Planck y la revolución cuántica

Max Planck

Max Karl Ernst Ludwig Planck, del qual se celebra enguany la seua hipòtesi dels quants.

Max Karl Ernst Ludwig Planck nació el 23 de abril de 1858 en Kiel y murió el 3 de octubre de 1947 en Gotinga. Este físico alemán, que da nombre en la actualidad a la prestigiosa red de institutos de investigación en física, cursó estudios universitarios en Berlín y Munich, donde obtuvo el doctorado en 1880. Inició su carrera como profesor en la Universidad de Kiel, se trasladó a Berlín el año 1889 y fue nombrado catedrático de física teórica en 1892, grado que mantuvo hasta que se jubiló el año 1928.

Aunque las investigaciones iniciales de Planck se dirigieron a la termodinámica, en 1900 publicó un trabajo, “Zur Theorie der Gesetzes der Energieverteilung im Normal-Spektrum” (“Sobre la teoría de la ley de distribución de energía en el espectro continuo”), que representó el nacimiento de la teoría cuántica.

A finales de siglo XIX, un problema importante de la física consistía en explicar la radiación emitida por un cuerpo caliente. Se sabía que la intensidad de esta radiación aumenta con la longitud de onda hasta un valor máximo y, seguidamente, disminuye cuando aumenta la longitud de onda. También se conocía que el origen de esta radiación está en las vibraciones de los átomos del cuerpo caliente. Para un emisor perfecto (el denominado “cuerpo negro”, que emite y absorbe todas las longitudes de onda), la termodinámica debería de ser capaz de proporcionar una expresión teórica para esta radiación de cuerpo negro. Wilhelm Wien había descrito en el año 1896, mediante una ley empírica, el comportamiento presentado a longitudes de onda cortas. Lord Rayleigh y James Jeans dedujeron una ley capaz de explicar los resultados de longitudes de onda largas, pero predecía que el cuerpo habría de tener una emisión masiva de energía a longitudes de onda cortas: un absurdo conocido como “catástrofe ultravioleta”.

«I així és com va nàixer la teoria quàntica! La natura és selectiva en les quantitats energètiques que un cos pot absorbir i emetre»

Inicialmente, el problema de Planck era muy técnico: la búsqueda de una ecuación que describiera correctamente la emisión de radiación para todas las longitudes de onda. Cuando la encontró, contenía automáticamente los límites de Rayleigh-Jeans a longitudes de onda largas y de Wien a longitudes de onda cortas. ¡Pero sería una gran injusticia para Planck dar la impresión de que su descubrimiento fue exclusivamente el resultado de interpolar datos experimentales! Incluso si Planck hubiera parado en este punto, sería recordado eternamente como el descubridor de la ley de radiación. La grandeza científica de Planck se manifiesta en la perseverancia con que continuaba intentando interpretar su ecuación. Respetando sus ideas de muchos años, planteó cómo correlacionar la entropía de un oscilador con su energía, mediante argumentos termodinámicos y estadísticos. En esta comparación, la fórmula de Planck necesitaba incorporar un ingrediente contrario a la física clásica: la energía emitida o absorbida por un oscilador solamente puede tomar valores múltiples de una energía elemental e, cuanto energético conectado a la frecuencia de la radiación v mediante e=hv.

¡Y así es como nació la teoría cuántica! La naturaleza es selectiva en las cantidades energéticas que un cuerpo puede absorber y emitir, y tan sólo permite múltiplos de hv. La introducción de la constante h, el “cuanto elemental de acción” (en palabras de Planck), que conecta el cuanto elemental de energía e con la frecuencia v de la vibración, fue una idea revolucionaria, una ruptura radical con la física clásica.

A partir del trabajo de Planck se produjo un movimiento irresistible que llevó a aplicar el concepto de “saltos” energéticos a los fenómenos microscópicos de los átomos y de la radiación. En 1905, Albert Einstein demandó consistencia proponiendo que, si la energía de los osciladores atómicos al emitir o absorber radiación tomaba valores discretos, la misma radiación debía consistir en cuantos energéticos: los fotones. Con su existencia, Einstein fue capaz de explicar el efecto fotoeléctrico. En 1913, Niels Bohr incorporó estas ideas en su teoría del átomo de hidrógeno. En 1923, Arthur Compton explicó la dispersión de rayos X. Todos estos éxitos iniciales de las ideas cuánticas sembraron el camino para el florecimiento de la nueva teoría cuántica, formulada por De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Pauli,… a partir del año 1924.

La mecánica cuántica se ha revelado como la herramienta más poderosa para entender y predecir toda clase de fenómenos físicos y está en la base de los avances tecnológicos de mayor éxito en la segunda mitad del siglo XX. Aplicada a átomos y moléculas, la mecánica cuántica es la base y el futuro de la química moderna, porque permite fundamentar de manera rigurosa el enlace químico. En los sólidos, los electrones son atraídos por los iones que forman la red cristalina; cuando esta interacción se trata cuánticamente, los niveles de energía del material forman series de valores muy apretados denominados “bandas energéticas”. La teoría de bandas permite explicar el comportamiento de conductores, de aislantes y de semiconductores, tan utilizados en la tecnología electrónica de los tiempos actuales. El transistor es un dispositivo que permite una gran amplificación de la corriente eléctrica en pequeñas dimensiones. Las técnicas modernas de manipulación de materiales permiten elaborar heteroestructuras microscópicas y los pozos cuánticos son manifestaciones de esta nueva tecnología, cuyos límites son aún desconocidos. Los microscopios de efecto túnel, como eliminan las dificultades de difracción, permiten resolver distancias de dimensión atómica. Bajo condiciones en que los aspectos cuánticos también se manifiestan macroscópicamente, como a bajas temperaturas, la condensación atómica o de pares de Cooper electrónicos conduce a fenómenos tan espectaculares como la superfluidez o la superconductividad, respectivamente. La conexión entre la física y la tecnología en el área de materiales es tan estrecha que la distinción real entre los dos campos ha desaparecido. Parece apropiado identificar el siglo XX como el “siglo cuántico”. En física fundamental, se han explorado distancias hasta una cienmillonésima parte de las distancias atómicas, sin que se hayan detectado desviaciones de la mecánica cuántica.

Paradójicamente, a pesar del dominio con que hemos aprendido a utilizar la física y la tecnología cuántica, la interpretación del núcleo básico de la teoría continúa sujeta a múltiples debates. Más allá del carácter probabilista, indeterminista, de la mecánica cuántica, cuyos límites de predictibilidad son ejemplificados en las “relaciones de incertidumbre” de Heisenber, más allá de la evolución acausal asociada con el problema de la medida, las últimas décadas han singularizado el aspecto de no-separabilidad de los sistemas cuánticos como el más alejado de los presupuestos de la física clásica. Para sistemas de dos o más partículas correlacionadas, la física cuántica predice que el todo es bastante más que la suma de las partes y es imposible asignar una descripción objetiva separada a cada una de las partículas, un “elemento de realidad” en terminología de Einstein. Einstein enfatizó este resultado a fin de negar la categoría de “compleción” a la teoría cuántica. La publicación en 1964 de las “desigualdades de Bell” trasladó este debate interpretativo y filosófico al campo de la física, porque demostró el carácter observable y mensurable de estas correlaciones cuánticas más allá de los límites exigidos para una descripción realista separable de tipo clásico. Todos los experimentos realizados en los últimos treinta años para proceder a un test de las desigualdades de Bell han confirmado, sin duda alguna, las predicciones de la mecánica cuántica.

Pero el último capítulo todavía está por escribir. El uso de los estados cuánticos entrelazados no-separables para tecnologías de información y comunicaciones, que ahora han dado los primeros pasos, puede ofrecer unos avances en criptografía y computación cuánticas que ni tan sólo se podían vislumbrar hace unos pocos años.

Todo esto empezó hace cien años con la hipótesis de los cuantos de Planck el año 1900. En 1918. Max Planck recibió el Premio Nobel de Física. La constante h del “cuanto de acción elemental”, la constante de Planck, aparece grabada sobre la lápida de su tumba en Gotinga: h=6,62 x 10–27 erg·s

© Mètode 2000 - 25. Disponible solo en versión digital. Colecciones de la memoria - Primavera 2000

Catedràtic de Física Teòrica. Universitat de València.

RELATED ARTICLES
Filter by
Post Page
Los porqués de Mètode Opinión Noticias Caída libre Libros
Sort by