Radiación térmica y mecánica cuántica

Radiación térmica y mecánica cuántica

Opinión
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A finales del siglo XIX y principios del XX, se pensaba que la descripción física del mundo era completa.


A finales del siglo XIX y principios del XX, se pensaba que la descripción física del mundo era completa. La mecánica newtoniana era usada para describir tanto el movimiento de los cuerpos celestes como el de todos los objetos en la tierra, y la teoría electromagnética de Maxwell permite explicar todos los fenómenos en este campo que nos rodean, desde la operación de un pararrayos hasta el funcionamiento de un motor eléctrico así como todos los fenómenos ópticos, y finalmente, la termodinámica clásica era usada para explicar todos los fenómenos térmicos conocidos, desde la explosión accidental de una “olla exprés”, hasta la operación de una locomotora de vapor.


Este era el conocimiento científico en física disponible en esa época.  Sin embargo, había algunas observaciones que no habían sido completadas y correctamente explicadas pero se pensaba que no era nada de qué preocuparse, eran simples “anomalías” que no tardarían en explicarse a partir de las teorías científicas conocidas. Un ejemplo de estas observaciones no explicadas tiene que ver con el calor y la radiación térmica. El calor es una de las manifestaciones más cotidianas de la vida. Todos hemos tenido la experiencia de sentir un objeto caliente e incluso quemarnos. Si calentamos un objeto a doscientos grados podremos notar al acercar la mano a éste que emite cierta radiación térmica infrarroja e invisible –piense por ejemplo en una plancha doméstica-. Si ahora aumentamos la temperatura del objeto hasta seiscientos grados –temperatura fácilmente alcanzada con una estufa eléctrica- notaremos que una tenue luz roja empieza también a ser emitida por el objeto calentado.


Aumentando la temperatura del objeto a dos mil grados –que es la temperatura típica del filamento interno de un foco eléctrico- éste emitirá radiación visible de color amarillo, y si seguimos aumentando la temperatura del objeto el color que observaremos será progresivamente, azul, violeta, etc. Este es un resultado conocido y fácil de comprobar.  Pues aunque ahora nos parezca increíble, a finales del siglo XIX y principios del XX las teorías científicas de esa época –mecánica newtoniana, electromagnetismo y termodinámica- eran incapaces de explicar estas observaciones. 


Cuidadosas mediciones habían mostrado que entre más se calienta el objeto la radiación emitida por este sería desplazada hacia  longitudes de onda cada vez menores (iniciando por radiación infrarroja, después roja, amarilla, azul, violeta, etc.). Este resultado es conocido como “ley de desplazamiento de Wien”.  Otro importante resultado conocido era que entre mayor es la temperatura del objeto, mayor será la radiación emitida. Este resultado se conoce como “ley de Stefan-Boltzmann”.   Bueno, el problema en esa época era que los físicos experimentales ya conocían las leyes de Wien y de Stefan-Boltzmann ¡pero los físicos teóricos no habían podido dar con un modelo que explicara el origen de esas leyes! 


Hubo muchos intentos por resolver este problema aparentemente tan simple y cotidiano pero todos fracasaron. Vale señalar que los más brillantes y talentosos científicos de esa época trataron sin éxito de resolver este problema. El problema de la radiación emitida por un cuerpo caliente se hizo famoso y llegó a ser conocido hasta la actualidad como el problema del “cuerpo negro”. (No deja de ser una curiosidad digna de otro artículo que muchos problemas importantes de la física hacen uso –por otras razones- de la palabra “negro” u “oscuro”. Pensemos en los “agujeros negros” y en la “materia oscura”). El problema del cuerpo negro fue resuelto por un científico que tenía un nombre larguísimo: Max Karl Ernst Ludwig Planck, quien afortunadamente lo abrevió a solo “Max Planck”. La solución dada por Planck para teóricamente explicar las leyes de Wien y de Stefan-Boltzmann requirió de una suposición que Planck mismo inicialmente consideró que era totalmente irreal: considerar que la energía está cuantizada. Resultados experimentales posteriores como el “efecto fotoeléctrico” convencieron a Planck de que la energía efectivamente está cuantizada. El trabajo de Planck para resolver el problema del cuerpo negro publicado el año de 1900 abrió un importantísimo capítulo de la ciencia: la mecánica cuántica.


Posiblemente de ahora en adelante cada que vea un objeto caliente no solo pensará en que se puede quemar, sino también en que la explicación teórica del calor emitido por dicho cuerpo fue dada por Max Planck, con lo cual se inició la teoría cuántica que es esencial para entender la operación de su teléfono celular, de los posicionadores satelitales GPS y de mil otros instrumentos de la vida moderna.