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Quantum Confidential: La historia perdida de la mecánica cuántica

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Por el Dr. Scott Bembenek

En estos días, parece que la mecánica cuántica es una palabra familiar (y no solo en mi casa). Sin embargo, antes de que tuviéramos el entrelazamiento cuántico, los multiversos, el gato de Schrödinger y la denuncia de Einstein de la mecánica cuántica ("Estoy convencido de que [Dios] no juega a los dados"), solo teníamos "trozos" de energía, o cuantos de energía. De hecho, fueron los cuantos de energía y el trabajo de Max Planck lo que comenzó Teoría cuántica, que luego nos daría la mecánica cuántica.

En 1879, Max Planck (1858-1947), de veintiún años, recibió su doctorado por su trabajo sobre entropía, un concepto que más tarde le serviría muy bien. Sin embargo, la carrera de Planck tuvo un comienzo lento. Al principio, centrando su atención en los problemas de la química física, descubrió que era menos competitivo con Josiah Willard Gibbs (1839-1903) y Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911), quienes eran más capaces de investigar tales problemas con una visión química más profunda.

Sin embargo, en 1894, ahora profesor titular en la Universidad de Berlín, Planck estaba listo para abordar uno de los mayores problemas a los que se enfrentaba la física en ese momento: la extraña interacción entre la materia y la luz incorporada en el espectro de cuerpo negro. Habilitado por los éxitos experimentales a principios de la década de 1890, Wilhelm Wien (1864-1928) propuso en 1893 una solución matemática muy general al problema conocido como VienaLey de desplazamiento, y en 1896, proporcionó una versión mejorada conocida como Ley de radiación de Viena. Sin embargo, Wien basó este último en una analogía débil (con otra ley fundamental), sin proporcionar nunca una derivación rigurosa real. No obstante, mostró una excelente concordancia con los resultados experimentales, por lo que parecía que finalmente había llegado la solución largamente buscada al problema de la radiación del cuerpo negro. Planck decidió echar un vistazo más de cerca.

Alrededor de 1898, después de muchos enfoques fallidos, Planck pudo obtener lo que sería su "ecuación fundamental", que era nada menos que la ecuación de la materia en equilibrio con la luz. Con esto, la ley de desplazamiento de Wien y la entropía de un solo resonador (que hoy equipararíamos a un átomo o molécula), pudo proporcionar, a diferencia de Wien, una derivación real de la ley de desplazamiento de Wien, que se conoció como la Ley de Wien-Planck. Así que, a principios de 1899, Planck estaba convencido de que había encontrado con éxito la forma universal del espectro del cuerpo negro que los físicos habían deseado durante casi cuarenta años. Pero luego las cosas empezaron a desmoronarse.

Tan pronto como Planck relató sus esfuerzos (en la quinta de una serie de publicaciones desde que había comenzado), nuevos experimentos comenzaron a hacer agujeros en la Ley de Wien-Planck: Planck había cometido un error en alguna parte. Reevaluando rápidamente su derivación original, encontró su error (estaba en la entropía del cálculo del resonador) y pudo llegar a la forma correcta del espectro del cuerpo negro (es decir, Ley de radiación de Planck), que ahora estaba en perfecto acuerdo con el experimento. En este punto, Planck podría haberse detenido y pasar a otro problema, con la seguridad de que ganaría el Premio Nobel. Sin embargo, Planck aún no estaba satisfecho.

Aunque pudo obtener las respuestas correctas (versus el experimento) con su nueva ley, el significado físico real aún no estaba claro. Además, Planck tuvo que usar un poco de ingeniosa "suposición inspirada" para obtener la forma final, lo que también lo dejó un poco inquieto. Planck siempre había abordado las soluciones a los problemas físicos con un "hambre del alma" (como lo describió Einstein), y esta vez no sería diferente, aparte de costarle un poco de su alma en el proceso.

Ludwig Boltzmann (1844-1906) y Planck se habían enfrentado en más de una ocasión. En el centro de sus conflictos estaba la naturaleza fundamental de la entropía. Mientras que Boltzmann vio la entropía como una propiedad arraigada en la interpretación estadística, Planck la vio en términos más “absolutos” desprovistos de tales tonterías estadísticas. Planck no estaba solo en su concepto erróneo. De hecho, el propio Boltzmann cometió este mismo error antes, como lo haría Einstein más tarde (quien, como Boltzmann, se dio cuenta y lo corrigió), y Rudolf Clausius (1822-1888) nunca admitió (nunca vio la necesidad de describir la entropía en términos que su definición termodinámica).

Cualesquiera que fueran los recelos que tenía Planck con el trabajo de Boltzmann, ya le había hecho concesiones desde que había empezado, por lo que volvería a hacerlo ("tenía que obtener un resultado positivo, bajo cualquier circunstancia y a cualquier precio"). Necesitaba, una vez más, revisar su expresión en busca de la entropía de su resonador, por lo que apeló a la (versión estadística) de entropía de Boltzmann:

Las matemáticas reales (del cálculo de la entropía) requerían que Planck dividiera las energías disponibles para su resonador en "trozos" discretos. Boltzmann también había hecho esto al considerar la energía disponible para un átomo de gas (en lugar de un resonador). Sin embargo, Boltzmann consideró que esto no era más que un truco matemático y, por lo tanto, eliminó estos convenientes, lo que él consideraba, trozos de energía no físicos al final de su cálculo. Pero para Planck, esta no era una opción; necesitaba los trozos para llegar a su ley de radiación. De esta manera, el truco matemático de Boltzmann se convirtió en la realidad física de Planck: la energía viene en trozos, o energíacuantos.

Planck, que ahora tiene cuarenta y dos años, era consciente de que los cuantos de energía cambiarían drásticamente la física para siempre. Como tal, él (y casi todos los demás) decidió ignorar esos molestos trozos y centrarse en la notable precisión de la Ley de radiación de Planck. De hecho, no fue hasta ocho años después que Planck se dio cuenta de que los cuantos de energía eran una realidad física, e incluso entonces, tal vez solo a medias. No obstante, en 1905, un Einstein de veintiséis años no solo abrazó el concepto de energía que viene en trozos, sino que también extendió el concepto a la luz, para introducir cuantos de luz, que ahora llamamos fotones.

Hoy en día, muchas personas conocen bien las "locas" consecuencias físicas implicadas por el éxito de la mecánica cuántica. Sin embargo, la fascinante historia y las luchas científicas que rodearon su creación son mucho menos conocidas. No obstante, estas asombrosas historias científicas son verdaderamente inspiradoras y son tan importantes como los descubrimientos en sí mismos.

Dr.Scott Bembenek es un científico principal del grupo de descubrimiento de fármacos asistido por computadora en Johnson & Johnson Pharmaceutical Research & Development en San Diego. También es el autor deLa máquina cósmica: la ciencia que dirige nuestro universo y la historia detrás de ellaPara obtener más información sobre el Dr. Bembenek y su trabajo, visitehttp://scottbembenek.com y conéctate con él enGorjeo


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