A finales de los 1800 la electricidad se convertía en un servicio cada vez más ubicuo. Antes de llegar a los hogares, la iluminación de calles y espacios públicos se volvía común en ciudades de Europa y Estados Unidos. Esto era posible gracias al bombillo incandescente, un aparato que calienta un filamento hasta producir luz. Era sencillo y común, casi inocente, pero que en su naturaleza escondía el principio de una revolución que iba cambiar el entendimiento humano sobre los componentes más fundamentales del cosmos.
El bombillo es una maravilla de la ingeniería que aprovecha el brillo de los materiales al calentarse. Cuando un material aumenta su temperatura, emite radiación, parte de la cual es captada por nuestros ojos como luz visible. Entre más se calienta, su color va cambiando gradualmente de rojo, a naranja, a blanco, luego azul y luego a violeta. En esa época todo lo que se sabía sobre la emisión de luz indicaba, al menos matemáticamente, que la cantidad de energía irradiada no tenía límite y que debía continuar aumentando hasta infinito. Pero eso no es lo que sucede. La cantidad de energía cae estrepitosamente después del violeta y nadie lo podía entender ni explicar. Por eso los físicos le llamaron a este misterio “la catástrofe ultravioleta”.
En ese entonces, Max Planck se encontraba estudiando física en Alemania. Era un experto en termodinámica y se dedicó arduamente a encontrar la explicación a esa incongruencia. Después de cinco años, y casi a punto de darse por vencido, optó por postular una herejía: la emisión de energía no es continua, sino que viene en pedacitos discretos. Era una idea sacada de la manga y no le gustaba, pero solo así lograba que la matemática concordara con las observaciones. Le llamó a estos pedacitos de energía “cuantos” y cada cuanto de energía (E) es proporcional a la frecuencia (f) de la radiación por una constante (h):
E = hf
Esa ecuación, presentada el 14 de diciembre de 1900, sacudió al mundo. Es el inicio de la Teoría Cuántica.
La tradición científica había considerado por siglos la luz como una onda, que se propaga igual que las olas en el agua. Esto además se había confirmado ya en múltiples experimentos. Planck ahora proponía algo que era casi una blasfemia: la luz no era una onda, sino pedacitos o partículas. Era de esperarse la resistencia de sus colegas en aceptar tal disparate. Incluso Plank admitía sentirse sumamente incómodo con esa explicación.
Pero pocos años después un científico danés, Niels Bohr, utilizó la idea de Planck para resolver otro misterio: la naturaleza del átomo de hidrógeno. Con los cuantos de energía de luz, la matemática concordaba con la realidad y explicaba por qué los electrones no chocan eventualmente con el núcleo en un átomo. Y por si eso era poco, con la misma idea del cuanto, Albert Einstein finalmente logró aclarar por qué algunos materiales producen electricidad cuando entran en contacto con luz de ciertas frecuencias (el fundamento de los paneles solares).
La Teoría Cuántica había llegado para quedarse y Max Planck recibiría el premio Nobel de Física en 1919.
Entonces, ¿qué es la luz?, ¿una onda o una partícula? Nadie lo sabe. En algunos experimentos se comporta como partícula y en otros como onda. A este extraño comportamiento se le llama “dualidad onda-partícula”. Lo más increíble es que unos años después otro premio Nobel fue entregado por postular que esta dualidad también existe para la materia. Lo tangible, todo lo que podemos tocar y sentir, también puede comportarse matemáticamente como una onda. Y cuando los experimentos confirmaron esto, se desató el caos. Ya nadie entendía cómo funcionaba la naturaleza y había que replantear hasta las nociones más básicas de la física.
Lo que salió de toda esta locura es una de las teorías más extrañas, confusas e inexplicables jamás concebidas. Un prestigioso científico lo resumió así: “si crees que entiendes la física cuántica, entonces no entiendes la física cuántica”. Pero al poco tiempo surgió alguien que publicó una fórmula para intentar calmar la confusión. Sobre esa famosa ecuación y sus desconcertantes implicaciones hablaremos la próxima semana.
(Para ver el experimento más famoso que comprueba que la materia puede comportarse como una onda, visite el sitio web: http://52ecuaciones.xyz).
Ingeniero Aeroespacial
salvadoreño, radicado en Holanda
cornejo@52ecuaciones.xyz