EL ORIGEN DE LA FÍSICA CUÁNTICA

¿Cómo fue el origen de la física cuántica? 

Carlos Eduardo Maldonado

Palmiguia

La física cuántica nace del resultado de varios antecedentes, directos e indirectos, y de un feliz almuerzo una tarde de domingo con un comensal inteligente y activo en investigación de punta.

La física cuántica es, de todas las teorías científicas, la que quizás más verificaciones y contrastaciones ha recibido al mismo tiempo que las más exactas predicciones hasta la fecha, y a la vez la más determinante para la vida que llevamos en el siglo XXI. Originada a partir del estudio de la luz, la física cuántica nos acompaña alrededor nuestro, sin que lo sepamos, en fenómenos y aparatos como todos los sistemas eléctricos, los computadores, toda la tecnología laser, la telefonía celular, las cámaras digitales, la televisión y la radio actuales, los CD que escuchamos, los DVD que vemos, y una variedad enorme de fenómenos similares. Toda la tecnología de punta es imposible sin atravesar por los dominios de la física cuántica.

Nuevos artefactos y sucesos que facilitan nuestra vida, que la hacen más placentera. La ciencia, como la vida, está hecha de hebras sutiles, indirectas, muchas azarosas, y, sin embargo, acompañadas en alguna medida por sueños, planes, trabajo, y mucha reflexión e investigación. Los grandes seres humanos siempre han sido posibles sobre otros que por razones diversas han recibido menos atención.

Pues bien, el comienzo de la cuántica se encuentra en el estudio acerca de la naturaleza de la luz, un fenómeno que en el curso del siglo XIX alcanza un impacto cultural y social inaudito, expresado, por ejemplo, en el nombre de París como "la ciudad luz" debido al incremento y cubrimiento rápido del servicio eléctrico a gran escala como ninguna otra ciudad lo había conocido hasta entonces.

En el mismo sentido, a comienzos del siglo XX, en los albores de la revolución rusa de 1917, Lenin definirá al socialismo –en contraste con el sistema capitalista– como "electricidad y poder para los soviets". La luz y la electricidad, el alimento de las ciudades desde finales del siglo XIX y hasta la fecha.

Investigación y logros

La discusión acerca de la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz se remonta hasta Newton y Faraday, pero encuentra en el famoso experimento de Th. Young sobre la doble ranura en 1800–1801 el verdadero punto de partida. La luz es una onda que interviene consigo misma en el experimento mencionado y cuyo comportamiento deberá ser explicado.

En esta historia, varios nombres se destacan con una importancia desigual. James C. Maxwell logra en 1865 la unificación de la electricidad y el magnetismo –en la fuerza electromagnética–, que se corresponden con la velocidad de la luz. Ya en 1862 L. Foucault (el mismo de la novela de U. Eco), establece que la velocidad de la luz es de 298,005 km/s, equivocándose tan sólo en un 1% en la medida establecida actualmente (299,792,458 m/s).

Por su parte G. Kirkhhoff estudia (1862) la idea de un cuerpo negro y la radicación del cuerpo negro –que habrá de conducir posteriormente a los fenómenos de singularidad cósmica que son los agujeros negros–; J. Stefan es el primero en establecer la relación entre la tasa a la que un cuerpo emite radicación y su temperatura (1879); y W. Wien estudia (1893) la longitud de onda de máxima intensidad de un cuerpo negro y su temperatura, lo que permitirá a los astrónomos medir la temperatura de las estrellas.

Es importante observar que el ojo humano sólo puede observar longitudes de onda entre 450 y 700 nanómetros, y que el resto del universo escapa a nuestra visión directa: ondas infrarrojas, microondas, radioondas, ultravioleta, rayos X, rayos gama. Nuestra vida y sus avatares, el amor y la política, la poesía y las guerras suceden esencialmente entre la escala de 450 y 700 nm. En ese espectro vemos lo que nos resulta amable u odioso.

En este panorama, Max Planck y su esposa invitan a un almuerzo a Heinrich Rubens y su esposa. Rubens era un experto en radiación infrarroja, que sucede en la escala de micrones. El almuerzo tiene lugar el domingo 7 de octubre de 1900. Allí, Rubens le menciona a Planck sus experimentos y resultados sobre la radiación infrarroja. Planck queda impactado y sorprendido por los comentarios de Rubens, pues sus propios datos no coincidían con los comentarios de Rubens relacionados directamente con unos estudios que unos meses antes había realizado Lord Rayleigh –ambos estudiando exactamente el mismo fenómeno.

Pues bien, una vez que el almuerzo ha terminado y los invitados han partido, Planck se concentra en la conversación y se sienta a trabajar en nuevos cálculos mediante los cuales obtiene otra expresión teórica para los fenómenos de radiación. En síntesis, Planck logra resolver lo que técnicamente es conocido como la catástrofe ultravioleta, un defecto serio de Rayleigh.

Como resultado de lo anterior, Planck presenta, primero el 19 de octubre de 1900, y posteriormente el 14 de diciembre ante la Sociedad Alemana de Física sus resultados: la radiación de cuerpo negro sólo puede ser explicada si la luz es emitida o absorbida por átomos en fotones discretos llamados quanta. En otras palabras, la naturaleza de la luz sucede por "paquetes", y en forma discreta, no continua. Nace así la física cuántica.

Planck tardará aún un tiempo, al igual que sus contemporáneos, en interpretar matemática y conceptualmente el significado de su descubrimiento. Ello habrá de conducir a "los años dorados" de la física cuántica, entre 1922 y 1926, y que sólo es, en realidad, el cénit de la primera etapa de la física cuántica.

Como quiera que sea, un hecho científico y cultural queda establecido: la luz o la energía no es continua, sino discreta. Cinco años más tarde, Einstein pondrá de manifiesto que la materia y la energía son una sola y misma cosa, supuesta la velocidad de la luz. Con lo cual, también la materia será descubierta como con una naturaleza discreta y no continua.

En términos más generales, toda la matemática de punta contemporánea es matemática de sistemas discretos, y culturalmente, ello comienza el 14 de diciembre de 1900. En la historia subsiguiente, los temas que surgen son las discusiones acerca del carácter discreto del espacio, y del tiempo. Una auténtica revolución con respecto a toda la historia de la humanidad se ha producido, pues toda la historia de Occidente ha consistido en la creencia o la afirmación de que la naturaleza, el universo, la vida y la sociedad son continuos.

La teoría cuántica pone al descubierto, en contraste, que vivimos en un universo esencialmente discreto. Años más tarde, C. Shannon (1948) y W. H. Zurek (1991–1996) pondrán de manifiesto que también la información es discreta.

En cualquier caso, la física cuántica nace del resultado de varios antecedentes, directos e indirectos, y de un feliz almuerzo una tarde de domingo con un comensal inteligente y activo en investigación de punta. Un acontecimiento a todas luces fortuito.

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