Max Planck, el hombre que revolucionó la física con sus cuantos
“Una nueva verdad científica no suele imponerse convenciendo a sus oponentes sino más bien porque sus oponentes desaparecen paulatinamente y son sustituidos por una nueva generación, familiarizada desde el principio con la nueva verdad.” Max Planck
En 1918, el físico alemán Max Planck fue designado por la Academia Sueca como ganador del premio Nobel de física, el reconocimiento más relevante de la humanidad.
Planck tenía 60 años de edad y habían transcurrido 18 de cuando planteó una idea que modificó la manera de entender el universo y estableció el nacimiento de la física cuántica, destinada a desplazar las leyes de la física clásica.
En 1905, el propio Albert Einstein dio un gran respaldo a la hipótesis de Planck al considerarla como cierta y así avanzar en su Teoría de la Relatividad, el otro paquete de leyes que se aplica al estudiar el funcionamiento del Universo.
La física, quieta
En 1900 muchos físicos estaban convencidos de que no quedaba demasiado por hacer o por descubrir en la física. Las propuestas de Isaac Newton y Galileo Galilei seguían siendo válidas para analizar el funcionamiento del universo, y más allá de algunas inconsistencias e imprecisiones, se consideraba que con el tiempo cada una tendría su explicación. Fue al año en que Planck desarrolló una nueva interpretación de la manera en que se manifiesta la energía que emite la materia.
Es de alta complejidad comprender en profundidad lo que inició Planck. Asimilarlo en la vastedad de su significado. Quizás alcance decir que nunca más el universo volvió a ser el mismo y mucho menos el mundo de los átomos.
Sus trabajos se centraron en interpretar la cantidad de radiación emitida por un cuerpo, cuya medición no se ajustaba a las leyes de la física clásica. A qué se debía la diferencia en los valores registrados en el laboratorio, mínima, casi descartable, pero cierta. Algo no ocurría de la manera en que se pensaba.
Limitado por las leyes de la física clásica, decidió tomar un camino inédito. Planteó, como hipótesis, que la energía que generaba la radicación no se emitía de manera continua sino en porciones, en paquetes.
A cada una de esas porciones las llamó “cuantos” y a partir de trabajar esa idea desarrolló las fórmulas con las cuales pudo justificar la diferencia existente entre la realidad y las predicciones de la física clásica.
Esa palabra, “cuanto”, sirvió para llamar a una nueva manera de considerar la física: la física cuántica. El mundo de lo pequeño y de lo grande se rige desde entonces por esta ciencia.
Planck estableció con precisión la cantidad de energía que libera cada cuanto, la cual se relaciona, de manera directa, con su frecuencia multiplicada por una constante denominada “Constante de Planck” (h), cuyo valor es un cero seguido por otros 34 ceros hasta llegar al primer número distinto.
Como más allá de los resultados favorables obtenidos, su planteo de los cuantos no era factible de ser demostrado, Planck mantuvo sus reservas por años, hasta que otros físicos fueron verificando que estaba en lo cierto. Cuándo se logró verificar que era cierta, Planck se convirtió en una celebridad.
El uso
La Teoría Cuántica se aplica mayormente a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta imprescindible.
La fórmula desarrollada por Planck contiene dos constantes: la que proporciona el número de moléculas en un gramo de materia -el denominado número de Avogadro- y la llamada constante de Planck, de una importancia aún mayor.
La misma establece una igualdad entre la energía y el producto h x, donde ? es la frecuencia de vibración de una radiación y h la constante de Planck.
En 1905 Albert Einstein buscaba explicar el efecto fotoeléctrico, que es la emisión de electrones que realiza un material al incidir sobre él una radiación electromagnética. Para destrabar y avanzar en sus cálculos, dio por cierta la hipótesis de Planck y asumió que esa radiación estaba formada por paquetes de energía. Que la luz no era continua sino un “número finito de cuantos de energía”.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta. Einstein explicó este fenómeno en 1905, en el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, por el cual también recibiría el Nobel.
En 1918 la Academia Sueca de las Ciencias reconoció a Planck por sus “investigaciones revolucionarias sobre la teoría cuántica”, y a su constante “como un factor de proporcionalidad que describe una propiedad hasta entonces desconocida de la materia”.
Planck permitió descubrir un Universo totalmente diferente. La física perdió toda tranquilidad. Planteos posteriores, como el Principio de Incertidumbre de Heisenberg o la dualidad onda-corpúsculo, abrieron más y más ese campo. Einstein y su Teoría de la Relatividad terminaron por armar el nuevo escenario de la física.
Más allá de los alcances científicos, la mecánica cuántica resultó vital en ámbitos como la electrónica (en el diseño de transistores, microprocesadores y componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales (semiconductores y superconductores), en la de altas energías, en la instrumentación médica (láseres, tomógrafos), en la criptografía y la computación y en la Cosmología del Universo temprano. Nada de lo que hoy es sería, si no fuera por este hallazgo.
Los dados de Dios
Pero la mecánica cuántica trajo también muchos desafíos. Una de las consecuencias del funcionamiento cuántico del mundo atómico es la aparición del Principio de Incertidumbre. La certeza de que en el mundo atómico y subatómico el movimiento de los electrones y de otras partículas no es predecible y que además ciertos comportamientos responden al azar.
Esto causó espanto en los cultores de la física clásica, para la cual el Universo y cada una de sus partes funcionaban con una completa y calculable armonía.
La complejidad del mundo atómico quedó graficada por el físico Werner Heisenberg (1901-1976), cuando explica que los electrones “no existen siempre”, sino sólo cuando interaccionan con alguna cosa. “Cuando nada los perturba no están en ningún lugar concreto. Su forma de ser se verifica con un salto cuántico, de una órbita a otra. Antes, no están en ningún lugar”. A ésto debe agregarse que ese salto es imprevisible y azaroso. “Sólo se puede tener una idea probable de cuándo puede ocurrir”.
Einstein renegaba de la probabilidad planteada en la Teoría Cuántica. Sugería que la misma se aceptaba porque esa teoría estaba “incompleta”. Solo había que encontrar “una mejor, carente de esas predicciones probabilistas”. Fue discutiendo esa cuestión que en 1927 acuñó su famosa frase: “Dios no juega a los dados con el Universo”, convencido que todo lo que existe tiene que responder a un orden y a un cálculo.
Stephen Hawking (1942-2018), otro científico de peso diría, años más tarde, que Dios no sólo juega a los dados sino que, además, muchas veces los arroja en lugares dónde no se los puede ver.
Hasta el último día de su vida, Einstein buscó unificar o relacionar la Teoría Cuántica y la de la Relatividad. Hasta ahora ambas siguen sus vidas de manera independientes. Cada cual verificada en cada nuevo descubrimiento, cada una tan cierta como la otra.
La otra vida
La vida de físicos tan renombrados como Planck lleva, de manera casi inevitable, a ignorar o desconocer su vida mundana, real y accesible.
En este sentido, Planck fue un hombre muy sufrido, que supo sobrellevar duros golpes personales.
En 1909 falleció su mujer, Marie Merck, de 24 años de edad. En 1916, en la batalla de Verdún, la más larga y sangrienta de la Primera Guerra Mundial, murió su hijo mayor.
Entre 1917 y 1919 murieron sus dos hijas gemelas, fruto de su segundo matrimonio con Marga von Hösslin.
En 1944 fue arrestado su hijo Erwin, acusado de haber participado en un fallido atentado contra Adolf Hitler, y condenado a muerte.
Max Planck suplicó a Hitler que el pueblo alemán le agradeciera el trabajo de toda su vida con la misericordia por su hijo. El 23 de enero de 1945 Erwin fue ahorcado en la prisión de Plötzensee.
Max escribió: “Mi dolor no se puede expresar con palabras. Solo estoy luchando por lograr tener la fuerza para hacer que mi vida futura tenga sentido a través del trabajo concienzudo”.
Eso hizo hasta el final de sus días. El 3 de octubre de 1947, viviendo en Gotinga, luego de que los bombardeos aliados destruyeran su casa de Berlín, su corazón se detuvo. Vivió 89 años.
Las unidades de Dios (o de Planck)
En 1899, anterior su teoría de los cuantos, Planck dio a conocer un conjunto de unidades que llevan su nombre y sirven para medir magnitudes fundamentales del Universo: tiempo, longitud, masa, carga eléctrica y temperatura.
Los físicos suelen referirse a las mismas como “las unidades de Dios”, porque eliminan cualquier arbitrariedad por parte del hombre al utilizar para ciertos cálculos constantes de la naturaleza.
Hace unas semanas, la Conferencia General de Pesos y Medidas celebrada en Versalles, aprobó redefinir el kilogramo. A partir del año que viene, esa unidad de masa no será un objeto físico, sino un valor derivado de utilizar la constante de Planck.
Esta nueva definición del kilogramo fue posible porque la tecnología ha permitido crear la denominada balanza de Watt, que permite calibrar patrones del kilo a partir de esa constante.
La estrella de Planck, en el interior
de un agujero negro.
Un agujero negro es una región finita del espacio, el estado final en la vida de una estrella. Es negro porque en su interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada y densa como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Por eso no se la puede ver, aunque sí sentir su presencia.
Sin embargo, son capaces de emitir radiación, situación conjeturada por Stephen Hawking.
Buscando explicar esta situación, este año algunos físicos han propuesto como posible respuesta la existencia de las denominadas “estrellas de Planck” dentro de esos agujeros.
Podría ser que la materia colapse hasta la llamada densidad de Planck (un 5 con 96 ceros detrás / kilogramos por cada metro cúbico de materia) y a partir de allí sostenerse sin colapsar más. Según esta hipótesis, un agujero negro podría terminar siendo una “estrella de Planck”, del tamaño de una billonésima de metro. En ese momento, su densidad sería del orden de la densidad de Planck.
Un encuentro en el congreso Solvay
Ernest Solvay comenzó a realizar, en 1911, congresos para reunir a los más grandes científicos de la época. Estos encuentros, que llevan el nombre de su fundador, se siguen realizando en la actualidad.
El más famoso de todos estos encuentros se celebró en octubre de 1927, en Bruselas. Diecisiete de los veintinueve asistentes a ese encuentro recibieron, en algún momento, el Premio Nobel. Peter Debye, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born, Léon Brillouin y Niels Bohr fueron algunos de esos participantes.
El tema principal fue la mecánica cuántica, el funcionamiento de electrones y fotones, el principio de incertidumbre, el azar.
La anécdota más famosa de ese encuentro derivó una discusión entre Albert Einstein y Niels Bohr, acerca del Principio de Incertidumbre.
Einstein negó esa postura diciendo a Bohr: “Usted cree en un Dios que juega a los dados con el universo”, a lo que Bohr le contestó: “Einstein, deje de decirle a Dios lo que debe hacer con sus dados”.
La foto de aquel encuentro de 1927 está considerada entre las más importantes jamás tomadas en de la historia.
