Teoría cuántica

Teoría cuántica. Problemas precursores. Límites de la física clásica para resolverlos. Fenómenos que corroboran la teoría cuántica.

(Artículo de Física Tabú, Tema 30 OPOSICIÓN FYQ)

En este tema veremos los problemas que quedaban por resolver en la física del siglo XIX y cuya solución dio comienzo a una de las teorías más revolucionarias que se han visto: la mecánica cuántica.

Para ello, primero repasaremos el estado de las teorías en tal momento y, posteriormente, las soluciones aportadas y los físicos que las desarrollaron.

 

Problemas precursores y limitaciones de la física clásica.

A finales del siglo XIX los físicos creían que la física estaba completada, y que el trabajo de generaciones venideras «se hallaba en la sexta cifra decimal», en el sentido de que quedaba era mejorar la precisión.

Tal creencia se derivaba de que la física se había construido sobre lo que parecían tres pilares sólidos: la mecánica, el electromagnetismo y la termodinámica. Incluso la termodinámica parecía poder derivarse aplicando las leyes de la mecánica a los sistemas supuesta su composición de corpúsculos (teoría cinética).

Aun así los físicos sabían que no todo estaba resuelto. Como atestiguan las palabras de Lord Kelvin, quedaban «dos nubes sobre el horizonte» por despejar: determinar las propiedades del éter (supuesto medio material necesario como soporte para las ondas electromagnéticas) y entender cómo aplicar la teoría cinética para obtener los calores específicos de gases y sólidos, pues hasta entonces fallaba.

La solución al primer problema vino en forma de la teoría de la relatividad especial, que encontraba que la velocidad de la luz era la misma para todos los observadores inerciales, algo que ya cumplían las leyes del electromagnetismo, por lo que hubo que reformular la mecánica. Y la solución al segundo problema dio lugar a la teoría cuántica, que podemos resumir en que en ciertos sistemas los intercambios energéticos están cuantizados.

De hecho, el segundo problema afloraba de otras maneras.

 

Problema de la radiación del cuerpo negro.

Un cuerpo negro es un objeto que idealmente absorbe toda la energía radiante que incide sobre él. Tal nombre fue acuñado por Gustav Kirchhoff, cuya propia ley establece que si un cuerpo es un buen absorbente de energía también es un buen emisor y viceversa. Es decir, un cuerpo negro no solo es un absorbente perfecto sino también un emisor ideal.

La teoría clásica fallaba al describir la curva de radiación emitida por un objeto a cierta temperatura, dando una emisión infinita a longitudes de onda pequeñas (altas frecuencias).

Una manera práctica de obtenerlo es realizar un orificio en una cavidad cuyas paredes estén recubiertas de espejos perfectamente reflectantes. La radiación queda recluida en el interior (ya que si el orificio es pequeño es difícil que la luz vuelva a escapar). De hecho, este es el motivo por el que desde la calle vemos las ventanas de los edificios oscuras, pese a ser transparentes.

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José Adrián Castelo Martínez.

Graduado en Física por la Universidad de Murcia.

Profesor de física y química en el IES Izpisúa Belmonte, Hellín (Albacete).