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¿De dónde proviene la teoría cuántica?
No empezó como una idea descabellada, sino que surgió a partir de una bombilla. A principios de la década de 1890, la Oficina
Alemana de Estándares le preguntó a Max Planck cómo se podrían fabricar bombillas más eficientes,
que proporcionasen el máximo de luz consumiendo la menor energía eléctrica posible.
La primera tarea a la que Planck se enfrentó fue predecir cuánta luz emite un filamento.
Sabía que la luz estaba compuesta por ondas electromagnéticas, y que los diferentes colores de la luz se correspondían
con ondas de distintas frecuencias. El problema pasaba por cerciorarse de que se emitía toda la luz posible
como ondas visibles, en lugar de en el ultravioleta o en el infrarrojo.
Trató de calcular cúanta luz de cada color emite un objeto caliente, pero sus predicciones,
basadas en la teoría electromagnética, no concordaban con los experimentos.
Así, en lo que luego definiría como un "acto de desesperación", abandonó la teoría existente
y, en su lugar, partió de los resultados experimentales. Los datos lo condujeron a una nueva regla de la física
una nueva regla de la física: las ondas lumínicas transportan energía únicamente en forma de paquetes. La luz de alta frecuencia
consta de paquetes grandes, mientras que en la luz de baja frecuencia los paquetes de energía
son pequeños.
La idea de que la luz está compuesta por paquetes, o "cuantos", puede sonar descabellada, y así se recibió en la época, pero
Einstein enseguida la relacionó con un problema mucho más conocido: el de compartir.
Si quieres que un niño esté contento... ¡dale una galleta! Pero si hay dos niños, y no tienes
más que una galleta, solo podrás contentarlos a medias. Y si son
cuatro, u ocho, o 1.600.000, no conseguirás hacerlos muy felices
si tienen que compartir una galleta entre todos.
De hecho, si tienes una habitación con un número infinito de niños, pero la cantidad de galletas no es infinita,
y las compartes a partes iguales, cada niño no recibirá más que una migaja infinitesimal, y
ninguno estará demasiado contento, pese a que se habrán comido todas tus galletas.
La diferencia entre las ondas de luz y los niños es que, en la práctica, no puedes meter a un número infinito
de niños en una habitación pero, como hay ondas de luz de todos los tamaños, sí puedes tener ondas
arbitrariamente pequeñas, de manera que puedes meter un número infinito de ellas en una habitación. Y así, las ondas de luz
consumirán todas tus galletas, es decir, tu energía.
En realidad, todas estas ondas infinitesimales juntas tendrían una capacidad infinita de absorción de
energía, y absorberían todo el calor de cualquier cosa que metieses en la habitación. Congelarían
al instante el té de tu taza, o el Sol, o incluso una supernova.
Por suerte, el universo no funciona así, porque, como intuyó Planck, las diminutas ondas
de alta frecuencia solo pueden transportar energía en paquetes enormes. Son como esos niños revoltosos que
solo aceptarán exactamente treinta y siete galletas, o ciento sesenta y dos,
ni más ni menos. Como son tan puntillosas, las revoltosas ondas de alta frecuencia salen perdiendo
y la mayoría de la energía se la llevan los paquetes de baja frecuencia, que están dispuestos a compartirla a partes iguales.
Esta energía media común que llevan los paquetes es en realidad lo que conocemos normalmente como
"temperatura."
Así que una temperatura más alta significa que la energía media es mayor, y por lo tanto, por la regla de Planck,
la frecuencia de la luz emitida es más elevada. Esa es la razón por la que, a medida que un objeto se calienta, primero brilla
en el infrarrojo, luego en rojo, amarillo, blanco —cada vez más caliente—, hasta llegar al azul, el violeta, el ultravioleta,
etcétera.
En particular, la teoría cuántica de Planck de la luz revoltosa nos dice que los filamentos de una bombilla deberían
calentarse a una temperatura de unos 3200 grados Kelvin para asegurarnos de que la mayoría de la luz se emite
como ondas visibles. Si los calentásemos mucho más, empezaríamos a ponernos morenos con la luz ultravioleta.
De hecho, hemos tenido la física cuántica frente a nuestros ojos desde mucho antes de las bombillas
y las camas bronceadoras: los seres humanos llevan miles de años haciendo fuego y, durante todo este tiempo,
llevaba escrito «cuántico» en los colores de sus llamas.