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Isabel CorderoAlberto ApariciBorja TosarJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor Socashelio desafíos analíticosmecánica cuántica primer cursoproblema de tres cuerpos helioproblema de tres cuerpos en helioórbitas del helio con software simbólicoestados del helio cálculo perturbativoecuación de rovinger para el heliométodos numéricos para rovingercorrecciones electrodinámicas cuánticas del helioniveles energéticos y energías de ionizaciónHelio 3Helio 4Juan CarlosFrancis VillatoroRovingerDiracGloria ClausenPhysical Review AGastón GiribetCoffee Break: Señal y RuidoHéctor SocasBarcelona Super Computing Center
Órbitas del Helio con software simbólico
Ep516: Premios Princesa de Asturias; El Enigma del He; Bacterias en Agua Pesada; Alones
13 de junio de 20259 momentos
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Francis Villatoro explica que el estudio del helio presenta desafíos analíticos significativos debido a que implica un problema de tres cuerpos, con dos electrones y un núcleo.
…es más fácil el hidrogenoide, o sea, átomos que tienen más electrones, da igual el número que sea pero que tengan uno en la última capa porque eso los aproximas como una especie de hidrógeno modificado y así lo puedes resolver, pero es un poquito de trampa. Exactamente, el caso del helio tiene desde el punto de vista analítico, desde el punto de vista de presentarlo en un primer curso de mecánica cuántica en tercer curso de carrera o en segundo; no sé cómo se hará ahora, es un poquito más difícil porque es un problema de tres cuerpos. Dos electrones y un núcleo y el problema de tres cuerpos ya genera problemas de integrabilidad y puede tener una estructura bastante complicada. Sus órbitas, aunque bueno, en el helio no es tan complicado, pero sí es verdad que los mejores análisis matemáticos a mano, usando obviamente ordenadores, usando software de álgebra simbólica, son de hace menos de 20 años. O sea, ha habido mucha dificultad a la hora de calcular de manera perturbativa todos los estados del helio. Pero se sabe hacer. Pero bueno, lo fácil es utilizar ordenadores, utilizar métodos numéricos. Usando métodos numéricos, resolver la ecuación de Rovinger para el helio parece trivial. Y es más o menos trivial. De hecho, para el helio podemos calcular las soluciones de la ecuación de Dirac; incluso podemos calcular las correcciones introducidas por la electrodinámica cuántica porque son comparables a la resolución que podemos obtener en el laboratorio. Porque medir los niveles energéticos y las energías de ionización del hidrógeno y del helio en el laboratorio lo podemos hacer con errores de la billonesima, de doce decimales. Podemos tener una extrema precisión en las medidas experimentales, entonces uno dice: bueno, pues si, en teoría gracias a los grandes avances en métodos numéricos puedo calcular esos niveles con una precisión similar, aunque un poquito peor por ordenador; lo…
Significado #1 · Palabras #1
Héctor Socas señala que, sorprendentemente, es más sencillo estudiar átomos hidrogenoides en comparación con el helio, destacando la complejidad de este último.
Habla: Héctor SocasPalabras #13átomos hidrogenoides más sencilloshelio no es trivialfrancis villatoro explica helio…me hace gracia que lo que dice, que lo que llama Francis trivialmente no se estudia hasta que llegas a tercero de carrera y te pasas a lo mejor dos o tres días resolviendo la ecuación de va de dos o tres días y lo calculas bien; va de dos o tres días. Déjame decir una cosa, curiosamente y esto es muy chocante: antes que el helio, que es el de dos electrones, es más fácil estudiar otros átomos que son los que se llaman hidrogenoides. De hecho, el helio no es nada trivial. No, no es nada trivial, y por eso lo que va a contar Francis, claro, ahí está el punto. Pero ¿Que siempre se dice eso?, parece que el de un electrón lo sabemos hacer y ahora ya ponemos un electrón más y ya no sabemos, ¿no? Pero de hecho es más fácil el hidrogenoide, o sea, átomos que tienen más electrones, da igual el número que sea pero que tengan…
Francis Villatoro explica que el estudio del helio presenta desafíos analíticos significativos debido a que implica un problema de tres cuerpos, con dos electrones y un núcleo.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1helio desafíos analíticosmecánica cuántica primer cursoproblema de tres cuerpos helioproblema de tres cuerpos en helioórbitas del helio con software simbólicoestados del helio cálculo perturbativoecuación de rovinger para el heliométodos numéricos para rovingercorrecciones electrodinámicas cuánticas del helioniveles energéticos y energías de ionización…es más fácil el hidrogenoide, o sea, átomos que tienen más electrones, da igual el número que sea pero que tengan uno en la última capa porque eso los aproximas como una especie de hidrógeno modificado y así lo puedes resolver, pero es un poquito de trampa. Exactamente, el caso del helio tiene desde el punto de vista analítico, desde el punto de vista de presentarlo en un primer curso de mecánica cuántica en tercer curso de carrera o en segundo; no sé cómo se hará ahora, es un poquito más difícil porque es un problema de tres cuerpos. Dos electrones y un núcleo y el problema de tres cuerpos ya genera problemas de integrabilidad y puede tener una estructura bastante complicada. Sus órbitas, aunque bueno, en el helio no es tan complicado, pero sí es verdad que los mejores análisis matemáticos a mano, usando obviamente ordenadores, usando software de álgebra simbólica, son de hace menos de 20 años. O sea, ha habido mucha dificultad a la hora de calcular de manera perturbativa todos los estados del helio. Pero se sabe hacer. Pero bueno, lo fácil es utilizar ordenadores, utilizar métodos numéricos. Usando métodos numéricos, resolver la ecuación de Rovinger para el helio parece trivial. Y es más o menos trivial. De hecho, para el helio podemos calcular las soluciones de la ecuación de Dirac; incluso podemos calcular las correcciones introducidas por la electrodinámica cuántica porque son comparables a la resolución que podemos obtener en el laboratorio. Porque medir los niveles energéticos y las energías de ionización del hidrógeno y del helio en el laboratorio lo podemos hacer con errores de la billonesima, de doce decimales. Podemos tener una extrema precisión en las medidas experimentales, entonces uno dice: bueno, pues si, en teoría gracias a los grandes avances en métodos numéricos puedo calcular esos niveles con una precisión similar, aunque un poquito peor por ordenador; lo…
Francis Villatoro explica la existencia de estados metaestables en átomos de helio, describiendo su configuración electrónica básica y mencionando los niveles fundamentales.
Habla: Francis VillatoroPalabras #9estados metaestables del helioconfiguración electrónica básica del helionivel fundamental del helio 1sespectros del helio con 12 decimalestécnicas de metrología en el helio…en métodos numéricos puedo calcular esos niveles con una precisión similar, aunque un poquito peor por ordenador; lo hacemos un poquito peor que lo que podemos hacer con el experimento, pues uno espera que haya una perfecta coincidencia y resulta que no. Hay estados del helio, estados electrónicos de los electrones en los que tengo; son metaestables. Tengo el helio en el nivel fundamental, en el nivel 1s, en el número cuántico principal igual a 1, me caben dos electrones con espines opuestos. Pero tengo estados metaestables del helio en el que Uno de los electrones está en el nivel superior, en el 2; tengo un electrón en el nivel 1 y un electrón en el nivel 2. Estos son estados metaestables, pero en el helio son lo suficientemente estables como para que podamos utilizar las técnicas de metrología de muy alta precisión para calcular sus espectros con 12 dígitos decimales. O sea que podemos aprovechar esa metaestabilidad para calcular con alta precisión, por ejemplo, las energías de ionización. Y básicamente hay dos tipos de estados cuando tengo el estado que se llama singlete, que es el estado en el que el spin que está en el…
Francis Villatoro explica que las mediciones de alta precisión del estado cinglete del helio 3 y del helio 4 coinciden perfectamente con la teoría.
Habla: Francis VillatoroSignificado #9 · Palabras #20estado cinglete helio 3 y helio 4concordancia teoría estado cingletemedidas del estado triplete 1997diferencia siete sigmas medida experimental…manera, pero en un estado que es simétrico, es decir, una combinación lineal con un signo positivo. Entonces tengo el estado singlete y tengo los tres estados del triplete. El del medio es muy parecido al cinglete, pero uno es antisimétrico y otro simétrico. Resulta que en las medidas de altísima precisión del estado cinglete del helio 3 y también del helio 4, la concordancia con la teoría es extrema. Es decir, lo clavamos, sabemos clavarlo a la perfección. Pero para el estado triplete nos encontramos con un pequeño problema, que es un problema clásico, las primeras medidas del año 1997, estamos hablando de hace casi 30 años en 1997 se observó que había una pequeña diferencia, una diferencia quizás menor, siete sigmas de diferencia, siete deviaciones típicas entre la predicción teórica y la medida experimental. y tú dices, pero ¿y por qué? Pues desde 1997 todavía no lo sabemos. Eso se descubrió en el helio 4 y empezó a observarse también en otros estados, ya estados un poquito más elevados; son estados metastables con una vida menos corta: los estados 3P, incluso los estados 3D y hay ciertos…
Héctor Socas introduce a Gastón Giribet en la tertulia tras escuchar sus comentarios sobre la explicación de Francis Villatoro sobre los estados metaestables del helio.
Habla: Héctor SocasPalabras #10gastón giribet en coffee breakestados metaestables del helio según francisfrancis villatoro explica helio…son palabras mayores; es una cuestión de química entre comillas elementales, estamos hablando de los estados electrónicos del helio, del primer estado metaestable; o sea, eso no puede ser algo tan complicado que requiera física más allá del modelo estándar. Nueva física no sé si tendremos pero un nuevo físico sí que incorporamos a la tertulia porque pasaba por aquí casualmente Gastón Giribet así que lo capturamos y lo dejamos en órbita ligada aquí de este Coffee Break. ¿Qué tal Gastón? ¿Cómo estás? Hola, un gusto; estaba tan interesado en lo que estaba diciendo Francis que me sacaba las palabras de la boca que dije, ¿por qué cosa irrelevante lo van a interrumpir? Bueno, yo bueno. yo tengo el mismo espino ahí que Gastón, así que entra él y me tengo que salir yo Estaba oyéndote Francis y si tuviese que hacer un doctor ahora me metía con eso, o sea, es brutal y fascinante, o sea, eso hay que resolverlo ya Claro, llevan casi 30 años y…
Francis Villatoro continúa explicando un método experimental para determinar la energía de ionización del helio, mencionando que se ha aplicado tanto al helio-3 como al helio-4.
Habla: Francis VillatoroPalabras #3energía de ionización helio-3estado triplete helio-4desviación nueve sigmas heliopublicaciones teóricas este año…de transición entre ese nivel muy alto de Riesberg y el estado n igual a 2 metastable, que está en ese estado triplete, y extrapolo, hago medidas para varios n, y extrapolo el resultado a n infinito y así determino el valor experimental con alta precisión. Entonces, eso se ha hecho con helio 3 y con helio 4, y en ambos casos para este estado triplete se observa que existe una desviación del orden de nueve sigmas, que no tiene una explicación todavía razonable. Y se han tenido en cuenta a nivel teórico; entonces este año se han publicado dos resultados interesantes, el resultado. que se publica en Physical Review Letters es de dos autores, Gloria Clausen y Frederick Merck, que son del ETH de Zürich, del Instituto Técnico de Zürich, donde estudió Einstein a principios del siglo XX y ellos han utilizado esta espectrocopía de átomos de…
Francis Villatoro describe la discrepancia entre los resultados experimentales y teóricos para los estados singlete y triplete del helio, tanto en Helio 3 como en Helio 4.
Habla: Francis VillatoroPalabras #2estados metaestables triplete helio 3grupo de gloria clausen physical review aisótopos helio y núcleos protones neutronesestado singlete helio 3 y helio 4error de 9 sigmas energía ionización tripleteerrores enormes estados singlete triplete…energéticos de Riesberg utilizados en esta estimación del nivel energético de estado triplete, que es un estado de n igual a 2. y sin embargo la energía de ionización sigue presentando esta enorme desviación. Y también como novedad este año se ha publicado el Caso del helio 3, un nuevo resultado también del grupo de Gloria Clausen, han publicado en Physical Review A la misma técnica experimental pero para el helio 3 y confirman que los estados metaestables triplete del helio 3 presentan exactamente el mismo problema que el helio 4. Porque había una sugerencia de que quizás algún efecto, como ha comentado Juan Carlos del tema de los isótopos, que cambie el núcleo, que el núcleo tenga dos protones y dos neutrones o tenga dos protones y un neutrón, pues podría influir en estos estados metaestables. El estado singlete se clava entre experimento y teoría, tanto en Helio 3 como en Helio 4, y el estado triplete resulta que para su energía de ionización estimada el error es de 9 sigmas; en el caso de Helio 3 es de 7 sigmas, pero es también muy parecido. Son errores enormes que indican claramente que hay algo que no entendemos. Y ya os digo: muchas mentes pensantes llevan varias décadas tratando de desvelar qué es lo que le pasa al helio y todavía no se tiene ni idea. Entonces, claro, cuando se plantea, pues, ¿y qué pasa con los efectos relativistas en el núcleo de oro que hace que…
Francis Villatoro continúa explicando las dificultades para comprender el helio, comparándolo con la comprensión tardía del color dorado del oro debido a efectos relativistas. Menciona que incluso cálculos numéricos sencillos relacionados con el helio presentan problemas.
Habla: Francis VillatoroSignificado #15cálculos numéricos sencillos helioestado singlete y estado triplete spinacoplamiento de espines en el heliodesviación teoría experimento helio…Entonces, claro, cuando se plantea, pues, ¿y qué pasa con los efectos relativistas en el núcleo de oro que hace que sea dorado? Bueno, pues son cosas conocidas de hace muchísimas décadas y, sin embargo, cosas mucho más, entre comillas, triviales, como es una cosita tan sencilla desde el punto de vista numérico, como es el helio, pues resulta que con dos electrones y un núcleo, pues hay algo que no entendemos. ¿Hay algún efecto? Claro, tiene que estar asociado al spin, porque lo que diferencia el estado singlete del estado triplete es el spin. Entonces tiene que haber algún tipo de acoplamiento asociado al spin que por alguna razón desconocida nadie ha sido capaz de concebir un modelo teórico de qué le pasa a ese acoplamiento entre espines para que haya esa enorme desviación entre la teoría del experimento. Francis, yo tengo una pregunta quizás muy tonta, ¿vale? Pero ¿hay algún tipo de modelo efectivo en plan: no tengo la argumentación teórica, pero voy a intentar modelar lo que pasa? Es un poco al revés, ¿no? Que muchas veces dices, vale, no tengo ni idea de la…
Francis Villatoro explica las consecuencias de un problema complejo relacionado con el tamaño del núcleo de átomos de helio, señalando la discrepancia entre los valores teóricos y experimentales.
Habla: Francis VillatoroPalabras #11tamaño núcleo átomo helio 3niveles energéticos helio experimento teóricovalor experimental radio núcleo helio…al menos? Porque puedes jugar con él más o menos; o sea, cuando algo es súper complejo es, bueno, vale, si necesito el Barcelona Super Computing Center para meterle mano a esto, seguro que no tengo tiempo, pero si lo puedo intentar, ¿cómo no voy a mirarlo? No sé, chulo. Fijaros, este problema tiene muchas consecuencias; por ejemplo, una de las consecuencias es que no sabemos cuál es el tamaño del núcleo de un átomo de helio 3 o de helio 4, porque para calcular esos tamaños necesitamos utilizar estos niveles energéticos y como estos niveles energéticos tenemos dos valores, el valor experimental y el valor teórico, tenemos dos tamaños para el radio del núcleo del helio 3 y del helio 4, el que da usar el valor teórico o el que da usar el valor experimental. Y así son cosas que son curiosas y bueno yo quería eso porque salió en physics la nota de uno de los expertos en la parte teórica que era Aaron Pondy que también ha publicado recientemente estos artículos de estimación de los niveles de átomos, de niveles de Riesberg y lo que plantean es eso que los…