lunes, 23 octubre, 2017

Dios salve a la Física


Retrato del físico Werner Heisenberg, por Norberto Conti

Retrato del físico Werner Heisenberg, por Norberto Conti

Y, sin embargo, se mueve. 

Galileo

Si en matemáticas son infinitos los números, los pares y los impares
¿por qué no una belleza infinita y un amor infinito?
Es una constante en la naturaleza la belleza.
 

Ernesto Cardenal

Hace más de una década, el historiador de la ciencia Robert Crease realizó una encuesta entre físicos con el fin de determinar cuáles eran los experimentos más hermosos de la historia. He aquí los resultados de la votación, en orden cronológico.

La medición de la Tierra

Eratóstenes y la medición de la Tierra

Eratóstenes y la medición de la Tierra

En el siglo III a.C., el físico Eratóstenes razonó de la manera siguiente. Era sabido que en la actual ciudad de Asuán —entonces llamada Siena—, situada sobre el trópico de Cáncer, los rayos del Sol caían de manera exactamente vertical a las doce del mediodía del 21 de junio, fecha del solsticio de verano, de modo que los objetos no proyectaban entonces sombras. En esa misma jornada, Eratóstenes midió la longitud de las sombras en Alejandría, y estimó correctamente la diferencia de latitud entre una ciudad y otra dando por buena la hipótesis de que el Sol se encuentra tan lejos que sus rayos inciden paralelamente sobre nosotros. Estimado el ángulo entre ambos puntos de la esfera terrestre en unos 7º 12’ —o, lo que es lo mismo, en 1/50 de la circunferencia de la Tierra— midió la distancia entre ambas ciudades. En este punto, hemos leído toda clase de leyendas acerca de cómo pudo estimar esta distancia el bueno de Eratóstenes —que si con una caravana pagada de su bolsillo, que si gracias a unos soldados—, pero lo cierto es que llegó a la conclusión de que Alejandría y Asuán se encontraban a 5.000 estadios de distancia. Aunque hay discrepancias en torno a la dimensión del estadio griego, se acepta actualmente que la estimación para la circunferencia terrestre de 250.000 estadios realizada por Eratóstenes está a menos de un 5% de los 40.008 km que se aceptan en la actualidad.

 

La caída de los cuerpos

Aristóteles había dicho que los cuerpos graves caían más deprisa que los cuerpos ligeros, y la humanidad estuvo pensando de esta manera hasta que un matemático de la ciudad de Pisa, Galileo Galilei, se propuso comprobarlo arrojando al suelo una esfera de hierro y otra de madera desde lo alto de la torre inclinada de su ciudad, según cuenta la leyenda. Para sorpresa de los que presenciaron el experimento, las dos esferas llegaron al suelo a la vez. ¿Qué es lo que había llevado a pensar que los objetos pesados cayeran con más velocidad? El hecho de que el rozamiento del aire influya también en el experimento y se oponga a la caída de manera que en apariencia los objetos ligeros caen con frecuencia más despacio.

Plano inclinado con campanas empleado por Galileo en sus experimentos

Plano inclinado con campanas empleado por Galileo en sus experimentos

Los experimentos de Galileo continuaron mediante el estudio de la caída de cuerpos por planos inclinados. Parece ser que el genio de Pisa dispuso una serie de campanitas a lo largo de la rampa que sonaban al paso de los cuerpos en su caída. Tras colocar las campanas de manera que sonaran a intervalos iguales, fue suficiente con medir la distancia entre las campanas para razonar en torno a cómo variaba la velocidad a lo largo del plano inclinado a consecuencia de la gravedad. El aumento del ángulo permitió a Galileo extrapolar sus experiencias al caso de la caída libre. Una de las dificultades mayores fue la medida del tiempo. Parece que el físico empleó dos procedimientos en su gloriosa carrera: los latidos de su corazón y una clepsidra o reloj de agua.

Galileo introdujo una novedad absolutamente revolucionaria y genial que ha determinado para siempre la manera de hacer ciencia: expresó por primera vez en la historia los resultados de sus mediciones mediante una función matemática. El genio de Pisa nos enseñó que la ley que describe el espacio recorrido por un cuerpo en su caída es proporcional al tiempo al cuadrado —y no proporcional al tiempo a secas, como sostenía Aristóteles—. En otras palabras, si se dobla el tiempo, para el pensador griego se dobla el espacio recorrido, mientras que en realidad en un tiempo doble la distancia recorrida es cuatro veces mayor.

 

Descomposición de la luz mediante un prisma

Tratado de Óptica de Newton

Tratado de Óptica de Newton

Newton nació al cabo de un año de la muerte de Galileo, en 1643. Entre los muchos resultados sensacionales que este físico excelso obtuvo a lo largo de su vida, en la encuesta de Robert Crease ha resultado elegida la demostración de que la luz no es primordialmente blanca y aparezca coloreada a consecuencia de alguna clase de alteración, sino justo al contrario: el espectro de colores primarios aparece cuando se hace pasar la luz a través de un prisma debido a que de esta manera se desvela la naturaleza íntima de esta clase de radiación. Como es natural, ya se conocían los arcos iris, pero se pensaba que este fenómeno se debía a alguna aberración óptica. Hasta el siglo XIX, con los experimentos de Young, apenas se avanzó gran cosa en el conocimiento de la luz.

 

Determinación de la constante de gravitación universal

La ley de Gravitación Universal había sido enunciada en 1687 por Isaac Newton en su libro «Principios Matemáticos de la Filosofía Natural». El físico inglés explica que la atracción gravitatoria entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, es decir:

F = G m1m2/r2

Báscula de torsión de Cavendish

Báscula de torsión de Cavendish

Sin embargo, Newton no pudo calcular el valor de la constante G. En 1798, Henry Cavendish construyó una balanza de torsión que consistía en un vástago de madera de 1,8 metros de longitud suspendido de un cable. En los extremos del vástago situó dos pequeñas esferas metálicas, y en las proximidades de dichas esferas dispuso sendas esferas de plomo de 175 kg cada una con idea de que la fuerza gravitatoria creada por ellas hiciera girar la balanza de torsión.

Para impedir la influencia de las corrientes de aire en tan sutil experimento, el aparato fue encerrado en una habitación y las observaciones del desplazamiento angular de la balanza de torsión se realizaron con un telescopio. La verdadera intención de Cavendish era determinar la densidad terrestre, y obtuvo un resultado muy preciso para la época: 5,45 g/cm3 —frente a los 5,5268 g/cm3 que se aceptan hoy día—, lo que da lugar a un peso de la Tierra de 6×1024 kg si se suponen las dimensiones terrestres de Eratóstenes. La balanza de torsión de Cavendish no fue empleada hasta cerca de setenta y cinco años más tarde para la determinación de la constante G, y no encontramos en parte alguna quién realizó la determinación de este importantísimo parámetro.

 

Las interferencias de la luz

Patrones de interferencia en el experimento de la doble rendija de Young

Patrones de interferencia en el experimento de la doble rendija de Young

Newton había llegado a la conclusión de que la luz era un fenómeno de naturaleza corpuscular, es decir, según el físico inglés la luz estaba constituida por diminutos cuerpos que viajaban desde el foco emisor hasta el cuerpo iluminado. En 1803, el científico Thomas Young decidió comprobarlo, y para ello se valió de un foco emisor que proyectó sobre una pantalla en la que practicó dos rendijas. Si tapaba cualquiera de ellas, la rendija libre era atravesada por los rayos de luz y producía en la pared una zona iluminada con la forma de la rendija como cualquiera esperaría encontrar. Sin embargo, al permitir el paso de la luz a través de ambas rendijas, se producían unos patrones de interferencia consistentes en unas bandas de luz y de sombra que no era posible explicar si la luz consistía en diminutas bolitas como sostenía Newton.

Young interpretó correctamente que estas interferencias se debían a que la luz se comportaba como una onda. Las zonas brillantes de la interferencia aparecen cuando dos máximos de la onda se superponen de manera constructiva, mientras que las zonas de sombra se producen cuando interfiere un máximo procedente de una de las rendijas con un mínimo procedente de la otra, lo que da lugar a una interferencia destructiva. Con todo, algunos secretos de la luz permanecieron ocultos tras este brillante ensayo, y la hipótesis de Newton demostró ser también correcta en otros experimentos llevados a cabo con posterioridad.

Al ingenio de Thomas Young también debemos importantes contribuciones en la ciencia que estudia las estructuras —donde se llama «módulo de Young» al parámetro que caracteriza las propiedades elásticas de un material—, el estudio de la visión humana —fue el primero en describir el astigmatismo—, y también realizó estudios notables en relación con el desciframiento de la piedra Rosetta.

 

El péndulo de Foucault

Péndulo de Foucault en el Panteón de París

Péndulo de Foucault en el Panteón de París

Si nos encontramos en un tren con las ventanas cerradas en presencia de un péndulo, podremos deducir si el vagón está en reposo o movimiento uniforme, o si por el contrario está acelerando sin más que observar el comportamiento de la masa que pende del cable. En 1851, el científico francés Léon Foucault suspendió una esfera de acero de 28 kg de la cúpula del Panteón de París mediante un cable de 67 m y la puso en movimiento. Con el fin de observar la evolución del dispositivo, colocó una aguja en la parte inferior de la esfera que dejaba huella de la trayectoria sobre un lecho de arena húmeda.

Para sorpresa de los que presenciaron el experimento, el péndulo parecía girar conforme pasaba el tiempo. En realidad, lo que estaban presenciando era el giro de la Tierra alrededor de su eje, ya que ninguna fuerza actuaba sobre el péndulo en el sentido de hacerlo girar. Si el experimento hubiera tenido lugar en el hemisferio Sur, el péndulo hubiera rotado en sentido contrario, y en el Ecuador no habría rotado en absoluto. Un péndulo situado en cualquiera de los polos tiene un periodo de rotación de 24 horas.

El péndulo de Foucault original oscilaba durante seis horas con un periodo de oscilación de 16,5 segundos. El giro completo tiene una duración que depende de la latitud. En el Panteón, el giro dura en torno a las treinta y dos horas.

“Para el futuro queda la inclusión de la psicología en la órbita de la física”

El experimento de la gota de aceite

Experimento de la gota de aceite ideado por Robert Millikan

Experimento de la gota de aceite ideado por Robert Millikan

En 1897, el físico inglés J. J. Thompson había descubierto mediante una serie de experiencias con tubos de rayos catódicos que la electricidad estaba causada por cargas eléctricas negativas a las que denominó «corpúsculos» y que hoy denominamos electrones. Además, consiguió determinar la relación carga/masa del electrón, pero no consiguió determinar por separado ninguna de las dos magnitudes.

En 1909, el físico americano Robert Millikan consiguió la proeza de determinar el valor de la carga. Para ello, construyó una cámara a cuyas paredes superior e inferior conectó una batería para crear un campo eléctrico en el interior. Con ayuda de una atomizador de perfume, pulverizó una fina niebla de aceite en el interior cuyas diminutas gotas quedaban cargadas con electricidad estática. Mediante la alteración del voltaje de la batería pudo conseguir que las gotas de aceite cargadas modificaran su velocidad de caída.

Tras multitud de observaciones, Millikan constató que las cargas eléctricas de las gotas eran múltiplos de un valor determinado, que era la carga de un único electrón. El valor determinado por Millikan y su colaborador Harvey Fletcher es una de las constantes fundamentales de la física y se considera uno de los datos más importantes del universo. El propio Robert Crease estudió los cuadernos de Millikan y explica en su libro «El prisma y el péndulo» los motivos que llevaron al científico a descartar acertadamente buena parte de sus mediciones y quedarse sólo con los datos correctos.

 

El descubrimiento del núcleo atómico

Sello soviético conmemorativo del experimento de Ernest Rutherford

Sello soviético conmemorativo del experimento de Ernest Rutherford

Hacia 1911 se pensaba que el átomo consistía en una masa blanda de cargas positivas dentro de la cual se encontraban las cargas negativas descubiertas por J. J. Thompson. Este modelo del átomo se conoce popularmente con el nombre de «modelo del pastel de pasas». Ernest Rutherford y sus colaboradores tuvieron la idea de bombardear una fina película de oro con diminutos proyectiles —las partículas alfa, constituidas por dos protones y dos neutrones— con la esperanza de que las partículas, en su totalidad, atravesaran la película. Sin embargo, se encontraron con que un pequeño porcentaje de las partículas rebotaba, lo cual era incompatible con el modelo de Thompson.

La conclusión de Rutherford se mantiene hasta nuestros días: dentro del átomo existe un diminuto núcleo atómico que concentra la mayor parte de la materia, y alrededor de esta masa central se encuentran los electrones. El radio atómico, esto es, electrones incluidos, se mide en Angstroms (1 angstrom = 1×10-10 m, es decir 0,0000000001 m) y suele estar en el entorno de 0,8 a 2 angstroms. El núcleo atómico es unas 10.000 a 100.000 veces más pequeño. Por dar una comparación fácil de entender para el lector de La mirada infinita, si un campo de fútbol equivaliera al átomo, el núcleo atómico sería más pequeño que una canica situada en el centro del campo.

 

La difracción del electrón en una doble rendija

Patrones de interferencia creados por electrones al atravesar una doble ranura

Patrones de interferencia creados por electrones al atravesar una doble ranura

Como decíamos, tanto Newton como Young tenían su parte de razón. La Mecánica Cuántica desarrollada a principios del siglo XX considera que los cuerpos en movimiento llevan asociada una onda que no podemos ver debido a que es increíblemente pequeña en el caso de los objetos macroscópicos, pero que es muy relevante en el caso de electrones que se desplazan a gran velocidad, o en el caso de los fotones, que son los constituyentes de la luz y de la radiación electromagnética en general.

Sello dedicado a Max Planck

Sello dedicado a Max Planck

En 1961, el físico alemán Claus Jönsson realizó el que ha sido considerado como el experimento más bello y más misterioso de la historia de la física. Consiste simplemente en repetir el experimento de Thomas Young empleando electrones en lugar de rayos de luz. Si sólo se deja pasar el haz de electrones por una de las dos rendijas, el resultado es el que cabría esperar, pero cuando se abren las dos rendijas a la vez, se produce una interferencia y aparecen los patrones que ya había observado Young a comienzos del siglo XIX. Lo que no tiene explicación en el ámbito de la física clásica —ni en el ámbito de lo que podemos comprender los seres humanos— es que si se realiza el experimento disparando un solo electrón, éste atraviesa las dos rendijas a la vez e interfiere consigo mismo. Tras realizar un número suficiente de disparos de electrones aislados, aparece el mismo patrón de interferencia que si hubiéramos hecho pasar simultáneamente sendos rayos de electrones por cada rendija.

Placa conmemorativa del experimento de Stern Gerlach en el Instituto de Física de Frankfurt

Placa conmemorativa del experimento de Stern Gerlach en el Instituto de Física de Frankfurt

Si alguien tiene la ingenua ocurrencia de colocar alguna clase de detector en una de las rendijas para ver por cuál de ellas atraviesa el electrón, se colapsa la función de onda y no se observa absolutamente nada. Este hecho incomparablemente sutil y asombroso está relacionado con una de las leyes más profundas de la física, el magno «principio de indeterminación de Heisenberg», enunciado por uno de los geniales padres de la Mecánica Cuántica.

Esquema del interferómetro de Michelson y Morley

Esquema del interferómetro de Michelson y Morley

Como es natural, muchos otros bellísimos experimentos han quedado fuera de la relación: El experimento de Michelson y Morley que permitió descartar para siempre la hipótesis del éter, el estudio de la radiación del cuerpo negro realizado por Max Planck que condujo al descubrimiento de los cuantos, el experimento de Chadwick que descubrió el neutrón, el experimento de Stern y Gerlach que reveló la naturaleza intrínsecamente cuántica de la materia, el experimento de Alain Aspect sobre el entrelazamiento cuántico…

Para el futuro queda la inclusión de la psicología en la órbita de la física, cuando sea posible imaginar experimentos físicos que permitan influir beneficiosamente en lo que pensamos, en lo que amamos, en lo que soñamos.

Álvaro Fierro Clavero,
www.alvarofierro.com

Comentarios

  1. Me encanta!!! Que articulo tan bonito

  2. Lola Vicente dice:

    Creo que ésto último: inclusión de la spicología en la órbita de la física, tal como lo planteas, nunca llegará, lo cual agradezco.

  3. Artículos así expanden el conocimiento y nos acercan a uno de los objetivos más importantes del Hombre: caminar con pasos de luz para desvelar la oscuridad. Quizás sea imposible conocer el Misterio Absoluto, pero vamos abriendo caminos para conocer los misterios pequeños, los que hacen que la vida humana sea factible. Gracias, Álvaro por poner la Ciencia junto al Arte y la Música, todo con mayúsculas, que los tres factores fundamentales en la evolución de la Humanidad.

  4. Es una lástima que afee el magnífico artículo con esa cita de E. Cardenal. Para no chafar próximas entregas no incluiré una lista de los más espectaculares experimentos de Química

  5. Gracias!!

    Es estimulante el planteamiento que haces sobre la inclusión de la psicología en la órbita de la física.

    Eso sería posible si consideráramos los pensamientos y afectos del ser humano únicamente materia y energía en el espacio y en el tiempo. Sin alma. Pero para los que creemos en su naturaleza a imagen y semejanza de Dios, estaríamos más cerca del indeterminismo científico al negar la posibilidad de tal definición, al no poder definir un enunciado verificable y constatado empíricamente, por no contener en sí todos los parámetros que realmente formarían parte del fenómeno.

    El resultado imagino que sería como el que relatas del físico alemán Claus Jönsson: asombroso y misterioso.

  6. Tuve la oportunidad de vivir enfrente del Panteón de París y me encantaba ver el péndulo de Focault. Gracias por recordármelo y por tan interesante recopilación. En la segunda parte, no olvides incluir el descubrimiento del bosón de Higgs del LHC de CERN.

  7. Cuánto tiempo y esfuerzo ha costado desentrañar lo intrincado y cómo se aprecia que todo esto no puede ser por casualidad

  8. Soledad Cavero dice:

    Interesantes aportaciones, Álvaro, sobre la descomposición de luz. Basta con contemplar una gota de lluvia bajo el sol para darnos cuenta que encierra dicha descomposición. Aún así, la luz es un arcano misterioso todavía . Soledad Cavero

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