Vida de Max Planck

Max Planck

Planck nació en Kiel, Alemania, en 1858. Sexto hijo de un profesor de leyes en la Universidad de Kiel, descendía de una estirpe de académicos; su abuelo y su bisabuelo habían sido también profesores.

Cuando tenía nueve años, su padre aceptó un empleo en la Universidad de Munich. En el colegio al que asistió en Munich había un excelente profesor de matemáticas y física, y el joven se interesó mucho en estas dos disciplinas. Siempre estuvo entre los mejores estudiantes.

Planck entró a estudiar física en la Universidad de Munich pero no congenió con su profesor, Philipp von Jolly Von Jolly le dijo que no había en física nada nuevo que descubrir. Descontento con la universidad, decidió trasladarse a la Universidad de Berlín, donde enseñaban los célebres físicos Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff.

Como Einstein años después, Planck se interesó en temas que no se enseñaban en los cursos; estudió el trabajo de Rudolf Clausius sobre termodinámica en los artículos originales. Luego de graduarse, Planckescribió una tesis sobre la segunda ley de la termodinámica y la presentó a la Universidad de Munich para obtener el título de doctor. La tesis fue aprobada y Planck obtuvo su doctorado en física a los 21 años.

Como muchos doctores en física de la época, Planck estaba interesado en una carrera académica. En esa época en Alemania, si uno quería ser profesor debía comenzar como instructor, oPrivatdozent, cargo con responsabilidades docentes pero sin salario. Los Privatdozent recibían pequeños honorarios de los estudiantes por la administración de exámenes. Pero se necesitaba otro trabajo para sobrevivir. Planckfue Privatdozent en Munich de 1880 a 1885. En 1885 fue promovido a la categoría de profesor asociado, lo que significaba tener finalmente un salario regular por enseñar.

Con ingresos estables, se casó con su novia de la niñez, Marie Merck. En 1889 se trasladó a la Universidad de Berlín como profesor de tiempo completo, en reemplazo de Kirchhoff, quien se jubilaba.

Planck fue también un pianista dotado; antes de decidirse por la física, había pensado seriamente en una carrera musical. Se convirtió en uno de los científicos más importantes de su tiempo, y se hizo acreedor en 1918 al premio Nobel de física por su descubrimiento del cuanto de energía.

Obra científica:
Cuando el siglo XIX llegaba a su fin, muchos físicos se hacían preguntas sobre la tan honrada mecánica de Newton. En macular, ¿seguía describiendo toda la naturaleza? En su búsqueda, los científicos empezaron a agruparse en dos campos.

Unos buscaba la respuesta estudiando lo que se llamaba “electrodinámica”, la relación entre la mecánica y la electricidad. Los otros buscaban en la termodinámica y sus dos leyes básicas. La primera ley reconocía que la energía ni se crea ni se destruye, sino que siempre se conservaba, y la segunda ley se basaba en la idea de que el calor no pasaría de un cuerpo más frío a uno más caliente.

El estudio de la termodinámica se basaba en suponer que la materia estaba compuesta de partículas. Sin embargo, esto suponía un problema, ya que los átomos no habían sido descubiertos. En su lugar, la visión tradicional era que la matería era continua, no compuesta de discretos bloques de construcción.

A mediados de los 1870, Ludwig Boltzmann había propuesto una explicación termodinámica en la que la energía contenida en un sistema es el resultado colectivo del movimiento de muchas moléculas diminutas. Creía que la segunda ley sólo era válida en sentido estadístico, sólo funcionaba si le añadían todos los trocitos de energía a todas as pequeñas partículas.

Boltzmann tenía respaldo, pero había muchos que dudaban. Entre los detractores estaba Max Karl Ernst Ludwig Planck. Estaba fascinado con la segunda ley de la Termodinámica, pero rechazaba la versión estadística de Boltzmann porque dudaba de la hipótesis atómica sobre la que descansaba.

En 1882 afirmó falsamente: “a pesar del gran éxito de la teoría atómica en el pasado, finalmente vamos a tener que renunciar a ella, y decidir en favor de la suposición de que la materia es continua”.

Durante los años 1890, Planck empezó a ver que la hipótesis atómica tenía el potencial de unificar distintos fenómenos físicos y químicos, pero su propia investigación estaba dirigida a encontrar una solución no atómica.

En su famosa ley de radiación (1901), asegura que la radiación energética no puede ser emitida en cantidades arbitrarias, sino en ciertos paquetes que él llamó cuantos. Cada cuanto debe poseer cierta cantidad de energía, que va en aumento mientras la frecuencia oscilatoria de los electrones sea mayor, de modo que para frecuencias muy altas, la emisión de un único cuanto requeriría más energía de la que es posible obtener. De esta forma, la radiación de altas frecuencias se reduce y el ritmo con que el cuerpo pierde energía es, por consiguiente, finito. En su teoría cuántica, el físico alemán consigue explicar muy bien la emisión de radiación por cuerpos calientes, y además indica de qué manera se distribuye la energía en el espectro de radiación de cuerpos negros.

De los cuerpos negros a los quanta

Planck y sus contemporáneos miraban a las teorías electrodinámicas del físico escocés James Clerk Maxwell

para encontrar respuestas, pero fueron un fracaso. En su lugar, un nuevo entendimiento emergió cuando volvieron su atención hacia la radiación de cuerpos negros. Un cuerpo negro es un objeto teórico que absorbe toda la radiación que lo golpea. Dado que no refleja nada, es negro. Mientras que un cuerpo negro no refleja radiación, sigue radiando calor.

De otro modo, seguiría absorbiendo y su temperatura se elevaría indefinidamente. La cosa más parecida que existe hoy es el avión espía americano Blackbird, que está cubierto con un pigmento absorbente que intenta absorber toda la radiación.

La primera persona en pensar sobre los cuerpos negros había sido el predecesor de Planck como profesor de física en Berlín, Robert Kirchhoff que afirmó que semejante radiación era de una naturaleza fundamental. Para los 1890, varios físicos estaban investigando la distribución espectral de la radiación. En 1896, Wilhelm Wien pronunció una ley de radiación que cuadraba con las observaciones experimentales, pero que, según Planck, era teóricamente débil, así que la rechazó. En 1899, Planck procuró una nueva versión, que incorporaba algunas de las ideas de Boltzmann, a la que a veces se denomina la ley de Wien-Planck. Planck estaba satisfecho. En ese punto sentía que la ley se ajustaba a los datos experimentales y tenía unas bases teóricas sólidas.

Lamentablemente para Planck, se convirtió en una bella teoría destruida por los crudos hechos. Los experimentos realizados en Berlín mostraron que no funcionaba con la radiación de baja frecuencia. Después de revisar sus ideas, apareció con un nuevo concepto que incluía un valor para una constante llamada “b” y lo presentó en una reunión en la Sociedad Alemana de Física el 19 de octubre de 1900.

Si embargo, la nueva teoría aún no tenía ninguna noción de partículas o energía cuántica. A posteriori, podemos ver que la respuesta real estaba justo delante de su cara, pero estaba tan seguro de la continuidad de la materia que no podía verlo. Dos meses después, y como “un acto de despecho”, renunció a la física clásica y abrazó la cuántica. La gota final había sido un concepto desarrollado por John Rayleigh y James Jeans que se conocería como la teoría de la “catástrofe ultravioleta”. En junio de 1900, Rayleigh indicó que la mecánica clásica, cuando se aplica a los osciladores de cuerpos negros, lleva a una distribución de energía que aumenta en proporción al cuadrado de la frecuencia. Esto entraba en conflicto con todo lo conocido.