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AUTORES MAS RECONOCIDOS DE LA FÍSICA CUANTICA

 

Max Karl Ernst Ludwig Planck

Werner Heisenberg

Richard Feyman

 

 

 

Max Karl Ernst Ludwig Planck

 

           

Físico alemán, premiado con el Nobel, Nacido el 23 abril de 1858, en Kiel, Schleswig-Holstein, Alemania Y Fallecido el 04 de octubre de 1947, en Göttingen, Alemania; Fue considerado el creador de la teoría cuántica, de quién Albert Einstein dijo: "Era un hombre a quien le fue dado aportar al mundo una gran idea creadora". De esa idea creadora nació la física moderna, que intenta saber si "Dios juega o no a los dados", si el azar existe o no. 

Como muchas veces suele ocurrir, las primeras inclinaciones intelectuales de Planck no estuvieron orientadas hacia la ciencia, sino que a la filología y la música, pero su profesor Hermann Müller, del Gimnasio Maximiliano, en Munich, le hizo desistir de sus aficiones.

 

Cuando ingresó en 1874 a la Universidad de Munich, y estudió un año en la Universidad de Berlín, dejó su pasión por los románticos alemanes como Brahms, Schubert y Schumann, para internarse en el laberinto que le abrieron sus profesores Hermann von Helmholtz y Gustav Robert Kirchhoff, quienes realizaron investigaciones que utilizó Planck, en 1900, para proponer su teoría de los cuantos (partículas comparables a un grano de luz), que dividió la física en dos etapas: la clásica, desarrollada en los siglos XVII, XVIII y XIX, y la moderna.

 

Así, Planck concluía unas investigaciones que comenzó en 1879, cuando hizo su tesis doctoral sobre el segundo principio de la termodinámica (rama de la física que se ocupa de la energía) del físico Sadi Carnot; ideas con las que el alemán Rudolf Clausius planteó su teoría de la entropía (cantidad de energía que se podía convertir en trabajo).

 

En el año 1880, ocupa su primer cargo académico en la Universidad de Kiel y, cinco años más tarde, es nombrado profesor titular de una de las cátedras de física, y desde 1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, promovieron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica.

 

Durante el proceso en el cual Planck formulaba sus investigaciones, el lenguaje y la teoría necesarios, hoy conocidos como mecánica cuántica, estaban por aquel entonces evolucionando en los institutos de física de Europa. Planck, en sus sustentaciones teóricas, guarda una gran semejanza con las ideas de Goethe: basta una gran vía que permita la búsqueda para explorar todo le explorable, contemplando lo inexplorable. "Lo que se debe interpretar –decía Planck–... debe dirigirse hacia todo lo que sea explorable". Y de su exploración concluyó que el pensamiento causal y el físico son equivalentes.

 

La casualidad, como las direcciones en las que pueden caer las gotas de agua de una catarata, según un ejemplo del físico Richard Feynman, podían ser susceptibles de medición, según la teoría del quantum.

 

El estudio de la distribución de la energía en el campo de influencia de un cuerpo negro resume la teoría de Planck. La energía radiante se emite (el Sol) o absorbe (el cuerpo negro) sólo en múltiplos enteros de un cuanto, cuya magnitud es proporcional a la frecuencia de radiación absorbida o emitida.

 

Un cuerpo negro es un sistema ideal capaz de absorber toda la radiación que incide sobre él. Planck planteó una ecuación simple que describía la distribución de la irradiación de las variadas frecuencias, basado en una suposición: la energía no es divisible infinitamente; como la materia, está formada de partículas, a las que llamó quantum.

 

El tamaño de cada quantum, para cada radiación electromagnética, es directamente proporcional a su frecuencia: constante de Planck, que se representa con la h.

 

Los científicos sabían que el color de la luz que emite un cuerpo –la gama de sus longitudes de onda– está relacionado con el material del que está hecho el objeto y con su temperatura. Hablando en general, la luz azul, con longitudes de onda muy cortas, es la que prevalece en el espectro de los objetos muy calientes; las longitudes de onda rojas, o más largas, indican menos calor. Hay representadas también otras longitudes de onda, pero como regla general, cada temperatura se relaciona con una longitud de onda dominante, que proporciona al objeto resplandeciente un color característico. Para simplificar su análisis de la radiación, los teóricos del siglo XIX habían conjurado el cuerpo negro. Al contrario que los objetos reales, esta entidad imaginaria absorbe la radiación de todas las frecuencias, lo cual la hace completamente negra. También emite radiación de todas las frecuencias, independientemente de su composición material. Los experimentadores habían creado ingeniosos dispositivos para aproximar esta construcción teórica a los laboratorios, y habían aprendido mucho sobre las características de la radiación del cuerpo negro. Lo que les faltaba era una teoría para predecir la distribución o forma del espectro de radiación del cuerpo negro, es decir, la cantidad de radiación emitida a frecuencias específicas a varias temperaturas.

 

La mayoría de los científicos creían que la clave de este problema se hallaba en comprender la interacción entre radiación electromagnética y materia. En 1900, cuando Planck atacó el problema, aceptó la teoría electromagnética de la luz que sostenía que la luz era un fenómeno ondulatorio y que la materia que se suponía que contenía pequeños cuerpos cargados eléctricamente, o partículas irradiaba energía en la forma de ondas de luz cuando esas partículas cargadas eran aceleradas, La sabiduría aceptada decretaba también que la cantidad de energía radiada por una partícula cargada acelerada podía situarse en cualquier parte a lo largo de una gama continua.

 

Para el propósito de estudiar la radiación de un cuerpo negro, Planck imaginó las partículas cargadas como diminutos osciladores, acelerados y decelerados repetidamente de una forma sencilla, suave y regular, como si estuvieran unidos a un muelle ingrávido. Hasta ese momento, se mantenía firmemente dentro del reino de la física del siglo XIX. Pero a partir de ahí se desvió radicalmente.

 

En el camino de calcular el equilibrio de energía entre los supuestos osciladores y su radiación de entrada y salida, Planck halló que necesitaba suponer la existencia de quantums, o ciertas pequeñas divisiones de energía, antes que una gama continua de posibles energías. Definió un quantum de energía como la frecuencia de la oscilación multiplicada por un número diminuto que no tardó en ser conocido como la constante de Planck. Luego utilizó estas suposiciones para resolver el problema del cuerpo negro; su solución matemática predijo perfectamente la radiación del espectro del cuerpo negro.

 

El propio Planck nunca avanzó una interpretación significativa de sus quantums, y aquí quedó el asunto hasta 1905, cuando Einstein, basándose en el trabajo de Planck, publicó su teoría sobre el fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico (arriba). Dados los cálculos de Planck, Einstein demostró que las partículas cargadas –que por aquel entonces se suponía que eran electrones– absorbían y emitían energías en cuantos finitos que eran proporcionales a la frecuencia de la luz o radiación. En 1930, los principios cuánticos formarían los fundamentos de la nueva física.

 

Aunque Planck sostuvo que la explicación era un modelo distinto al verdadero mecanismo de la radiación, Albert Einstein dijo que la cuantización de la energía era un avance en la teoría de la radiación. No obstante, Planck reconoció en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificación de la radiación electromagnética expuestas por Albert Einstein, con quien colaboró a lo largo de su carrera.

 

En su carrera científica, Planck recibió muchos premios, especialmente, el Premio Nobel de Física, en 1918. En 1930 Planck fue elegido presidente de la Sociedad Káiser Guillermo para el Progreso de la Ciencia, la principal asociación de científicos alemanes, que después se llamó Sociedad Max Planck. Sus críticas abiertas al régimen nazi que había llegado al poder en Alemania en 1933 le forzaron a abandonar la Sociedad, de la que volvió a ser su presidente al acabar la II Guerra Mundial.

 

La oposición de Max Planck al régimen nazi, lo enfrentó con Hitler. En varias ocasiones intercedió por sus colegas judíos ante el régimen nazi.

 

Planck sufrió muchas tragedias personales después de la edad de 50 años. En 1909, su primera esposa Marie Merck murió después de 22 años de unión matrimonial, dejándolo con dos hijos hombres y unas hijas gemelas. Su hijo mayor Karl murió en el frente de combate en la Primera Guerra Mundial en 1916; su hija Margarete murió de parto en 1917, y su otra hija, Emma también murió de parto en 1919. Durante la Segunda Guerra Mundial, su casa en Berlín fue destruida totalmente por las bombas en 1944 y su hijo más joven, Erwin, fue implicado en la tentativa contra la vida de Hitler que se efectuó el 20 de julio de 1944. Por consiguiente, Erwin murió de forma horrible en las manos del Gestapo en 1945. Todo este cúmulo de adversidades, aseguraba su discípulo Max von Laue, las soportó sin una queja. Al finalizar la guerra, Planck, su segunda esposa y el hijo de ésta, se trasladaron a Göttingen donde él murió a los 90 años, el 4 de octubre de 1947. Max Planck hizo descubrimientos brillantes en la física que revolucionó la manera de pensar sobre los procesos atómicos y subatómicos. Su trabajo teórico fue respetado extensamente por sus colegas científicos.

 

Entre sus obras más importantes se encuentran Introducción a la física teórica (5 volúmenes, 1932-1933) y Filosofía de la física (1936).

 

 

 

Werner Heisenberg

 

 

 

(1901-1976): Nació en Alemania y es uno de los padres fundadores de la física cuántica. Su mayor descubrimiento es el denominado Principio de Incertidumbre. La expresión formal de este principio dice que la cantidad de incertidumbre cuántica en la determinación simultanea de ambos miembros de un par de variables conjugadas, nunca es cero.

En física cuántica, el concepto incertidumbre es algo preciso y definido. Existen pares de parámetros denominadas variables conjugadas, para las que es imposible conocer el valor que adquieren en el mismo momento. Las mas conocidas de estas variables conjugadas son la posición y el momento ( velocidad, cantidad de movimiento), como también la energía y el tiempo. La incertidumbre posición/momento es la típica que explico Heisenberg en 1927, diciendo que ninguna entidad cuántica puede tener una velocidad precisa y determinada, y una posición también precisa y determinada al mismo tiempo, es decir simultáneamente.

Esto no era el resultado de deficiencias en los sistemas o aparatos, o dificultades en el proceso de medición; es decir que no pudiéramos físicamente realizar esta medición. La realidad es que las entidades cuánticas- el electrón por ejemplo- no tienen una posición y una velocidad precisa al mismo tiempo. Esta incertidumbre, como ya se había mencionado es la que explica el fenómeno denominado efecto túnel. La incertidumbre de las variables conjugadas energía /tiempo, es la que nos permite identificar la existencia de las llamadas partículas virtuales. La incertidumbre cuántica, no obstante, no se manifiesta sensiblemente en los grandes objetos, es decir objetos mas grandes que una molécula, esto se debe a la dimensión de la constante de Planck “h” del orden de 10-34.

Heisenberg trabajó con Born y con Bohr antes de convertirse en profesor en la Universidad de Leipzig. Dado que permaneció en Alemania durante la segunda guerra mundial, se sospechaba de el que tenia simpatía para con el régimen nazi. Los aliados temían que fuera unos de los científicos que pudiera facilitar el desarrollo de la bomba atómica para los alemanes. En realidad dada la limitada investigación en esta materia, llevada a cabo en Alemania durante la época, solo le permitió concentrarse en el desarrollo de medios para la obtención de energía y no en armamentos. Heisenberg siempre dijo que esto fue gracias a que el mantuvo el interés enfocado hacia este tema. Aunque algunos dudan de esta afirmación. Durante un periodo de recuperación de una enfermedad en las montañas de Heligoland, fue cuando Heisenberg formulo lo que luego se reconoció como mecánica matricial, la primera teoría cuántica completa y consistente con los resultados experimentales. Posteriormente Born y Jordan ayudaron a completar la misma dándole una significación física mas perceptible.

Una copia del trabajo de estos tres científicos antes de que fuera publicado, fue la inspiración para que Paul Dirac elaborara su propia versión de la teoría cuántica. Todo esto ocurría un año antes que Schrodinger publicara su versión de la mecánica ondulatoria como otro enfoque de la misma teoría cuántica. En tan solo un par de años, se revolucionaron trescientos años de la física clásica. Mas adelante Heisenberg desarrollo el concepto de incertidumbre. Luego de la guerra, Heisenberg tuvo un papel importante en el establecimiento dl Instituto Max Planck para la física. Sus últimos trabajos científicos intentaron en vano desarrollar una teoría unificada de los campos. El fue un proponente de la idea de “todo indivisible” en la que todo en el mundo y especialmente en el mundo cuántico, es parte de un sistema único, que por ejemplo permitiera explicar en el experimento de la doble ranura, porque los electrones tiene comportamientos diferentes según se este observando o no por que ranura están pasando. Estas ideas aunque no tenidas muy en cuenta, fueron posteriormente desarrolladas por David Bohm.

 

 

Richard Feynman

 

 

       (1918-1988) : Fue el físico mas grande de su generación, a la altura de Newton y Einstein. Feynman reformulo la mecánica cuántica poniéndola en una fundamentacion lógica incorporando los conceptos de la mecánica clásica.

       Desarrollo el enfoque de la integral de campo para la física cuántica desde donde surgió la mas clara y completa versión de la electrodinámica cuántica (QED), la cual junto con la teoría general de la relatividad es una de las mas exitosas y bien establecidas, en términos de dar explicación a todos los fenómenos experimentales donde se la ha aplicado. Fue un excelente maestro, que supo popularizar la ciencia. Feynman estudio en el MIT donde comenzó en Matemáticas para luego moverse a la Física.

       En Princeton bajo la supervisión de John Wheeler desarrollo su trabajo para el doctorado. Trabajo en Los Álamos en el proyecto para el desarrollo de la bomba atómica. Terminada la guerra fue contratado por la Universidad de Cornell para trabajar como profesor de física teórica. Es allí donde completo su trabajo en electrodinámica quántica por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1965. En 1950 se traslado a Caltech permaneciendo en dicha Universidad hasta el fin de su carrera. En 1950 desarrollo la teoría de los superfluidos y descubrió una ley fundamental que describía el comportamiento de la fuerza débil. Al comienzo de 1960, Feynman dicto sus famosas clases que luego se editaron en tres tomos como “Las clases de Física de Feynman” que tuvieron impacto en la enseñanza de esta disciplina en todo el mundo.

       Desarrollo también la teoría de los partones para describir lo que pasa cuando electrones surgen de colisiones inelásticas entre protones. Esta fue un input importante para el desarrollo posterior de la teoría de los quarks, los gluones y la fuerza fuerte. Casi como un hobby, Feynman también investigo acerca de la teoría de la gravedad y sentó las bases para el desarrollo de una teoría quántica de la gravedad.