Cuántica (I): ¿Para qué complicarse?

Comenzamos una colección de post dedicada a esa parte de la Física llamada Mecánica Cuántica. Pretendo tratar algunos conceptos básicos, intentando renunciar lo máximo que sea posible a las Matemáticas (que me atravería a decir que son el 90 % de la Cuántica). Comenzamos ...


A finales del siglo XIX, los físicos creían que se estaba acercando el final de la Física: ya no había preguntas que responder. Solo quedaban algunos interrogantes, que pronto se responderían, y tendrían que dedicarse a otra cosa. 


Uno de esos interrogantes era la radiación del cuerpo negro. Se trata de un objeto ideal que absorbe toda la radiación electromagnética (luz y calor) que recibe, y no deja escapar nada. Si bien no se puede construir un cuerpo negro (es algo teórico), sí podemos acercarnos mucho haciendo el montaje que se muestra a la derecha.

Si lo calentamos, como todo cuerpo que se calienta, empieza a emitir radiación electromagnética. Representando la intensidad frente a la longitud de onda, obtenemos esta gráfica.



Imaginemos un trozo de hierro, que lo empezamos a calentar. Empieza a emitir radiación electromagnética. Primero, infrarrojos (IR), que no podemos ver, pero sí sentir (el calor). A partir de 1600 ºC, emitirá luz roja-naranja-amarilla (un color no es más que una onda de un determinado tamaño). Si seguimos calentando mucho más, entre 8000 y 9000 ºC, emitirá luz azul. Si nos fijamos, estamos yendo hacia la derecha del espectro electromagnético, estamos yendo hacia las ondas más cortas (que son las más energéticas). 



Usando todo lo que se sabía de Física, Rayleigh y Jeans llegaron a esta fórmula:

2·c·k son constantes
T es la temperatura en kelvin
λ es la longitud de onda en metros


Vamos a representarla y a compararla con el resultado experimental (el verdadero, recordemos que la teoría debe adaptarse a la práctica).


No se parecen en nada. Esto supuso un duro golpe para los físicos de la época: todo lo que sabían no valía para la región ultravioleta (y a penas para el espectro visible). Por ello, se le llamó "catástrofe ultravioleta".


Max Planck, al igual que muchísimos otros físicos, se centraron en encontrar una solución al problema del cuerpo negro válida para todo el espectro electromagnético. Frustado, supuso que la energía solo podía tomar determinados valores, como si se transmitiera en forma de paquetes muy pequeños (llamados cuantos, de ahí lo de "Mecánica Cuántica"). Obtuvo esta fórmula, que se ajustaba mucho más al resultado experimental:

 

La cuantización de la energía abrió una nueva vía de estudio (quizás la Física no estaba tan muerta como creían). Se solucionan problemas, pero aparecen otros: la Mecánica Cuántica es difícil. Y no por las Matemáticas (muchísimas: operadores, integrales y ecuaciones diferenciales, como mínimo), si no porque queremos explicarla con conceptos de la Mecánica Clásica (los que observamos y manejamos en nuestro día a dia), y eso en vez de simplificar su estudio, lo dificulta.