La Teorías cuántica de los fenómenos

Teorías cuántica

La relatividad de la Teorías cuántica de los fenómenos y el comienzo de nuestro universo

Aquí se presentan diversas teorías cuánticas de campos y cuestiones interrelacionadas, acompañadas de preguntas asociadas, discusiones filosóficas y conocimientos. Este artículo incluye, entre otros, una discusión sobre el comienzo de nuestro universo, observaciones espacio-temporales y las necesidades no deterministas de experimentos reales para probar teorías en física, específicamente la posibilidad de determinar la existencia de un objeto en el espacio sin interactuar necesariamente con eso. Parte de los temas discutidos aquí son más filosóficos que en el ámbito de la física teórica.

Antecedentes

La relatividad especial se introdujo en 1905. Nos dice que el movimiento, el tiempo y la velocidad son relativos al observador y no absolutos. Además, sabemos que las partículas no pueden superar la velocidad de la luz. La relatividad general, que se introdujo en 1915, trata sobre la gravedad y nos dice cómo el espacio-tiempo se dobla debido a la masa mientras afecta el movimiento de las partículas.

La Física Cuántica explica la interacción entre las partículas, que constituyen la materia y sus fuerzas relacionadas, es decir, explica cómo funciona todo. Einstein fue uno de los primeros físicos que describió la evolución de las ideas desde los primeros conceptos hasta la relatividad y los cuantos [1] y la introducción de ondas gravitacionales [2].

Hay varias teorías cuánticas. La mecánica cuántica fue desarrollada en 1920 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y otros. Nos dice, entre otros, cómo cambia la posición o el impulso de una o más partículas con el tiempo.

Hay tres fuerzas con las que interactúa la materia: electromagnetismo, que explica cómo se mantienen unidos los átomos, la fuerza nuclear fuerte, que explica la estabilidad del núcleo del átomo, y la fuerza nuclear débil, que explica la desintegración radiactiva de algunos átomos. Estas tres teorías se reunieron bajo el paraguas denominado Modelo estándar de física de partículas. El problema con este modelo es que no explica por qué la materia tiene masa.

La existencia de una partícula que da a todas las demás partículas fundamentales su masa, fue predicha por las Teorías Cuánticas de Campo (QFT) hace más de cinco décadas y probada recientemente (2012) por Higgs [3].

El principio

Casi todo el mundo está de acuerdo en que el universo tuvo un punto de partida definido. Algunos físicos creen que el momento o el momento real de la creación no se puede explicar mediante las leyes de la física actualmente conocidas. Somos conscientes de la existencia de ondas gravitacionales que son provocadas por movimientos de grandes masas. Esas ondas fueron predichas por Einstein y están incluidas en su teoría de la relatividad general.

Hace 13,8 mil millones de años, ocurrió el Big Bang [4]. En consecuencia, esta es la distancia que puede extenderse el universo observable, que es de 13,8 mil millones de años luz. Podemos suponer además que el espacio-tiempo más allá de esa distancia podría ser otro universo y, por tanto, podría haber múltiples universos o multiverso. Podemos discutir sobre el Big Bang que generó nuestro universo. ¿Y si hubiera más de un Big Bang? Esta suposición puede conducir a la existencia de un multiverso.

Una nueva era para la comprensión de nuestro universo puede iniciarse recientemente con el descubrimiento del bosón de Higgs. Un bosón es un tipo de partícula subatómica que imparte una fuerza. Peter Higgs intentó explicar por qué ciertas partículas tienen masa y otras no y flotan en el universo como fotones de luz. Según Einstein, E = mc ^ 2, lo que significa que la energía y la masa son equivalentes entre sí, es decir, la masa m = E / c ^ 2 en consecuencia, si agregamos suficiente energía, podemos crear masa. Hemos tenido debates interminables sobre cómo comenzó el universo y qué fue antes. Mi suposición, basada en muchos argumentos, es que la única forma en que no violamos ninguna ley de conservación es asumir que nuestro universo fue creado de la nada. Podría haber otra teoría que apoye la idea de que la creación de nuestro universo no tiene fin ni comienzo.

Tiempo, espacio y relatividad

Usamos la palabra tiempo directa e indirectamente muy a menudo en nuestra conversación diaria y durante toda nuestra vida: el tiempo es dinero, tiempo de la vida, una y otra vez, entre tiempos, ganancia / pérdida de tiempo, tiempo bueno / malo, tiempo lento / rápido, tiempo correcto / incorrecto, tiempo antes / después, tiempo presente, tiempo pasado, tiempo real, a tiempo, en poco tiempo, matar el tiempo, en cualquier momento, cada vez, mucho tiempo, atemporal, límite de tiempo, ciclo de tiempo, curas de tiempo , y el tiempo vuela ...

Los artistas representan el tiempo de diversas formas, entre ellas los famosos "relojes de fusión" de Dalí. Podemos distinguir entre tiempo puro, tiempo relativo y tiempo absoluto. La medición del tiempo es la unidad de tiempo a la que se refieren en última instancia todos los dispositivos de medición del tiempo. Es un punto o un período en el que suceden cosas, una instancia repetida de algo o una referencia a la repetición, el estado de las cosas en cualquier período.

El espacio es esa parte del continuo ilimitado de cuatro dimensiones en el que la materia se extiende físicamente en lugar de temporalmente. La relatividad reconoce la imposibilidad de determinar el movimiento absoluto y conduce al concepto de un continuo espacio-tiempo tetradimensional.
La teoría especial de la relatividad, que se limita a la descripción de los eventos tal como aparecen a los observadores en un estado de movimiento uniforme entre sí, se desarrolla a partir de dos axiomas: la ley de los fenómenos naturales es la misma para todos los observadores y la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores independientemente de su velocidad. El espacio y el tiempo en la visión moderna están unidos en un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

No existe una distinción clara entre el espacio tridimensional y el tiempo independiente. El tiempo significa cosas diferentes para diferentes "observadores". Esto puede no estar de acuerdo con los axiomas (en los que se basa la teoría de la relatividad especial) descritos anteriormente, al menos no desde un punto de vista psico-filosófico.

Estos 'observadores' pueden incluir personas (humanos), animales, plantas, relojes y otros seres fuera de nuestro universo de tiempo. El tiempo parece ser diferente para diferentes personas: la edad, la educación, el origen, la etapa mental y la religión pueden afectar. El tiempo parece "lento" cuando somos jóvenes y "rápido" a medida que envejecemos. El tiempo parece pasar más rápido cuando nos divertimos o cuando estamos ocupados, a diferencia de cuando estamos aburridos o inactivos. La descripción de eventos relacionados con el tiempo en la historia de la humanidad difiere en diferentes culturas.

Los relojes y otros instrumentos similares miden el tiempo y tienden a ser casi idénticos en términos de información al respecto. Esto es de esperar ya que los diseñamos todos para medir el tiempo definido para ser consistente dentro de nuestro universo. El tiempo es continuo con respecto a nuestro universo y dentro de él, y es relativo a nuestras observaciones. Cuando observamos un objeto en movimiento entre dos puntos, lo 'vemos' recorriendo toda la distancia entre los dos puntos, por lo que asumimos que esta continuidad de observación significa que el tiempo es continuo. Sin embargo, este puede no ser el caso si realizamos nuestra observación en otra galaxia o en otra dimensión, donde estas reglas no son necesariamente válidas. En el dominio digital, a diferencia del dominio analógico, podemos observar la misma continuidad de objetos en movimiento. La hora está digitalizada, sin embargo.

Para otras criaturas, estas brechas de tiempo pueden representar su ciclo de vida completo, o podemos estar viviendo dentro de nuestro tiempo con otra forma de vida, cuya resolución temporal encaja con nuestros 'tiempos muertos', que son nuestras brechas de tiempo. La televisión se ve como imágenes en movimiento continuo, mientras que en realidad comprende imágenes individuales discretas, proyectadas a treinta cuadros (o más) o imágenes por segundo. El tiempo se puede medir, visualizar y evaluar. Las herramientas del observador para la evaluación del tiempo son sus sentidos. Des-afortunadamente, los sentidos se pueden engañar.

La luz estroboscópica proyectada sobre un disco giratorio generará la ilusión de un disco inmóvil. Entonces, ¿nuestras otras observaciones son incorrectas o al menos inexactas, particularmente si somos una pequeña subparte o subespacio de una galaxia mucho más grande y compleja?

En el laboratorio, hemos acelerado y ralentizado con éxito ciertos procesos, como los químicos u otros procesos naturales. Estos experimentos ofrecieron la posibilidad de controlar procesos que eran funciones del tiempo. Ciertos procesos se revertieron con éxito a lo que eran antes, lo que indica un 'pseudo retroceso en el tiempo', que no es retroceso en el tiempo, pero lo parece.
La introducción de las computadoras generó una revolución en los procesos relacionados con el tiempo y permitió no solo la observación de fenómenos relacionados con el tiempo pasados ​​y presentes, sino también procesos predictivos, que son escenarios futuros dependientes del tiempo. El tiempo afecta todo nuestro ciclo de vida, nuestro nacimiento, nuestra vida y nuestra muerte. Nuestros latidos casi una vez por segundo y nuestro reloj biológico interno operan a lo largo de nuestra vida. Si volcamos este reloj volando a otra zona horaria, nuestro cuerpo sufre un fenómeno conocido como jet lag y tarda algún tiempo en adaptarse a su nueva condición. El tiempo afecta a la mayoría de los procesos y fenómenos de la tierra, algunos más rápidos y otros más lentos. Si hay fenómenos independientes del tiempo o un fenómeno que hasta el día de hoy parece no verse afectado por el tiempo, entonces estos escenarios deben clasificarse como "pasado, presente y futuro probable" [5].

Como el tiempo del observador es limitado, no podemos analizar estos fenómenos atemporales sin utilizar ciertas suposiciones y predicciones.

Según Einstein, el tiempo se parece más a un río, fluye alrededor de estrellas y galaxias, acelerándose y disminuyendo a medida que pasa por cuerpos masivos. Un "segundo" en la tierra no es un segundo en Marte. Todos los materiales, incluidas todas las formas de vida conocidas y otros cuerpos celestes de propiedad masiva, dependen del tiempo. En el tiempo tenemos el intervalo entre pasado y futuro, mientras que en el espacio podemos permanecer en el mismo lugar. El tiempo tiene un momento secuencial que se sigue, por lo que parece que el tiempo se mueve y se mueve en una dirección [6].

Desde la década de 1920 sabemos que la energía no es continua y que no estamos hechos de partículas sino de campos. El campo no puede quedarse quieto, según el principio de incertidumbre de Heisenberg. Uno de los fenómenos físicos extraños es el Quantum Leap, que es una transición discreta o discontinua entre estados cuánticos. Esto sucede cuando un electrón en un nivel de energía en un átomo salta instantáneamente a otro nivel de energía. Está emitiendo o absorbiendo energía durante este salto, lo que ocurre instantáneamente sin tomarse ningún tiempo para hacerlo [7].

Se requieren experimentos para probar teorías en Física.

La necesidad de probar teorías mediante experimentos en física es obvia. La física es una ciencia experimental. Algunos dirían que la física teórica es inútil sin pruebas experimentales. No todo el mundo está de acuerdo con esta declaración determinista.

El papel de los teóricos es proponer varios escenarios alternativos, que se prueban mediante ciertos experimentos aplicando un alto nivel de rigor lógico y matemático. Vincular teorías a experimentos no es una tarea fácil y requieren una alta precisión lógica. Albert Einstein apoyó el uso de experimentos mentales como una herramienta para probar la realidad física, no necesariamente usando experimentos reales, especialmente cuando era técnicamente difícil o incluso imposible. En general, no estamos defendiendo la necesidad de un experimento para probar una teoría; sin embargo, sostenemos que el mero acto físico del experimento en ciertos casos puede probar o refutar una teoría física, mientras que el experimento en sí mismo puede generar una incertidumbre.

Además de la física, la necesidad de realizar pruebas y experimentos son necesidades típicas en diversos campos científicos. En industrias como la aviación, la necesidad de pruebas no destructivas es obvia. Las soluciones se basan en la aplicación de tecnologías láser sofisticadas como la holografía. En medicina, realizamos la reconstrucción de nuestros órganos internos o tumorales mediante el uso de algoritmos de filtrado (Fourier) y retroproyección de Astro-Physics como los que se utilizan en los sistemas de TC y RM.

Los mayores descubrimientos científicos se originaron entre las sinapsis del cerebro del científico y no necesariamente se originaron o demostraron mediante un experimento. Algunos de ellos nunca se probaron en un laboratorio y algunos de ellos hasta hoy no se probaron, debido a muchas razones además de la incapacidad técnica u otros obstáculos.

Durante las últimas décadas, los físicos argumentan que, a pesar del gran progreso en las matemáticas que apoyan las teorías, todavía tienen una conexión limitada con las pruebas experimentales. Hay físicos teóricos que abrazan esta posibilidad de hacer física teórica sin necesidad de verificación experimental.

No siempre se requiere insistir en experimentos solo para probar una teoría para determinar la exactitud de la teoría relacionada. El caso de la dualidad partícula-onda bien puede demostrar esta afirmación.

Como escribió Einstein: "Parece que debemos usar a veces una teoría y a veces la otra, mientras que a veces podemos usar cualquiera. Nos enfrentamos a un nuevo tipo de dificultad. Tenemos dos imágenes contradictorias de la realidad; por separado ninguna de las dos. explican completamente el fenómeno de la luz, pero juntos lo hacen ".

Esta afirmación de dualidad y otras afirmaciones de problemas de verificación de teoría se requieren específicamente en teorías en las que necesitamos determinar la existencia de un objeto en el espacio sin interactuar necesariamente con él.

Sabemos que nuestro QFT no es perfecto y puede tener muchos 'agujeros' y teorías no deterministas o no probadas. Este hecho ha introducido un cierto nivel de incertidumbre, como el principio de incertidumbre de Heisenberg (1927), en consecuencia, no podemos medir simultáneamente la posición y la velocidad de un objeto.

Los físicos y los filósofos pueden tener puntos de vista comunes y superpuestos de las teorías. Ambos pueden creer en teorías que no pueden probar. Algunos físicos teóricos pueden creer en sus teorías incluso cuando no tienen pruebas empíricas o experimentales.

La teoría de cuerdas vincula la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad de Einstein. En general, la teoría establece que las partículas subatómicas son cuerdas unidimensionales muy pequeñas, no puntos de dimensión cero y que se mueven o vibran constantemente. Sin embargo, actualmente, no podemos probar la validez de la teoría de cuerdas, aunque la mayoría de los físicos creen que es viable. Einstein nunca realizó un solo experimento; todas sus teorías eran predicciones, suposiciones de que años más tarde algunas de ellas fueron probadas por un experimento real.

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