Partículas, campos, teoría clásica y cuántica

La teoría cuántica no era algo que desearan los teóricos. La mayoría de ellos se encontraron conducidos, a su pesar, a esta extraña visión del mundo porque la teoría clásica, pese a su soberbia grandeza, tiene algunas dificultades profundas.



La principal causa es el hecho de que deben coexistir dos tipos de objetos físicos: las partículas, cada una de ellas descrita mediante un número finito de parámetros, tres posiciones y tres momentos; y los campos que requieren un número infinito de parámetros. Esta dicotomía no es físicamente consistente. Para que un sistema con partículas y campos estén en equilibrio toda la energía de las partículas debe cederse a los campos. Ésta es una consecuencia del fenómeno llamado "equipartición de la energía": en el equilibrio la energía se reparte por igual entre todos los grados de libertad del sistema. Puesto que los campos tienen infinitos grados de libertad a las partículas no les puede quedar nada en absoluto.

Los átomos clásicos no serían estables pues todo el movimiento de las partículas se transferirían a los modos ondulatorios de los campos. Cuando un electrón orbital se mueve alededor del núcleo debería emitir ondas electromagnéticas de una intensidad creciente hasta infinito en una pequeña fracción de segundo. Al mismo tiempo describiría una espiral que se cerraría y hundiría en el núcleo. Sin embargo no se observa nada de eso. Lo que se observa es bastante inexplicable sobre la base de la teoría clásica. Los átomos pueden emitir ondas electromagnéticas (luz) pero sólo en destellos de frecuencias discretas específicas: las agudas líneas espectrales observadas y características de cada tipo de elemento. Además, estas frecuencias satisfacen reglas que no tienen nada que ver con la teoría clásica.

Otra manifestación de la inestabilidad de la coexistencia de campos y partículas es el fenómeno conocido como “radiación del cuerpo negro”. En 1900 Rayleigh y Jeans habían calculado que toda la energía sería absorbida por el campo, sin límite, en lo que se ha llamado “catástrofe ultravioleta”. La energía seguiría fluyendo sin cesar hacia el campo con frecuencias cada vez mayores.


Max Planck, en ese mismo año, propuso una idea revolucionaria para eliminar los modos de alta frecuencia del “cuerpo negro”: que las oscilaciones electromagnéticas sólo ocurren en “cuantos” cuya energía E mantiene una relación definida con la frecuencia f, dada por: E= h f, siendo h una nueva constante fundamental de la Naturaleza, ahora conocida como constante de Planck. Con este ingrediente extravagante, Planck pudo obtener un sorprendente acuerdo teórico con la dependencia experimentalmente observada de la intensidad con la frecuencia, la ahora llamada ley de radiación de Planck.

Al final las radiaciones electromagnéticas sólo se podían presentar en paquetes discretos llamados fotones. La luz, después de todo, tal como había insistido Newton dos siglos antes debía estar formada de "partículas", a pesar de que a principios del siglo XIX Thomas Young demostró que consistía en ondas. ¿Ondas o partículas?. En 1923 el físico francés Louis de Broglie propuso que las propias partículas de materia se comportaban a veces como ondas. La frecuencia de la onda de Broglie f, de una partícula de masa m, satisface la relación de Planck, combinada con la relación masa/energía de Einstein.



La dicotomía entre partículas/ondas u oscilaciones del campo, que había sido una característica de la teoría clásica, no se respeta en la Naturaleza. La Naturaleza consigue construir un mundo consistente en el que las partículas y las oscilaciones del campo son la misma cosa.






Para saber más:
- "La nueva mente del emperador". Roger Penrose.
-"La luz, algo sobre su historia". LBT.
- "La física cuántica es fácil". LBT.