Ya que últimamente está muy de moda todo lo relacionado con la física nuclear y subatómica (siendo el LHC el culpable de todo esto) no estaría de más que algunos conocimientos básicos llegasen al público en general para que comprendiesen porqué el dinero público se invierte en eso de acelerar partículas. Para ello, un primer paso sería enumerar y explicar la multitud de fenómenos cuánticos que se presentan en la naturaleza y que, tras años de estudio, hemos sido capaces de desarrollar y de utilizar a nuestro favor en la tecnología.

Si bien existe una base muy amplia detrás de todos estos efectos, existen muchos libros y artículos que se dedican a desgranar propiedades cuánticas como la indeterminación o el porqué de la descripción a través de funciones de onda de una manera muy clara y, por supuesto, mucho mejor de lo que yo podría hacer en este humilde blog.

Sin embargo, hay un efecto bastante curioso que no se suele tratar a nivel divulgativo y que se relega a ser explicado en los libros de física cuántica propiamente dicha, libros que no están al alcance de la comprensión de cualquiera (a veces ni de los que nos dedicamos a esto). Este es el efecto túnel.
El efecto túnel es la propiedad que tienen las partículas subatómicas de cruzar a terrenos que, según la física clásica estarían prohibidos para ellas; hablando en términos más técnicos, la capacidad de las partículas de cruzar una barrera de potencial. Para comprender esto con claridad supongamos que lanzamos un electrón (una partícula de carga negativa) contra otro. Puesto que las dos partículas poseen idéntica carga eléctrica, aparecerá una fuerza encargada de repelerlas y que, en ausencia de otras fuerzas, impedirá que las partículas se toquen entre sí; es decir, el campo eléctrico creado por las partículas genera una barrera que les impide tocarse.

Este es un pequeño análisis de la situación mediante términos clásicos, en los que el electrón posee una posición y una velocidad definidas. Sin embargo… ¿qué ocurre si observamos el fenómeno de manera correcta bajo las leyes de la física cuántica, concretamente del principio de incertidumbre? Como este principio explica, una partícula no posee una posición y una velocidad definidas, si no que ambas magnitudes están difusas, pueden tomar valores de un amplio catálogo, cumpliéndose que, cuanto mejor conozcamos una de las magnitudes, peor conoceremos la otra. Así, una pequeña reflexión sobre el fenómeno anterior nos lleva a la conclusión de que, si la incertidumbre en la posición es lo suficientemente alta, esta podrá extenderse hasta la región que, en principio sería inaccesible, provocando que la partícula pueda estar encontrarse en ella.

Puede parecer endemoniadamente incomprensible, como todo lo que ocurre en terreno cuántico, pero tiene su lógica detrás si se estudia el fenómeno desde el objetivo de las funciones de onda.

Es decir, supongamos que el electrón que lanzamos contra la barrera está representado por una función que, en ciertos términos, definirá la probabilidad de encontrar al electrón en las distintas zonas de espacio. Esta función de onda, como todas las de su tipo, se obtiene como solución de la ecuación de Schrödinger:

Y aquí es donde aparece la distinción con la teoría clásica y el porqué del efecto túnel.

En física clásica, el movimiento de las partículas está regido por las ecuaciones de Newton, ecuaciones cuya solución es nula si la partícula tiene menos energía de la que necesita para cruzar las barreras de potencial. Es decir, la partícula “sufre” los efectos del Principio de Conservación de la Energía. Veámoslo así, supongamos que lanzamos la partícula hacia arriba con todas nuestras fuerzas y, por tanto, otorgándole una cantidad de energía en forma de velocidad (energía cinética). Es lógico, que llegará un punto desde el que la partícula no pueda subir más, y este punto será más alto cuanta más velocidad, más energía cinética, tenga la partícula; siendo los puntos más altos inaccesibles para esta.

Sin embargo, en el mundo de la física cuántica esto no ocurre. La anterior ecuación de Schrödinger, que sustituye a las ecuaciones de Newton a la hora de conocer la evolución de un sistema, posee solución no nula incluso si la energía de la partícula es menor que la necesaria para acceder a determinadas zonas del espacio. Esto provoca que exista una probabilidad, menor cuanto más penetremos en la barrera de potencial, de encontrar a la partícula en zonas que, en principio, serían inaccesibles para ella. ¡Y esto se da incluso cuando la partícula “rebota” en la barrera de forma completa!
Así pues, el poder encontrar partículas fuera de su zona accesible es una confirmación directa de la validez de la explicación cuántica y un fenómeno que permite multitud de usos en la tecnología moderna.

Funcionan, utilizando el efecto túnel como fenómeno fundamental: los grandes telescopios de efecto túnel, ciertos tipos de detectores de radiación y determinados componentes electrónicos como los diodos túnel entre otras cosas. También es el efecto túnel el culpable de la capacidad de Gata Sombra de atravesar las paredes, provocando que todas las moléculas de su cuerpo tunelen a la vez.

Y como último párrafo os dejo una curiosidad sobre el efecto túnel. Recordemos que, este fenómeno, implica que las partículas puedan estar en zonas a las que, en principio no podrían llegar. Bueno, pues os comunico que existen posibilidades de que todas vuestras moléculas tunelen a la vez y os convirtáis en las primera persona en Marte. ¿La pega? Esto solo ocurrirá una vez en un tiempo igual a dos edades del Universo… aunque bueno, yo estoy convencido de haber perdido un anillo porque tuneleó a través del suelo…

Así que ya sabéis, la verdad está ahí fuera… o por lo menos existe alguna probabilidad de que esté.

Bienvenidos amigos a la nueva etapa de Asturphysics, una etapa mucho más madura en la que podréis disfrutar de artículos largos y que os harán pensar, como el que hoy os presento.

Estoy seguro de que muchos de vosotros habréis oído hablar de los cinturones de Radiación de Van Allen; sin embargo, para aquellos que nunca habéis escuchado un nombre con tanta fuerza destructiva presentaré el fenómeno en cuestión:

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