La Física Clásica: Predicciones y Contradicciones

En la Física existe el mundo macroscópico y microscópico, uno de ellos se ha estudiado desde hace muchos años atrás mediante la Física Clásica, el otro surge cuando se empezó a evidenciar que habían cosas que no podían ser explicadas mediante las teorías clásicas de la Física, es por eso que hoy hablaremos un poco sobre la Física Clásica y sus contradicciones.

Ahora bien, con la mecánica de Newton y la teoría del Electromagnetismo de Maxwell firmemente establecidas, a los físicos de esa época les pareció que con estos hallazgos era suficiente para describir totalmente y de una manera muy detallada todos los sucesos de la Física. Un ejemplo de ello, está en la mecánica, como muchos sabemos la mecánica tal como la estudiaban las leyes del movimiento y la gravedad de Newton, describiría correctamente no sólo los movimientos en gran escala del sistema solar y la galaxia, sino también de los cuerpos de tamaño ordinario. Por otra parte, como se había demostrado mediante desarrollos de la teoría cinética de los gases y la mecánica estática, esas leyes parecían que también se podían aplicar también a nivel microscópico. De igual forma, gracias a los aportes de Maxwel, habían adquirido conocimiento sobre los fenómenos electromagnéticos, que había ya en esa época y que incluían a la óptica como un caso especial, la cual se terminó de desarrollar cincuenta años más tarde. Es decir, que según las apreciaciones de los físicos del siglo XIX, las leyes físicas básicas o también llamadas leyes de la física clásica, como son conocidas actualmente, pues presentaban una consistencia lógica, por ende estaban completas y podían explicar perfectamente y de una manera muy detallada todos los fenómenos del universo físico. Algunos supuestos de la cinemática y de la dinámica validos a escalas macroscópicas y a bajas velocidades, donde supuestamente son válidas las leyes de la física clásica, las podemos detallar a continuación.

1- La interacción entre el observador y el fenómeno observado no incorpora cambios perceptibles en la propiedad que se quiere determinar.

2- El movimiento se considera riguroso y exactamente determinado por las fuerzas que actúan sobre una partícula. Es decir, que se puede conocer con absoluta certeza la posición y la velocidad de un cuerpo en cualquier intervalo de tiempo, un segundo después o un millón de años, siempre y cuando se conozcan las fuerzas que actúan sobre él, la posición y velocidad del cuerpo en el tiempo de referencia a partir del momento en el que se inicia el cálculo.

3- La energía se transforma de manera continua. Si analizamos una vela encendida dentro de un cuarto, podemos saber que llena dicho cuarto con un flujo continuo de energía radiante, una piedra en caída libre aumenta gradualmente su velocidad (energía cinética) y disminuye en forma continua la altura (energía potencial gravitacional); por otra parte, una onda disipa continuamente su energía cuando se propaga en un medio dispersivo; sin embargo, cuando las partículas chocan, la energía se intercambia entre ellas en todas las cantidades inimaginables.

4- Las leyes de la física clásica se establecen en esta escala en términos de certeza y no de probabilidad. Aun cuando podemos hacer uso de términos estadísticos cuando se establecen algunas leyes como por ejemplo, de los gases. A pesar de la naturaleza azarosa de los cambios de velocidad de los millones de moléculas en colisiones, existe en cada momento una velocidad media molecular, estable bajo ciertas condiciones. En la aplicación de los conceptos estadísticos para los grandes números, existe la convicción de que se pueden resolver millones de ecuaciones que expresan el movimiento de cada molécula con una precisión absoluta sin utilizar ningún tipo de valores medios. En conclusión, el uso de la estadística es por razones de cálculo numérico y no conceptual.

No obstante, se presentan ciertas contradicciones, es decir ciertas dificultades que se han encontrado cuando se aplican las leyes de la física clásica a fenómenos microscópicos. A continuación veremos algunos fenómenos en los que las predicciones podían resulta incompatibles.

Esta es la primera predicción que encontraremos con cierta contradicción, ya que considera a los átomos como estables. Como hemos estudiado los átomos están constituidos por un núcleo con carga positiva, alrededor de él se encuentran ciertos números de electrones apropiados con carga negativa que describen orbitas, que hacen al átomo neutro eléctricamente. Para que esto pueda ser posible, es necesario, según la teoría clásica, que esos electrones aceleren al describir la órbita en torno al núcleo. Sin embargo, esto quiere decir que deber irradiar energía electromagnética y, por ende, descender gradualmente en espiral hasta el núcleo; por consiguiente, de esto se desprende que la existencia misma de los átomos contradice una o más de las facetas de la física clásica.

Esto quiere decir, que existe una contradicción con el hecho de que la energía de los sistemas microscópicos enlazados, tal como los átomos, las moléculas y los núcleos, solo pueden tomar en general ciertos valores discretos; otros valores están prohibidos. Los valores de energía disponible para dichos sistemas se les denominan como niveles de energía o valores propios de energía.

El conflicto de esta predicción radica en el hecho de que, aunque en diversas condiciones la radiación electromagnética es de hecho un fenómeno de ondas, sin embargo, se describe mejor, estableciendo que consta de haces de partículas de energía que actualmente los conocemos como fotones. En otras palabras, la radiación electromagnética tiene una naturaleza doble; es decir, se comporta como onda o como partícula según la circunstancia en la que se encuentre.

En este caso, se dice que si incide una corriente de electrones sobre un sistema de ranuras, no se observaran en la pantalla sus fenómenos de difracción ni de interferencia. Esto entra en contradicción con el hecho experimental de que un haz de electrones incide sobre un sistema de dos ranuras, si se encuentra en las condiciones apropiadas, los electrones que chocan contra la pantalla mostraran difracción o interferencia.

En conclusión y partiendo de todas estas contradicciones nace en el año 1900 lo que hoy conocemos como la física moderna. Esta nueva rama de la física se hace presente cuando dos teorías se hicieron tan fuertes que conmovieron hasta los cimientos del edificio de la física; dichas teorías son: La Teoría de los Cuantos de Max Planck y la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein.

Sánchez, E. (2005). Física. Caracas: Ediciones CO-BO.

Zemansky, S. (2009). Física Universitaria Volumen II. México: Pearson Educación.