De la física clásica a la teoría cuántica.
En los sistemas completos formados por millones de pequeñas partículas, ya sean gases, sólidos o imanes,, son tantos que intentar predecir el comportamiento de de cada uno era algo realmente difícil, hasta que los físicos se dieron cuenta de que podían estudiar el sistema en si mismo, como una sola cosa, sin tener que comprender el comportamiento de sus componentes mas pequeños y así nació, la termodinámica.
La termodinámica en síntesis, explica a detalle lo que pasa con un sistema y su comportamiento, pero es imposible darle sentido físico a muchas de sus entidades como la Temperatura y la Entropía, así, para poder darle sentido a estos conceptos, nació la física estadística
En el primer año del siglo XX El físico Lord Kelvin dio un discurso en donde menciono lo siguiente
"En la claridad y belleza del cielo de la física clásica, hay dos nubes obscuras", dos problemas que la manera genérica de entender el mundo, no había conseguido resolver, en ese entonces Lord Kelvin no lo sabia, pero esas dos nubes serían resueltas con las dos grandes revoluciones que cambiarían la física para siempre; una era el hipotético fluido por el cual se pensaba que se propagaba la luz, era el llamado "Éter", pero si era este real...¿Por que no podíamos detectarlo?, y esta pregunta fue resuelta años después por el físico Albert Einstein (con la relatividad), pero la que veremos, es la otra gran nube...
...se suele decir que esta era "El problema de la Radiación del Cuerpo Negro", pero esto a lo que se refirió el físico-matemático Lord Kelvin era un enigma mas antiguo, era que los físico no sabían como se calentaba el aire que respiramos, en contexto: antes de que el átomo fuera algo irrefutable y aceptado por la comunidad científica, muchos científicos se dieron cuenta que pensar que los gases estaban formados por "partículas individuales", las moléculas, daba excelentes resultados, una de las predicciones de esta teoría molecular era el calor especifico de un Gas Noble, es decir, la cantidad de energía que había que darle para que elevara su temperatura.
Todo esto lo determinaban de la siguiente manera, primero suponías que las moléculas del gas noble eran solo esferas y que estas solo podían moverse de tres maneras: Arriba-Abajo::Izquierda-Derecha::Adelante-Atrás; sin giros ni deformaciones. Pensado así en el gas solo como un conjunto de moléculas golpeándose entre sí, unas a otras, moviéndose solo de estas tres maneras, los físicos pueden calcular el calor específico de este sistema y el resultado, comparado con los datos de los experimentos, era muy bueno, así pasaron al siguiente nivel de dificultad, los gases que conformas el aire que respiramos...
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| (Muelle) |
En al aire hay sustancias como el nitrógeno y el oxígeno, en este caso se pensó en estos gases como moléculas diátomicas, dos átomos iguales enlazado;, por argumentos químicos se sabia que el tamaño de estas moléculas no variaba, por lo que el enlace entre átomos debía realizar una fuerza restauradora, es decir, si lo átomos se acercaban o se separaban mucho, había una fuerza que los volvería a poner en su sitio; esto es básicamente un muelle, básicamente el sistema es un conjunto de muelles en constantes golpes entre sí.
Sin embargo, sus maneras de moverse son mas complejas, pues esta molécula diátomica no solo puede trasladarse en las tres dimensiones del espacio, sino que puede: Rotar sobre dos ejes y vibrar, así al hacer el calculo del calor específico no concordaban con los datos experimentales, y los físicos no sabían como explicar el fenómeno.
Se intentó de todo, quisieron cambiar el muelle por otras cosas como lineas simples y ligas, también pensaron que habían ignorado ciertos movimientos como movimientos aun desconocidos de los átomos, pero con todo esto solo empeoraba los resultados. Así en los experimentos se llegaban a la conclusión de que para que diera correcto (mas o menos), en lugar de añadir, había que quitar movimientos, cosa que no era lógica ya que en un sistema aislado no hay fuerza que impida rotar o vibrar a un átomo.
Otra manera que se pensó es que los movimientos "Vibraciones y Rotaciones" no se llevaran tanta energía como los otros movimientos, lo que mejoraría el resultado, sin embargo esto iba en contra de uno de los resultados mas importantes de la física estadística: "El teorema de equipartición de la energía" que dice que dentro del sistema, todas las maneras de moverse de una partícula, recibe la misma energía en promedio; podrían llevarle la contra al teorema para resolver el enigma, pero tendrías que llevarle la contra a su fundamento: que las moléculas se mueven de la misma manera que hacen los objetos cotidianos de nuestra vida como un auto o un lápiz e incluso los planetas, en pocas palabras, contradecir la base de la física clásica y a Newton mismo.
Así el enigma del calor específico era un todo un rollo en la física del siglo XIX, por que no era cuestion de no tener la capacidad de medir con presisción, o no tener información para hacer cálculos, era un misterio que atacaba a los pilares de las leyes físicas.
Hubo que esperar a que Max Planck (Max Karl Ernest Ludwig Planck fue un físico y matemático alemán considerado como el fundador de la teoría cuántica y galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918) resolviera el enigma con un problema distinto, se encontró con algo crucial, que en veces los sistemas no tiene un rango continuo de energía, sino que el rango es discreto, que solo están permitidos unos valores específicos, es decir que solo se dan en números enteros, puedes tener energía uno o dos, pero no energía 2.67, entonces la energía de vibración y rotación de una molécula se comporta así, solo están ciertas "velocidades" de giro y cierta oscilación, entonces si tu le das la energía para moverse a un nivel 2.67, solo se queda con las 2 unidades y rechaza lo demás los .67.
Esto cambia radicalmente la forma de comportarse de las cosas pequeñas, pues ahora las vibraciones y rotaciones solo pueden adquirir energía en cantidades discretas y la energía sobrante se las da a las demás maneras de moverse, rompiendo con el teorema de equipartición de una manera contundente.
Esta forma de pensar en la energía, no de manera continua sino a "saltos", en "Cuántos", empezó a explicar numeroso resultados experimentales que desconcertaban a la comunidad científica, estaba claro, en las cosas pequeñas estaba a punto de llegar una revolución, pero faltaban experimentos mas desconcertadores (spoiler: tiene algo que ver con unas rendijas), para que la Mecánica Cuántica naciera...
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