Una mirada en profundidad a la teoría cuántica de Max Planck

En la base de la física moderna hay algo llamado teoría cuántica. Explica el comportamiento de la energía y la materia en diferentes niveles atómicos -atómicos y subatómicos-. La teoría cuántica abarca el funcionamiento de los reinos de la física comúnmente conocidos como física cuántica y mecánica cuántica y ofrece una mirada bastante interesante a los fundamentos de la física moderna.

Los inicios de la teoría cuántica

La teoría cuántica fue presentada por primera vez al público en general en el año 1900, por un físico llamado Max Planck. Presentó la teoría ante la Sociedad Alemana de Física, concretamente presentando los resultados de un experimento que había realizado investigando el color de la radiación de los cuerpos brillantes (no de los cuerpos humanos, sino de los cuerpos físicos).

En el experimento, descubrió que si suponía que la energía existía en unidades individuales similares a la materia, encontraría la respuesta a la pregunta original planteada en su experimento. Pensar en la energía de esta manera era nuevo y permitía cuantificar fácilmente la energía. Estas unidades de energía que pudo cuantificar fueron denominadas por Planck como cuantos en sus escritos sobre el experimento y posteriores ecuaciones matemáticas.

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La ecuación que constituyó los inicios de la teoría cuántica demostró que, a determinados niveles de temperatura, la energía que se desprendía de un cuerpo incandescente existiría en diferentes zonas del espectro de color, o longitud de onda. En un principio, Planck imaginó que su descubrimiento de los cuantos pondría en marcha la creación de una nueva teoría, pero lo que en realidad acabó ocurriendo fue que reescribió por completo la comprensión de la humanidad sobre las leyes de la naturaleza.

Funciones de onda del electrón en un átomo de hidrógeno a diferentes niveles de energía. La mecánica cuántica no puede predecir la ubicación exacta de una partícula en el espacio, sólo la probabilidad de encontrarla en diferentes lugares. Fuente: PoorLeno/Wikimedia

En 1918, Planck ganó el Premio Nobel por su descubrimiento e investigación sobre los cuantos. Sin embargo, es importante señalar que, si bien la investigación de Planck sentó las bases de la teoría cuántica moderna, decenas o cientos de otros científicos trabajaron en los años anteriores para que Planck hiciera este descubrimiento justo en el momento en que lo hizo. Observando la línea de tiempo, podemos ver cómo progresó la teoría después del descubrimiento.

La línea de tiempo del desarrollo de la teoría cuántica

1900: Planck hace el descubrimiento inicial, o más bien la suposición, de que la energía estaba formada por unidades llamadas cuantos.

1905: Albert Einstein teoriza que la energía y la radiación podrían cuantificarse de la misma manera que Planck había teorizado sobre los cuantos.

1924: Louis de Broglie propuso por primera vez que no había diferencia entre energía y partículas en su teoría de la dualidad onda-partícula, demostrada también en el famoso experimento de la doble rendija.

1927: Un científico llamado Werner Heisenberg teorizó que la medición de dos valores complementarios al mismo tiempo, como la posición y el momento de una determinada partícula subatómica, sería imposible. Esto contrasta fuertemente con la física tradicional y se conoció como el principio de incertidumbre.

Ahora que hemos echado un vistazo a la línea de tiempo del desarrollo de la teoría cuántica, echemos un vistazo más de cerca a quién era exactamente Max Planck.

¿Quién era Max Planck?

Nacido en abril de 1858, Max Karl Ernst Ludwig Planck (vaya nombre) fue un físico teórico creador de la teoría cuántica que, como hemos comentado, le valió el Premio Nobel de Física en 1918. A lo largo de su vida realizó importantes contribuciones al campo de la física teórica, pero la teoría cuántica sigue siendo su mayor logro.

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La teoría cuántica de la mano de Planck revolucionó por completo nuestra comprensión y conceptualización de las partículas y procesos cuánticos. Podría equipararse en gravedad de la teoría de la relatividad de Alber Einstein que cambió nuestra comprensión del espacio y el tiempo.

El doctor Planck en su escritorio. Fuente: George Grantham Bain/Dominio Público

Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad ejemplifican los fundamentos de toda la física de 1900, obligando a los investigadores a replantearse la forma de abordar el mundo que les rodea.

Planck falleció a los 89 años de edad en 1947 en Alemania.

Interpretación de la teoría cuántica

Los principales métodos de interpretación de la teoría cuántica se conocen como la interpretación de Copenhague y la teoría de los muchos mundos. La teoría de Copenhague propone que una partícula es lo que se mide. En otras palabras, si se mide una partícula como una onda, es una onda. Sin embargo, también afirma que no se puede suponer que tenga ninguna propiedad específica o que exista hasta que se mida. Es una forma de insistir en que la realidad física no existe hasta que la observas. Esto nos lleva a la idea de superposición, que significa que cualquier partícula u objeto puede estar en cualquier número de lugares potenciales a la vez durante el período en que no conocemos su posición, o no lo estamos observando.

El famoso experimento mental del Gato de Schrodinger es la ejemplificación perfecta de esta interpretación de la teoría cuántica.

La teoría de los muchos mundos o teoría del multiverso. Esta afirma que en cuanto se produce el potencial de existencia de un objeto, el universo se divide en una serie de universos paralelos en los que existen ambos estados de ese objeto. Esta teoría es la base de programas de televisión como Rick y Morty u otras historias populares de ciencia ficción, pero al fin y al cabo es una interpretación muy real de la teoría cuántica.

Tanto Stephen Hawking como Richard Feynman expresaron que preferían el estilo de interpretación de la teoría del multiverso.

A fin de cuentas, la teoría cuántica y la investigación de Planck han influido drásticamente en el trabajo de los físicos e investigadores de los últimos 100 años. Sin embargo, las implicaciones de la teoría cuántica pueden ser un poco alucinantes, e incluso hicieron que el propio Planck se resistiera a ellas durante su época. Sin embargo, los principios fundamentales de la teoría siguen repitiéndose y probándose a través de la experimentación posterior. La física, en muchos sentidos, todavía se desarrollará en el próximo siglo, pero los fundamentos de la teoría cuántica establecidos por Max Planck probablemente estén aquí para quedarse.

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