Kuantuez (I)

César Tomé

«Kuantu» hitza XIX. menderako erabiltzen bazen ere, fisikan XX. mendean agertu zen lehenengoz Philipp Lenard fisikariaren eskutik, efektu fotoelektrikoari buruzko 1902ko artikulu batean. Kontzeptuaren lehen agerpena, berriz, Max Planck fisikariari egozten zaio normalean; 1900. urtean idatzitako artikulu harrigarri batean erabili zuen. Dena den, Ludwig Boltzann fisikaria izan zen lehena proposatzen sistema fisiko bateko energia ezin zela maila diskretuetan baizik egon, 1877an.

1900eko artikulu hartan, Planckek formula bat aurkeztu zuen ordurako ezagunak zitzaizkien gorputz beltzaren erradiazio-datu enpirikoak doitzeko. Formula horretan, elektrizitatez kargaturiko «erresonadore harmoniko» batzuen E energia v maiztasunean E=hv izan behar zen. «Erresonadore harmonikoak» nolabaiteko malguki sinple batzuk ziren, eta erradiazio elektromagnetikoa igorri edo xurgatzen zuten atomoak irudikatzen zituzten; h, ostera, konstante berri bat zen, zeina beharrezkoa izan zitzaion datu esperimentalak doitzeko. Formula eratortzean, Planckek bere burua behartuta ikusi zuen, konponbide posible bakar gisa, Ludwig Boltzmann fisikariak sortu zuen gasaren entropiarako probabilitate-kalkulua erabiltzera. Planck ez zen konturatu, ordea, kalkulua gorputz beltzaren erradiaziora egokitzean, goitik behera aldatzen ari zela erradiazioa deskribatzeko erabili zituen fisika-teoriak.

Izan ere, Planckek konfiantza osoa zuen James Clerk Maxwell eta Hendrik Antoon Lorentz fisikariek egindako eremu elektromagnetikoaren deskribapenean. Planckek eta bere garaiko fisikari gehien-gehienek uste zuten erradiazioa fenomeno jarraitua zela, datuen argitan: lehenik, elektromagnetismoa eta argia bateratu izana; bigarrenik, Heinrich Hertzek frogatutako uhin elektromagnetikoen existentzia; azkenik, Maxwell eta Lorentzen ekuazioek deskribatzen zituzten hainbat uhin-fenomeno.

Fisikari gehien-gehienak, ordea, ez dira guztiak: Albert Einstein gaztea zalantzati zebilen. Planckek, gorputz beltzaren erradiazioaren dentsitate espektralaren formula sortzeko orduan, zenbait oinarri mekaniko-estatistiko hartu zituen ardatz gisa, eta Einsteinek ordurako xeheki analizatuak zeuzkan oinarri horiek. 1905 urtea heldu zenean, Einstein gazteak ondorioztatua zuen fenomeno berriak –adibidez, Lenardek deskribatzen zuen efektu fotoelektrikoa– erraz azal zitezkeela baldin eta argi monokromatikoaren energia hv magnitudeko argi-kuantu kopuru finitu bat bazen. Beraren ustez, argi-kuantu horiek espazioko hainbat puntutan daude, eta unitate gisa soilik xurgatu daitezke.

Garai berean, Einsteinek logikak eskatzen zuen hurrengo urratsa eman zuen. Plancken erradiazioaren teoriak beharrezkoa zuen erresonadoreen energia-edukiak erroan ez-jarraituak (hau da, diskretuak) izatea. Efektu fotoelektrikorako bere «hipotesi heuristikoa» erabilita, Einsteinek diskretutasuna eremu elektromagnetiko askera eta argiaren zein materiaren arteko interakziora hedatu zuen.

1907an, Einsteinek solido sinpleen bero espezifikoa, tenperatura baxuan behatzerakoan, 3Nk balio klasikotik nola desbideratzen zen azaldu zuen. Balio horretan, gramoko atomo kopurua zen N, eta k, berriz, Planckek gorputz beltzaren erradiazioan sartutako bigarren konstante unibertsal bat (hala ere, Boltzmann konstantea izena eman zitzaion). Azalpen hark hipotesi kuantikoa berresten zuen.

Einsteinen solidoen ereduan, beraz, atomo guztiak dira baliokideak eta v maiztasun berdinean dardaratzen dira beren oreka-puntuaren inguruan. Kuantuak existitzeak berekin dakar osziladore bakoitzak E_n = nhν energiak soilik eduki ahal izatea; bertan, n zenbaki arrunt bat da. Plancken formulak, berriz, 3Nk bero espezifiko klasikoa ematen du hv kT baino askoz txikiagoa den mugan (T=tenperatura). Tenperatura baxuan, non muga hori aplikatzen ez den, bero espezifikoaren balioak desbideratzen direla ikus daiteke. Beste batzuen artean Walter Nernst fisikari eta kimikariak frogatu zuen esperimentalki Einsteinen emaitzaren doikuntza, 1910ean.

Egileaz:

Cesár Tomé López (@EDocet) zientzia dibulgatzailea da eta Mapping Ignorance eta Cuaderno de Cultura Cientifica blogen editorea.

Itzulpena:

Lamia Filali-Mouncef Lazkano

Hizkuntza-begiralea:

Xabier Bilbao

Kuantuei buruz idatzitako artikulu-sorta:

• Kuantuez (I)
• Kuantuez (II)
• Kuantuez (eta III)