El Misterio Cuántico del Aire Das Quantenmysterium der Luft The Quantum Mystery of Air Le mystère quantique de l'air 空気の量子の謎 Het kwantummysterie van lucht O mistério quântico do ar Luftens kvantmysterium

En el primer año del siglo XX, Lord Kelvin dió una charla que los físicos recordamos

especialmente (os la dejo abajo en la descripción). especially (I leave it below in the description).

Dijo que en la claridad y belleza del cielo de la física clásica, había dos nubes oscuras;

dos problemas que la manera ortodoxa de entender el mundo no había conseguido resolver. two problems that the orthodox way of understanding the world had failed to resolve.

Por supuesto, Lord Kelvin no sabía esto, pero detrás de sus dos nubes, estaban las

dos grandes revoluciones que sacudieron la física. two great revolutions that shook physics.

La primera nube era sobre el hipotético fluido por el cuál la luz se pensaba que se propagaba: The first cloud was about the hypothetical fluid through which light was thought to propagate:

el éter.

Si era real, ¿por qué no conseguíamos detectarlo? If it was real, why couldn't we detect it?

Esta pregunta fue resuelta unos años después por Einstein, pero hoy la que nos interesa This question was solved a few years later by Einstein, but today the one that interests us is

es la otra nube.

Se suele decir que ésta era el problema de la Radiación del Cuerpo Negro, pero lo cierto

es que la incógnita que dijo Lord Kelvin era un rompecabezas más antiguo: que los is that the unknown that Lord Kelvin said was an older puzzle: that the

físicos no sabían cómo se calentaba el aire que respiramos. Physicists did not know how the air we breathe is heated.

Os cuento: antes de que la existencia de los átomos fuera un hecho impepinable, lo cierto I tell you: before the existence of atoms was an inescapable fact, the truth

es que muchos científicos se dieron cuenta que pensar que los gases estaban formados is that many scientists realized that thinking that the gases were formed by

por partículas individuales, las moléculas, daba unos resultados fantásticos.

Una de las predicciones de esta Teoría Molecular era el calor específico de un gas noble;

la cantidad de energía que había que darle para cambiar su temperatura. the amount of energy that had to be given to change its temperature.

Lo calculaban así: primero, suponían que las moléculas del gas noble eran simplemente They calculated it like this: first, they assumed that the noble gas molecules were simply

bolitas, y que estas bolitas solo podían moverse de tres maneras (arriba, abajo; izquierda, balls, and that these balls could only move in three ways (up, down; left,

derecha; adelante, atrás).

Nada de giros y nada de deformaciones. No twisting and no deformation.

Pensando en el gas noble como una fiesta de golpes entre partículas moviéndose solo

de estas tres maneras, los físicos pueden calcular el calor específico de este sistema…

Y el resultado, comparado con los datos experimentales, era muy bueno. And the result, compared to the experimental data, was very good.

Los científicos, confiados, pasaron al siguiente nivel de dificultad: los gases que forman

el aire, sustancias como el nitrógeno o el oxígeno.

En este caso, se pensó en estos gases como moléculas diatómicas, dos átomos iguales In this case, these gases were thought of as diatomic molecules, two equal atoms.

enlazados. linked.

Por argumentos químicos, se sabía que el tamaño de estas moléculas no variaba, por

lo que el enlace entre átomos debía realizar una fuerza restauradora; si los átomos se the bond between atoms was to perform a restoring force; if the atoms were to be

separaban o se alejaban mucho, los empujaría de nuevo a su sitio. separated or moved too far apart, he would push them back into place.

Eso es básicamente un muelle. That's basically a spring.

Así que nos enfrentamos a una colección de pares de muelles dándose porrazos. So we are faced with a collection of pairs of springs beating each other.

Sin embargo sus maneras de moverse son más difíciles de tratar, pues esta molécula

no solo puede trasladarse en las tres dimensiones, también puede rotar sobre dos ejes y vibrar. can not only move in three dimensions, it can also rotate on two axes and vibrate.

Pero el cálculo del calor específico se puede hacer… El gran problema es que el

resultado es erróneo, esta vez no coincide con los datos experimentales.

Y lo peor es que los físicos no sabían decir que estaba mal; intentaron de todo: probaron And the worst thing is that the physicists could not say that it was wrong; they tried everything: they tried

cambiando el muellecito por otra cosa, pero el resultado fue a peor. changing the dock for something else, but the result was worse.

Pensaron que, tal vez, se les había escapado alguna manera de moverse de la molécula, They thought that perhaps some way of moving from the molecule had escaped them,

como movimientos desconocidos de los átomos, pero el resultado empeoraba al aumentar las as unknown motions of atoms, but the result worsened with increasing

maneras de moverse. ways to move.

Lo que los experimentos parecían indicar, es que, para que el resultado diera bien, What the experiments seemed to indicate was that, in order to get the result right,

no había que añadir sino quitar maneras de moverse, cosa que era impensable, pues it was not necessary to add but to subtract ways of moving, something that was unthinkable, since

dentro del gas no hay absolutamente nada que impida a las moléculas trasladarse, rotar within the gas, there is absolutely nothing to prevent the molecules from moving, rotating and

o vibrar.

Por otro lado, la gente pensó que podía ocurrir que las rotaciones y las vibraciones

no se llevaran tanta energía como las traslaciones, lo que mejoraría el resultado. would not take as much energy as the translations, which would improve the result.

Sin embargo esto iba en contra de uno de los resultados más importantes de la física

estadística: el Teorema de Equipartición de la Energía, que te dice que, dentro del The Energy Equipartition Theorem, which tells you that, inside the

festival de golpes, todas las maneras de moverse reciben la misma energía en promedio.

Podrías llevarle la contraria al teorema, pero entonces le estarías llevando la contraria You could contradict the theorem, but then you would be contradicting it.

a su fundamento: que las moléculas se mueven de la misma manera que lo hacen los coches, to its foundation: that molecules move in the same way that cars do,

los planetas y los patitos…una locura que nadie sabía cómo sostener. the planets and the ducklings…a madness that no one knew how to sustain.

Este problema del cálculo del calor específico de los gases era uno de los grandes malestares This problem of the calculation of the specific heat of gases was one of the major problems

de la física del siglo XIX, porque no era una cuestión de no tener bastante precisión of 19th century physics, because it was not a question of not having enough precision

para medir algo o no saber bastantes detalles para afinar una cuenta; era un misterio que to measure something or not know enough details to fine-tune an account; it was a mystery that

atacaba a los cimientos de las leyes clásicas. attacked the foundations of the classical laws.

Aun así, la historia nos muestra que algunos físicos se quedaron muy cerca de la solución:

el Sr.

Jeans comentó sobre el problema que lo que parece que los experimentos nos están diciendo Jeans commented on the problem that what the experiments seem to be telling us

es que, a medida que se reduce la temperatura del gas, algunos movimientos parecen “congelarse”. is that, as the temperature of the gas is reduced, some movements appear to "freeze".

Os lo digo yo: Jeans rozó el cielo. I tell you: Jeans touched the sky.

Hubo que esperar hasta que el Sr. We had to wait until Mr.

Planck, a través de un problema distinto, se encontrara con algo muy potente: que, a Planck, through a different problem, was to encounter something very powerful: that, at

veces, los sistemas no tienen un rango continuo de energías para elegir, sino que el rango Sometimes systems do not have a continuous range of energies to choose from, but rather the range

es discreto.

Solo están permitidos unos valores muy concretos. Only very specific values are allowed.

Es como si estos sistemas fueran personajes de videojuego: puedes tenerlo en el nivel

3 o en el nivel 4, pero no en el nivel 3.5, eso no existe.

La rotación y vibración de una molécula se comporta así. The rotation and vibration of a molecule behaves like this.

Es como si solo estuvieran permitidas ciertas velocidades de giro y ciertas frecuencias

de oscilación, e intentar girar o vibrar de una manera intermedia estuviera prohibido.

De hecho, si, por ejemplo, le das a la molécula la energía precisa para que gire en ese estado In fact, if, for example, you give the molecule the necessary energy to rotate in that state

intermedio, la molécula la rechaza. intermediate, the molecule rejects it.

Solo la toma si hay suficiente energía para ascenderla al siguiente nivel de rotación, It only takes it if there is enough energy to ascend it to the next level of rotation,

rechazando la energía sobrante. rejecting excess energy.

Esto cambia radicalmente cómo se comporta el gas, pues ahora las rotaciones y vibraciones This radically changes how the gas behaves, since now the rotations and vibrations

pueden rechazar energía y dársela a las otras maneras de moverse, rompiendo con el

teorema de Equipartición. Equipartition theorem.

Esto es lo que resuelve el problema. This is what solves the problem.

Esta nueva manera de pensar en la energía, no de una manera contínua, sino a saltos, This new way of thinking about energy, not in a continuous way, but in leaps and bounds,

con niveles, con cuantos, empezó a explicar numerosos resultados experimentales que desconcertaban with levels, with quanta, he began to explain numerous puzzling experimental results.

a los físicos.

Estaba claro: en lo que concierne a las cosas pequeñas, una revolución estaba en camino…

Pero faltaban otros experimentos algo más siniestros para que la Mecánica Cuántica But other somewhat more sinister experiments were missing for Quantum Mechanics to

naciera… Pero de eso hablaremos en otro vídeo.

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