UN SIGLO DE FÍSICA CUÁNTICA
Javier Armentia

Eche un vistazo a su alrededor: seguro que tiene algún aparato cercano cuyo funcionamiento está relacionado con la física cuántica. Por ejemplo, cualquier instrumento electrónico, que llevará en su interior un chip de silicio, materiales semiconductores que se comportan de una manera que la física de solamente hace un siglo no podría haber siquiera soñado: el ordenador, un mando a distancia, la tele, la lavadora, la radio o el disco compacto. O un reloj digital, con pantalla de cristal líquido, un material capaz de ordenarse en presencia de campos eléctricos. O sin ser digital, probablemente su reloj de pulsera cuenta el tiempo gracias a pequeños impulsos eléctricos que genera un cristal de cuarzo, resonando según las leyes de la física cuántica.

Y sin embargo, nos sigue sonando a chino, poco más o menos. Incluso los textos que enseñan física hablan de “física moderna” para referirse a teorías que empiezan a cumplir su primer siglo de vida. Uno de los primeros centenarios tiene lugar mañana 14 de diciembre: el de los “cuantos” de energía, una palabra que comenzó siendo nombrada únicamente en latín, quantum –en singular– o quanta –en plural- y que aparecieron en un artículo publicado en 1900 para la Sociedad Alemana de Física, “Sobre la ley de distribución de la energía en el espectro normal”. Bajo ese título estaba el intento de este físico de explicar cómo se produce la radiación de energía de un cuerpo que tiene cierta temperatura: todos los objetos materiales que vemos están recibiendo y emitiendo energía y lo hacen según su temperatura. Idealmente, los físicos hablan del cuerpo negro, como un objeto que está en equilibrio con su entorno y que recibe tanta energía como la que emite; se trata de una simplificación que desde mediados del siglo XIX permitió estudiar este fenómeno. Pero podemos entenderlo con un ejemplo clásico de un trozo de hierro que podemos calentar.
A temperatura ambiente, el metal no emite luz visible, pero podemos percibir su “calor”. Realmente ese calor no es sino un tipo de luz menos energética que la de la luz visible, luz infrarroja. Si calentamos la barra de hierro, la radiación aumenta. Y aumenta también de frecuencia: llega un momento en que comenzamos a ver cómo el hierro se pone candente, al rojo. La radiación que emite alcanza ya una energía correspondiente a la de la luz roja. Si aumentamos su temperatura, se pasa a un color amarillento, y luego al blanco (solemos decir “al rojo blanco”). A temperaturas cercanas a 1000 grados, la barra de hierro está emitiendo gran parte de su energía en el rango visible. Teóricamente, podríamos obtener temperaturas mayores, y llegar a tener una coloración azul. El hierro, sin embargo, se funde antes. En general, los físicos de finales del siglo XIX llegaron a comprender que la energía que emite un cuerpo aumenta con la cuarta potencia de la temperatura. Fue Wilhem Wien quien formuló esta ley en 1893.

Pero el fenómeno de la radiación del cuerpo negro planteaba un problema radicalmente insoluble con la física clásica. A altas temperaturas, las teorías del electromagnetismo y la termodinámica predecían la distribución de energía de manera adecuada, pero a bajas temperaturas, el modelo fallaba por completo: las predicciones teóricas no se confirmaban experimentalmente. En aquella época se pensaba que esto era un problema menor, posiblemente debido a los problemas de medida. Pero Max Planck demostró que la única manera de entender los experimentos era hacer una revolución completa de la física.

Max Karl Ernst Ludwig Planck había nacido en Kiel, en Alemania, en 1858, de familia de docentes, y pronto decidió estudiar y dedicarse a la física. En Munich y Berlín aprendió y colaboró con algunos de los principales físicos de la época. Uno de ellos era Gustav Kirchoff, que había planteado en 1859 el problema de la radiación del cuerpo negro como un desafío para los físicos. Y fue más de cuarenta años después cuando Planck propuso una idea aparentemente contradictoria con todo lo que se observaba: la energía no se emitía de manera continua, sino en forma de pequeños paquetes, los quanta.

Se trataba de una propuesta revolucionaria porque la radiación, la luz, quedaba explicada de forma completa (y con una formulación matemática notable) con el electromagnetismo de Maxwell, considerando a la luz como una onda. El modelo de Planck, sin embargo, parecía una vuelta a las teorías corpusculares de la luz, abandonadas siglos atrás por los experimentos de refracción y difracción. De alguna manera, la radiación se presentaba como una onda (globalmente) compuesta de pequeños paquetes cuya energía estaba relacionada con la frecuencia de la onda. La constante que establecía esa relación era uno de los resultados de la teoría, y por eso se le conoció como constante de Planck.

Planck recibió el premio Nobel por sus estudios en 1918, y se retiró en 1926 de la investigación y la docencia. Pero las implicaciones de su teoría de la radiación fueron impresionantes muy poco antes. Los cuantos de luz, por ejemplo, permitieron a Einstein en 1905 explicar el efecto fotoeléctrico, porque eran esas partículas de energía, que ya se empezaban a conocer como fotones, las que eran capaces de arrancar electrones de ciertos metales, produciendo electricidad.

Pero lo más importante de los cuantos es que presentaban una naturaleza discreta: la energía se distribuye en paquetes independientes, de la misma manera que, como ya se estaba comprobando, la materia se distribuye en forma de partículas independientes. Empezaba así a hacerse necesaria una nueva mecánica, una nueva física de lo discreto, que fue uno de los programas colectivos de descubrimiento más apasionantes de este siglo. Y que sigue siéndolo: la física cuántica, aún un proyecto por completar, es una de las más apasionantes búsquedas científicas de nuestro siglo. Y del próximo.

Cuantos Cuantos

La cantidad de energía de un cuanto de Planck es pequeñísima. Y sin embargo se puede medir. Por ejemplo, en la actualidad, detectores como los CCDs de las cámaras de vídeo son capaces de detectar la energía de un solo fotón.

Lo más sorprendente es que, colectivamente, los fotones se comportan como las ondas: son capaces de hacer patrones de difracción, de interactuar con el medio, de fenómenos de explicación ondulatoria. Esa dualidad onda-corpúsculo fue una de las primeras sorpresas de la nueva física. Y se vio acrecentada unos años más tarde cuando otro físico francés, el príncipe Louis de Broglie, planteó que esto les sucedía no sólo a los cuantos de energía, sino a todas las partículas elementales. Toda la materia era a la vez corpúsculo y a la vez onda.

Pero la física cuántica no sólo osó a plantear algo tan ajeno a la experiencia como que ondas y partículas son lo mismo, sino que se atrevió a destrozar los cimientos de la física clásica, al introducir Heisenberg la naturaleza intrínsecamente estadística de la naturaleza con su principio de incertidumbre.

[Nota] * Javier Armentia es Dr. en Astrofísica y Director del Planetario de Pamplona. En la actualidad ostenta el cargo de Presidente de ARP- Sociedad para el Avance del Pensamiento Crítico http://www.arp-sapc.org/