El blog del burgués

22 enero 2010

LORD QUANTA

Filed under: Cosmología — elburgues @ 2:56 AM

El espectro electromagnético es el conjunto de todos los niveles de energía que la luz puede tener. Hablar de energía es hablar de longitud de onda. El rango de longitudes de onda que los humanos podemos percibir es lo que se denomina espectro visible, es decir, las cosas las vemos porque a nuestros ojos llega radiación electromagnética cuya longitud de onda está dentro de un rango concreto del espectro electromagnético.

La luz de cada una de estas longitudes de onda la percibimos como un color diferente. Por eso, en la descomposición de la luz blanca en todas sus longitudes de onda por la lluvia en el arco iris, el cerebro percibe todos los colores.Vemos las cosas porque reflejan la luz que otros cuerpos emiten (el sol, las bombillas, tú misma con lo bonita que eres…). También es posible que si un cuerpo adquiere suficiente temperatura emita luz (por ejemplo el hierro al rojo vivo), dicho de otra forma, un cuerpo, solo por estar a una determinada temperatura, emite radiación. Pero los cuerpos no solamente son capaces de reflejar y emitir luz, sino que también son capaces de absorberla hasta alcanzar un equilibrio térmico. Como la energía ni se crea ni se destruye, la energía incidente en un cuerpo es igual a la energía reflejada más la energía absorbida: Ei = Eref + Eabs.

Ahora pensemos en un cuerpo ideal, en equilibrio térmico con el ambiente, que no refleje nada de la luz incidente. Si Eref = 0, entonces toda la energía incidente (tanto la visible como la invisible) es absorbida por el cuerpo, a cualquier temperatura (por eso se usa la palabra negro), como el cuerpo es ideal, la emite: Ei = Eabs = Ee. Este cuerpo ideal (no existe en la naturaleza) es lo que el físico alemán Gustav Kirchhoff definió por vez primera en 1859 como concepto de cuerpo negro, para que quede claro que cuando hablamos de cuerpo negro ideal no estamos hablando de beyonce, a la que, por otra parte, te digo yo que no tienes nada que envidiar.

Hubo estudios teóricos que intentaban describir la distribución de la energía en la radiación de cuerpo negro, según la frecuencia de la radiación y de su temperatura. En el año de 1896 Wilhelm Wien (en su honor se nombró al cráter Wien de Marte) publicó su trabajo y en junio de 1900 apareció publicado el de Rayleigh-Jeans. Al comparar con resultados experimentales ambas leyes, resulta que la ley de Rayleigh-Jeans concuerda en la región de muy bajas frecuencias, justamente donde la ley de Wien falla. En las altas frecuencias, es la ley de Rayleigh-Jeans la que falla (a este problema en las altas frecuencias se le conoce con el nombre de “catástrofe ultravioleta”, fíjate en el disgusto que se debieron llevar para poner ese nombre), mientras que la ley de Wien concordaba con la realidad. Las leyes de Wien y de Rayleigh-Jeans no podían describir los resultados experimentales obtenidos para la distribución de la radiación de cuerpo negro. Esto era lo que se denominaba “el problema del cuerpo negro”.

Planck siempre se mostró reacio a hacer suposiciones acerca de estructura atómica de la materia y creyó que podría resolver el problema del cuerpo negro utilizando la segunda ley de la termodinámica. Con ella buscó la forma que debía tener una propiedad termodinámica particular, la entropía (previamente definida matemáticamente por Boltzman). Lo que hizo fue calcular primero la entropía suponiendo la distribución de Wien y repitió los cálculos tomando la distribución de Rayleigh, para finalmente interpolar entre ambas. Pero la interpolación que hizo, aunque correcta, era completamente empírica,  sin razonamiento teórico que la explique.

Para justificar su interpolación con un razonamiento teórico tuvo que abandonar el mundo macroscópico e irse a lo microscópico. Imaginó ‘N’ resonadores emisores de una pequeña energía ‘ε’. Dedujo una fórmula para la radiación de cuerpo negro sin tener en cuenta los resultados experimentales, solo a partir de la teoría, y parecía que estaba bien. Pero había un problema. Cuando hacía ‘N’ infinito y ‘ε’ cero, la fórmula se convertía en la ley de Rayleigh-Jeans (con catástrofe ultravioleta incluida). La conclusión es inmediata: no se pueden llevar las cosas al límite (esto último Zapatero no sé si lo entenderá algún día).

‘N’, aunque sea muy grande, no puede ser infinito, y ‘ε’ puede ser muy pequeña, pero no se puede dividir de forma indefinida. Por consiguiente, un cuerpo no puede absorber o emitir energía de forma continua,  lo hace en pequeñísimas unidades a las que bautizó con el nombre latino de “quanta”, cuya energía es siempre un múltiplo entero de una constante conocida como constante de Planck. Con las suposiciones anteriores, Planck encontró que la distribución de la radiación de cuerpo negro coincidía con los resultados empíricos. El 14 de diciembre de 1900, Planck presentó estos resultados bajo el título “Sobre la teoría de la ley de distribución de energía del espectro normal”.

La cuantización de Planck era contraria a los principios de la mecánica clásica de Newton (incapaz de explicar el mundo subatómico) en la cual la energía era una cantidad continua. El mismo Planck llegó a decir: “Fue un acto de desesperación que hice porque se tenía que dar una explicación teórica a toda costa, cualquiera que fuera el precio.” En los años siguientes, el logro de Planck pasó desapercibido, hasta que en 1905 Albert Einstein demostró la validez de la teoría de Planck utilizándola para explicar el efecto fotoeléctrico. Niels Bohr también la usó para describir su modelo del átomo. Ambos fueron premiados con el Nobel (Einstein en 1921 y Bohr en 1922). Planck fue premiado en 1918. Así fue como nació la mecánica cuántica.

Resumen:

Mariano Rajoy se pasa la vida diciendo que España puede absorber inmigrantes, pero no hasta el infinito, si no que es necesario alcanzar un equilibrio. También habla de que el proceso de absorción no puede ser de cualquier forma, debe haber  orden y concierto (palabras textuales, probablemente se refiera a que el número de inmigrantes a regularizar debe ser múltiplo entero de una cantidad, la denominada constante de Mariano Rajoy, que seguramente y aunque creo que él nunca hizo público su valor, sea más pequeña que la constante de Planck). Probablemente su modelo de España sea como un cuerpo negro ideal, es decir, alcanzado el equilibrio, todos los inmigrantes que absorbe los emite y mientras se alcanza el equilibrio, parte de los que inciden, se reflejan en las costas por medio de la guardia civil. Lo que pasa es que últimamente España no tiene nada de ideal, más bien de catástrofe (inmobiliaria y de paro, que no ultravioleta).

A lo que voy. No sé quién será más discreto de los dos, si el universo microscópico de Planck o Mariano. Puede que estés de acuerdo con Mariano, puede que no, a mi eso me da igual (no sé si le darán el Nobel, cualquiera sabe, a un conocido suyo le otorgaron una cátedra de ética y a Obama, el Nobel de la Paz), pero seguro que entiendes lo que él dice cuando habla. ¿A él sí y a mí no? ¡Pero si estamos hablando de lo mismo!

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2 comentarios »

  1. Este artículo ha estado genial, y ha sido un deleite leerlo 😀 😀

    Comentario por yelinna — 29 enero 2010 @ 11:14 PM | Responder

    • ¡Muchas gracias!, me alegro un montón, eso me anima a seguir escribiendo ciencia mezclada con humor.

      Comentario por elburgues — 30 enero 2010 @ 8:42 AM | Responder


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