Porque consideran que el mundo microscopico y macroscopico se relacionan
El mundo microscópico y macroscópico están estrechamente relacionados debido a que ambos niveles de observación son parte integral de nuestro entorno y tienen un impacto significativo en nuestra comprensión del mundo que nos rodea. Aunque son diferentes en términos de escala y características, existen varias formas en las que estos dos mundos se relacionan entre sí.
En un estudio publicado el 1 de julio en la revista Nature , los investigadores de Dartmouth describen un ejemplo del mundo cuántico microscópico que influye (y dicen que incluso domina) el comportamiento de algo en el mundo macroscópico clásico.
Una de las principales cuestiones de la física tiene que ver con la conexión entre los mundos microscópico y macroscópico, afirmó Alex Lindbergh, profesor asociado de física en el Dartmouth College.
En el mundo microscópico, pequeñas partículas subatómicas como fotones y electrones obedecen las leyes, a veces extrañas, de la mecánica cuántica. Al mismo tiempo, los objetos del mundo macroscópico, generalmente cualquier cosa visible a simple vista, obedecen las leyes clásicas de la física descubiertas por Newton en el siglo XVII.
Pero más de 300 años después de Newton, Einstein demostró que la luz está formada por pequeños paquetes de energía llamados cuantos. Este descubrimiento marcó el comienzo de la teoría cuántica, aunque fueron necesarias décadas de investigaciones adicionales por parte de varios grandes pensadores científicos para finalizar la teoría moderna de la mecánica cuántica.
Una de las leyes más extrañas de la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre, propuesto por primera vez por el físico alemán y premio Nobel Werner Heisenberg en 1927. Cuando una partícula, como un electrón, se mueve, no se puede determinar su posición.
Para realizar una medición, el experimento debe interactuar con el objeto que se está midiendo, explica Linberg. Pero, en última instancia, la interacción significa que tienes que ejercer una fuerza sobre el objeto que estás midiendo. Si intentas medir la posición de un objeto, cualquier medición hará que el objeto se mueva de manera impredecible y aleatoria. Este efecto aleatorio tiende a afectar lo que estás midiendo se llama reacción.
Desde una perspectiva filosófica, Einstein nunca pudo aceptar la idea de que el acto de medir cambiaba el objeto que se estaba midiendo, y luchó con esto hasta su último aliento. Pero ahora se sabe que el principio de incertidumbre es válido para todas las interacciones a nivel cuántico.
Lo que no está claro es cómo están conectados los mundos cuántico y clásico. Lo que realmente no entendemos es cómo el comportamiento clásico surge del comportamiento cuántico a medida que los sistemas se hacen cada vez más grandes, dijo Lindberg. Tampoco entendemos realmente cuánto afecta la mecánica cuántica al mundo clásico en el que vivimos.
Haz que suceda
Rimberg y su colega Miles Blencowe, con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), lideran ahora un equipo de investigadores que demuestran eventos de la mecánica cuántica que afectan al mundo clásico.
Lindberg dijo que los científicos no se propusieron lograr nada por el estilo. En lugar de ello, intentaron medir los cambios rápidos de carga en la escala nanométrica.
Para hacer esto, primero crearon pequeños cristales semiconductores, similares a chips de computadora, cada uno de aproximadamente 3 milímetros (aproximadamente 1/10 de pulgada) de diámetro. Depositaron puertas de oro sobre el cristal, dejando una pequeña rotura de sólo unos pocos cientos de micrones en el medio de la oblea. Esta ruptura se denomina contacto puntual cuántico o QPC.
Al conectar el chip a un circuito, los electrones fluyen a través de los contactos metálicos hasta llegar al QPC. Aquí comenzaron a descubrir una de las peculiaridades de la mecánica cuántica.
Se puede pensar en un QPC como una barrera de túnel, algo así como una pared de electrones, explica Rimberg. Cuando la pared es lo suficientemente alta, los electrones no tienen suficiente energía para atravesarla. Si los electrones fueran objetos clásicos, ese sería el final de la historia. Pero como los electrones obedecen las leyes de la mecánica cuántica, en lugar de cruzarla, puede hacer un ‘túnel cuántico’ a través de él.
Por lo tanto, cuando el flujo de electrones en una corriente eléctrica se acerca al QPC, cada electrón en el flujo de electrones elegirá aleatoriamente reflejarse desde la barrera o atravesar la barrera.
Este proceso aleatorio introduce ruido en la corriente, que es causado por fluctuaciones aleatorias en el número de electrones que pasan en un momento dado, dijo Lindberg. Debido a que este ruido es producido por la mecánica cuántica, a veces se le llama ruido cuántico.
Medición del ruido cuántico
En este experimento, los científicos utilizaron un cristal semiconductor hecho de arseniuro de galio, que presenta una propiedad llamada piezoelectricidad. El término piezoeléctrico se refiere al hecho de que una corriente eléctrica que fluye a través de un cristal provoca un movimiento mecánico o físico del propio cristal, similar a la forma en que una esponja se expande cuando se expone al agua.
Los cristales piezoeléctricos a veces se denominan resonadores porque pueden resonar o vibrar en respuesta a señales eléctricas. Estos resonadores pueden moverse de diferentes maneras (estirándose o doblándose) dependiendo de la frecuencia de la señal y la forma del cristal.
“Las vibraciones tridimensionales del cristal resonador son exactamente las mismas que se producen al golpear un diapasón o al pasar un dedo mojado por el borde de una copa de vino”, explica Rimberg. El vaso (o el diapasón) comienza a tararear como una nota musical; esto se debe a que los átomos del vaso participan colectivamente en un patrón vibratorio especial determinado por su geometría.
De la misma manera, dijo Rimberg, los electrones que rebotan en la pared del QPC ejercen fuerzas de reacción aleatorias sobre el cristal. En este caso, la fuerza de reacción hace que el cristal vibre en una de sus frecuencias favoritas. Los investigadores se sorprendieron cuando midieron la corriente en función de la frecuencia y encontraron fuertes picos que sugerían que una reacción estaba creando un circuito de retroalimentación.
Ni yo ni nadie esperaba la firma espectral que mostraba que la muestra estaba vibrando, dijo Lindberg. Dedicamos bastante tiempo y esfuerzo a convencernos de que se trataba de un efecto real, pero nos llevó aún más tiempo y esfuerzo descubrir qué era.
Incertidumbre de acción
En nuestro caso, la corriente que fluye a través del QPC proporciona información sobre la ubicación del cristal semiconductor donde se encuentra el QPC, dijo Blencowe. Pero debido al ruido cuántico en la corriente, el número de electrones a cada lado del QPC (aproximadamente 10.000) fluctúa aleatoriamente en un momento dado.
Como estos electrones tienen carga, ejercen una fuerza piezoeléctrica sobre el cristal, provocando que se mueva. Vale la pena señalar que sólo unos 10.000 electrones pueden hacer que los 10 20 (100 quintillones) de átomos de un cristal se muevan simultáneamente, dijo Blencowe.
La diferencia de tamaño entre las dos partes del sistema es realmente enorme, explica Blencow. Para dar una idea de perspectiva, imaginemos que esos 10.000 electrones corresponden a algo pequeño y macroscópico, como una pulga. Para completar la analogía, el cristal tendría que ser del tamaño del Monte Everest. Si imaginamos una pulga saltando sobre el Monte Everest .
Nuestro trabajo es un ejemplo directo de cómo el mundo cuántico microscópico afecta o incluso domina el comportamiento de algo en el mundo macroscópico clásico, dijo Lindberg. El movimiento de un cristal semiconductor no está dominado por el movimiento clásico, como el movimiento térmico, sino que está determinado por fluctuaciones cuánticas aleatorias en el número de electrones que hacen túneles.
En este caso, señala Lindberg, el mundo macroscópico también afecta al mundo cuántico, ya que las vibraciones en el cristal hacen que los electrones formen grandes rayos.
Hay varias direcciones posibles que el equipo podría tomar en futuras investigaciones. En primer lugar, utilizaremos QPC para la detección de cargas, como siempre hemos pretendido, afirmó Rimberg. En segundo lugar, continuaremos estudiando cuestiones sobre la transición cuántica-clásica, pero usando resonadores más pequeños que estos cristales, cosas que se encuentran en el límite difuso entre los sistemas cuánticos y clásicos mejor entendidos. Este límite a veces se llama mesoscópico. escala.
El estudio de tales sistemas avanza el conocimiento fundamental y aborda algunas preguntas muy prácticas, que incluyen: ¿Cuáles son los límites fundamentales de medición? ¿Cuáles son los dispositivos de medición más sensibles que se pueden fabricar?, explica Daryl Hess, director de proyectos de la División de Investigación de Materiales de NSF.
A medida que nuestra ciencia y tecnología se reducen a escalas cada vez más pequeñas, donde los dispositivos electrónicos y mecánicos pueden ser sólo unos pocos átomos en una o más dimensiones, este tipo de preguntas se vuelven más apremiantes, añadió Hess. En estas escalas, el dispositivo puede ser más urgente. muestran algunos aspectos que aparecen directamente en el mundo de la mecánica cuántica, y otros aspectos que aparecen íntegramente en el mundo de la mecánica clásica.
Interdependencia en la comprensión científica
La ciencia se basa en la observación y el estudio de fenómenos naturales, y tanto el mundo microscópico como el macroscópico son objetos de estudio en diversas disciplinas científicas. La investigación científica en el mundo microscópico, como la microbiología o la biología celular, nos permite comprender los procesos fundamentales de la vida a nivel celular y molecular. Estos conocimientos son esenciales para comprender los fenómenos macroscópicos, como la fisiología de los organismos, la ecología y la evolución.
Por otro lado, la observación y el estudio del mundo macroscópico, como la física, la química y la astronomía, también nos brindan información valiosa sobre las leyes y principios que rigen el universo a gran escala. Estos conocimientos macroscópicos a menudo se aplican para comprender y explicar los fenómenos microscópicos, como la estructura atómica, las reacciones químicas y los procesos físicos a nivel subatómico.
Conexiones en los sistemas biológicos
En los sistemas biológicos, existe una conexión intrínseca entre los niveles microscópico y macroscópico. Los organismos vivos están compuestos por células, que son las unidades básicas de la vida. Estas células, a su vez, contienen estructuras microscópicas como orgánulos, moléculas y átomos. El funcionamiento y la interacción de estas estructuras microscópicas dan lugar a los procesos macroscópicos que observamos en los organismos, como el crecimiento, la reproducción y la respuesta a estímulos ambientales.
Además, los estudios a nivel microscópico nos permiten comprender mejor las enfermedades y los trastornos que afectan a los organismos a nivel macroscópico. Por ejemplo, la investigación en microbiología nos ayuda a comprender las causas y los mecanismos de las enfermedades infecciosas, lo que a su vez nos permite desarrollar tratamientos y medidas preventivas a nivel macroscópico para proteger la salud de las personas y los animales.
Impacto tecnológico y aplicaciones
La relación entre el mundo microscópico y macroscópico también se evidencia en el desarrollo de tecnologías y aplicaciones prácticas. Los avances en la observación y manipulación de objetos a nivel microscópico han llevado al desarrollo de herramientas y técnicas como la microscopía electrónica, la nanotecnología y la biotecnología. Estas tecnologías nos permiten estudiar y manipular materiales y sistemas a escalas microscópicas, lo que tiene aplicaciones en campos tan diversos como la medicina, la electrónica, la energía y la fabricación.
Por otro lado, los avances en la tecnología macroscópica, como la ingeniería civil, la aeronáutica y la astronomía, también tienen un impacto en el mundo microscópico. Por ejemplo, la ingeniería de materiales y la nanotecnología se benefician de los conocimientos macroscópicos para diseñar y fabricar materiales con propiedades específicas a nivel microscópico.