Ciencia para gente de letras
La ecuación de Schrödinger
Cuando mi rival en un debate, especialmente si se trata de alguien de Letras, intenta poner en duda mi formación –incurriendo por cierto en un flagrante ad hominem–, suelo responder de un modo que lo desarma: le pregunto si él es capaz de demostrar la ecuación de Schrödinger. Es un recurso que nunca falla y que de forma ineluctable le obliga a recular. Por supuesto, siempre tengo que explicarle que la ecuación NO ES LO DEL GATO, pero una vez que esto le ha quedado claro, se bloquea y cambia de tema o simplemente desaparece de nuevo en las brumas de la ignorancia, de donde en realidad sólo surgió para exhibir, ufano, su poca formación científica, y no para tratar de aprender. Huérfano de argumentos, huye. Next one. :D
Porque, por alguna razón, los hombres de Ciencias solemos estar versados en Letras, pero los hombres de Letras no suelen estar versados en Ciencias. Mucho han cambiado las cosas desde los ya lejanos tiempos en que el maestro Sócrates se midió con el notable sofista Gorgias: entonces, la Ciencia y las Humanidades avanzaban de la mano y el Conocimiento era concebido como un Todo. Y aún debería seguir siendo así: no es posible separar la Física de la Filosofía porque ambas disciplinas se entrelazan naturalmente, aunque de una manera muy distinta a la que fabulan los modernos teóricos new age, que han pervertido los presupuestos cuánticos para hacerlos encajar con una concepción mágica del Universo. Enfrentarse a ellos con razones es prácticamente inútil, y equivale a empujar una vez tras otra una roca hasta la cumbre de la montaña para verla rodar de nuevo ladera abajo, como cuenta el mito que la maldición obligó a hacer al desgraciado Sísifo. Pero este es otro tema –el de la involución racional que parece observarse en un sector relativamente amplio del mundo de la Cultura–, del que nos ocuparemos en próximas entregas de nuestra serie.
La ecuación de Schrödinger tiene una gran importancia en la mecánica cuántica, porque describe la evolución temporal de una partícula masiva no relativista. Esto es, representa para las partículas microscópicas un papel análogo, si bien NO EQUIVALENTE, al de la segunda ley de Newton en la mecánica clásica. Podría decirse que Schrödinger es el Newton de la Física subatómica, aunque, como suele apuntar mi querida esposa en las charlas de sobremesa –mientras retira el servicio y prepara el café, antes de salir de nuevo a trabajar–, si a él le hubiera caído un neutrón en la cabeza mientras dormía bajo un árbol probablemente no se habría enterado. Reconozco que el adagio tiene cierta gracia, a pesar de no ser nada riguroso y hacer aguas cuando se le aplica el mínimo análisis lógico: un poco de humor científico tampoco viene mal de vez en cuando.
A continuación, pasamos a demostrar la ecuación de Schrödinger, de manera sencilla y esquemática. Para simplificar más si cabe el proceso, nos centraremos en la ecuación de Schrödinger unidimensional, independiente del tiempo, es decir, la ecuación diferencial que relaciona la energía E de un sistema cuántico unidimensional con su función de onda Ψ. No es necesario aclarar que en primer lugar formularemos la ecuación de Schrödinger para la partícula libre y una vez obtenida postularemos su validez para cualquier sistema cuántico, ni que tomaremos como punto de partida el principio de de Broglie, que establece la dualidad onda-corpúsculo, aplicado a una partícula libre de momento lineal p. Así, basaremos la demostración en las siguientes formas:
Donde Ψ es la función de onda asociada a la partícula y v su velocidad de propagación.
Y:
Siendo, obviamente, λ la longitud de onda.
Puesto que la partícula libre no se halla bajo la influencia de ningún agente extraño, a excepción, claro está, de un potencial constante, consideraremos como onda asociada una onda de periodo constante que se desplace con velocidad v invariable
donde v es la frecuencia de la onda. Haciendo la sustitución ω=2πv obtenemos
Hasta el más estulto sabría que
es una onda que se ajusta a lo requerido. Dado que se busca una ecuación diferencial independiente del tiempo, para finalmente extender su validez a cualquier sistema cuántico, nos interesa expresar la parte independiente de t de forma generalizada, así que operamos
teniendo siempre en cuenta que φ depende únicamente de x, es decir, φ=φ(x). Por tanto nos queda
Ahora procedemos a calcular las primeras y segundas derivadas respecto de t y de x. (Una anécdota aterradora: en un seminario que impartí en la Facultad de Letras de la UNAM, comprobé que buena parte de los asistentes no sabía derivar):
Sustituyendo, llegamos a la siguiente forma de la ecuación de onda general:
Que permite a cualquiera con un CI mayor de 40 eliminar el factor dependiente del tiempo e↑(-iωt), obteniendo
Ahora sustituimos la expresión de la velocidad acotada anteriormente:
Aquí el alumno me suele mirar con cara de hallarse en un callejón sin salida. Su expresión cambia a una amplia sonrisa cuando introduzco el postulado de de Broglie, ocupando el lugar de λ con la ecuación que lo formula:
Simplificando:
Necesitamos relacionar esta ecuación con la energía de la partícula. ¿Cómo? Partimos del hamiltoniano
Incluso el más ignaro está en condiciones de entender que aquí (p↑2)/2m es la energía cinética y V la potencial, que es constante por tratarse de una partícula libre. De esta expresión deducimos
Y, sustituyendo de nuevo,
Alcanzado este punto, suelo dar a los asistentes la posibilidad de terminar ellos la demostración. A pesar de que la operación que resta es trivial, rara vez aciertan a multiplicar por -((h↑2)/2m) para llegar a
Que es la ecuación UNIDIMENSIONAL de Schrödinger, independiente del tiempo. :D
*Luis Orlando Vargas es licenciado en Física Cuántica por la UNAM y Máster en Computational Sciences por la Universidad de Stanford. Tiene conocimientos de Matemáticas, Literatura, Pintura, Historia, Astrofísica, Música, Gastronomía, Cinematografía, Deportes, Economía, Arquitectura, Escultura, Química, Filosofía, Diseño Gráfico, Motor, Jardinería, Política, Lógica Formal e Informal, Retórica, Telecomunicaciones o idiomas como el Inglés, el Francés y el Latín Clásico. Ocasionalmente ejerce como traductor, si bien en la actualidad se dedica a la divulgación científica. Es autor del libro Pascal: el hombre tras el mito. Una biografía del padre de la pasteurización (RBA Coleccionables, fuera de catálogo) y varios cuadernos autoeditados de poesía. Es miembro de Mensa USA y Mensa España, con un CI estimado de 140, aunque él no le da importancia a ese dato. A lo largo de los últimos años, se ha destacado en la defensa del escepticismo y la lucha contra las teorías conspiranoicas.