Cómo el calor de un horno encierra profundos secretos sobre la naturaleza de la luz

Si metes la mano en un horno caliente sentirás la tibieza del ambiente. Ese calor se debe a que el horno está lleno de radiación emitida y absorbida constantemente por los átomos de las paredes del horno. No vemos esta radiación, porque sus longitudes de onda no son las que nuestros ojos pueden detectar. (Le sugerimos: Siete universidades colombianas ayudarán en experimento para cazar partícula fantasma)

Algo tan cotidiano como la temperatura de un horno, encierra secretos profundos acerca de la naturaleza íntima de la luz. Al descifrar estos secretos en los albores del siglo XX, se produjo un cataclismo en la física. Nada volvería a ser como antes.

Ese es nuestro tema de hoy, la temperatura de un horno y la revolución cuántica.

A finales del siglo XIX se sabía que los cuerpos calientes emiten ondas electromagnéticas, con diversas longitudes de onda. Los físicos querían conocer cómo está repartida la energía de esa radiación térmica, en las diferentes longitudes de onda. Una analogía puede ayudarnos a entender. Imaginemos que queremos saber cómo se reparte el número de personas que llena un estadio, de acuerdo a su estatura. Para conocerlo abrimos una puerta y dejamos salir un grupo de personas al azar, y graficamos el número de personas por rango de estatura. Este gráfico nos revelará el porcentaje de personas en función de la estatura. Sabremos que la mayor proporción del total tendrá una estatura promedio, y que el porcentaje disminuye a medida que consideramos estaturas muy altas o muy bajas. (Lea también: Tatiana Toro fue nombrada como vicepresidente de la Unión Matemática Internacional)

En el caso del horno caliente, se dejaba escapar radiación por un pequeño agujero, y usando filtros que dejaran pasar solo un rango de longitudes de onda, los físicos experimentales podían medir cuánta energía en ese rango de longitud de onda salía cada segundo del orificio.

Los resultados mostraban que de manera similar al número de personas que salen del estadio, la energía de la radiación que emite el horno cada segundo, era relativamente poca a cortas longitudes de onda y también era poca a grandes longitudes de onda: la curva ascendía, llegaba a un máximo y luego descendía.

Deducir teóricamente estas curvas se transformó en una de las más inquietantes incógnitas de la física de la época. Se conocían algunos resultados. Se sabía, por ejemplo, que el flujo de energía no depende ni de la forma ni del tamaño ni del material del horno: únicamente depende de la temperatura y es por lo tanto un fenómeno universal, y que debía ser explicado en términos de las leyes universales. Y las leyes fundamentales eran las leyes de la mecánica, de Newton y las leyes del electromagnetismo, de Maxwell. (Vea también: En fotos: el rover de la sonda Tianwen-1 revela nuevas imágenes de Marte)

En un horno a una temperatura fija las paredes y la radiación intercambian energía constantemente, en un equilibrio perfecto: la radiación cede a las paredes la misma energía que ellas le dan a la radiación, y la energía resultante sólo depende de la temperatura.

A Max Planck le seducían las leyes universales. Cuando abordó el problema de descifrar la ley de radiación térmica, existía un intento teórico, la ley de Rayleigh – Jeans que funcionaba razonablemente a longitudes de onda relativamente grandes, pero tenía un desacuerdo enorme a medida que la longitud de onda se hacía más y más pequeña. La absurdapredicción teórica era que la energía radiada por el agujero era infinita. Una catástrofe pues. De hecho, fue nombrada así, la catástrofe ultravioleta. En realidad, lo único catastrófico era la predicción teórica: algo fundamental no se estaba comprendiendo.

Max Planck dedicó cerca de cinco años al problema de intentar deducir las curvas experimentales a partir de leyes fundamentales. Escribió seis artículos que lo acercaban a la solución y que le fortalecían la convicción de que podía derivarse de leyes básicas. Finalmente, el 14 de diciembre de 1900, simbólicamente a escasos días de entrar en el siglo XX dio con la solución del problema. Planck pudo derivar la ansiada curva experimental a costa de sacrificar uno de los pilares de la física: que la energía era continua. En un acto de desesperación supuso que la radiación electromagnética de una longitud de onda fija, está repartida en paquetes de energía indivisibles, iguales entre sí, y que no podían ser absorbidas ni emitidas sino el paquete entero. La audaz suposición de concebir “átomos de energía” o “cuantos” de energía como los llamó Einstein, o fotones como se les llamo después, resolvió el desacuerdo entre teoría y experimento. El ajuste de la fórmula de Planck con las curvas experimentales era fabuloso. Max Born diría años más tarde que la hipótesis de Planck es la más revolucionaria en toda la historia de la ciencia.

Planck no vislumbró es un momento la magnitud de su descubrimiento porque una cosa es hacer un descubrimiento y otra diferente es entenderlo. La suposición de que la energía de la radiación era discreta, fue en palabras de Planck, “una suposición formal” pero en realidad estaba describiendo una propiedad objetiva y fundamental de la luz. La luz es un chorro de fotones y la energía de cada fotón es una constante multiplicada por la frecuencia de la luz. El valor de esta constante de Planck fue determinado a partir de las mediciones experimentales por su propio creador.

Cinco años después Einstein usaría el resultado de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico y en 1921 Einstein obtuvo el Nobel por este trabajo. Tres años antes lo había ganado Planck por el suyo.

Los caminos de la ciencia son curiosos. Entender la radiación que sale de un horno, significaba otro episodio en la confrontación histórica entre la luz como ondas o como partículas, sólo que las partículas no son las de Newton ni las ondas son las de Maxwell. Son una suerte de fusión entre ambas, comentaría Einstein años después.

La intuición de Planck resultó acertada, el problema era universal, pero las leyes de la física clásica no bastaban. El 14 de diciembre de 1900 el gato de Schrödinger arqueó el lomo y ronroneó: “me van a descubrir”: el descubrimiento de Planck estaba abriendo la compuerta a la física cuántica. Y pronto sus leyes cambiarían nuestra concepción de la realidad, y nos deparó una tecnología omnipresente en el mundo contemporáneo.

Todo porque en el calor de un horno escondía el código secreto de un elemento fundamental del mundo físico.

*Profesor de la Escuela de Física de la UIS (@hectorrago) y responsable del blog y podcast Astronomía Al Aire (@AstroAlAire).

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Si metes la mano en un horno caliente sentirás la tibieza del ambiente. Ese calor se debe a que el horno está lleno de radiación emitida y absorbida constantemente por los átomos de las paredes del horno. No vemos esta radiación, porque sus longitudes de onda no son las que nuestros ojos pueden detectar. (Le sugerimos: Siete universidades colombianas ayudarán en experimento para cazar partícula fantasma)

Algo tan cotidiano como la temperatura de un horno, encierra secretos profundos acerca de la naturaleza íntima de la luz. Al descifrar estos secretos en los albores del siglo XX, se produjo un cataclismo en la física. Nada volvería a ser como antes.

Ese es nuestro tema de hoy, la temperatura de un horno y la revolución cuántica.

A finales del siglo XIX se sabía que los cuerpos calientes emiten ondas electromagnéticas, con diversas longitudes de onda. Los físicos querían conocer cómo está repartida la energía de esa radiación térmica, en las diferentes longitudes de onda. Una analogía puede ayudarnos a entender. Imaginemos que queremos saber cómo se reparte el número de personas que llena un estadio, de acuerdo a su estatura. Para conocerlo abrimos una puerta y dejamos salir un grupo de personas al azar, y graficamos el número de personas por rango de estatura. Este gráfico nos revelará el porcentaje de personas en función de la estatura. Sabremos que la mayor proporción del total tendrá una estatura promedio, y que el porcentaje disminuye a medida que consideramos estaturas muy altas o muy bajas. (Lea también: Tatiana Toro fue nombrada como vicepresidente de la Unión Matemática Internacional)

En el caso del horno caliente, se dejaba escapar radiación por un pequeño agujero, y usando filtros que dejaran pasar solo un rango de longitudes de onda, los físicos experimentales podían medir cuánta energía en ese rango de longitud de onda salía cada segundo del orificio.

Los resultados mostraban que de manera similar al número de personas que salen del estadio, la energía de la radiación que emite el horno cada segundo, era relativamente poca a cortas longitudes de onda y también era poca a grandes longitudes de onda: la curva ascendía, llegaba a un máximo y luego descendía.

Deducir teóricamente estas curvas se transformó en una de las más inquietantes incógnitas de la física de la época. Se conocían algunos resultados. Se sabía, por ejemplo, que el flujo de energía no depende ni de la forma ni del tamaño ni del material del horno: únicamente depende de la temperatura y es por lo tanto un fenómeno universal, y que debía ser explicado en términos de las leyes universales. Y las leyes fundamentales eran las leyes de la mecánica, de Newton y las leyes del electromagnetismo, de Maxwell. (Vea también: En fotos: el rover de la sonda Tianwen-1 revela nuevas imágenes de Marte)

En un horno a una temperatura fija las paredes y la radiación intercambian energía constantemente, en un equilibrio perfecto: la radiación cede a las paredes la misma energía que ellas le dan a la radiación, y la energía resultante sólo depende de la temperatura.

A Max Planck le seducían las leyes universales. Cuando abordó el problema de descifrar la ley de radiación térmica, existía un intento teórico, la ley de Rayleigh – Jeans que funcionaba razonablemente a longitudes de onda relativamente grandes, pero tenía un desacuerdo enorme a medida que la longitud de onda se hacía más y más pequeña. La absurdapredicción teórica era que la energía radiada por el agujero era infinita. Una catástrofe pues. De hecho, fue nombrada así, la catástrofe ultravioleta. En realidad, lo único catastrófico era la predicción teórica: algo fundamental no se estaba comprendiendo.

Max Planck dedicó cerca de cinco años al problema de intentar deducir las curvas experimentales a partir de leyes fundamentales. Escribió seis artículos que lo acercaban a la solución y que le fortalecían la convicción de que podía derivarse de leyes básicas. Finalmente, el 14 de diciembre de 1900, simbólicamente a escasos días de entrar en el siglo XX dio con la solución del problema. Planck pudo derivar la ansiada curva experimental a costa de sacrificar uno de los pilares de la física: que la energía era continua. En un acto de desesperación supuso que la radiación electromagnética de una longitud de onda fija, está repartida en paquetes de energía indivisibles, iguales entre sí, y que no podían ser absorbidas ni emitidas sino el paquete entero. La audaz suposición de concebir “átomos de energía” o “cuantos” de energía como los llamó Einstein, o fotones como se les llamo después, resolvió el desacuerdo entre teoría y experimento. El ajuste de la fórmula de Planck con las curvas experimentales era fabuloso. Max Born diría años más tarde que la hipótesis de Planck es la más revolucionaria en toda la historia de la ciencia.

Planck no vislumbró es un momento la magnitud de su descubrimiento porque una cosa es hacer un descubrimiento y otra diferente es entenderlo. La suposición de que la energía de la radiación era discreta, fue en palabras de Planck, “una suposición formal” pero en realidad estaba describiendo una propiedad objetiva y fundamental de la luz. La luz es un chorro de fotones y la energía de cada fotón es una constante multiplicada por la frecuencia de la luz. El valor de esta constante de Planck fue determinado a partir de las mediciones experimentales por su propio creador.

Cinco años después Einstein usaría el resultado de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico y en 1921 Einstein obtuvo el Nobel por este trabajo. Tres años antes lo había ganado Planck por el suyo.

Los caminos de la ciencia son curiosos. Entender la radiación que sale de un horno, significaba otro episodio en la confrontación histórica entre la luz como ondas o como partículas, sólo que las partículas no son las de Newton ni las ondas son las de Maxwell. Son una suerte de fusión entre ambas, comentaría Einstein años después.

La intuición de Planck resultó acertada, el problema era universal, pero las leyes de la física clásica no bastaban. El 14 de diciembre de 1900 el gato de Schrödinger arqueó el lomo y ronroneó: “me van a descubrir”: el descubrimiento de Planck estaba abriendo la compuerta a la física cuántica. Y pronto sus leyes cambiarían nuestra concepción de la realidad, y nos deparó una tecnología omnipresente en el mundo contemporáneo.

Todo porque en el calor de un horno escondía el código secreto de un elemento fundamental del mundo físico.

*Profesor de la Escuela de Física de la UIS (@hectorrago) y responsable del blog y podcast Astronomía Al Aire (@AstroAlAire).

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