Erwin Schrodinger fue un físico y filósofo ganador del Premio Nobel de Física en 1933, el cual compartió con su colega Paul A. M. Dirac. En este artículo estaremos describiendo a profundidad las aportaciones de Schrodinger a la ciencia, te invitamos a descubrirlas aquí.
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Biografía de Erwin Schrodinger
Erwin Schrodinger fue un físico austriaco que nació en el año 1887 y tuvo un desarrollo profesional notable, siendo reconocido con un premio Nobel, recordemos que este es un reconocimiento entregado a aquellas personas o instituciones que hayan realizado aportes notables para la humanidad.
Las más importantes aportaciones de Schrodinger al mundo de la física incluyeron la elaboración de una expresión matemática que explica las ondas estacionarias discretas, aquellas que describen cómo se distribuyen los electrones dentro del átomo. Acerca de este tema estaremos explicando más adelante, por los momentos conozcamos a continuación un poco de la vida de Erwin Schrodinger.
Este físico nació en el año 1887 en Erdberg, una localidad cercana a Viena, esta última es una ciudad austriaca ubicada a las orillas del río Danubio. Sus padres fueron Rudolf Schrödinger y Georgine Emilia Brenda. En el año 1898 entró en el Academia Gymnasium, la cual era de las instituciones con mayor prestigio en la enseñanza de educación media para la época.
Estudió en la universidad de la misma ciudad, la cual fue fundada en el año 1365 por Rodolfo IV, miembro de la Casa de Habsburgo y duque de Austria. En ella tuvo profesores como Franz Serafin Exner y de Friedrich Hasenöhr, en su desarrollo académico realizó trabajos experimentales en colaboración con Friedrich Kohlrausch y se convirtió en el año 1911, en asistente de Franz Serafin Exner.
En el año 1914 logra la máxima calificación académica que una persona puede alcanzar en algunos países de Europa y Asia; a la edad de 31 años participó en la I Guerra Mundial, en este período aciago de la historia del mundo, Schrödinger formó parte del ejército austriaco y participó en Diuno, Gorizia, Viena, Sistiana y Prosecco.
Posteriormente, se casó con Annemarie Bertel en el año 1920. En sus primeros pasos como físico luego de la primera Guerra Mundial, fue profesor de diferentes universidades, las cuales estaban ubicadas en Alemania, Polonia y Austria.
En el año 1926 publicó un artículo científico titulado “Cuantización como problema de autovalores”, en la revista Annalen der Physik, en donde desarrollaba la ecuación de Schrodinger. En el año 1927 sustituye a Max Planck en la Universidad de Berlín, quien era un físico y matemático alemán, actualmente considerado el creador de la teoría cuántica.
Los problemas ideológicos lo hacen abandonar Alemania en el año 1933, es así como termina trabajando en la Universidad de Oxford. Luego, fue director del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, durante 15 años, de donde salió jubilado.
Schrödinger recibe el premio Nobel de Física en el año 1933, el cual compartió con el Paul A. M. Dirac, físico británico, quienes estudiaron los espectros atómicos, termodinámica estadística y la mecánica ondulatoria. Terminó convirtiéndose no solo en físico sino en filósofo, pero lo cierto es que las aportaciones de Schrodinger al mundo de la física fueron verdaderamente notables.
Luego del premio Nobel, publicó una serie de libros en los que se puede destacar una Recopilación de artículos sobre mecánica ondulatoria, el mismo fue editado en el año 1928, y se habría titulado “Teoría atómica moderna” para el año 1934, “Termodinámica estadística” en el año 45 y “Universos en expansión” en 1956, asimismo obtuvo más de 50 publicaciones científicas en varias áreas.
Este notable científico falleció en el año 1961 a la edad de 73 años en la ciudad de Viena, había contraído tuberculosis, sus restos mortales se encuentran enterrados en Alpbach, Austria.
Aportaciones de Schrodinger en astronomía
La mecánica cuántica estudia el mundo de los sistemas atómicos y los subatómicos, sin embargo, también funciona muy bien para explicar la evolución de los cuerpos celestes que se encuentran en nuestro inmenso universo, los cuales fundamentan la Ecuación de Schrödinger que rige el mundo de las partículas elementales.
Es importante resaltar que cuando hablamos de partículas elementales, nos referimos a aquellas partículas que no están formadas por otras partículas más pequeñas y tampoco se les conoce que tengan una estructura interna, el comportamiento de este tipo de partículas es el que describe la mecánica cuántica.
Tal vez se haya comenzado a preguntar ¿cómo es posible que las ecuaciones desarrolladas para describir y probar el mundo subatómico puedan servir para describir objetos de escalas más grandes?. Pues la ciencia no se detiene y una nueva investigación propone que la Ecuación de Schrödinger puede funcionar para describir la evolución a largo plazo de ciertas estructuras astronómicas.
En principio, para entenderlo debemos señalar que los objetos astronómicos generalmente están rodeados por grupos de objetos más pequeños, que giran alrededor de ellos. Esto ocurre debido a la fuerza gravitacional, esas enormes cantidades de material que giran entorno a un cuerpo celeste, pueden ser observados en tiempo real como discos planos y redondos.
Sin embargo, como sabemos, los objetos que orbitan son partículas individuales con diferente tamaño y masa. Si logramos imaginar ese disco redondo en millones de años luz, seremos capaces de apreciar que muestran ondulaciones, tal como las ondas que se producen en un lago.
A propósito de esto, el científico Konstantin Batyguine, un joven con menos de treinta años de edad, sugiere que esas deformaciones se comportan de manera similar a las partículas elementales, de modo que la propagación dentro del disco astrofísico puede ser descrita con los mismos modelos matemáticos, utilizados para describir el comportamiento de una sola partícula cuántica.
Es aquí donde vuelven a ser relevantes las aportaciones de Schrödinger, ya que la ecuación que sirve para sistemas microscópicos, también funciona para describir sistemas enormes en tiempos igualmente amplios que permiten tratarlas como partículas individuales. Para ello se realizan simulaciones en las cuales hacen que el material del disco sea cada vez más delgado, haciéndolo ver infinito y esta aproximación derivó en la ecuación de Schrödinger.
El modelo atómico
Las aportaciones de Schrodinger a la humanidad son verdaderamente importantes. Está de más decir que esta fue una de esas personas excepcionales, con un coeficiente intelectual por encima del promedio, el cual siempre invirtió en la búsqueda de respuestas no solo en el ámbito de la física, sino también de la filosofía.
Con las intervenciones que realizaba en conversatorios y talleres, lograba despertar la curiosidad de la personas que asistían a ellas. Existe una anécdota asociada a este último comentario que involucra a James Watson, el investigador que logró descubrir la doble hélice del ADN, quien dejó saber que fue a través de la lectura del libro “What is Life?” de Schrödinger, el cual era compilación de sus intervenciones y charlas filosóficas, que despertó su inspiración para estudiar los genes.
Erwin Schrödinger fundamentaba su trabajo bajo la teoría de que si no podía explicar lo que estaba haciendo, entonces carecía de valor, así que dedicó buena parte de su vida a desarrollar modelos y explicaciones matemáticas sobre lo que trabajaba e investigaba.
De esta manera desarrolló una rigurosa descripción matemática de las ondas estacionarias discretas que describen la distribución de los electrones dentro del átomo, esta era una teoría que se sumaba a las aportaciones de Schrödinger.
Dicha expresión matemática desarrollada por Schrödinger, junto con la teoría de mecánica matricial desarrollada por el físico Werner Heisenberg, formaron la base de la mecánica cuántica, la cual es una rama de la física que estudia la naturaleza a escalas muy pequeñas, refiriéndolas a sistemas atómicos y subatómicos.
El modelo atómico desarrollado por Schrödinger es cuántico no relativista, pero no se asuste con estos términos, ya sabemos que el modelo cuántico está referido a los análisis de escalas atómicas y el relativismo se refiere al punto de vista, es decir, que los puntos de vista no tienen validez universal, sino que tienen una validez subjetiva dependiendo de la referencia utilizada.
Es así como en el modelo propuesto por Schrödinger, los electrones se contemplan en principio como una onda estacionaria cuya amplitud, es decir, la variación entre el punto máximo y el mínimo trazado en el desplazamiento del movimiento ondulatorio, disminuía muy rápidamente al sobrepasar el radio atómico, lo que sucede al superar la distancia que existe entre el núcleo del átomo y la órbita más lejana de él.
Con respecto a este modelo Bohr, un físico danés que también realizaba estudios sobre el átomo y la mecánica cuántica, indicaba que funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, pero en otros átomos se observaba que aquellos electrones que presentaban un mismo nivel energético, mostraban energías ligeramente diferentes.
Con el modelo de Bohr esto no era posible de explicar, y la hipótesis sugerida fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. Con base en esta teoría, en el año 1916 Arnold Sommerfeld, un físico alemán, incorpora al modelo de Bohr órbitas elípticas y correcciones relativistas. Ya que en este modelo atómico los electrones solo giraban en órbitas circulares fijas.
Por su parte, mientras todo esto sucedía, el modelo atómico de Schrödinger sugería que los electrones se movían como ondas de materia, es por ello que su propuesta en la ecuación describía la evolución en el tiempo y el espacio de dicha onda material.
Luego viene el aporte de Max Born, un matemático y físico alemán que propuso una interpretación probabilística de la difusión de ondas, que es el cambio de dirección de la onda en todas las direcciones. Esta nueva interpretación era afín con aquella que aseguraba a los electrones como partículas cuasipuntuales, cuya probabilidad de encontrarse en una región determinada, venía definida por la expresión matemática de la integral del cuadrado de la función de onda en una región.
Este modelo probabilista permitía hacer predicciones empíricas, pero intervenía la incertidumbre, ya que no podía conocerse la posición del electrón y la cantidad de movimiento de manera simultánea. Por lo tanto, era necesario realizar una adecuación empírica y el modelo atómico de Schrodinger logra predecir de manera acertada las líneas de emisión espectrales, que son los cambios de energía que pueden producirse en el átomo y funciona tanto para átomos neutros, como para átomos ionizados.
En este sentido, predice la modificación de los niveles energéticos cuando existe un campo magnético o eléctrico y con ciertas modificaciones de artilugios matemáticos, es capaz de explicar los enlaces químicos y la estabilidad de las moléculas que ilustren de manera matemática el modelo atómico.
El gato de Schrodinger
Continuando con las aportaciones de Schrodinger, es momento de hablar sobre la famosa paradoja cuántica creada por este científico, conocida mundialmente como “El gato de Schrodinger”. Existen muchas propuesta para explicar la misma, utilizando diversos objetos, sin embargo desarrollaremos una de las más sencillas.
Recordemos que esta idea fue creada por Erwin Schrodinger en el año 1935, el cual es simplemente un experimento que hace uso de nuestra imaginación, para mostrar lo complicado y desconcertante que puede resultar el mundo cuántico.
Schrödinger propone que imaginemos un gato dentro de una caja completamente oscura, en la que no podemos visualizar desde afuera hacia adentro y tampoco de adentro hacia fuera. Dentro de esta caja se encuentra armado un sistema que puede ser activado por el paso de un electrón, el cual activará el mecanismo que dejará caer un martillo sobre un frasco que contiene veneno, dicho veneno se expandirá en el interior de la caja, matando al gato que se encuentra dentro.
Al disparar el electrón para que se active el mecanismo que deje caer el martillo, pueden suceder dos cosas: una es que el electrón pase y active el mecanismo y la otra que no llegue a pasar por el sitio que activa el mecanismo. En el primer caso, al abrir la caja nos encontraremos con el gato muerto y en el segundo caso, al abrir la caja nos encontraremos con el gato vivo.
Por lo tanto, tenemos un 50% de probabilidades de encontrar la gato muerto y 50% de encontrarlo vivo. Sin embargo, en el mundo de la física cuántica esto no sucede según la lógica humana, debido a que en realidad el electrón es a la vez una partícula y una onda.
Para poder entenderlo, imaginemos lanzar una piedra sobre la superficie de un lago, el electrón es la piedra y también las ondas que se producen en la superficie del lago que viajan en todas direcciones, con la capacidad de que ambas situaciones no son excluyentes sino que se superponen, por lo tanto, en la caja se toman ambas probabilidades, la que activa el mecanismo y la que no lo activa.
Dicho esto, estamos enfrente de las dos posibilidades al mismo tiempo, aquella donde el electrón será detectado y el gato morirá y también donde no será detectado y el gato vivir. Por lo tanto, en el mundo cuántico el gato está vivo y muerto a la vez, no obstante no podremos comprobarlo, porque al abrir la caja para ver la realidad de lo que le sucede al gato, estaremos alterando el sistema, de modo que nosotros veremos solo una de las dos probabilidades, al gato vivo o al gato muerto.
Por supuesto que surge la inquietud de ¿por qué solo vemos una?, la respuesta es tanto complicada como sencilla de entender. Nuestro experimento aplica al mundo cuántico, es decir el 50% y 50%, pero el gato no es un sistema cuántico, porque la cuántica ocurre solo a escalas subatómicas y bajo determinadas condiciones.
De esta manera, la cuántica solo es válida en partículas aisladas y al interactuar con ellas rompemos esa condición. Por eso la cuántica no aplica al mundo macro y tampoco cuando hay partículas interactuando entre sí. Este espacio de tiempo entre la realidad cuántica y nuestra realidad es llamado decoherencia, es decir, que bajo ciertas condiciones específicas se dejan de exhibir efectos cuánticos y pasan a mostrar un comportamiento clásico y esta es la razón del por qué vemos el mundo como lo conocemos.
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