En el episodio de hoy, hablamos del padre de la cuántica. Hablamos del que resolvió el problema del cuerpo negro. Uno de los científicos más brillantes de nuestra época, un amigo de Einstein sin el cual Albert no hubiera obtenido su premio Nobel. Hoy, en AstroPodcast, hablamos de Planck.

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Cabecera

A: Jairo, tenemos un problema. No sé qué chiste meter en este episodio.

J: Uy, pues eso es gordo. A ver, aviso a Karaka, y nos cuentas de qué va el episodio. KARAKAAAAA, TE NECESITAMOS.

K: ¿Qué? ¿Qué os pasa? ¿Cuál es la tontá de hoy?

A: Pues ese es el problema, que no se me ocurre. Quiero preparar unos cuantos chistes de cuántica, pero es que son poco graciosos.

J: ¿Cuántos?

A: No, cuántica. Entonces, puedo hacer el clásico de “cómo suena un electrón contra una plancha de metal, PLANCK”. Pero claro, tienes que saber quién es Planck, qué es el efecto fotoeléctrico…

J: Un chocho, vamos.

K: ¿Y si no ponemos chiste en este episodio? Yo a favor de derrocar esta dictadura del chiste sin gracia.

J: No hombre, aunque sea, hacemos un chiste de otra cosa. Por ejemplo, Alfonso, ¿tú qué piensas de las hipotecas?

A: Cómo que las hipotecas.

J: Hombre, yo estoy a favor de que los hipopótamos tengan un lugar para bailar. Karaka, ¿pero dónde vas?

K: A poner el episodio, que no os quiero escuchar ya más.

Intro

Desde que el ser humano tiene memoria, siempre ha mirado al cielo. Estrellas, planetas,  constelaciones y demás movidas del inmenso, insondable, oscuro, aterrador, insultantemente largo a lo ancho y ancho a lo largo, caótico por naturaleza y nada acogedor espacio. Pero… ¿conoces el origen de sus historias? Empieza Astro.

Historia

A pesar del chiste de la entrada, hoy no hablamos de Schrödinger. No, hoy hablamos de Max Planck, padre de la física cuántica y premio nobel de física.

Nacido en Alemania en 1858, Max Planck se crió en un ambiente ampliamente académico. Su abuelo y su bisabuelo fueron profesores universitarios de teología. Su tío fue jurista en Gotinga y su padre, profesor universitario de derecho. Y aunque por su familia corría la sangre de las humanidades, a Planck, desde pequeño, le llamaba la ciencia.

En 1874, con apenas 16 añitos, el joven Planck se plantó frente a su profesor de física con la típica pregunta que muchos nos hemos hecho alguna vez: "¿Y yo qué estudio?". El profesor, sin cortarse un pelo, le soltó algo así como: "Mira, muchacho, la física está acabada. En nada lo sabremos todo y no habrá más que descubrir". Pero Planck, con ese espíritu curioso que le caracterizaba, le contestó que, a él, lo que le gustaba era la física, que quería entender cómo funciona el mundo de verdad. Así que, sin pensárselo mucho más, decidió tirarse de cabeza a estudiar física.

Un inciso aquí. El tema de “no queda mucho más por descubrir” era una opinión muy extendida a finales del siglo 19. Estamos hablando de tres o cuatro décadas antes de que se produjeran los grandes descubrimientos de la física moderna: la teoría de la relatividad, la mecánica cuántica y el descubrimiento de la materia subatómica. Pero los científicos del momento creían que ya estaba todo explicado y demostrado. Planck sería una de las grandes mentes que demostraría toda la física que quedaba aún por conocer y explicar.

Después de unos años estudiando en las principales universidades alemanas, un joven Planck de 21 años terminó su tesis doctoral. Decidió pasar los siguientes años de su vida dedicándose a la docencia universitaria, empezando en Múnich. Sin embargo, su carrera realmente despegó en la Universidad de Berlín, donde pasó 37 años. Allí no sólo alcanzó algunos de sus mayores logros académicos, sino que también fundó la Sociedad del Emperador Guillermo para el Avance de la Ciencia.

Desafortunadamente, Planck tuvo la mala suerte de vivir en Alemania durante la segunda guerra mundial. Y, para colmo, estaba en desacuerdo con los señores enfadados que estaban al mando del país por aquel entonces. A pesar de su prestigio, cuando pidió que dejaran trabajar a sus colegas científicos judíos, su petición fue denegada. Pero aquí no acaba su tragedia personal. En 1944 su casa de Berlín fue completamente destruida por un bombardero aéreo. Un año después, su hijo fue ejecutado a manos del servicio secreto del régimen.

Planck falleció en 1947, en su ciudad natal de Gotinga, que en ese momento estaba bajo ocupación de las fuerzas aliadas. Tras su muerte, la Sociedad del emperador Guillermo para el Avance de la Ciencia fue renombrada en su honor como la Sociedad Max Planck. Hoy en día, esta organización dedica sus esfuerzos al estudio de la ciencia y la tecnología, siendo una de las más prestigiosas que existen.

Ley de Planck

Ahora que conocemos un poco lo complicada que fue su vida, hablemos de sus aportes a la ciencia. En 1901, realizó su contribución más importante: la “ley espectral de la radiación del cuerpo negro”. Para entenderla, necesito que os imaginéis una caja completamente cerrada y vacía por dentro. Y con un pequeñito agujero en una de las paredes. Nada, minúsculo, casi del tamaño de un alfiler. Y claro, es una caja negra. No es sólo que la hayan pintado de negro, es que no refleja nada. Una absorción perfecta de toda la luz y el calor, mejor que la bayeta y el papel de cocina con el agua.

Bueno, pues en 1858, los científicos empezaron a interesarse mucho en la capacidad de los materiales para absorber energía. Y claro, como todos sabían lo que era ponerse una camiseta negra en verano y cocerse al Sol, decidieron cubrirlo todo con pintura negra y tomar medidas. El primer avance fue descubrir que la cantidad de radiación emitida dependía de la temperatura del cuerpo. A más frío estuviese el cuerpo, menos energía emitía. Esto era de esperar y ya se conocía que la energía y la temperatura estaban estrechamente relacionadas.

Pero la cosa se puso interesante cuando intentaron caracterizar mejor esa energía emitida. Tras las primeras medidas, llegaron a la conclusión de que esa energía se perdía en forma de onda electromagnética a unas frecuencias bastantes altas. ¡Perfecto, sabemos cómo funcionan las ondas electromagnéticas!, pensaron los físicos del momento. Pero, comparando las radiaciones de cuerpos negros de distinto tamaño entre sí, se dieron cuenta de una serie de… imprecisiones.

Veréis, la teoría clásica indica que, a más alta sea la frecuencia de una onda, más energía tiene. Esta lógica implicaba que un cuerpo negro que emitiese radiación ultravioleta debía emitir una enorme cantidad de energía. Sin embargo, las medidas decían lo contrario: los cuerpos emitían menos energía a frecuencias más altas. Si esto no fuese así, los objetos que emiten radiación ultravioleta, como por ejemplo nuestro Sol, tendrían una energía casi infinita. Lo cual sería un problemón gordo.

Bueno, esto traía de cabeza a los científicos de la época. Propusieron varias explicaciones para dar luz a este fenómeno, destacando la ley de Rayleigh y la ley de Wien. La ley de Rayleigh se acercaba mucho a la realidad hasta la radiación infrarroja, una frecuencia más baja. La de Wien era muy precisa para las medidas en las frecuencias más altas, las ultravioletas. Pero cuando se trataba de la luz visible, ninguna arrojaba resultados exactos. Y claro, eso de tener dos leyes diferentes con dos ecuaciones distintas para describir el mismo fenómeno… pues no hacía mucha gracia en la comunidad científica. Además, esta falta de precisión significaba que no podrían preceder la cantidad de energía emitida por el Sol, una bombilla o incluso de una vela. Menos mal que la física estaba ya casi resuelta, ¿eh?.

Aquí es donde entra en juego Planck con su gran descubrimiento: la famosa “ley de Planck”. Su idea fue considerar que la energía que emitía el cuerpo no se perdía de manera continua. Al contrario, propuso que la energía se perdía en pequeños paquetitos, o cuantos (de aquí viene el término “cuántico”). ¿Y en qué se basan estos paquetitos de energía? Planck defendía que un cuerpo no emite energía así a lo loco. Lo hace de forma ordenada, en ciertos momentos y a ciertas frecuencias. Dicho de otra forma, cada cierto tiempo enviaba un paquetito de energía a una cierta frecuencia.

Este concepto resultó ser la clave para explicar todos los efectos descubiertos hasta el momento. La ley de Planck establecía que para una temperatura constante, el cuerpo negro emite una cantidad de energía distribuida inequívocamante entre ciertas frecuencias. O lo que es lo mismo, las ondas electromagnéticas emitidas iban a tener asociada una determinada amplitud para cada frecuencia. Y, lo más importante, calculaba que la cantidad total de energía emitida dependía solo de la temperatura del cuerpo. La misma regla valía para el Sol que para una vela, resolviendo los problemas de insomnio de muchos físicos del momento.

Aunque la ley de Planck y su constante se crearon para explicar cómo un cuerpo negro emitía radiación, él no imaginó el gran impacto que tuvo este descubrimiento. La constante de Planck, como ya mencionamos en un episodio anterior, fue una de las bases de la teoría cuántica, la cual esperamos poco a poco comenzar a desgranar.

Pero es también gracias a Planck que tenemos conceptos como el de la temperatura de color. Cuando hablamos de bombillas de "luz cálida" con 2.000 kelvin o "luz fría" con 6.000 kelvin, nos referimos a la temperatura de color de un cuerpo negro que emitiría ese tono de luz. Es decir, 2.000 y 6.000 grados kelvin, ni más ni menos, vaya.

Otro invento que debemos a Planck y a sus descubrimientos, son las cámaras térmicas. Si la cantidad de energía emitida por un cuerpo negro a una única frecuencia depende sólo de la temperatura, medir la energía a una única frecuencia implica saber la temperatura del cuerpo. Y así es como podemos ver la temperatura de las cosas en tiempo real.

Misión Planck

No queremos cerrar este episodio sin hablar un poquito de la misión Planck. ¿Y qué es la misión Planck? Bueno, pues la cámara térmica más cara que se haya inventado jamás.

Enviada al espacio por la Agencia Espacial Europea en 2009 desde la guayana francesa, el objetivo del satélite Planck era detectar variaciones en el fondo cósmico de microondas. Del fondo cósmico hablamos en el episodio del Big Bang, pero para hacer un breve repaso, es la energía residual que quedó tras la gran explosión que dio origen al universo. Y, curiosamente, esa radiación corresponde a la de un cuerpo negro cuya temperatura es de 2.72 grados kelvin. Esto es casi el cero absoluto.

Pero los científicos decidieron que esos dos decimales no eran suficientes. Querían medir esas variaciones con una precisión de hasta 6 o 7 decimales. Estas pequeñísimas diferencias son las huellas dejadas por las semillas que luego se convertirían en galaxias y cúmulos.

Para realizar estas medidas de alta precisión, el satélite Planck observaba el cielo en nueve bandas del espectro electromagnético, desde longitudes de onda de un centímetro hasta un tercio de milímetro, lo que corresponde al rango de la longitud de onda que va desde las microondas hasta el infrarrojo lejano. Los detectores de Planck se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto ya que, de otro modo, su propia emisión de calor alteraría las medidas.

Y hay que decirlo: la misión fue un éxito rotundo. Si buscáis imágenes del fondo cósmico de microondas en Google, o si estáis viendo el vídeo en Youtube o Spotify, las imágenes que podéis observar han sido obtenidas gracias a la misión Planck. El aumento en la precisión de las medidas fue de al menos 3 veces mayor que la de misiones previas como la iniciada a principios de la década de los 2000.

Además, gracias a esta misión, pudimos confirmar cosas alucinantes sobre el universo: por ejemplo, que está compuesto en un 26% de materia oscura, el número de neutrinos que existen en el cosmos, y la validación de los modelos de inflación cósmica.

Cierre

Con estos datos sobre Planck, queremos despedirnos de este primer acercamiento a la teoría cuántica. Y no os preocupéis… que habrá más.

No queremos despedirnos sin dar las gracias a las camisetas blancas en verano. Porque las oscuras meten demasiado calor. Y, por supuesto, muchísimas gracias a todos nuestros oyentes, a los que habláis del podcast con amigos y familia, y nos dejáis vuestros comentarios.

Recordamos que en la descripción del episodio tenéis un enlace a nuestro Kofi, donde si queréis, podéis prestarnos un pequeño apoyo económico y ayudar a sufragar alguno de los gastos del programa.

Nos vemos en el próximo episodio con más historietas del espacio.

¡Astro otra!