El origen de la física cuántica: la catástrofe ultravioleta
En los últimos años he visto cómo en la televisión y las redes sociales se han difundido diferentes temas que, por alguna razón llevan la palabra “cuántica”. Por ejemplo: la medicina cuántica, sanación cuántica, tópicos relacionados con misticismo, pseudopsicología y temas espirituales. A estos se les puede llamar (por su término en inglés) quantum flapdoodle, la cual podría entenderse como cuántica absurda.
Como estudiante y profesionista en Física, mi deber es aclarar y explicar de la forma más digerible lo que significa realmente la palabra cuántica y su papel en la ciencia y, por lo tanto, en la naturaleza. Para esto, primero voy a explicar su origen y en futuras publicaciones los fenómenos más interesantes de la física cuántica.
Antes del siglo XX la física, como la ciencia que busca entender fenómenos de la naturaleza, creía tener casi todas las explicaciones a cosas como el movimiento, la electricidad, los gases, etc. Pero lo hermoso de la ciencia es que nunca termina de sorprendernos y hacer que preguntemos ¿por qué sucede esto y qué quiere decir?
Los metales al rojo vivo
Una pregunta que surgió durante esos años fue ¿por qué las cosas muy calientes brillan? Los cuerpos calientes como el fuego, metales fundidos o las mismas estrellas emiten luz. Si un metal se calienta muchísimo pasará de ser (por ejemplo) color plata, a rojo y luego amarillo y, ya cuando puede fundirse, a color blanco. Incluso, estos cuerpos ardientes emiten otro tipo de “color” que sería la radiación infrarroja y que nosotros no podemos a través de nuestros ojos, pero sí sentir. A esto se le llama calor por radiación. Un buen ejemplo sería cuando en un día completamente soleado, con tan sólo acercarnos a un auto, sentimos como este está caliente. Con estos fenómenos, que nos son familiares, podemos deducir que entre mayor sea la temperatura a la que está un cuerpo, más radiación infrarroja emitirá.
La luz y los colores (brevísima explicación)
Por otra parte, como los cuerpos muy calientes brillan y también emiten radiación infrarroja, vale la pena explicar brevemente la luz. La luz, o los colores que conocemos y que podemos ver, representan una parte de todo el espectro electromagnético. Pero, ¿qué es el espectro electromagnético? Es la definición universal para radiación y depende de qué tan pequeño o grande se hace un número llamado longitud de onda.
Gracias a la longitud de onda existen diversos colores. Entre más pequeño sea este número, obtendremos colores que van más hacia el azul o el violeta (es decir, más energéticos). Entre más grande sea este número, se obtiene colores más cercanos al rojo (menos energéticos). Al incluir esto en lo que habíamos dicho de los cuerpos calientes se puede decir que, entre mayor longitud de onda, mayor será la temperatura. Por eso las estrellas más calientes del universo son de color azul. El infrarrojo es de una longitud de onda más grande que los colores rojos y por eso no la podemos ver, pero sí sentir.
La radiación del cuerpo negro o cómo una camisa empieza a estar muy caliente
Hasta aquí todo parece ser coherente. Pero volvámonos locos e imaginemos situaciones interesantes. Supongamos que existe un cuerpo con un superpoder que lo hace completamente diferente a todos los objetos de la naturaleza: el cuerpo negro. Vamos a entenderlo como una playera del negro más obscuro que haya existido. Esta playera es tan negra, pero tan negra, que cuando alguien se la pone durante un día soleado absorbe toda la energía o calor de la luz del sol y otros cuerpos alrededor. Pero eso no es todo, ¡también puede emitir esa misma energía eficazmente!, es decir, que todo lo que absorbió lo puede expulsar.
En 1900, dos físicos, Lord Rayleigh y James Jeans descubrieron que la energía emitida por un cuerpo negro depende de la frecuencia, que es otra cantidad muy relacionada con la longitud de onda. Digamos que la frecuencia es igual a la longitud de onda cuando se multiplica por un número. A esto se le llama directamente proporcional. Entonces, también se puede decir que, a mayor frecuencia de la luz, mayor es la temperatura del cuerpo que la emite. Volviendo con el descubrimiento de Rayleigh-Jeans, se dieron cuenta que había algo que no encajaba con la vida real. Si la energía emitida por un cuerpo dependía de la frecuencia, y la luz o espectro electromagnético no tienen límite en el crecimiento de la frecuencia, entonces puede haber cuerpos que emitan energía infinita, dándonos colores superiores al violeta. Pero esto no sucede en la naturaleza, no hay cuerpos que sean infinitamente calientes. A esto se le conoce como la catástrofe ultravioleta.
Los físicos estaban vueltos locos por resolver este problema, pues la teoría había sido superada por la misma naturaleza. Es aquí donde entra el físico que abrió las puertas a la rama de la física que más cabezas ha hecho estallar (la física cuántica),me refiero a Max Planck.
Planck y la física cuántica: el inicio de una hermosa historia
Max Planck propuso una solución interesante a la catástrofe ultravioleta. La idea de Planck era considerar a la energía como una cantidad discreta. Una cantidad discreta es aquella que cambia en pasos, por ejemplo, el dinero. Cuando uno paga el camión, da las monedas completas de tal forma que sumen lo que cueste subir al transporte, nunca vamos dando centavo por centavo, pues nos tomaría una eternidad y el chofer no echaría de una patada. Así pasaría con la energía según Planck. La energía se emite y se guarda en forma de paquetes o cajas de un mismo valor. A estas “monedas” de energía les llamó cuantos. De ahí la palabra “cuántica”. (imagen 5: Max Planck)
Los cuantos de energía dependerían de la frecuencia, entonces, a bajas frecuencia o grandes longitudes de onda, se emitirían poquitos paquetes de energía y, por lo tanto, la temperatura del cuerpo sería baja. Por el contrario, a altas frecuencias o pequeñas longitudes de onda, se emitirían muchos paquetitos de energía. Cuando la frecuencia es altísima, los paquetes que se emitirán serían demasiados, de tal forma que no habría suficiente energía en el cuerpo para mandar todos esos paquetes.
Para entender lo anterior, comparémoslo con cómo funciona la tienda Amazon. Entre más frecuente o más seguido se compre un peluche de un gatito tierno, llegará el momento en que no habrá suficientes gatitos tiernos para entregar todos, por lo tanto, algunas personas tendrán que espera muchísimo tiempo para tener su gatito de peluche en casa. Bueno, pues así funcionan los cuantos de energía. Al llegar al punto donde la frecuencia es muy alta, no habrá suficiente energía para emitir todos los cuantos que se requiere. Así, Planck acabó con la catástrofe ultravioleta y, sin darse cuenta, dio origen a la física cuántica.
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