Max Planck - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Max Planck


Max Planck: El hombre

Max Planck (1858-1947) fue el descubridor de la Física Cuántica. El mundo cuántico descubierto por Planck en el año 1900, junto con la teoría de la relatividad, formulada por Einstein un poco mas tarde (1905), generó la mayor revolución de los fundamentos de la Física desde los tiempos de Newton.

Max Karl Ernst Ludwig Planck nació en Kiel (Alemania) el 23 de abril de 1858. Fue el sexto hijo de Emma Patzig y Julius Wilhelm Planck, un profesor de derecho constitucional de la universidad de Kiel. Tanto su abuelo como su bisabuelo paternos habían sido también profesores de teología en Gotinga. A la edad de nueve años la familia Planck se desplazó a Munich, en cuya universidad su padre obtuvo una plaza de profesor. En esta ciudad Max recibió su educación básica en el Instituto Maximiliano, donde fue alumno destacado. A la edad de 17 años decidió iniciar los estudios de Física en la Universidad de Munich, no sin antes dudar seriamente en escoger la música como carrera. Después de pasar un año de especialización en la universidad de Berlín retornó a Munich donde presentó su tesis doctoral sobre el segundo principio de la termodinámica en Julio de 1879, a la edad de 21 años.

Al año siguiente defendió su tesis de Habilitación e inmediatamente fue nombrado profesor lector de la universidad de Munich. Después de cinco años de enseñanza en Munich obtuvo la plaza de profesor asociado en la universidad de su ciudad natal, Kiel. A la muerte de su admirado profesor Kirchhoff, Planck ocupó la plaza que éste dejó vacante en la universidad de Berlín (1989). En 1892 Planck fue promovido a profesor catedrático por dicha universidad, donde continuó ejerciendo hasta su jubilación ocurrida en 1927. Su plaza fue ocupada por otro físico famoso, Erwin Schrödinger, que contribuyó a consolidar la teoría de la física cuántica descubierta por Planck. Es durante este período como profesor en Berlín en el que desarrollo sus trabajos de investigación fundamentales. Su explicación en año 1900, a la edad de 42 años, de la distribución de la radiación electromagnética del cuerpo negro y su estructura cuántica le dio fama universal y hace que su nombre figure en el elenco de científicos memorables.

Por este descubrimiento fue galardonado con el premio Nobel de Física en 1918. Entre las distinciones obtenidas destacan su nombramiento como Fellow de la Royal Society en 1926 y la medalla Copley concedida por la misma institución en 1929. Su prestigio le llevó ocupar influyentes cargos científicos en Alemania: fue secretario de las secciones de Física y Matemáticas de la Academia Prusiana de Ciencias (1912-1938) y presidente de la Sociedad Kaiser Wilhelm para la Promoción de la Ciencia (1930-1937), hoy rebautizada con el nombre de Max Planck.

Se casó en 1887 con Marie Merck, hija de un banquero bávaro y amiga de la infancia. Después de enviudar en 1909 volvió a casarse en 1910 con su prima Marga von Hoesslin. De su primera mujer tuvo cuatro hijos (dos varones y dos mujeres) y de la segunda uno.

A pesar de sus éxitos científicos y profesionales en su vida sufrió numerosos contratiempos personales. Su primera mujer, falleció en 1909. Su hijo mayor, Karl, murió en la primera guerra mundial en 1916. Sus dos hijas gemelas, Margarete y Emma, murieron al dar a luz en 1917 y 1919. Durante la segunda guerra mundial su casa fue destruida en un bombardeo en 1944 y el hijo más joven de su primera mujer, Erwin, se vió envuelto en un complot de atentado contra Hitler y murió en manos de la Gestapo en 1945 poco antes de finalizar la guerra. Planck fijó su última residencia en Gotinga donde finalmente falleció el 3 de octubre de 1947 a la edad de 89 años

Los caminos de su ciencia

Max Planck tuvo el honor de descubrir el primer indicio de que el mundo microscópico no se rige por las leyes de la física clásica sino que requiere una concepción radicalmente diferente de la estructura de los sistemas físicos y sus leyes. Desde un punto de vista pragmático y menos epistemológico debe considerarse la importancia de la contribución de Planck por el descubrimiento de una constante física h que posee un carácter universal y fundamental. Sólo hay tres constantes físicas que poseen esas características

   Constante de la gravitación universal G (Newton)
   Constante de la velocidad de propagación de la luz c en el vacío (Michelson y Morley)
   Constante del cuanto de acción h (Planck)

La primera dio origen a toda la física clásica y la teoría de la gravitación no relativista. La segunda a la teoría de la relatividad especial, formulada por Einstein, aunque la observación de la constancia de la velocidad de la luz fue detectada por Michelson y Morley en su famoso experimento, que puede considerarse como el descubrimiento de la física relativista. La tercera se asocia a la física cuántica y fue descubierta por Planck, aunque la formulación de la teoría no se consiguió hasta años después gracias a los trabajos de Bohr, Heisenberg, Schrödinger y Dirac, entre muchos otros. Solamente en el caso de Newton el descubrimiento y la formulación de la teoría fueron hechas por la misma persona, lo que lo convierte en excepcional.

La manera en que Planck llegó a su descubrimiento es bastante conocida. Kirchhoff mostró que la energía emitida por un cuerpo negro (es decir un objeto que absorbe toda la radiación que recibe) depende sólo de su temperatura y de la frecuencia de la radiación. El problema que planteó a los demás físicos fue el averiguar cual es la fórmula que describe dicha dependencia. Wien encontró una fórmula que explicaba la dependencia observada para frecuencias altas, pero difería de los resultados experimentales en la región de frecuencias bajas. Dos físicos experimentales alemanes, Rubens y Kurlbaum, mostraron a Planck esta discrepancia en octubre de 1900. Enseguida Planck obtuvo una fórmula, hoy conocida como fórmula de Planck, que describía correctamente los dos regímenes, de altas y bajas frecuencias. Obsesionado por encontrar una derivación teórica de su fórmula a partir de primeros principios, trabajó intensamente y sólo pudo encontrarla si se aceptaba que la radiación no se emitía de forma continua sino por cuantos elementales de energía. El cuanto de energía imaginado por Planck debería ser proporcional a la frecuencia de la radiación y la constante de dicha proporcionalidad es la famosa constante de Planck h=6.55 10-27ergios-segundo. La fórmula de Planck implicaba también otra constante fundamental de la Naturaleza: la constante de Boltzmann. Esa relación permitió a Planck realizar la primera estimación numérica del número de Avogadro y del valor de la carga del electrón. Presentó sus resultados el 14 de diciembre del año 1900 en la Sociedad Alemana de Física y los mismos fueron inmediatamente publicados en la revista Annalen der Physik.


Planck fue desde el principio consciente de la importancia que su hipótesis cuántica representaba desde un punto de vista conceptual. Sin embargo, no fue hasta la explicación dada por Einstein del efecto fotoeléctrico en 1905 y la formulación de la teoría del átomo de hidrógeno realizada por Bohr en 1913, ambas basadas en la hipótesis de Planck, que se consideró confirmado que dicha hipótesis era mucho más que una simple hipótesis. En realidad representaba un principio de la nueva física que regía el comportamiento del mundo atómico, y que requería una formulación que no podía basarse en los principios de la física clásica desarrollada por Isaac Newton. Planck, un hombre de ideas conservadoras, fue consciente del carácter revolucionario de su hipótesis, aunque como Einstein nunca estuvo totalmente de acuerdo con las ideas 'radicales' de los auténticos creadores de la teoría cuántica, Bohr, Heisenberg y otros, acerca de la interpretación de la física cuántica, que continúan vigentes. Entre sus frases destacadas figura la que mejor resume su visión del cambio científico inspirada en la evolución de la mecánica cuántica : Raramente una innovación científica importante se impone gradualmente venciendo y convenciendo a sus oponentes: muy pocas veces Saulo se convierte en Pablo. Lo que ocurre es que los oponentes se mueren y las nuevas generaciones se familiarizan con dichas ideas desde el principio.


Planck y la revolución cuántica

MAX Karl Ernst Ludwig PLANCK nació el 23 de abril de 1858 en Kiel y falleció el 3 de octubre de 1947 en Göttingen. Este físico alemán, que da nombre en la actualidad a la prestigiosa red de Institutos de investigación en Física, siguió sus estudios universitarios en Berlín y Munich, donde obtuvo su doctorado en 1880. Inició su carrera de profesor en la Universidad de Kiel y se trasladó a Berlín en 1889, siendo nombrado catedrático de física teórica en 1892, posición que mantuvo hasta su jubilación en 1928.

Aunque las investigaciones iniciales de Planck fueron en termodinámica, en 1900 publicó un trabajo "Zur Theorie der Gesetzes der Energieverteilung im Normal-Spektrum" ("Sobre la teoría de la Ley de Distribución de Energía en el Espectro Continuo"), que representó el nacimiento de la teoría cuántica.

A finales del siglo XIX, un problema importante de la física consistía en explicar la radiación emitida por un cuerpo caliente. Se sabía que la intensidad de dicha radiación aumenta con la longitud de onda hasta un valor máximo y, a continuación, disminuye al aumentar la longitud de onda. También se conocía que el origen de esa radiación radica en las vibraciones de los átomos del cuerpo caliente. Para un emisor perfecto (el llamado "cuerpo negro", que emite y absorbe a todas las longitudes de onda), la termodinámica debería ser capaz de proporcionar una expresión teórica para esa radiación de cuerpo negro.Wilhelm Wien había descrito en 1896, mediante una ley empírica, el comportamiento presentado a longitudes de onda cortas. Lord Rayleigh y James Jeans dedujeron una ley capaz de explicar los resultados de longitudes de onda largas, pero predecía que el cuerpo debería tener una emisión masiva de energía a longitudes de onda cortas: un sinsentido conocido como "catástrofe ultravioleta".

Inicialmente, el problema de Planck era muy técnico: la búsqueda de una ecuación que describiera correctamente la emisión de radiación para todas las longitudes de onda. Cuando la encontró, contenía automáticamente los límites de Rayleigh-Jeans a longitudes de onda largas y de Wien a longitudes de onda cortas. Pero sería una gran injusticia para Planck dar la impresión que su descubrimiento fue exclusivamente el resultado de interpolar datos experimentales! Incluso si Planck hubiese parado en ese punto, sería recordado eternamente como el descubridor de la ley de radiación. La grandeza científica de Planck se manifiesta en que continuó queriendo interpretar su ecuación. Siguiendo sus ideas de muchos años, planteó cómo correlacionar la entropía de un oscilador con su energía, mediante argumentos termodinámicos y estadísticos. En esa comparación, la fórmula de Planck necesitaba incorporar un ingrediente contrario a la física clásica: la energía emitida o absorbida por un oscilador sólo puede tomar valores múltiplos de una energía elemental , cuanto energético conectado a la frecuencia de la radiación emitida

¡Y así es como nació la teoría cuántica! La Naturaleza es selectiva en las cantidades energéticas que un cuerpo puede absorber y emitir. La introducción de la constante h, el "cuanto elemental de acción" (en palabras de Planck), que conecta el cuanto elemental de energía con la frecuencia de la vibración, fue una idea revolucionaria, una rotura radical con la física clásica .

A partir del trabajo de Planck, se produjo un movimiento irresistible que llevó a aplicar el concepto de "saltos" energéticos a los fenómenos microscópicos de los átomos y de la radiación. En 1905, Albert Einstein demandó consistencia al proponer que, si la energía de los osciladores atómicos al emitir o absorber radiación tomaba valores discretos, la propia radiación debía consistir de cuantos energéticos: los fotones. Con su existencia, Einstein fue capaz de explicar el efecto fotoeléctrico. En 1913, Niels Bohr incorporó estas ideas en su teoría del átomo de hidrógeno. En 1923, Arthur Compton explicó la dispersión de rayos X. Todos estos éxitos iniciales de las ideas cuánticas sembraron el camino para el florecimiento de la nueva teoría cuántica, formulada por de Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Pauli, ..., a partir de 1924.

La mecánica cuántica se ha revelado como la herramienta más poderosa para entender y predecir toda clase de fenómenos físicos y está en la base de los desarrollos tecnológicos de mayor éxito en la segunda mitad del siglo XX. Al ser aplicada a átomos y moléculas, la mecánica cuántica es la base y el futuro de la química moderna, pues permite dar una fundamentación rigurosa al enlace químico. En los sólidos, los electrones son atraídos por los iones que forman la red cristalina; al ser tratada esta interacción cuánticamente, los niveles de energía del material forman series de valores muy apretados llamadas "bandas energéticas". La teoría de bandas permite explicar el comportamiento de conductores, aislantes y semiconductores, de tanto uso en la tecnología electrónica de los tiempos actuales. El transistor es un dispositivo que permite una gran amplificación de la corriente eléctrica en pequeñas dimensiones. Las técnicas modernas de manipulación de materiales permiten la elaboración de heteroestructuras, cuyo comportamiento depende de fenómenos cuánticos. Los láseres de semiconductores microscópicos y los pozos cuánticos son manifestaciones de esta nueva tecnología, cuyos límites son aún desconocidos. Los microscopios de efecto túnel permiten, al eliminar las dificultades de difracción, resolver distancias de tamaño atómico. Bajo condiciones en que los aspectos cuánticos también se manifiestan macroscópicamente, como a bajas temperaturas, la condensación atómica o de pares de Cooper electrónicos conduce a fenómenos tan espectaculares como la superfluidez o la superconductividad, respectivamente. La conexión entre la física y la tecnología en el área de materiales es tan estrecha que una distinción real entre los dos campos ha desaparecido. Parece apropiado identificar el siglo XX como el "siglo cuántico". En física fundamental, se han explorado distancias hasta una cienmillonésima parte de las distancias atómicas, sin que se hayan detectado desviaciones de la mecánica cuántica.

Paradójicamente, a pesar del dominio con que hemos aprendido a utilizar la física y tecnología cuántica, la interpretación del núcleo básico de la teoría sigue sujeta a múltiples debates. Más allá del carácter probabilista, indeterminista, de la mecánica cuántica, cuyos límites de predictibilidad están ejemplificados en las "relaciones de incertidumbre" de Heisenberg, más allá de la evolución acausal asociada con el problema de la medida, las últimas décadas han singularizado el aspecto de no-separabilidad de los sistemas cuánticos como el más alejado de los presupuestos de la física clásica. Para sistemas de dos o más partículas correlacionadas, la física cuántica predice que el todo es bastante más que la suma de las partes y es imposible asignar una descripción objetiva separada a cada una de las partículas, un "elemento de realidad" en terminología de Einstein. Einstein enfatizó este resultado con el fin de negarle la categoría de "completitud" a la teoría cuántica. La publicación en 1964 de las "desigualdades de Bell" trasladó este debate interpretativo y filosófico al campo de la física, al demostrar el carácter observable y medible de esas correlaciones cuánticas más allá de los límites exigidos por una descripción realista separable de tipo clásico. Todos los experimentos realizados en los últimos treinta años para proceder a un test de las desigualdades de Bell han confirmado, sin asomo de duda, las predicciones de la mecánica cuántica.

Pero el último capítulo está aún por escribir. El uso de los estados cuánticos entrelazados no-separables para tecnologías de información y comunicaciones, ahora en sus balbuceos, puede abrir desarrollos en criptografía y computación cuánticas ni siquiera vislumbrados hace unos pocos años.

Todo ello empezó hace 100 años con la hipótesis de los cuantos de Planck en el año 1900. En 1918, Max Planck recibió el Premio Nobel de Física. La constante h del "cuanto de acción elemental", la constante de Planck, aparece grabada sobre la lápida de su tumba en Göttingen:
h = 6'62 x 10-27 erg. s.


 
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