Teoria Cuantica

CON SUS investigaciones sobre los espectros atómicos y su planteamiento del problema del cuerpo negro, Kirchhoff preparó el entierro de la física clásica, la basada en las leyes de Newton y Maxwell, y abrió la puerta a una nueva física, la física cuántica, vigente hasta nuestros días.

La teoría cuántica avanza en saltos bien definidos y en treinta años se convierte en la firme base de la física moderna. Con su ayuda podemos contestar a preguntas tan variadas como ¿por qué hay algunos materiales que son conductores y otros que son aislantes?, o ¿podría haber en la Tierra una montaña muchísimo más alta que el Monte Everest?, así como otras muchas que nos explican el comportamiento de la materia en bulto; también podemos abordar cuestiones más fundamentales, que van desde las reacciones químicas hasta aquellas que tienen lugar en el Sol y lo proveen de energía, o llegar a entender la constitución del núcleo de los átomos, o incluso formular una imagen de los entes más fundamentales, las llamadas partículas elementales.

Los saltos cruciales para establecer la física cuántica se debieron al trabajo de un puñado de científicos. Max Planck, en la Navidad de 1900, propuso la existencia del "cuanto" para resolver la catástrofe ultravioleta; vino luego Einstein, quien en 1905 (el mismo año en que postuló el principio de relatividad y entendió el movimiento browniano) explicó el efecto fotoeléctrico, para lo cual supuso que la luz está formada por corpúsculos, que se llaman fotones; Niels Bohr, físico danés cuyo centenario celebramos en 1985 aplicó en 1913 las ideas cuánticas para entender el espectro del átomo de hidrógeno, en particular la serie de Balmer; el físico y noble francés Louis de Broglie propuso en 1923 que a toda partícula debe asociarse una onda, cuya longitud de onda es inversamente proporcional a su velocidad; finalmente, en 1924, Erwin Schrödinger, austriaco, desarrolló la mecánica ondulatoria y estableció su ecuación, y Werner Heisenberg, alemán, creó la llamada mecánica de matrices y postuló el fundamental principio de incertidumbre. Con la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, sugerida por Max Born, la formulación del principio de exclusión por Wolfgang Pauli en 1925, y los intentos de Dirac para unir la nueva mecánica con la teoría especial de la relatividad, la concepción cuántica de la naturaleza quedaría esencialmente completa y lista para ser aplicada a una casi inimaginable variedad de fenómenos. Veamos ahora en detalle la historia de estos saltos cuánticos, empezando por el principio.

EN VARIAS ocasiones hemos mencionado la legislación de la física clásica, formada por las leyes de Newton y de Maxwell. Estas ocho leyes —las tres que rigen el movimiento de una partícula y la ley de gravitación universal así como las leyes de Coulomb, Ampère, Faraday y la que postula la inexistencia del monopolo magnético— constituyen, en principio, un conjunto completo de reglas para entender el comportamiento de los cuerpos materiales. Sin embargo, un selecto grupo de ingenieros, químicos y físicos, allá por los albores de la Revolución Industrial, se dio cuenta de que al estudiar los procesos que ocurren con la materia en bulto es conveniente trabajar con nuevos conceptos, ajenos a la mecánica clásica de Newton, que tan exitosa había sido al tratar el movimiento de partículas aisladas, como los planetas que giran alrededor del Sol, por ejemplo. Se creó así una nueva ciencia, la termodinámica, que tiene un pie en la química y otro en la física. En poco más de un siglo, quedaron firmemente establecidas sus tres leyes, que son de aplicación muy general.

Las leyes de la termodinámica son tres: la ley cero, la primera y la segunda. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema está en equilibrio con otros dos, estos últimos, a su vez, también están en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura.

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