Héctor Rago A.
Si metes la mano en un horno caliente sentirás la tibieza del ambiente. Ese calor se debe a que el horno está lleno de radiación emitida y absorbida constantemente por los átomos de las paredes del horno.
Algo tan cotidiano como la temperatura de un horno, encierra secretos profundos acerca de la naturaleza íntima de la luz. Al descifrar estos secretos en los albores del siglo XX, se produjo un cataclismo en la física y nada volvería a ser como antes.
De eso trata nuestro post de hoy, la temperatura de un horno y la revolución cuántica.
A finales del siglo XIX se sabía que los cuerpos calientes emiten ondas electromagnéticas, con diversas longitudes de onda. Los físicos querían conocer cómo está repartida la energía de esa radiación térmica, en las diferentes longitudes de onda. Una analogía ayudará a entender. Imaginemos que queremos saber cómo se reparte el número de personas que llena un estadio, de acuerdo a su estatura. Para averiguarlo, abrimos una puerta y dejamos salir un grupo de personas al azar y graficamos el número de personas por rango de estatura. Este gráfico nos revelará el porcentaje de personas en función de la estatura. Sabremos que la mayor proporción del total tendrá una estatura promedio, y que el porcentaje disminuye a medida que consideramos estaturas muy altas o muy bajas.
En el caso del horno caliente, se dejaba escapar radiación por un pequeño agujero, y usando filtros que dejaran pasar solo un rango de longitudes de onda, los físicos experimentales podían medir cuánta energía salía cada segundo del orificio en ese rango de longitud de onda.
El experimento mostraba que la energía de la radiación que emite el horno cada segundo, también tenía un máximo en una determinada longitud de onda que sólo dependía de la temperatura.
Deducir teóricamente esta curva se transformó en una de las más inquietantes incógnitas de la física de la época.
Se sabía que el flujo de energía no depende de la forma ni del tamaño ni del material del horno: únicamente depende de la temperatura y es por lo tanto un fenómeno universal, explicable en términos de las leyes universales.
A Max Planck le seducían las leyes universales. Cuando abordó el problema de descifrar la ley de radiación térmica, existía un intento teórico, la ley de Rayleigh – Jeans que funcionaba razonablemente a longitudes de onda relativamente grandes, pero tenía un desacuerdo total para longitudes de onda pequeñas. La absurda predicción teórica era que la energía radiada por el agujero era infinita. Una catástrofe pues, y así fue llamada, la catástrofe ultravioleta. Algo fundamental no se estaba comprendiendo.
(GERMANY OUT) Planck, Max – Scientist, Physicist, Germany *1858-1947+ – Photographer: Tita Binz – undated Vintage property of ullstein bild (Photo by Tita Binz/ullstein bild via Getty Images)
Planck dedicó cerca de cinco años al problema de intentar deducir las curvas experimentales a partir de leyes fundamentales. Escribió seis artículos que lo acercaban a la solución y que le fortalecían la convicción de que podía derivarse de leyes básicas. Finalmente, el 14 de diciembre de 1900, simbólicamente a escasos días de entrar en el siglo XX dio con la solución del problema. Planck pudo derivar la ansiada curva experimental a costa de sacrificar uno de los pilares de la física: que la energía era continua. En un acto de desesperación supuso que la radiación electromagnética de una longitud de onda fija, está repartida en paquetes de energía indivisibles, iguales entre sí, y que no podían ser absorbidas ni emitidas sino el paquete entero. La audaz suposición de concebir “átomos” o “cuantos” de energía como los llamó Einstein, o fotones como se les llamo después, resolvió el desacuerdo entre la teoría y el experimento. El ajuste de la fórmula de Planck con las curvas experimentales era fabuloso. Max Born diría años más tarde que la hipótesis de Planck es la más revolucionaria en toda la historia de la ciencia.
Planck no vislumbró es un momento la magnitud de su descubrimiento. Una cosa es hacer un descubrimiento y otra diferente es entenderlo. La suposición de que la energía de la radiación era discreta, fue en palabras de Planck, “una suposición formal” pero en realidad estaba describiendo una propiedad objetiva y fundamental de la luz. La luz es un chorro de fotones y la energía de cada fotón es una constante multiplicada por la frecuencia de la luz.
El valor de esta constante de Planck fue determinado a partir de las mediciones experimentales por su propio creador.
En 1905 Einstein usaría el resultado de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico y en 1921 obtuvo el Nobel por este trabajo. Tres años antes lo había ganado Planck por el suyo.
Los caminos de la ciencia son curiosos. Entender la radiación que sale de un horno, significó otro episodio en la confrontación histórica entre la luz como ondas o como partículas, sólo que las partículas no son las de Newton ni las ondas son las de Maxwell. Son una suerte de fusión entre ambas, comentaría Einstein años después.
La intuición de Planck resultó acertada, el problema era universal, pero las leyes de la física clásica no bastaban. El 14 de diciembre de 1900 el gato de Schrödinger arqueó el lomo y ronroneó: “me van a descubrir”: el descubrimiento de Planck estaba abriendo la compuerta a la física cuántica. Y pronto sus leyes cambiarían nuestra concepción de la realidad, y nos
deparó una tecnología para poder hacer este podcast. Todo porque en el calor de un horno escondía el código secreto de un elemento fundamental del mundo físico. ____________________________________________________
Musicalización:
Dimitri Shostakovich,
1.- Concierto para Piano Nº 2 in Fa Mayor Op 102 II Andante, estrenada en 1957.
2.- Cuarteto para cuerdas Nº 8 In Do menor, Op110 (1960)
3.- Romance de La Gadfly, 1955, soundtrack de la película soviética.
