Alberto Pérez Izquierdo - Max Planck. La teoría Cuántica

ALBERTO PÉREZ IZQUIERDO es catedrático de Electromagnetismo en la Universidad de Sevilla. Ha publicado textos introductorios y ensayos divulgativos en el ámbito de la física, y colabora con numerosos proyectos universitarios de acercamiento de la ciencia al gran público.

Título original: Max Planck. La teoría Cuántica

Alberto Pérez Izquierdo, 2012

Diseño de cubierta: Skynet

Editor digital: Skynet

ePub base r2.1

Introducción

El 14 de mayo de 2009, a las 10 horas y 12 minutos, hora local, los motores del Ariane 5 se encendieron y el cohete inició su ascenso hacia el espacio desde la base de la Agencia Espacial Europea (ESA) en la Guayana Francesa. En dos minutos y medio alcanzó los 70 km de altura y, en ese momento, se separaron los dos motores auxiliares de combustible sólido. La línea que dibujaba la enorme humareda que iba dejando el cohete se quebró un poco entre las nubes. En ese instante la velocidad era de 2 km/s, casi seis veces la velocidad del sonido, y el cohete seguía propulsado por su motor principal. Este utilizaba hidrógeno y oxígeno, almacenados en los tanques en forma líquida a baja temperatura. La combustión del hidrógeno proporcionaba la energía impulsora. Casi toda la masa inicial del ingenio era combustible y cuando, finalmente, se alcanzó la altura deseada, solo quedaba en torno a un 1% de aquella.

El Ariane 5 llevaba a bordo dos artefactos espaciales, llamados Planck y Herschel. Este último es un telescopio de infrarrojos de 3,50 m de diámetro. Planck es un satélite que reúne diversos instrumentos dedicados al estudio de la radiación de fondo de microondas. Todo el universo está bañado por una radiación electromagnética que fue emitida en una época lejana, cuando aún no existían las estrellas y todo el espacio estaba lleno de una sopa de partículas y radiación, tan intensa esta que los átomos no podían formarse sin que fueran inmediatamente destruidos por ella. La radiación y la materia estaban entonces en equilibrio térmico, a una misma y definida temperatura. Al expandirse y enfriarse el universo la radiación dejó de ser lo suficientemente energética como para romper los átomos, y así empezaron a formarse los primeros elementos. La radiación empezó entonces a vagar por el universo libremente, sin interaccionar con la materia. Esa radiación la percibimos hoy en día como una señal de microondas que viene de todas partes con la misma intensidad.

El destino final del satélite Planck era el segundo punto de Lagrange del sistema Sol-Tierra, a un millón y medio de kilómetros de nuestro planeta (por comparación, recuérdese que la distancia entre la Tierra y la Luna es de 380 000 km ). Cuando un cuerpo se sitúa en un punto de Lagrange la atracción gravitatoria de los dos cuerpos en torno a los que gravita es tal que las posiciones relativas de los tres cuerpos permanecen siempre igual. En el caso de Planck, alcanzado ese punto, el satélite mantiene siempre la misma posición relativa respecto del Sol y la Tierra. Desde esa situación privilegiada, Planck puede medir continuamente la radiación de fondo de microondas.

La radiación de fondo de microondas es una radiación térmica, similar a la que emiten los cuerpos calientes. Max Planck estudió las características de la radiación térmica durante gran parte de su vida, en concreto, la que conocemos como radiación de cuerpo negro. En el año 1900, varios físicos experimentales habían medido con precisión cómo cambia la intensidad de la radiación de un cuerpo caliente en función de su temperatura y de la longitud de onda. Uno de ellos, Heinrich Rubens, comunicó personalmente a Planck el 7 de octubre que las últimas medidas se desviaban de las fórmulas previamente propuestas. Probablemente ese mismo día, Planck encontró una fórmula matemática que se ajustaba perfectamente a los resultados experimentales. Esta fórmula, conocida como ley de Planck, ha resistido todas las pruebas experimentales realizadas desde entonces. La radiación de fondo de microondas se ajusta a ella con precisión.

El hallazgo de Planck fue una mezcla de disposición de los datos adecuados, sabiduría, capacidad e inspiración: dispuso de los datos antes que nadie porque los físicos más avanzados de la época trabajaban en su entorno; sabiduría, porque conocía a fondo el problema y los avances teóricos más recientes que había sobre él; capacidad, porque tenía una sólida formación matemática, e inspiración porque cuando escribió su fórmula en un papel por primera vez no lo hizo mediante una demostración rigurosa, como consecuencia inevitable de primeros principios, sino para ver si modificando un poco una ley previa podía reproducir los experimentos. Fue, por tanto, un descubrimiento empírico.