La teoría de cuerdas y la física cuántica

Una esperanza científicos tienen es que la teoría de cuerdas le explicará algunos de los resultados inusuales en la física cuántica o, al menos, reconciliarlo con la relatividad general. La física cuántica tiene sus raíces en 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una solución a un termodinámica problema - un problema que tiene que ver con el calor.

Resolvió el problema mediante la introducción de un truco matemático - si supone que la energía fue incluido en paquetes discretos, o quanta, el problema desapareció. (Se demostró que es brillante porque funcionó.) En el proceso de hacer esto, Planck utilizó una cantidad conocida como Constante de Planck, que ha demostrado ser esencial para la física cuántica - y la teoría de cuerdas.

Planck utiliza este concepto cuántica - el concepto de que muchas magnitudes físicas vienen en unidades discretas - para resolver un problema en la física, pero incluso el propio Planck supone que esto era sólo un proceso matemático inteligente para eliminar el infinito. Se necesitarían cinco años por Albert Einstein para continuar la revolución cuántica en la física.

El problema de la radiación del cuerpo negro, que Planck estaba tratando de resolver, es un problema básico termodinámica donde tienes un objeto que es tan caliente que brilla en el interior. Un pequeño agujero permite que la luz se escape, y se puede estudiar. El problema es que en la década de 1800, los experimentos y teorías en esta área no coinciden.

Un objeto caliente irradia calor en forma de luz (brasas de un fuego o los anillos de metal en las cocinas eléctricas son dos buenos ejemplos de ello). Si este objeto estaban abiertos dentro, como un horno o una caja de metal, el calor podría rebotar por el interior.

Este tipo de objeto se llama un cuerpo negro - debido a que el objeto en sí no refleja la luz, sólo se irradia calor - ya lo largo de la década de 1800, varios trabajos teóricos en termodinámica había examinado la forma de calor se comportó dentro de un cuerpo negro.

Ahora supongamos que hay una pequeña abertura - como una ventana - en el horno, a través del cual la luz puede escapar. El estudio de esta luz revela información sobre la energía de calor dentro del cuerpo negro.

En esencia, el calor dentro de un cuerpo negro tomó la forma de ondas electromagnéticas, y porque el horno es de metal, están de pie olas, con nodos donde se reúnen el lado del horno. Este hecho - junto con una comprensión de electromagnetismo y la termodinámica - se puede utilizar para calcular la relación entre la intensidad de la luz (o brillo) y la longitud de onda.

El resultado es que a medida que la longitud de onda de la luz se vuelve muy pequeña (el rango ultravioleta de energía electromagnética), la intensidad se supone que aumentar dramáticamente, aproximándose a infinito.

En la naturaleza, los científicos en realidad nunca se observan infinitos, y esto no fue una excepción. La investigación mostró que había intensidades máximas en la gama ultravioleta, que contradecían completamente las expectativas teóricas, como se muestra en esta figura. Esta discrepancia llegó a ser conocido como el catástrofe ultravioleta.

La catástrofe ultravioleta amenazaba con socavar las teorías del electromagnetismo y / o la termodinámica. Claramente, si no coinciden experimento, a continuación, una o ambas de las teorías contenían errores.

Cuando Planck resolvió la catástrofe ultravioleta en 1900, lo hizo con la introducción de la idea de que el átomo sólo puede absorber o emitir luz en quanta (o haces discretos de energía). Una consecuencia de esta suposición radical fue que habría menos radiación emitida a energías más altas.

Mediante la introducción de la idea de paquetes discretos de energía - cuantificando la energía - Planck produjo una solución que resuelva la situación sin tener que revisar drásticamente las teorías existentes (por lo menos en ese momento).

Visión de Planck llegó cuando miró a los datos y trató de averiguar lo que estaba pasando. Claramente, las predicciones de longitud de onda largas eran cerca de igualar con el experimento, pero la luz de longitud de onda corta no lo era. La teoría era el exceso de predecir la cantidad de luz que se produciría en longitudes de onda cortas, por lo que necesitaba una manera de limitar esta longitud de onda corta.

Conocer algunas cosas sobre las olas, Planck sabía que la longitud de onda y frecuencia fueron inversamente proporcionales. Así que si usted está hablando de olas con longitud de onda corta, también estamos hablando de olas con alta frecuencia. Todo lo que tenía que hacer era encontrar una manera de reducir la cantidad de radiación a frecuencias altas.

Planck reelaborado las ecuaciones, asumiendo que los átomos sólo podían emitir o absorber energía en cantidades finitas. La energía y la frecuencia fueron relacionados por una parte llamada Constante de Planck. Los físicos usan la variable h para representar la constante de Planck en sus ecuaciones de física resultantes.

La ecuación resultante trabajó para explicar los resultados experimentales de radiación de cuerpo negro. Planck, y al parecer todos los demás, pensaron que esto era sólo un truco matemático de mano que había resuelto el problema en un extraño caso especial. Poco sabía que nadie se da cuenta de que Planck había sentado las bases de los descubrimientos científicos más extraños en la historia del mundo.