Cuando uno menciona la física cuántica como explicación de algún fenómeno en general la audiencia responde con respetuoso interés y silencio. Y es que lo cuántico despierta interés, suena a frontera entre la ciencia y el más allá, a una puerta que enlaza el mundo normal con lo paranormal, a una ciencia que trasciende más allá de la realidad. Paparruchas.
Además, tiene una patina de dificultad que la hace admirable. Recuerdo que en mi libro de filosofía de tercero de BUP se decía que no todas las personas están capacitadas para entender la mecánica matricial en la que se basa la física cuántica (o algo así). Chorradas.
La física cuántica hace referencia a cosas tan reales como la física clásica, el problema es que la realidad no es como uno espera que sea. Así es la ciencia, los experimentos no tienen por qué seguir nuestros gustos y concepciones previas. Además, es relativamente fácil utilizar la física cuántica para hacer predicciones, lo difícil es, una vez más, encajar los resultados en nuestra manera de entender la realidad. Esa es la dificultad que le llevó a decir a Richard Feynman, premio Nobel de Física "Pienso que se puede afirmar tranquilamente que nadie entiende la mecánica cuántica". Probablemente no la entendemos, pero os aseguro que podemos hacer maravillas con ella.
En este post (y en otros posteriores) pretendo explicar algunos conceptos básicos de la física cuántica sin (demasiado) rigor pero tratando de transmitir de la forma más simple posible lo que yo he llegado a entender después de trabajar un poquito con ello. Hoy empezaremos haciendo un poco de historia para saber por qué fue necesario descubrir la física cuántica.
Los nubarrones de Lord Kelvin
A finales del siglo XIX la física se consideraba una rama del conocimiento a punto de cerrarse (¡ilusos!). Después de que Newton pusiera orden a la mecánica y Maxwell a la electricidad y al magnetismo parecía que poco quedaba por hacer aparte de repetir los cálculos con más cifras decimales.
En palabras de Lord Kelvin (el de los grados Kelvin) la física estaba completa salvo un par de nubarrones por despejar: el problema del éter y el del calor específico de los sólidos. Del problema del éter y su solución hablaré otro día si puedo y me atrevo. Baste decir que los solucionó Einstein con la teoría de la relatividad, con lo que el nubarrón resultó ser un huracán en toda regla que quitó la exclusiva a Galileo y a Newton . El problema del calor específico de los sólidos se solucionó gracias a la mecánica cuántica (vamos, que fue otro huracán), pero como es un poco más técnico voy a utilizar otro nubarrón que no menciono Kelvin pero que traía de cabeza a Planck: la radiación del cuerpo negro.
Analicemos la frase: "Radiación..."
Hay diferentes tipos de radiación que tienen en común, entre otras cosas, que la gente se asusta cuando las mencionas. De forma sencilla podríamos decir que son formas invisibles de transmitir energía. La que me interesa ahora es la radiación electromagnética.
Esta radiación en particular son olas (ondas) de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, como las de la radio pero de todas las frecuencias que podáis imaginar. Las ondas electromagnéticas de todas las frecuencias posibles forman lo que se conoce como el "espectro electromagnético" en el que, resumiendo, tenemos (ordenado de menor a mayor frecuencia):
- Ondas de radio
- Microondas
- Infrarrojos
- Luz visible (desde el rojo al violeta)
- Ultravioleta
- Rayos X
- Rayos gamma
Hay que insistir en que todo es lo mismo, olas del campo electromagnético, la diferencia es que las olas para las ondas de radio llegan muy separadas y para los rayos gamma muy juntas. Por cierto, todas ellas viajan a la misma velocidad, la velocidad de la luz.
"... del cuerpo negro"
Un cuerpo negro, en física, es un objeto que no refleja nada de la radiación que le llega. Por esa razón podemos estar seguros que la radiación que nos llega procedente de él ha sido emitida por él mismo y no está contaminada por radiación reflejada que procede de otros objetos. Al atardecer todo parece rojizo porque los objetos reflejan luz con esa tonalidad procedente del sol. Si queremos estudiar cómo es la radiación que emite un cuerpo lo mejor es un cuerpo negro para estar seguros de que estamos midiendo lo correcto.
Todos los cuerpos emiten radiación
En efecto, si quieres un mundo libre de radiaciones, empieza por ti mismo querido lector y hazte desaparecer. Cualquier cuerpo con temperatura distinta del cero absoluto (aproximadamente -273 ºC) está emitiendo radiación electromagnética. A temperaturas habituales esa radiación es infrarroja e invisible, pero la podemos sentir cuando acercamos la mano a un objeto caliente o la podemos ver poniéndonos unas gafas de visión nocturna que hacen visible el infrarojo (¿os acordáis de la peli "Depredador"? El alienígena ve el infrarrojo, por eso Swartzenegger se cubre de barro frío para ocultar el calor de su cuerpo). Si calentamos más, podemos tener radiación de mayor frecuencia que se haga visible (al calentar mucho un metal se pone al "rojo vivo" y emite luz). Y el sol, como está realmente caliente (unos 6000 ºC en la superficie y 10 millones en el interior) emite incluso radiación ultravioleta de mucha mayor frecuencia.
A principios del siglo XX ya sabían esto y, además, sabían que la distribución de dicha radiación para un cuerpo negro dependía únicamente de la temperatura a la que estuviera el cuerpo en cuestión, no de la naturaleza del mismo o de su composición; se trataba de un patrón universal. Planck trataba de entender por qué ese patrón era como era. El caso es que usar la física conocida hasta entonces daba lugar a un "pequeño" problema: la física clásica predecía que, sumando todas las frecuencias posibles de radiación, cualquier cuerpo con temperatura diferente de cero tenía que emitir infinita energía . Planck sabía que no era así porque nadie ha muerto abrasado por la radiación emitida por un cubito de hielo o cualquier otro objeto tan frío como queráis imaginar. El problema era conocido como la "Catástrofe ultravioleta".
El origen "matemático" del problema era, más o menos, que como todas las radiaciones son posibles y son infinitas, aunque se emita muy poco en cada una, la radiación total emitida siempre saldrá infinita. (¿No os lo creéis? ¿Sabéis cuánto vale la suma de la serie armónica 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + 1/5 + ...? Pues el resultado es infinito, si no me creéis a mi, preguntádselo a Wikipedia).
Paquetes de energía o "cuantos"
En un acto de desesperación (como él mismo reconoció) a Planck se le ocurrió una solución. Si fuera imposible emitir la energía en cantidades infinitamente pequeñas, si hubiera que emitirla por paquetes de energía (a los que llamó cuantos de energía), entonces algunos tipos de radiación (los que requirieran paquetes más grandes) no se emitirían porque no habría energía suficiente para completar un paquete que pudiera ser emitido.
Si f era la frecuencia de la radiación, (el número de olas que pasan por segundo por un determinado punto) Planck no se complicó la vida y propuso que la energía de un paquete de radiación (cuanto) de esa frecuencia sería proporcional a dicha frecuencia
E=h f
donde h era una constante a la que conocemos ahora como constante de Planck. Según esta relación un cuanto de onda de radio tiene poca energía (es "barato" de emitir) porque la radiación es de baja frecuencia, mientras que un cuanto de rayos gamma tiene muchísima (es "caro" de emitir) porque tiene muy alta frecuencia.
Planck rehízo los cálculos con esa hipótesis... y clavó el resultado dando a h un valor de 6,63 10^-34 Julios segundo (para los curiosos). La predicción de la nueva teoría "cuántica" daba el resultado correcto para la radiación de los cuerpos negros. Había nacido la mecánica cuántica, aunque ni el propio Planck se creyera que esos paquetes de energía o cuantos existieran realmente. Después de todo, utilizando una comparación con las olas en el mar, si la energía depende de la altura de las olas y podemos imaginar olas tan pequeñas como queramos para cualquier frecuencia, ¿qué sentido tiene decir que hay una altura mínima para las olas? La existencia de los cuantos no parecía más que una argucia matemática para sacar el resultado correcto.
Y así hubiera sido si no fuera porque esos extraños paquetes de energía empezaron a aparecer por más sitios.
