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los

GrÁNulos dEl muNdo

f í s i c a y u N i v E r s o

boHr y einstein. nieLs boHr (izquierda, 1885-1962) y aLbert einstein (1879-1955). eins-tein es famoso por su teoría de La reLatividad, pero su idea más revoLucionaria (según su propia opinión) fue La “cuantización” de La Luz. fue eL primero en avanzar La Hipótesis de que La radiación eLectromagnética y La energía no son unos fLujos continuos, sino que vienen por “paquetes” discretos, Los cuantos. boHr intuyó La arquitectura interna de Los átomos, una estructura que encaja perfectamente con La teoría de einstein. en eL “átomo de boHr” Los eLectrones ocupan unas órbitas específi-cas aLrededor deL núcLeo, y se despLazan de una a otra por saLtos discretos de energía.

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Por micHElE

cataNZaro

La luz que irrumpe desde una ventana

en una habitación oscura parece

un chorro de agua. Una manzana que cae de un árbol adquiere más y

más energía, de forma progresiva,

sin acelerar de golpe. Un cuerpo tendido en la playa se calienta cada vez más, de manera constante. éstas, como casi todas las experiencias del día a día, se caracterizan por ser “continuas”: la luz no se mueve por etapas, la velocidad de caída no aumenta por saltos, un cuerpo expuesto al sol se calienta poco a poco. El sentido común lo asegura. Pero el sentido común no es más que “el conjunto de todos los prejuicios adquiridos antes de los dieciocho años”, según palabras del mismísimo Albert Einstein. Fiel a su independencia, el científico fue capaz de liberarse de la ilusión de continuidad que afecta a todo el mundo. Así, descubrió que el universo, en su estructura más intima, está hecho de gránulos indivisibles, los cuantos. Y es que resulta que

un chorro de luz está hecho de diminutas partículas y los cuerpos adquieren energía por imperceptibles “clics”.“He reflexionado cien veces más sobre la teoría cuántica que sobre la teoría de la relatividad general”, confesó el científico. De hecho, es muy difícil imaginar un mundo fragmentado en minúsculas unidades, o concebir que la luz, el calor y la energía se pueden dar y tomar sólo en paquetes indivisibles.

¿Pero por qué nadie se entera de estas discontinuidades? La respuesta es que los gránulos de energía son tan pequeños que es imposible detectarlos a simple vista. Cada cuanto de luz visible tiene sólo una billonésima parte de la energía del batido del ala de una mosca. Una vela emite alrededor de mil trillones de cuantos por segundo: demasiados para que los ojos los detecten. Sin embargo, a principios del siglo XX, un grupo de científicos, entre los cuales destacaba Einstein, fueron capaces de percatarse de esta realidad oculta.

EL MISTERIO DEL CUERPO NEgRO

A finales del siglo XIX, los físicos recogían los frutos de una potente teoría que había unificado electricidad, magnetismo y óptica en un único marco: el electromagnetismo. Según este modelo, la luz visible no era otra cosa que una

onda, una fracción del enorme espectro de las radiaciones electromagnéticas. Este descubrimiento había propulsado un enorme desarrollo tecnológico de cuyas fuentes bebemos todavía hoy. Sin embargo, no todos los problemas quedaban claros. Algunos científicos —muy pocos, en realidad— se encaraban con un problema que ni el electromagnetismo, ni la otra gran teoría de la época, la termodinámica, conseguía esclarecer: la radiación de un “cuerpo negro”.Un “cuerpo negro” es una cavidad herméticamente cerrada, con una radiación que rebota en su interior, absorbida y emitida por las paredes, en un intercambio continuo de energía entre las paredes y la propia radiación. Los científicos no conseguían desarrollar una teoría que explicara las especiales características de este fenómeno. El problema no era del todo académico: la industria alemana del alumbrado estaba muy interesada en conocer las propiedades de la radiación electromagnética, para diseñar lámparas eléctricas más eficientes.En 1900, el físico alemán Max Planck propuso finalmente una ley física que encajaba con los datos experimentales sobre las cavidades. Sin embargo, la ley se aguantaba sólo si se admitía una hipótesis: que las paredes de la cavidad no tienen una energía que sube y baja de manera continua, sino por saltos.

l o s G r Á N u l o s d E l m u N d o

El muNdo No Es liso. su Estructura mÁs íNtima Es GraNulada, EstÁ HEcHa dE uNidadEs iNdivisiblEs

30 En concreto, por cantidades múltiples de una constante, bautizada como “constante de Planck” y simbolizada con una h. De entrada, tanto Planck como los otros físicos no se fijaron demasiado en esta hipótesis, que consideraban un artificio matemático necesario para hacer cuadrar las cuentas. Sólo años más tarde, los científicos entendieron que se acababa de descubrir una constante universal. Es decir, uno de esos números —como la velocidad de la luz o la constante de gravitación de Newton— que no salen de ninguna otra ley, sino de la propia naturaleza.

UN UNIVERSO MINÚSCULO Y PULSÁTIL

Las cosas empezaron a cambiar en 1905. En ese año, un humilde inspector de una oficina de patentes suiza publicó cinco artículos que revolucionaron la física contemporánea. Ese empleado se llamaba Albert Einstein y el 1905 fue su annus mirabilis. El más famoso de esos artículos es el que sentó las bases de la relatividad. Sin embargo, el que Einstein consideraba más original era el primero. En ese trabajo, el genio retomó el problema del cuerpo negro y lo solucionó con una hipótesis revolucionaria: la radiación se comportaba como si fuese un gas formado por partículas. Por primera vez, se suponía que algo que hasta entonces se consideraba como una onda continua estaba hecho en realidad de gránulos. Nacía la idea de los “cuantos de luz”.En 1906, Einstein completó el cuadro, revelando que las paredes de la cavidad absorbían

y emitían la energía por cuantos, es decir, en cantidades discretas e indivisibles. Esto pasaba porque cada uno de sus átomos absorbía y emitía energía de manera discontinua. También la energía de los átomos, como la de la luz, estaba repartida en cuantos, unidades indivisibles. Las ideas de Einstein tardaron en convencer a los científicos. Incluso el propio Planck, amigo de Einstein, se refirió a una de sus publicaciones con estas palabras: “No hay que tomar en serio este trabajo, es basura”. Pero, otros investigadores planteaban teorías que encajaban con la suya. En 1913, el físico danés Niels Bohr revolucionó la imagen que hasta entonces se tenía de los átomos, como unos pequeños “sistemas solares”, constituidos por núcleos rodeados de electrones. Bohr afirmaba que, en cada átomo, los electrones sólo podían adoptar ciertas órbitas. Por esta razón, cada tipo de átomo absorbía sólo ciertas frecuencias de la luz: sus electrones absorbían sólo la energía necesaria para saltar de una órbita a otra, entre las permitidas, mientras el resto de la luz no interactuaba con el átomo. Como en la teoría de Einstein, la energía de los átomos eran cuantizadas.Las confirmaciones experimentales de estas teorías no tardaron en llegar. El modelo de Bohr explicaba perfectamente el comportamiento del átomo de hidrógeno. La teoría de Einstein aclaraba cómo los sólidos absorben el calor, encajando perfectamente con las medidas hechas desde hace más de veinte años, que los otros modelos no conseguían explicar. En 1917,

f í s i c a y u N i v E r s o

retrato Histórico deL físico aLemán max pLanck (1858-1947). sin ser pLenamente conscien-te de eLLo, pLanck fue un pionero de La teoría cuántica. en un artícuLo de 1900 describió La radiación de una “cavidad”, o “cuerpo negro”, como aLgo que se emitía y absorbía por paque-tes discretos de energía. aL principio, pLanck pensaba que esta representación era una artifi-cio matemático de su teoría, que no respondía a La reaLidad. pero tras Los estudios de einstein (1905) y de boHr (1913) Los científicos ad-mitieron que esa era La manera de funcionar de La naturaLeza a niveL microscópico.

LO QUE SE HABíA CONSIDERADO

UNA ONDA CONTINUA

ESTABA HECHO, EN REALIDAD,

DE GRáNULOS. NACíA LA

IDEA DE LOS “CUANTOS

DE LUz”

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l o s G r Á N u l o s d E l m u N d o

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Luz

CUANTOS DE LUZen un mundo cuántico, todos Los procesos ocurren por saLtos. en eL esquema, un átomo absorbe energía en cantidades discretas (cuantos de energía) que Hacen que sus eLectrones se exciten, saLtando de una órbita de menor energía —más interior— a una de mayor energía —más exterior— (saLto cuánti-co). cuando Los eLectrones se desexcitan, Liberan La energía adquirida, también en cantidades discretas son Los cuantos de Luz.

Einstein escribía a un amigo: “Ya no albergo duda alguna acerca de que los cuantos de radiación sean reales, aunque soy la única persona que opina así”. Efectivamente, la mayoría de la comunidad científica se resistía a creer que los cuantos fueran algo más que una hipótesis matemática.

Pero las dudas se disiparon delante de las crecientes evidencias. En 1922, el físico estadounidense Arthur Crompton extrajo conclusiones irrefutables mientras estudiaba la dispersión de la luz. Algunas propiedades de este fenómeno eran inexplicables asumiendo sencillamente que la luz fuera una onda. Sin embargo, esos comportamientos se aclaraban

si se aceptaba que la luz, además de ser una onda, también estaba compuesta por partículas. Todo apuntaba a que los “cuantos de luz” eran efectivamente unas partículas. En 1926, se le puso el nombre de “fotones”. El círculo se cerró en 1923. Entonces, el físico francés Louis de Broglie tuvo una intuición genial: si la luz, que es una onda, está compuesta a la vez por partículas, ¿es posible que las partículas que conocemos —electrones, protones, etc.—, también lleven asociadas unas ondas? La respuesta es que sí: cada partícula lleva asociada su onda de materia, tal y como los fotones llevan asociadas ondas de luz. Esta teoría se comprobó en la misma década. Los investigadores lanzaron haces

de electrones contra paredes con agujeros, y verificaron que al otro lado se producía la difracción, un fenómeno de interferencia típico de las ondas, que se da cuando, por ejemplo, las olas del mar encuentran un conjunto de rocas en su camino.La teoría cuántica de campos proporcionó una estructura matemática rigurosa a la idea de que un objeto sea a la vez onda y partícula. Sin embargo, es casi imposible crearse una imagen mental intuitiva de este hecho. En 1951, el propio Einstein afirmó: “Estos cincuenta años de reflexión no me han permitido aún responder a la cuestión de qué son los cuantos de luz. Hoy en día hay muchos que creen conocer la respuesta, pero se equivocan”.