LA TEORÍA CUÁNTICA Y LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD

Por: José Márquez Ceas

MBA, Economista

04 de agosto 2017

Corría el año 1900 cuando el físico-teórico alemán Max Karl Ernst Ludwing Planck (1858-1947), mejor conocido como Max Planck, formuló la Teoría Cuántica que revolucionó la física del siglo XX e influyó en los trabajos teóricos de Albert Einstein (explicación del efecto fotoeléctrico) y de Niels Bohr (modelo del átomo de Bohr). Por su trabajo sobre la Teoría Cuántica Max Planck recibió el Premio Nobel de Física de 1918. Ese mismo honor le fue otorgado a Einstein en 1921, y a Bohr en 1922.

En sus trabajos, Max Planck descubrió la constante universal que fue bautizada con su nombre -la constante de Planck-, simbolizada con la letra ¨h¨, que relaciona la cantidad de energía y la frecuencia de la onda lumínica de una partícula.

El supuesto central de la nueva teoría, conocido como el ¨postulado de Planck¨, establece que la energía electromagnética solo puede ser emitida en forma cuantificada{\ Displaystyle E = h \ nu}, lo que significa que la energía electromagnética es absorbida o emitida en ¨paquetes¨ discretos y discontínuos a los que Planck llamó cuantums (cuantos), de donde se deriva el nombre de la teoría.

Cada cuanto posee una energía intrínseca (E) igual a la frecuencia de la radiación (f) multiplicada por (h) la Constante de Planck, lo que se expresa matemáticamente mediante la siguiente fórmula sencilla:  E = hf.  Dado que la frecuencia f, la longitud de onda Lambda (λ), y la velocidad de la luz c cumplen la ecuación fλ = c, entonces E = hc/λ, que es la Constante de Planck expresada en términos de la velocidad de la luz.

Por otro lado, el efecto fotoeléctrico es un fenómeno que ocurre cuando la luz monocromática incide en una placa metálica con suficiente energía como para permitir a los electrones escaparse de la placa de metal al ser impactados por los fotones de la luz, lo cual observamos en la forma de una chispa que salta. Este fenómeno fue descubierto en 1887 por Henrich Hertz, al observar que el arco de luz que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.

El fotón es la partícula elemental portadora de todas las formas conocidas de radiación electromagnética, como son: rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible (espectro electromagnético), luz infrarroja, microondas, y ondas de radio. El fotón posee una masa invariante cero y viaja en el vacío con una velocidad constante

Posteriormente se demostraría que los fotones poseen una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria, propiedad esencial que fue recogida con el nombre de principio de complementaridad por la Interpretación de Copenhague de la Teoría Cuántica (ICTC), impulsada por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Schrodinger y otros famosos científicos. El otro principio incorporado por la ICTC es el principio de incertidumbre, que establece que a nivel atómico no es posible realizar una medición exacta y sólo se puede lograr una distribución estadística (probabilística) de los eventos.

 Ahora sabemos que si la energía de un fotón supera a la función trabajo, que es la energía mínima que debemos proporcionarle a un electrón para liberarlo de la superficie de un sólido, el electrón es arrancado del sólido. Pero si la energía suministrada está por debajo de la mencionada energía mínima, el electrón no puede escapar de la superficie del material. También, sabemos que aumentando la intensidad del haz de luz no cambia la energía de los fotones, solo cambia su número. Por lo tanto, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones.

El efecto fotoeléctrico fue explicado teóricamente por Albert Einstein en 1905 en su artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basado en el trabajo formulado por Max Planck sobre los cuantos de energía. El efecto fotoeléctrico indica que los fotones luminosos pueden transferir energía a los electrones. En cambio, los rayos X son la transformación en un fotón, de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento.

Einstein introdujo en su Teoría de la Relatividad (especial y general) el concepto de velocidad de la luz, expresado con la letra ¨c¨ -que en números redondos es igual a 300,000 km/segundo- estableciéndose que la velocidad de desplazamiento de la luz es una velocidad límite y constante que no puede ser sobrepasada por ningún otro evento o suceso en el universo.                 

La constante ¨c¨ se introdujo en una serie de consideraciones de dicha Teoría, especialmente en la ecuación que vincula la energía con la masa E = mc2 (energía es igual a la masa ¨m¨ multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz c2), ecuación que permitió, por primera vez, vislumbrar que una ínfima porción de masa podía generar una energía fabulosa, tal como quedó demostrado en la primera prueba atómica realizada en los Álamos, Nuevo México (Julio 1945), y en el bombardeo atómico genocida ordenado en agosto de 1945 por el Presidente Harry Truman de los EE.UU. a las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki, que produjeron 250,000 víctimas directas (hombres, mujeres, niños, y ancianos) sin incluir las muertes por exposición a la radiación que ocurrieron posteriormente.

En noviembre de 1922 la Academia Sueca anunció que el Premio Nobel de Física de 1921 sería otorgado a Albert Einstein por sus aportaciones a la Física Teórica, en especial por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico. Es decir, el Premio Nobel no se le otorgó a Einstein por la Teoría de la Relatividad, sino por el descubrimiento y explicación del efecto fotoeléctrico. Esa fue una decisión que obedeció exclusivamente a razones de tipo político de los que decidían a quien otorgar el premio, y que no vale la pena consignar en este artículo.

Por ello, no resulta ¨casual¨ que en su discurso de aceptación del premio, en julio de 1923, Einstein no mencionara para nada el efecto fotoeléctrico, limitándose más bien a hablar de la Teoría de la Relatividad, que para él era su obra cumbre.

La Teoría Cuántica vino a revolucionar nuestra comprensión de los procesos que ocurren al nivel atómico y subatómico de la materia, así como la Teoría de la Relatividad de Einstein revolucionó nuestro entendimiento del espacio y del tiempo. Ambas teorías, la Cuántica y la Relatividad, constituyen las dos teorías fundamentales del siglo XX en el campo de la física, que obligaron a la humanidad a revisar sus concepciones filosóficas y condujeron a diversas aplicaciones prácticas sobre todo en el ámbito industrial y militar.