La física cuántica, cómo surgió
Generalización de la hipótesis cuántica
Ideas tomadas de Arana: Materia Universo Vida.
En 1900 Plank había descubierto (o hipotetizado) que la energía de la luz no se transmitía de forma continua sino en cantidades discretas o “paquetes” a los que llamó cuantos.
Apoyado en esto, Einstein publicó en 1905, unos meses antes de publicar la Teoría Especial de la Relatividad, un paper sobre la naturaleza de la luz, explicando cómo era posible el efecto foto-eléctrico: que la luz hiciera saltar electrones de algunos metales, como si fueran golpeados por partículas.
La naturaleza de la luz es el problema físico más estudiado en la historia. Newton había propuesto una explicación corpuscular de la luz (admitiendo que tiene algo de ondulatorio). Pero en el siglo 19 todos los científicos se fueron convenciendo de que la luz era un onda electromagnética.
Lo que Einstein venía a decir es que la luz se comporta también como si fuera una partícula. Una vez que esto se aceptó. Se fue considerando si además de la luz, esta discontinuidad se aplicaría también al movimiento, en especial al de los electrones dentro de un átomo.
Esto, cuando Plank lo descubrió y en los siguientes años, era algo muy incómodo para los científicos. Pero, sabiendo que luego resultó que todo la física y la química se ha podido explicar con este modelo cuántico o discreto ¿por qué resultaba tan incómodo este descubrimiento para la física de esos años y para su mismo descubridor, Plank? Por que “la ciencia moderna, desde el descubrimiento del cálculo infinitesimal, se basaba en la idea de que todas las relaciones causales son continuas” (Plank 1960). Poincaré, uno de los científicos de más prestigio en su época, escribía en 1912 “Su brillante genio [de Newton] había visto bien (…) que el estado de un sistema móvil, o más generalmente, del universo, solo podía depender de su estado inmediatamente anterior, y que en la naturaleza todas las variaciones deben de hacerse de una manera continua […] Y bien, hoy se discute esta idea fundamental, se pregunta si no hará falta introducir discontinuidades no aparentes sino esenciales en las leyes naturales” (Poincaré 1912).
El problema filosófico de fondo es que la ciencia moderna jamás han tratado de explicar en qué consiste el movimiento, es decir, cómo lo que es de una manera puede llegar a ser de otra. Lo que ha hecho la ciencia de establecer una escala con infinitas gradaciones intermedias entre el punto de partida y el de llegada, de forma que se mantenga lo que siempre fue de la misma manera antes y después del cambio. Pero si la energía y el movimiento se dan “a saltos” ¿qué es lo que permanece en el cambio? Y por tanto ¿sobre qué ecuaciones se apoyarán los físicos sus ecuaciones? Esto es lo que se preguntaba Plank, Poincaré y los científicos de principios del siglo XX.
En 1910 Rutherford descubrió experimentalmente el núcleo atómico y propuso el modelo del átomo como sistema solar: un núcleo siendo circundado por unos electrones que separados. Esto lo hizo aplicando la física newtoniana de movimientos. Pero este modelo no explicaba por qué los electrones no acababan cayendo sobre el núcleo a medida que consumía la energía para girar.
Neil Bohr aplicó los principios de Plank y concluyó que los electrones solo circundan al núcleo en orbitas “permitidas”, discretas, con los niveles de energía discretos. Si el átomo ganaba energía lo electrones pasaban a una órbita más alejada del núcleo; si perdía energía, se acercaba al núcleo. Por primera vez, la física cuántica había sido aplicada a la materia y no solo a los cuantos de ondas electromagnéticas.