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Sobre la violación del principio de exclusión de Pauli

Un modelo estudia los límites en los que el principio de exclusión de Pauli podría violarse.

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Todos los objetos materiales que usted ve, toca, saborea o huele están compuestos en su mayoría por espacio vacío. La silla sobre la que se sienta, la manzana que muerde o el cuerpo que abraza están compuestos en su mayoría por nada.
El núcleo atómico tiene un diámetro unas 10.000 veces más pequeño que el átomo del que forma parte. Los átomos forman moléculas y ésta se organizan en cristales, amorfos o gases con un considerable espacio vacío entre ellas. Sin embargo, tenemos la impresión de que las cosas que nos rodean son sólidas. La fuerza electromagnética es la principal responsable de que no nos colemos a través de la cama según dormimos, pero también hay una ley cuántica que solemos ignorar y que nos protege de ese evento: el principio de exclusión de Pauli. Este principio dice que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico en el mismo momento y punto del espacio.
Los fermiones, como los electrones, tienen spin semientero y responden a la estadística de Fermi-Dirac. Son como los viajeros del metro, que tienen a colocarse lo más alejados unos de otros que sea posible. Los bosones (de spin entero) sí pueden ocupar el mismo estado cuántico, como los fotones de un haz láser que se comportan como si fueran uno solo. Digamos que los bosones son más amigables entre ellos.
Por esta razón los átomos, y los objetos que forman, no colapsan en una orgía atómica hasta un punto minúsculo. Los electrones forman estructuras y orbitales con sus característicos números cuántico que mantienen el tamaño y las cualidades físico-químicas de los átomos. La manera ordenada en la que los electrones van rellenando los niveles atómicos proporciona estabilidad y estructura a la materia y proporciona las propiedades químicas a los elementos de la tabla periódica.
No hace falta mencionar que igual les pasa a los neutrones y protones del núcleo, que también son fermiones. Podríamos decir que el principio de exclusión de Pauli mantiene la “solidez” del mundo, impidiendo que todos y todo formemos un condensado de Bose-Einstein.
Ahora, un grupo de físicos teóricos de la Universidad de Siracusa (EEUU) han desarrollado un esquema teórico que explica cómo puede ser violado este principio. De este modo, bajo condiciones raras y específicas, más de un electrón puede ocupar el mismo estado cuántico.
El modelo fue publicado en Physical Review Letters (vol. 105) el pasado 26 de julio y podría ayudar a explicar cómo se comporta la materia en el borde de los agujeros negros y proporcionar pistas hacia una teoría cuántica de la gravedad.
Según A.P. Balachandran, las transiciones de electrones de un estado a otro que violen el principio de exclusión de Pauli desafían las bases de la Física y por esta razón hay un fuerte interés experimental en observar ese tipo de transiciones. Al parecer, hasta ahora había pocos modelos viables que pudieran explicar cómo se pueden dar estas transiciones.
Según este modelo al nivel al cual la gravedad tiene efectos cuánticos significativos, el continuo de espacio-tiempo “se rompe” y afecta a la simetría rotacional de los átomos, esto dispara transiciones electrónicas que violan el principio de exclusión de Pauli. Recordemos que cuando un electrón efectúa una transición de un nivel a otro emite o absorbe energía, generalmente en forma de un fotón. Las transiciones se pueden estudiar experimentalmente analizando los espectros electromagnéticos.
Según Balachandran como el principio de exclusión no es respetado en este modelo, se pueden usar pruebas experimentales ya existentes para poner los límites a cuándo esta violación se puede dar en las transiciones.
Según el modelo, la violación del principio de exclusión de Pauli puede darse teóricamente en la Naturaleza en un tiempo mayor que la edad del Universo (como siempre estamos hablando de probabilidad). Pero como este efecto es tan pequeño en circunstancias normales se pueden usar instrumentos de precisión para tratar de observar el efecto. Según Balachandran si se encuentra esta violación tendría un impacto profundo en las bases de las teorías físicas. La Química y la Biología en un mundo donde esa violación sea posible sería profundamente diferentes.
La violación del principio de exclusión de Pauli puede ayudar a explicar cómo se comporta la materia en el borde de los agujeros negros. Aunque no podamos ver qué pasa en el interior de un agujero negro (más allá del horizonte de sucesos), este modelo proporciona pistas sobre cómo se podría comportar la materia según ésta se colapsa por la fuerza de la gravedad en ese tipo de objetos.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa. [2]
Artículo original. [3]