Las ideas que sustentan la Teoría Cuántica surgieron como alternativa al tratar de explicar el comportamiento de sistemas en los que el andamiaje conceptual de la Física Clásica se mostraba insuficiente. Es decir, una serie de observaciones empíricas (experimentales), cuya explicación no era abordable a través de los métodos existentes propició la aparición de las nuevas ideas.
Había un fuerte enfrentamiento entre las ideas de la Física Cuántica y aquéllas válidas hasta entonces, digamos de la Física Clásica. Potenciada por el notable éxito experimental que las de la Física Clásica habían mostrado a lo largo del siglo XIX, apoyándose básicamente en la mecánica de Newton y la teoría electromagnética de Maxwell (1865).
Pero existían dos cuestiones que la Física Clásica no daba respuesta. La primera era el resultado negativo del experimento de Michelson-Morley. La segunda, las profundas discrepancias entre la experiencia y la Ley de Rayleigh-Jeans.
El experimento de Michelson-Morley, se realizó en 1881 e intentaba encontrar un estado de reposo absoluto. Intentaron medir la velocidad de la Tierra respecto del éter. Lo que hicieron fue medir la velocidad de dos rayos de luz perpendiculares, uno que viajaba en la dirección de la rotación de la Tierra alrededor del Sol, y otro perpendicular a este.
El experimento partía de un mismo haz de luz que se separaba en direcciones perpendiculares hacia sendos espejos, situados a la misma distancia del lugar de separación. En estos espejos se reflejaban volviendo a juntarse nuevamente. Su razonamiento era que el rayo que se mueve en la dirección del movimiento de la Tierra tendrá al encontrarse con el otro rayo, una velocidad relativa diferente, dado que el espejo en el caso del rayo perpendicular al movimiento de la Tierra, siempre mantiene la misma distancia de recorrido.
Al tener velocidades relativas diferentes se produciría un desfasaje en los rayos que se manifestaría mediante un fenómeno de interferencia. Este desfase, conociendo el valor de la velocidad de la luz, permitiría calcular cuanto había recorrido la tierra respecto al éter y por ende su velocidad. Para su sorpresa, no encontraron nunca diferencias en la velocidad de la luz, es decir, nunca se produjo una interferencia, sin importar en que dirección respecto al movimiento de la Tierra la midieran.
Esta cuestión fue disipada con la creación de la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein (1905), (ver entradas de octubre y noviembre del año pasado), es decir, quedó en evidencia la caducidad de los conceptos absolutos de espacio y tiempo, propios de la Mecánica de Newton, con lo cual se introdujo el "relativismo" en la descripción física de la realidad.
La segunda cuestión abrió un torrente de ideas cuánticas, debidas al físico alemán Max Planck (1858-1947), que en 1900 formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas, denominadas cuantos.
Para ir entrando a la Teoría Cuántica, vale decir que la luz y la radiación térmica son en realidad la misma cosa. Una chimenea emite además de luz, rayos infrarrojos que crean la sensación de calor. Las leyes fundamentales de la radiación térmica son:
1) cuanto más intensamente se calienta un objeto la intensidad del brillo es mayor.
2) A medida que se calienta el objeto, el color de la luz emitida varía del rojo (cercano a los 500 °C) al blanco (mayor a 1000 °C).
Para determinar con precisión matemática las leyes de la radiación térmica, se elige un cuerpo estándar que emita y absorba radiación térmica, lo más perfectamente posible. Los físicos idearon un cuerpo con tales características. Una caja negra con un pequeño orificio. Para hacer que la caja sea una fuente luminosa, se calienta sus paredes hasta que estas empiezan a emitir luz.
A mediados de 1899, Lord Rayleigh y Sir James Jeans presentaron un cálculo clásico de la densidad de energía para el cuerpo negro. La fórmula que encontraron se aproxima bien a los datos experimentales en la región de frecuencias bajas, pero no reproduce bien todo el espectro de radiación del cuerpo negro.
La Ley de Rayleigh -Jeans pretendía explicar un fenómeno físico denominado radiación del cuerpo negro, es decir, el proceso que describe la interacción entre la materia y la radiación, el modo en que la materia intercambia energía, emitiéndola o absorbiéndola, con una fuente de radiación. Había también otra ley, la Ley de Wien (1893), que pretendía de igual modo explicar el mismo fenómeno.
La Ley de Wien daba una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es alta, pero fallaba para frecuencias bajas. Por su parte, la Ley de Rayleigh-Jeans daba una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es baja, pero fallaba para frecuencias altas.
La frecuencia es una de las características que definen la radiación, y en general cualquier fenómeno en el que intervengan ondas. Puede interpretarse la frecuencia como el número de oscilaciones por unidad de tiempo.
Toda la gama de posibles frecuencias para una radiación en la Naturaleza se hallan contenidas en el Espectro Electromagnético, el cual, según el valor de la frecuencia elegida, determina un tipo u otro de radiación.
En 1900, Max Planck contribuyó con la primera piedra del edificio de la Teoría Cuántica. Postuló una ley, la Ley de Planck, que explicaba de manera unificada la radiación del cuerpo negro, a través de todo el espectro de frecuencias.
Así, la Ley de Planck aporta un ingrediente tan importante como novedoso. La Física Clásica suponía que el intercambio de energía entre la radiación y la materia ocurría a través de un proceso continuo, es decir, una radiación de frecuencia f podía ceder cualquier cantidad de energía al ser absorbida por la materia.
Lo que postulo Planck al introducir su ley es que, la única manera de obtener una fórmula experimentalmente correcta exigía la novedosa y atrevida suposición de que dicho intercambio de energía debía suceder de una manera discontinua, es decir, a través de la emisión y absorción de cantidades discretas de energía, que hoy se denominan "quantums" de radiación.
La cantidad de energía E propia de un quantum de radiación de frecuencia f se obtiene mediante la relación de Planck: E = h x f, siendo h la Constante Universal de Planck.
Puede entenderse la relación de Planck diciendo que cualquier radiación de frecuencia f se comporta como una corriente de partículas, los quantums, cada una de ellas transportando una energía E = h x f, que pueden ser emitidas o absorbidas por la materia. Se dice que la energía esta cuantizada.
La hipótesis de Planck otorga un carácter corpuscular, material, a un fenómeno tradicionalmente ondulatorio, como la radiación. Pero lo que será más importante, supone el paso de una concepción continuista de la Naturaleza a una discontinuista, que se pone especialmente de manifiesto en el estudio de la estructura de los átomos, en los que los electrones sólo pueden tener un conjunto discreto y discontinuo de valores de energía.
La hipótesis de Planck quedó confirmada experimentalmente no sólo en el proceso de radiación del cuerpo negro, a raíz de cuya explicación surgió, sino también en las explicaciones del efecto fotoeléctrico, debida a Einstein (1905), y del efecto Compton, (1923) debida a Arthur Holly Compton (1892-1962).
Se entiende un poco mejor lo dicho en la entrada anterior, cuando referí al Principio de Incertidumbre, que el Universo se presenta con cierta granulación, es esta discontinuidad en los valores de energía el que daría cuenta de ello.
Puedes ampliar este tema consultando en el sitio Tendencias 21.
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