Mecánica cuántica. Parte 1 Orígenes

“Creo que puedo afirmar con toda seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”. Así de tajante fue en una ocasión el Premio Nóbel de física Richard Feynman. Y es que ciertamente, esta teoría fundamental no es una herramienta sencilla para los físicos, y mucho menos para las personas que no han dedicado mucho tiempo a estudiarla. No obstante, cualquiera de nosotros puede hacerse una idea general sobre este tema. Y es más sencillo en cualquier caso que el movimiento político de Iñigo Errejón en 2019.

Para acercarse a comprender el funcionamiento último del universo, hay que mirar las dos teorías que explican y describen el movimiento de las partículas, y por tanto de toda la materia y energía que compone el Universo.

El hecho de que las leyes básicas de la materia, o dicho de otra forma: de las partículas, sean las mismas que las de la energía, o dicho de otra manera: el recibo de la luz, se debe a que Einstein demostró que ambas son equivalentes, dado que una se transforma en la otra mediante su archifamosa ecuación E=MC². (La Energía es igual a la Masa por la Velocidad de la Luz al cuadrado). Por tanto las leyes de una valen para otra.

Son dos leyes, (formalmente teorías), y no son otras que la Mecánica cuántica y la Teoría General de la Relatividad. Sin darle más rodeos vamos a empezar con la primera. Muchos son los padres de la mecánica cuántica, y en esta primera parte vamos a ver algunos de los pasos más significativos que dieron origen a esta concepción del mundo.

MAX PLANCK Y LOS CUANTOS

Max Blanck

Todo comenzó en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck se enfrentaba a enormes dificultades para medir la radiación que emiten los cuerpos negros, los cuales son objetos teóricos que absorben toda la radiación que incide sobre ellos y posteriormente la emiten. Un ejemplo cotidiano aproximado sería un metal al rojo vivo, que tras recibir mucho calor comienza a emitir luz roja. Algo parecido a esta luz roja es lo que intentaba medir Max Planck, pero se encontró con que había demasiadas variaciones a nivel microscópico como para calcular la cantidad total con exactitud.

El paso de gigante que dio Planck consistió en considerar que la energía no era emitida como algo continuo, sino que pensó que era mucho más fácil si se imaginaba pequeños paquetes de energía saliendo al exterior. Sería algo así como medir el volumen de un vaso de agua llenándolo de arroz, sabiendo cuanto granos hay y cuanto ocupa cada uno, sabríamos el volumen total más fácilmente que usando el agua para tal fin. Estos pequeños paquetes de energía fueron llamados cuantos, y Planck formuló que el tamaño de ellos contaba con un valor fijo. Este valor se llama ahora Constante de Planck.

Es importante tener en cuenta que esto en aquella época se consideró un afortunado artificio teórico, pero que no se correspondía con la realidad física. Nadie consideraba aún que realmente la energía pudiera estar compuesta por pequeños paquetes.

ALBERT EINSTEIN Y EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

Albert Einstein

Poco después, en 1905, este genio alemán, mientras estudiaba la naturaleza de ciertos metales que emiten electricidad cuando reciben luz, se dio cuenta de que el desarrollo de Planck le servía también a él, llegando a la sorprendente conclusión de que se podía considerar la luz como un conjunto de pequeños paquetes que golpeaban a los electrones y les hacían abandonar el metal. Calculó que la energía de los cuantos de luz (en la actualidad llamados fotones) también se medía a partir de la constante de Planck. Fue gracias a este estudio por el que Einstein recibió el Premio Nóbel, por la descripción del llamado efecto fotoeléctrico, el cual ahora utilizamos en aparatos como placas solares o células fotoeléctricas, siendo el silicio el mejor material fotosensible utilizado.

NIELS BOHR Y EL ÁTOMO

Niels Bohr

Por su parte, el danés Niels Bohr, en el año 1913, encontró otra interesante “coincidencia” en la naturaleza relacionada con la constante de Planck. Se hallaba estudiando la naturaleza del átomo, concretamente del átomo de hidrógeno, por ser el más simple y tratarse de un campo nuevo en su época.

Un átomo de hidrógeno consta de un electrón que gira alrededor de un núcleo compuesto solamente por un protón. Bohr propuso que cada electrón podía orbitar a distintas distancias de su núcleo, dependiendo de lo caliente que se hallara el gas. Pero lo realmente importante era que estas distancias no podían ser cualesquiera, sino que eran proporcionales a múltiplos enteros de la constante de Planck.

Una vez más esa constante, que aún se consideraba un artificio matemático, venía ligada a un fenómeno natural a escala minúscula.

LOUIS DE BROGLIE Y LA DOBLE CONDICIÓN DE LA MATERIA

Luis de Broglie

El siguiente avance esencial vino de mano del francés Louis de Broglie, quien en 1924 expuso su tesis doctoral, en la cual propugnaba que el electrón en movimiento tenía una doble naturaleza: por un lado era una partícula, pero también presentaba las características de una onda. Para ello partió de la explicación cuántica de Einstein sobre la luz y vio que se podía aplicar a cualquier tipo de cuerpo, no sólo a los paquetes o cuantos de luz.

En 1927 se llevó a cabo un experimento cuyo resultado se ajustaba a esta hipótesis. Se comprobó que los electrones experimentan difracción, una característica de las ondas. Este fue el primer paso para comprender que la materia tiene una doble naturaleza: onda y partícula, así como que las ondas presentan también comportamiento de partículas.

Es lo que se llama dualidad onda partícula, y no sólo se da en los electrones y demás partículas subatómicas, se cumple en cualquier cuerpo, desde un balón de fútbol, pasando por una persona o un edificio, y hasta los planetas o el Sol. Lo que ocurre es que la longitud de onda es menor cuanto mayor es el objeto, y por tanto es inapreciable a escala mayor que la de los átomos.