En el blog tenemos una discusión acerca de la física del cuerpo negro que recomendamos leer:
En esta entrada estamos más interesados
en discutir qué era lo que realmente estaba buscando Planck, qué ideas
tuvo que asumir y qué supuso para él, a nivel intelectual, esta actitud.
La Entropía
Entropía en Chino
La entropía es, sin duda alguna, uno de
los conceptos más simples y a la vez más profundos de la física. Lo
único que nos indica esta magnitud es:
- Los sistemas están compuestos por constituyentes microscópicos.
- La entropía no es más que el número de estados microscópicos que dan lugar a una configuración macroscópica dada.
Supongamos que tenemos un gas. Desde el
punto de vista macroscópico este gas estará descrito por un conjunto
reducido de variables que podrán ser medidas fácilmente con métodos al
alcance de la mano. Para un gas las magnitudes más representativas son
la presión, el volumen y la temperatura.
Sin embargo, sabemos que el gas está
constituido por moléculas, por muchas, muchas moléculas. Estás tendrán
una posición en cada instante (determinada por tres coordenadas) y una
velocidad en cada instante (determinada por tres componentes del vector
velocidad). Así que si queremos describir el sistema de forma
microscópica tendríamos que considerar todas las posiciones (3 datos) de
todas las moléculas y todas las velocidades (otros 3 datos) de todas
ellas. Eso nos da un total de 6 x muchos muchas moléculas.
Supongamos que hemos determinado que el
gas se encuentra a una presión, volumen y temperatura dadas. La entropía
no es más que el número de situaciones de 3 datos de la posición y 3
datos de la velocidad por cada molécula de forma que sea consistente con
los valores de presión, volumen y temperatura macroscópicos.
Así pues, la entropía es un reflejo de
que los sistemas están compuestos por constituyentes microscópicos
(moléculas, átomos, partículas elementales, etc) y que estos pueden
estar en distintos estados que nos dan lugar a un estado macroscópico
concreto.
Para una discusión más pormenorizada del concepto de entropía:El bueno de Boltzmann
La descripción anterior de la entropía
está basada en la idea introducida por Boltzman. En Cuentos hemos
hablado de esta en algúna ocasión:
Boltzmann introdujo la idea de que la entropía no era más que el
número de estados microscópicos compatibles con una situación
macroscópica dada. Esta idea que actualmente está totalmente aceptada,
principalmente porque sabemos que los sistemas están constituidos por
elementos más básicos, obtuvo una gran resistencia a ser asumida en los
tiempos en la que fue propuesta. Desgraciadamente, esta actitud general
ante el genial trabajo de Boltzmann le produjo una depresión que llevo a
este genial científico al suicidio.Y entonces llegó Planck
- Fue el primero en dar una explicación teórica del espectro del cuerpo negro.
Estas curvas, que esencialmente nos
informan de la energía (potencia) emitida por la superficie de un cuerpo
que refleja totalmente toda la radiación que les llega, no habían
podido ser explicadas en base a las ideas de la termodinámica y el
electromagnetismo clásico.
- Para dar una explicación al espectro del cuerpo negro, Planck tuvo que asumir que sus parede estaban constituidas por elementos microscópicos que se comportaban como osciladores armónicos, (muelles que oscilan a una determinada frecuencia como idea pedestre).
- Para poder calcular la entropía de este sistema Planck tuvo que asumir, en contra de sus prejuicios, la ideas de Boltzmann. Planck, que era uno de los mayores expertos mundiales en termodinámica clásica, no creía en la imagen de los sistemas compuestos por entidades más básicas a las que se le pudieran aplicar las reglas de Boltzmann para el cálculo de la entropía. Él usaba argumentos clásicos considerando que los sistemas eran un “continuo”.
- En cuanto tomo la decisión de considerar las paredes del cuerpo negro como un conjunto de osciladores se topó con la necesidad de asumir que estos osciladores no podían tener cualquier energía. La energía de estos bichos tendría que ser exactamente una cantidad dada por el producto de la frecuencia del oscilador multiplicada por una cantidad constante. Aquí nace la constante de Planck.
Esta constante es la que indica cuando
los efectos cuánticos se hacen apreciables en un sistema y no podemos
seguir describiendo su comportamiento según las leyes de la física
clásica.
¿Qué significó el trabajo de Planck?
Sin quitar mérito alguno al trabajo de
este gigante de la física el trabajo de Planck estuvo forzado única y
exclusivamente por una idea:
“Quiero entender el espectro del cuerpo negro como sea”
Para ello, Planck, tuvo que aceptar varias cosas que iban totalmente en contra de todo lo que él consideraba correcto:
- Tuvo que usar el trabajo de Boltzmann, que siempre consideró como una idea útil de cálculo sin ningún contenido físico. Al menos en los primeros años tras su trabajo fundacional de la cúantica.
- Tuvo que admitir que la energía a la que interaccionaba la radiación electromagnética con las paredes del cuerpo negro no podía tener cualquier valor (lo que iba en contra de todo el elecromagnetismo y la termodinámica clásica).
- Tuvo que introducir una nueva constante física que determinaba el rango en el cual dejaba de tener validez la física clásica conocida hasta el momento.
Pero gracias a estos trabajos la
maquinaria de pensar de los físicos se puso en marcha. Pero el que sin
ninguna duda fundamentó todo este trabajo y todas estas ideas fue un tal
Alberto Einstein que extendió el trabajo de Planck y le dio categoría
de ley física a la definición de entropía de Boltzmann.
El caso es que hoy es un gran día para decir:
MUCHAS FELICIDADES, CUÁNTICA. Y MUCHAS GRACIAS POR TANTAS Y TANTAS SOPRESAS.
Lecturas recomendadas:
Del efecto Doppler a los cuantos de Planck Por pedrokb en Cuentos Cuánticos.Planck, M. On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum Annalen der Physik, vol. 4, p. 553 ff (1901)
Planck, Entropy and Quanta
Tomado de: http://cuentos-cuanticos.com/2012/12/14/nacimiento-cuantica/
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