Acabo de ver esto en las noticias - Un solo átomo atrapado gana el primer premio del concurso de fotografía científica .
Crédito: David Nadlinger vía EPSRC
No soy licenciado en Física, pero creo que conozco los fundamentos. Siempre he creído que no podemos ver átomos individuales a simple vista. ¿Qué es lo que permite que esa imagen nos haga ver un solo átomo?
Si ese átomo único está retenido por un campo, ¿por qué los átomos de ese mismo campo no son visibles?
Las preguntas de si se puede detectar luz emitida por un átomo (aislado) y si puede resolver un átomo de sus vecinos son completamente independientes.
El espacio entre los distintos átomos de un material normal sigue siendo imposible de resolver mediante la luz visible, cuya longitud de onda es varios miles de veces mayor. Se pueden "ver" los átomos individuales utilizando otras técnicas de microscopía (así, por ejemplo, ver este cortometraje para un buen ejemplo), pero estos utilizan una instrumentación y un posprocesamiento bastante elaborados, y no reflejan lo que es visible para el ojo humano.
Sin embargo, la imagen que citas no muestra un átomo de los muchos que hay en un material. En realidad, se trata de un solo átomo aislado, sostenido en el vacío por un conjunto de "pinzas" eléctricas llamado trampa de iones (producido a su vez por los electrodos metálicos que rodean al átomo, que tendrá un par de centímetros de diámetro), y que emite luz a través de fluorescencia (es decir, está siendo excitado por un láser y reemitiendo esa luz). El tamaño del átomo que aparece en la imagen no tiene nada que ver con su tamaño real: para la cámara, el átomo es una fuente puntual, y la dispersión no nula en la imagen está causada por la resolución finita de la cámara.
Así, suponiendo que el átomo atrapado sea lo suficientemente brillante, en principio podría verse a simple vista, en cuyo caso se parecería mucho a una estrella en una noche clara y tranquila (que también son fuentes puntuales en lo que respecta a nuestros ojos, aunque su aspecto se ve modificado por twinkling ). Si las configuraciones experimentales que se utilizan en la actualidad son suficientes para producir átomos lo suficientemente brillantes como para verlos a simple vista es una buena pregunta Mi opinión es que esto no es del todo posible, pero que con un fondo completamente oscuro no está tan lejos de ser posible.
Eso significa que un humano no podría ver tanto el átomo como los electrodos de la trampa simultáneamente, ya que se requiere un fondo completamente oscuro para empezar a tener una oportunidad de ver el átomo. En cuanto a la cámara, el autor ha aclaró en un comentario que es una sola exposición de treinta segundos, con los electrodos iluminados por un flash de la cámara a mitad de la exposición.
Por último, para responder a su pregunta ampliada,
Si ese único átomo es sostenido por un campo, ¿por qué los átomos de ese mismo campo no son visibles?
la respuesta es que el campo que lo sostiene no está hecho de átomos en absoluto. El átomo de la imagen se mantiene en su sitio gracias a las fuerzas electrostáticas, que son las mismas que se utilizan para arrancar trozos de papel con un globo que has frotado contra tu pelo . Se dice que las fuerzas electrostáticas, al igual que las fuerzas magnéticas y la gravedad, forman un campo, pero es un campo de fuerza que es todo fuerza y nada de átomos. El efecto aquí es análogo al de levitación magnética excepto que se utilizan campos eléctricos (cuidadosamente diseñados, producidos por los electrodos metálicos que rodean al átomo en la imagen) en lugar de imanes.
@Emilio ¿qué hay entre las pinzas y el átomo? El vacío porque es una distancia bastante grande
@HankyPanky Son "pinzas" sólo en sentido figurado. Todo el aparato está en el vacío, y el átomo se mantiene en su sitio gracias a los campos eléctricos. Las partes metálicas que rodean al átomo son los electrodos que producen esos campos. (Para más detalles, véase el artículo de Wikipedia sobre las trampas de iones enlazado en la respuesta).
@EmilioPisanty La foto es una sola exposición de 30 s, ver www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group
Para ser justos, esto se explica realmente en su enlace. En pocas palabras,
Si lo iluminas con la luz adecuada, empieza a brillar tanto que una buena cámara puede detectarlo.
Para que funcione, el átomo tiene que estar lo más inmóvil posible. Esto se consigue "congelándolo" y utilizando imanes para mantenerlo inmóvil.
Primer plano para completar:
Los comentarios no son para ampliar la discusión; esta conversación ha sido trasladado al chat .
Aunque la física ya se ha tratado en otras respuestas, permíteme que te dé una idea sobre cómo explicar la diferencia entre detección y resolución a un niño de 4 años:
Prueba con una analogía. Algo que no puedas resolver individualmente pero que veas con bastante facilidad. Lo primero que me viene a la mente son las luces a distancia. Un grupo de LEDs a distancia podría servir, la pantalla de tu ordenador/televisión, una de esas grandes pantallas que puedes encontrar en los edificios, las ventanas iluminadas (u oscuras) de una casa lejana, letras en un papel y probablemente un montón de cosas que no se me ocurren ahora.
El principio sigue siendo el mismo: elige las condiciones de iluminación y la distancia adecuadas y es fácil ver si un solo "píxel" está iluminado o no. ¿Pero puedes distinguir entre un píxel o dos? ¿Puede contar los píxeles si todos están iluminados (una pantalla de ordenador es probablemente perfecta para esto)? ¿Puedes decir dónde acaba un píxel y dónde empieza otro?
De acuerdo, la analogía no explica los límites de la resolución, pero creo que con un niño de 4 años se puede tener una buena sensación de la diferencia entre detección y resolución, y de "si miro más de cerca, veo más detalles, pero quizá no pueda mirar lo suficientemente cerca sin mucho esfuerzo".
Cuando le expliqué a mi hija de 8 años lo que son los átomos (resultó que ya lo sabía, parece que en la escuela les enseñan esa pequeña información antes de esa edad), me limité a utilizar el viejo método griego: imagina que coges un trozo de pastel, lo divides en dos, etc. Descubrí que un niño de 8 años es capaz de entender el concepto de que en algún momento ya no se pueden dividir las "cosas". Me detuve ahí porque a) todavía no necesita saber sobre protones, electrones o incluso quarks y b) la imagen de los antiguos filósofos sigue siendo cierta. Dividir la materia a nivel macro (los átomos) de esta manera hasta llegar al nivel atomar (o molecular) es fundamentalmente diferente de seguir adelante y dividir aún más los átomos en sus constituyentes.
Para un niño de 4 años, hay que simplificar mucho esto. Utiliza la escala. Enséñale un pequeño grano de arena que apenas se pueda ver con el ojo. Luego pon ese grano de arena en una mesa y aléjate con tu hijo. Señale que ahora ya no puede verlo. Esto debería darle una idea de que es importante la cercanía del objeto.
Si tienes una lupa en casa, puedes demostrar lo grande que parece el grano de arena si se ve a través de ella.
Por lo demás, es una simple analogía: "Ahora, los átomos son como esto, pero mucho, mucho más pequeños. Y en el pasado, cuando te dije que no podíamos verlos, no había lupas que fueran lo suficientemente buenas. Pero hace poco se han inventado unas que sí pueden". O si eso parece mentira (no sé si hubo algún avance en este campo en los últimos 1-2 años desde que se lo contaste a tu hijo...), di algo como "Claro, esos tipos tienen lupas que son tan grandes como una habitación, ellos pueden ver los átomos, pero nosotros aquí no".
Tanto tú como yo sabemos que esto es una gran simplificación, pero estamos hablando de la visión del mundo de un niño de 4 años. Todavía no necesita una comprensión completa de los efectos cuánticos, los fotones que interactúan con los átomos y esas cosas. Lo anterior le dará los conceptos, no es totalmente erróneo, y puede ser abordado con más detalle mucho más tarde.
Ah, y obviamente hay muchos humanos que son adolescentes o incluso adultos y no tienen la más mínima posibilidad de entender las explicaciones "reales" más de lo que lo haría un niño de 4 años. Para ellos, explicaciones similares también pueden funcionar bien.
En la experiencia típica del nivel humano, los átomos no están solos. Incluso la atmósfera tiene enormes cantidades de átomos en un volumen minúsculo. Cuando se proyecta una luz lo suficientemente brillante como para ver un volumen de aire (o un objeto sólido), la luz se refleja en grandes cantidades de átomos al mismo tiempo. Los ojos humanos no pueden distinguir la luz de los átomos individuales, sino que se mezclan. Cuando se mira un televisor desde cerca, se pueden ver los píxeles individuales (o incluso los subpíxeles); cuando se mira desde más lejos, se siguen viendo todos los píxeles, pero no se pueden distinguir fácilmente unos de otros.
Ahora imagina que de los millones de píxeles de la pantalla del televisor, todos son negros excepto uno. Aunque los píxeles individuales son "demasiado pequeños para ver" (distinguir de otros píxeles cercanos) normalmente, un píxel destaca claramente sobre el fondo negro. Y eso es básicamente lo que han hecho estos chicos con los átomos: mantener un solo átomo alejado de otros átomos y encender una luz. El átomo sigue siendo "demasiado pequeño para verlo", pero se muestra como un punto borroso ( mucho más grande que el propio átomo) ya que hay poco ruido a su alrededor. Y al igual que ocurre con los píxeles del televisor, si se pusieran dos átomos juntos, no se vería ninguna diferencia: seguiría pareciendo un solo átomo. De hecho, se necesitarían cantidades muy grandes de átomos juntos para que fuera evidente que ya no se está viendo el "átomo único visible".
En otras palabras, "demasiado pequeño para ver" no literalmente significa demasiado pequeño para ver. Cuando se observa la luz reflejada por cualquier objeto, se "ven" átomos, moléculas e incluso electrones individuales (en la medida en que se pueda hablar de la identidad de un electrón, de todos modos; piense más bien en "un electrón en un orbital concreto", no en "un electrón llamado Bob"; los electrones no tienen realmente identidades). El significado literal de la afirmación es "demasiado pequeños y demasiado juntos para ser distinguidos unos de otros". Si se mira desde un avión por la noche, se pueden ver claramente las ciudades iluminadas sin poder distinguir las farolas individuales, aunque toda esa iluminación provenga de esas fuentes de luz.
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