EL INICIO DE LA FÍSICA CUÁNTICA

Hace un siglo, el 14 de diciembre de 1900, en una conferencia impartida por el profesor Max Planck de la sociedad de física de Berlín, se habló por primera vez de la física cuántica. En esa ocasión Planck dio a conocer una buena forma de describir el comportamiento del color de la luz producida por un cuerpo caliente. Este fenómeno no nos es totalmente desconocido pues sabemos por experiencia que si calentamos un pedazo de hierro éste se hace luminoso –tanto más brillante cuanto más caliente– y que su luz, como la solar, está compuesta por una extensa gama de colores que nos recuerda al arco iris. ¿Por qué sucede esto?

Para precisar el color de una luz se le asigna una cantidad llamada frecuencia. Cuando la luz pasa del rojo al amarillo y luego al violeta la frecuencia crece. Si seguimos aumentando la frecuencia, la luz se hará invisible para nuestro ojos y diremos que se trata de luz ultravioleta. El crecimiento de la frecuencia nos conducirá a otras luces: los rayos X y los llamados "gamma". La organización de las luces en términos de sus frecuencias constituye el espectro electromagnético y la teoría correspondiente ya estaba firmemente establecida cuando Planck realizaba sus estudios. Sin embargo, su aplicación a la emisión de luz por un cuerpo caliente predecía algo absurdo: el aumento de temperatura haría crecer sin límite la frecuencia.

 Mark Plank, quien nació en Alemania en 1858 (murió en 1947), se había doctorado en la Universidad de Munich en 1879 y especializado en termodinámica, esto es, en el estudio de las propiedades de la materia relacionadas con las condiciones a las que está sujeta, en especial su temperatura. Una característica esencial del estudio termodinámico es que puede tratar un objeto sin necesidad de detallarlo demasiado y por ello podemos saber mucho del comportamiento de un gas sin tomar en cuenta que está hecho de partículas. Pero la curiosidad humana es insaciable y hemos construido otras disciplinas que extienden y profundizan nuestros conocimientos. Desde fines del siglo pasado se sabía cómo usar la mecánica para explicar las conclusiones de los estudios termodinámicos en términos de las componentes básicas del objeto en consideración, por ejemplo la presión que ejerce un gas como resultado de que está hecho de partículas.

Volvamos al pedazo de hierro con el que iniciamos este artículo y pensemos en su calentamiento. Si tal objeto tuviera cavidad interna –una burbuja que quedó atrapada dentro de él, por ejemplo– al calentarlo la luz emitida en su interior llenaría la cavidad y entonces tendríamos una especie de frasco repleto de luz. No es extraño entonces estudiar la luz como un gas y preguntarse acerca de sus componentes. Antes de continuar es preciso señalar algo que podría parecer paradójico; un buen emisor puede ser también un gran absorbente, esto es, los objetos luminosísimos son la otra cara de los hoyos negros. Esto es claro si se piensa que una cavidad repleta de luz podría dejar escapar un haz de gran luminosidad, mientras que la misma cavidad, cuando está totalmente vacía, guardaría toda la luz que entrara en ella. De ahí que los físicos se refieran al trabajo de Planck como el estudio de "la radiación del cuerpo negro". 

Los cimientos

Para construir la fórmula matemática que describe la distribución por frecuencias de la luz emitida por un cuerpo caliente –un cuerpo negro–, Planck tuvo que suponer que la luz y la materia no intercambian energía en cantidades cualesquiera, como se había pensado hasta entonces, sino sólo en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, un quantum (cuanto) de energía. Con esto Planck abrió un nuevo camino que pronto permitiría empezar a entender una gran cantidad de fenómenos que ahora se califican como cuánticos. Sin embargo, como ha sucedido con otros grandes descubrimientos, Planck no pudo comprender lo que había encontrado y confesó que había supuesto la existencia de "paquetes discretos" de energía en un momento de desesperación al no encontar otra manera para describir la radiación del cuerpo negro.

Albert Einstein, principalmente por sus teorías de la relatividad, fue uno de los primeros en aprovecharse  de la hipótesis de Planck. En 1905 publicó una explicación del efecto fotoeléctrico –la producción de electricidad por la incidencia de luz en metales– por la que años después le fue otorgado el Premio Nobel de física. Einstein consideró la luz como un gas formado por un gran número de partículas cuyas energías seguían el comportamiento de los quanta (cuantos) de Planck y explicó el efecto fotoeléctrico como el resultado de la incidencia de las partículas de luz sobre los electrones del metal. Los electrones habían sido descubiertos ocho años antes por el físico inglés Joseph John Thompson. Ahora sabemos que la luz y la electricidad tienen estructura granular: la luz se compone de partículas llamadas fotones y la electricidad de electrones.

La construcción del edificio

.....Cuando un conjunto de átomos es sometido a una acción externa –un calentamiento o el paso de una corriente eléctrica– éstos emiten radiación electromagnética, por ejemplo luz. El caso del hidrógeno gaseoso fue el favorito de los laboratorios de física, por lo que el arreglo de las líneas luminosas que emite –su espectro– constituyó una especie de modelo para el estudio de la emisión atómica. No obstante, en 1947 el físico estadounidense Willis Lamb, aprovechando las técnicas para el manejo de microondas desarrolladas durante la segunda Guerra Mundial, descubrió algo inesperado: una de las líneas luminosas del hidrógeno era compuesta y podía separarse en dos, lo que se pensaba era imposible de acuerdo con la teoría aceptada en esos momentos. Unos cuantos meses después los estadounidenses Julian Schwinger y Richard Feynman publicaron una reformulación de la mecánica cuántica con la cual se podía explicar –y calcular– la separación de líneas descubierta por Lamb. El desarrollo de la física cuántica ha continuado hasta nuestros días y no es este el lugar para seguir esbozando su historia.