El legado de Max Planck (*)

Una reciente noticia nos informa que “la mayor revisión del Sistema Internacional de Unidades (SI), desde su instauración en 1960, se aprobará el 16 de noviembre de 2018 en París, en el marco de la Conferencia General de Pesas y Medidas”.

Max Planck, el científico que universalizó la constante “h” mencionada en el párrafo anterior, nació en 1858 en Munich donde estudió en la Facultad de Física. A los 20 años se mudó a Berlín en cuya Universidad recibió las enseñanzas de Helmholtz y Kirchhoff, entre otras eminencias científicas de entonces.

Una de esas unidades es el kilogramo (unidad de masa) que “actualmente está definido por la masa que tiene un cilindro de platino-iridio depositado en el Bureau Internacional de Pesas y Medidas en la ciudad francesa de Sevres”. Este hecho implica que todos los países deben basar la medición en ese único artefacto. “Además de los problemas logísticos que ello conlleva, es imposible determinar su estabilidad temporal.

La nueva definición del kilogramo se basará en la asignación de un valor a la constante de Planck (h= 6,626 070 15 × 10−34 kg m² s-1) y permitirá llevar a cabo su realización práctica con cualquier experimento que vincule la medición de masa con la constante”.

A los 34 años Planck fue nombrado director de la cátedra de Física Teórica y también se dedicó a estudiar el comportamiento del acero expuesto a altas temperaturas. El marco teórico de sus experimentos fue la “radiación del cuerpo negro” y el proceso físico en cuestión trataba de la absorción y la radiación de grandes cantidades de calor.

Un “cuerpo negro” es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de energía se refleja (reflexión) ni pasa a través (refracción) del cuerpo negro. Si absorbe toda la energía con la cual él es irradiado, para no incrementar su temperatura indefinidamente el cuerpo negro deberá, a su vez, irradiarla para mantener el equilibrio térmico. La energía emitida por un cuerpo negro se denomina “radiación del cuerpo negro”.

En los años del joven Planck se aplicaban los principios teóricos de la física clásica para comprender el comportamiento de la radiación de energía (incluida la luz), considerándola como una onda. Las curvas experimentales, para el acero expuesto a muy altas temperaturas, mostraban que la energía irradiada dependía de la temperatura a la que se encontraba, siguiendo la relación: a mayor temperatura, más energía y (esto es muy importante) de menor longitud de onda.

También se interpretaba (teóricamente) que si el color del cuerpo iba transcurriendo, desde el infrarrojo hasta el espectro visible simplemente por calentamiento, el mismo debería volverse indetectable para los ojos humanos al llegar al ultravioleta.

El modo en que la materia intercambia energía, emitiéndola o absorbiéndola, y la relación de las variables participantes, a fines del siglo XIX se expresaban matemáticamente mediante dos leyes: la Ley de Rayleigh-Jeans y la Ley de Wien. Ambas leyes experimentales trataban de explicar el mismo fenómeno, es decir, para un cuerpo a una temperatura dada, cómo varía la cantidad de energía radiada para cada longitud de onda (o el otro parámetro, la frecuencia).

Planck encontró que “la Ley de Wien resulta correcta si la frecuencia de la radiación es alta, pero falla para frecuencias bajas. Por su parte, la de Rayleigh-Jeans da una explicación experimental correcta si la frecuencia de la radiación es baja, pero falla para frecuencias altas”.

Para sortear este dilema científico, Max Planck introdujo un concepto científico genial y totalmente disruptivo.

Postuló que la energía radiante es emitida en pequeñas unidades, a las cuales llamó: cuanto (o cuanta) de acción. Tomó el nombre de “quanta” que en latín corresponde al plural de “quantum”.

Pueden pensarse algunas analogías del concepto introducido por Planck, por ejemplo: si el chorro de agua que sale del grifo representa la energía continua, entonces cada gota representa un “cuanto”(valor discreto); y así mismo: el átomo representa el “cuanto” de materia y el electrón representa el “cuanto” de electricidad.

La ecuación de Planck establece que la energía correspondiente a “un cuanto de energía” se obtiene multiplicando la “frecuencia de la radiación” por la “constante de Planck”. El 14 de diciembre de 1900 Max Planck presentó oficialmente durante una conferencia en la Universidad de Berlín, la “Teoría Cuántica”, la cual no fue aceptada de inmediato por toda la comunidad científica.

Luego, en 1905 Albert Einstein explicará el “efecto fotoeléctrico” aplicando la Teoría Cuántica. Definiendo la partícula de la luz, “el fotón”, y utilizando la constante de Planck para calcular su energía. Este fue uno de los fenómenos explicados a través de la Teoría Cuántica y que dio inicio al desarrollo de una nueva disciplina: la Mecánica Cuántica.

En 1911 Rutherford estableció el modelo planetario del átomo, pensado como un núcleo alrededor del cual giran los electrones describiendo órbitas. Sin embargo, este modelo atómico era desafiado por las “recientes” ecuaciones de Maxwell: una carga eléctrica acelerada debía emitir energía en forma de radiación electromagnética, por tanto el electrón debería perder energía y finalmente estrellarse contra el núcleo.

En 1913 Niels Bohr introduce la Teoría Cuántica y constituye así una etapa superadora del modelo de Rutherford estableciendo que los electrones sólo pueden adoptar órbitas definidas. Es decir los niveles de energía subatómicos están cuantificados.

Planck recibió el Premio Nobel de Física en 1918. Einstein en 1921 y Bohr en 1922.

La Teoría Cuántica es el gran aporte científico que legó a la humanidad Max Planck, un genial científico y pensador, autor de aforismos tales como el siguiente:

“La ciencia no puede resolver el último misterio de la naturaleza. Y eso se debe a que, en última instancia, nosotros mismos somos una parte del misterio que estamos tratando de resolver.”

(*)

Ing. Abraham José

Secretario de Ciencia, Tecnología y Posgrado

Facultad Regional Tierra del Fuego

Universidad Tecnológica Nacional