Cen anos desde o nacemento do Canto: zorionak, Planck

2000/12/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Historia

Na sociedade actual, á física cuántica engadíronselle moitas veces as palabras "difícil" e "aburrido". Pero paira os que nos gusta a física, a sucesión de acontecementos desa época é emocionante. XIX. Na última década do século XX e no primeiros trinta e cinco anos do XX (por limitar dalgunha maneira) produciuse un enorme e brusco desenvolvemento da física.

Paira analizar a historia do descubrimento do cuántico, primeiro hai que mirar cara atrás. En 1801 o físico inglés Tomás Young quixo comprender mellor o que é a luz. Até entón, dito por Newton, a maioría pensaba que a luz estaba formada por pequenas partículas. Pero Young fixo pasar luz por dúas rendijas e viu que se difractaba como as ondas flotantes. Así que concluíu Young que a luz é a onda. Teoría de Young XIX. Dominou o século XIX. Agora sabemos que tanto Newton como Young tiñan razón.

Max Planck

XIX. A finais do século XX a física estaba moi avanzada. De feito, facíanse experimentos que as teorías de Newton non explicaban. Os raios X (William Konrad Roetgen, 1895) e a radiación (Antoine Henry Becquerel, 1896) foron descubertos recentemente. Marie Curie, xunto ao seu marido, descubriu o torio e o polonio. Os científicos europeos estaban nunha inquietude. Naqueles anos, a "radiación do corpo negro", definida polo físico prusiano Gustav Robert Kirchhoff, converteuse nun crebacabezas dos físicos. O corpo negro é un sólido ideal que non reflicte radiación (nin luz). Absorbe todo o que lle chega. Si quéntase este sólido, emite radiación dependente da temperatura. Así tamén actúan os anacos de aceiro, por exemplo. A unha temperatura determinada, o corpo emite luz vermella. Algo máis quentado, luz amarela. Máis quecemento, luz azulada, etc. Ao aumentar a temperatura, a lonxitude de onda da radiación emitida é menor. Con todo, non se produce una mestura de cores.Por que?

Max Planck era un experto científico. Se doctoró aos vinte e un anos de idade (o mesmo ano que naceu Albert Einstein). A pesar de ser estudante de Kirchhoff, tomou como referencia os escritos de Rudolf Claussius. Nas teorías da termodinámica estaba vestido e tentou explicar a radiación do corpo negro. En outubro de 1900 estaba moi confuso. A física coñecida até entón non ofrecía explicacións. Case desesperada, propuxo una curiosa idea que publicou o 14 de decembro. Neste escrito publicou a fórmula que unía a enerxía dunha radiación coa lonxitude de onda. A radiación electromagnética (a luz, por exemplo) estaba formada por partículas de enerxía exacta. Planck denominou o quito á unidade de radiación e propuxo que a enerxía se pode absorber ou emitir en cantidades enteiras de cuánticos. A súa teoría implicaba una excesiva innovación e non foi aprobada inmediatamente.

Planck: a mirada da traxedia

O físico Max Planck, premio Nobel en 1918, tivo una vida triste. Tras vinte e dous anos casado, a súa muller Marie Merck morreu en 1909 e ao ano seguinte contraeu matrimonio con Marga von Hoesslin. Un fillo, Karl, morreu en Verdún durante a Primeira Guerra Mundial. Outras dúas fillas, Margarete e Emma, morreron ao parto. A Segunda Guerra Mundial foi una época moi mala paira ela. Un fillo foi atropelado e asasinado por participar nun atentado contra Hitler. En 1944 a casa de Planck foi destruída totalmente por un bombardeo. Terminada a guerra, os estadounidenses levárona a Gottingen. Faleceu en 1947.

Albert Einstein

Cando naceu o concepto de canto o mozo Albert Einstein non podía acceder ao posto de traballo na ETH (Eidgenossiche Technische Hochschule) de Zúric. En 1902 o pai dun amigo deulle a oportunidade de traballar na oficina de patentes. Comezou a traballar durante sete anos, pero tivo a oportunidade de cursar estudos de doutoramento en tempo libre.

O Premio Nobel de Física de 1905 foi outorgado ao físico alemán Philipp Lenard. As observacións de Lenard eran moi interesantes. Cando os raios de luz inciden sobre a superficie dun metal, desencadean os electróns. Este fenómeno denomínase efecto fotoeléctrico. Era moi curioso. Os electróns producidos pola luz azul, por exemplo, movíanse máis rápido que os producidos pola luz vermella. Ademais, nos átomos que conteñen electróns relacionados con interaccións débiles (por exemplo, no cesio), case calquera tipo de luz produce un salto. Con todo, os electróns máis fortes, como o cobalto, non poden ser extraídos pola luz vermella.

Precisamente o mesmo ano, Einstein explicou o efecto fotoeléctrico. Paira iso tivo que basearse na teoría dos cantos. A luz azul ten una lonxitude de onda menor que a vermella e por tanto, segundo a teoría de Planck, una enerxía moito maior. De feito, os electróns fortemente unidos non poden ser liberados por radiacións de gran lonxitude de onda. Necesitan moita enerxía. Máis importante aínda: Segundo a hipótese de Einstein, os fotóns (compoñentes da luz) son á vez partículas e ondas. No efecto fotoeléctrico, por exemplo, actúan como partículas que chocan, pero no experimento de Young teñen un marcado carácter ondulatorio. Pasaron uns dez anos ata que os físicos aceptaron estas conclusións.

O traballo deste sorprendente científico non terminou aí ese ano. Ademais de explicar o efecto fotoeléctrico, en 1905 Einstein publicou a súa particular teoría da relatividad. Estes traballos foron traballos de doutoramento. Ademais, cabe destacar que se lle outorgou o Premio Nobel de Física de 1921, pero non pola teoría da relatividad, senón pola explicación do efecto fotoeléctrico. Paradoxalmente, pero á beira do significado físico, una anécdota.

Este traballo foi a base da nova rama desenvolvida grazas á teoría do canto, a física cuántica. A achega de Einstein tómase como o auténtico punto de partida da física cuántica, xa que Planck supuxo un concepto único de canto. Posteriormente, a partir dos traballos de Planck e Einstein, outros moitos físicos deron una interpretación tola á física cuántica, asustable a Planck e a Einstein. E é que o último deu toda a súa vida buscando erros nesta interpretación.

Niels Bohr

O nome máis destacado dos que deron una nova orientación á teoría do cuántico é Niels Bohr. A achega do físico danés tamén sacudiu á química. Aplicou a teoría aplicada á radiación aos átomos. Cre que os electróns dos átomos non podían ter calquera enerxía. Ao redor do núcleo movíanse varias órbitas concretas, cada una delas cun nivel de enerxía determinado. Bohr aplicou ao átomo o modelo planetario. En consecuencia, canto máis preto estea o electrón do núcleo, máis enerxía é necesaria paira evacualo.

Descubriuse que a teoría é aplicable a todas as partículas do átomo. Isto tivo consecuencias terribles: As fórmulas do electromagnetismo de Maxwell e a mecánica clásica de Newton non eran aplicables a sistemas deste tamaño. As teorías de Louis de Broglie estenderon o carácter simultáneo de partículas e ondas dos fotóns aos electróns. En 1927 os experimentos de Clinton Davisson confirman esta idea. Da man de Bohr e de Broglie, a cuantificación aplicábase á materia e non só á luz. Superouse o límite do que se pode entender do noso nivel macroscópico.

Con todo, o modelo de Bohr só mostraba átomos dun só electrón. Os cantos necesitaban outro impulso teórico. O propio Bohr cría que atopou una interpretación xeral da física cuántica. Coñécese como interpretación de Copenhague e foi un éxito na física posterior. Nos próximos anos levou a cabo un enorme traballo e as achegas doutros moitos físicos melloraron o modelo. Por exemplo, a mediados dos anos 20 os físicos Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg mantiveron a teoría de de Broglie e desenvolveron a mecánica cuántica.

A nova mecánica baseouse na análise de probabilidades. Einstein e Planck estaban completamente asustados. Todos estes mozos físicos empezaron a utilizar a mecánica das ondas como tolos e as súas consecuencias eran moi difíciles de asumir.

De feito, os dous inventores do canto nunca o aceptaron. Heisenberg deduciu que, de acordo co principio de incerteza, os electróns (e todas as demais partículas) non poden ter una posición e una velocidade á vez. De feito, descartáronse as órbitas inicialmente propostas por Bohr e empezouse a falar dos orbitais, é dicir, das zonas de alta probabilidade de atopar o electrón. Noutras palabras, non se pode predicir o comportamento dun electrón ata que se produza o experimento. Dous electróns non terán o mesmo comportamento, aínda que experimenten as mesmas condicións. Pola contra, o comportamento dos conxuntos de electróns axústase á probabilidade calculable. Einstein nunca o creu. "Deus -dixo - non xoga en dados".

Canto paira casa

O novo modelo atómico permitía explicar os experimentos de química. A teoría cuántica é filosóficamente moi maligna, pero nos últimos sesenta anos non se coñeceron experimentos contra o que a teoría anunciaba. Ademais, as aplicacións que cambiaron a vida das persoas comúns desenvolvéronse de forma inmediata.

Quizá o máis importante era o transistor inventado en 1947 nos laboratorios Bell (o mesmo ano en que morreu Planck). Este dispositivo, formado por capas de semiconductores, pode controlar e amplificar a corrente eléctrica. John Bardeen, Walter H. Foi inventada polos físicos estadounidenses Brattain e William Shockley. Por este invento recibiu o Premio Nobel de Física en 1956. (Barde recibiu ademais un segundo Premio Nobel en 1972 polas súas investigacións sobre superconductividad). Os transistores son a base da electrónica e, por tanto, da informática.

Pero a teoría cuántica deu outras aplicacións destacadas. O microscopio de efecto túnel, por exemplo, ofrécenos a posibilidade de ver e manipular átomos mediante un famoso fenómeno cuántico (o efecto túnel) (véxase Elhuyar Zientzia eta Teknika, número de novembro de 2000, 32 pp. ). Este dispositivo é una ferramenta básica de traballo paira a creación dunha nanotecnoloxía que pronto será habitual. Doutra banda, non hai que esquecer que o principio físico dos láseres é una mera mecánica cuántica.