El Misterio Cuántico del Aire
En el primer año del siglo XX, Lord Kelvin dió una charla que los físicos recordamos
especialmente (os la dejo abajo en la descripción).
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.
Por supuesto, Lord Kelvin no sabía esto, pero detrás de sus dos nubes, estaban las
dos grandes revoluciones que sacudieron la física.
La primera nube era sobre el hipotético fluido por el cuál la luz se pensaba que se propagaba:
el éter.
Si era real, ¿por qué no conseguíamos detectarlo?
Esta pregunta fue resuelta unos años después por Einstein, pero hoy la que nos interesa
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
físicos no sabían cómo se calentaba el aire que respiramos.
Os cuento: antes de que la existencia de los átomos fuera un hecho impepinable, lo cierto
es que muchos científicos se dieron cuenta que pensar que los gases estaban formados
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.
Lo calculaban así: primero, suponían que las moléculas del gas noble eran simplemente
bolitas, y que estas bolitas solo podían moverse de tres maneras (arriba, abajo; izquierda,
derecha; adelante, atrás).
Nada de giros y nada de deformaciones.
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.
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
enlazados.
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
separaban o se alejaban mucho, los empujaría de nuevo a su sitio.
Eso es básicamente un muelle.
Así que nos enfrentamos a una colección de pares de muelles dándose porrazos.
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.
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
cambiando el muellecito por otra cosa, pero el resultado fue a peor.
Pensaron que, tal vez, se les había escapado alguna manera de moverse de la molécula,
como movimientos desconocidos de los átomos, pero el resultado empeoraba al aumentar las
maneras de moverse.
Lo que los experimentos parecían indicar, es que, para que el resultado diera bien,
no había que añadir sino quitar maneras de moverse, cosa que era impensable, pues
dentro del gas no hay absolutamente nada que impida a las moléculas trasladarse, rotar
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.
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
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
a su fundamento: que las moléculas se mueven de la misma manera que lo hacen los coches,
los planetas y los patitos…una locura que nadie sabía cómo sostener.
Este problema del cálculo del calor específico de los gases era uno de los grandes malestares
de la física del siglo XIX, porque no era una cuestión de no tener bastante precisión
para medir algo o no saber bastantes detalles para afinar una cuenta; era un misterio que
atacaba a los cimientos de las leyes clásicas.
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
es que, a medida que se reduce la temperatura del gas, algunos movimientos parecen “congelarse”.
Os lo digo yo: Jeans rozó el cielo.
Hubo que esperar hasta que el Sr.
Planck, a través de un problema distinto, se encontrara con algo muy potente: que, a
veces, los sistemas no tienen un rango continuo de energías para elegir, sino que el rango
es discreto.
Solo están permitidos unos valores muy concretos.
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.
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
intermedio, la molécula la rechaza.
Solo la toma si hay suficiente energía para ascenderla al siguiente nivel de rotación,
rechazando la energía sobrante.
Esto cambia radicalmente cómo se comporta el gas, pues ahora las rotaciones y vibraciones
pueden rechazar energía y dársela a las otras maneras de moverse, rompiendo con el
teorema de Equipartición.
Esto es lo que resuelve el problema.
Esta nueva manera de pensar en la energía, no de una manera contínua, sino a saltos,
con niveles, con cuantos, empezó a explicar numerosos resultados experimentales que desconcertaban
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
naciera… Pero de eso hablaremos en otro vídeo.
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