Finales del siglo XIX - principios del siglo XX estuvieron marcadas por el nacimiento de nuevos conceptos científicos que cambiaron radicalmente la imagen habitual del mundo. En 1887, los físicos estadounidenses Edward Morley y Albert Michelson querían confirmar experimentalmente la idea tradicional de que la luz (es decir, las oscilaciones electromagnéticas) se propaga en una sustancia especial: el éter, al igual que las ondas sonoras viajan por el espacio a través del aire.
Sin siquiera asumir que su experiencia mostraría el resultado completamente opuesto, los científicos dirigieron un haz de luz sobre una placa translúcida ubicada en un ángulo de 45 ° con respecto a la fuente de luz. El haz se bifurcó, pasando en parte a través de la placa y en parte reflejándose desde ella en ángulo recto con la fuente. Propagándose con la misma frecuencia, ambos rayos se reflejaron desde los espejos perpendiculares y regresaron a la placa. Uno se reflejaba en él, el otro pasaba, y cuando un rayo se superponía a otro, aparecían franjas de interferencia en la pantalla. Si la luz se moviera en alguna sustancia, el llamado viento etéreo tendría que cambiar el patrón de interferencia, pero nada ha cambiado durante seis meses de observaciones. Entonces Michelson y Morley se dieron cuenta de que el éter no existe y que la luz puede extenderse incluso en el vacío: el vacío absoluto. Esto desacreditó la posición básica de la mecánica newtoniana clásica sobre la existencia del espacio absoluto, el marco de referencia fundamental, en relación con el cual el éter está en reposo.
Otra "piedra" en la dirección de la física clásica fueron las ecuaciones del científico escocés James Maxwell, que demostraron que la luz se mueve con una velocidad limitada, que no depende del sistema "fuente-observador". Estos descubrimientos sirvieron de impulso para la formación de dos teorías completamente innovadoras: la cuántica y la teoría de la relatividad.
En 1896, el físico alemán Max Planck (1858-1947) comenzó a estudiar los rayos de calor, en particular, su dependencia de la textura y el color del objeto emisor. El interés de Planck por este tema surgió en conexión con el experimento mental de su compatriota Gustav Kirchhoff, realizado en 1859. Kirchhoff creó un modelo de un cuerpo absolutamente negro, que es un recipiente opaco ideal que absorbe todos los rayos que caen sobre él y no los deja salir, “forzando »Rebota repetidamente en las paredes y pierde energía. Pero si este cuerpo se calienta, comenzará a emitir radiación, y cuanto mayor sea la temperatura de calentamiento, más cortas serán las longitudes de onda de los rayos, lo que significa que los rayos pasarán del espectro invisible al visible. El cuerpo primero se volverá rojo y luego se volverá blanco, porque su radiación combinará todo el espectro. La radiación emitida y absorbida entrará en equilibrio, es decir, sus parámetros serán los mismos e independientes de la sustancia de la que está hecho el cuerpo: la energía se absorberá y liberará en cantidades iguales. El único factor que puede afectar el espectro de radiación es la temperatura corporal.
norte
Después de conocer los hallazgos de Kirchhoff, muchos científicos se propusieron medir la temperatura de un cuerpo negro y las correspondientes longitudes de onda de los rayos emitidos. Por supuesto, lo hicieron utilizando los métodos de la física clásica, y … llegaron a un callejón sin salida, obteniendo resultados completamente sin sentido. Con un aumento de la temperatura corporal y, en consecuencia, una disminución en la longitud de onda de la radiación al espectro ultravioleta, la intensidad de las oscilaciones de onda (densidad de energía) aumentó hasta el infinito. Mientras tanto, los experimentos mostraron lo contrario. De hecho, ¿una lámpara incandescente brilla más que un tubo de rayos X? ¿Y es posible calentar un cubo negro para que se vuelva radiactivo?
norte
Para eliminar esta paradoja, llamada catástrofe ultravioleta, Planck en 1900 encontró una explicación original de cómo se comporta la energía de radiación de un cuerpo negro. El científico sugirió que los átomos, que vibran, liberan energía en porciones estrictamente dosificadas: cuantos, y cuanto más corta es la onda y mayor es la frecuencia de vibración, mayor es el cuanto, y viceversa. Para describir el cuanto, Planck derivó una fórmula según la cual la cantidad de energía se puede determinar por el producto de la frecuencia de la onda y el cuanto de acción (constante igual a 6,62 × 10-34 J / s).
En diciembre, el científico presentó su teoría a miembros de la Sociedad Alemana de Física, y este evento marcó el comienzo de la física y la mecánica cuántica. Sin embargo, debido a la falta de confirmación por experimentos reales, el descubrimiento de Planck despertó interés lejos de ser inmediato. Y el propio científico presentó al principio los cuantos no como partículas materiales, sino como una abstracción matemática. Sólo cinco años después, cuando Einstein encontró una justificación para el efecto fotoeléctrico (eliminar electrones de una sustancia bajo la influencia de la luz), explicando este fenómeno mediante la "dosificación" de la energía radiada, la fórmula de Planck encontró su aplicación. Entonces quedó claro para todos que no se trataba de especulaciones vacías, sino de una descripción de un fenómeno real a nivel micro.
Por cierto, el propio autor de la teoría de la relatividad valoró mucho el trabajo de su colega. Según Einstein, el mérito de Planck radica en demostrar que no solo la materia está formada por partículas, sino también por energía. Además, Planck encontró un cuanto de acción, una constante que vincula la frecuencia de la radiación con la magnitud de su energía, y este descubrimiento puso patas arriba la física, comenzando su desarrollo en una dirección diferente. Einstein predijo que sería gracias a la teoría de Planck que sería posible crear un modelo del átomo y comprender cómo se comporta la energía cuando los átomos y las moléculas se desintegran. Según el gran físico, Planck destruyó los cimientos de la mecánica newtoniana y mostró una nueva forma de entender el orden mundial.
Video promocional:
Ahora la constante de Planck se usa en todas las ecuaciones y fórmulas de la mecánica cuántica, dividiendo el macrocosmos, que vive de acuerdo con las leyes de Newton, y el microcosmos, donde funcionan las leyes cuánticas. Por ejemplo, este coeficiente determina la escala a la que opera el principio de incertidumbre de Heisenberg, es decir, la incapacidad para predecir las propiedades y el comportamiento de las partículas elementales. De hecho, en el mundo cuántico, todos los objetos tienen una naturaleza dual, surgen en dos lugares al mismo tiempo, se manifiestan como partícula en un punto y como onda en otro, etc.
Así, habiendo descubierto los cuantos, Max Planck fundó la física cuántica, capaz de explicar fenómenos a nivel atómico y molecular, lo que está más allá del poder de la física clásica. Su teoría se convirtió en la base para un mayor desarrollo de este campo científico.
