8. Max Planck y el inicio de la Física Cuántica

Max Planck estaba seguro cuando lanzó su teoría, que sólo era un truco matemático y que mas adelante se encontraría la manera de resolver el problema de la radiación de un cuerpo negro, de manera más decente. Pero ¿De qué se trata esta teoría? Veamos...

En la entrada anterior, vimos el problema de la radiación del cuerpo negro. Al intentar conciliar una formula que se adecue con los resultados experimentales, Max plank tuvo que enfrentarse a dos retos al intentar hallar la ecuación de la distribución de la energía con respecto a la frecuencia:
1.- Que en bajas frecuencias la función de la distribución de la energía se comporte tal como lo predijo Rayleigh-Jeans (ver entrada anterior)
2.- Que en altas frecuencias, la intensidad de la energía debe decrecer para evitar la catástrofe ultravioleta.
¿Cómo hacer para conciliar ambas?

Para entenderlo entremos en el pensamiento de Max Planck. El creía que las paredes de los cuerpos negros estaban compuestos de sub-microscópicas partículas con cargas eléctricas en vibración a las que llamó osciladores (para finales del siglo XIX, aun no se conocía la naturaleza del átomo, menos aun de lo electrones) y que la frecuencia a la que vibran estos osciladores, determinaba la frecuencia de emisión de radiación, vale decir, si un oscilador vibraba mas lento, la radiación emitida era de baja frecuencia y si un oscilador vibraba más rápido, la radiación emitida era de alta frecuencia. Como es lógico pensar, mientras mayor energía tengan estos osciladores, mayor será su frecuencia de vibración y viceversa.

Si aceptamos la hipótesis de los osciladores de Planck, entonces llegamos a la conclusión de que la energía (E) que emiten los osciladores es proporcional a su frecuencia (f), es decir E=kf.

Sin embargo si sólo nos quedamos con esta primera conclusión, vemos que mientras mas elevada es la frecuencia, la energía tiende al infinito y caemos de nuevo en la catástrofe ultravioleta. ¿Como hizo Planck para superar esto?

Planck rompió paradigmas al decir que la energía de estos osciladores microscópicos estaba cuantizada, es decir que un oscilador ganaba o perdía energía de en pequeños paquetes llamados "cuantos" de energía, y que el mínimo salto energético (ΔE) que puede tener uno de estos osciladores es:

ΔE=hf

 

Donde h es la constante de Planck. Según él, un cuerpo emite o absorve radiación cada vez que pasa de un estado de mayor energía a un estado de menor energía y viceversa. Con esta segunda hipotesis se puede explicar la radiación de un cuerpo negro según Planck.


Para explicarla es preciso notar que el cuanto de energía no es un valor único, sino que depende de la frecuencia del oscilador. Un oscilador que vibre lento, tendrá un cuanto de energía mas pequeño, un oscilador que vibre rápido, tendrá un cuanto de energía mas grande. En el siguiente gráfico se explica el fenómeno.

Planck logró con su hipótesis dar una explicación satisfactoria a la forma de radicación de un cuerpo negro y evitar la catástrofe ultravioleta. Sin embargo dejó a la comunidad científica con dos interrogantes:
1) ¿Qué naturaleza tienen los misteriosos osciladores de la materia?
2) ¿Por qué sólo se puede absorber o emitir energía en paquetes discretos y no continuos como experimentamos en nuestro día a día?
Debo decirles que a pesar de la precisión matemática de su fórmula (publicada en 1900), Planck mismo no creía que la naturaleza se comportase de esa manera, y pensó que después se encontraría otra forma de explicación. En algún momento pensó que la constante "h" se haría cero en su resolver matemático, sin embargo, por mucho que la constante era pequeña, ésta nunca llegó a ser cero, y por lo tanto, su fórmula implicaba la naturaleza discreta de la energía.

Aquí se puede ver que por muy pequeña que es la constante "h", no es cero. Y este hecho hace que el mundo cuántico sea un mundo totalmente distinto al que conocemos.
Como mencioné anteriormente, Max Planck (considerado el padre de la física cuántica) no creía que su teoría fuese cierta, creía mas bien que había encontrado un truco matemático bastante inteligente que explicaba un determinado fenómeno, pero que la naturaleza no podía comportarse así. Tuvo que pasar 5 años para que uno de los más grandes científicos del siglo XX, diera el espaldarazo a la física cuántica: Albert Einstein.