Los matemáticos de la Universidad de Utah proponen un marco teórico para comprender cómo las ondas y otras perturbaciones se mueven a través de los materiales en condiciones que varían tanto en el espacio como en el tiempo. La teoría, llamada "patrones de campo", publicada hoy en Actas de la Royal Society A .
Los patrones de campo son patrones característicos de cómo las perturbaciones reaccionan a las condiciones cambiantes. Debido a que los patrones de campo exhiben características de ondas de propagación y partículas localizadas, la teoría de patrones de campo puede responder algunas de las preguntas planteadas por la mecánica cuántica, en la que los objetos pueden ser tratados como ambospartículas y ondas. El primer autor Graeme Milton postula además que los patrones de campo podrían describir la naturaleza de los componentes fundamentales de la materia en el universo.
"Cuando abres las puertas a una nueva área", dice Milton, "no sabes a dónde irá"
Para un ejemplo de patrones de campo, piense en un tablero de ajedrez. Los cuadrados negros representan un material y los cuadrados blancos representan otro material con diferentes propiedades. La dimensión horizontal de lado a lado representa el espacio y la dimensión vertical hacia adelante y hacia atrás representa el tiempo. En lugar de cuadrados blancos y negros, el tablero de ajedrez está hecho de dos materiales de diferentes propiedades refractivas que doblan la luz de manera diferente. Como una perturbación, como un pulso de luz láser, avanza en el tiempo, se extiende por el espacio,encontrar límites entre materiales en el espacio y luego en el tiempo a medida que los materiales cambian propiedades / colores con cada fila sucesiva. Los patrones de campo pueden describir la propagación del pulso a lo largo de líneas características con una pendiente fija en cada cuadrado, que se rige por las propiedades de refracción decada cuadrado. Las líneas características se ramifican en los límites cuadrados del tablero de ajedrez.
Milton y la investigadora postdoctoral Ornella Mattei dicen que otra buena analogía para su teoría podría ser un árbol ramificado.
Piense en la raíz del árbol como la perturbación inicial, y en el suelo como un punto de tiempo inicial. A medida que el tiempo avanza moviéndose hacia arriba del árbol, la perturbación se divide y se ramifica a medida que encuentra límites, como un rayo que golpea un ópticoEl límite se ramifica en un rayo reflejado y un rayo transmitido, lo que resulta en una compleja red de ramas cerca de la parte superior del dosel. Los límites pueden ser en el espacio o en el tiempo, a medida que cambian las condiciones del material del huésped ".perturbaciones a medida que pasa el tiempo ", dice Milton." Hacer un seguimiento de todo es un verdadero dolor de cabeza ".
Sin embargo, el árbol no es una analogía perfecta. Para límites especiales cuidadosamente posicionados en el espacio-tiempo, el resultado no es una cascada desordenada, sino más bien un patrón de campo ". Cuando observa el patrón de campo después de un período suficientemente largode vez en cuando, ves que es básicamente periódico ", dice Mattei. En otras palabras, el patrón se repite, como un plaid, después de algún tiempo.
Milton dice que la analogía del árbol es útil, además, cuando se considera la posibilidad de múltiples perturbaciones en el mismo sistema. "La idea de un patrón de campo es un poco como una onda en un árbol pero una onda separada en un árbol diferente,"Él dice." Se puede imaginar que en un árbol hay un viento que sopla desde una dirección que agita los árboles en una dirección. Pero el otro árbol, con sus propios conjuntos de hojas separadas, como si el viento viniera desde una dirección diferente ".Los patrones de campo superpuestos no interactúan entre sí, dice, al menos no en esta etapa del desarrollo de la teoría.
Milton dijo que la idea de los patrones de campo se le ocurrió mientras reflexionaba sobre una clase de materiales llamados metamateriales hiperbólicos. En dicho material, las capas están dispuestas de modo que las propiedades eléctricas del material sean un signo opuesto en una dirección de lo que están en la direcciónotra dirección. Debido a la forma en que las ondas de luz se mueven a través de metamateriales hiperbólicos, pueden usarse como superlentes para ver objetos demasiado pequeños para ser vistos con otros métodos de microscopía. La luz puede propagarse a través de una superlente a lo largo de líneas características tales que dos objetos, colocados demasiado cercajuntos para discernir con un microscopio, se pueden ver por separado.
"Estaba en un hotel en Londres dibujando las líneas donde se propagarían las perturbaciones y pensando, ¿qué pasaría si cruzaran diagonalmente un [límite] de inclusión?", Dice Milton. "¿Qué pasa si los que están conectados a otras inclusiones?" Mattei tieneha estado desarrollando y probando la teoría de patrones de campo, construyendo simulaciones por computadora para observar aún más cómo se comportan los sistemas y patrones teóricos. También ha estado descubriendo y explorando patrones de campo completamente nuevos.
Las aplicaciones de la teoría de patrones de campo todavía están surgiendo, pero un campo al que pueden aplicarse es la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica, las ubicaciones probables de objetos como los electrones se representan como nubes en las que es probable que se encuentre el objeto, yla forma de esas nubes se puede describir usando ecuaciones en forma de onda. Pero cuando un observador mide la posición de un objeto, el comportamiento en forma de onda se colapsa en un solo punto de ubicación, como una partícula. Por lo tanto, los objetos se comportan como partículas ycomo olas
Los patrones de campo pueden salvar la dualidad onda-partícula. Las perturbaciones se representan como puntos y líneas discretas, dice Milton, como una partícula. "Pero se difunde de acuerdo con algo que parece una onda", dice.
Sin embargo, la teoría del patrón de campo aún no contiene una disposición para que el patrón colapse en un solo punto, pero Milton y Mattei piensan que los patrones de campo pueden tener una conexión con los componentes básicos de la materia. Fluctuaciones en el espacio y el tiempo enlas escalas más pequeñas podrían dar lugar a patrones de campo que se manifiestan como electrones y protones, que forman átomos.
"Lo que vemos como electrones, protones u ondas mecánicas cuánticas son manifestaciones de la escala súper microscópica fundamental de estos patrones de campo", dice Milton.
Milton y Mattei tienen mucho que aprender sobre los patrones de campo. Por ejemplo, en algunos casos los patrones de campo "explotan", expandiéndose exponencialmente, aparentemente fuera de control. El modelo teórico tampoco contiene algunas propiedades de las ondas. Pero estoEl papel inicial es un primer paso.
"Algo puede surgir de esto", dice Milton. "Sin embargo, lo que es realmente fundamental es ir en una dirección completamente nueva".
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Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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