Cent anys des del naixement del Quant: zorionak, Planck

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

• Fisika
• Historia

En la societat actual, a la física quàntica se li han afegit moltes vegades les paraules "difícil" i "avorrit". Però per als quals ens agrada la física, la successió d'esdeveniments d'aquesta època és emocionant. XIX. En l'última dècada del segle XX i en els primers trenta-cinc anys del XX (per limitar d'alguna manera) es va produir un enorme i brusc desenvolupament de la física.

Per a analitzar la història del descobriment del quàntic, primer cal mirar cap endarrere. En 1801 el físic anglès Tomás Young va voler comprendre millor el que és la llum. Fins llavors, dit per Newton, la majoria pensava que la llum estava formada per petites partícules. Però Young va fer passar llum per dues escletxes i va veure que es difractava com les ones flotants. Així que va concloure Young que la llum és l'ona. Teoria de Young XIX. Va dominar el segle XIX. Ara sabem que tant Newton com Young tenien raó.

Max Planck

XIX. A la fi del segle XX la física estava molt avançada. De fet, es feien experiments que les teories de Newton no explicaven. Els raigs X (William Konrad Roetgen, 1895) i la radiació (Antoine Henry Becquerel, 1896) van ser descoberts recentment. Marie Curie, al costat del seu marit, va descobrir el tori i el poloni. Els científics europeus estaven en una inquietud. En aquells anys, la "radiació del cos negre", definida pel físic prussià Gustav Robert Kirchhoff, es va convertir en un trencaclosques dels físics. El cos negre és un sòlid ideal que no reflecteix radiació (ni llum). Absorbeix tot el que li arriba. Si s'escalfa aquest sòlid, emet radiació dependent de la temperatura. Així també actuen els trossos d'acer, per exemple. A una temperatura determinada, el cos emet llum vermella. Una cosa més escalfada, llum groga. Més escalfament, llum blavosa, etc. En augmentar la temperatura, la longitud d'ona de la radiació emesa és menor. No obstant això, no es produeix una mescla de colors.Per què?

Max Planck era un expert científic. Es va doctorar als vint-i-un anys d'edat (el mateix any que va néixer Albert Einstein). Malgrat ser estudiant de Kirchhoff, va prendre com a referència els escrits de Rudolf Claussius. En les teories de la termodinàmica estava vestit i va intentar explicar la radiació del cos negre. A l'octubre de 1900 estava molt confús. La física coneguda fins llavors no oferia explicacions. Gairebé desesperada, va proposar una curiosa idea que va publicar el 14 de desembre. En aquest escrit va publicar la fórmula que unia l'energia d'una radiació amb la longitud d'ona. La radiació electromagnètica (la llum, per exemple) estava formada per partícules d'energia exacta. Planck va denominar el llevo a la unitat de radiació i va proposar que l'energia es pot absorbir o emetre en quantitats senceres de quàntics. La seva teoria implicava una excessiva innovació i no va ser aprovada immediatament.

Planck: la mirada de la tragèdia

El físic Max Planck, premi Nobel en 1918, va tenir una vida trista. Després de vint-i-dos anys casat, la seva dona Marie Merck va morir en 1909 i a l'any següent va contreure matrimoni amb Marga von Hoesslin. Un fill, Karl, va morir en Verdún durant la Primera Guerra Mundial. Altres dues filles, Margarete i Emma, van morir al part. La Segona Guerra Mundial va ser una època molt dolenta per a ella. Un fill va ser atropellat i assassinat per participar en un atemptat contra Hitler. En 1944 la casa de Planck va ser destruïda totalment per un bombardeig. Acabada la guerra, els estatunidencs la van portar a Gottingen. Va morir en 1947.

Albert Einstein

Quan va néixer el concepte de quant el jove Albert Einstein no podia accedir al lloc de treball en l'ETH (Eidgenossiche Technische Hochschule) de Zurich. En 1902 el pare d'un amic li va donar l'oportunitat de treballar en l'oficina de patents. Va començar a treballar durant set anys, però va tenir l'oportunitat de cursar estudis de doctorat en temps lliure.

El Premi Nobel de Física de 1905 va ser atorgat al físic alemany Philipp Lenard. Les observacions de Lenard eren molt interessants. Quan els raigs de llum incideixen sobre la superfície d'un metall, desencadenen els electrons. Aquest fenomen es denomina efecte fotoelèctric. Era molt curiós. Els electrons produïts per la llum blava, per exemple, es movien més ràpid que els produïts per la llum vermella. A més, en els àtoms que contenen electrons relacionats amb interaccions febles (per exemple, en el cesi), gairebé qualsevol tipus de llum produeix un salt. No obstant això, els electrons més forts, com el cobalt, no poden ser extrets per la llum vermella.

Precisament el mateix any, Einstein va explicar l'efecte fotoelèctric. Per a això va haver de basar-se en la teoria dels quants. La llum blava té una longitud d'ona menor que la vermella i per tant, segons la teoria de Planck, una energia molt major. De fet, els electrons fortament units no poden ser alliberats per radiacions de gran longitud d'ona. Necessiten molta energia. Més important encara: Segons la hipòtesi d'Einstein, els fotons (components de la llum) són alhora partícules i ones. En l'efecte fotoelèctric, per exemple, actuen com a partícules que xoquen, però en l'experiment de Young tenen un marcat caràcter ondulatori. Van passar uns deu anys fins que els físics van acceptar aquestes conclusions.

El treball d'aquest sorprenent científic no va acabar aquí aquest any. A més d'explicar l'efecte fotoelèctric, en 1905 Einstein va publicar la seva particular teoria de la relativitat. Aquests treballs van ser treballs de doctorat. A més, cal destacar que se li va atorgar el Premi Nobel de Física de 1921, però no per la teoria de la relativitat, sinó per l'explicació de l'efecte fotoelèctric. Paradoxalment, però al costat del significat físic, una anècdota.

Aquest treball va ser la base de la nova branca desenvolupada gràcies a la teoria del quant, la física quàntica. L'aportació d'Einstein es pren com l'autèntic punt de partida de la física quàntica, ja que Planck va suposar un concepte únic de quant. Posteriorment, a partir dels treballs de Planck i Einstein, molts altres físics van donar una interpretació boja a la física quàntica, asustable a Planck i a Einstein. I és que l'últim va donar tota la seva vida buscant errors en aquesta interpretació.

Niels Bohr

El nom més destacat dels quals van donar una nova orientació a la teoria del quàntic és Niels Bohr. L'aportació del físic danès també va sacsejar a la química. Va aplicar la teoria aplicada a la radiació als àtoms. Creu que els electrons dels àtoms no podien tenir qualsevol energia. Al voltant del nucli es movien diverses òrbites concretes, cadascuna d'elles amb un nivell d'energia determinat. Bohr va aplicar a l'àtom el model planetari. En conseqüència, com més a prop estigui l'electró del nucli, més energia és necessària per a evacuar-lo.

Es va descobrir que la teoria és aplicable a totes les partícules de l'àtom. Això va tenir conseqüències terribles: Les fórmules de l'electromagnetisme de Maxwell i la mecànica clàssica de Newton no eren aplicables a sistemes d'aquesta grandària. Les teories de Louis de Broglie van estendre el caràcter simultani de partícules i ones dels fotons als electrons. En 1927 els experiments de Clinton Davisson confirmen aquesta idea. De la mà de Bohr i de Broglie, la quantificació s'aplicava a la matèria i no sols a la llum. Es va superar el límit del que es pot entendre del nostre nivell macroscòpic.

No obstant això, el model de Bohr només mostrava àtoms d'un sol electró. Els quants necessitaven un altre impuls teòric. El propi Bohr creia que va trobar una interpretació general de la física quàntica. Es coneix com a interpretació de Copenhaguen i va ser un èxit en la física posterior. En els pròxims anys es va dur a terme un enorme treball i les aportacions de molts altres físics van millorar el model. Per exemple, a mitjan anys 20 els físics Erwin Schrodinger i Werner Heisenberg van mantenir la teoria de de Broglie i van desenvolupar la mecànica quàntica.

La nova mecànica es va basar en l'anàlisi de probabilitats. Einstein i Planck estaven completament espantats. Tots aquests joves físics van començar a utilitzar la mecànica de les ones com a bojos i les seves conseqüències eren molt difícils d'assumir.

De fet, els dos inventors del quant mai ho van acceptar. Heisenberg va deduir que, d'acord amb el principi d'incertesa, els electrons (i totes les altres partícules) no poden tenir una posició i una velocitat alhora. De fet, es van descartar les òrbites inicialment proposades per Bohr i es va començar a parlar dels orbitals, és a dir, de les zones d'alta probabilitat de trobar l'electró. En altres paraules, no es pot predir el comportament d'un electró fins que es produeixi l'experiment. Dos electrons no tindran el mateix comportament, encara que experimentin les mateixes condicions. Per contra, el comportament dels conjunts d'electrons s'ajusta a la probabilitat calculable. Einstein mai ho va creure. "Déu -va dir - no juga en daus".

Quant per a casa

El nou model atòmic permetia explicar els experiments de química. La teoria quàntica és filosòficament molt maligna, però en els últims seixanta anys no s'han conegut experiments contra el que la teoria anunciava. A més, les aplicacions que van canviar la vida de les persones comunes es van desenvolupar de manera immediata.

Potser el més important era el transistor inventat en 1947 en els laboratoris Bell (el mateix any en què va morir Planck). Aquest dispositiu, format per capes de semiconductors, pot controlar i amplificar el corrent elèctric. John Bardeen, Walter H. Va ser inventada pels físics estatunidencs Brattain i William Shockley. Per aquest invent va rebre el Premi Nobel de Física en 1956. (Barde va rebre a més un segon Premi Nobel en 1972 per les seves recerques sobre superconductivitat). Els transistors són la base de l'electrònica i, per tant, de la informàtica.

Però la teoria quàntica ha donat altres aplicacions destacades. El microscopi d'efecte túnel, per exemple, ens ofereix la possibilitat de veure i manipular àtoms mitjançant un famós fenomen quàntic (l'efecte túnel) (vegeu Elhuyar Zientzia eta Teknika, número de novembre de 2000, 32 pàg. ). Aquest dispositiu és una eina bàsica de treball per a la creació d'una nanotecnologia que aviat serà habitual. D'altra banda, cal no oblidar que el principi físic dels làsers és una mera mecànica quàntica.