¿Qué haríamos en un Universo sin fotones?

Malentendido acerca del efecto fotoeléctrico  (1905)

Es frecuente asociar el carácter corpuscular de la radiación con la explicación einsteniana del efecto fotoeléctrico en 1905. Pero tal asociación requiere precisiones. El fenómeno fue detectado por H. Hertz, en 1887, como un fenómeno secundario en sus experimentos diseñados para confirmar la teoría de Maxwell. Ironías de la historia: tratando de asentar una teoría de naturaleza continua, como es la del campo electromagnético, Hertz proporcionó, sin sospecharlo, una base experimental para pensar en posibles aspectos discretos de la radiación. Es en 1905 cuando Einstein muestra la analogía formal existente entre un gas ideal monoatómico y la radiación del cuerpo negro, si se admite para ésta la ya entonces caduca ley de Wien. Un genuino análisis le lleva a la siguiente conclusión: la radiación de frecuencia v, siempre dentro del rango de validez de aquella ley, “se comporta termodinámicamente como si estuviera constituida por cuantos de energía, mutuamente independientes, de valor hv”,  donde h representa la constante de Planck. Con tal supuesto Einstein logra una explicación teórica de tres fenómenos que se resistían a ello: la regla de Stokes –la frecuencia de la emisión por luminiscencia resulta inferior  a la frecuencia incidente–, el efecto fotoeléctrico y la ionización de gases por luz ultravioleta. La anterior conclusión fue entendida por muchos –y lo sigue siendo– como la introducción de la naturaleza corpuscular de la radiación. Pero es obvio que, si Einstein así lo hubiera creído, no sólo lo habría destacado como se merecía, sino que el creador de la teoría de la relatividad habría tenido que asignar al cuanto un impulso de valor hv/c. Además, aunque el efecto fotoeléctrico se explicaba como un simple choque inelástico cuanto-electrón, Einstein tendría que haber considerado también el correspondiente choque-elástico, con lo que habría previsto la existencia del efecto Compton casi veinte años antes de su detección.

Rechazo generalizado

La tónica del impacto causado por la hipótesis cuántica de Einstein se manifiesta en el discurso que Planck pronuncia –¡en 1913!– ante la Academia Prusiana de Ciencias para presentar el nuevo académico: En suma, puede afirmarse que entre los problemas importantes, tan abundantes en la física moderna, difícilmente exista uno ante el que Einstein no adoptara una posición de forma notable. Que, a veces, errara el blanco en sus especulaciones, como por ejemplo en su hipótesis acerca del cuanto de la luz, no puede esgrimirse realmente demasiado en su contra. Porque sin correr un riesgo de vez en cuando es imposible, incluso en la ciencia natural de mayor exactitud, introducir verdaderas innovaciones. Cabe entender la prevención ante tal problemática hipótesis cuántica, en tanto los experimentos no se pronunciaran. Nada más lejos de la realidad. Milikan, que publicó en 1916 sendos artículos confirmando rigurosamente las previsiones teóricas einstenianas, remataba sus conclusiones así: “A pesar del éxito aparentemente completo de la ecuación de Einstein [para el efecto fotoeléctrico], la teoría física de la que estaba destinada a ser la expresión simbólica se ha encontrado tan insostenible que el mismo Einstein, creo, ya no la sostiene”. Hasta cierto punto, resulta comprensible el rotundo y prolongado rechazo de los cuantos de energía de Einstein; una osada hipótesis que parecía sugerir, cuando menos, la necesidad de una revisión profunda de la teoría del campo continuo de radiación. ¿A cambio de qué? De casi nada, dado que la carencia de resultados experimentales rigurosos en aquella época impedía la deseable comprobación de las predicciones einstenianas de 1905.

Un jugoso Gedankenexperiment

Mostrar la compatibilidad entre los cuantos y el electromagnetismo maxwelliano representa un primer objetivo ineludible. Además de la dificultad de la tarea en sí, Einstein cuenta con la patente hostilidad de la mayoría de los líderes de la física del momento, para los cuales el comportamiento discreto de la energía de la radiación se da de bruces con el carácter continuo del campo electromagnético, al concebirlas como dos formas de comportamiento incompatibles, mutuamente excluyentes. En la reunión de la Sociedad Alemana de Científicos Naturales y Médicos de 1909, Einstein presenta una comunicación que Pauli no dudaría luego en calificar como “uno de los hitos en el desarrollo de la física teórica”. Einstein introduce aquí un fructífero Gedankenexperiment, al que volverá en 1917: un espejo se mueve libremente en la dirección perpendicular a su propio plano, reflejando totalmente la radiación comprendida en el intervalo de frecuencias (v, v + dv) y siendo transparente para el resto. El espejo se mueve en una cavidad que contiene un gas ideal monoatómico y radiación electromagnética; todo ello en equilibrio térmico, a la temperatura absoluta T. Las fluctuaciones en los choques irregulares de las moléculas de gas con el espejo implican, dada la situación de equilibrio, la existencia de fluctuaciones en la presión de la radiación. Su análisis, más intuitivo que riguroso, permite a Einstein obtener la siguiente expresión para la fluctuación de energía de la radiación:

donde h es la constante de Planck, p la densidad de energía de la radiación, c la velocidad de la luz en el vacío y V el volumen de la cavidad.

Einstein afirma que el primer sumando “recuerda” el carácter cuántico (discreto) de la radiación –al incluir la constante de Planck– mientras que asocia el segundo con un proceso de interferencias, que no concreta, entre ondas electromagnéticas. Ello le lleva a intuir en 1909, cuatro años antes de aparecer el modelo de Bohr, la necesidad de tener que incorporar, en una misma teoría, algún tipo de dualismo: “Es mi opinión, entonces, que la próxima fase del desarrollo de la física teórica nos aportará una teoría de la luz que pueda ser interpretada como una fusión de las teorías ondulatorias y de emisión [corpuscular]”.

El nacimiento del fotón

Einstein firma, en 1917, la partida de nacimiento del fotón en un artículo que contiene dos resultados de gran calado: la deducción de la ley de Planck partiendo  de hipótesis cuánticas y la inferencia de la direccionalidad de los procesos elementales de emisión y absorción. Enarbolado con decisión de la navaja de Ockham se libera de resonadores y espejos. Tras comprobar que, partiendo de dos procesos elementales –emisión espontánea (EE) y absorción (A) –como responsables de la interacción materia-radiación, se llega ineludiblemente a la ya muy obsoleta ley de Wien, Einstein se apercibe de que la introducción de un tercer proceso –emisión inducida es precisamente el principio teórico que habría de regir la construcción del láser.

Ahora parte de un gas material, en equilibrio térmico con la radiación, en el que cada molécula adopta estados de un conjunto discreto, Z_1, Z_2, …, Z_n,…, con energías respectivas E_1, E_2,…, E_n,…Las transiciones pueden darse hacia estados de energía mayor, absorbiéndola de la radiación, o hacia estados de energía menor, emitiendo la diferencia como energía radiante. Al no conocerse las leyes exactas que gobiernan estos procesos, Einstein introduce las “probabilidades de transición”, en un intervalo de tiempo d t:

La tasa de procesos inducidos por la presencia de radiación es proporcional a su densidad de energía y los “coeficientes de Einstein” A y B son característicos del apr de estados involucrados. Tras imponer la condición de equilibrio al sistema materia-radiación, Einstein deduce la ley de Planck, así como que en cualquier proceso elemental la cantidad de energía intercambiada entre materia y radiación de frecuencia v, venía dada por el mismo valor: hv. En principio, objetivo cumplido.

La segunda parte del artículo, dedicada a un análisis crítico de sus premisas y conclusiones, es la importante para nuestra conmemoración. A tal fin Einstein vuelve a recurrir a las fluctuaciones, lo que no sorprende dada la alta estima en la que las tenía. Resultaría prolijo describir aquí el tratamiento, que esencialmente consiste en una rediscusión de su Gedankenexperiment de 1909, a la luz de los nuevos supuestos. Pero queremos destacar un resultado fundamental de su peculiar análisis, del que Einstein da cuenta a su amigo y confidente Michele Besso con estas palabras:

Esto [su nuevo tratamiento] conduce al resultado (que todavía no se encuentra en el trabajo que te he enviado) de que, cuando existe intercambio de energía elemental entre radiación y materia, se transfiere el impulso h v / c a la molécula. Se deduce que todo proceso elemental de esta naturaleza es un proceso enteramente orientado. Así, queda establecida la existencia de los cuantos de luz.

Si el intercambio de energía entre materia y radiación siempre va acompañado de una transferencia de impulso, cabe afirmar que en los procesos elementales se intercambian auténticas partículas y no meros cuantos de energía, como Einstein creía en 1905. En el caso de radiación monocromática de frecuencia v, estas partículas se mueven a la velocidad de la luz, tienen masa nula –de acuerdo a las prescripciones relativistas–, energía hv e impulso hv / c. En adelante escribiremos “fotones”, aunque el término tardaría diez años en acuñarse.

Una recepción hostil: la propuesta de BKS

A mediados de 1918 Einstein expresa a Besso estas cavilaciones:

He reflexionado durante un número incalculable de horas sobre la cuestión de los cuantos, naturalmente sin hacer verdaderos progresos. Pero ya no dudo en absoluto de la realidad de los cuantos de radiación, si bien aún soy casi el único con este convencimiento.

Surgen algunos interrogantes razonables. ¿Qué razones había para que los físicos no compartieran las convicciones de Einstein? ¿Por qué continuaba éste interesado en el problema de los fotones, si consideraba que ya había probado su existencia?

                           Carácter ondulatorio y corpuscular de la luz

Insistimos en que la razón de peso para el rechazo del fotón era la admitida incompatibilidad entre la teoría maxwelliana (ondulatoria) y la nueva teoría cuántica (corpuscular). Pero es que, además, para una gran mayoría de los físicos del momento, las fluctuaciones –centrales en la justificación einsteniana– no pasaban de ser puro academicismo. Para ellos, resultaba inconcebible pensar en un posible desmantelamiento de la teoría del campo electromagnético –por entonces contrastada y admitida–, apoyándose básicamente en un análisis de las fluctuaciones estadísticas.

Es frecuente ver escrito que el fotón se instaló en la física en 1923, tras la explicación teórica del “efecto Compton”. Dicha explicación parecía confirmar simultáneamente dos resultados, por entonces aún en entredicho: la realidad de los fotones y la validez de la relatividad especial, que se empleaba en el análisis del choque elástico fotón-electrón libre. Pero la historia no ocurrió exactamente así, como lo prueba la publicación de un renombrado artículo firmado en 1924 por Bohr, Kramers y Slater –posteriormente conocido por las siglas BKS–, en el que se rechaza sin ambigüedad el fotón de Einstein y los consiguientes supuestos. Los autores asumen que, según el dictamen experimental, las discontinuidades cuánticas resultan ya ineludibles, pero que ello no implica la necesidad de la explicación einsteniana. De otra forma: los experimentos no conducen inexorablemente al fotón.

Precisamente el objetivo de BKS es hacer compatibles los saltos cuánticos con la descripción maxwelliana. A tal fin, la interacción materia-radiación se describe en términos de interferencias entre campos electromagnéticos, ya sean éstos reales o virtuales. El que dichas interferencias den lugar a fenómenos de absorción o emisión de radiación sólo se puede describir en términos probabilísticos análogos –según los autores– a los empleados por Einstein.

Tras reconocer que la causalidad clásica estricta resulta incompatible con la propuesta BKS, sus autores llegan a una osada conclusión: en un proceso individual de emisión o absorción, descrito sobre la base de aquellos campos virtuales, los principios de conservación de la energía y del momento dejan de ser universalmente válidos. Sólo gozan de validez estadística: se cumplen para valores medios en un número de procesos muy elevado.

En 1925, Bothe y Geiger sometieron a test experimental una de las extrañas implicaciones de BKS: la violación del principio de causalidad. Comprobaron que el electrón secundario del efecto Compton se crea en el instante mismo del impacto fotón-electrón, como exige la causalidad clásica, y no tras el tiempo medible predicho por BKS, al requerir esta teoría unas supuestas interferencias entre campos. Casi simultáneamente, Compton y Simon diseñaron un experimento diferente –ahora empleando una cámara de niebla–, que confirmaba la conservación de energía en los procesos individuales.

Epílogo

Las aspiraciones de Einstein no se colman con la introducción del fotón, al no verse capaz de reconciliarlo con el continuo del campo electromagnético. Pero, en nuestra opinión, hay otra razón de peso para su insatisfacción: el papel que la probabilidad comienza a jugar a partir de sus propias investigaciones, y de otras posteriores, como la misma propuesta BKS. Parece vislumbrar que la probabilidad puede llegar a jugar en la física un papel esencial para entender el comportamiento del mundo físico, sin limitarse a ser un mero recurso matemático, como sucede en mecánica estadística.

Si la falta de información sobre el “cuándo” y el “cómo” –de la emisión espontanea, por ejemplo– se toma como un defecto de la teoría, lo procedente sería de esperar hasta que apareciese una explicación más completa. Pero si realmente se había llegado a la teoría más afinada posible sobre el comportamiento de la radiación, el papel que en ella desempeña la probabilidad lleva a la negación del determinismo clásico. El dilema es fuerte y Einstein opta desde un principio por la primera opción: piensa que su incipiente teoría cuántica, son teorías provisionalmente válidas, pero no definitivas, por incompletas.

Ante el protagonismo que la probabilidad podía adquirir en el futuro de la física, Einstein manifiesta así su inquietud a la esposa de Born:

La opinión de Bohr sobre la radiación es de gran interés. Pero no desearía verme forzado a renunciar a la causalidad estricta sin defenderla con la mayor intensidad que lo he hecho hasta ahora. Me resulta completamente intolerable la idea de que un electrón expuesto a radiación pueda escoger según su propio libre albedrío, no sólo el momento para saltar, sino también la dirección. Si este fuera el caso, preferiría haber sido zapatero remendón, o incluso empleado de un casino, antes que físico.

El desacuerdo con Bohr que Einstein apunta aquí se mantendría ya de por vida. Subsistiría incluso después de la formulación de la mecánica cuántica (la matricial por Heisenberg en 1925 y la ondulatoria por Schrödinger en 1926) y de la electrodinámica cuántica (por Dirac en 1927); las disciplinas que proporcionan la solución vigente a los problemas que venimos exponiendo. La discrepancia entre ambos acerca de la interpretación del formalismo cuántico nunca desapareció. Hay quien piensa que esta confrontación, aunque centrada en el nacimiento del fotón y la contrapuesta BKS, representa el auténtico punto de partida del renombrado y fructífero “debate Bohr-Einstein”. Pero eso es harina de otro costal…

Autor: Luis Navarro Veguillas

Revista de la Real Sociedad Española de Física

Volumen 31. Número 2. 2017

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