¿Qué es la física cuántica?

La física cuántica es la rama de la física que describe las leyes por las que se rige el comportamiento de las partes más minúsculas de la naturaleza, como moléculas y átomos. A diferencia del mundo que vemos todos los días, en donde una pelota de fútbol hace una trayectoria parabólica cada vez que Ronaldinho chuta una falta, en el mundo de los átomos las leyes de la física son mucho menos intuitivas.

¿Cómo se descubrió la física cuántica?

Alrededor del 1900, los investigadores de la época intentaban entender el denominado problema de la radiación del cuerpo negro: todo cuerpo, por el hecho de estar a una determinada temperatura, emite radiación electromagnética (es decir, luz) de una determinada energía. Es por eso que las brasas de mi chimenea son rojas, al igual que el hierro fundido. Entender esta propiedad trajo entonces de cabeza a muchos físicos (¿de dónde narices sale esa luz?), y no se llegó a una solución al problema hasta que el alemán Max Planck introdujo una hipótesis sobre la forma en como interacciona la luz con la materia: el intercambio de energía entre luz y materia sólo puede darse en múltiplos de una cantidad fundamental, a la que llamó cuanto. Ésta es conocida como la hipótesis de Planck, y se considera como el nacimiento de la física cuántica.

La hipótesis introducida por Planck era algo absolutamente radical. Tanto lo era, que fue considerada por muchos físicos como una aberración, ya que iba en contra de todas las leyes de la física conocidas hasta la fecha. La mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell reinaban en aquellos tiempos. En este aspecto es curioso el hecho de que el propio Max Planck fuera siempre uno de los detractores de su propia hipótesis, a la que denominó en 1931 como “acto de desesperación”. Según él, ésta era una “solución temporal” al problema que daba predicciones que estaban de acuerdo con los experimentos. Pero su convicción era que otra teoría convencional más elaborada debería poder llegaría a explicar los resultados experimentales, y desbancar a su hipótesis.

Pero el descalabro iniciado por Planck en 1900 sólo hizo que ir en aumento. En 1905, Albert Einstein (por entonces un desconocido empleado de la Oficina de Patentes de Berna, en Suiza) volvió a utilizar las ideas de los “cuantos de energía” en su teoría para explicar el denominado efecto fotoeléctrico: cuando la luz incide en un material, ésta es capaz de arrancar electrones de él (lo que es la base de los actuales paneles solares). Pero Einstein fue un paso más lejos que Planck, y dotó al cuanto de energía de cara y ojos: le llamó fotón, y propuso que éste fuera una partícula fundamental. Según Einstein, un haz de luz no era más que un chorro de cientos de miles de millones de fotones. La capacidad que tuvo esta idea de reproducir los resultados obserados en los experimentos le valió al amigo Albert ni más ni menos que el premio Nobel de fisica en 1921. Es curioso que esto no tuviera nada que ver con el posterior desarrollo en 1915 de su teoría de la relatividad, por la que tal vez es más conocido popularmente.


Una revolución estaba en camino. Una revolución profunda, y de alcance abismal. Tan radical era, que atacaba directamente a las raíces en las que se sustentaba todo el conocimiento hasta la fecha sobre el funcionamiento del mundo. De repente, los físicos tuvieron que enfrentarse con la situación de que la concepción que se tenia de la naturaleza estaba mal o, como mínimo, era incompleta.

Muchos personajes siguieron elaborando la nueva teoría tras la hipótesis de Planck. Además de los ya mencionados Planck y Einstein, también cabe destacar a Heisenberg, Schrödinger, Pauli, De Broglie, Bohr, Von Neumann, Dirac, y a muchos otros que seguro que me dejo en el tintero. Los que hoy nos ganamos el pan de cada día con la física somos, en cierta medida, sus nietos científicos.

¿Y donde está la física cuántica? Porque yo no la veo por ninguna parte…

Bueno, que no se vea no quiere decir que no esté. Una persona esta hecha de carne y hueso, lo que está compuesto de diversas sustancias orgánicas. Éstas, a su vez, están hechas de diversas moléculas químicas formadas a partir de los elementos de la tabla periódica. Estos elementos son átomos, formados por un núcleo en donde hay protones y neutrones, y una corteza repleta de electrones. E incluso los protones y los neutrones están compuestos de quarks. Este es el nivel en el que gobierna la física cuántica, y sin ella no habría ni protones, ni átomos, ni elementos químicos, ni enlaces entre moléculas que den sustancias orgánicas, ni células y, por consiguiente, no habría vida, planetas, galaxias ni universo en el que vivir.

Tras el nacimiento de la física cuántica en el 1900, su posterior aplicación permitió, entre otras cosas, que entendiéramos mejor las propiedades de la luz y la materia. Esto ayudó a la creación de nuevas tecnologías en favor del hombre. En poco más de 100 años, hemos llenado de física cuántica nuestras vidas: toda la electrónica está basada en mecánica cuántica, lo que incluye todos los cacharritos que tenemos en casa como la televisión, el iPod, el ordenador, el mando a distancia, la impresora, mi reloj CASIO, mi calculadora, el microondas, la placa vitrocerámica, el navegador del coche, el DVD, mis antiguas cintas de cassete, la consola de videojuegos, etc. También incluye a toda la química moderna, con sus enlaces covalentes, iones, electrolitos, ácidos, bases.. lo que a la práctica se traduce en mi champú para el pelo, la crema de afeitar, el Ajax Pino, la potabilización del agua, los conservantes, los colorantes, mi colonia, etc. Y más recientemente toda la fotónica: las fibras ópticas, mis gafas de sol polarizadas, el láser y sus infinitas aplicaciones, etc.




http://e-ciencia.com/blog/divulgacion/fisica-cuantica-para-torpes/

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A partir de aquí se pone tan complicado que os dejo el enlace y si os apetece, y lo entendeis me lo explicais a mi.
Yo voy a investigar por otro lado.

CUANTICA SIN FORMULAS - PRELUDIO

Empezamos hoy una nueva serie en El Tamiz en la que vamos a zambullirnos en el mundo fascinante de la física cuántica. De manera similar a la serie de Relatividad sin fórmulas, vamos a tratar de hacerlo manteniendo las matemáticas al margen en la medida de lo posible – no porque haya nada de malo en ellas, sino porque en muchas ocasiones los libros de texto recurren a las fórmulas como sustitución de las explicaciones, y nosotros estamos aquí para compensar eso. De ahí el nombre de Cuántica sin fórmulas.
Antes de meternos en faena quiero dedicar esta entrada a establecer unas bases que (espero) te ayuden a asimilar más fácilmente los conceptos de los siguientes artículos. La razón es que, más incluso que en el caso de la relatividad, la cuántica es contraria a nuestra intuición, y para poder empezar a entenderla es necesario ser consciente de ciertos prejuicios e ideas preconcebidas que todos (y me incluyo) tenemos. De modo que, en cierto modo, vas a recibir un pequeño sermón. ¿Preparado?

En primer lugar, y como hice en el comienzo de la serie de Relatividad sin fórmulas, tengo que pedirte que tengas paciencia. Sí, estoy seguro de que quieres recorrer los vericuetos de la cuántica ahora mismo, pero créeme – es muy probable que, si empezamos ahora mismo, no te creyeras nada de lo que voy a contarte, porque muchas de las cosas de las que vamos a hablar son totalmente contrarias a la intuición. De ahí la necesidad de estos párrafos: tengo que prevenirte contra esa intuición y contra el “sentido común”, que son tus peores enemigos al leer esta serie.
El DRAE da las siguientes dos definiciones de “intuición” relevantes a lo que nos ocupa:

• Facultad de comprender las cosas instantáneamente, sin necesidad de razonamiento.
  
• Percepción íntima e instantánea de una idea o una verdad que aparece como evidente a quien la tiene.
  

Esta intuición es una herramienta muy útil: es una manera de entender cosas y adaptarse al medio que nos rodea rápidamente, sin necesidad de pensar cuidadosamente sobre las cosas, cuando ese medio y esas cosas son similares a los que entrenaron la intuición que trata de comprenderlos. La manera más fácil de entender lo que quiero decir es poner un ejemplo (sobre todo, uno en el que puedas ver las dos caras de la moneda):
Cuando se explica a muchos escolares que, si te encuentras en el vacío del espacio interestelar, lejos de cualquier cuerpo, y lanzas una pelota hacia delante a 10 km/h, esa pelota seguirá moviéndose para siempre a esa velocidad sin que nadie le dé energía, la mayor parte no se lo creen al principio. Pero, si dejas de empujar un cuerpo, ¿no debería frenar hasta pararse?, dicen.
¿Por qué piensan esto? Porque se lo dice su intuición, que se ha desarrollado en un medio en el que casi todos los cuerpos sufren rozamiento y se paran, salvo que sigas empujándolos. Suelen tardar algún tiempo (en general, no mucho, porque hay algunas situaciones similares en su entorno, como un patinador en el hielo) en desterrar las conclusiones de su intuición y aceptar las de la lógica, pero normalmente lo consiguen.
Lo mismo sucedería si explicases a un hombre primitivo que la Tierra es una esfera que gira alrededor del Sol – para él, sería una idea tan fantástica y absurda que ni siquiera se la tomaría en serio. La rechazaría sin pararse a razonar sobre ella: la rechazaría su intuición.
Sin embargo, el concepto de que un cuerpo sólo se frena si alguien ejerce una fuerza sobre él, o de que la Tierra no es plana, no son enormemente anti-intuitivos, sólo ligeramente: los hay peores. El concepto de que, cuanto más rápido te mueves, más lentamente ven los demás que pasa el tiempo para ti… eso sí que va contra la intuición. Por eso mucha gente, cuando lee sobre relatividad, se rebela a aceptar las conclusiones de la lógica, porque van contra su intuición. Lo mismo ocurre con la cuántica.
Todo este repetitivo discurso tiene que ver, por cierto, con un artículo reciente, el de la Paradoja de Monty Hall, de la que escribí precisamente como “entrenamiento” para esta serie: si tienes que elegir entre las conclusiones de la lógica y las de la intuición, elige la lógica y destierra la intuición. Si no lo haces, algo que era una herramienta útil para las situaciones en las que ha sido entrenada se convierte en un obstáculo para entender las situaciones para las que no ha sido entrenada.
Por si te ayuda, la mayor parte de los físicos que sembraron las semillas de la física cuántica se resistieron a aceptar las conclusiones que se obtenían de sus propios descubrimientos. Sin embargo, fíjate en lo que Born dijo de Max Planck, uno de los reticentes padres de la cuántica:

“Era por naturaleza y por la tradición de su familia conservador, reticente ante las novedades tecnológicas y escéptico frente a las especulaciones. Pero su convicción en el poder imperativo del razonamiento lógico basado en los hechos era tan fuerte que no dudó en expresar una afirmación que contradecía cualquier tradición, porque se había convencido de que no había otra explicación posible”.

Max Planck – lógica antes que intuición.

Lo que le sucedió a Planck no fue único: la mayor parte de los físicos que establecieron las bases de la cuántica se sentirían incómodos al principio con lo “anti-intuitivo” de la teoría. Algunos de ellos, como Albert Einstein, nunca la aceptarían, y tratarían de desmontarla (sin éxito) durante el resto de su vida. Otros aceptaron la precisa explicación que daba la nueva teoría de los fenómenos físicos antes inexplicables.
De manera que esto es lo que te pido para encarar esta serie: que, como Planck, olvides tus ideas preconcebidas sobre lo que es “de sentido común”, que prestes oídos sordos a una intuición que no está preparada para juzgar las situaciones que vas a estudiar, que destierres cualquier herramienta de entendimiento que no sea la fría lógica.
Y, desde luego, el aviso perenne en El Tamiz: si eres un experto en el tema, las simplificaciones que voy a hacer pueden hacerte rechinar los dientes y maldecir mi nombre, pero estoy harto de ver textos farragosos y abstractos sobre el asunto. Desde luego, no es posible transmitir un conocimiento profundo de la cuántica sin utilizar matemáticas complicadas, como los espacios de Hilbert, pero ¿significa eso que sólo un puñado de “elegidos” pueden atisbar de qué va la teoría? Me niego – antes simplista que incomprensible. Si esta serie sirve de algo a alguien que nunca ha entendido ni ápice de la cuántica, bienvenida sea.
Quiero aprovechar también esta entrada para avisarte de que la teoría cuántica me supera – es algo en lo que tengo que pensar mucho y ser muy cuidadoso para no quedarme en las matemáticas y simplemente soltar fórmulas como un loro. De todos modos, también te prevengo contra cualquiera que te diga que entiende perfectamente la física cuántica. En palabras de Niels Bohr,

Cualquiera que piense que puede hablar sobre la teoría cuántica sin marearse ni siquiera ha empezado a entenderla.

En cualquier caso, haré lo posible por transmitir lo que entiendo bien y es posible explicar sin utilizar fórmulas, de modo que tal vez te sirva como un primer paso para leer textos más académicos.
Como dijimos en la serie sobre relatividad, a finales del siglo XIX la sensación general era que el próximo siglo se dedicaría a perfeccionar detalles, limar zonas ásperas y terminar de explicar algunas cosas que no tenían una explicación adecuada con las teorías clásicas (las “intuitivas”). Estos “pequeños flecos” de la física fueron el germen de las dos grandes teorías físicas del siglo XX: la Teoría de la Relatividad de Einstein y la Teoría Cuántica, elaborada por varios físicos y poco a poco, como veremos a lo largo de la serie.
En la serie sobre relatividad ya hablamos acerca de los “flecos” que precedieron a esa teoría. En esta serie vamos a hablar sobre los que conciernen a la teoría cuántica, pequeños detalles que resultaron ser la punta del iceberg: cuando pensábamos que entendíamos cómo funciona el Universo salvo esos pequeños detalles nos dimos cuenta – justo mirando con cuidado esos pequeños detalles – de que sabíamos bastante menos de lo que pensábamos.
Hay varios de esos “flecos” que tienen que ver con la cuántica, pero vamos a centrarnos en los dos más importantes: la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, por qué no tenían sentido – y cómo el explicarlos desencadenaría una revolución aún mayor que la de la relatividad. En la próxima entrada hablaremos del primero de los dos

http://eltamiz.com/2007/09/04/cuantica-sin-formulas-preludio/

¡¡ Listo, desoso y preparado para lo que sea !!
Estoy harto de que me intenten vender "exprimentos telepáticos" basandose en algo que, aunque yo no entiendo, creo que ellos tampoco y lo usan para intentar engañarme.
¡¡ Dispara !!

Pues mañana empezamos si te parece.

Ok

LA RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO

En la primera entrada de la serie Cuántica sin fórmulas mencionamos los pequeños “flecos” que harían tambalearse a la física clásica hasta que algunas de las cosas evidentes e intuitivas que todo el mundo daba por sentadas demostraron ser totalmente falsas. Hoy vamos a dedicarnos al primero de estos “flecos”, y la semilla de la teoría cuántica, mientras que en la próxima entrada hablaremos del segundo.
Como veremos, ambos son relativamente similares: en ambos casos existe un fenómeno físico del que no tenemos una explicación coherente. En ambos se propone una explicación que se ajustaría perfectamente a la realidad, pero cuyas consecuencias lógicas acerca de cómo es el Universo son tremendas. Y ambos proponentes de estas explicaciones son muy reacios a aceptar esa nueva concepción del Universo, a pesar de ser ellos mismos los que las han planteado.
El primero de ellos, al que está dedicado este artículo, es la radiación de cuerpo negro y la hipótesis de Planck. Dicho mal y pronto, 6,63·10^-34 ≠ 0… y el mundo es un lugar muy, muy raro como consecuencia de eso.

A finales del siglo XIX, tanto la termodinámica como el electromagnetismo eran ramas muy sólidas de la física y explicaban excelentemente bien casi todos los fenómenos relacionados con ellas. En algunos de ellos, ambas estaban involucradas a la vez, y uno de ellos era el problema de la radiación de cuerpo negro.
Un cuerpo negro es, como su propio nombre indica, un cuerpo que absorbe absolutamente toda la radiación electromagnética que recibe: ni refleja ni transmite nada de radiación. Un cuerpo de este tipo no es necesariamente de color negro: sí, no refleja nada, pero eso no quiere decir que él no emita radiación. Como absorbe toda la radiación que recibe, si le proporcionamos mucha energía se irá calentando hasta brillar. Puedes pensar en un tizón de madera totalmente negro como un cuerpo negro: si se calienta mucho es una brasa, brilla, no porque refleje luz sino porque emite la suya propia.
Igual que un tizón de madera, según su temperatura, brilla de un color o de otro (rojo profundo si no está demasiado caliente, amarillo si está más caliente, etc.), un cuerpo negro ideal emite radiación con una distribución de frecuencias determinadas. Esta radiación, denominada radiación de cuerpo negro, sigue una curva conocida por los físicos de la época. Dependiendo de la temperatura del cuerpo, la radiación emitida varía, de modo que cuanto más caliente está menor es la longitud de onda en la que tiene un máximo de emisión:

Crédito: Wikipedia (GPL).

El eje vertical representa la energía emitida en cada nanómetro del espectro electromagnético, y el horizontal la longitud de onda. Como puedes ver, cuanto más caliente está el cuerpo, más radiación emite (lógico), y más hacia la izquierda está el máximo de emisión: un cuerpo bastante frío emite casi toda la energía en la región infrarroja y no lo vemos brillar, un cuerpo más caliente brilla con color rojo, uno muy caliente sería azulado, etc, según la curva tiene un máximo más hacia la izquierda. Una vez más, lógico.
Las teorías de la época suponían que la superficie del material estaba compuesta por una infinidad de osciladores muy pequeños (que hoy diríamos que son los átomos del material) que se encuentran vibrando alrededor de un punto de equilibrio. Cuanto más caliente está el material, más rápido y con mayor amplitud vibran esos minúsculos osciladores, que pueden emitir parte de la energía que tienen en forma de onda electromagnética. Al emitir esta energía, oscilan más despacio: es decir, se enfrían.
Al aplicar estas teorías clásicas a la radiación de cuerpo negro, se obtenía una curva teórica de la radiación emitida…y ninguna curva teórica coincidía con la curva real. La más conocida era la propuesta por Lord Rayleigh en 1900, y perfeccionada por Sir James Jeans en 1905. Era elegante, se deducía de manera lógica a partir de las teorías conocidas… y predecía que un cuerpo negro debería emitir una energía infinita.
La curva que se obtenía a partir de la fórmula de Rayleigh-Jeans se ajustaba muy bien a la curva real para longitudes de onda largas, pero para longitudes de onda cortas divergía de una forma exagerada: no es que fuera algo diferente, es que era totalmente imposible. En descargo de Rayleigh y Jeans, los dos (y también Einstein) se dieron cuenta muy pronto de que la fórmula teórica era imposible.
Esta imposibilidad disgustó mucho a los físicos. De hecho, el fracaso de la ley propuesta por Rayleigh y Jeans suele llamarse “catástrofe ultravioleta” (pues la divergencia se producía para pequeñas longitudes de onda, en la región ultavioleta). Sin embargo, alguien había resuelto el problema sin encontrarse con ninguna “catástrofe” cinco años antes, aunque haciendo una suposición que no gustaba a nadie (ni a su propio creador): el genial físico alemán Max Planck.

Max Planck.
A veces se dice, incluso en algunos textos de física, que fue Planck quien se dio cuenta de la “catástrofe ultravioleta” y propuso una fórmula alternativa para resolverla, pero esto no es cierto: Planck había obtenido su fórmula en 1900, cinco años antes de que nadie se diera cuenta de la “catástrofe”. Además, la ley de Rayleigh-Jeans se basa en algunas suposiciones (como el [url=http://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_equipartición]principio de equipartición[/url]) con las que Planck no estaba de acuerdo.
Lo que sucedió en 1900, al mismo tiempo que Lord Rayleigh obtenía su propia fórmula e independientemente de él, fue lo siguiente: Planck era consciente de que ninguna de las teorías del momento producía una curva de emisión que coincidiera con la real. Sin embargo, haciendo simplemente una pequeña, una minúscula suposición, y realizando los cálculos de nuevo, se obtenía una fórmula que se ajustaba milimétricamente a la realidad. Una fórmula de una precisión enorme, que explicaba todos los experimentos realizados con cuerpos negros.
Esa suposición era simplemente una pequeña argucia matemática, a la que Planck, en principio, no dio mucha importancia, ni consideró como una concepción del Universo físico. La suposición era que los minúsculos osciladores que componían la materia no podían tener cualquier energía arbitraria, sino sólo valores discretos entre los cuáles no era posible ningún valor.
Dicho de otra manera, lo que todo el mundo (incluyendo al propio Planck) consideraba lógico e intuitivo es que un oscilador puede oscilar como le dé la gana. Por ejemplo, si haces oscilar un péndulo, puedes darle un golpe pequeño (poca energía) o uno grande (mucha energía), de modo que oscile poco o mucho: entre cualquier par de péndulos idénticos que oscilan puedes imaginar otro que oscila con más energía que el primero y menos que el segundo. A continuación puedes fijarte en el primero y el que acabas de inventar: entre ellos puedes imaginar otro que oscile con un poco más de energía que el primero y menos que el segundo, etc.
Sin embargo, si Planck suponía que esto no era así, es decir, que un péndulo no puede oscilar con la energía que le dé la gana, sino que es posible tener dos péndulos oscilando con dos energías y que sea imposible que exista ningún péndulo con una energía intermedia, entonces todos los cálculos que realizaba concordaban a la perfección con la realidad.
De modo que Planck publicó sus cálculos y su suposición en 1901, y durante cuatro años nadie le prestó mucha atención. Aunque no vamos a entrar en fórmulas, Planck supuso que los pequeños osciladores de la materia podían oscilar sólo con energías que fueran múltiplos enteros de una “energía fundamental” que era proporcional a la frecuencia con la que oscilaban mediante una constante que probablemente era muy pequeña.
Pero piensa en lo que significa la hipótesis de Planck: si tienes un péndulo oscilando y le vas dando energía, no la adquiere de forma continua, como si subiera una pendiente poco a poco. Es como si la energía que puede tener fuera una escalera, y tú puedes hacer que suba un escalón de la escalera, o dos, o tres… pero no que se quede entre dos escalones. De ahí que la posterior teoría cuántica, de la que la hipótesis de Planck es el germen, se llame así: la hipótesis de Planck es que la energía de cualquier oscilador está cuantizada, es decir, no tiene valores continuos sino discretos: “escalones” de energía, que hoy llamamos cuantos de energía.
Desde luego, algo parecido había ocurrido antes en física al estudiar la materia: algunos pensaban que la materia era continua, y que un trozo de madera podía ser roto en dos trozos iguales, éstos en dos trozos iguales, y así ad infinitum. Otros pensaban que la materia estaba compuesta de trozos discretos, y que no era posible coger una cantidad arbitraria de materia, sino sólo un múltiplo entero del valor mínimo de materia posible, que no era posible dividir: el átomo. Sin embargo, es relativamente sencillo asimilar que la materia esté cuantizada. Imaginar la energía como cuantizada es mucho más difícil.
En cualquier caso, Einstein fue el primero en recordar a los otros físicos, cuando se dieron cuenta de la “catástrofe ultravioleta”, que la hipótesis de Planck había producido una fórmula que no tenía este problema y que, además, predecía con enorme perfección las observaciones realizadas. El problema, por supuesto, era que aceptar la fórmula de Planck suponía aceptar su hipótesis, y las implicaciones físicas eran escalofriantes -incluso para el propio Planck-.
Pero, puesto que es difícil discutir con un modelo que predice la realidad mejor que cualquier otro, la teoría de Planck fue aceptada, y Max Planck obtuvo el Premio Nobel de 1918, según la Academia “en reconocimiento de los servicios que rindió al avance de la Física por su descubrimiento de los cuantos de energía”. Desde luego, Planck no utilizó la palabra “cuanto” al proponer su teoría, y le costaría años reconciliarse con las implicaciones de su hipótesis, que fue sin duda su mayor logro. La cuántica es así de irónica, e historias similares se repetirían más adelante.
Hoy en día nadie duda de que la hipótesis de Planck es cierta, pero ¿por qué diablos no la notamos? Cuando yo empujo un columpio, o veo vibrar una cuerda, o un péndulo oscilar, no veo que haya valores de energía discretos entre los que hay “huecos”. No veo cuantos, no veo escalones, veo un continuo de energía. La razón es que son escalones minúsculos. Tampoco veo átomos por la misma razón, pero ahí están.
Para que te hagas una idea, si tengo un péndulo oscilando una vez por segundo, y el péndulo tiene una energía de 2 Julios, el siguiente escalón por encima de 2 Julios está en 2,0000000000000000000000000000000007 Julios. No hay ningún valor posible de energía entre esos dos valores. ¡Por supuesto que no veo el escalón! Cualquier tipo de energía que yo le pueda dar al péndulo va a ser muchísimo más grande que ese valor tan pequeño, de modo que nunca podría darme cuenta, en mi mundo cotidiano, de que no es posible que tenga una energía intermedia.
Pero, querido lector, ten en cuenta esto: 0,0000000000000000000000000000000007 Julios no es 0 Julios. Y esa pequeña diferencia, como veremos a lo largo de esta serie, hace que el Universo sea absoluta, totalmente diferente a lo que nuestra intuición nos dice que deberían ser las cosas. El principio de incertidumbre de Heisenberg, la dualidad onda-corpúsculo, el hecho de que los agujeros negros “se evaporen”… todo empieza en esta hipótesis aparentemente inofensiva.
En su hipótesis, como hemos dicho, Planck supuso que el tamaño de estos “escalones” era proporcional a una constante (que fue calculada más tarde, como veremos en el próximo artículo de la serie), la constante de Planck, que hoy sabemos que tiene un valor de 6,63·10^-34 J·s. Toda la teoría cuántica, y la diferencia entre el Universo “intuitivo” y el “cuántico”, se basan en ese hecho:
6,63·10^-34 ≠ 0.
Bienvenido al mundo cuántico.
En la próxima entrada de la serie hablaremos del segundo escalón (nunca mejor dicho) en el ascenso hacia una teoría cuántica coherente y la destrucción de la realidad objetiva: la extensión por parte de Albert Einstein de la hipótesis de Planck para explicar otro fenómeno que no tenía explicación clásica, y el nacimiento del fotón. Nos dedicaremos al efecto fotoelectrico

http://eltamiz.com/2007/09/24/cuantica-sin-formulas-la-hipotesis-de-planck/

Gracias.
Mañana lo leeré de nuevo, porque ahora estoy algo cansado, pero no te confies... algo voy entendiendo.

Como que algo vas entendiendo ¡¡¡¡Pero si yo tampoco lo entiendo!!! en estas cosas vamos de la manita ayudandonos entre todos.

A ver si te piensas que soy Einstein.

aunque está claro que con estas explicaciones tan magníficas por lo menos llegaremos a intuirlo.

Esto, más o menos intuyo lo que quieren decir:
"...Hoy en día nadie duda de que la hipótesis de Planck es cierta, pero ¿por qué diablos no la notamos? Cuando yo empujo un columpio, o veo vibrar una cuerda, o un péndulo oscilar, no veo que haya valores de energía discretos entre los que hay “huecos”. No veo cuantos, no veo escalones, veo un continuo de energía. La razón es que son escalones minúsculos. Tampoco veo átomos por la misma razón, pero ahí están.
Para que te hagas una idea, si tengo un péndulo oscilando una vez por segundo, y el péndulo tiene una energía de 2 Julios, el siguiente escalón por encima de 2 Julios está en 2,0000000000000000000000000000000007 Julios. No hay ningún valor posible de energía entre esos dos valores. ¡Por supuesto que no veo el escalón! Cualquier tipo de energía que yo le pueda dar al péndulo va a ser muchísimo más grande que ese valor tan pequeño, de modo que nunca podría darme cuenta, en mi mundo cotidiano, de que no es posible que tenga una energía intermedia.
Pero, querido lector, ten en cuenta esto: 0,0000000000000000000000000000000007 Julios no es 0 Julios. Y esa pequeña diferencia, como veremos a lo largo de esta serie, hace que el Universo sea absoluta, totalmente diferente a lo que nuestra intuición nos dice que deberían ser las cosas. El principio de incertidumbre de Heisenberg, la dualidad onda-corpúsculo, el hecho de que los agujeros negros “se evaporen”… todo empieza en esta hipótesis aparentemente inofensiva..."
De todas maneras, sobre este tema debemos informarnos mucho más, porque estoy notando ya, en demasiados programas de "misterio" que agarrandose a esto, que nadie entiende muy bien, quieren dar una "explicación" a temas paranormales como la telepatía, vida después de la muerte, ovnis, y están metiendolo todo en el mismo saco.
Casualmente se está repitiendo demasiado esta temática en las últimas semanas. Sobre todo de la mano del señor Miguel Pedrero.
Y creo que nos están intentando tomar el pelo.
Como existen parámetros inconmensurables, inmedibles y en los que las leyes parecen no cumplirse, o mejor dicho no comprenden el mecanismo, le están dando un "toque" demasiado misterioso a ete tema.
Y me huele algo mal.

Esto lo intentan hacer para darle un marchamo "científico" a todos estos temas. Normalmente no tienen ni idea de qué es física cuántica ni lo que estudia y mucho menos sus postulados. Simplemente se aprovechan del desconocimiento de la gente normal para intentar justificar algo que por medios convencionales no se puede justificar. Así todo lo misterioso lo meten en el mismo saco y lo explican con dimensiones, leyes cuánticas (sin saber estas cuales son), etc.

El campo de estudio de la cuántica, creo que lo deja bien claro el artículo es el universo de lo infinitamente pequeño. Luego sucesos macroscópicos aunque sean "misteriosos" como fantasmas, poltergueits, ovnis, hipnotismo, etc, no pueden deberse a ella, simplemente porque son fenómenos o productos que se presentan de forma macroscópica. Y como hemos visto en el artículo las taorías cuánticas se aplican a rangos infinitesaimales (por lo pequeños) de energía y a partículas infinitamente pequeñas.

Es decir lo que se produce en física cuantíca se puede solo medir en sucesos infinitamente pequeños y desde luego es imposible que se noten desde el mundo físico convencional.

Concretando, se puede afirmar sin miedo a error, que como nada del universo de lo infinitamente pequeño puede afectar a simple vista ni ser comprobado con mediciones convencionales en el mundo "normal" que todos conocemos; entonces nínguno de esos supuestos fenómenos misteriosos se deben a leyes o teorías cuánticas. Así de sencillo. Es como responder a la pregunta ¿Adonde vas? con... Manzanas traigo.

Es hora de ir derribando las nuevas "leyendas urbanas" que están surgiendo amparadas por la ignorancia de la gente sobre estos temas y que amenazan con enquistarse de la misma manera que los misterios de décadas anteriores.

Pues descargate, por ejemplo "La Rosa de los Vientos" de la emisión del 22/3/2010 y alucinarás.
Con vuestro permiso voy a abrir el debate (estoy deseoso), en el hilo de "Buscando en el dial" dedicado a LRV.

Venga chavales.... Un arreoncillo más

EL EFECTO FOTOELECTRICO

Tras realizar un pequeño preludio y hablar sobre la hipótesis de Planck, continuamos hoy la serie de Cuántica sin fórmulas hablando acerca del segundo paso que derrumbaría las suposiciones de la física clásica y revolucionaría la física del siglo XX aún más que la relatividad. Este segundo paso, como veremos, se basa en el primero, y tiene ciertos paralelismos con él. Me refiero al efecto fotoeléctrico.
Este efecto era uno de los pocos fenómenos que no tenían una correcta explicación teórica a finales del siglo XIX (lo mismo que la radiación de cuerpo negro, de la que ya hablamos y que Planck logró justificar mediante su hipótesis), y consiste en lo siguiente: si se coge un trozo de un metal y se hace incidir luz sobre él, a veces la luz es capaz de arrancar electrones del metal y hacer que se muevan, produciendo así una corriente eléctrica – de ahí el nombre del efecto, “electricidad producida con luz”. Pero la clave está en el “a veces”, y ahí es donde los físicos se mesaban los cabellos con preocupación.

Los científicos se dedicaron, por supuesto, a pensar por qué se producía y cuándo debería producirse el efecto fotoeléctrico (que debería involucrar partes de la ciencia bien desarrolladas como el electromagnetismo), y la teoría clásica razonaba de la siguiente manera:
La luz transporta energía. Cuando la luz choca contra el metal, le transfiere energía. Si esa energía es suficiente para arrancar electrones, se produce el efecto fotoeléctrico, y si no es suficiente, no ocurre nada. De manera que si, por ejemplo, apunto una bombilla muy tenue contra una chapa de metal, no se produce efecto fotoeléctrico, pero si aumento la potencia de la bombilla mil veces, se producirá el efecto.
Pero esto no pasaba. Si la bombilla tenue no era capaz de producir el efecto fotoeléctrico, entonces por mucho que aumentara la intensidad de la luz, diez, mil, un millón de veces, no salía ni un solo electrón del metal. También pasaba al revés, claro: si la bombilla era capaz de arrancar electrones del metal, era posible disminuir su potencia todo lo que se quisiera: incluso un debilísimo rayo de luz de la bombilla era capaz de arrancar electrones – arrancaba menos electrones que la luz potente, pero los arrancaba. Y esto no tenía absolutamente ningún sentido.
¿De qué dependía entonces que se produjera el efecto, si no era de la intensidad de la luz? Los científicos, por muy tercos que fueran tratando de explicar las cosas con la teoría clásica, son científicos: se dedicaron a cambiar otras condiciones del experimento hasta llegar a una conclusión absurda, imposible, totalmente inaceptable – el factor que decidía que se arrancaran electrones era el color de la luz de la bombilla. Dicho en términos más técnicos era la frecuencia de la radiación, pero nuestros ojos “ven” la frecuencia de la luz como el color, de modo que nos vale con eso.
Es decir, que si cogiéramos una bombilla cuyo color pudiéramos hacer variar siguiendo los colores del arco iris (los físicos de la época iban más allá de la luz visible, pero una vez más nos vale con esto), desde el rojo al violeta, al principio no se producía el efecto. Pero llegaba un momento, que dependía del metal que se tratase (y no dependía para nada de la intensidad de la luz) en el que empezaban a arrancarse electrones – supongamos que al llegar al amarillo. Si se seguía variando el color a lo largo del arco iris, cualquier color pasado el amarillo en ese recorrido (por ejemplo, el violeta) también arrancaba electrones.
La intensidad de la luz sí tenía cierto efecto, como hemos dicho: si un rayo de luz roja (por ejemplo) no producía el efecto, por muy intensa que fuera la luz no ocurría nada. Pero si un rayo de luz amarilla sí lo producía, entonces al aumentar la intensidad de la luz aumentaba el número de electrones arrancados. Sin embargo, incluso esto no encajaba con la teoría clásica: aumentaba el número de electrones arrancados (la intensidad de la corriente), pero no la energía de cada electrón (el voltaje de la corriente), que era absolutamente igual para la luz amarilla independientemente de la intensidad. Es decir, si la luz amarilla producía electrones con una determinada energía cada uno, multiplicar la intensidad de la luz por cien hacía que salieran cien veces más electrones del metal, pero todos con la misma energía que cuando salían menos. La verdad es que era desesperante.
Pero es que la cosa no acaba ahí: la frecuencia (el color) de la luz no sólo determinaba si se producía el efecto o no. Además, la energía de cada electrón (que ya hemos dicho no dependía de la intensidad) aumentaba según la frecuencia de la luz aumentaba. Es decir, que si se usaba luz azul, los electrones tenían más energía que si se usaba luz amarilla. Pero ¿qué demonios tenía que ver el color de la luz con la energía de los electrones?
La solución la dio el siempre genial Albert Einstein, quien, recordemos, ya había apuntado a la hipótesis de Planck como la solución teórica al problema de la radiación de cuerpo negro. Einstein aplicó el razonamiento lógico y extrajo una conclusión inevitable de la hipótesis de Planck – aplicar la lógica y extraer conclusiones eran cosas en las que Einstein era un genio sin igual. El razonamiento del alemán fue el siguiente:
Si los pequeños osciladores que componen la materia sólo pueden tener unas energías determinadas, unos “escalones de energía” que son proporcionales a la constante de Planck y a la frecuencia con la que oscilan, ¿cómo será la energía que absorben y desprenden? La luz, al fin y al cabo, sale de estos osciladores. Una bombilla, por ejemplo, brilla porque los átomos del filamento están muy calientes y desprenden energía electromagnética, que ellos mismos pierden. Pero si los osciladores pierden energía, no pueden perder una cantidad arbitraria: deben “bajar la escalera” de energía y, como mínimo, perder un “escalón”. De forma inevitable, la energía luminosa que desprenden no puede ser arbitraria, tiene que estar hecha de estos “escalones”.


Einstein en 1905, cuando publicó su explicación del efecto fotoeléctrico.

Si lo piensas, es totalmente lógico (aunque generó una gran polémica al principio): si las fuentes de luz sólo pueden estar en los escalones de energía que propuso Planck, y cuando emiten luz es porque pierden energía, la luz que emiten debe estar hecha de esos “escalones”. No es posible emitir una cantidad arbitrariamente pequeña de energía luminosa: sólo puede tenerse luz “en píldoras”. La luz está cuantizada.
Naturalmente, un físico que se precie no habla de “píldoras”, “escalones” o “trozos” de luz. Einstein llamó a este concepto Lichtquant, “cuanto de luz”. En 1926, Gilbert Lewis propuso otro nombre, que es el que usamos hoy en día: fotón. Durante el resto de este artículo hablaremos de fotones, aunque Einstein no los mencionara en la publicación en la que propuso su existencia.
Cuando se considera el efecto fotoeléctrico en términos de fotones, todo tiene sentido: la luz que llega al metal está compuesta de fotones. Cada uno de ellos tiene una energía proporcional a la constante de Planck y la frecuencia de la radiación. Si la luz es muy intensa (una bombilla muy grande y potente), hay muchos fotones. Si la luz cambia de color pero no de intensidad, hay el mismo número de fotones, pero cada uno tiene más energía (hacia el azul) o menos energía (hacia el rojo).
Cuando uno de estos fotones llega al metal y choca con un electrón, puede darle su energía: si esta energía es suficiente para arrancarlo del metal, se produce el efecto fotoeléctrico, y si no es suficiente, no pasa nada. La cuestión es que la interacción se produce entre un fotón y un electrón – no entre “toda la luz” y “todos los electrones”, porque tanto la luz como la materia están cuantizadas. ¿De qué depende entonces de que se produzca el efecto? De la frecuencia de la luz, es decir, del color. Si es luz roja (por ejemplo), cada fotón tiene muy poca energía. Tal vez haya muchísimos fotones, pero a este electrón en particular sólo le afecta el que ha chocado contra él, y éste no tiene suficiente energía para arrancarlo, de modo que no sucede nada.
Si se tiene luz con una gran frecuencia (por ejemplo, azul), cada fotón tiene mucha energía: proviene de un “escalón grande” de Planck. Cuando choca con un electrón puede darle suficiente energía para arrancarlo del metal, y entonces se produce el efecto fotoeléctrico. Claro, si esta luz azul es muy intensa (hay muchos fotones), y cada uno arranca un electrón, se arrancarán muchos electrones, exactamente como sucede en la realidad. Pero si cada fotón no hubiera tenido suficiente energía para arrancar a su electrón, por muchos fotones que hubiera, no pasaría nada en absoluto.
Puede que te preguntes, querido lector, Vale, pero ¿no puede el electrón recibir un fotón con poca energía, “guardarse la energía” que le ha dado el fotón, aunque no sea bastante, y esperar al siguiente fotón, y así hasta tener suficiente energía para escapar?
No, no y mil veces no – recuerda la hipótesis de Planck. Si un fotón no tiene suficiente energía para arrancar el electrón es porque el escalón de energía es demasiado alto. Un electrón no puede tener “un poquito más de energía” arbitrariamente: o tiene la que tiene ahora, o tiene la del siguiente escalón. Si el fotón no tiene suficiente energía para arrancar el electrón es que la energía del siguiente escalón es demasiado alta, de modo que el electrón ni siquiera puede almacenar la energía del fotón, porque lo pondría “entre dos escalones”. De modo que se queda exactamente como estaba antes, por muchos fotones de poca energía que le lleguen. Estos fotones, al no poder ser absorbidos por el electrón, continúan su camino, y probablemente acabarán dando su energía a algún átomo, haciéndolo vibrar más rápidamente (es decir, calentando el metal), pues los “escalones” son ahí más pequeños que los necesarios para arrancar el electrón.
Y, por supuesto, si la luz tiene una frecuencia altísima, los electrones arrancados tendrán una gran energía (y la corriente, un gran voltaje): el fotón tiene mucha energía, y gasta parte de ella en arrancar el electrón. El resto se la queda el electrón, pues el fotón ha desaparecido: un fotón es un “escalón”, y no puede romperse y dar parte de su energía. O está, o no está. Cuando le da su energía al electrón, se da entero. El electrón, entonces, tiene mucha energía. Mientras que si la frecuencia de la luz es sólo la necesaria para arrancar al electrón y nada más, el electrón tiene muy poca energía. Una vez más, coincidía a la perfección con los experimentos.
Pero la teoría de Einstein no sólo coincidía con la realidad cualitativamente, sino que era capaz de realizar predicciones cuantitativas: si la energía de cada fotón era proporcional a la constante de Planck y a la frecuencia de la luz, entonces la energía de los electrones arrancados debería aumentar proporcionalmente a la frecuencia de la luz. Aunque cueste creerlo, en 1905, cuando Einstein publica su propuesta, aún no se había medido cuantitativamente la energía de los electrones arrancados. En 1915, Robert Andrews Millikan realizó experimentos muy precisos: la energía de los electrones aumentaba de forma lineal con la frecuencia, exactamente lo que Einstein había predicho.
Parte de la comunidad científica aún se resistía a aceptar la existencia del Lichtquant, pero una vez más, aceptando una idea aparentemente absurda y contraria a la intuición (que la luz está hecha de “trozos”), los experimentos se explicaban con una precisión indiscutible. Albert Einstein recibió el Premio Nobel en 1921 por su explicación del efecto fotoeléctrico, siguiendo los pasos de Planck – y, como él, muy reacio a aceptar las implicaciones posteriores de su teoría, de las que hablaremos en artículos posteriores en la serie.
La pregunta inmediata, por supuesto, es: si la luz está hecha de pequeños paquetes, ¿por qué la vemos de forma continua? Nadie ve “trocitos” de luz, no, y la respuesta (que ya deberías saber, si has entendido la serie hasta ahora) es que son demasiado pequeños. Si recuerdas la hipótesis de Planck, la energía de cada escalón es minúscula y, por lo tanto, la energía de cada fotón es igualmente minúscula. Cuando nos llega, por ejemplo, la luz del Sol, está hecha de fotones, pero cada segundo llegan a nuestro ojo unos veinte trillones de fotones: 20.000.000.000.000.000.000 fotones. ¿Pero cómo vamos a distinguir que no es un “chorro” de energía sino un “goteo”? Es imposible.
La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico tiene implicaciones profundas sobre nuestro concepto del Universo: la luz era, para la comunidad científica, clara e indiscutiblemente una onda, como el sonido o las olas. Sufría fenómenos, como la interferencia y la difracción, que sólo sufren las ondas. Sin embargo, ahora llegaba Einstein y decía que la luz estaba compuesta de lo que, a efectos prácticos, eran pequeñas partículas… ¿cómo podía la luz sufrir difracción si estaba hecha de fotones? Pero ¿cómo podía la luz producir el efecto fotoeléctrico si no estaba hecha de fotones? La solución de Einstein generaba preguntas aún más difíciles de responder: ¿era la luz una onda o partículas?
La solución, por supuesto, es el tercer paso en nuestra caída de la realidad objetiva, y el responsable fue otro genio del razonamiento lógico: el francés Louis-Victor-Pierre-Raymond, séptimo Duque de Broglie (normalmente conocido como Louis de Broglie). Pero, antes de acabar de responder a la pregunta sobre las ondas y las partículas, en el próximo artículo trataremos otra aplicación de la hipótesis de Planck a un problema sin responder: el modelo atómico de Bohr y el nacimiento del término “mecánica cuántica”.

http://eltamiz.com/2007/10/09/cuantica-sin-formulas-el-efecto-fotoelectrico/

Muy, pero que muy interesante. Sobre todo me ha gustado el final de este último post, pero que me aclara algo el resto del mismo.
¡¡ Gracias !!

Es precioso el razonamiento y es preciosa la manera en que la física lanza sus hipótesis y teorías. A eso se le llama elegancia...

No me digáis que no es bonito.

EL ATOMO DE BOHR

Iniciamos esta serie de Cuántica sin fórmulas con el Preludio, tras el cual discutimos dos de los principales “flecos” en los que fallaban las teorías clásicas a finales del siglo XIX: la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico. Como recordarás, la solución del primero dio lugar a la hipótesis de Planck y su famosa constante; la solución del segundo produjo el nacimiento del fotón y la consideración de las ondas como conjuntos de partículas. (Por cierto, si no has leído los artículos anteriores es muy difícil que entiendas éste, pues se basa en los conceptos establecidos allí).
Antes de seguir zambulléndonos a mayor profundidad dentro de la mecánica cuántica, quiero dedicar este artículo a explicar precisamente cómo y cuándo recibió su nombre esta parte de la física, y cómo resolvió el tercero de los “flecos” que los físicos clásicos no habían logrado resolver hasta entonces. Lo interesante en este caso es que no se plantea una idea nueva como en los dos anteriores, sino que –por primera vez– se ponen en práctica las primeras ideas cuánticas de Planck y Einstein para resolver un problema concreto. Vamos a hablar del átomo de Bohr.

El “pequeño detalle” resuelto por Niels Bohr, en el que la física clásica fallaba, era básicamente éste: la materia, tal y como la conocemos, no debería existir. Menudo “pequeño fleco”, ¿eh?
La razón es la siguiente: poco a poco, los científicos habían ido obteniendo datos sobre la estructura de los átomos. Sabían que tenían cargas positivas y negativas (aunque aún no conocían los neutrones), y que las cargas positivas (los protones) constituían la mayor parte de la masa de los átomos y estaban en el centro (el núcleo), ocupando un espacio muy pequeño. Las cargas negativas (los electrones) estaban en el exterior, en una zona mucho más grande y menos densa.
De modo que los físicos explicaron esta estructura de acuerdo con las teorías de la mecánica que hoy llamamos “clásica” y la teoría electromagnética de Maxwell. Todo encajaba casi a la perfección, y el modelo más exacto y avanzado era el de Ernest Rutherford (que seguro que has estudiado en el colegio): los protones están en el núcleo, quietos, y los electrones giran alrededor del núcleo a gran velocidad. El símbolo típico del átomo sigue siendo el de Rutherford, aunque su modelo sólo duró dos años. Así son a veces las cosas.



Logo de la Comisión de Energía Atómica estadounidense, que aún utiliza el símbolo del átomo de Rutherford.
Claro, como los electrones tienen carga negativa y los protones positiva, se atraen, pero la velocidad de giro de los electrones hace que éstos no caigan hacia el núcleo, igual que la velocidad de la Tierra en su movimiento alrededor del Sol hace que nuestro planeta realice órbitas alrededor de la estrella y no se acerque a ella. Naturalmente, los electrones están muy cerca del núcleo, de modo que tienen que moverse muy, muy rápido para no caer hacia el centro, pero ambos casos son parecidos (de hecho, a veces se llama al modelo de Rutherford “modelo planetario”). Todo el mundo estaba muy satisfecho, salvo por una cosa.
De acuerdo con la teoría electromagnética de Maxwell, cualquier carga acelerada (que vaya cada vez más rápido, más lento o que cambie su dirección de movimiento) emite una onda electromagnética, tanto más energética cuanto mayor sea la carga y más rápida sea la variación de velocidad. Y aquí estaba el problema: los electrones, al girar alrededor del núcleo y por lo tanto cambiar su dirección de movimiento constantemente, deberían estar emitiendo radiación electromagnética todo el tiempo. Pero claro, al emitir radiación electromagnética deberían perder energía, moverse más despacio, “caer” un poco hacia el núcleo, emitir más radiación, perder más energía…
Es decir, si el modelo de Rutherford (y no había ningún otro que pudiera explicar la naturaleza de los átomos) era cierto, el átomo como lo conocemos existiría durante una minúscula fracción de segundo, pues sus electrones girarían en una espiral hacia el centro, emitiendo radiación según caen hacia él hasta que protones y electrones se “fundieran” en una bola minúscula del tamaño del núcleo atómico. Los átomos deberían “brillar” con diferentes longitudes de onda durante un tiempo muy corto y luego… bueno, básicamente, dejar de ser átomos y convertirse en “minibolas” de electrones y protones.
Pero esto, evidentemente, no pasaba. Además, cuando los átomos emiten radiación electromagnética (”brillan”), no lo hacen con cualquier longitud de onda, como deberían hacer de acuerdo con Rutherford: lo hacen con unas cuantas longitudes de onda (colores, si es radiación visible) muy, muy concretas. El hidrógeno, por ejemplo, lo hacía en una serie de frecuencias que se conocían muy bien, y nunca, jamás, emitía radiación en otras frecuencias, mientras que el modelo de Rutherford predecía emisión continua en muchísimas longitudes de onda según el electrón iba cayendo hacia el átomo.

De modo que ¿qué estaba pasando? Irónicamente, muchos científicos ya sabían por dónde iban los tiros incluso cuando Rutherford postuló su modelo: lo hizo en 1911 y, para entonces, la hipótesis de Planck ya había sido propuesta y Einstein había postulado también la existencia del fotón (aunque, como dijimos, aún no con ese nombre). Por otro lado, gran parte de la comunidad científica aún se resistía a aceptar las ideas de Planck y Einstein.
Entra en escena Niels Bohr (que ya ha aparecido antes en El Tamiz) y, utilizando un razonamiento lógico agudísimo, deshace el nudo gordiano de los electrones girando alrededor del núcleo aplicando las ideas de Planck y Einstein al problema. En 1913, Bohr publica Sobre la constitución de átomos y moléculas, donde realiza el siguiente razonamiento (naturalmente, escrito a nuestra manera):
La teoría de Planck había sido aplicada en principio a sus “pequeños osciladores” (que, como recordarás, eran los átomos o moléculas del material vibrando debido a su temperatura), pero debería ser aplicable a cualquier sistema en el que algo puede moverse alrededor de cierto punto de equilibrio pero sin poder alejarse mucho de ese punto por alguna fuerza que lo impida: un péndulo oscilando, un columpio, una molécula en un cristal… o un electrón girando alrededor del núcleo de un átomo.

Espero que te des cuenta de que el genio de Bohr, en este caso, no está en plantear algo radicalmente nuevo, sino en tomar una teoría que se había restringido a un caso muy concreto y utilizarla para explicar algo mucho más amplio y de una gran importancia. Éste sería el primero de muchos casos en los que la teoría cuántica (que aún era incómoda para muchos), a pesar de su extrañeza, daba una respuesta de una enorme precisión a un problema que no había tenido solución hasta entonces, sin necesidad de grandes avances teóricos.
Y es que, en efecto, simplemente suponiendo que los electrones en el átomo son algo análogo a los pequeños osciladores de Planck, todos los problemas del modelo de Rutherford se desvanecen sin dejar rastro.
En primer lugar, ¡por supuesto que los electrones no pueden ir perdiendo energía de forma gradual y continua! Los electrones ocupan escalones de energía discretos, y no pueden tener energías intermedias: su energía está cuantizada. Por lo tanto, un electrón que está en un “escalón” determinado (más técnicamente, en un nivel energético determinado) no emite energía. Sólo lo hará si “cae” a un escalón de energía inferior, pero entonces no emitirá cualquier longitud de onda, puesto que aquí también echa mano Bohr de los dos genios anteriores: el electrón que pierde un escalón de energía emite un fotón que se lleva la energía perdida.
¡Por eso los átomos sólo emitían energía de longitudes de onda (”colores”) determinadas! Los fotones emitidos no pueden tener cualquier energía, sino únicamente la que hay entre escalones. De modo que era posible algo aún más increíble: medir la longitud de onda de esos fotones y, mediante la teoría fotónica de Einstein, calcular la energía de los fotones. El tamaño de los escalones de energía de los electrones debía ser exactamente la energía de los fotones emitidos.

Desde este crucial papel de Bohr, siempre que se hable de electrones en un átomo se hablará de sus niveles de energía. Aunque no quiero entrar en muchos detalles aquí, las predicciones de su modelo (que, como digo, no es más que la aplicación de las ideas de Planck y Einstein al átomo) fueron tan extraordinariamente precisas, cualitativa y cuantitativamente, que fue muy difícil para nadie cuestionar su validez. Esto no quiere decir que fuera perfecto (por ejemplo, supone órbitas circulares para los electrones, no tiene en cuenta otros fenómenos cuánticos que no se conocían entonces…) pero para la época y los datos experimentales de entonces su éxito fue despampanante. Bohr recibió el Premio Nobel de Física en 1922 “por sus servicios a la investigación de la estructura de los átomos y la radiación emitida por ellos”.

Desde luego, hay muchos otros sistemas análogos a los pequeños osciladores de Planck, y uno de ellos (la Tierra alrededor del Sol) cumple esas condiciones perfectamente. De hecho, como dijimos antes, fue un ejemplo muy utilizado para hacer entender el modelo de Rutherford. ¿Por qué entonces no se observa nada del estilo de los escalones de energía en la Tierra? Una vez más, la cuestión es el tamaño de los “escalones”: la Tierra tiene una energía tan gigantesca comparada con ese tamaño que no notamos que existan “niveles energéticos” alrededor del Sol.
Y ahí está la segunda razón de la importancia del modelo de Bohr: de acuerdo con el genial danés, todas las reglas de nuestra intuición, las leyes de la mecánica que podemos entender, son absolutamente inútiles al tratar con cosas del tamaño de un átomo. La mecánica clásica no sirve para nada allí, hay que elaborar una mecánica nueva que tenga en cuenta la cuantización de la energía: hay que crear una mecánica cuántica, basada únicamente en modelos teóricos respaldados por la experimentación. Ésta es la primera mención del nombre que tantos escalofríos sigue causando a los estudiantes de física, y Bohr era perfectamente consciente de que su modelo era sólo un parche — había que crear esa mecánica cuántica, y él ayudo enormemente a su creación, aunque fueran otros los verdaderos artífices del aparato teórico posterior. Sin él nunca se hubiera desarrollado.


Niels Henrik David Bohr.

Desde luego, de acuerdo con Bohr, las leyes de esa mecánica cuántica deben siempre corresponderse con la mecánica clásica cuando las magnitudes se hacen suficientemente grandes (como en el caso de la Tierra), algo que se conoce como principio de correspondencia. Claro, si una ley cuántica predijese que un objeto de 10 kilogramos no se comporta como sabemos que lo hace (porque objetos así sí podemos verlos y nuestra mecánica anterior funciona para ellos), esa ley probablemente sería errónea.
De modo que lo que propone Bohr es crear una mecánica nueva que sea una generalización de la antigua: que funcione cuando aquélla funcionaba, pero que funcione también cuando la antigua no lo hace. Algo parecido a la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, que se ajusta perfectamente a la cinemática clásica cuando las velocidades son muy bajas.

Además del principio de correspondencia, Niels Bohr propuso otro principio aún más interesante y mucho más revolucionario, el principio de complementariedad: puesto que nuestra intuición no es aplicable a estos sistemas tan alejados de nuestra experiencia, es posible que algunas de las conclusiones que extraigamos de los experimentos nos parezcan contradictorias, pero esto no se debe a que las conclusiones sean falsas, sino a que los conceptos que utilizamos para tratar de entenderlas no son los adecuados.

Por ejemplo, ¿por qué el electrón que está a una determinada distancia del átomo no puede acercarse “un poquito” y perder “un poquito” de energía? ¿Por qué tiene que caer un escalón entero? ¿Qué impide que haya energías intermedias? ¿No debería haber algún tipo de barrera que “pare” al electrón, si no puede estar ahí?
Todas esas preguntas se basan en una suposición previa de la que a veces no somos conscientes porque es intuitiva (“salvo que nada lo impida, algo puede tener cualquier valor de energía y estar a cualquier distancia del núcleo“) que no tiene base alguna. El problema no está en cómo es el Universo – el Universo es como es. El problema está en que nuestro cerebro piensa de maneras que no se corresponden con el Universo, sino sólo con un conjunto de situaciones muy concretas que son el entorno en el que se ha desarrollado.
Pero hay otros muchos casos de aplicación del principio de complementariedad, y el más claro y famoso de ellos nos llevará en el próximo artículo de la serie al asunto que ya anunciamos en la anterior entrada: la hipótesis de Louis de Broglie.

http://eltamiz.com/2007/11/12/cuantica-sin-formulas-el-atomo-de-bohr/