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miércoles, 21 de marzo de 2018

Catástrofe Ultra blanca.


21 de marzo, la primavera va llegando, nos preparamos para vivirla intensamente. Atrás quedan las noches de invierno en las que nos sentamos –acompañados-  frente a la chimenea y nos dejamos hipnotizar por las formas del fuego. Esas horas en las que notamos no sólo las figuras caprichosas que forman las llamas sino sus distintos colores: azules, rojos, amarillos. 
Atrás queda también el deleite con el que nos servimos otra copa de vino para seguir observando la madera arder y continuar la conversación sobre temas de literatura o de gastronomía. Lindas esas noches de invierno en las que la plática se vuelve más íntima a medida que la leña y el vino se consumen.  No son noches como esas las que propician hablar de física.
Pero ahora la primavera ha llegado, ya no estamos frente a la chimenea.  Veo a la gente vestirse de blanco  para salir a “cargarse de energía” visitando alguno de los centros de cultura prehispánica y vuelvo a pensar en la madera ardiendo, en la luz que genera y decido que ahora, con el calor,  es mejor momento para hablar un poquito de física.  Pienso en que no únicamente los troncos que se queman producen luz, es decir radiación electromagnética en la región visible del espectro. También lo hace el filamento caliente de un foco o un pedazo de metal calentado en una forja. El Sol mismo, es un gas muy caliente, emitiendo luz.
La asociación de fuego, calor y luz debe ser inmemorial. Los primeros hombres habrán aprovechado el fuego para quitarse el frío y se habrán extasiado igual que nosotros frente al abigarrado oscilar de las flamas.  Sin embargo pasaron muchos años, de hecho hasta mediados del siglo XIX, para poder responder a la pregunta de qué colores se observan cuando un objeto como un metal o un gas, se calienta.
Ya para 1862 había suficientes datos experimentales que permitían conocer la forma en que la energía calorífica emitida por un cuerpo caliente se distribuía entre las diferentes frecuencias o longitudes de onda visibles o no. Fue en ese año que el alemán Gustav Kirchhoff, también conocido por el estudio de los circuitos eléctricos, acuña un término que marcaría la historia de la física: “la radiación de cuerpo negro”.
El cuerpo negro es un límite teórico para designar a un objeto que absorbe el 100% de la energía que recibe. Los metales bien pulidos reflejan la energía que incide sobre ellos y por lo tanto son malos para absorberla. De hecho es una práctica más o menos común pintar de plateado los techos de algunas casas para evitar que se calienten. Los objetos oscuros en cambio absorben la mayor parte de la energía que reciben.
Por esa misma razón la gente en invierno se viste de colores oscuros que son más “calientitos”, es decir absorben más la energía y en época de calor se viste de colores claros. En ciudades de climas cálidos la gente viste de blanco, no para recibir energía sino todo lo contrario para estar fresca. Así que no deja de seguir llamando mi atención cada año, el que la gente que va a cargarse de energía a las pirámides, se vista de blanco. Con ropas de ese color recibirán menos energía que con prendas blancas.
Pero dejemos de lado un rato a quienes van a las pirámides a cargarse de energía y  terminemos la historia de la radiación del cuerpo negro que fue motivo de estudio por parte de los mejores físicos de finales del siglo XIX, entre ellos Wien, Rayleigh, Boltzmann, Jeans, Stefan,  y claro Planck.
Los datos experimentales mostraban que la longitud de onda de la radiación emitida, depende de la temperatura. Wilhelm Wien encontró que la longitud de onda del máximo de radiación multiplicada por la temperatura de emisión es una constante. A este hecho lo conocemos hoy como la ley de Wien.
Josef  Stefan y Ludwig Boltzmann encontraron que la cantidad de energía emitida por una superficie en un tiempo dado es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Esta es la ley que conocemos como de Stefan-Boltzmann.
Faltaba una formulación teórica que “explicara” la forma de la curva experimental de la radiación del cuerpo negro. Con la física de ese tiempo, anterior a la mecánica cuántica,  Rayleigh y Jeans, dos de los físicos más prominentes de la época propusieron una hipótesis para tratar de hacerlo. Basaron su razonamiento en un resultado obtenido por Maxwell, conocido como equipartición de la energía, según el cuál la energía total disponible debía distribuirse por igual entre todas las frecuencias posibles.
Su modelo reproducía bien los datos experimentales en la zona de las frecuencias bajas, pero predecía un crecimiento infinito en la región ultravioleta.  Creo que fue Paul Ehrenfest, discípulo de Boltzmann, quien bautizo este hecho como la “catástrofe ultravioleta”.
Quien finalmente creó una hipótesis para explicar teóricamente la radiación del cuerpo negro fue Max Planck. Su propuesta -la cuantización de la energía-  fue tan revolucionaria que revolucionó la física del siglo XX.
Pero en fin, hoy la gente se vestirá de blanco y se ira a cargar de energía, ¿no es una catástrofe?

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