Cien años desde el nacimiento del Cuanto: zorionak, Planck

2000/12/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Historia

En la sociedad actual, a la física cuántica se le han añadido muchas veces las palabras "difícil" y "aburrido". Pero para los que nos gusta la física, la sucesión de acontecimientos de esa época es emocionante. XIX. En la última década del siglo XX y en los primeros treinta y cinco años del XX (por limitar de alguna manera) se produjo un enorme y brusco desarrollo de la física.

Para analizar la historia del descubrimiento del cuántico, primero hay que mirar hacia atrás. En 1801 el físico inglés Tomás Young quiso comprender mejor lo que es la luz. Hasta entonces, dicho por Newton, la mayoría pensaba que la luz estaba formada por pequeñas partículas. Pero Young hizo pasar luz por dos rendijas y vio que se difractaba como las ondas flotantes. Así que concluyó Young que la luz es la onda. Teoría de Young XIX. Dominó el siglo XIX. Ahora sabemos que tanto Newton como Young tenían razón.

Max Planck

XIX. A finales del siglo XX la física estaba muy avanzada. De hecho, se hacían experimentos que las teorías de Newton no explicaban. Los rayos X (William Konrad Roetgen, 1895) y la radiación (Antoine Henry Becquerel, 1896) fueron descubiertos recientemente. Marie Curie, junto a su marido, descubrió el torio y el polonio. Los científicos europeos estaban en una inquietud. En aquellos años, la "radiación del cuerpo negro", definida por el físico prusiano Gustav Robert Kirchhoff, se convirtió en un rompecabezas de los físicos. El cuerpo negro es un sólido ideal que no refleja radiación (ni luz). Absorbe todo lo que le llega. Si se calienta este sólido, emite radiación dependiente de la temperatura. Así también actúan los trozos de acero, por ejemplo. A una temperatura determinada, el cuerpo emite luz roja. Algo más calentado, luz amarilla. Más calentamiento, luz azulada, etc. Al aumentar la temperatura, la longitud de onda de la radiación emitida es menor. Sin embargo, no se produce una mezcla de colores.Por qué?

Max Planck era un experto científico. Se doctoró a los veintiún años de edad (el mismo año que nació Albert Einstein). A pesar de ser estudiante de Kirchhoff, tomó como referencia los escritos de Rudolf Claussius. En las teorías de la termodinámica estaba vestido e intentó explicar la radiación del cuerpo negro. En octubre de 1900 estaba muy confuso. La física conocida hasta entonces no ofrecía explicaciones. Casi desesperada, propuso una curiosa idea que publicó el 14 de diciembre. En este escrito publicó la fórmula que unía la energía de una radiación con la longitud de onda. La radiación electromagnética (la luz, por ejemplo) estaba formada por partículas de energía exacta. Planck denominó el quito a la unidad de radiación y propuso que la energía se puede absorber o emitir en cantidades enteras de cuánticos. Su teoría implicaba una excesiva innovación y no fue aprobada inmediatamente.

Planck: la mirada de la tragedia

El físico Max Planck, premio Nobel en 1918, tuvo una vida triste. Tras veintidós años casado, su mujer Marie Merck murió en 1909 y al año siguiente contrajo matrimonio con Marga von Hoesslin. Un hijo, Karl, murió en Verdún durante la Primera Guerra Mundial. Otras dos hijas, Margarete y Emma, murieron al parto. La Segunda Guerra Mundial fue una época muy mala para ella. Un hijo fue atropellado y asesinado por participar en un atentado contra Hitler. En 1944 la casa de Planck fue destruida totalmente por un bombardeo. Terminada la guerra, los estadounidenses la llevaron a Gottingen. Falleció en 1947.

Albert Einstein

Cuando nació el concepto de cuanto el joven Albert Einstein no podía acceder al puesto de trabajo en la ETH (Eidgenossiche Technische Hochschule) de Zurich. En 1902 el padre de un amigo le dio la oportunidad de trabajar en la oficina de patentes. Comenzó a trabajar durante siete años, pero tuvo la oportunidad de cursar estudios de doctorado en tiempo libre.

El Premio Nobel de Física de 1905 fue otorgado al físico alemán Philipp Lenard. Las observaciones de Lenard eran muy interesantes. Cuando los rayos de luz inciden sobre la superficie de un metal, desencadenan los electrones. Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico. Era muy curioso. Los electrones producidos por la luz azul, por ejemplo, se movían más rápido que los producidos por la luz roja. Además, en los átomos que contienen electrones relacionados con interacciones débiles (por ejemplo, en el cesio), casi cualquier tipo de luz produce un salto. Sin embargo, los electrones más fuertes, como el cobalto, no pueden ser extraídos por la luz roja.

Precisamente el mismo año, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico. Para ello tuvo que basarse en la teoría de los cuantos. La luz azul tiene una longitud de onda menor que la roja y por tanto, según la teoría de Planck, una energía mucho mayor. De hecho, los electrones fuertemente unidos no pueden ser liberados por radiaciones de gran longitud de onda. Necesitan mucha energía. Más importante aún: Según la hipótesis de Einstein, los fotones (componentes de la luz) son a la vez partículas y ondas. En el efecto fotoeléctrico, por ejemplo, actúan como partículas que chocan, pero en el experimento de Young tienen un marcado carácter ondulatorio. Pasaron unos diez años hasta que los físicos aceptaron estas conclusiones.

El trabajo de este sorprendente científico no terminó ahí ese año. Además de explicar el efecto fotoeléctrico, en 1905 Einstein publicó su particular teoría de la relatividad. Estos trabajos fueron trabajos de doctorado. Además, cabe destacar que se le otorgó el Premio Nobel de Física de 1921, pero no por la teoría de la relatividad, sino por la explicación del efecto fotoeléctrico. Paradójicamente, pero al lado del significado físico, una anécdota.

Este trabajo fue la base de la nueva rama desarrollada gracias a la teoría del cuanto, la física cuántica. La aportación de Einstein se toma como el auténtico punto de partida de la física cuántica, ya que Planck supuso un concepto único de cuanto. Posteriormente, a partir de los trabajos de Planck y Einstein, otros muchos físicos dieron una interpretación loca a la física cuántica, asustable a Planck y a Einstein. Y es que el último dio toda su vida buscando errores en esta interpretación.

Niels Bohr

El nombre más destacado de los que dieron una nueva orientación a la teoría del cuántico es Niels Bohr. La aportación del físico danés también sacudió a la química. Aplicó la teoría aplicada a la radiación a los átomos. Cree que los electrones de los átomos no podían tener cualquier energía. Alrededor del núcleo se movían varias órbitas concretas, cada una de ellas con un nivel de energía determinado. Bohr aplicó al átomo el modelo planetario. En consecuencia, cuanto más cerca esté el electrón del núcleo, más energía es necesaria para evacuarlo.

Se descubrió que la teoría es aplicable a todas las partículas del átomo. Esto tuvo consecuencias terribles: Las fórmulas del electromagnetismo de Maxwell y la mecánica clásica de Newton no eran aplicables a sistemas de este tamaño. Las teorías de Louis de Broglie extendieron el carácter simultáneo de partículas y ondas de los fotones a los electrones. En 1927 los experimentos de Clinton Davisson confirman esta idea. De la mano de Bohr y de Broglie, la cuantificación se aplicaba a la materia y no sólo a la luz. Se superó el límite de lo que se puede entender de nuestro nivel macroscópico.

Sin embargo, el modelo de Bohr sólo mostraba átomos de un solo electrón. Los cuantos necesitaban otro impulso teórico. El propio Bohr creía que encontró una interpretación general de la física cuántica. Se conoce como interpretación de Copenhague y fue un éxito en la física posterior. En los próximos años se llevó a cabo un enorme trabajo y las aportaciones de otros muchos físicos mejoraron el modelo. Por ejemplo, a mediados de los años 20 los físicos Erwin Schrodinger y Werner Heisenberg mantuvieron la teoría de de Broglie y desarrollaron la mecánica cuántica.

La nueva mecánica se basó en el análisis de probabilidades. Einstein y Planck estaban completamente asustados. Todos estos jóvenes físicos empezaron a utilizar la mecánica de las ondas como locos y sus consecuencias eran muy difíciles de asumir.

De hecho, los dos inventores del cuanto nunca lo aceptaron. Heisenberg dedujo que, de acuerdo con el principio de incertidumbre, los electrones (y todas las demás partículas) no pueden tener una posición y una velocidad a la vez. De hecho, se descartaron las órbitas inicialmente propuestas por Bohr y se empezó a hablar de los orbitales, es decir, de las zonas de alta probabilidad de encontrar el electrón. En otras palabras, no se puede predecir el comportamiento de un electrón hasta que se produzca el experimento. Dos electrones no tendrán el mismo comportamiento, aunque experimenten las mismas condiciones. Por el contrario, el comportamiento de los conjuntos de electrones se ajusta a la probabilidad calculable. Einstein nunca lo creyó. "Dios -dijo - no juega en dados".

Cuanto para casa

El nuevo modelo atómico permitía explicar los experimentos de química. La teoría cuántica es filosóficamente muy maligna, pero en los últimos sesenta años no se han conocido experimentos contra lo que la teoría anunciaba. Además, las aplicaciones que cambiaron la vida de las personas comunes se desarrollaron de forma inmediata.

Quizá el más importante era el transistor inventado en 1947 en los laboratorios Bell (el mismo año en que murió Planck). Este dispositivo, formado por capas de semiconductores, puede controlar y amplificar la corriente eléctrica. John Bardeen, Walter H. Fue inventada por los físicos estadounidenses Brattain y William Shockley. Por este invento recibió el Premio Nobel de Física en 1956. (Barde recibió además un segundo Premio Nobel en 1972 por sus investigaciones sobre superconductividad). Los transistores son la base de la electrónica y, por tanto, de la informática.

Pero la teoría cuántica ha dado otras aplicaciones destacadas. El microscopio de efecto túnel, por ejemplo, nos ofrece la posibilidad de ver y manipular átomos mediante un famoso fenómeno cuántico (el efecto túnel) (véase Elhuyar Zientzia eta Teknika, número de noviembre de 2000, 32 pp. ). Este dispositivo es una herramienta básica de trabajo para la creación de una nanotecnología que pronto será habitual. Por otro lado, no hay que olvidar que el principio físico de los láseres es una mera mecánica cuántica.