La física cuántica nació de una serie de preguntas que desafiaban la lógica establecida. A principios del siglo XX, la comunidad científica se enfrentaba a fenómenos que la física clásica no podía explicar. Entre ellos, la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico indicaban que las leyes de la mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell no bastaban para describir el mundo microscópico.
En este contexto, surgió un intenso debate entre Albert Einstein y Niels Bohr, dos de los físicos más influyentes de la historia. Mientras que Einstein buscaba una descripción determinista de la realidad, Bohr defendía la interpretación probabilística de la mecánica cuántica. Este artículo, basado en el paper The Birth of Quantum Mechanics: A Historical Study Through the Canonical Papers, de Eren Volkan Küçük, nos lleva a través de los descubrimientos clave que dieron forma a la teoría cuántica, examinando los artículos originales que marcaron el rumbo de la física moderna.
Planck y el problema de la radiación del cuerpo negro (1900)
El punto de partida de la teoría cuántica fue el problema de la radiación del cuerpo negro. La ley de Rayleigh-Jeans predecía que la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro aumentaba indefinidamente a frecuencias altas, lo que implicaba una catástrofe ultravioleta. Sin embargo, las observaciones experimentales mostraban que la radiación se detenía en el rango del ultravioleta.
En 1900, Max Planck resolvió el problema en su artículo Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum (Planck, 1901). Propuso que la energía no podía emitirse de manera continua, sino en pequeños paquetes llamados cuantos, cuya energía estaba dada por la ecuación:
donde h es la constante de Planck y f la frecuencia de la radiación. Este resultado, aunque inicialmente visto como una herramienta matemática, marcó el inicio de la física cuántica.
Einstein y los cuantos de luz (1905)
En 1905, Einstein llevó la idea de Planck un paso más allá. En su artículo Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (Einstein, 1905), propuso que la luz no solo se emitía en cuantos, sino que estaba compuesta de partículas discretas. Esta hipótesis explicaba el efecto fotoeléctrico, donde los electrones eran expulsados de los metales solo si la luz incidente tenía una frecuencia mínima.
Einstein argumentó que la energía de estos cuantos de luz (posteriormente llamados fotones) debía ser proporcional a su frecuencia, siguiendo la misma relación descubierta por Planck. Esta idea fue revolucionaria, pues contradecía la visión clásica de la luz como una onda continua.
Bohr y la cuantización del átomo (1913)
El modelo atómico de Rutherford, propuesto en 1911, describía el átomo como un núcleo cargado positivamente con electrones girando a su alrededor. Sin embargo, según la física clásica, los electrones deberían irradiar energía continuamente y colapsar en el núcleo, lo que hacía inestable este modelo.
Para solucionar este problema, Niels Bohr propuso en 1913 un modelo cuántico del átomo en su artículo On the Constitution of Atoms and Molecules (Bohr, 1913). Bohr postuló que los electrones solo podían ocupar ciertas órbitas estables y que los saltos entre ellas estaban asociados a la emisión o absorción de fotones. Su teoría explicaba con precisión el espectro del hidrógeno, algo que el modelo clásico no podía hacer.
Bohr también introdujo el principio de correspondencia, según el cual la mecánica cuántica debía coincidir con la física clásica en el límite de números cuánticos grandes.
Sommerfeld y las mejoras al modelo atómico (1915)
En 1915, Arnold Sommerfeld amplió el modelo de Bohr incorporando relatividad y permitiendo órbitas elípticas en lugar de solo circulares. En su trabajo Zur Theorie der Balmerischen Serie (Sommerfeld, 1915), refinó las ecuaciones para explicar con mayor precisión las líneas espectrales del hidrógeno.
Además, introdujo la constante de estructura fina, que cuantificaba las pequeñas correcciones en los niveles de energía debido a efectos relativistas.
Heisenberg y la mecánica matricial (1925)
A pesar de los avances, el modelo atómico cuántico seguía basado en analogías con la física clásica. En 1925, Werner Heisenberg presentó una nueva formulación matemática en su artículo Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen (Heisenberg, 1925).
Heisenberg desarrolló la mecánica matricial, donde las magnitudes físicas como la posición y el momento se representaban mediante matrices, en lugar de valores continuos. Sus ecuaciones eliminaban la idea de trayectorias definidas para los electrones y solo permitían calcular las probabilidades de transición entre estados.
Schrödinger y la mecánica ondulatoria (1926)
Poco después, en 1926, Erwin Schrödinger propuso una visión alternativa con su famosa ecuación de onda en Quantisierung als Eigenwertproblem (Schrödinger, 1926). En lugar de matrices, utilizó funciones de onda ψψpara describir los estados cuánticos:
Schrödinger demostró que su ecuación era matemáticamente equivalente a la mecánica matricial de Heisenberg, lo que llevó a unificar ambas formulaciones en la mecánica cuántica moderna.
El principio de incertidumbre y la interpretación de Bohr (1927)
En 1927, Heisenberg formuló el principio de incertidumbre en Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik (Heisenberg, 1927). Este principio establece que no es posible conocer simultáneamente con precisión la posición y el momento de una partícula:
Esta idea consolidó la interpretación de Copenhague, desarrollada por Bohr, según la cual el acto de medir afecta la realidad cuántica.
Referencias
- Küçük, Eren Volkan. The Birth of Quantum Mechanics: A Historical Study Through the Canonical Papers. arXiv: 2503.13630v1.
Cortesía de Muy Interesante
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