Max Planck cambió la física y nuestra comprensión del mundo para siempre cuando descubrió que los objetos calientes no irradian una gama suave y continua de energías como se había supuesto en la física clásica. En cambio, descubrió que las energías radiadas por los objetos calientes tienen valores distintos, con todos los demás valores prohibidos. Este descubrimiento fue el comienzo de la teoría cuántica -un tipo de física totalmente nuevo- que sustituyó a la física clásica para los sucesos a escala atómica.
La teoría cuántica revolucionó nuestra comprensión de los procesos atómicos y subatómicos, al igual que las teorías de la relatividad de Albert Einstein revolucionaron nuestra comprensión de la gravedad, el espacio y el tiempo. En conjunto, estas teorías constituyen los avances más espectaculares de la física del siglo XX.
De gran inteligencia y brillante en matemáticas, ciencia y música, Planck era un hombre profundamente reflexivo y ético. Tuvo una larga vida, viviendo casi 90 años. En sus últimos años vivió en Alemania la gran depresión y las dos guerras mundiales, sufriendo una sucesión de tragedias personales.
Inicios
Max Karl Ernst Ludwig Planck nació en Kiel, en la costa norte de Alemania, el 23 de abril de 1858. Tenía cinco hermanos mayores.
Su padre, Johann Planck, era un profesor de derecho que procedía de una familia académica. La madre de Max se llamaba Emma Patzig. Su padre era contable. Emma era animada y muy querida en los círculos académicos en los que se movía la familia de Max.
Max asistió a la escuela primaria en Kiel. En 1867, cuando tenía 9 años, su familia se trasladó a más de 800 kilómetros a Múnich, en el sur de Alemania, donde a su padre le habían ofrecido una tentadora cátedra.
Max se matriculó en el Maximilians Gymnasium, una escuela para niños con capacidad académica. Uno de sus profesores, el matemático Hermann Müller, se dio cuenta de que Max estaba bastante dotado para las matemáticas, así que le ofreció clases extra de astronomía y mecánica. Max aceptó la oferta con entusiasmo, y Müller enseñó a su receptivo joven alumno a visualizar las leyes de la física en su mente, un arma vital en el arsenal de los grandes físicos.
A menudo ocurre que los estudiantes con talento matemático también tienen talento musical, y este fue el caso de Max Planck, que componía música clásica, tenía una afinación perfecta y tocaba el violonchelo y el piano con maestría. Por si fuera poco, también tenía una hermosa voz para cantar.
Antes de salir del instituto, Planck decidió que se dedicaría a la ciencia como vocación mientras que la música seguiría siendo un agradable pasatiempo. Más tarde recordaría por qué eligió convertirse en un hombre de ciencia:
«como resultado directo del descubrimiento de que el razonamiento puro puede permitir al hombre obtener una visión del mecanismo del mundo que nos rodea.»
Universidad y doctorado a los 21 años
En 1874, con 17 años y siendo ya estudiante de primer año en la Universidad de Múnich, Planck habló con el profesor Philipp von Jolly sobre los méritos de la física. Jolly le contestó célebremente:
Indignado, Planck eligió estudiar física. Un día estaba destinado a encontrar pruebas para demostrar lo absurdo de las creencias de su profesor. Para ser justos con Philipp von Jolly -y aunque sea difícil de creer hoy en día dada la rápida marcha de la ciencia y la tecnología-, muchos físicos de aquella época compartían la opinión de Jolly: ¡creían que ya habían descubierto y entendido la mayor parte de lo que había en el universo por descubrir y entender!
En la universidad, Planck descubrió que no le gustaba el trabajo experimental. Su talento matemático encontró su hogar natural en el mundo de la física teórica.
Continuó disfrutando de la música. Cantó en el coro de la universidad y compuso una mini-opera.
Unas importantes vacaciones
Durante las vacaciones de primavera de 1877, cerca de su vigésimo cumpleaños, Planck se embarcó en una excursión por el norte de Italia con amigos de la universidad, entre ellos el matemático Carl Runge. Mientras caminaban, los estudiantes discutían sobre ciencia, matemáticas y su visión del mundo.
El lago de Como, en el norte de Italia, uno de los lugares por los que caminaron Max Planck y sus amigos. El senderismo en medio de un paisaje espectacular se convirtió en uno de los placeres de Planck durante toda su vida.
Berlín y la termodinámica
En el semestre de invierno de 1877, con 20 años, Planck se trasladó durante un año a la Universidad Friedrich Wilhelms de Berlín, donde recibió clases de dos de los gigantes de la física: Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff.
En opinión de Planck, cada uno de estos renombrados hombres de ciencia impartía conferencias que sólo se distinguían por su monotonía.
Sin embargo, él y Helmholtz se hicieron grandes amigos. Planck admiraba -de hecho, casi adoraba- a Helmholtz por su integridad científica, su honestidad, su amabilidad, su modestia y su tolerancia.
Una de las pasiones de Helmholtz en física era la termodinámica, el estudio de las relaciones entre la temperatura, el calor, la energía y el trabajo. Planck estaba cada vez más fascinado por la teoría termodinámica.
Inició su propio programa de trabajo en este campo, pasando interminables horas estudiando los documentos escritos por Rudolf Clausius, uno de los fundadores de la termodinámica.
A diferencia de las conferencias a las que asistía, los trabajos de Clausius le parecieron interesantes, bien expuestos y claros.
Los más altos honores y un primer trabajo
Tras su año en Berlín, Planck regresó a Múnich a finales de 1878, donde aprobó el examen estatal que le permitía enseñar física en los institutos.
Unos meses después, en febrero de 1879, presentó una tesis doctoral sobre la segunda ley de la termodinámica. Tres meses más tarde defendió su tesis en un examen oral y -con 21 años- obtuvo el doctorado en física con los más altos honores -suma cum laude-.
Por extraño que parezca, de las preguntas que le hicieron durante la defensa de su tesis, Planck sacó la conclusión de que ninguno de los profesores que le interrogaron entendió su tesis.
Un año más tarde, Planck presentó con éxito otra tesis de termodinámica para su habilitación, una titulación mucho más exigente que el doctorado, que permitía a su titular convertirse en catedrático si ese puesto quedaba disponible.
A los 22 años, Planck se convirtió en profesor de física (no remunerado) en la Universidad de Múnich. Sin salario alguno, siguió viviendo con sus padres. Sus investigaciones se centraron en la entropía, una cantidad que a veces se define en un sentido laxo como una medida de la cantidad de desorden a nivel atómico.
Vuelta a su lugar de nacimiento, y luego de vuelta a Berlín
Finalmente, casi al cumplir los 27 años, Planck se convirtió en profesor asociado de física teórica en la Universidad de Kiel, donde profundizó cada vez más en la termodinámica. Siguió avanzando en este difícil campo, pero no realizó ningún avance importante.
A la edad de 31 años, en abril de 1889, Planck regresó a Berlín para asumir las funciones de profesor de Gustav Kirchhoff, que había fallecido en el otoño de 1887.
En 1892, Planck se convirtió en profesor titular de física teórica. Según todos los indicios, sus clases eran mucho más interesantes para sus alumnos que las de su predecesor. Uno de sus estudiantes, el químico británico James Partington, describió las clases de Planck:
«No utilizaba apuntes, nunca se equivocaba, nunca vacilaba; el mejor conferenciante que he oído nunca. Siempre había muchos de pie alrededor de la sala. Como la sala de conferencias estaba bien caldeada y era bastante estrecha, algunos de los oyentes se tiraban al suelo de vez en cuando, pero esto no perturbaba la conferencia».
Dos de los estudiantes de doctorado de Planck ganarían más tarde el Premio Nobel de Física: Max von Laue y Walther Bothe.
El escenario estaba ahora preparado para el trascendental descubrimiento de Planck: la teoría cuántica.
Contribuciones de Max Planck a la ciencia
La mayoría de los físicos teóricos dejan su huella cuando son jóvenes. Max Planck tenía 42 años cuando finalmente dejó una huella indeleble en el mundo.
El problema que resolvió en 1900 fue provocado por la perplejidad ante el espectro electromagnético emitido por los objetos calientes.
La física clásica no está de acuerdo con la realidad
Cuando las cosas se calientan irradian energía. Por ejemplo, si observaras a un herrero calentando una herradura, te darías cuenta de que cuando la herradura se calienta brilla de un color rojo, y cuando se calienta aún más, brilla de un color blanco.
El metal caliente brilla, emitiendo radiación electromagnética.
Los físicos consideraron el caso de un cuerpo negro – un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él. Cuando se calienta, un cuerpo negro irradia energía en forma de ondas electromagnéticas. Estas ondas tienen una amplia gama de longitudes de onda, como la luz visible, ultravioleta e infrarroja.
Pero, en la década de 1800 la gente se dio cuenta de que los colores de la luz irradiada en los experimentos no coincidían con los predichos por la teoría. En lenguaje científico, había un desajuste entre las longitudes de onda radiadas por los objetos calientes y las predichas por las teorías clásicas de la termodinámica.
El gráfico siguiente muestra el problema. La curva negra muestra el comportamiento predicho de un cuerpo negro a una temperatura de 5000 K. La línea azul muestra el comportamiento real.
Intensidad de la radiación de un cuerpo negro frente a la longitud de onda
Compare la curva esperada por la teoría termodinámica clásica a una temperatura de 5000 K (línea negra) frente a la observada en los experimentos (línea azul). Son muy diferentes. También se muestran en verde y rojo las curvas a temperaturas algo más bajas.
Teoría Cuántica
Para hacer coincidir la teoría con las observaciones, Planck hizo una propuesta revolucionaria. Si aún no estás familiarizado con la teoría cuántica, para entender lo que propuso, puede ser útil pensar en una tabla de multiplicar -por ejemplo la tabla de tres veces- 3, 6, 9, 12, 15… en la que sólo se permiten los números divisibles por 3 y todos los demás números están prohibidos.
La idea de Planck era que la energía se emite de manera similar. Propuso que sólo se podían emitir ciertas cantidades de energía, es decir, cuantos. La física clásica sostenía que todos los valores de energía eran posibles.
Este fue el nacimiento de la teoría cuántica. Planck descubrió que su nueva teoría, basada en los cuantos de energía, predecía con exactitud las longitudes de onda de la luz radiada por un cuerpo negro.
Planck descubrió que la energía transportada por la radiación electromagnética debía ser divisible por un número que ahora se llama constante de Planck, representada por la letra h. La energía podía entonces calcularse a partir de la ecuación:
donde E es la energía, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la radiación electromagnética. La constante de Planck es una cantidad muy, muy pequeña. Su pequeño tamaño explica por qué los experimentadores de la época no se habían dado cuenta de que la energía electromagnética está cuantizada. Con cuatro cifras significativas, la constante de Planck es 6,626 x 10-34 J s.
Planck no pretendía derribar la física clásica. Su intención era encontrar una teoría que se ajustara a las observaciones experimentales. Sin embargo, las implicaciones de su descubrimiento fueron trascendentales. Había nacido la teoría cuántica -la constatación de que la naturaleza tiene estados «permitidos» y «prohibidos»- y la forma de interpretar la naturaleza nunca volvería a ser la misma.
Planck fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1918 por:
«los servicios que prestó al avance de la Física por su descubrimiento de los cuantos de energía.»
El propio Planck escribiría más tarde:
«…parecía tan incompatible con la visión tradicional del universo proporcionada por la Física que acabó destruyendo el marco de esta visión más antigua. Durante un tiempo parecía que un colapso completo de la Física clásica no estaba más allá de los límites de la posibilidad; Sin embargo, poco a poco, tal y como esperaban todos los que creían en el avance constante de la ciencia, la introducción de la Teoría Cuántica no condujo a la destrucción de la Física, sino a una reconstrucción un tanto profunda…»
La escala de Planck
La escala de Planck nació en 1899. Reemplazó el sistema de medición centrado en la Tierra de:
- un kilogramo – la masa de un litro de agua
- un metro – una diezmillonésima parte de la distancia del Polo Norte al Ecuador
- un segundo – 1⁄86400 de un día terrestre
- la velocidad de la luz
- la constante de Planck
- la constante gravitatoria
con unidades nuevas y universales basadas en:
En el siglo siguiente Stephen Hawking descubrió que la escala de Planck realmente mide algo fundamental de la naturaleza, demostrando que el agujero negro más pequeño posible tiene una masa de 1 unidad de masa de Planck, un radio de Schwarzschild de 1 unidad de longitud de Planck y una vida media de 1 unidad de tiempo de Planck.
Además, Jacob Bekenstein descubrió que cuando cualquier agujero negro acoge una sola partícula elemental que contiene 1 bit de información, el área del horizonte de sucesos aumenta 1 longitud de Planck cuadrada, lo que revela un notable vínculo entre la escala de Planck y la información.
Algunos detalles personales y el final
En marzo de 1887, con 28 años, Planck se casó con Marie Merck. La pareja tuvo cuatro hijos: Karl, Grete, Emma y Erwin.
Tragicamente, Planck viviría para ver la muerte de su esposa y de todos sus hijos. Su esposa, Marie, murió en 1909 de tuberculosis. Karl murió en combate en 1916 durante la Primera Guerra Mundial. Grete murió al dar a luz en 1917, y Emma murió también al dar a luz en 1919. (Sus bebés sobrevivieron.) Erwin fue ejecutado por los nazis en 1945 por su presunta participación en un complot para matar a Adolf Hitler.
Dos años después de la muerte de su primera esposa, Planck se casó con Marga von Hösslin. Tuvieron un hijo, Hermann. Tanto Marga como Hermann sobrevivieron a Planck.
Al igual que el famoso matemático David Hilbert, Planck era bastante mayor (74 años) cuando los nazis llegaron al poder en 1933, y siguió viviendo en Alemania bajo los nazis. Hilbert y Planck deploraban el comportamiento de los nazis y sus políticas.
Planck fue uno de los primeros científicos en reconocer la brillantez del trabajo de Albert Einstein. Le allanó el camino a Einstein para que se trasladara a Berlín y se convirtiera en profesor allí en 1914. Más tarde ambos se reunirían y disfrutarían enormemente tocando música juntos.
«En 1905, cuando Einstein, que era un empleado desconocido de la oficina de patentes suiza en Berna, envió cinco artículos revolucionarios a la revista de física que Planck editaba en Berlín, éste los reconoció inmediatamente como obras de genio y los publicó rápidamente sin enviarlos a los árbitros.»
Cuando los nazis tomaron el control de Alemania, Planck se sintió angustiado por la necesidad de que Einstein y un número creciente de científicos judíos huyeran de Alemania. En 1938 los nazis tomaron el control de la Academia Prusiana. Planck dimitió como presidente de la Academia.
En todo momento, el anciano Planck se mantuvo patriótico con Alemania, caminando por la cuerda floja de la moral, con la esperanza de que los nazis entraran en razón y actuaran de forma acorde con un gobierno alemán adecuado. Sus esperanzas se vieron cada vez más frustradas, culminando con la ejecución de su hijo Erwin por «traición» en enero de 1945.
A principios de 1944, la casa de Planck en Berlín fue arrasada en un ataque aéreo aliado. Todos sus papeles personales y registros científicos fueron destruidos.
Cuando la guerra en Europa terminó en mayo de 1945, Planck, su esposa y el hijo que le quedaba, Hermann, se refugiaron con un pariente en la famosa ciudad universitaria alemana de Göttingen. Allí murió Max Planck dos años después, a la edad de 89 años, el 4 de octubre de 1947. Hoy está enterrado en el antiguo cementerio de Göttingen. Las tumbas de Marga y Hermann se encuentran junto a la suya.
En 1948, la Sociedad Kaiser Wilhelm de Alemania fue rebautizada, convirtiéndose en la Sociedad Max Planck como homenaje al hombre que ocupó su presidencia en dos ocasiones y dio origen a la teoría cuántica. En la actualidad, la Sociedad Max Planck es una de las organizaciones científicas más exitosas del mundo, con más de 80 instituciones científicas. Desde la década de 1950, los investigadores de los Institutos Max Planck han sido galardonados con cuatro Premios Nobel de Física, ocho de Química y seis de Medicina.
«Las leyes de la Física no tienen en cuenta los sentidos humanos; dependen de los hechos, y no de la obviedad de los mismos.»
» descubrimiento se convirtió en la base de toda la investigación del siglo XX en física y ha condicionado casi por completo su desarrollo desde entonces. Sin este descubrimiento no habría sido posible establecer una teoría viable de las moléculas y los átomos y de los procesos energéticos que rigen sus transformaciones. Además, ha echado por tierra todo el marco de la mecánica clásica y la electrodinámica y ha impuesto a la ciencia una nueva tarea: la de encontrar una nueva base conceptual para toda la física.»
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Más lecturas
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El universo a la luz de la física moderna
W.W. Norton & Company, Inc, New York, 1931
R. E. Oesper
James R. Partington (1886 – )
J. Chemical Education, Vol 15, 11, Nov. 1938 p 501
Max Planck
Un estudio de la teoría física, traducido por R. Jones y D. H. Williams
Nueva York: Dover, 1960
Max Planck
Autobiografía científica y otros documentos
Biblioteca filosófica, 1968