación 1S½ describe el estado base del hidrogeno, donde 1 indica que n=1, la S indica que l=0 y el subíndice un medio , denota que J=1/2.donde la interacción  espín -  orbita separa los dos últimos estados de energía aproximadamente por 5x10-5 eV.
  Para j = 3/2, existen cuatro orientaciones posibles de J, y por tanto cuatro valores posibles de Jz

domingo, 7 de noviembre de 2010

El Espín del Neutrón

Al igual que el protón y el electrón, posee un momento angular intrínseco o espín, tambien tiene un momento magnético negativo de -1913141 magnetones nucleares.
La antiparticula del neutrón, el antineutrón tiene el mismo valor de espín, que estan compuestas a su vez de quarks.
La radiografia de neutrones, es la aplicación más importante de los neutrones que es generada por un reactor, que es una tecnica muy parecida a los rayos x, tambien se ha utilizado mucho en el estudio del combustible nuclear y otros componentes de los reactores.
En la actualidad se utiliza en general en las ciencias físicas y biológicas, así como tambien en las aplicaciones tecnológicas, la paleontología, arqueología y en la historia del arte.

El Espín del Fotón


Los físicos de EE.UU. han realizado una seríe de experimentos basado en el láser para confirmar que los fotones se comportan según las estadísticas de Bose - Einstein, descartando la posibilidad de que estos fotones fueran fermiones.
Está estadística, es un tipo de mecánica estadística que se aplica a la determinación de las´propiedades estadísticas de conjuntos grandes de partículas indistinguibles que son capaces de coexistir en el mismo estado cuántico (bosones) en equilibrio térmico, fue introducida para estudiar las propiedades estadísticas de los fotones, en 1920 por el físico hindú Satyendra Nath Bose y generalizada por Alberth Einstein en 1924 para otros atomos y bosones.
En física se sabe que las partículas se presentan en dos variedades basicas: los bosones, que son los que tienen valores enteros de momento angular intrínseco o espín, y los fermiones que tienen un espín semientero. Los bosones son partículas portadoras de fuerza, se puede mencionar el fotón, W y Z, y siguen la estadística de Bose - Einstein.
Con las matemáticas de la teoría cuántica de campos ha permitido demostrar el principio de que las partículas de espín entero por la estsística de Bose - Einstein, y que las partículas de espín semientero muestran un comportamiento de Fermi - Dirac, de la cuál Richard Feynman no estuvo de acuerdo.
Experimentos realizados por diferentes físicos, recientemente han demostrado que los fotones se comportan como bosones. El nombre de fermión fue dado en honor al cientifico italiano Enrico Fermi, se caracteriza por tener espín semientero de 1/2, 3/2,...... Un fermión o un bosón dependera del número de fermiones que contengan, por ejemplo si la partícula contiene un número par de fermiones entonces son bosones, como los mesones o el núcleo de carbono - 12; si tienen un número impar de fermiones son fermiones, como los bariones o el núcleo de carbono - 13.
Los fermiones elementales son el quarks que son los que experimentan la interacción nuclear fuerte y los leptones que son los que interactuan mediante la interacción eletro débil.     

El Espín del Protón

Los protones tienen un espín intrínseco, es decir que no surge del movimiento orbital de sus partes en torno a su centro, que es aprovechada en la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN).
Esta consiste en que a una sustancia se le aplica un campo magnético que detecta la corteza alrededor de los protones que hay en los núcleos de dicha sustancia, que es proporcionada por las nubes de electrones. El momento angular del protón es intrínseco, o espín, y es un momento magnético. El protón cumple con el principio de exclusión, que consiste en que dos partículas elementales de espín semientero, no pueden tener al mismo tiempo el mismo estado cuántico o estado de energía en un átomo.
El protón se dice que está formado por tres quarks de valencia (uud), dos quarks up y uno down. Se dice que el espín del protón debería ser 1/2 por que la suma de los quarks es 1/2 - 1/2 + 1/2, pero los experimentos de dispersión inelástica muestran lo contrario, y estos quarks sólo aportan el 20 - 30% del espín total del protón. Se supone que el protón está formado por muchos gluones y pares de quarks - antiquarks. La RHIC(Relativistic Heavy Ion Coclider en Brookhaven, EE.UU.) realizo una interpretación teorica de algunos experimentos que indican que los gluones aportan muy poco al espín del protón el 3 - 5% del total. No se sabe exactamente de qué depende el espín del protón, pero se supone qué depende del momento angular orbital conjunto de quarks y gluones. Los expertos dicen que se necesitan muchos años de estudio para determinar con exactitud mediante experimentos de qué depende el espín del protón.