El annus mirabilis de Einstein (V) - ¿De qué está hecha la luz?

Octavi López Coronado / 03-11-2006

La materia parece continua, pero sabemos que no lo es. Un trozo de cobre, por ejemplo, se puede dividir en porciones pequeñas, y éstas a su vez se pueden volver a dividir en otras más pequeñas, y así sucesivamente hasta casi el infinito. Casi. Pero llega un momento en que lo que tendremos entre manos será un átomo de cobre. Y ya no lo podremos dividir en dos pedacitos de cobre más pequeños. Einstein ayudó a confirmar que la materia estaba formada por átomos y moléculas. Demostró que el calor era una manifestación de la agitación y los choques de estas moléculas, y que estos choques provocaban el movimiento Browniano. Demostró que incluso se podía medir el tamaño de las moléculas de un soluto, como es el caso del azúcar disuelto en agua.

Sin embargo la energía parecía tener una naturaleza totalmente diferente. Según la teoría del electromagnetismo de Maxwell, la energía de un rayo de luz se extiende de forma continua sobre un volumen cada vez mayor, como lo hacen las ondas de agua en un estanque. Pero Einstein no estaba cómodo con esta diferencia formal entre la naturaleza de la materia y la de la energía, de modo que propuso un cambio en la naturaleza de la energía para hacerla compatible con su privilegiada manera de ver el mundo. En su artículo Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz, publicado en Annalen der Physick en junio de 1905, expuso su incomodidad ante este asunto y lanzó una hipótesis revolucionaria: la energía de la luz está distribuida por el espacio de forma discontinua. En definitiva, proponía la existencia de cuantos de luz, los átomos indivisibles de energía que más adelante se denominarían fotones, que permitían explicar fácilmente los fenómenos físicos que la teoría de Maxwell no explicaba.

¿Qué le llevó a plantear esa hipótesis? Apenas cinco años antes, Max Planck había propuesto una solución para el problema de la radiación del cuerpo negro en la que planteó por primera vez la cuantificación de la energía. Un cuerpo negro es un concepto que utilizan los físicos para describir un objeto que no refleja la luz (por eso precisamente es negro), pero que contiene o emite radiación electromagnética a causa de estar muy caliente. Esta radiación se distribuye entre todas las longitudes de onda, pero hay más de unas longitudes que de otras, según cual sea su temperatura. La curva que describe la cantidad de radiación emitida para cada longitud de onda en un cuerpo negro depende sólo de la temperatura, y no depende de la naturaleza del objeto en cuestión.

Un hierro incandescente, por ejemplo, emite radiación con las longitudes de onda predominantes centradas en el color rojo, mientras que si aumentamos mucho su temperatura el color se vuelve blanco azulado, y la curva en cada caso responde a la de un cuerpo negro. El propio Universo es un cuerpo negro, y la radiación de fondo que nos rodea, ese remanente del Big Bang, obedece perfectamente al comportamiento de un cuerpo negro.

En la época de Planck, la curva obtenida experimentalmente que describe la cantidad de radiación para cada longitud de onda en un cuerpo negro a una determinada temperatura no se podía explicar de manera teórica. Si se consideraba que los átomos del cuerpo negro podían tener valores de energía tan pequeños como se quisiera, entonces los cálculos no salían. Planck propuso una solución: la energía de los átomos estaba cuantizada. De un valor nulo podían pasar a tener un cierto valor, pero jamás valores intermedios. En realidad él no hablaba de átomos sino de "resonadores", unos elementos en abstracto que serían los responsables de interactuar con la radiación, ya fuesen átomos, electrones, moléculas, o lo que fuera.

Planck cuantificó la energía que podía tener un elemento de materia, pero no la energía en sí. Einstein se inspiró en Planck para ir mucho más allá: para él la propia energía radiante, la luz, estaba cuantizada al viajar de un átomo a otro. Viajaba en forma de paquetes. La teoría ondulatoria de Maxwell explicaba perfectamente bien los fenómenos ópticos en los que intervenían grandes cantidades de fotones y en los que se consideraba la luz como un promedio temporal. Pero Einstein explicaba también los fenómenos en los que intervienen cantidades ínfimas de luz de manera instantánea, como son la absorción y la emisión de luz por cada átomo individual.

Y si la luz estaba constituida por pequeños paquetes, ¿por qué no considerar la luz en el interior de una cavidad como un gas? Einstein aplicó a su gas de cuantos de luz los conocimientos que se tenían del comportamiento estadístico de las moléculas, concretamente sobre la entropía (una cantidad que mide el desorden de un sistema), y observó que realmente esta cantidad dependía del volumen del mismo modo que en un gas convencional. Para obtener ese resultado, la energía contenida en cada uno de esos paquetes de luz tenía que ser inversamente proporcional a su longitud de onda.

La hipótesis de Einstein explicaría diversos misterios de la física de la época. Se había observado que cuando la luz incidía en materiales fotoluminiscentes (como el fósforo de las pantallas de televisión), la longitud de onda de la luz emitida por un material era siempre mayor o igual a la de la luz incidente. Para Einstein se trataba de una mera conclusión del principio de conservación de la energía: la energía de la luz emitida era siempre menor o igual a la de la luz incidente, la que había originado el proceso, y por eso su longitud de onda era mayor. La existencia de paquetes de luz también explicaba porqué no había un límite en la intensidad de luz por debajo del cual la luz sería incapaz de excitar el efecto fotoluminiscente. Si la intensidad es una medida de la cantidad de fotones, entonces aunque sólo llegase un fotón al material fotoluminiscente, éste ya podía ser absorbido por un átomo para emitir un nuevo fotón de menor o igual energía.

La idea de Maxwell de una luz cuya energía se extendía uniformemente sobre un área cada vez mayor tampoco podía explicar el efecto fotoeléctrico: la emisión de electrones que aparecía en algunos materiales cuando eran iluminados. Los científicos habían observado cómo el número de electrones dependía de la intensidad de la luz, lo que era compatible con la teoría de Maxwell, pero también habían visto que había una longitud de onda a partir de la cual el fenómeno no tenía lugar, por muy intensa que fuese la luz. La explicación según la nueva hipótesis de Einstein era clara: si la energía (relacionada con la longitud de onda) de cada fotón no era suficiente como para arrancar un electrón del material, entonces el fenómeno fotoeléctrico no podía tener lugar, por muchos fotones (intensidad) que se lanzasen sobre el material.

La explicación de este fenómeno le valió a Einstein el premio Nobel de Física en 1921, con cuyo importe se compró, años más tarde, una casa de veraneo en Caputh, cerca de Berlín. Allí, navegando tranquilamente por el Havel en su pequeño velero, saboreó los frutos de ese año milagroso en que compartieron la gloria su tesis doctoral a tiempo parcial, la teoría que le dio fama más allá del ámbito de la física, y la investigación que le hizo merecedor del premio más codiciado de la ciencia.

Comentarios (11)

Compartir:

Multimedia

El autor

Octavi López Coronado es Doctor en Física y divulgador científico. Actualmente trabaja como técnico de Comunicación Científica en el Área de Comunicación de la Universitat Autònoma de Barcelona.

Ver todos los artículos de Octavi López Coronado

Glosario

  • Luz
  • Fotón
  • Cuerpo negro
  • Radiación electromagnética
  • Longitud de onda
  • Big Bang
  • Electrón