CRONOLOGÍA PARA ESTUDIANTES AVANZADOS #2

Esa misma noche, Planck trabajará en modificar su ecuación, y finalmente intuye una solución para el problema. Gracias a lo que él denomina «truco matemático», obtiene una nueva expresión teórica que encaja satisfactoriamente con los resultados de Rubens.

19 de octubre de 1900 — Planck presenta su solución en la Sociedad Alemana de Física.

Tras trece semanas de intensa actividad, Planck obtiene una demostración basada en conceptos termodinámicos y estadísticos.

Considera que las paredes están compuestas por osciladores que vibran al absorber la radiación.

Esos osciladores reemitirán esa radiación, luz.

Es en ese momento que Planck, para cuadrar los resultados teóricos con los experimentales, en un acto de desesperación, introduce la cuantización.

Max propone que los osciladores de la materia solo pueden moverse a unas energías determinadas, a paquetes. Y esos paquetes de energía se basaban en la frecuencia de oscilación y una constante que debía ser muy pequeña: la constante de Planck.

Hay que tener en cuenta que la propuesta de Planck proponía que, si columpias a un niño, a medida que le das más energía, no oscilará de manera continua, sino que se moverá a «saltos».

Piénsalo como si fuera una escalera: puedes ir subiendo escalón a escalón en distintos niveles de energía, pero no puedes quedarte a medio escalón.

Es importante resaltar que para Planck la luz no está cuantizada, sino que es el mecanismo en que la materia (los osciladores de las paredes del horno) emiten la radiación lo que está cuantizado.

Necesitaremos que llegue Einstein unos cinco años más tarde para que dé el paso definitivo.

Así pues, la física cuántica nace en voz baja y pidiendo perdón.

1900/1905 — Rayleigh y Jeans presentan la catástrofe ultravioleta.

Pese a que la solución de Planck arregla el problema del infrarrojo, Rayleigh y Jeans trabajan en obtener una ley que cumpla las leyes de la física clásica y que cuadre con el infrarrojo.

De esa manera no tienen que dar sentido al extraño «artilugio matemático» de la cuantización.

Algo que ni el mismo Planck aceptaba. Lo consiguen con el infrarrojo, pero no con el ultravioleta, el otro extremo de la frecuencia de la luz visible.

Utilizar la física clásica con el problema del cuerpo negro es como tener una manta que no te cubre bien: o bien te deja los pies al aire (ley de Wien), o bien te deja la cabeza fuera (ley de Rayleigh y Jeans).

Erenfest denominará a este nuevo problema

«la catástrofe ultravioleta».

Y es una catástrofe porque el resultado para altas frecuencias es absurdo. Si la física clásica fuese correcta, deberíamos carbonizarnos al observar las brasas de una chimenea. Algo que, obviamente, no ocurre.

La solución de Planck, la cuantización, también arregla la catástrofe ultravioleta. La opción cuántica es la única que tiene éxito donde la física clásica fracasa.

A menudo se dice que es la catástrofe ultravioleta la que mueve a Planck a realizar la cuantización, pero no es así. Planck se había centrado en el problema del infrarrojo, pues la ley de Wien encaja bien con el ultravioleta.

El efecto fotoeléctrico.

1887 — Heinrich Hertz y el primer experimento del efecto fotoeléctrico.

Hertz se ha dedicado a confirmar experimentalmente las propiedades de las ondas electromagnéticas predichas en las ecuaciones de Maxwell. Es en gran parte, gracias a sus experimentos, que se ha hecho posible el desarrollo de la comunicación por medio de la radio y la televisión.

Pero entre estos experimentos, Hertz encuentra uno que no tiene explicación en el marco de la física clásica: el efecto fotoeléctrico.

Cuando la luz incide en un metal, arranca sus electrones, pero tan solo si su frecuencia es lo suficientemente alta.

Lo primero que le llamará la atención es que, al aumentar la intensidad de la luz, tan solo aumentan el número de electrones arrancados, pero no la energía a la que salen estos.

Por otro lado, si la frecuencia de la luz que incide en la placa metálica es pequeña, por mucho que aumentes su intensidad, no arrancas electrones.

Estos resultados son incomprensibles en la teoría ondulatoria de la luz de ese momento.

Como explica Mileva a Ada y Don, según la física clásica, la luz debería ser como una llama de fuego prendida para hervir un cazo de agua.

Por mucho que la llama del fuego sea floja, en su símil, una baja frecuencia, el agua debería acabar hirviendo.

El calor se va acumulando hasta que el agua cambia de estado.

Del mismo modo, las ondas de luz deberían acumular energía, por baja que fuese su frecuencia, y acabar arrancando electrones.

Sin embargo, los resultados experimentales describen una frecuencia umbral a partir de la cual se arrancan electrones. Según la teoría clásica, la teoría ondulatoria de la luz, esto no debería suceder.

1902 — Philipp Lenard mejora los experimentos.

Tuvieron que pasar muchos años para mejorar los experimentos de Hertz, pues son complicados de realizar con la tecnología que se disponía.

Será Lenard quien lo conseguirá, encontrando así cuál es la relación entre la energía a la que salen despedidos los electrones y la luz incidente: la frecuencia.

12 de marzo de 1905 — Albert Einstein publica el artículo que le hará ganar el premio Nobel: «Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz».

Einstein, que no ha sido capaz de encontrar plaza en ninguna universidad, trabaja como oficial de tercera de una oficina de patentes en Berna. Una ocupación que le deja el tiempo suficiente como para seguir de cerca los trabajos de Planck.

Einstein recoge la idea de Planck de que los osciladores que forman la materia no pueden moverse como quieran, sino que solo pueden tener unas energías determinadas.

Unos paquetes de energía que dependen de la frecuencia y la constante de Planck.

Si la luz, al fin y al cabo, sale de estos osciladores que solo pueden moverse a paquetes, ¿no será que la energía luminosa que desprenden tampoco pueda ser arbitraria?

¿No debería estar formada de esos paquetes de energía?

Einstein toma la ecuación de Planck y le da sentido físico: es la luz la que está formada por cuantos.

La radiación electromagnética no es continua, no pude cortarse como si fuese una longaniza, a láminas infinitamente finas.

Existe una loncha fundamental, con un grosor determinado, a la que llama cuanta.

Ese grosor mínimo viene determinado por la constante de Planck h .

Con su extravagante hipótesis puede dar explicación al efecto fotoeléctrico, así como a dos fenómenos más: la fotoionización y la fosforescencia.

Para Einstein, es la luz la que está compuesta por partículas de energía E=hf (podemos llamarles fotones, aunque ese término no se usará hasta 1923).

Bajo esta premisa, cuando un fotón es captado por el electrón del metal, una parte de su energía paga el peaje para arrancar al electrón de la placa metálica y la restante la utiliza para alejarse velozmente.

A mayor energía de la luz, es decir, mayor frecuencia, más energía tendrá y saldrá con más velocidad.

Sin embargo, si el fotón no tiene suficiente energía, la frecuencia necesaria, no llegará a poder pagar el peaje y arrancar el electrón.

Su explicación y predicciones encajaban con los resultados experimentales. Una explicación que tardará todavía diez años en ser comprobada experimentalmente por Millikan.

La propuesta de Einstein es provocativa.

Doscientos años después de Newton, Albert Einstein volvía a retomar una teoría de la luz como partícula.

Durante siglos había existido una batalla intelectual respecto a la luz.

Young, con su famoso experimento de la doble ranura, había zanjado esa discusión y la comunidad científica aceptó finalmente que la luz es una onda.

Más tarde, los extraordinarios trabajos de Maxwell describiendo la luz como una onda electromagnética acabaron de asentar esa idea.

Pero ahora llega Einstein y se le ocurre volver a abrir el melón.

En la introducción de su artículo de 1905, Einstein afirma que los experimentos realizados con la luz hasta entonces, sobre interferencia, difracción, etc.

, se explican perfectamente con la descripción ondulatoria de la luz.

Sin embargo, también plantea que la única manera de explicar estos nuevos experimentos es discretizando la luz, aceptando sus cuantos.

Y aquí, amigos míos, empieza una de las rarezas del mundo cuántico: la dualidad onda-partícula.

Esta dualidad nos plantea una pregunta que puede darnos bastante dolor de cabeza: ¿es la luz una onda o una partícula?

1905 será conocido como el año milagroso de Albert Einstein, pues no solo publicará este artículo sobre la luz, sino otros dos. Uno de ellos planteará la existencia real de los átomos, y el otro dará lugar a la Teoría de la Relatividad Especial.

El mismísimo Planck fue un defensor entusiasta de la teoría de la relatividad, pero seguía resistiéndose a la propuesta de Einstein de que la luz estuviera cuantizada. Max Planck creía que, en esa cuestión, Albert Einstein cometía un error, aunque perdonable.

Tras publicar sus artículos de 1905, a Einstein le ascienden de oficial de tercera a oficial de segunda en la oficina de patentes suiza.

Ganará el Premio Nobel de Física diecisiete años más tarde por su trabajo sobre la naturaleza de la luz.

El átomo de Bohr.

Átomo, en griego, significa último e indivisible.

Los filósofos de la Antigüedad se preguntaban: ¿si rompo una piedra, una y otra vez, hasta dónde puedo llegar?

, ¿existe un límite?, ¿o bien llega un momento en el que ya no puedo partirla más?

De ahí surge la pregunta de si existe una pieza fundamental.

Demócrito, en los siglos V y IV a.C., llama átomo a ese fragmento fundamental.