Fotón
La luz puede comportarse como una partícula (un fotón) o una onda, dependiendo del experimento que se esté observando.
La luz se comporta como un fotón cuando choca contra objetos (por ejemplo, un detector), y se comporta como una onda cuando podemos observar fenómenos de interferencia (en la que dos ondas se suman o se restan). Ambas cualidades de la luz son bastante opuestas e irreconciliables, y no se manifiestan simultáneamente.
Este comportamiento de la luz se denomina "dualidad onda-corpúsculo" y le ocurre no sólo a la energía electromagnética, sino también a la materia.
Átomos. Dualidad onda-corpúsculo
En su explicación más clásica, están compuestos por un núcleo muy pequeño y duro, formado por protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga), rodeado por una nube de electrones (partículas con carga negativa).Sin embargo, al igual que la luz, los átomos se comportan a veces como si fueran una onda, y otras veces como si fueran un cuerpo duro. Es lo que se denomina la dualidad onda-corpúsculo.
Visualizado como un cuerpo, el átomo es un objeto prácticamente vacío. Si hacemos una comparación con un objeto de nuestro entorno cotidiano con el fin de visualizar intuitivamente su tamaño, podemos imaginar un campo de fútbol con un alfiler clavado en el centro. La cabeza del alfiler sería el núcleo del átomo y los bordes del campo la distancia a la que está girando la nube de electrones. Dado que la materia que somos está construida con estos componentes básicos, podemos decir que nosotros mismos estamos prácticamente vacíos.
Visualizando el átomo como una onda, podemos decir que su estado puede describirse mediante una función de onda y su posición mediante una distribución de probabilidad. Esto nos indica que nunca tenemos certeza en el conocimiento de la posición de un átomo, sólo sabemos dónde se encuentra probablemente. Por otro lado, el conocimiento simultáneo de la posición y la velocidad de un átomo está limitado por el Principio de Indeterminación de Heisenberg.
Considerando el comportamiento ondulatorio de un átomo, como puede describirse como una onda, podemos asignarle valores a algunos de los parámetros que definen una onda: la longitud de onda y la frecuencia de oscilación .
La longitud de onda es la distancia que hay entre dos picos de una onda y la frecuencia está asociada a la rapidez del movimiento de la onda.
Como podemos ver en la figura de arriba, cuanto más corta sea su longitud de onda, más rápido oscilará un átomo y mayor será su frecuencia. Y, al contrario, cuando más larga sea la longitud de onda de un átomo, más lento se moverá y más pequeña será su frecuencia. Es de esperar que para temperaturas muy bajas, la velocidad del átomo será muy muy pequeña y su longitud de onda sea enorme, prácticamente una línea.
Principio de Incertidumbre de Heisenberg
Establece que es imposible conocer "simultáneamente" la velocidad y la posición de una partícula o un átomo.
Para poder medir ambas magnitudes en un átomo, tendríamos que "pararlo", es decir que su velocidad fuera cero. En ese momento, sabríamos su posición (porque está parado) y su velocidad (que sería cero). Hacer que un átomo se pare equivale a conseguir que su temperatura sea 0 Kelvin, y esto contradice el tercer principio de la termodinámica.
En la figura anterior se muestran las distribuciones de probabilidad en tres casos:
(a) Caso normal: el átomo tiene una cierta velocidad y, por tanto, una cierta probabilidad del ser encontrado en la zona que se marca con la flecha horizontal.
(b) Caso de conocer la posición del átomo: La curva marca un pico allí donde está localizado el átomo, aunque la velocidad es desconocida.
(c) Caso de conocer la velocidad del átomo: La curva muestra que no es posible determinar ninguna zona pequeña donde localizar el átomo. Éste estará en cualquier lugar con posibilidades parecidas.
Tercer principio de la termodinámica. Temperatura.
La termodinámica es a la física lo que los jueces a nuestro mundo cotidiano: establece las leyes que han de cumplirse sin excepciones.
Existen tres principios termodinámicos que ningún proceso físico, sea del campo que sea, puede romper. El tercer principio establece que no es posible llegar al cero absoluto de temperaturas. La temperatura cero kelvin es inalcanzable puesto que las dificultades técnicas nos impiden llegar.
La temperatura es una medida del movimiento de los átomos que componen un sistema. En un sólido, los átomos vibran adelante y atrás, en un gas los átomos vuelan alrededor como pequeñas bolas. Todo vibra constantemente.
Para medir la temperatura en física se utiliza la "Escala Absoluta" también llamada "Escala Kelvin (K)". La definición de esta escala está relacionada con el movimiento de los átomos pues a 0 K todos los átomos se encuentran a velocidad cero, parados.
Existen otras escalas de temperatura, como Fahrenheit o Celsius (centígrada), cuyas definiciones están basadas en otro tipo de eventos de la naturaleza. Por ejemplo, la escala Celsius, que es la más usada en Europa, está relacionada con la solidificación del agua, ya que a 0ºC el agua líquida se convierte en hielo. Es una escala más útil para los procesos físicos que vivimos cada día.
En esta figura podemos ver cómo se corresponden diferentes temperaturas conocidas según las escalas Kelvin y Celsius. La temperatura más baja natural en el universo son 3 K, que es la llamada radiación de fondo. Esta radiación uniforme y de baja energía se encuentra presente en cualquier dirección del universo. Es detectable por sensores en radiofrecuencia y es la evidencia más fuerte que tenemos de que el Big Bang realmente ocurrió.
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