La mecánica cuántica es la rama de la física que rige el comportamiento a veces extraño de las pequeñas partículas que componen nuestro universo. Las ecuaciones que describen el mundo cuántico generalmente se limitan al reino subatómico: las matemáticas relevantes a escalas muy pequeñas no son relevantes enescalas más grandes, y viceversa. Sin embargo, un nuevo descubrimiento sorprendente de un investigador de Caltech sugiere que la ecuación de Schrödinger, la ecuación fundamental de la mecánica cuántica, es notablemente útil para describir la evolución a largo plazo de ciertas estructuras astronómicas.
El trabajo, realizado por Konstantin Batygin, profesor asistente de ciencia planetaria de Caltech y Académico de Van Nuys Page, se describe en un artículo que aparece en la edición del 5 de marzo de Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .
Los objetos astronómicos masivos están frecuentemente rodeados por grupos de objetos más pequeños que giran a su alrededor, como los planetas alrededor del Sol. Por ejemplo, los agujeros negros supermasivos están orbitados por enjambres de estrellas, que están orbitadas por enormes cantidades de roca, hielo,y otros desechos espaciales. Debido a las fuerzas gravitacionales, estos enormes volúmenes de material se forman en discos planos y redondos. Estos discos, formados por innumerables partículas individuales que orbitan en masa, pueden variar desde el tamaño del sistema solar hasta muchos años luz de diámetro..
Los discos astrofísicos de material generalmente no retienen formas circulares simples a lo largo de su vida. En cambio, durante millones de años, estos discos evolucionan lentamente para exhibir distorsiones a gran escala, doblarse y deformarse como ondas en un estanque. Exactamente cómo emergen estas urdimbres ypropagate ha intrigado a los astrónomos durante mucho tiempo, e incluso las simulaciones por computadora no han ofrecido una respuesta definitiva, ya que el proceso es complejo y extremadamente costoso de modelar directamente.
Mientras enseñaba un curso de Caltech sobre física planetaria, Batygin el teórico detrás de la existencia propuesta del Planeta Nueve recurrió a un esquema de aproximación llamado teoría de perturbación para formular una representación matemática simple de la evolución del disco. Esta aproximación, a menudo utilizada por los astrónomos, esbasado en ecuaciones desarrolladas por los matemáticos del siglo XVIII Joseph-Louis Lagrange y Pierre-Simon Laplace. En el marco de estas ecuaciones, las partículas individuales y los guijarros en cada trayectoria orbital particular se unen matemáticamente. De esta manera, un disco puede sermodelado como una serie de cables concéntricos que intercambian lentamente el momento angular orbital entre sí.
Como analogía, en nuestro propio sistema solar uno puede imaginarse dividiendo cada planeta en pedazos y extendiendo esos pedazos alrededor de la órbita que el planeta toma alrededor del sol, de modo que el sol está rodeado por una colección de anillos masivos que interactúan gravitacionalmente.Las vibraciones de estos anillos reflejan la evolución orbital planetaria real que se desarrolla durante millones de años, lo que hace que la aproximación sea bastante precisa.
Sin embargo, el uso de esta aproximación para modelar la evolución del disco tuvo resultados inesperados.
"Cuando hacemos esto con todo el material en un disco, podemos ser cada vez más meticulosos, representando el disco como un número cada vez mayor de cables cada vez más delgados", dice Batygin. "Eventualmente, puede aproximar el númerode cables en el disco para ser infinitos, lo que le permite desenfocarlos matemáticamente en un continuo. Cuando hice esto, sorprendentemente, la Ecuación de Schrödinger surgió en mis cálculos ".
La ecuación de Schrödinger es la base de la mecánica cuántica: describe el comportamiento no intuitivo de los sistemas a escalas atómica y subatómica. Una de estas conductas no intuitivas es que las partículas subatómicas en realidad se comportan más como ondas que como partículas discretas: unfenómeno llamado dualidad onda-partícula. El trabajo de Batygin sugiere que las deformaciones a gran escala en los discos astrofísicos se comportan de manera similar a las partículas, y la propagación de las deformaciones dentro del material del disco puede describirse por las mismas matemáticas utilizadas para describir el comportamiento de una sola partícula cuántica sirebotaba de un lado a otro entre los bordes interno y externo del disco.
La ecuación de Schrödinger está bien estudiada, y encontrar que una ecuación por excelencia es capaz de describir la evolución a largo plazo de los discos astrofísicos debería ser útil para los científicos que modelan tales fenómenos a gran escala. Además, agrega Batygin, es interesante quedos ramas de la física aparentemente no relacionadas, las que representan las escalas más grandes y más pequeñas de la naturaleza, pueden ser gobernadas por matemáticas similares.
"Este descubrimiento es sorprendente porque la ecuación de Schrödinger es una fórmula poco probable que surja cuando se miran distancias en el orden de los años luz", dice Batygin. "Las ecuaciones que son relevantes para la física subatómica generalmente no son relevantes para la astronomía masiva y astronómica".fenómenos. Por lo tanto, me fascinó encontrar una situación en la que una ecuación que normalmente se usa solo para sistemas muy pequeños también funcione para describir sistemas muy grandes ".
"Básicamente, la ecuación de Schrödinger gobierna la evolución de las perturbaciones ondulatorias", dice Batygin. "En cierto sentido, las ondas que representan las deformaciones y la distorsión de los discos astrofísicos no son muy diferentes de las ondas en una cuerda vibrante, queen sí mismos no son muy diferentes del movimiento de una partícula cuántica en una caja. En retrospectiva, parece una conexión obvia, pero es emocionante comenzar a descubrir la columna vertebral matemática detrás de esta reciprocidad ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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