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Max Planck y la teoría cuántica

Max Karl Ernst Ludwig Planck nació en Kiel, Alemania, el 23 de abril de 1858. Fue hijo de Johann Julius Wilhelm von Planck y su segunda esposa, Emma Patzig. Tuvo tres hermanos: Adalbert, Hildegard y Hermann.

Su padre era profesor de Derecho Constitucional en la Universidad de Kiel. Su abuelo y su bisabuelo habían enseñado Teología en Göttingen y su tío Gottlieb Planck fue uno de los redactores del Código Civil Alemán.

Cuando Max tenía nueve años, su familia se mudó a Múnich, donde aprovechó los estímulos artísticos e intelectuales que ofrecía la capital bávara. También disfrutaba de las excursiones familiares a la Alta Bavaria y largas caminatas alpinas.

En la escuela destacó como alumno dotado y diligente, con un fuerte sentido del deber. No mostraba ninguna inclinación particular hacia las matemáticas o la ciencia.

Sus fuertes eran la filología o estudio del lenguaje y la música. Le apasionaban los románticos alemanes como Brahms, Schubert y Schumann.

Recibió los premios escolares de catecismo y conducta casi todos los años. En 1874 pasó el examen final del Gimnasio Maximiliano, equivalente al bachillerato, con notables calificaciones. Dudó sobre qué estudiar.

Su profesor de matemáticas, Hermann Müller, le hizo desistir de sus aficiones lingüísticas y musicales, convenciéndolo de estudiar una carrera científica, para la que tenía muchas aptitudes.

Sin embargo, el reconocido físico Philipp von Jolly lo desalentó, diciéndole que la física era una ciencia con pocas perspectivas de desarrollo, porque no había nada nuevo por descubrir. Pese a su consejo, Max Planck decidió estudiar Física en la Universidad de Múnich, donde ingresó a los 16 años.

Tras una estadía de investigación en la Universidad de Berlín con los profesores Hermann von Helmholtz y Gustav Robert Kirchhoff, hizo su tesis sobre el segundo principio de la termodinámica y la entropía para obtener su doctorado en la Universidad de Múnich, donde comenzó a dar clases.

El joven investigador de 22 años no recibía pago alguno por sus servicios y se sentía culpable de seguir viviendo con sus padres, siendo una carga financiera para ellos. Debía hacerse un nombre y probar sus méritos para cualquier plaza disponible como profesor.

Planck trabajó como conferencista de Física en la Universidad de Múnich durante cinco años. Luego fue profesor asociado de Física Teórica en la Universidad de Kiel y permaneció en su ciudad natal durante cuatro años, ganándose una reputación científica.

Con un buen sueldo, pudo fundar su propio hogar. En 1887, a los 29 años, se casó con Marie Merck, su novia de la infancia e hija de un banquero de Múnich.

Dos años después fue contratado por la Universidad de Berlín, donde sustituyó en la cátedra a su antiguo profesor Kirchhoff. Planck comenzó a adquirir fama por sus logros como físico y a involucrarse en la vida científica de su país.

Durante la última década del siglo XIX, existía entre los científicos la convicción de que la física había llegado a la cumbre de su desarrollo. Creían que la mecánica de Newton y la teoría electromagnética de Maxwell eran suficientes para explicar todos los fenómenos de la naturaleza.

En la Navidad de 1900, Planck presentó ante la Academia de Ciencias de Berlín un postulado que conmocionó al mundo científico, al resolver un viejo problema y sacrificar ideas muy enraizadas.

El problema era explicar cuánta radiación emitía un cuerpo caliente. Se sabía que su intensidad aumentaba con la longitud de onda hasta un valor máximo, pero luego disminuía. También que esas radiaciones se producían por las vibraciones de los átomos.

Planck quería buscar una ecuación que describiera cuánta radiación se emitía para todas las longitudes de onda imaginables. El problema se conocía como la radiación del cuerpo negro, un emisor ideal que emite y absorbe energía a todas las longitudes de onda.

Si al estudiar un cuerpo negro, una cavidad con ondas electromagnéticas a la cual se ha hecho un agujerito por donde pueda escapar la radiación, se unen la mecánica y la teoría electromagnética clásicas, resulta que a mayor frecuencia de las ondas, mayor es la energía emitida.

Esto no concuerda con lo observado experimentalmente; desde el punto de vista teórico, constituye una catástrofe. Si además ocurre a frecuencias altas, como la de la luz ultravioleta, tal desastre de la física decimonónica recibió el apelativo de Catástrofe Ultravioleta.

Para eliminarla, Planck renunció a la física clásica. Formuló que la energía se radia en unidades pequeñas y separadas que denominó cuantos, del latín quantum, que significa “una porción de algo”.

Su teoría demostró que, además de la estructura atómica de la materia, hay otra de la energía, gobernada por una constante universal. Es la famosa Constante de Planck, simbolizada con la letra h, usada para describir el nivel de energía de los cuantos.

La Ley de la Radiación de Planck proporcionó la primera determinación exacta de las magnitudes absolutas de los átomos, al establecer que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal.

Con esta rara suposición, tan ajena a la física clásica, Planck pudo explicar lo observado experimentalmente en la radiación que emite un cuerpo cuando aumenta su temperatura.

La idea de los cuantos se origina en un problema termodinámico, que era un verdadero quebradero de cabeza para los científicos de fines del siglo XIX.

Sin embargo, sus descubrimientos no invalidaron la teoría de que la radiación se propaga por ondas. En la actualidad, los físicos creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de ondas y partículas.

Verificados por otros científicos, permitieron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, la mecánica cuántica, base para la investigación de la energía atómica.

Max Planck nunca avanzó en una interpretación significativa de sus cuantos. Basándose en su trabajo, Albert Einstein publicó en 1905 su teoría sobre el fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.

Dados los cálculos de Planck, Einstein demostró que las partículas cargadas absorbían y emitían energía en cuantos finitos que eran proporcionales a la frecuencia de la luz o radiación. Ambos genios colaboraron estrechamente a lo largo de sus carreras.

Basándose en Planck, muchos científicos crearon la mecánica cuántica, la construcción intelectual más grande de la historia. Explica lo que ocurre en los átomos y es la base de nuestra concepción actual del universo. Toda la física anterior a Planck se considera clásica y la moderna fue iniciada por él en 1900.

Planck era venerado por la importancia de sus descubrimientos y sus cualidades personales. Apoyó a jóvenes talentos, promovió soluciones innovadoras para la organización científica y tomó responsabilidades oficiales en diversas sociedades e instituciones.

Estaba dedicado a la Sociedad Alemana de Física, la cual encabezó de 1905 a 1909, cuando su esposa Marie murió tras 22 años de matrimonio, dejándolo con dos hijos varones y unas gemelas. Un año después, el científico se casó con su prima Marga von Hösslin.

Su hijo mayor Karl falleció en el frente de combate durante la Primera Guerra Mundial, en 1916; su hija Margarete murió de parto al año siguiente y su gemela Emma en 1919.

Max Karl Ernst Ludwig Planck también tuvo momentos de alegría. Recibió el Premio Nobel de Física 1918, a los 60 años, “en reconocimiento por los servicios que prestó al avance de la física por su descubrimiento de la energía cuántica”.

La música fue una constante en su vida, en particular de Beethoven, Schubert y Brahms. Planck era un excelente pianista y gran atleta. Incluso a una edad avanzada, practicaba el alpinismo. Subió a la cumbre del Jungfran para celebrar su cumpleaños 72.

En 1930 fue elegido presidente de la Sociedad Káiser Guillermo para el Progreso de la Ciencia, la principal asociación de científicos alemanes.

Tres años después, cuando el régimen nazi llegó al poder en Alemania, se opuso a las persecuciones, intervino a favor de sus colegas judíos y elogió a su amigo Einstein, quien fue denunciado.

Sintió que era su deber permanecer en su patria e incluso se reunió con Hitler, intentando detener las acciones contra los científicos judíos. El canciller no le hizo caso y Planck renunció a la presidencia de la sociedad.

Durante la Segunda Guerra Mundial, su casa en Berlín fue destruida por las bombas y perdió todas sus pertenencias, incluyendo sus cuadernos de apuntes y diarios científicos.

Lo peor fue cuando su hijo menor Erwin fue arrestado, acusado de estar implicado en un intento de asesinar a Hitler en 1944. El joven, que se había convertido en su consejero más confiable durante los difíciles años de la dictadura nazi, murió de forma horrible en manos del Gestapo, ejecutado por alta traición.

Planck soportó todas las adversidades sin una queja. Cuando terminó la guerra, estaba refugiado en la propiedad campestre de un amigo industrial. Algunos colegas estadounidenses lo escoltaron a Göttingen, junto con su segunda esposa y el hijo de esta.

Vivió entre parientes, en circunstancias muy modestas. Fueron años de enfermedad y fragilidad, pero el anciano deseaba servir en la reconstrucción de la ciencia alemana.

En 1946, a los 88 años, soportó los rigores de un viaje a Inglaterra para tomar parte en las celebraciones a Newton de la Real Sociedad, de la cual era miembro extranjero, así como usar su influencia personal para promover una nueva Alemania.

Asumió otra vez la presidencia de la Sociedad Káiser Guillermo, durante un periodo de transición. Max Planck murió el 4 de octubre de 1947, a los 89 años.

Su funeral y la conmemoración de los 90 años de su natalicio, en abril del siguiente año, fueron manifestaciones impresionantes de la estima del pueblo alemán hacia su figura.

Sobre la lápida de su tumba en Göttingen aparece grabada la letra h, que simboliza la Constante de Planck. Tras su muerte, la Sociedad Káiser Guillermo para el Progreso de la Ciencia fue nombrada Sociedad Max Planck.

Aunque los físicos todavía discuten su significado cabal, la teoría cuántica de Planck es la base de la ciencia moderna. Explica tanto el mundo subatómico como las vastedades del cosmos.

En el campo de la física, se han explorado distancias hasta de una cienmillonésima parte de las distancias atómicas, sin que se hayan detectado desviaciones de la mecánica cuántica. Hoy en día, está presente en toda la tecnología de punta.

Aunque Max Planck no se dio cuenta plenamente de sus alcances, su hipótesis planteada el 14 de diciembre de 1900 fue el comienzo de una revolución que cambió la imagen de la naturaleza que percibimos por los sentidos.

La cuántica nos dice por qué funcionan los transistores y las computadoras. Pero tal vez su importancia filosófica la hace tan interesante. Según sus postulados, no existe certeza absoluta sobre ningún suceso del universo.

 

Investigación y guión: Conti González Báez