El nacimiento de la mecánica cuántica

Para entender lo que es la mecánica cuántica y en qué se diferencia de la clásica, no hay mejor manera que explicar cómo nació.

Donde mejor lo podéis ver es en el extraordinario blog ‘El tamiz’ donde se expone todo el proceso sin una sola fórmula en su serie ‘mecánica cuántica sin fórmulas’. Pero me atrevo aquí a simplificar lo simplificable y a explicar lo explicado en dicho blog. ¿Por qué? Pues porque sí. Porque me sirve de ejercicio de resumen y repaso a mí personalmente. Por eso.

Podemos establecer el auténtico nacimiento de la mecánica cuántica en 1900, con el nacimiento del siglo XX (que para ser estrictos empezó en 1901).

Y como no podía ser de otro modo, este revolucionario cambio en la forma de entender el universo se produjo al intentar resolver una catástrofe.

La catástrofe ultravioleta.

Sin ponernos dramáticos de más, esta catástrofe se refería a la falta de coherencia del modelo que explicaba la radiación del cuerpo negro.

Para simplificar, el cuerpo negro sería un objeto tan negro (de color, o más bien de falta de él) que toda la luz que incidiera sobre él sería absorbida. Me explico:

Un inciso antes que nada: este objeto no tiene nada que ver con los agujeros negros que son estrellas colapsadas con tanta masa que su campo gravitatorio no permite que la luz salga de ellos. ¡No porque no la reflejen (como sería el caso del cuerpo negro) sino porque la luz ‘recae’ sobre el agujero negro debido a su extrema gravedad! Es algo así como que aunque la luz no pesa prácticamente nada, es tanta la gravedad (la fuerza que nos sujeta a nuestros planetas) del agujero negro que ni siquiera ella consigue salir.

Ahora sí que me explico:

Los colores son simplemente la interpretación de nuestro cerebro acerca de la información que le aportan nuestros ojos de la energía de la luz reflejada sobre los objetos. Recordáis que el blanco es una mezcla de todos los colores y que el negro es la falta total de colores. Pues bien: El (modelo teórico del) cuerpo negro es que se trata de un objeto tan negro, tan negro que – aunque lo ilumines muchísimo – sigue más negro que… bueno, se me entiende ¿verdad?

Pero esto no quiere decir que el cuerpo negro no emita ninguna luz (o energía). En 1862, Kirchhoff (sí. Para el que sepa de electricidad y circuitos eléctricos, es el de la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff) había observado que todo cuerpo calentado emite energía en forma de ondas electromagnéticas; esto es, de luz. De ahí le surgió la idea del cuerpo negro.

Para no complicar mucho las cosas, os será más fácil imaginar el cuerpo negro como un carboncillo (negro) que emite luz roja si está en las brasas y azul si las calentamos mucho más.

Esto precisamente es lo que describe la siguiente gráfica:

Inciso: el pequeño arco iris en las abscisas (el eje horizontal) representa la luz visible para los humanos. De 380 a 750 nm (nano metros = 10 E-9 metros).

Fijaos en los puntos de colores en los picos de cada curva de color.

Como veis, al aumentar la temperatura del cuerpo negro (curvas de frío = negro = 3500K a caliente = rojo = 5500K), este emite más radiación (Eje vertical = Intensidad) y más hacia la izquierda (del infrarrojo (IR) por encima de 750 nm, y el rojo, hacia el azul y más allá… hacia el ultra violeta (UV) por debajo de 380 nm).

En cuanto a la curva de color malva (teóría clásica), se trata precisamente de la catástrofe Ultravioleta puesto que nos muestra la divergencia entre el modelo clásico (de Rayleigh-Jeans) y el de Planck. Según ella, al aumentar la temperatura del cuerpo negro, debería aumentar proporcionalmente su emisión (eje vertical derecho = Intensidad). Pero resulta que lo que ocurría en la realidad es lo que describe nuestra gráfica: Por más que aumentara la temperatura del cuerpo negro, su emisión se ‘desvanecía’ en la zona ultra violeta.

Bueno. Baste decir que Planck resolvió esta divergencia con una argucia enfocada a encajar los resultados empíricos (medibles) con las ecuaciones que describían el fenómeno. Esta argucia involucraba su famosa constante de Planck (h = 1, 054.10 E-34 J. s) y venía a corregir la teoría clásica gracias a ese factor. Lo hizo casi de pasada y sin darle mucha importancia, casi a modo de trámite. Pues bien: este apaño desembocó en una nueva manera de observar el universo: la mecánica cuántica.

Para precisar un poco más, la forma de entender el modelo de cuerpo negro que describía la gráfica anterior era verlo como un conjunto de diminutos osciladores (es fácil imaginarlos todos juntos como un manchurrón negro) que vibraban más cuantos más calientes estaban. Esa vibración se perdía entonces en forma de energía electromagnética medible ofreciéndonos los resultados de la susodicha gráfica. La gran intuición de este modelo es que ya tenía en cuenta los principios de la cuantización en la forma de pequeños ‘eslabones’ proporcionados a la constante de Planck. Es decir, ya sembraba la idea de que no solo los objetos se pueden descomponer en ‘pequeños osciladores’ que llamaríamos ‘átomos’ sino que la energía inmanente de estos también debía cuantificarse en consecuencia.

Y fijaos bien. Adelantándonos a los acontecimientos, esa constante representa el primer eslabón de la mecánica cuántica. Viene descrita por la ecuación

h = E / v

donde h es la constante de Planck, E la energía y v la frecuencia

Además

v = v / l

Donde v = velocidad de la onda y l = longitud de onda

De estas dos ecuaciones deducimos una relación entre la energía, la constante de Planck y la longitud de onda.

E = h v = h v / l

Y lo que viene a decir (resumo muchísimo) es que existen unos trocitos de energía del ‘tamaño’ de la constante de Planck… que ya hemos visto que es muy pequeña

h = 1, 054.10 E-34 J. s = 0,00000000000000000000000000000000001 J. s

En conclusión: si queréis, podéis llamar a estos trocitos de energía, átomos de energía, y mejor todavía ‘cuantos’ de energía (por estar ‘cuantificados’ y no continuos como preveía el modelo clásico).

Una vez hecho esto, habréis dado el primer paso hacia la mecánica cuántica. Acabáis de daros cuenta de que – al igual que la materia que os rodea parece uniforme y sabéis que está en realidad compuesta por minúsculos átomos que no podéis ver – la energía también está compuesta por ‘trocitos’ que se llaman ‘cuantos’.

Por cierto que Planck recibió el premio Nóbel de física en 1918 en reconocimiento de los servicios que rindió al avance de la Física por su descubrimiento de los cuantos de energía.