LOS ORÍGENES DE LA TEORÍA CUÁNTICA

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LOS ORÍGENES DE LA TEORÍA CUÁNTICA

El físico alemán Max Planck fue el primero en hablar sobre ella en 1900. Postuló que la materia solo puede emitir o absorber energía en pequeñas cantidades llamadas cuantos. Estos tres científicos explicaron a través del entrelazamiento cuántico cómo la teoría cuántica era errónea

PRESENTANDO h

Max Planck estaba dando una charla a la Sociedad Alemana de Física sobre el espectro continuo de las frecuencias de luz emitidas por un cuerpo calentado ideal. Ahora, con tiempo libre para pensar y más tiempo a su disposición, trató de proporcionar una justificación física para su fórmula. Planck imaginó un trozo de materia, idealizándolo un poco, como equivalente a una colección de cargas eléctricas oscilantes. Luego imaginó distribuir su energía en trozos discretos proporcionales a las frecuencias de oscilación.

Una cadena retorcida de razonamiento reprodujo entonces la fórmula postulada de Planck, que ahora involucraba la misma constante natural h. Planck no llamó cuantos a sus elementos de energía y no se inclinó a enfatizar su discreción, que tenía poco sentido en términos familiares.

BLACKBODIES

Planck estaba interesado en las dos teorías que se superponían en este dominio. El primero fue la electrodinámica, la teoría de la electricidad, el magnetismo y las ondas de luz, que James Clerk Maxwell dio a su forma definitiva en la década de 1870. El segundo, que data aproximadamente del mismo período, fue la termodinámica y la mecánica estadística, que gobierna las transformaciones de la energía y su comportamiento en el tiempo. Una pregunta urgente era si estas dos grandes teorías podrían fusionarse en una, ya que partían de diferentes nociones fundamentales.

A partir de mediados de la década de 1890, Planck abordó un problema aparentemente limitado, la interacción de una carga oscilante con su campo electromagnético. Un pequeño grupo de teóricos se ocupó de la termodinámica de la radiación, mientras que una gran cantidad de experimentadores trabajaban sobre cuerpos calientes para fijar la temperatura, determinar la intensidad y caracterizar las desviaciones de la idealidad del cuerpo negro. Ahora las cargas oscilantes de Planck emitían y absorbían radiación, por lo que podían usarse para modelar un cuerpo negro. Sin embargo, para obtener los resultados estadísticos correctos, tuvo que actuar como si la energía involucrada estuviera dividida en elementos e = hf.

Planck no tomó la constante h para indicar una discontinuidad física, una atomicidad real de la energía en un sentido sustantivo. Ninguno de sus colegas aprovechó mucho esta posibilidad, tampoco, hasta que Albert Einstein la asumió cinco años después.

HACIENDO REAL LA LUZ QUANTA

De los tres grandes artículos de Einstein de 1905, el de «Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz» fue el artículo que el empleado de patentes de 26 años calificó de revolucionario. Era peculiar, señaló, que la teoría electromagnética de la luz asumiera un continuo, mientras que las explicaciones actuales de la materia partían de átomos discretos. Un ejemplo clave fue la radiación de cuerpo negro, que Einstein ahora veía de una manera diferente a Planck. Aquí, un tratamiento rigurosamente clásico, demostró, arrojó un resultado no solo erróneo sino también absurdo.

La radiación tenía que dividirse en lo que Einstein llamó «cuantos de energía». Hoy escribiríamos E = hf. Curiosamente, Einstein no se refirió a la constante h de Planck, creyendo que su enfoque era diferente en espíritu. Donde Planck había observado las cargas oscilantes, Einstein aplicó la termodinámica a la propia luz. Sólo más tarde Einstein volvió y mostró cómo el trabajo de Planck implicaba cuantos reales.

Einstein proporcionó no solo una hipótesis comprobable, sino también una nueva forma de medir la constante h. Incluso después de que Robert Millikan confirmara la predicción de Einstein, él y otros se opusieron a la hipótesis cuántica subyacente. Cuando Einstein fue galardonado con el Premio Nobel, le debía el honor en gran parte al efecto fotoeléctrico. La relación del cuanto a la teoría ondulatoria de la luz seguiría siendo un punto de desconcierto.

Durante los años siguientes, Einstein solo agudizaría la contradicción. Como demostró, la termodinámica requería ineludiblemente tanto ondas clásicas como cuantificación. En el proceso, Einstein se acercó aún más a atribuir a la luz toda una gama de propiedades de las partículas. El cuanto semejante a partículas, más tarde llamado fotón, resultaría sugerente para explicar cosas como la dispersión de los rayos X.

MÁS ALLÁ DE LA LUZ

Al final resultó que, la primera bienvenida que se dio a los nuevos conceptos cuánticos se produjo en campos muy alejados de las problemáticas teorías de la radiación. El primero de estos dominios, aunque no es el más obvio, fue la teoría de calores específicos. El calor específico de una sustancia determina cuánto de su energía cambia cuando se eleva su temperatura. Se requirió la atención repentina del químico físico Walther Nernst para llevar las teorías cuánticas de los calores específicos a un significado general.

Sintiendo su camino hacia una nueva ley de la termodinámica, Nernst no solo reforzó las ideas de Einstein con resultados experimentales, sino que también las puso en la agenda para un debate generalizado. No fue un accidente, y en gran medida fue obra de Nernst, que el primer Congreso de Solvay en 1911 tratara precisamente de la teoría de la radiación y los cuantos. Einstein habló sobre calores específicos, ofreciendo comentarios adicionales sobre la radiación electromagnética. Si el cuanto nació en 1900, la reunión de Solvay fue, por así decirlo, su debut social.

En contraste con la universalidad de la radiación del cuerpo negro, las líneas discretas de emisión y absorción de luz variaban enormemente de una sustancia a otra. Pero las regularidades evidentes incluso en la confusión de las líneas proporcionaron materia fértil para las conjeturas cuánticas. Los espectros moleculares se convirtieron en un sitio de investigación de suma importancia durante la segunda década de la cuántica. Las líneas observadas del espectro discreto podrían leerse directamente a partir de los movimientos de los electrones.

EL MODELO BOHR DEL ÁTOMO

Puede parecer irónico que Niels Bohr inicialmente no tuviera interés en los espectros. Llegó a la estructura atómica de forma indirecta. Al escribir su tesis doctoral sobre la teoría electrónica de los metales, Bohr quedó fascinado por sus fallas e inestabilidades. Pensó que sugerían un nuevo tipo de fuerza estabilizadora, fundamentalmente diferente de las familiares en la física clásica.

Sospechando que el cuanto estaba implicado de alguna manera, no pudo imaginar cómo incorporarlo a la teoría. Para estabilizar el modelo por fiat, se propuso imponer una condición cuántica, de acuerdo con la práctica estándar del día. Sólo después de que un colega dirigiera su atención a los espectros, empezó a pensar en su significado. La famosa serie Balmer de hidrógeno fue una novedad evidente para Bohr.

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