© Libro N° 6177.
La Historia De La Física. Rooney, Anne. Emancipación. Julio 6 de 2019.
Título
original: © La Historia De La Física. Anne Rooney
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Miranda
LEAMOS SIN RESERVAS,
ANALICEMOS SIN PEREZA Y SOMETAMOS A CRÍTICA TODA LA CULTURA
LA HISTORIA DE LA FÍSICA
Anne Rooney
CONTENIDO
Introducción
Mente
sobre materia
Hacer
que la luz trabaje: Óptica
Masa
en movimiento: Mecánica
Campos
y fuerzas de energía
Dentro
del átomo
Alcanzar
las estrellas
Continuación
del tiempo-espacio
Física
para el futuro
Introducción
El libro del Universo
"No
se puede comprender el libro del Universo a menos que primero uno aprenda a
comprender el alfabeto en que está compuesto. Está escrito en el lenguaje de
las matemáticas, y sus caracteres son triángulos, círculos y otras figuras
geométricas, sin las cuales es humanamente imposible comprender una sola
palabra de él; sin ellos, uno vaga en un laberinto oscuro".
Galileo,
El ensayador. 1623
La
física es la ciencia fundamental que forma la liase de todas las demás, la
herramienta con que exploramos la realidad: su objetivo es de explicar cómo
funciona el universo, de las galaxias a las partículas subatómicas. Muchos de
nuestros descubrimientos sobre el universo físico representan el pináculo de
los logros humanos.
La galaxia de Andrómeda es la galaxia más cercana a nuestra Vía Láctea: La
física trata de explicar todo, desde el principio del tiempo hasta el final del
Universo.
La
historia de la física sigue la pista al camino de los intentos de la humanidad
por leer el libro del universo, aprendiendo y empleando el lenguaje de las
matemáticas que describe el científico del Renacimiento Galileo Galilei (1564-
1642). También revela lo poco que todavía sabemos, pues toda la física que
conocemos aborda sólo el 4 por ciento del universo, el otro 96 por ciento es un
misterio que todavía se tiene que aclarar.
El nacimiento de la física
Antes
del desarrollo del método experimental, los primeros científicos, o
"Filósofos naturales", como se les conocía, aplicaron la razón a lo
que veían a su alrededor y presentaron teorías para explicarlo. Por ejemplo,
como los cuerpos celestiales parecen moverse a través del espacio, muchos de
nuestros antepasados llegaron a la conclusión de que la Tierra era el centro
del Universo y que todo giraba a su alrededor.
Los diseños, formas y números que construyen el mundo natural son asunto de
la física.
Los
pocos que pensaban de manera diferente tuvieron que presentar buenos argumentos
para refutar la solución del sentido común, y por 2000 años los superaron en
número y a veces los ridiculizaron o incluso los persiguieron.Muchas creencias
supersticiosas y religiosas tienen sus raíces en la explicación de la
observación del mundo. Por ejemplo, el sol se levanta porque lo impulsa por el
cielo un auriga sobrenatural. Por otro lado, la ciencia se encarga de encontrar
la naturaleza real y las cansas de los- fenómenos observados. Los antiguos
griegos fueron el primer pueblo del que sabemos que intentó remplazar las
explicaciones místicas y supersticiosas con otras basadas en la observación y
la razón.
Tales
de Mileto (aprox. 624 a.C. - aprox. 546 a.C.)
El
primer individuo reconocido como científico y filósofo vivió hace más de 2500
años en lo que j ahora es Turquía. Tales estudió en Egipto y se le atribuye
haber llevado las matemáticas y la astronomía a Grecia. Considerado uno de los
Siete Sabios de la antigua Grecia, tenía la reputación de ser
extraordinariamente inteligente y de tal vez haber enseñado a los filósofos
Pitágoras y Anaximandro. Tales sugirió que existe una causa física más que
sobrenatural para todos los fenómenos del mundo a nuestro alrededor, y así
empezó una búsqueda de las causas físicas que determinan cómo se comportan las
cosas. Como no sobrevive ninguno de sus escritos, es difícil valorar su
verdadera contribución.
La
primera persona en tratar de explicar el mundo natural sin recurrir a la
creencia religiosa bien pudo haber sido Tales, pero el primer científico
verdadero tal vez fue el pensador griego Aristóteles (384-322 a.C.), un
empirista meticuloso. Creía que mediante la observación cuidadosa y las
mediciones podía lograr la comprensión de las leyes que rigen todas las cosas.
Aristóteles fue pupilo de Platón (aprox. 428-347 a.C.), quien seguía un
camino deductivo, y creía que la razón sola era suficiente para permitir a la
humanidad desentrañar los misterios del Universo. Aristóteles puso su fe en el
"razonamiento inductivo", es decir, la lógica que trabajaba a partir
de la observación del mundo. Tenía los principios del método científico.
Razonamiento
inductivo y deductivo
El
razonamiento deductivo es un método que parte de un aspecto general, que se
ilustra con el enfoque de Platón. El científico o filósofo crea una teoría,
desarrolla una hipótesis para ponerla a prueba, hace observaciones y llega a la
confirmación (o refutación) de la hipótesis. El razonamiento inductivo empieza
con la observación del mundo y avanza hacia una explicación que le permita
identificar un modelo, luego proponer una hipótesis para explicarlo y avanzar a
una teoría general. Los métodos de Aristóteles eran inductivos. El científico
Isaac Newton (1642-1 727) fue uno de los primeros en reconocer que los
razonamientos deductivo e inductivo tenían un lugar en el pensamiento
científico.
Aunque
no propuso experimentos, Aristóteles abogaba por una investigación completa de
todo lo escrito previamente de un tema (en términos modernos, una revisión de
la literatura), observación experimental y mediciones; luego, la aplicación de
la razón para llegar a una conclusión.
Ilustración medieval de Tales.
Los
griegos fueron los primeros en dividir la ciencia en diferentes disciplinas.'
La gran biblioteca de Alejandría produjo el primer catálogo de biblioteca, el
cual era esencial para el tipo de revisión de la literatura que proponía
Aristóteles como parte de cualquier investigación.
Del empirismo al experimento
Con
el final de la era helenística (la cumbre, de la civilización griega clásica),
decayó el uso del método científico para comprender el mundo natural hasta el
surgimiento de la ciencia árabe en el siglo VII d.C. El brillante Ibn Al-Hassan
Ibn Al-Haytham (965-1039) elaboró un procedimiento similar al método
experimental moderno. Empezó con el planteamiento de un problema, luego ponía a
prueba su hipótesis mediante experimentos, interpretaba los datos y llegaba a
una conclusión. Adoptó una actitud escéptica e inquisitiva, y reconoció la
necesidad de un sistema de mediciones e investigación controlado con
rigurosidad. Otros científicos árabes contribuyeron a esto. Abu Rayhan
Al-Biruni (973- 1048) se dio cuenta de que se podían introducir errores e
información sesgada por el uso de instrumentos imperfectos u observadores
falibles.
"Prefiero
encontrar la causa verdadera de un hecho que convertirme en rey de los
persas".
Demócrito (aprox. 450 - aprox. 370 a.C.), filósofo
Recomendó
que los experimentos se debían repetir varias veces y combinar los resultados
para obtener una conclusión confiable. El médico Al-Rahwi (851-934) introdujo
el concepto de revisión por iguales, sugiriendo que los médicos debían
documentar sus procedimientos y ponerlos a disposición de otros médicos del
mismo prestigio, aunque su principal motivación era evitar el castigo por
negligencia. Geber (Abu Jabir, 721-815) fue el primero en introducir los
experimentos controlados en el campo de la química, y Avicena (Ibn Sina, aprox.980-1037)
declaró que la inducción y la experimentación debían ser las bases de la
deducción. Los científicos árabes valoraban el consenso y tendían a eliminar
las ideas alternativas que no tenían el apoyo de otros.Sin embargo, los avances
del Islam al final obstaculizaron las actividades de los científicos árabes.
Cuestionar al mundo llegó a considerarse como una actividad blasfema, como si
fueran a entrometerse en los caminos de Dios y se trataran de violar misterios
sagrados. Se restringieron las actividades que un científico musulmán fiel (o
prudente) podía realizar. Entonces los eruditos medievales de la Europa
cristiana recogieron la antorcha de la labor científica que arrojaron los
filósofos naturales del Islam.La ciencia árabe y las obras de Aristóteles
llegaron a Europa en traducciones latinas a principios de la Edad Media. Los
escritores del periodo del Renacimiento del siglo XII empezaron a integrar el
método científico embrionario con sus propios estudios y a nutrirlo, pero al
principio no desafió a las autoridades clásicas. El fraile franciscano inglés
Roger Bacon (aprox. 1210 - aprox. 1292) fue
uno de los primeros en dudar de la aceptación incondicional de los escritos de
los antiguos, y recomendó un examen renovado de las ideas arraigadas.
El
método científico
El
método científico, como se emplea por lo general en la actualidad, sigue estas
etapas:
· Planteamiento
de un problema. Luego se puede limitar a algo que se pueda enfrentar con un
experimento o conjunto de experimentos.
· Planteamiento
de una hipótesis.
· Diseño
de un experimento para poner a prueba la hipótesis. El experimento debe ser una
prueba justa, con variables controladas (que se mantienen iguales) y una
variable independiente (la condición que se va a variar).
· Llevar
a cabo el experimento, haciendo y registrando las observaciones y mediciones.
· Análisis
de los datos.
· Plantear
las conclusiones y someterlas a la evaluación de otros especialistas.
En
particular se centró en Aristóteles, cuyas ideas en muchos campos se aceptaban
como la verdad evangélica, y recomendó que se pusieran a prueba sus
conclusiones. Sin duda, Aristóteles hubiera aprobado la aplicación de métodos
empíricos para revaluar y cuestionar sus escritos.En sus propias
investigaciones científicas, Bacon seguía un modelo que consistía en formar una
hipótesis basada en observaciones, luego en llevar a cabo un experimento para
poner a prueba la hipótesis. Repetía sus experimentos para asegurarse de los
resultados, y documentaba sus métodos con meticulosidad, de manera que los
pudieran examinar otros científicos. Nombró a la experimentación la
"vejación de la naturaleza". Dijo: "Aprendemos más mediante
la vejación ingeniosa de la naturaleza que mediante la observación paciente".Otro
Bacon, el abogado y filósofo inglés Francis Bacon (1561-1626), propuso un nuevo
enfoque para la ciencia, el cual publicó en 1621 en Novum Organum
Scientiarum (El nuevo Órgano de las ciencias). Creía que los resultados
de los experimentos podían ayudar a desentrañar teorías contradictorias y
ayudar a la humanidad a avanzar hacia la verdad. Promovió el razonamiento
inductivo como base del pensamiento científico.
Se
dice que Bacon murió después de realizar un experimento para producir los
primeros pollos congelados en 1626:
"Mientras
[sir Francis Bacon] tomaba el aire en un carruaje con el doctor Witherborne (un
médico) dirigiéndose a Highgate, había nieve en el suelo, y a mi señor se le
ocurrió que por qué la carne no se podía conservar en nieve, como en la sal.
Decidieron que realizarían el experimento de inmediato. Descendieron del
carruaje y fueron a la casa de una mujer pobre en la base de la colina
Highgate, compraron una gallina e hicieron que la mujer la limpiara; luego
llenaron el cuerpo con nieve y mi señor ayudó en hacerlo todo. La nieve lo
enfrió tanto, que de inmediato cayó muy enfermo, [le dio] un resfriado tan
fuerte que en dos o tres días, según recuerdo que me contó el señor Hubbes,
murió de sofocación".
John
Aubrey, Vidas breves
Bacon
propuso un proceso de observación, experimentación, análisis y razonamiento
inductivo que a menudo se- considera el inicio del método científico moderno.
Su método empieza con un aspecto negativo, liberar la mente de
"ídolos" o nociones recibidas, y avanza a un aspecto positivo que
implica exploración, experimentación e inducción.
La revolución científica
Aunque
Bacon fue el primero en formular el método, Galileo ya había adoptado un
enfoque similar a la experimentación. Fue un gran partidario del razonamiento
inductivo, dándose cuenta de que la evidencia empírica de un mundo complejo
nunca se compararía a la pureza de la teoría. Razonó que no es posible tomar en
cuenta todas las variables en un experimento. Por ejemplo, creía que sus
experimentos con la gravedad nunca eliminarían los efectos del arrastre o
fricción del aire. Sin embargo, estandarizar los métodos y las mediciones
significa que un experimento que se lleva a cabo repetidas veces, tal vez por
diferentes personas, puede producir un conjunto de resultados de los que se
pueden extrapolar conclusiones. Galileo tenía suficiente fe en el método experimental
como para arriesgar su reputación, así que realizó una demostración pública
para resolver una discusión en 1611. Él y un profesor rival de Pisa habían
discutido respecto a si la forma de objetos del mismo material (y de la misma
densidad) afectaba su capacidad para flotar en el agua. Galileo desafió al
profesor a una demostración pública, diciendo que se atendría a los resultados
del experimento; el otro profesor no se presentó.
Roger Bacon cuando era joven
Sociedades
científicas
El
creciente interés en la ciencia dio a luz a sociedades científicas que
surgieron por toda Europa desde el siglo XVII. Proporcionaron un centro de
atención para conversación, experimentación y desarrollo científicos. Federico
Cesi, florentino adinerado con un fuerte interés en la ciencia, fundó la
primera sociedad científica, la Academia Linceana (Accademia dei Lincei).
Aunque sólo tenía 18 años de edad, Cesi creía que los científicos debían
estudiar directamente la naturaleza, en lugar de confiar en la filosofía
aristotélica como su guía. Los primeros miembros de la academia vivieron en
comunidad en la casa de Cesi, donde les proporcionó libros y un laboratorio
bien equipado. Entre los miembros estaban el médico holandés Johannes Eck
(1579-1630), el erudito italiano Giambattista della Porta (aprox. 1535-1615)
y el más famoso, Galileo. En su mejor momento, la academia tuvo 32 miembros
diseminados por toda Europa. La academia expuso sus metas en 1605 como "adquirir
conocimiento de las cosas y sabiduría, y exhibirla ante los hombres sin juicio
alguno". A pesar de esto, acusaron al grupo de practicar magia negra,
de oponerse a la doctrina de la iglesia y de vivir en forma escandalosa.
No ha sobrevivido ningún retrato de Robert Hooke. En 1710 existía un retrato
en la Real Sociedad, pero se ha sugerido que Newton hizo que lo destruyeran
Los
linceanos fueron una sociedad muy privada, y cuando Cesi murió en 1630 pronto
fracasaron. La sucedió la Academia de Experimentos, en Florencia, fundada en
1657 por dos antiguos pupilos de Galileo, Evangelista Torricelli (1608-1647) y
Vincenzo Viviani (1622-1703).También duró poco; cerró después de diez años, en
1667 más o menos, en el momento en que el centro del desarrollo científico pasó
de Italia a Inglaterra, Francia, Alemania, Bélgica y Países Bajos.
La Micrografía de Robert Hooke reveló por primera vez los detalles diminutos
de la vida.
La
más grande de las sociedades científicas fue la Real Sociedad de Londres.
Aunque su fundación oficial fue en 1660, sus orígenes se encuentra en un
"colegio invisible" de científicos que empezó a reunirse para debatir
en la década de 1640.
"Galileo
fue responsable del nacimiento de la ciencia moderna, tal vez más que cualquier
otra persona".
Stephen
Hawking, cosmólogo británico, 2009
En
su fundación tenía 12 miembros, entre ellos el arquitecto inglés sir
Christopher Wren (1632-1723) y el químico irlandés Robert Boyle (1627-1691). El
discurso inaugural de Wren hablaba de fundar un "Colegio para el Fomento
del Aprendizaje Experimental Físico-Matemático". La sociedad planeaba
reunirse una vez a la semana para ser testigos de experimentos y discutir temas
científicos, con Robert Hooke (1635-1703) como primer curador de los
experimentos. Al parecer, sin nombre al principio, la Real Sociedad aparece por
primera vez en forma impresa en 1661, y en los Segundos Estatutos Reales de
1663 se hace referencia a ella como "La Real Sociedad de Londres para el
Mejoramiento del Conocimiento Natural". Fue la primera "real
sociedad" de cualquier tipo. Empezó a adquirir una biblioteca en 1661 y
luego un museo de especímenes científicos, y todavía conserva los portaobjetos
de microscopio de Hooke. Después de 1662 se otorgó a la sociedad el privilegio
de publicar libros, y uno de sus primeros títulos fue Micrographia (Micrografía)
de Robert Hooke. En 1665 la Real Sociedad publicó el primer número de las Philosophical
Transaction {Transacciones filosóficas),actualmente el diario científico
más antiguo en publicación continua.
Microscopio de Robert Hooke.
A la
Real Sociedad le siguió con rapidez la Académie des Sciences, en
París, en 1666. Los miembros de la Académie no necesitaban ser
científicos necesariamente; en algún momento Napoleón Bonaparte fue el
presidente. Los grandes proyectos científicos pronto se convirtieron en fuente
de orgullo nacional y de rivalidad internacional, en especial para la república
francesa y la Francia de Napoleón.
La
mejor herramienta científica: el cerebro
Sin
el recurso de equipo y sin llevar a cabo experimentos, Aristóteles presentó
modelos para la naturaleza de la materia y el comportamiento de los cuerpos
bajo condiciones diferentes que funcionaban con lo que ya se sabía. A
principios del siglo XX, el físico Albert Einstein (1879-1955) revolucionó la
física y el punto de vista científico del universo, usando sólo pluma y papel.
Al igual que Aristóteles, estaba trabajando con observaciones del Universo para
desarrollar teorías, abordando fenómenos que en ese tiempo no se podían
investigar verdaderamente mediante la experimentación o incluso con mediciones.
El péndulo de Foucault en el Panteón de París, proporcionó una demostración
dramática de que la Tierra gira en su eje.
Sin
embargo, a diferencia de Aristóteles, .y siguiendo una práctica que inició
Newton en 1687, Einstein empleó con rigurosidad las matemáticas para apoyar sus
argumentos y mostrar que sus sistemas funcionaban con lo que ya se sabía.Hizo
predicciones que ya se han confirmado mediante la observación y la
experimentación. Por lo general, en la actualidad se emplea una cantidad
considerable de matemáticas para poner a prueba un modelo nuevo en la física, y
en ese aspecto los físicos modernos tienen ventaja respecto a las generaciones
previas.Ahora tienen computadoras que les permiten llevar a cabo cálculos con
tal rapidez que hubieran tardado vidas enteras en un pasado no tan
distante.Pero detrás de todo desarrollo en la ciencia, está la inventiva y la
curiosidad de los seres humanos, que impulsan el progreso, tanto en
universidades y laboratorios de investigación actuales, como en academias al
aire libre de la antigua Grecia.
Capítulo
1
Mente sobre materia
Ceres y los cuatro elementos, de Jan Brueghel el Viejo, 1568-1625.
Contenido:
§.
¿El primer físico?
§. Materia atómica y elemental
§. El nacimiento de la física del estado sólido
§. Átomos y elementos
Cuando
se examina un objeto sólido, es difícil imaginar que está compuesto de muchas
partículas muy pequeñas y gran cantidad de espacio vacío. Es todavía más
extraño cuando nos detenemos a pensar que las partículas mismas son más espacio
que materia. La idea de que la materia no es continua, y que incluso contiene
gran cantidad de espacio vacío, lo cual es una descripción justa de la teoría
atómica moderna, se sugirió por primera vez hace unos 2500 años. A pesar de
todo, la mayoría de los científicos sólo ha aceptado la teoría atómica por poco
más de un siglo. Durante gran parte del tiempo intermedio, se desacreditó el
concepto e incluso se ridiculizó.
§. ¿El primer físico?
Los
orígenes de la "filosofía natural", o ciencia como le llamamos en la
actualidad, tal vez se encuentren, como apuntala la cultura occidental, en la
antigua Atenas. La primera persona a la que podemos darle el nombre de físico
es a Anaxágoras, quien vivió en el siglo V a.C. En un tiempo en que la lógica
estaba en sus inicios, trató de ajustar sus miles de observaciones y los
resultados de su experimentación en una estructura lógica que le permitiera
comprender y explicar la naturaleza del mundo. Anaxágoras buscó un punto de
vista del universo material en el que la superstición o la intervención divina
no fuera necesaria, un esquema con el que todo se pudiera explicar para la
mente racional, un modelo en verdad científico. Al limitarse a tipos de materia
que se pudieran percibir, Anaxágoras estableció un modelo para que los físicos
trataran con el mundo visible y físico que iba a durar por casi 2500 años.
Las semillas de la materia
Para
Anaxágoras, la característica central del mundo natural era el cambio. Veía
todo en movimiento continuo, una cosa cambiando a otra en un círculo
interminable. Dijo que la materia no podía empezar a existir de la nada, ni
dejar de existir, creencia que compartía con pensadores anteriores como Tales
de Mileto y Parménides (aprox. 445 a.C.).
"Nada
saldrá de la nada".
Rey
Lear, Acto 1, Escena 1
Mucho
tiempo después el químico Antoine Lavoisier (1743-1794) presentó esta misma
creencia en la ley de la conservación de la masa. Además, afirmó que toda la
materia estaba compuesta por los mismos ingredientes fundamentales, propiedades
esenciales y tal vez "semillas" de sustancias básicas. Las
propiedades siempre existían en pares que eran opuestos polares, como
caliente-frío, oscuridad-luz y dulce-amargo. Siempre había las mismas
cantidades de cada propiedad en total. Las semillas eran en particular de materia
orgánica (sangre, carne, corteza, piel).Anaxágoras creía que cualquier porción
de la materia, sin importar lo pequeña que fuera, contenía todas las
propiedades (o materiales) posibles. Esto significa que debe ser capaz de
dividirse en forma infinita. Las propiedades que predominan son evidentes y dan
a la sustancia sus características observables, mientras que otras son
latentes. Así que un árbol tiene más corteza que piel, pero todavía tiene algo
de cada una, es sólo que no tiene suficiente piel para manifestar
"pilosidad". Esto explica cómo cualquier sustancia se puede hacer a
partir de cualquier otra, ya que sólo requiere que tome diferentes proporciones
de todas las propiedades (o materiales) para formar la nueva sustancia.
La
mente anima la materia
Anaxágoras
tenía un ingrediente adicional para poner en el crisol, y era la mente o nous.
No creía que la mente estuviera presente en toda la materia, sino sólo en los
seres animados (vivos o conscientes).
Nació
en Jonia, en la costa occidental de lo que ahora es Turquía; Anaxágoras se
trasladó a Atenas a la edad de 20 años, donde entró de inmediato a los círculos
intelectuales más elevados. Se convirtió en el compañero íntimo e instructor de
Pericles, gobernante político de Atenas en el momento más elevado del poder de
la ciudad (454431 a.C.). Anaxágoras enseñó y escribió un tratado de filosofía
natural que más adelante emplearía el filósofo griego Sócrates (469-399 a.C.).
Su fama se extendió por todas partes, su fervor por la vida intelectual y su
desprecio por todos los placeres de la carne y de la sociedad se volvieron tan
famosos como sus enseñanzas. Anaxágoras estaba tan dedicado a la vida de la
mente que descuidó todo lo demás y permitió que su cuantiosa herencia se
desperdiciara.
A
pesar de ser la figura intelectual más importante en Atenas, se alejó de la
ciudad después de aproximadamente de 30 años y se sabe poco de su vida
posterior. Murió en Lámpsaco, en la costa de los Dardanelos, cuando tenía
alrededor de 70 años, pero su influencia continuó hasta un siglo después de su
muerte.
Sin embargo, la mente tenía una función adicional: Al inicio de todas las
cosas, la materia no se distinguía en diferentes sustancias, sino que era una
pila homogénea de partículas o estiércol líquido que se dividió en materia
"adecuada" mediante el principio de la mente.
En el esquema de Anaxágoras, un objeto natural, como un tejón, mezcla
semillas que Incluyen piel, sangre y hueso con el nous o la "mente"
que lo anima. Un objeto inanimado comparte las mismas semillas en diferentes
proporciones, pero no tiene "mente".
Sin
embargo, esto suena terriblemente como creación mediante una entidad divina, y
Anaxágoras se mantenía firme en que no deseaba supersticiones, ni religión en
su explicación del mundo.
Cuando un árbol se quema, sus componentes se reacomodan en forma bastante
dramática.
Su
"mente" no era un creador inteligente, sino algún tipo de elemento
inspirador que ponía en movimiento las fuerzas físicas que arremolinó la
materia elemental, causando que se separara, diferenciara y formara cuerpos
como la Tierra y el Sol. Es difícil ser precisos respecto a la función de la
mente, ya que no sobrevivió el texto completo de Anaxágoras. Platón informó que
Sócrates compró un ejemplar de la obra de Anaxágoras porque pensaba que
contenía una explicación que involucraba una inteligencia que lo formé), pero
quedó desilusionado.
Todo es cambio
Anaxágoras
tenía un modelo que la materia no se podía crear o destruir, pero en el que la
mutabilidad del mundo a nuestro alrededor se explica por el cambio de posición
de la materia con el paso del tiempo. Si se corta un árbol y la madera se
convierte en un bote, la materia se ha movido y reacomodado, pero es del mismo
tipo y cantidad (contando el bote, los restos y el aserrín) que antes. Otros
cambios requieren reacomodos más considerables: Por ejemplo, prender Riego a un
árbol produce cenizas, vapor de agua y humo que no parecen ser similares en
absoluto a la madera. Como todo objeto contiene, en diferentes proporciones,
todos los posibles tipos de materia y cualidades, siempre existe el potencial
para que cada tipo de materia se pueda obtener de cualquier objeto; por
ejemplo, así puede crecer una planta del suelo mediante reacomodar o extraer
tipos de materia.Anaxágoras se dio cuenta de que para hacer que esto
funcionara, las partes componentes de la materia (las semillas) deben ser en
extremo pequeñas, ya que de otra manera no serían posibles los tipos de cambios
que vemos todos los días. El requisito de que los componentes de la materia
sean infinitesimalmente pequeños iba a presentar problemas insuperables para el
modelo.
Porciones imposibles de cortar
La palabra "átomo" procede de la palabra griega "atomos"
que significa "imposible de cortar o indivisible". La sugerencia de
que todo está formado por partículas muy pequeñas e indivisibles tuvo su origen
en el siglo V a.C., con la obra de Leucipo y luego de su pupilo Demócrito. Se
sabe mucho más de Demócrito (aprox. 460 aprox. 370
a.C.) que de Leucipo, al grado de que el filósofo griego Epicuro (341-270 a.C.)
dudaba de que Leucipo siquiera existiera. Es imposible decir qué parte del
modelo atómico procede de Leucipo. El atomismo afirma que el Universo consta de
materia formada por pequeñas partículas indivisibles que existen en un vacío.
Los átomos de cualquier sustancia particular son todos del mismo tamaño y
forma, y están hechos del mismo material.
Homeómeros
Anaxágoras
y los pensadores griegos posteriores distinguían entre sustancias que eran
horneómeras (homogéneas) y las que no lo eran. Una sustancia homeómera es
aquella en la que todas las partes son como el todo. Así, un pedazo de oro es
homeómero porque sin importar qué tan pequeño sea el trozo que se tome, todavía
tiene las propiedades de un trozo grande de oro. Un árbol o barco no es
homeómero, ya que se puede fragmentar en partes que tienen diferentes
características. Para los ojos modernos, los homeómeros son los elementos y los
compuestos químicos puros.
Si
los átomos son partículas diminutas y homogéneas (homeómeros), existe una
pregunta obvia: ¿por qué no se pueden dividir más? Si Demócrito tenía una
respuesta, no ha sobrevivido. Puede haber sido que los átomos, al ser
homogéneos, no tenían vacío interno (mientras que los trozos más grandes de
materia tienen espacio entre los átomos), y sólo esto significa que no se
pueden dividir.
Aristóteles
(384-322 a.C.)
Aristóteles
nació en Estagira, Macedonia, fue el hijo de un médico de la corte, pero quedó
huérfano a temprana edad. Se trasladó a Atenas más o menos a los 18 años para
estudiar con Platón en su academia, siguiendo el consejo que le dio el oráculo
délfico. Se volvió el mejor discípulo de Platón, y el más famoso.
También
hay una paradoja innata en un modelo de materia formado por partículas
infinitesimales. Lo que Anaxágoras quería decir con infinitesimal era que las
partículas eran más pequeñas que cualquier medición arbitrariamente pequeña que
fuera mayor a cero. A pesar de todo, creía que todo objeto tenía un número
infinito de partículas, ya que sin importar lo pequeña que fuera una porción
que tomara, siempre había algo de todo tipo de materia. Si los átomos o
semillas no tenían extensión en el espacio (tamaño cero), entonces incluso un
número infinito de ellos no podría formar materia de tamaño finito. Este dilema
presentó problemas insuperables para los pensadores griegos posteriores, y
condujo al modelo atómico al estancamiento del que no saldría por 2000 años.
Cosas y no cosas
Hasta este momento, el atomismo parece muy similar al modelo de Anaxágoras; sin
embargo, él tenía a toda la materia flotando en el aire o aether,
que es una sustancia física, mientras que los atomistas tenían a las partículas
de materia existiendo en un vacío. Demócrito (o Leucipo) fue el primero en
postular un vacío, ya que era claro que era necesario si la materia se iba a
mover: en un universo repleto de materia toda porción del espacio ya estaría
ocupada, de manera que no la podría ocupar algo más que se moviera hacia ella.
Cuando algo se mueve no sólo avanza en el espacio vacío o empuja el espacio
vacío, también deja espacio vacío detrás. Mientras que los pensadores
anteriores habían negado que existiera un vacío ("lo que no es"), Demócrito
confió en la evidencia de nuestros sentidos (sabemos que las cosas se mueven)
para establecer al vacío como un concepto válido. Lo que es más, podemos ver
que el Universo está formado por muchas cosas (tiene pluralidad), mientras que
si no hubiera espacio vacío, toda la materia sería continua. La pluralidad y el
cambio requieren un vacío.
§. Materia atómica y elemental
Para la mente moderna, los átomos y los elementos son parte del mismo modelo
del universo. Los elementos son las sustancias químicas puras, cada uno formado
por átomos idénticos, de manera que todo el oro son átomos de oro, y todo el
hidrógeno son átomos de hidrógeno.
El metal cobre de color brillante está formado sólo por átomos de cobre. Los
cristales azules del compuesto sulfato de cobre están formados por átomos de
cobre, azufre y oxígeno.
Por
otro lado, por ejemplo, los compuestos contienen átomos de dos o más elementos,
así que el bióxido de carbono contiene átomos de carbono y de oxígeno. Sin
embargo, en las teorías antiguas de la materia, los átomos y los elementos
pertenecen a modelos diferentes.
Cuatro o cinco elementos
Empédocles (aprox. 490 - aprox. 430 a.C.) enseñó que todo está formado por
cuatro "raíces": tierra, aire, agua y fuego. Aristóteles, tal vez el
pensador más grande y más influyente en la historia de Occidente, revisó y
ahogó por este modelo.Platón renombró las cuatro raíces como
"elementos" y Aristóteles empleó este término. Cada elemento se
caracteriza por dos propiedades de contrarios naturales: calor-frío y
húmedo-seco. Así, la tierra es fría y seca, el agua es fría y húmeda, el aire
es caliente y húmedo y el fuego es caliente y seco. Estas propiedades también
formaron la base del modelo de salud y enfermedad que propuso Hipócrates (aprox. 460 aprox. 377
d.C.) o su escuela, que duró hasta el siglo XIX.
Representación alegórica de los cuatro elementos en un manuscrito del siglo
XII.
De
acuerdo a la teoría elemental, toda la materia ocupaba en forma natural un
reino que se asociaba con sus elementos y la materia es atraída hacia su reino
natural. La tierra ocupaba la posición más baja, el fuego la más alta, con el
agua y el aire entre ellos. Esto explicaba algunos tipos de movimiento en el
mundo físico: Los objetos pesados caen a la tierra porque la tierra es su
principal elemento; el humo consta de fuego y aire, lo que ocupa los reinos
superiores, así que se eleva. Una vez que un elemento está en su lugar natural,
no se moverá a menos que algo lo provoque.Además de los cuatro elementos,
existe un quinto elemento muy diferente (o "quintaesencia") llamada
el "aether". El concepto de "aether" (o "éter")
nunca desapareció del todo, aunque se favoreció y cayó en desgracia por miles
de años (ver cuadro de abajo).Aunque el modelo atomista de Demócrito estaba en
verdad mucho más cerca de la realidad como se comprende en la actualidad, fue
la idea favorecida por Empédocles, Platón y Aristóteles de un mundo formado por
cuatro elementos, la que demostró ser más popular. Cuando los pensadores árabes
de principios de la Edad Media revitalizaron y desarrollaron el pensamiento de
la Grecia clásica, fue este modelo elemental el que fomentaron. De ahí se
tradujo al latín y a otros idiomas europeos; continuó siendo la piedra
fundamental del pensamiento sobre la naturaleza de la materia por más de 2000
años.
El
aether: 2500 años de un medio indetectable
El
aethero quintaesencia aparece por primera vez como el quinto elemento en el
pensamiento de la antigua Grecia. Es el elemento del cielo y no forma parte de
la materia terrenal. Se le consideraba el reino natural de los dioses y era
inmutable y eterno. Se pensaba que sólo se movía en círculos ya que el círculo
es la forma perfecta. Se pensaba que las diferentes densidades del aether
explicaban la existencia de los cuerpos celestiales. El gran filósofo y
matemático francés René Descartes (1596-1650) pensaba que la visión era posible
porque la presión que ejercía en el aether se transfería al ojo. El científico
escocés James Clerk Maxwell (1831-79) revivió el concepto del aether o
"éter" en el siglo XIX para explicar el transporte de la luz y de otras
formas de la radiación electromagnética.
El físico holandés Hendrik Lorentz (1853-1928) elaboró una teoría de un medio
electromagnético abstracto en 1892-1906
pero cuando Albert Einstein publicó su teoría especial de la relatividad en
1905 prescindió por completo del aether.
En fechas más recientes gran cantidad de cosmólogos han propuesto de nuevo
algún tipo de aether que baña el cosmos tal vez vinculado con la materia
oscura.
C-c-cambios
Mientras Parménides no podía explicar el cambio de ninguna forma y los
atomistas empleaban el vacío para permitir que la materia cambiara, Aristóteles
formuló todo el cambio como transformación entre estados. Esto implicaba
"convertirse" y "desconvertirse" de nuevo, una versión de
la conservación de la masa. Así que para convertirse en estatua, un bloque de
piedra o de bronce dejaba de ser bloque para convertirse en estatua. Para
convertirse en hombre, un niño dejaba de ser niño. Cada objeto cambiable ya
tenía el potencial de ser algo más, y ese cambio se hacía realidad cuando
cambiaba. Entonces perdía su potencial de llegar a ser y tenía
"realidad".
Kanada
(Kashyapa)
El
filósofo hindú Kanada nació en Gujarat, India. Según la tradición,
originalmente se llamaba Kashyapa, pero cuando era niño le dio el nombre Kanada
(de Kana, que significa grano) el sabio Muni Somasharma para explicar su
fascinación por los objetos diminutos. Su principal área de estudio fue un tipo
de alquimia. Propuso una teoría atómica de la materia, que según informes le
llegó mientras caminaba comiendo y arrojando pequeñas partículas de alimento.
Se dice que se dio cuenta de que no podía continuar dividiendo el alimento en
partes cada vez menores, sino que al final debía estar formado por átomos
indivisibles.
Atomismo
hindú
Los griegos no fueron los únicos pensadores en presentar un tipo de teoría
atómica. Los filósofos' hindúes también sugirieron que la materia podía estar
formada de partículas diminutas. No está claro si los griegos o los hindúes lo
elaboraron primero, y si lo desarrollaron en forma independiente o si una
tradición influyó en la otra. El filósofo hindú Kanada (Kashyapa) pudo haber
vivido en el siglo VI o II a.C. (los historiadores no se pueden poner de
acuerdo). Si la primera fecha es la correcta, el atomismo de Kanada antecede a
la tradición griega y pudo haber influido en ella.La teoría de los átomos de
Kanada complementó la teoría elemental porque propuso cinco tipos diferentes de
átomos, uno por cada uno de los cinco elementos que formaban el modelo hindú de
la materia: Fuego, agua, tierra, aire y aether, los mismos del modelo de
Aristóteles. Los átomos, o parmanu, se atraen entre sí y se
agruparán. Una partícula biatómica, chviniikíi, tiene propiedades
que pertenecen a cada componente; luego se agrupan en grupos triatómicos que se
pensaba eran los componentes de la materia más pequeños visibles. La variedad y
las diferentes propiedades de la materia se explicaban mediante combinaciones y
proporciones distintas de los cinco tipos de parmanu. En la
versión del atomismo de Kanada que elaboró la escuela de Vaisesika, los átomos
podían tener una combinación de 24 propiedades posibles. Los cambios químicos y
físicos de la materia se producen cuando se recombinan los parmanu.A
diferencia de los filósofos griegos, Kanada creía que los átomos podían
aparecer o dejar de existir al instante, pero que no se podían destruir con
medios físicos o químicos.La teoría jaina del atomismo procede del siglo I a.C.
o antes. Considera que todo el mundo, a excepción de las almas, está compuesto
por átomos, cada uno de los cuales tiene un tipo de gusto, un olor, un color y
dos tipos de tacto. Los átomos jaina estaban en movimiento constante, por lo
general en línea recta, aunque podían seguir un camino curvo si los atraían
otros átomos. También tenía un concepto de carga polar, en el que las
partículas tenían una característica lisa o rugosa que les permitía pegarse.
Los átomos se podían combinar para producir uno de seis
"conglomerados": Tierra, agua, sombra, objetos de los sentidos,
materia kármica y materia indigna. Existían teorías complejas de cómo actuaban,
reaccionaban y se combinaban los átomos.
Atomismo islámico
Fueron más antiguas las teorías hindúes o griegas, los eruditos islámicos
reunieron ambas. Las enseñanzas de los antiguos griegos sobrevivieron en el
Imperio Romano Oriental (Bizancio) y los eruditos árabes las resucitaron, las
tradujeron y comentaron. Había dos formas principales de atomismo islámico, una
más cercana al hindú y una con el pensamiento aristotélico.
Al-Ghazali fue un asharita, una secta que creía que la razón humana no podía
determinar las verdades sobre el mundo físico sin la revelación divina.
La
más exitosa fue la obra asharita de Al-Ghazali (1058-1111). Para Al-Ghazali,
los átomos son los únicos objetos materiales que son eternos; todo lo demás
dura sólo un instante y se dice que es "accidental". Los objetos
accidentales no pueden ser la causa de nada, excepto de la percepción.Unos años
antes, el filósofo islámico nacido en España, Averroes (Ibn Rushd, 1126-1198),
rechazó el modelo de Al Ghazali y comentó en forma extensa sobre Aristóteles.
Averroes tuvo una enorme influencia en el pensamiento medieval posterior, y
tuvo un papel decisivo en que se absorbiera a Aristóteles en la erudición
cristiana y judía.Gran parte de las obras árabes se tradujeron al latín al
principio de la Edad Media, introduciendo el pensamiento griego clásico en la
Europa Occidental. La iglesia católica adoptó las enseñanzas de Aristóteles
siempre que no contradijeran directamente a la Biblia o a los pensadores
cristianos influyentes. Por esta ruta, constituyeron el fundamento de los
modelos científicos y filosóficos que estuvieron vigentes en Occidente hasta el
Renacimiento, cuando los pensadores europeos por fin empezaron a desafiar y
verificar las enseñanzas de los antiguos.
De los átomos a los corpúsculos
En el siglo XIII, un alquimista anónimo conocido como Pseudo-Geber expuso una
teoría de la materia basada en diminutas partículas, a las que llamó
"corpúsculos" (El extraño nombre de Pseudo-Geber procede de que
firmaba sus obras como Geber, que era la forma latinizada del nombre Jabir ibn
Hayyan, alquimista islámico del siglo VIII, a pesar de que los textos en
realidad no eran traducciones de las obras de Geber).Pseudo-Geber propuso que
todos los materiales físicos tienen una capa interna y externa de corpúsculos.
Creía que todos los metales estaban formados por corpúsculos de mercurio y
azufre en diferentes proporciones. Empleó esta creencia para apoyar la
alquimia, ya que sostenía que todos los metales tenían los ingredientes
necesarios para convertirse en oro y que sólo necesitaban el refinamiento o
reacomodo apropiado.Nicolás de Autrecourt (aprox. 1298 - aprox. 1369)
describió algo similar al punto de vista de Pseudo-Geber. Autrecourt reanudó el
debate que estaba de moda en París, en ese tiempo el centro intelectual de
Europa, respecto a la divisibilidad o indivisibilidad de un conjunto.Esta duda
surgió de la declaración de Aristóteles de que un continuo no puede estar
formado por partículas indivisibles. Creía que toda la materia, el espacio y el
tiempo estaban formados por átomos, puntos e instantes y que todo cambio era
resultado de reacomodar átomos.
Debate imaginario entre el aristotélico Averroes (izquierda) y el filósofo
neoplatónico Porfirio, quien murió 800 años antes del nacimiento de Averroes.
Diversos
puntos de vista de Autrecourt ofendieron a la Iglesia y se tuvo que retractar
de ellos después de que lo enjuiciaran en 1340-1346. Para él, todo movimiento
era inherente al objeto que se movía (ya que el movimiento se reduce al
movimiento de partículas). Pensadores posteriores no adoptaron su punto de
vista de que el tiempo es granular, al igual que la materia, al estar formado
por instantes discretos.Una variante del atomismo antiguo se volvió popular en
el siglo XVII y tuvo el apoyo del químico irlandés Robert Boyle, el filósofo
francés Pierre Gassendi (1592-1655) e Isaac Newton, entre otros. Conocida como
"corpuscularismo", difería del atomismo en que los corpúsculos no
necesitaban ser indivisibles. De hecho, los proponentes de la alquimia
(incluyendo a Newton) emplearon la divisibilidad de los corpúsculos para
explicar cómo el mercurio se podía insinuar entre las partículas de otros
metales, allanando el camino para su trasmutación a oro. Los corpuscularianos
sostenían que nuestras percepciones y las experiencias del mundo a nuestro
alrededor son resultado de las acciones de las partículas diminutas de la
materia en nuestros órganos de los sentidos.
De los corpúsculos de vuelta a los átomos
El atomismo no revivió en verdad hasta que Pierre Gassendi propuso un punto de
vista escéptico del mundo en el que todo lo que sucedía pasaba por el
movimiento y la interacción de diminutas partículas que seguían las leyes
naturales. Gassendi excluyó a los seres pensantes de este esquema, pero en
otros aspectos la teoría que publicó en 1649 era sorprendentemente exacta.
Pensó que las propiedades de la materia eran producto de las formas de los
átomos, que los átomos se podían juntar en moléculas y que existían en un vasto
vacío, de manera que la mayor parte de la materia era en realidad no materia.
La idea de Gassendi no tuvo tanta influencia como debió tener, principalmente
porque Descartes se oponía directamente a ella, negando en forma categórica que
pudiera existir un vacío. Sin embargo, Gassendi y Descartes estaban de acuerdo
en un aspecto: Ambos creían que el mundo era de naturaleza mecanicista y seguía
las leyes de la naturaleza.
Pierre Hassendi fue un defensor del corpuscularismo
Robert
Boyle llevó el atomismo a primera plana de nuevo unos cuantos años después de
la muerte de Gassendi. En 1661 publicó The Sceptiail Chymist (El
químico escéptico), describiendo un Universo formado completamente por
átomos y conglomerados de átomos, todos en movimiento perpetuo. Boyle propuso
que todos los fenómenos son resultado de colisiones entre átomos en movimiento
y pidió a los químicos investigar los elementos, ya que sospechaba que había
más de los cuatro que Aristóteles había identificado.
La Ilustración
La Ilustración es el nombre que se da por lo general al periodo que empezó
alrededor de 1600, cuando el estado de ánimo filosófico de Europa Occidental y
de las nuevas colonias en Estados Unidos estaba lleno de confianza en las
actividades humanas. Continuó el florecimiento del optimismo y los logros que
se habían iniciado en el Renacimiento, y completó el cambio del punto de vista
de menosprecio o sumisión de la humanidad, como pecadores, que predominó en la
Edad Media, a un punto de vista que celebraba los logros humanos y su
potencial. La Ilustración impulsó y a la vez tuvo el impulso de avances en
ciencia, tecnología, filosofía, pensamiento político y artes.La filosofía de
este periodo a veces se divide en dos campos: racionalista y empirista. Los
racionalistas sostenían que la razón era la ruta al conocimiento, mientras que
los empiristas favorecían la observación del mundo a nuestro alrededor.Esto seguía
en forma aproximada la división entre Platón (racionalista) y Aristóteles
(empirista) en el pensamiento antiguo.El punto de vista empirista condujo
directamente a la experimentación y observación científicas, mientras que el
racionalismo favorecía los enfoques matemático y filosófico. Sin embargo, no
existe una división clara entre los dos, ya que las conclusiones alcanzadas por
la deducción racional a menudo son susceptibles a probarse mediante los métodos
empíricos. Juntos, estos enfoques formaron la base de la revolución científica.
El desarrollo del método científico, uno de los triunfos de la Ilustración,
cambió para siempre el curso de los descubrimientos científicos.
§. El nacimiento de la física del estado sólido
Aceptar que la materia está formada por partículas diminutas, sea que las
llamemos átomos o corpúsculos, condujo a preguntas obvias como ¿qué forma
tienen?, ¿cómo se unen para formar la materia contigua?
Alquimia
Las
metas más conocidas de la actividad filosófica y científica de la alquimia son
cambiar metales comunes en oro, mediante la trasmutación, y producir un elíxir
de la vida. A menudo se pensaba que la legendaria piedra filosofal era un
componente esencial del elíxir de la vida, o del proceso de trasmutación, o de
ambos. La alquimia se ha practicado de diferentes formas en el antiguo Egipto,
Mesopotamia, la antigua Grecia, China y el Medio Oriente islámico, además en la
Edad Media y en el Renacimiento de Europa. La alquimia es la base de la química
y la farmacología modernas, y en la alquimia china la producción de medicinas
era una actividad importante. Los intentos de trasmutación empezaron con el
plomo, pero se podían emplear otros metales. No es necesario señalar que no
funcionó ninguno de los métodos de los alquimistas.
¿Cómo
reaccionan e interactúan los diferentes tipos de materia? ¿Cómo se relacionan
los cambios físicos (derretimiento, congelación, sublimación) con el modelo de
partículas? Los físicos del siglo XVII dedujeron modelos de la estructura de la
materia a partir de la observación de las propiedades y el comportamiento de
las sustancias, lo que a veces los llevó a deducciones muy extrañas.
Un alquimista trabaja en la destilación en su laboratorio.
Después
de observar que se produjera hierro forjado, Descartes llegó a la conclusión de
que las partículas de hierro de alguna manera se unían en granos, y que la
cohesión dentro de los granos era mayor que la cohesión entre los granos. Sin
embargo, no se dio cuenta que los "granos" en el hierro forjado
forman una estructura cristalina. Aunque en teoría los microscopios pudieron
revelar esas estructuras, no fueron de uso común hasta la segunda mitad del
siglo XVII; incluso entonces se usaban casi siempre en estudios biológicos. Por
supuesto, ningún microscopio puede mostrar la forma de los átomos o las
moléculas.
Robert Boyle en 1689, dos años antes de su muerte, cuando su salud ya era
mala.
El
poder de la nada
El científico alemán Otto von Guericke (1602-1686) inventó, o descubrió, la
nada. En forma literal, demostró que el vacío podía existir, algo que los
científicos habían negado antes. Después de experimentar con fuelles y crear
una bomba de aire, presentó una demostración espectacular frente al emperador
Fernando III, en 1654. Construyó esferas de metal con dos hemisferios y les
sacó el aire con una bomba.
Otto von Guericke llevando a cabo un experimento para demostrar un vacío.
Mostró
el poder del vacío, o más bien el poder de la presión atmosférica, al demostrar
que ni siquiera dos caballos podían separar los hemisferios.
"[Robert
Boyle] es muy alto (alrededor de 1.80 metros) y muy recto, muy mesurado,
virtuoso y austero; es soltero, tiene carroza, viaja con su hermana, lady
Ranelagh. Su mayor placer es la química. Tiene en casa de su hermana un
majestuoso laboratorio y varios sirvientes (aprendices según él) para cuidarlo.
Es caritativo con la gente Ingeniosa necesitada, y los químicos extranjeros han
tenido grandes pruebas de su generosidad, ya que no se detiene en costos para
encontrar algún raro secreto. A su propia costa hizo que tradujeran el Nuevo
Testamento al árabe, para enviarlo a los países mahometanos. No sólo tiene
renombre en Inglaterra, sino en el extranjero y, cuando los extranjeros vienen
acá, es una de sus curiosidades hacerle una visita".
John Aubrey, Vidas breves
El
físico cartesiano Jacques Rohault (1618-1672) sugirió en 1671 que los
materiales plásticos (o flexibles) tenían partículas con texturas complejas que
están entremezcladas, mientras que los materiales quebradizos tienen partículas
con una textura simple que se tocan entre sí sólo en unos cuantos puntos. En
1722 el pensador francés René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757)
determinó que al contrario ele la creencia previa, el acero no es hierro
purificado, sino hierro al que se le han añadido "azufres y sales" y
que las partículas de estas sustancias se encuentran entre las partículas del
hierro.Al no tener otro método en el cual confiar aparte de la imaginación, los
físicos presentaron algunas sugerencias descabelladas para las formas de las
partículas. Nicolaas Hartsoeker (1656-1725) afirmó en 1696 que el aire estaba
formado por bolas huecas construidas con anillos como de alambre, que el
cloruro mercúrico es una bola de mercurio con picos pegados en forma de aguja o
de navaja de sal y ácido sulfúrico, y que el hierro tiene partículas con
dientes que se entrelazan para volverlo duro cuando está frío.
"Por
lo tanto existen agentes en la naturaleza que pueden hacer que las partículas
en los cuerpos se peguen con atracciones muy fuertes. Y es asunto de la
filosofía experimental encontrarlos. Ahora las partículas más pequeñas de la
materia pueden formar una unidad mediante las atracciones más fuertes y
componer partículas más grandes de virtud más débil y muchas de ellas pueden
formar una unidad y componer partículas más grandes cuya virtud es todavía más
débil y así en adelante para diversas sucesiones hasta que la progresión
termine en las partículas más grandes de las cuales dependen las operaciones de
la química y los colores de los cuerpos naturales que al formar unidades
componen cuerpos de una magnitud práctica. Si el cuerpo es compacto y se dobla
o cede a la presión sin deslizarse alguna de sus partes es dura y elástica
volviendo a su figura con la fuerza que surge de la atracción mutua de sus
partes. Si las partes se deslizan unas sobre otras el cuerpo es maleable o
suave. Si se deslizan con facilidad y son de un tamaño apropiado para agitarse
mediante el calor y éste es lo bastante grande para mantenerlas en agitación el
cuerpo es fluido".
Isaac Newton, notas para la segunda edición de Óptica, Londres, 1718
Sostenía
que el hierro es maleable cuando se calienta, ya que las partículas se separan
lo suficiente para permitir que se deslicen unas sobre otras. Pensar en las
estructuras de la materia era un juego, y Hartsoeker terminó alentando a sus
lectores a unirse: "No deseo privar al lector del placer de hacer él
mismo la búsqueda, siguiendo los principios que he establecido antes".
§. Átomos y elementos
Robert Boyle tuvo razón en impulsar a los químicos a buscar más elementos que
tierra, agua, aire y fuego, pero pasó algún tiempo antes de que se formulara
una tabla de los elementos químicos. Antoine Lavoisier produjo la primera obra
de química moderna en 1789 e incluyó en ella una lista de 33 elementos
(sustancias que no se podían fragmentar más). Por desgracia, la lista de
Lavoisier incluía la luz y el "calórico", que pensaba que era un
fluido que producía pérdida o ganancia de calor mediante su movimiento.
La microestructura del acero: los científicos del siglo XVII no examinaban
el metal con microscopios.
Lavoisier
no consideraba completa su lista de elementos, dejando la puerta abierta para
mayores investigaciones y descubrimientos posteriores.
Imagen contemporánea de la fundición del hierro, como Descartes la vio.
Tampoco
organizó su lista de elementos en la tabla periódica (ese trabajo quedó para
que el químico ruso Dmitri Mendeléiev [1834-1907] lo completara en 1869). La
tabla periódica es relevante para la historia de la física, ya que al organizar
los elementos de acuerdo a sus propiedades reveló el significado del número
atómico y su relación con la valencia la forma en que los elementos se unen.
Antoine-Laurent
de Lavoisier (1743-1794)
Antoine
Lavoisier (como se hacía llamar después de la Revolución Francesa, cuando un
nombre caprichoso de noble se convirtió en un riesgo) fue el hijo de un abogado
adinerado y se educó originalmente en la ley. Sin embargo, se decidió por la
ciencia, estudiando primero geología, y después se interesó cada vez más por la
química. Tenía su propio laboratorio y, junto con su casa, se convirtieron en
un imán para librepensadores y científicos.
Se ha llamado a Lavoisier el padre de la química moderna. Sus logros fueron
considerables y variados. Además de hacer la lista de los elementos, reconoció
el papel del oxígeno en la combustión y la respiración, y que se involucraban
reacciones similares en ambas. Esto acabó con la teoría popular y antigua del
flogisto (una sustancia que se suponía que se liberaba cuando se quemaba la
materia).
Lavoisier era liberal en el aspecto político, y apoyaba los ideales que
condujeron a la Revolución Francesa. Sirvió en un comité que propuso la reforma
económica y sugirió mejoras para las nefastas condiciones en cárceles y
hospitales de París, pero esto al final no lo salvó. Lo ejecutaron en la
guillotina durante el Terror, en 1 794. Se dice que pidió que retrasaran la
ejecución para que pudiera terminar sus experimentos, pero le dijeron: "La
República no necesita científicos". Se propagó por todas partes una
historia de que le pidió a un asistente que contara cuántas veces continuaba
parpadeando después de que separaran su cabeza de su cuerpo, pero es probable
que fuera falsa.
"Alma
del mundo, Inspiradas por t¡
Se unen las discordantes semillas de la materia,
Pues ataste los átomos dispersos
Que, unidos por las leyes de la verdadera proporción,
Constituyeron de diversas partes una sola y perfecta armonía".
Nicholas Brady,
"Oda a Santa Cecilia", aprox. 1691
Como
empirista, Lavoisier afirmó que en su obra había "tratado de llegar a
la verdad vinculando los hechos; de reprimir tanto como fuera posible el
uso del razonamiento, el cual a menudo es un instrumento poco confiable que nos
engaña, con el fin de seguir tanto como fuera posible la antorcha de la observación
y el experimento".
Antoine Lavoisier, el primer químico verdadero.
Otra
contribución que más adelante demostró ser importante para comprender las
reacciones químicas en el nivel atómico fue la ley de la conservación de la
masa de Lavoisier (el reconocimiento de que la masa nunca se pierde o se gana
en el proceso de una reacción química. Pero a pesar de presentar una lista de
elementos, no creía en los átomos, algo que consideraba imposible desde el
punto de vista filosófico).
Todo en proporción
Decidir que existen los átomos es un buen principio, pero con el fin de construir
materia continua a partir de ellos, y sin más variedades que sólo los elementos
identificados por Lavoisier, era necesario algún medio para unir los átomos.
Cómo se adherían con exactitud los átomos en grupos era un enigma para los
primeros atomistas. Newton escribió sobre "Agentes en la naturaleza"
que podían mantener unidos los átomos.El primer paso para investigar cómo se
combinan los átomos era determinar las proporciones en que se unen con los
compuestos. El químico francés Joseph Proust (1754-1826) dedujo la ley de las
proporciones definidas a partir de experimentos que llevó a cabo entre 1798 y
1804, mientras era director del Laboratorio Real en Madrid. Su ley declara que
en cualquier compuesto químico particular, los elementos siempre se combinan en
las mismas proporciones de números enteros de acuerdo a la masa.
"Se
requirió sólo un momento para cortar esa cabeza, y tal vez un siglo no sea
suficiente para producir otra como ella".
El matemático y astrónomo Joseph-Louis Lagrange acerca de la ejecución de
Lavoisier, 1794
· Todos
los átomos de un elemento dado son idénticos.
· Los
átomos de un elemento difieren de los átomos de cualquier otro elemento y se
pueden distinguir por sus pesos atómicos.
· Los
átomos no se pueden crear, destruir o dividir mediante procesos químicos.
· Los
átomos de un elemento se pueden combinar con los átomos de otro para formar un
compuesto químico; un compuesto determinado siempre contiene la misma
proporción de cada elemento.
Dalton
elaboró la ley de las proporciones múltiples. En lugar de sólo examinar un
compuesto único formado por dos elementos, examinó elementos que se pueden
combinar en más de una forma.Sólo unos años después de que guillotinaran a
Lavoisier en París, el químico inglés John Dalton (1766-1844) elaboró más esta
idea y puso las bases para la teoría atómica moderna. En la obra que empezó en
1803 y publicó en 1808, expuso cinco observaciones sobre los átomos: Todos los
elementos están formados por átomos. Encontró que las proporciones relativas
siempre son proporciones pequeñas de números enteros. Así, por ejemplo, el
carbono y el oxígeno pueden formar monóxido de carbono (CO) o bióxido de
carbono (CO2). Empleando los pesos del oxígeno y el carbono que se
combinan, en CO la proporción es 12:16, y en CO2 es 12:32. Por
lo tanto, la proporción de oxígeno en CO con respecto a la de CO2 es
1:2.De las proporciones en que se combinan las masas de los elementos, fue
posible calcular las masas atómicas relativas. Dalton calculó la masa atómica
de acuerdo a la masa de cada elemento en un compuesto, empleando al hidrógeno
como su unidad de referencia (1).Sin embargo, se equivocó al suponer que los
compuestos simples siempre se formaban con la proporción 1:1; así que pensó que
el agua era HO y no H2O, y como resultado cometió algunos errores
graves en su tabla de números atómicos. Dalton tampoco se dio cuenta que
existen algunos elementos como moléculas diatómicas (es decir, en pares, como
el O2). Estos errores básicos se corrigieron en 1811, cuando el
químico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856) se dio cuenta de que un volumen
fijo de cualquier gas a la misma temperatura y presión contiene el mismo número
de moléculas (relacionado con la Constante de Avogadro, 6.0221415 x 1023 mol-1)A
partir de esto Avogadro calculó que como dos litros de hidrógeno reaccionan con
1 litro de oxígeno, los gases se combinan en la proporción 2:1. En la
actualidad se considera a Avogadro (su nombre completo era Lorenzo Romano
Amedeo Carlo Bernadette Avogadro de Quaregna y Cerreto) el creador de la teoría
atómica-molecular.
Átomos; ¿Verdaderos o falsos?
Aunque la obra de Dalton parece convincente en retrospectiva, los científicos
de su tiempo no se quedaron con la boca abierta por su explicación, y los
físicos continuaron estando divididos en dos campos: Los que aceptaban la
posible existencia de los átomos y los que no. Por fortuna, había buenas
razones prácticas para continuar examinando los gases. El desarrollo del motor
de vapor provocó un creciente interés en la termodinámica y, por lo tanto, a la
consideración de las propiedades y al comportamiento de los átomos. Dicho
comportamiento se podía relacionar con la acción de los gases calientes en una
escala mucho más grande v, por lo tanto, con las leyes de la termodinámica que
surgió a mediados del siglo XIX.La primera evidencia visual de que la materia
está formada por partículas diminutas la descubrió el botánico escocés Robert
Brown (1773-1858) en 1827, aunque no se explicó de inmediato. Mientras
examinaba minúsculos granos de polen en agua bajo el microscopio, Brown notó
que se movían de un lado a otro constantemente, como si algo invisible
estuviera chocando con ellos. Encontró que el mismo movimiento ocurría incluso
cuando empleaba granos de polen que habían estado almacenados por cien años, de
manera que demostraba que el movimiento no era iniciado por los mismos granos
vivos. Brown no pudo explicar lo que vio, así que lo que en la actualidad se
conoce como "movimiento browniano" atrajo poca atención por largo
tiempo. En 1877, J. Desaulx lo revisó, sugiriendo que: "En mi forma de
pensar, el fenómeno es el resultado del movimiento molecular térmico en el
medio líquido (de las partículas)". El físico francés Louis Georges Gouy
(1854-1926) encontró en 1889 que entre más pequeña es la partícula, más marcado
era el movimiento, lo cual estaba con claridad en concordancia con la hipótesis
de Desaulx. El geofísico austríaco Félix Maria Exner (1876-1930) midió el
movimiento en 1900, relacionándolo con el tamaño de la partícula y la
temperatura.
Ludwig Boltzmann
Esto
allanó el camino para que Albert Einstein explicara el movimiento browniano en
1905. Einstein estaba seguro de que las moléculas eran responsables del
movimiento, y llegó a los primeros cálculos para el tamaño de las moléculas. El
físico francés Jean Perrin (1870-1942) validó la teoría en 1908, cuando midió
el tamaño de una molécula de agua empleando el modelo de Einstein. Fue la
primera evidencia experimental de la existencia de las moléculas, por lo que le
otorgaron a Perrin el Premio Nobel para Física en 1926. Por fin, sólo podía ser
un científico desafiante en particular quien pudiera negar la existencia de
átomos y moléculas.
¿Son divisibles los átomos?
Si adoptamos el punto de vista de Demócrito de que los átomos son los
componentes indivisibles más pequeños de la materia, entonces los átomos no
son, hablando con rigurosidad, átomos. Incluso mientras Einstein y Perrin
estaban de mostrando la existencia de los átomos, estaba empezando a surgir
evidencia de partículas más pequeñas, subatómicas.
Átomos:
Un asunto de vida o muerte
Los
debates respecto a si los átomos existían o no estuvieron de moda durante todo
el siglo XIX, donde algunos físicos afirmaban que los átomos sólo eran un
concepto matemático útil y no parte de la realidad. Los debates causaron que el
físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906), médico austríaco y atomista
confirmado, buscara una filosofía que pudiera dar cabida a ambos puntos de
vista y poner fin a las riñas. Tomó una noción del físico alemán Heinrich Hertz
(1857-1894) que sugería que los átomos eran "Bilder" o imágenes. Esto
significaba que los atomistas podían pensar que eran reales y los
anti-atomistas podían pensar en ellos como una analogía o imagen. Ningún lado
quedó satisfecho.
Boltzmann decidió volverse filósofo para encontrar una formaje refutar los
argumentos en contra del atomismo. En una conferencia de física en San Luis,
Estados Unidos, en 1904, Boltzmann descubrió que la mayoría de los físicos eran
anti-átomos, y ni siquiera lo invitaron a asistir a la sección de física. En
1905 empezó a tener correspondencia con el filósofo alemán Franz Brentano
(1838-191 7), con la esperanza de demostrar que la filosofía se debía eliminar
de la ciencia (un punto de vista que repitió el cosmólogo británico Stephen
Hawking, en 2010), pero quedó desalentado. La desilusión con la mayoría de los
físicos que rechazaban el atomismo al final contribuyó a que Boltzmann se
suicidara, colgándose en 1906.
Con
el descubrimiento del físico británico Joseph John (J. J.) Thomson, del
electrón en 1897, estaba a punto de desafiarse la indivisibilidad del átomo. El
átomo gozaría de su título de partícula última tan sólo unos breves años. Pero
antes de que ahondemos en el interior del átomo, vamos a examinar algunos
fenómenos que por lo general no se considera que tengan relación con nada: luz,
fuerza, campo y energía.
Capítulo 2
Hacer que la luz trabaje: óptica
El descubrimiento de que la luz blanca está compuesta de luz de diferentes
colores fue un avance sensacional en el estudio de la óptica
Contenido:
§.
Un primer vistazo a la luz
§. Salir de la oscuridad
§. Frentes de onda y cuantos
§. Un nuevo amanecer: Radiación electromagnética
§. A la velocidad de la luz
Los
seres humanos han aprovechado la luz del sol, la luna y las estrellas, y
posteriormente la de las lámparas por milenios. La luz es tan esencial para
nuestra existencia que a menudo se vincula con creencias religiosas y
supersticiosas como una fuerza creadora o que da vida. Por lo tanto, durante la
mayor parte de la historia registrada, la luz ha ocupado un lugar especial. Con
el paso de los siglos, la gente ha pensado en ella como una deidad, un
elemento, una partícula, una onda y, por último, una onda-partícula. Como la
luz está unida en forma inseparable con la visión, el estudio de la óptica ha
unido la luz y la visión. No fue hasta hace aproximadamente 100 años que los
científicos empezaron a reconocer que la luz visible era sólo una parte de un
espectro completo de radiación-electromagnética.
§. Un primer vistazo a la luz
Se registraron las ideas sobre la naturaleza de la luz en la India del siglo V
o VI. La escuela samkhya consideraba que la luz era uno de los cinco elementos
“sutiles” fundamentales con los que se construyen los elementos “burdos”. La
escuela Vaishe- shika, que adoptaba un punto de vista atomista del mundo,
sostenía que la luz estaba formada por una corriente de átomos de fuego de
movimiento rápido, no muy diferente del concepto actual del fotón. El texto
hindú del siglo I a.C., Vishnu Pavana, hace referencia a la luz del
sol como los “siete rayos del sol”.
Portada de De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas) de Lucrecio.
Los
antiguos no pudieron separar la luz de la visión. En el siglo VI a.C., el
filósofo griego Pitágoras sugirió que los rayos viajan desde el ojo como palpadores,
y que vemos un objeto cuando los rayos lo tocan, modelo llamado teoría de
emisión (o extramisión). Platón también creía que los rayos emitidos por los
ojos hacían posible la visión; y Empédocles, que escribió en el siglo V a.C.,
habló de un luego que brillaba surgiendo de los ojos. Sin embargo, este punto
de vista del ojo como un tipo de antorcha no podía explicar por qué no podemos
ver igual en la oscuridad que con la luz del día, de manera que Empédocles
sugirió que estos rayos de los ojos debían interactuar con la luz de otra
fuente, como el sol o una lámpara.
"La
luz y el calor del sol, están compuestos de diminutos átomos que, cuando se les
empuja, no pierden tiempo en salir disparados por el interespacio del aire, en
la dirección impartida por el empujón".
Lucrecio, Sobre la naturaleza del Universo, 55 a.C.
La
obra sobreviviente más antigua sobre óptica es del pensador griego Euclides
(330-270 a.C.), quien también aceptó el modelo de emisión. Más conocido como
matemático, Euclides comenzó el estudio de la óptica geométrica, escribiendo
sobre las matemáticas de la perspectiva. Relacionó el tamaño de un objeto con
la distancia al ojo, y expuso la ley de la reflexión: Que el ángulo de
incidencia es igual al ángulo de reflexión, de maniera que la imagen reflejada
parece estar tan detrás del espejo como el objeto j está frente a él.
El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, de manera que el
reflejo de Thomas Young parece estar tan atrás del espejo como él está frente a
él
Más
o menos 300 años después, otro innovador matemático griego, Herón de Alejandría
(aprox. 10-70 d.C.), mostró que la luz siempre sigue el camino más
corto posible mientras viaje a través del mismo medio. Por ejemplo, si la luz
se propaga y observa en el aire, no habrá desviación. Se dio cuenta de que
reflejar la luz de espejos planos no afecta este principio y, de nuevo,
demostró que los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.
Jugando con la luz
Conforme decaía la Grecia clásica como centro cultural de Europa, también
decayó gran parte de la actividad intelectual, incluyendo las pujantes ciencias
físicas. Los pocos pensadores griegos restantes se trasladaron hacia el Este.
El astrónomo griego Claudio Ptolomeo (aprox. 90 - aprox. 168
d. C.) llevó a cabo el trabajo experimental más antiguo sobre la luz mientras
trabajaba en la Biblioteca de Alejandría en el Egipto Romano.
Euclides, el matemático griego.
Encontró
que al entrar a un medio más denso (como al pasar del aire al agua), la luz se
dobla en una dirección perpendicular a la línea divisoria. Lo explicó
sugiriendo que la luz se vuelve más lenta al entrar al medio más denso.Aunque
Ptolomeo aceptó el modelo de emisión de la visión, llegó a la conclusión de que
los rayos de los ojos se comportaban de la misma forma que los
rayos de luz que viajaban a los ojos, y así al final unió las
teorías de la visión y de la luz. Sin embargo, pasarían muchos siglos antes de
que se aceptara que la visión era en su totalidad el resultado de la luz que
cae en el ojo, y que éste de ninguna forma “se extiende y sujeta” las imágenes
del mundo a su alrededor. Ese paso de suma importancia se llevó a cabo en
aproximadamente en 1025 por parte del erudito árabe Ibn Al-Hassan ibn Al-
Haytham, al que se conocía como Alhazen en Europa.
La refracción causa que un objeto que está parte en agua y parte en aire
aparezca inconexo o doblado en el límite entre los medios
Su
obra se tradujo al latín como De Aspectibus (Sobre -la perspectiva )
y tuvo gran influencia en la Europa medieval. Al-Haytham amplió la obra del
primer científico árabe que trabajó con la óptica, Al-Kindi(aprox. 800-870)
quien propuso “que todo en el mundo emite rayos en toda dirección, que
llenan todo el mundo”. Al-Haytham afirmó que los rayos que comunican luz y
color proceden del mundo externo hacia el ojo. Describió la estructura del ojo
y cómo funcionan los lentes, hizo espejos parabólicos y dio valores para la
refracción de la luz. Al-Haytham también declaró que la velocidad de la luz era
finita, pero fue otro científico árabe, Abu Rayhan Al-Biruni (973-1048), quien
primero descubrió que la velocidad de la luz era más rápida que la del
sonido.Qutb Al-Din Al-Shirazi (1236-1311) y su estudiante Kamal Al-Din
Al-Farisi (1267-1319) ampliaron la obra de Al- Haytham, explicando cómo se crea
un arcoíris mediante la división de la luz blanca del sol en los colores
componentes del espectro. Más o menos en el mismo tiempo, el profesor alemán
Teodorico de Friburgo (1250-1310) empleó un frasco esférico de agua para
mostrar cómo se crea un arcoíris cuando la luz del sol se refracta al pasar del
aire a una gota de agua, y se refracta de nuevo, pasando de vuelta del agua al
aire. Dio el ángulo correcto del arcoíris (entre el centro y el halo) como de
42 grados. A pesar de eso, no pudo determinar qué causaba el arcoíris
secundario. Fue René Descartes quien descubrió, 300 años después, que es un
segundo reflejo de la luz dentro de las gotas de agua lo que da lugar al
arcoíris secundario y que también causa que se inviertan los colores.
La luz de Dios
Se tradujeron los escritos de los científicos árabes al latín; a W menudo
lo hacían eruditos que trabajaban en la España musulmana (controlada por
árabes), y pronto se extendieron por toda Europa.
Ibn Al-Haytham
Los
primeros científicos europeos tomaron la obra sobre la óptica, entre ellos el
inglés Richard Grosseteste (aprox. 1 175-1253), y más adelante el
erudito inglés Roger Bacon (aprox. 1214-1294). Grosseteste
estaba trabajando mientras decaía la fuerte dependencia en Platón, bajo el
resurgimiento de las obras de Aristóteles acerca de la tradición árabe.
Recurrió a Aristóteles, Averroes y Avicena para formar su propia obra sobre la
luz. Como obispo, Grosseteste tomó como punto de inicio la creación de la luz de
Dios, en Génesis 1:3 “Hágase la luz”. -
El arcoíris se produce por refracción y reflexión cuando la luz brilla en
gotas de agua.
Veía
el proceso de creación como un proceso físico impulsado por la expansión y
contracción de esferas concéntricas de luz. Sostenía que la-luz es
infinitamente autogeneradora, ya que una esfera de luz crece al instante de una
fuente de luz de un solo punto.
Una cámara oscura o estenopeica.
Su
obra es más metafísica que física, y es en extremo original por postular un
método de creación basado en la acción de la luz como “primera forma”.
Al-Haytham
(965-1040; también Alhazen)
Nacido
en Basra, luego parte del Imperio Persa, Al-Haytham se entrenó en teología y
trató de resolver las diferencias entre las sectas sunnah y chia del Islam, Al
fallar, en lugar de eso, se ocupó de las matemáticas y la óptica. La mayor
parte, de su trabajo sobre la óptica tuvo lugar durante un periodo de diez
años, mientras estaba encarcelado en El Cairo, después que lo catalogaran como
demente.
Parece que fingió locura después de que lo metiera en problemas una afirmación
demasiado ambiciosa de poder contener la inundación del Nilo, con uno de sus
proyectos de ingeniería. Con el fin de poner a prueba su hipótesis de que la
luz no se dobla en el aire, Al-Haytham hizo la primera cámara oscura conocida:
Una caja con un agujero en un extremo para dejar entrar la luz y formar una
imagen en la superficie opuesta que se puede calcar a papel. Era un firme
creyente en emplear experimentos para poner a prueba sus teorías. Como físico
experimental riguroso a veces se le acredita por inventar el método científico.
Una
digresión interesante y prueba adicional de la originalidad de Grosseteste es
que parece ser el primer pensador occidental en haber sugerido múltiples
infinitos: “La suma de todos los números, pares y nones es infinita y así, es
mayor que la suma de todos los números pares, incluso si ésta también es
infinita; ya que la supera por la suma de todos los números nones”.
"El
buscador de la verdad no es alguien que estudia los escritos de los antiguos y,
siguiendo su disposición natural, confía en ellos, sino más bien alguien que
sospecha de su fe en ellos y cuestiona lo que se cosecha en ellos, el que los
somete a discusión y demostración".
Ibn Al-Haytham
Roger
Bacon, quien se trasladó de la universidad de Oxford a la de París, dominaba la
mayoría de los textos griegos e islámicos sobre óptica que se escribieron entre
1247 y 1267, y produjo su propio texto, Optics (Optica). Más
adelante se propuso un programa de estudio que incluía ciencias que entonces no
se enseñaban en la universidad, y un modelo de ciencia experimental basado en
su trabajo en óptica. Sugirió que el conocimiento de la lingüística y la
ciencia podían fomentar y apoyar el estudio de la teología, tal vez en un
intento por aplacar a la Iglesia Católica Romana.
Aristóteles,
favorito y en desgracia
El
redescubrlmiento de la obra de Aristóteles en Europa, mediante traducciones en
latín de los textos conservados por árabes eruditos, no fue popular de
inmediato para la Iglesia Católica Romana.
La universidad de París condenó los libros de Aristóteles, Libri naturales
(libros de ciencia natural) en 1210, y de nuevo en 1215 y en 1231, lo que
significaba, que no se podían enseñar. Pero para 1230, todas las obras de
Aristóteles estaban disponibles en latín, de manera que la facultad de París
dejó la pelea y en 1255 Aristóteles estaba de vuelta en el plan de estudios y
era lectura obligatoria. Roger Bacon, que trabajaba en París en ese tiempo, fue
uno de los primeros en ver el efecto de dejar a los eruditos parisienses
sueltos en el campo de juegos de Aristóteles.
Ejemplar manuscrito medieval de la Física de Aristóteles en traducción
latina.
Sin
embargo, el dominio de la iglesia continuó reprimiendo los avances científicos
por muchos siglos, donde las autoridades católicas silenciaban e incluso
ejecutaban a científicos que levantaban la voz contra la versión bíblica
recibida de los eventos y los fenómenos físicos.
§. Salir de la oscuridad
Hasta el Renacimiento no aparecieron en Europa trabajos originales en verdad
importantes sobre óptica y luz. Las figuras más destacadas de la ciencia de los
siglos XVI y XVII, como Nicolás Copérnico (1473-1543), Galileo Galilei
(1564-1542), Johannes Kepler (1571-1630) e Isaac Newton (1642-1727), por fin
desmantelaron el modelo aristotélico del Universo que había dominado el
pensamiento científico por casi 2000 años, y expusieron las leyes de la
mecánica y la óptica que se mantendrían sin oposición por otros cuatro o cinco
siglos. De ellos, Kepler y Newton fueron los más importantes para la óptica.
El
telescopio de Galileo
Galileo
estaba en Venecia cuando escuchó de la invención del telescopio; un holandés
visitante había venido a Italia para vender el instrumento al senado veneciano.
Desesperado por vencerlo, Galileo construyó un telescopio en sólo 24 horas que
era mejor que cualquiera que existiera.
En lugar de emplear dos lentes cóncavas, que producían una imagen invertida,
el telescopio de Galileo tenía una lente convexa y una cóncava, y producía una
imagen derecha. Persuadió al senado para postergar la decisión de comprar el
telescopio holandés. Luego Galileo produjo uno mejor que regaló al dux de
Venecia, asegurando la victoria y la posición en su puesto profesional en la
universidad de Padua.
Kepler,
matemático y astrónomo alemán, creía que Dios había construido el Universo de
acuerdo a un plan comprensible y que su funcionamiento era, por lo tanto,
susceptible de descubrir mediante la aplicación de la observación y el
razonamiento científicos.
Galileo presenta su telescopio a Leonardo Donato, dux de Venecia, en 1609.
Aunque
fue más lamoso por-su extenso trabajo en astronomía, Kepler introdujo la
técnica de calcar rayos de luz de punto a punto para determinar y explicar su
camino. De esto, dedujo que el ojo humano trabaja mediante refractar los rayos
de luz que entran por la pupila y los enfoca en la retina. Explicó cómo
funcionan los lentes de los anteojos (se habían estado usando por alrededor de
300 años), pero en realidad nadie comprendía los principios en que se basaban,
y cuando los telescopios se empezaron a usar en todas partes, más o menos en
1608, también explicó cómo funcionaban.
Estampillas postales húngaras que conmemoran a Kepler y su contribución a la
ciencia espacial.
Kepler
publicó su obra sobre óptica en 1603, casi cuarenta años antes de que Isaac
Newton naciera. Aunque Leonard Digges fabricó el primer telescopio astronómico
en Inglaterra a principios de la década de 1550, se asocian más con la obra de
un hombre, el astrónomo Galileo Galilei.
A través de un cristal con brillantez
Los lentes cambian el camino de la luz; son la herramienta óptica más básica.
Se crearon mucho antes de que cualquiera pudiera explicarlos. El ejemplo más
antiguo que sobrevive es la lente de Nimrud, hecha en la antigua Asiria hace
3000 años a partir de un trozo de cuarzo.
El lente de Nimrud, descubierto en Kurdistán (norte de Irak).
Se
emplearon lentes similares en Babilonia, en el antiguo Egipto y en la antigua
Grecia, tal vez para agrandar objetos o para encender algo, al concentrar los
rayos del sol para comenzar un fuego.
René
Descartes, 1596-1650
Descartes
nació en La Haye, Turena, en Francia, y era hijo de un político local. Su madre
murió cuando sólo tenía un año de edad. Aunque al principio siguió los
deseos-de su padre de entrenarse en la ley y la ciencia, Descartes abandonó el
plan de convertirse
Descartes era sensible y amante de las comodidades desde la infancia. Se
levantaba tarde, y dijo que su mejor obra se llevó a cabo en una cómoda cama
(así como la elaboración del sistema de coordenadas cartesianas. Cuando la
joven reina Cristina de Suecia lo empleó como su tutor e insistió en tutorías a
las 5 am, en una biblioteca helada, sólo se necesitaron cinco meses para que
Descartes cayera presa de una grave enfermedad pulmonar y muriera justo a la
edad de 46 años.
Mientras
que griegos y romanos llenaban recipientes de vidrio esféricos con agua para
hacer lentes, los lentes de vidrio pulido con la forma requerida no se
desarrollaron hasta la Edad Media.El primer uso de una lente para corregir la
visión pudo ser registrado por el autor romano Plinio el Viejo (23-79 d.C.), el
cual informó que Nerón observaba los juegos de gladiadores en el Coliseo a
través de una esmeralda. Las piedras para leer, trozos convexos de vidrio o
cuarzo, se empleaban para ampliar el texto desde el siglo XI. Los lentes de
cristal pulido se emplearon en anteojos desde alrededor de 1280, aunque nadie
sabía al principio cómo o por qué funcionaban. La creación del microscopio y el
telescopio durante los siglos XVI y XVII produjo la necesidad de lentes más
exactas. Conforme se refinaban con el paso de los siglos las técnicas para
pulir, las lentes mejoradas condujeron a descubrimientos posteriores que luego
causaron demanda de lentes mejores. Algunos de los más grandes científicos del
Renacimiento y de la Ilustración, incluyendo a Galileo, al pionero belga del
microscopio, Antoine van Leeuwenhoek (1632-1723) y al físico y astrónomo
holandés, Christiaan Huygens (1629-95), se hicieron sus propios lentes.
Presión en el éter
El trabajo sobre la óptica de René Descartes describía el funcionamiento del
ojo y sugería mejoras para el telescopio.
El modelo de la visión de Descartes, mostrando cómo viajan los rayos de luz,
y la información se transmite a la glándula pineal.
Empleó
analogías mecánicas para producir con matemáticas muchas propiedades de la luz,
incluyendo las leyes de reflexión y refracción. Sin embargo, en otros aspectos,
se vio obstaculizado por su negativa a aceptar la existencia de un vacío.Para
teóricos como Gassendi, quien visualizaba un vacío con átomos en movimiento, la
luz se podía explicar como una corriente de partículas de movimiento rápido que
viajaban a gran velocidad por el espacio. Sin un vacío, Descartes necesitaba un
mecanismo diferente. Creía que algún tipo de “fluido intersticial” fino, otra
versión del aether, llenaba todos los espacios, y que era la
presión ejercida en todo este fluido lo que producía la visión. Por lo tanto,
si el sol empujaba en el fluido intersticial, esta presión se podía transmitir
instantáneamente al ojo, que entonces percibiría al sol. Había poca base para
esta teoría, en especial una vez que consideramos que el sol está separado de
la Tierra por 150 millones de kilómetros, pero puso las bases para una obra más
importante de parte de Christiaan Huygens, hijo de un amigo cercano de René
Descartes, e indujo a Newton a seguir sus propias ideas en el tema, pero en una
dirección diferente.
"[Descartes]
fue un hombre demasiado inteligente para cargar con una esposa; pero como era
hombre, tenía los deseos y apetitos de un hombre; por lo tanto, tenía una mujer
apuesta, bien adaptaba que le gustaba, y con la que tuvo algunos hijos (creo que
dos o tres). Es una lástima, pero al proceder del cerebro de un padre así,
debieron estar bien educados. Estaba tan eminentemente educado que todos los
eruditos lo visitaban, y muchos de ellos deseaban que les mostrara su colección
de instrumentos (en esos días, el aprendizaje matemático se basaba mucho en el
conocimiento de los instrumentos, y como dijo sir Henry Savile, en hacer
trucos). Sacaba un pequeño cajón de debajo de su mesa y les mostraba un compás
con una pata rota; y luego, como su regla, empleaba una hoja de papel doblada
dos veces".
John Aubrey, Vidas breves
El
señor de la luz: Isaac Newton
Tal vez Newton fue el científico más grande que jamás haya vivido; se iba a
convertir en el gigante en cuyos hombros otros se han sostenido por más de 400
años. Su trabajo sobre las fuerzas y la gravedad tal vez es más famoso que su
trabajo sobre óptica, pero no más importante.Newton dividió con éxito la luz
blanca en su espectro componente, y luego recombinó los rayos de colores en luz
blanca, demostrando así, en forma concluyente, que la luz blanca es una mezcla
de colores.
A través del prisma del genio: La obra de Isaac Newton sobre gravedad y
óptica revolucionó la filosofía natural.
Esta
posibilidad se había notado mucho antes. Aristóteles afirmó que la causa del
arcoíris son las nubes que actúan como lente en la luz del sol, una explicación
que también aceptó Al-Haytham.
"La
naturaleza y las leyes de la naturaleza se encuentran ocultas en la noche; Dios
dijo: 'Qué se haga Newton' y se hizo la luz".
Alexander Pope, 1727
El
filósofo romano Lucio Anneo Séneca (aprox. 4 a.C. aprox. 65
d.C.) hizo referencia en Naturales quaestionesal producir una
banda de colores similares a los de un arcoíris al pasar la luz del sol a
través de prismas de vidrio. Sin embargo, en tiempos de Newton, la mayoría de
las personas creían que la luz de color era una forma de sombra, formada al
mezclar luz blanca con oscuridad. Descartes pensó que la causa del color era el
movimiento giratorio de las partículas que formaban la luz. El gran rival intelectual
de Newton, Robert Hooke, pensaba que el color se grababa en la luz, como cuando
brilla a través de un costal-de colores.
Al trazar una serie de puntos en términos de distancias a dos ejes, la
geometría cartesiana muestra una ecuación como una gráfica.
Una
mosca que hizo historia
Descartes
dio su nombre al sistema de coordenadas cartesianas que todavía se emplean para
especificar un punto en un espacio tridimensional al relacionar la ubicación de
tres ejes: "x", "y" y "z". Afirmó que había
elaborado el sistema en 1619, mientras estaba en la cama observando a una mosca
zumbar en un rincón de su recámara. Se dio cuenta de que la posición de la
mosca se podía identificar con precisión en cualquier momento dado, trazando su
distancia desde las dos paredes más cercanas y el piso o el techo; en otras
palabras, sus coordenadas en tres dimensiones. De esta simple observación
dedujo que una forma geométrica se podía representar con números (las
coordenadas de sus extremos) y que una curva se podía describir con una serie
de números que se relacionan unos con otros mediante una ecuación (de ahí que
se pueda trazar, por ejemplo, el camino parabólico como una gráfica). El
sistema completo de la geometría que se investigó mediante el álgebra se volvió
posible una vez que Descartes vio y reflexionó sobre su mosca arrinconada.
Trató
de emplear un prisma para dividir la luz, pero sólo produjo luz blanca con
bordes coloreados. Newton tuvo éxito donde Hooke falló porque empleó un equipo
superior.
Cuando la rueda de colores de Newton se gira con mucha rapidez, no se pueden
distinguir los colores y la rueda se ve blanca.
Hizo
un agujero en una pantalla negra de ventana para dejar que un rayo de luz
angosto entrara a su habitación en el colegio Trinity, en la universidad de
Cambridge, y empleó un prisma de vidrio tallado con precisión, proyectando una
imagen en otra pantalla a varios metros de distancia. Al permitir que hubiera
suficiente espacio para que los rayos -de colores se desplegaran en forma
adecuada, produjo un espectro claro.
"Si
he visto más lejos, ha sido al pararme en los hombros de gigantes".
Isaac Newton, en una carta pública a Robert Hooke, escrita a insistencia de la
Real Sociedad para componer, o disimular, el distanciamiento entre los dos.
Newton
llevó su dedicación a la óptica experimental más allá de los límites de la
sensatez. En una narración famosa de autolesión, clavó un punzón (una aguja
larga y roma) en la cuenca de su ojo, presionando hacia adentro lo más que
pudo, sin romper el globo ocular, en un intento de distorsionar la forma del
globo ocular y ver si esto afectaba su percepción del color. Newton se dio
cuenta de que los objetos de colores aparecen del color que tienen por la luz
que reflejan. Por ejemplo, una capa roja aparece de color rojo porque refleja
la luz roja, mientras que una camisa blanca refleja toda la luz. También asoció
los diferentes grados de refrangibilidad con diferentes colores.
"Tomé
un punzón y lo puse entre mi ojo y [el] hueso lo más cerca que pude de la parte
posterior de mi ojo; y presioné con el extremo (de manera que se hiciera [la]
curvatura abcdef en mi ojo). Aparecieron varios círculos oscuros y de colores
r, s, t, etc. Dichos círculos se hicieron más claros cuando continué frotando
mi ojo [con la] punta del punzón, pero si mantenía mi ojo y el punzón quietos,
aunque continuara presionando mi ojo [con] él, aunque [los] círculos se volvían
tenues y a menudo desaparecían hasta que los eliminaba al mover el ojo o el
punzón.
"Si [el] experimento se llevaba a cabo en una habitación iluminada de
manera [que] aunque mis ojos estuvieran cerrados pasara algo de luz por sus
párpados, aparecía un círculo oscuro azulado ancho y grande en la parte externa
(como 'ts'), y [dentro] de eso otra mancha clara 'srs' cuyo color era muy
parecido a [ese] en [el] resto [del] ojo como en 'k'. Dentro de [esa] mancha
aparecía otro punto azul 'r', en especial si presionaba mi ojo con fuerza y
[con] un punzón pequeño con punta. Y en la parte más exterior en 'vt' aparecía
un borde de luz".
Cuaderno de notas de Newton, CUL MS Add. 3995
A
pesar de esta admirable dedicación a la ciencia, Newton era un hombre difícil,
arrogante y con argumentos. Su antagonismo hacia Hooke era obsesivo, pero no
único; varias personas más causaron también su odio y fuerte crítica.La fama de
Hooke pudo haber sido mayor si no hubiera tenido la mala suerte de morir antes
que Newton, quien se apropió de uno de los descubrimientos de Hooke, los
llamados anillos de Newton, de colores, que se ven en las películas delgadas de
aceite en el agua. De hecho, en forma deliberada, Newton impidió la publicación
de su propia obra sobre luz y color, Opticks (Optics),
por 30 años, y la publica después de que Hooke murió, para que de esa manera no
se pudiera cuestionar su autoría.
Micrografía de Hooke
La obra más famosa de Hooke es Micrographia (Micrografía), publicada
en 1665.Fue un ejemplo maravilloso de cómo los avances en la óptica condujeron
con rapidez a desarrollar en otras áreas de la ciencia, especialmente la
biología y astronomía. Aunque Hooke no fue el primer microscopista, llevó al
microscopio a la ciencia convencional e hizo mejorías al diseño del microscopio
y del telescopio. Micrografía presenta dibujos de objetos,
materiales orgánicos y diminutos organismos vistos a través del microscopio de
Hooke.
Portada del tratado de Newton sobre óptica, publicado en 1704.
Las
detalladas ilustraciones, algunas dibujadas por el arquitecto Christopher Wren,
eran innovadoras, haciendo de Micrografía uno de los libros de
ciencia más importantes que jamás se hayan publicado. Samuel Pepys registró en
su diario que estuvo sentado hasta las 2 am, leyéndolo, y que fue “el más
ingenioso libro que alguna vez haya leído en mi vida”.
¿Onda o partícula?
Es importante reconocer que la luz blanca es un compuesto de luz de colores,
pero esto a su vez lleva a la pregunta de qué es la luz de colores. Opiniones i
respecto a si la luz está formada por partículas o si es una onda de algún tipo
se encuentran en los primeros escritos hindúes sobre ciencia.
Ilustración de Opticks de Newton de la exploración experimental de su ojo
con un punzón.
En
Europa, Empédocles sugería rayos y Lucrecio hablaba de partículas, y el debate
continuó siglos; Hooke, siguiendo a Descartes, adoptó el punto de vista
de que la luz es una forma de onda. Era otro punto de disputa con Newton, quien
escribió sobre “corpúsculos” (es decir, partículas) de luz, una idea que
primero propuso Gassendi y de la que Newton leyó en la década de 1660. Newton
fue tan influyente que la teoría de la onda tuvo una pobre aceptación en
Bretaña por largo tiempo. Sin embargo, en otras partes de Europa, la arrogancia
y la naturaleza discutidora de Newton lo hicieron impopular y, en el mejor de
los casos, dañó el apoyo para el modelo corpuscular. Newton rechazó la teoría
de la onda porque creía que una onda longitudinal (que vibrara en la dirección
de propagación) no podría explicar la polarización. Nadie había considerado la
posibilidad de las ondas transversales (que vibran en una dirección en ángulo
recto con la dirección de la propagación). Newton aceptó la idea de un aether
luminífero (portador de luz), un medio por el que viajaba la luz,
aunque no era necesario en forma estricta para su teoría corpuscular, ya que
las partículas hubieran podido viajar igual de bien a través de un vacío.
Además creía que los corpúsculos de luz cambiaban entre dos fases conocidas
como “reflexión fácil” y “transmisión fácil”.
Ilustración de una pulga ampliada de Micrografía de Hooke.
La
periodicidad también es una característica básica de la teoría de las ondas, y
en esto se anticipó a la mecánica cuántica. Aunque el nombre de Newton se
asocia en forma íntima con la teoría corpuscular, sus propios escritos
incorporan aspectos de ambas ideas.
"[Hooke]
es de estatura regular, algo encorvado, de cara pálida, y su cara está un poco
baja, aunque su cabeza es grande; sus ojos son rasgados y saltones, y no son
rápidos, son grises. Tiene melena delicada, café, y de excelentes rizos
húmedos. Es y siempre ha sido muy templado, moderado en la dieta,
etcétera.
Al igual que tiene una cabeza prodigiosa e inventiva, también es una persona de
gran virtud y bondad. Ahora que he hablado de que su facultad de inventiva es
tan grande, no podrás imaginar que su memoria sea excelente, ya que son como
dos baldes, cuando uno aumenta, el otro se reduce. Es con seguridad el mayor
experto en mecánica de la actualidad en el mundo. Su cabeza se dedica mucho más
a la geometría que a la aritmética. Es soltero y, creo, nunca se casará. Su
hermano mayor dejó una hija hermosa, la cual es su heredera. En conclusión,
(que completa todo) es una persona de gran afabilidad y bondad.
Fue el señor Robert Hooke quien inventó los relojes de péndulo, que son mucho
más útiles que otros relojes.
Ha inventado un aparato para hacer con rapidez una división, etcétera, o para
averiguar con rapidez el divisor".
John Aubrey, Vidas breves
Por
ejemplo, explicó la difracción al sugerir que los corpúsculos de luz creaban
ondas localizadas en el aether. Es interesante que esto lo coloque
más cerca del punto de vista moderno de la “dualidad de la luz”, que tiene
cualidades tanto de onda como de partícula.
§. Frentes de onda y cuantos
En Europa, Christiaan Huygens elaboró la teoría de frente de onda. Su teoría de
la luz, que completó en 1678, pero que no publicó hasta 1690, se basaba en sus
propios hallazgos experimentales. Como Descartes, quien había sido un visitante
asiduo a la casa donde pasó su infancia, Huygens consideraba que la luz era una
onda que se propagaba a través del aether. Predijo que la luz
viajaría con más lentitud en un medio denso que en uno menos denso. Esto era
significativo ya que, a diferencia de Descartes, estaba diciendo que la
velocidad de la luz es finita.La teoría del frente de onda de-Huygens explica
cómo evolucionan y se comportan las ondas cuando encuentran obstáculos (que se
reflejen, se refracten o se difracten). Sugirió que cada posición en una onda
se vuelve el centro de una ondícula que viaja hacia afuera en todas
direcciones.
Robert
Hooke (1635-1703)
Hooke
nadó en la isla de Wight donde su padre era cura de la iglesia de Todos los
Santos, Freshwater. Hooke fue a la escuela de Westminster, en Londres, a la
edad de 1 3 años cuando murió su padre, y luego al colegio Christ Church, en
Oxford, como cantante de coro. Si hubiera sido más sano, Hooke hubiera
destinado una carrera en la iglesia, pero se dedicó a la ciencia,
convirtiéndose en asistente del químico Robert Boyle, en Oxford. Hooke se
trasladó de vuelta a Londres en 1660 y se convirtió en miembro fundador de la
Real Sociedad en 1662. Como el primer curador de la Sociedad, se encargó de
demostrar "tres o cuatro experimentos significativos" cada semana.
Realizó estudios extensos con su microscopio, publicando dibujos de lo que veía
en Micrografía (1665) y acuñando el término "célula" para los
componentes del tejido viviente (llamada así por los "poros" que vio
en una rodaja delgada de corcho que le recordó los cuartos o
"células" que ocupaban los monjes). Hooke fue uno de los dos
topógrafos de Londres utilizados después de que la ciudad quedó destruida por
el Gran Incendio de 1666, empleo que lo hizo rico. También construyó el
hospital Real de Bethlehem, el infame asilo para dementes, mejor conocido en la
actualidad como "Bedlam".
Fue un pensador ingenioso, científico experimental y mecánico; presentó
innovaciones y mejorías para muchos dispositivos existentes, entre ellos la
bomba de aire, el microscopio, el telescopio y el barómetro, y fue el pionero
en el uso de resortes para hacer funcionar los relojes. La mayoría de sus ideas
fueron mejoradas por otras personas. Hooke proporcionaba el trampolín esencial,
pero recibía poco del crédito. Tenía teorías sobre la combustión y la gravedad;
sugirió incluso la ley del inverso del cuadrado de la distancia en relación con
la gravedad, en 1679, que fue la piedra angular de la obra de Newton en el
tema. Newton nunca permitió ninguna sugerencia de superioridad o brillantez de
Hooke, y la sombra del rencor de Newton negó a Hooke el lugar en la historia
que merecía. No existe ni un retrato de Hooke que haya sobrevivido.
En
el caso de la luz, a la que consideraba un fenómeno de pulso, se emitían ondas
en forma repetida y viajaban hacia afuera a la velocidad de la luz. La onda de
la luz se propaga por un espacio tridimensional, en forma de una onda esférica.
Parte del paisaje devastado de Londres después del Gran Incendio de 1666.
En
el borde de una región que alcanzan los rayos de luz, las ondículas interfieren
unas con otras y pueden cancelarse entre sí.
El telescopio aéreo de Huygens tiene una amplia longitud focal, que se logró
mediante separar el objetivo y el ocular, para luego alinearlos con una cuerda.
Si
chocaban con un objeto opaco, partes de las ondículas se cortan y
algunas persisten, produciendo la compleja y fina estructura de líneas en los
bordes de las sombras e imágenes que forman patrones de difracción. La opinión
científica se divide respecto a si Huygens descubrió el principio mediante un
toque de genio o si sólo fue buena suerte y encontró la respuesta correcta por
las razones equivocadas.Durante el siglo XIX, varios científicos que trabajaban
en diferentes países europeos establecieron la teoría de que la luz era una
onda transversal (que vibraba en ángulo recto a la dirección de la propagación
y del viaje, como una serpiente que culebrea por el suelo). En 1817, el físico
francés Augustin Jean Fresnel (1788-1827) presentó su propia teoría de onda de
la luz a la Académie des Sciences, y para 1821 había mostrado que
la polarización sólo se podía explicar si la luz constaba de ondas transversas,
sin vibración longitudinal.
Christiaan Huygens, 1671
Esto
contestaba a la objeción de principios de Newton respecto a la luz como una
onda. Fresnel es más conocido como el inventor de la lente que lleva su nombre,
diseñada originalmente para fortalecer el rayo que brilla dedos faros.
Experimento de doble ranura de Young
En 1801, Thomas Young llevó a cabo un experimento que parecía demostrar, de una
vez y para siempre, que la luz era una onda. Hizo brillar la luz a través de
dos ranuras que había hecho. En lugar de ver la suma de los resultados de los
experimentos con ranuras individuales, como era de esperar, notó un complejo
patrón de difracción, causado por la interferencia entre la luz de las dos
rendijas. Entre más rendijas añadió, más complejo se volvía el patrón de
interferencia.
Thomas Young
Esto
demostró que la luz en verdad era una onda, ya que los valles y las crestas de
las ondas se cancelaban entre sí o se reforzaban para formar los patrones de
interferencia. Young también propuso que los diferentes colores de la luz son
el resultado de longitudes de onda distintas, un pequeño paso hadada
comprensión que tendría lugar más adelante, en el siglo XIX, de que la luz que
vemos es sólo mía parte del espectro completo de radiación electromagnética,
que en la actualidad se sabe que abarca rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta,
luz visible, infrarrojo, microondas, ondas de radio y ondas largas.
Modelo de interferencia cuando la luz brilla a través de dos ranuras, lo
cual apoya la teoría de onda de la luz.
§.
Un nuevo amanecer: Radiación electromagnética
Fue James Clerk Maxwell (1831-1879) quien mostró por primera vez que la
radiación electromagnética consta de ondas transversales de energía que se
mueven a la velocidad de la luz.
James Clerk Maxwell
Los
diferentes tipos de radiación electromagnética, incluyendo las ondas de luz y
de radio, se caracterizan por diferentes longitudes de onda. De hecho, el
físico inglés Michael Faraday (1791-1867) ya había demostrado en 1845 la
conexión entre el electromagnetismo y la luz, cuando mostró que con un campo
magnético se giraba el plano de polarización de un rayo de luz.
James Clerk Maxwell tomó la primera fotografía a color que jamás se
produjera en 1861 y muestra un listón de tela de cuadros.
Maxwell
todavía asumía que había un aether luminífero por el que todas
las formas de radiación electromagnética debían moverse. El aether era
diferente a todo lo demás en que era un verdadero continuo e infinitamente
divisible y no estaba formado por partículas discretas como la materia normal.
No sólo el aether era infinitamente divisible, también lo eran
las ondas de energía que viajaban por él. Se presentaron problemas con la
teoría de Maxwell que sólo se resolverían cuando Max Planck mostró que la energía
se debía emitir en cantidades diminutas, pero finitas, ahora llamados cuantos
(de otra manera, por razones complejas, toda la energía en el Universo se
transformaría en ondas de alta frecuencia).Albert Einstein demostró en 1905, en
su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico que la luz en sí se comporta como si
estuviera formada por cuantos, o diminutos paquetes de energía, a los que en la
actualidad se llama fotones. Utilizó lo que ahora llamamos “la constante de
Planck” para relacionar la energía de un fotón con su frecuencia.En la
actualidad se considera que la luz tiene la dualidad onda-partícula: A veces se
comporta como onda y a veces como partícula. Es útil tener alguna forma de
predecir cuándo hará una o la otra, y la mecánica cuántica puede predecirlo
El fin de un aether: El experimento Michelson-Morley
Nuestra comprensión normal de una onda es que tiene que viajar por algún medio,
como aire o agua. De la misma manera, se suponía que las ondas de luz debían
viajar por el aether luminífero en una forma similar.
El
efecto fotoeléctrico
Cuando
le otorgaron el Premio Nobel de Física a Albert Einstein en 1921, no fue por
sus ideas más famosas, las teorías de la relatividad, sino por su trabajo sobre
el efecto fotoeléctrico. Él explicó cómo un fotón (aunque no se le llamaba así
en esa época) a veces podía sacar a un electrón de su órbita en un átomo,
produciendo una diminuta ráfaga de energía. Así es como los paneles de energía
solar producen electricidad a partir de la luz del sol. Los electrones que la
luz del sol saca de una pieza de material semiconductor, como el silicio, se
pueden forzar a fluir por un cable, y luego se pueden extraer para hacer
trabajo útil o almacenarse para uso posterior.
El
fin del aether se dio como resultado de un experimento que
llevaron a cabo en 1887 dos físicos estadunidenses, Albert Michelson (1852-193
1) y Edward Morley (1838-1923). Si existía el aether, supusieron
los científicos, debía llenar el espacio, ya que llevaba la luz del sol y las
estrellas a la Tierra.
Los fotones que caen en la superficie sólo arrancarán un electrón si tienen
suficiente energía; la luz roja no producirá corriente, pero la luz azul o
verde lo hará
En
1845, el físico británico George Gabriel Stokes (1819-1903) había sugerido que
como la Tierra se mueve a gran velocidad por el espacio, debía producirse un
efecto por el arrastre de nuestro planeta mientras pasa por el aether.
El equipo de Michelson-Morley para medir la velocidad de la luz se diseñó
con la intención de demostrar la existencia del aether.
En
cualquier punto de la superficie de la Tierra, la velocidad y dirección del
“viento” de aether variaría dependiendo del tiempo, del día y
del año, así que sería posible detectar el movimiento de la Tierra en relación
con el aether al examinar la velocidad de la luz en diferentes
tiempos y diferentes direcciones.
"[El
aether] es la única sustancia en que confiamos en la dinámica. De algo estamos
seguros, y es en la realidad y sustancialidad del aether
luminífero".
William Thomson, lord Kelvin, 1884
Michelson
y Morley construyeron un equipo para medir la velocidad de la luz, de forma tan
precisa que detectaría el efecto del aether si estuviera
presente. Este aparato dividía un rayo de luz en dos rayos que viajaban en
ángulo recto, uno con respecto al otro hacia dos espejos.
Izquierda. Los primeros científicos no podían ponerse de acuerdo acerca de
si la Tierra cuelga en el espacio vacío o se mueve a través de un aether.
Derecha. Se puede emplear el interferómetro de Michelson para producir
interferencia de colores a partir de la luz blanca.
Los
rayos se reflejaban de ida y vuelta por una distancia de 11 metros antes de que
se recombinaran en un ocular. Si la Tierra estaba viajando por el aether,
el rayo que se movía en paralelo con el flujo del aether tomaría
más tiempo para volver al detector, que el rayo que se movía perpendicular
al aether. Si un rayo viajaba con más lentitud que el otro, esto se
mostraría en los márgenes de interferencia que se produjeran cuando los rayos
se recombinaran. El aparato completo se construyó con un bloque de mármol,
flotando en un baño de mercurio, construido en el sótano de un edificio para
eliminar tanto como fuera posible cualquier vibración que pudiera interferir
con los resultados.El equipo era lo bastante sensible para detectar el efecto
que se esperaría si la Tierra en verdad estuviera sujeta al viento del aether.
Cuando no mostró resultados positivos estadísticamente relevantes, Michelson y
Morley tuvieron que informar que su experimento fue un fracaso. Otros siguieron
para perfeccionar el aparato, pero de todos modos no encontraron evidencia
de aether. Por supuesto, el experimento de Michelson y Morley no
había tallado. Había mostrado que no existía aether luminífero.
El interferómetro de Michelson funciona dividiendo un rayo de luz en dos,
luego reflejando y recombinando los rayos resultantes.
Por
desgracia, la conclusión de Michelson no fue que no había aether,
sino que era correcto el modelo de un aether estacionario que
impartiera arrastre a la luz (la hipótesis de arrastre del aether)
propuesto por Augustin-Jean Fresnel.
§. A la velocidad de la luz
Ya desde aprox. 429 a.C., Empédocles creía que la luz viajaba
a una velocidad finita, incluso a pesar de que parecía llegar al instante. Sin
embargo, era una excepción notable entre los pensadores antiguos, ya que la
mayoría estaba de acuerdo con Aristóteles en que la velocidad de la luz era
infinita. Los científicos árabes Avicena y Al-Haytham estaban
de acuerdo con Empédocles, al igual que Roger y Francis Bacon. Pero el punto de
vista prevalente, incluso en la Europa del siglo XVII, y que sostenía
Descartes, era que la luz viajaba a una velocidad infinita.
Júpiter y su luna lo; los eclipses de Júpiter por sus lunas convencieron a
Huygens de que la luz viajaba a una velocidad finita.
El
primer intento de desafiar esta suposición y medir la velocidad de la luz lo
realizó Galileo en 1667, empleando un método muy primitivo. Galileo y un
asistente parados a 1.6 kilómetros de distancia se turnaron en cubrir y
descubrir linternas y tomar el tiempo de cuánto les tomaba notar la luz. Tal
vez fue una buena medición de la velocidad de sus reacciones más que otra cosa.
Galileo llegó a la conclusión de que si la velocidad de la luz no era infinita,
con seguridad era muy rápida, tal vez al menos diez veces la velocidad del
sonido, el cual había medido por primera vez el filósofo y matemático
francés Marin Mersenne (1588-1648) en 1636.
La
convicción de Huygens de que la luz viaja a una velocidad finita se produjo
después de las observaciones que hizo el científico danés Ole Römer
(1644-1710), que trabajaba con el astrónomo nacido en Italia Giovanni Cassini
(1625-1712) en París, después de ver eclipses de las lunas de Júpiter. Cassini
y Römer notaron que aunque los eclipses debían ocurrir a intervalos regulares,
no siempre se presentaban a tiempo, y la variación dependía de la posición de
la Tierra en relación con Júpiter.
El
rayo de calor de Arquímedes
De
acuerdo a la tradición, el científico, matemático e ingeniero griego Arquímedes
(aprox. 287 aprox. 212 a.C.) erigió una disposición parabólica de espejos en la
playa para usar la luz del sol e incendiar los barcos enemigos durante el Sitio
de Siracusa (aprox. 214-212 a.C.). Un experimento en 1973 en una base naval
cerca de Atenas empleó 70 espejos recubiertos de cobre de 1.5 metros por 1
metro para dirigir la luz del sol a un modelo de barco de guerra romano de
madera contrachapada, pintado con alquitrán a unos 50 metros de distancia. El
barco explotó en llamas en segundos. Un experimento similar en 2005 de un grupo
de estudiantes del Instituto Tecnológico de Massachusetts también incendió un
modelo de barco en condiciones climáticas perfectas.
Aunque esta técnica, como usar lentes convexas para iniciar un fuego, parece
usar la luz, por supuesto, no es la luz blanca visible la que incendia los
barcos o provoca fuegos, sino la radiación infrarroja invisible (calor) que
acompaña a la luz del sol.
Llegaron
a la conclusión de que cuando la Tierra está más lejos de Júpiter, vemos el
eclipse más tarde porque le toma más tiempo a la luz llegar a la Tierra.
Cassini afirmó en 1676 que las discrepancias en los tiempos aparentes de estos
eclipses se podían explicar si la luz viajaba a una velocidad finita. Continuó
calculando que le tomaría alrededor de diez u once minutos a la luz viajar del
Sol a la Tierra. Sin embargo, no continuó el tema y le faltó a Römer calcular
la velocidad de la luz con precisión. Predijo con exactitud el momento exacto
de un eclipse de lo en 1679, diciendo que tendría lugar diez minutos después de
lo que todos esperaban. Trabajando con el mejor cálculo del diámetro de la
órbita de la Tierra, calculó la velocidad de la luz como 200 000 kilómetros por
segundo. Empleando la cifra actual de la órbita de la Tierra en la fórmula de
Römer da 298 000 kilómetros por segundo, lo cual es notablemente cercano al
valor moderno de 299 792. 548 kilómetros por segundo. (Esta velocidad no va a
cambiar por trabajos futuros, ya que la longitud de un metro se estableció como
la distancia que la luz viaja en 1/299 792 458 de segundo.En 1678, Huygens
empleó el método de Römer para mostrar que la luz requiere un periodo de
segundos para viajar de la luna a la Tierra. Newton afirmó en los Principia (Principios)
que la luz requiere siete u ocho minutos para llegar a la Tierra desde el Sol,
lo cual está muy cerca de la cifra real de 8 minutos, 20 segundos, en promedio.
Arquímedes quema un barco enemigo con el uso de un espejo; de hecho, ¡se
necesitó más de un espejo!
Newton
y otros supusieron que la velocidad de la luz variaba dependiendo del medio por
donde viajara. Si la luz consistiera de partículas, esto tendría sentido. Si la
luz fuera una onda, no sería por fuerza así. No todos estaban convencidos con
los cálculos de Huygens, y la opinión de si la luz viajaba a una velocidad
finita siguió dividida hasta que el astrónomo inglés James Bradley (1693-1762)
decidió la cuestión de una vez por todas en 1729. Descubrió la aberración de la
luz (también llamada aberración estelar). Es el fenómeno dé una estrella que
parece describir un pequeño círculo alrededor de su posición real como
resultado de la velocidad de la Tierra (velocidad y dirección) en relación con
la estrella. Su estudio requirió más de 18 años para completarse.Después, dos
franceses recrearon el experimento de Galileo con lámparas y sirviente, pero en
una forma bastante más sofisticada. En 1849, el físico Hippolyte Fizeau
(1819-1896) empleó dos linternas y una rueda que giraba con rapidez, con
dientes que en forma alterna mostraban y ocultaban la luz, y un espejo para
reflejarla de vuelta. La luz sólo podía brillar de vuelta a través del mismo
hueco si volvía con suficiente rapidez, así que su velocidad se podía calcular
a partir de la velocidad de rotación de la rueda. Al hacer girar una rueda con
cien dientes varias veces por segundo, pudo medir la velocidad de la luz hasta
aproximadamente 1600 kilómetros por segundo. Léon Foucault (1819-1868), por el
péndulo, empleó un principio similar. Hizo brillar un rayo de luz en un espejo
giratorio que se inclinaba, luego lo rebotaba de vuelta a un segundo espejo
ubicado a 35 kilómetros de distancia.
Manto
de invisibilidad
Durante
la década de 1990, los científicos elaboraron meta-materiales con un índice de
refracción negativo.
Como
cambiaba el ángulo del espejo giratorio, pudo calcular el ángulo en que se
refleja la luz que y por lo tanto, determinar qué tan lejos se había movido el
espejo y cuánto tiempo había pasado. En 1864, Fizeau sugirió que “se usara la
longitud de una onda de luz como estándar de longitud”, y al redefinir el metro
en términos de la velocidad de la luz, eso se pudo lograr.Einstein basó sus
teorías de la relatividad en la observación de que la velocidad de la luz es
constante en todo el Universo.
Recta y sin desviaciones
Anaxágoras ya tenía la certeza en el siglo V a.C. de que la luz viaja sólo en
líneas rectas. Esta creencia se mantuvo hasta el siglo XX, cuando Einstein dijo
que la gravedad podía doblar a la luz a un camino curvo. Sin embargo, estaba
claro para los antiguos que se puede hacer que la luz cambie de dirección, por
ejemplo, cuando se refleja, o cuando se refracta mientras pasa de un medio a
otro. Ptolomeo presentó una explicación aproximada de la refracción, y en 984
la describió el físico persa Ibn Sahl (aprox. 940 1000 a.C.).
El manuscrito original que presenta la explicación de la ley de la
refracción de Ibn Sahl, aprox. 984.
Sin
embargo, la ley matemática que explica y predice el ángulo de refracción se
conoce como Ley de Snell en honor al astrónomo holandés Willebrord Snellius
(1580-1626). Aunque Snellius redescubrió la relación en 1621, no la
publicó.Descartes publicó en 1637 una prueba de dicha ley. La Ley de Snell
funciona porque la luz sigue el camino más rápido a través' de cualquier
sustancia, como lo mostró el matemático francés Pierre de Fermat
(1601-1665).Que la luz sigue un camino curvo se confirmó por primera vez a principios
del siglo XX como parte de una demostración de la teoría de la relatividad de
Einstein.El astrónomo Arthur Eddington dirigió una expedición británica a la
Isla de Príncipe, cerca de la costa de África, para aprovechar un eclipse solar
total visible en 1919. La expedición fotografío las estrellas que se
encontraban cerca de la posición del sol que de otra manera estarían ocultas
por la luz del sol. Una estrella que en realidad estaba detrás del sol y que
por eso no se hubiera podido ver, era visible con claridad en una de las
fotografías que Eddington tomó. Esto demostraba que la luz de la estrella había
sido doblada por el campo gravitacional del sol, y que esto había alterado la
posición aparente de la estrella a un punto en que ahora era visible.
El lugar de la luz en el espectro de radiación electromagnética
La luz ha ocupado un lugar especial en la historia de la física, ya que es
visible y representa una enorme diferencia para la humanidad.
El artista David Hockney realizó una serie de pinturas de alberca en las que
jugó con la refracción y la reflexión de la luz que tocaba el aire y el agua.
Pero
como demostró la obra de Maxwell, la luz visible es sólo una forma de radiación
electromagnética. Todas las formas se mueven a la velocidad de la luz, todas
son formas cuánticas de energía (es decir, pueden existir como partículas u
ondas), pero la luz visible es la única que vemos. No se hicieron intentos
antiguos por distinguir entre el calor del sol (o su radiación infrarroja) de
su luz visible. Otras formas de radiación electromagnética, como rayos X, ondas
de radio y microondas, no se descubrieron hasta finales del siglo XIX.
Capítulo 3
Masa en movimiento: mecánica
La utilización de la energía mecánica ha permitido el desarrollo del mundo
moderno.
Contenido:
§.
Mecánica en acción
§. El problema de la dinámica
§. El verdadero nacimiento de la mecánica clásica
§. Aire y agua
§. Poner la mecánica a trabajar
Mecánica
es el término empleado para describir la forma en que los cuerpos actúan cuando
están sujetos a fuerzas. La mecánica clásica empezó en serio cuando Newton
describió sus tres leyes del movimiento. Se ocupa de las acciones de los
cuerpos y la materia de todo tipo y tamaño por encima de lo atómico, desde
cojinetes de bolas hasta galaxias, incluyendo líquidos, gases y sólidos,
objetos inanimados y partes de organismos vivos. La gente daba un uso práctico
a las fuerzas físicas mucho antes de que tuvieran la mínima comprensión de
ellas, o incluso ^pie empezaran a preguntarse respecto a las leyes que las
gobiernan. Los constructores más antiguos utilizaron palancas y rodillos para
mover grandes bloques de piedra, emplearon la gravedad para dejar caer objetos
a un lugar y para revisar la perpendicular con plomadas.
§. Mecánica en acción
Siempre que utilizamos las fuerzas que actúan en la materia, estamos empleando
leyes mecánicas para que trabajen para nosotros. Los constructores egipcios de
las pirámides (por lo que sabemos) no tenían comprensión de las fuerzas
implicadas en mover bloques de piedra para construir las pirámides, y tampoco
los arquitectos de los complejos sistemas de irrigación empleados en Sri Lanka
tenían conocimiento formal de la dinámica de los fluidos. Sin embargo, ambas
culturas pudieron, mediante la experimentación, por ensayo y error, utilizar
las leyes de la física para su beneficio.
Los antiguos egipcios pudieron emplear dispositivos mecánicos, como palancas
y rodillos, para ayudarse a mover los bloques de piedra necesarios para
construir las pirámides.
El
Creciente Fértil es un área que se extiende desde el Mediterráneo hasta el
golfo Pérsico. Contiene toda la tierra que se encuentra entre los ríos Tigris y
Éufrates que los griegos conocían como Mesopotamia (“entre dos ríos”) que
incluye áreas que en la actualidad son Siria e Irak.
El Gran Zigurat de Ur (ahora en Irak) se construyó hace alrededor de 4000
años y representa una hazaña considerable de ingeniería.
La
agricultura se desarrolló en esta área hace aproximadamente 10 000 años, y para
el 5000 a.C., los sumerios habían construido las primeras ciudades, empleando
métodos para cortar, mover y apilar vastos bloques de piedra. Los sumerios
también inventaron la rueda, dominando así las fuerzas físicas en una nueva
forma. Conforme crecía la población, el pueblo de Mesopotamia hizo el primer
uso práctico de la dinámica de fluidos, desarrollando sistemas de irrigación
para regar sus granjas en el milenio VI a.C.
Ingeniería
e hidráulica antigua en acción
Los
ingenieros hidráulicos en Sri Lanka construyeron complejos sistemas de
irrigación en el siglo III a.C. El sistema se fundó con la invención del
bisokotuwa, similar a una moderna torre de toma, la cual regula el flujo hacia
afuera del agua. Enormes reservas de agua de lluvia en diques, embalses,
canales y represas proporcionaban suficiente agua para sustentar al pueblo
cingalés de Sri Lanka, con una dieta basada en el arroz. El primer tanque de
agua de lluvia se construyó durante el gobierno del rey Abhaya (474-453 a.C.).
En los siglos posteriores se construyeron sistemas mucho más sofisticados y
extensos, comenzando durante el gobierno del rey Vasaba (65 - 108 d.C.). Sus
ingenieros construyeron doce canales de irrigación y once tanques, los más
grandes eran de 3 kilómetros de ancho. Sus mayores logros se llevaron a cabo
bajo el gobierno del rey Parakrambahu el Grande (1164-1196 d.C.), cuando
ingenieros cingaleses lograron un gradiente continuo de 20 centímetros por
kilómetro en canales de irrigación que se extendían por alrededor de 80
kilómetros.
El
agua que corre se puede emplear para mucho más que sólo nutrir las cosechas.
Tiene su propia fuerza y la presión que ejerce se puede emplear para hacer
trabajo útil. El primer uso conocido del agua para proporcionar fuerza motriz
fue en la antigua China, cuando Zhang Heng (78-139 d.C.) empleó agua para dar
fuerza y hacer girar una esfera armilar (un globo empleado en astronomía para
determinar las posiciones de las estrellas). Du Shi, en 31 d.C., empleó una
rueda de agua para impulsar los fuelles en un alto horno que producía hierro
fundido.
Mecánica de los antiguos griegos
Aunque las primeras civilizaciones dieron un uso práctico a la mecánica, no
tenemos registro de pensamiento sistemático o de análisis de las fuerzas.
Las
invenciones de Arquímedes
Arquímedes
dio un uso práctico y apropiado a su conocimiento de la mecánica. El rey Hierón
II lo comisionó para diseñar un barco enorme, el primer buque de lujo en la
historia, capaz de transportar a 600 personas y con instalaciones que incluían
decoraciones de jardín, gimnasio y un templo dedicado a Afrodita. Para bombear
hacia afuera el agua que se filtrara en el casco, se dice que desarrolló el
tornillo de Arquímedes, una hoja giratoria con forma de tornillo que se
ajustaba dentro de un cilindro y que se hacía girar con las manos. El mismo
diseño se adaptó para transferir agua de una fuente baja a canales de
irrigación (y todavía se emplea en la actualidad). Otras invenciones que se
atribuyen a Arquímedes son una disposición parabólica de espejos para concentrar
los rayos del sol en barcos enemigos para quemarlos, y una garra gigante para
sacar a los barcos enemigos del agua. Como sucede a menudo, la guerra parece
impulsar los avances científicos.
Según se dice, Aristóteles alardeó diciendo que si le daban una palanca lo
bastante apropiada y un punto de apoyo para ponerla, podría mover la Tierra. En
principio, es cierto.
"Denme
un punto de apoyo y moveré la Tierra".
Arquímedes
La
primera evidencia de pensamiento abstracto, respecto a cómo y por qué las
fuerzas actúan en los objetos, procede de la antigua Grecia. En Mecánica,
Aristóteles investigó cómo las palancas hacían posible mover grandes pesos
empleando poca fuerza. Su respuesta fue: “Al moverse por la misma fuerza, la
parte del radio de un círculo, que es la más lejana del centro, se mueve con
más rapidez que el radio más pequeño que está cerca del centro”.
El tornillo de Arquímedes se emplea para mover agua, incluso en algunos
sistemas de irrigación de la actualidad.
Aristóteles
reconoció esto poco después de la invención de una forma de balanza que tenía
brazos de longitud diferente. En una balanza de brazos iguales, los pesos de un
lado se deben poner en equilibrio mediante pesos iguales en el otro lado. Pero
con una balanza de brazos desiguales, los pesos también se pueden poner en
equilibrio moviendo el fulcro (el punto en que la barra se balancea) y moviendo
un peso a lo largo de su brazo. Entonces, especular respecto a las fuerzas
mecánicas sólo tuvo lugar después de que se había ideado un dispositivo
práctico que ponía en uso esas fuerzas. Ira existencia de la balanza de brazos
desiguales dio a Aristóteles la oportunidad de hacer observaciones e
investigaciones.El descubrimiento de Aristóteles es el precursor de la ley de
la palanca para la que Arquímedes (aprox. 287-2 12 a.C.)
proporcionó una prueba más o menos un siglo después (aunque es probable que la
ley ya fuera muy conocida antes de que Arquímedes la confirmara).En su forma
moderna, la prueba afirma que peso por distancia en un lado del fulcro es igual
al peso por distancia en el otro lado:
P ×
D = p × d
Arquímedes
expresó esto en términos de promedios, ya que no hubiera aceptado la
multiplicación de medidas diferentes (peso y distancia). Como proporciones, la
ley de la palanca toma la forma:
P/d
= p/D
§.
El problema de la dinámica
Aristóteles empezó con la proposición de que algo se mueve porque se le aplica
fuerza y se sigue moviendo mientras la fuerza continúe. La tendencia de un
cuerpo en movimiento de seguirse moviendo se llama ahora “momento”. Esta
proposición de Aristóteles explica lo que sucede si empujamos o jalamos algo,
pero es claro que falla cuando se aplica a proyectiles.
Disparar una flecha hacia arriba hará que siga un camino parabólico
predecible.
Si
lanzamos algo, disparamos una flecha de un arco o una bala de una pistola, el
objeto se continúa moviendo después queda persona o lo que sea que inició el
“empujón” ya no está en contacto con el proyectil. Aristóteles resolvió el
problema al transferir la condición de “movedor” al medio por donde viaja el
proyectil, de manera que el aire continúa ejerciendo una fuerza en la flecha,
empujándola hacia su objetivo. Esta fuerza se graba en el aire cuando la flecha
sale al principio del arco.El matemático griego Hiparco (aprox. 190
- aprox. 120 a.C.) lo rechazó, y sostenía que la fuerza se
había transferido al proyectil en sí. Por lo tanto, una flecha que se dispara
con exactitud hacia arriba tiene más poder, ímpetu, para alejarse de la Tierra
de la que tiene la gravedad para jalarla de vuelta a ella.
Mecánica
de la estática
Mientras
que los antiguos griegos se ocupaban de la dinámica (la mecánica del
movimiento), lo; romanos dominaron la mecánica de la estática La mecánica de la
estática explica cómo las fuerzas que se mantienen en equilibrio mantendrán una
fuerza estacionaria. Es un principio fundamental en la arquitectura, donde
fuerzas no equilibradas pueden causar que un edificio o un puente se colapse.
Por ejemplo, un puente de arco se mantiene en pie tan sólo porque la presión
ejercida por las piedras que forman el arco está balanceada a la perfección.
Los retos de la arquitectura medieval y del Renacimiento, de construir grandes
techos de bóveda, arcos y domos, eran problemas de mecánica de la estática que
condujeron a soluciones exquisitas.
Sin
embargo, este poder disminuye con el tiempo en forma natural. Disminuye por sí
mismo, no por la resistencia del aire, ni por la gravedad, ni por ninguna otra
influencia. En el punto en que el ímpetu es igual al jalón de la gravedad, la
flecha se queda inmóvil un momento.
Luego comienza a caer, aumentando la velocidad de su caída conforme su ímpetu
original disminuye a cero. Conforme disminuye el ímpetu, puede hacer menos por
resistir el jalón de la gravedad en el objeto.
El Duomo de la catedral en Florencia, construido por Filippo Brunelleschi,
representa un triunfo de la ingeniería (se mantiene en pie sólo por el peso de
sus propias piedras).
Cuando
no queda ímpetu residual, la flecha cae a la misma velocidad que un objeto que
se ha tirado en lugar de lanzado. El modelo de Hiparco también explicaba el
comportamiento de un cuerpo que caía o dejaban caer. El objeto empieza en un
estado de equilibrio entre el jalón hacia abajo de la gravedad y el ímpetu
hacia arriba de la mano. El empujón hacia arriba se actualiza en el momento en
que se libera el objeto, pero luego disminuye con regularidad, de manera que el
objeto acelera hacia el suelo. El modelo también explica la velocidad terminal,
ya que el ritmo de caída se vuelve constante una vez que ha disminuido todo el
ímpetu del cuerpo.El filósofo Juan Filópono (490-570 d.C.), a veces conocido
como Juan el gramático o Juan de Alejandría, tenía una teoría similar del
ímpetu. Sugirió que un proyectil tenía una fuerza que le otorgaba el “movedor”,
pero que era autolimitador y después de que se gastaba el proyectil volvía al
modelo de movimiento normal. En el siglo XI,Avicena (aprox. 980-1037)
encontró fallas en el modelo de Filópono, y sostuvo que que un proyectil recibe
una inclinación más que una fuerza, y que no disminuye en forma natural. Por
ejemplo, en el vacío el proyectil se movería por siempre, siguiendo la
inclinación que había recibido. También creía que el movimiento del aire que
desplaza empuja hacia adelante un proyectil.El filósofo español-árabe Averroes
(1126-1198 d.C.) fue la primera persona en definir fuerza como “la velocidad
con que se realiza el trabajo al cambiar la condición cinética de un cuerpo
material”; y sostener “que el efecto y medición de la fuerza es el cambio en la
condición cinética de una masa materialmente resistente”. Introdujo la idea de
que los cuerpos que no se mueven tienen resistencia a comenzar a moverse, lo
que se conoce en la actualidad como inercia, pero sólo lo aplicó a los cuerpos
celestes. Fue Tomás de Aquino quien extendió el concepto a los cuerpos
terrenales. Kepler siguió el modelo de Averroes-Aquino, y fue él quien
introdujo el término “inercia”, que al final se convirtió en el concepto
central de la dinámica de Newton. Esto significa que Averroes es responsable de
una de las dos innovaciones cruciales en el desarrollo de la dinámica
newtoniana a partir de la dinámica aristotélica.-
Rumores
insidiosos
Las
historias de la vida de Buridan que nos han llegado en la actualidad pueden no
ser todas ciertas, pero sugieren que era un personaje alegre y pintoresco. Se
dice que golpeó con un zapato al futuro papa Clemente VI en la cabeza durante
una discusión respecto a una mujer, y que murió después de que el rey de
Francia lo arrojó al río Sena en un saco, como castigo por tener una aventura
con la reina.
El
filósofo francés del siglo XIV, Jean Buridan (aprox. 1330-aprox. 1358),
relacionó el ímpetu que imparte el movedor con la velocidad del objeto que se
mueve. Pensó que el ímpetu podía ser una línea recta o un círculo, donde el
segundo explicaría los movimientos de los planetas. Su explicación es similar
al concepto moderno de “momento”.El pupilo de Buridan, Alberto de Sajorna (aprox.1316-1390),
amplió la teoría dividiendo el camino de un proyectil en tres etapas. En la
primera etapa (A-B), la gravedad no tiene efecto y el cuerpo se mueve en la
dirección del ímpetu que le imparte el movedor. En la segunda etapa (B-C), la
gravedad recupera su poder y el ímpetu disminuye, de manera que el cuerpo
comienza a tender a ir hacia abajo. En la tercera etapa (C-D), la gravedad toma
el mando y jala el cuerpo hacia abajo mientras el ímpetu se agota.
El experimento del túnel
Una de las disquisiciones teóricas más importante en la historia de la ciencia
se relaciona con dejar caer en forma imaginaria una bola de cañón por un túnel
que pasa por el centro de la Tierra y hasta el otro lado. Diversos pensadores
medievales discutieron el experimento, desarrollando las ideas de Avicena
y Buridan sobre el ímpetu. Se pensaba que la bola de cañón se elevaría en el
otro lado del mundo hasta la altura desde la que se dejó caer. La explicación
era que la bola de cañón recibía el ímpetu de la fuerza de gravedad, actuando
en ella para jalarla hacia la Tierra, y eso sería suficiente para contrarrestar
la gravedad en el camino de salida. Cuando llegara a la altura desde la cual la
dejaron caer originalmente, el ímpetu se agotaría y la bola de cañón caería de
nuevo, siguiendo el mismo patrón y estableciendo un movimiento oscilatorio. Fue
el primer punto en que el movimiento oscilatorio, tan importante en la física
del siglo XVII, entró al estudio de la dinámica.
La trayectoria de una bola de cañón que se dispara horizontalmente de un
cañón, sigue un camino recto y luego cae a la Tierra.
Se
adaptó el experimento del túnel para explicar el balanceo de un péndulo, al que
se consideraba como el experimento del túnel en un microcosmo. Se jala el
péndulo hacia abajo, a su punto más bajo (el punto medio horizontal), y el
ímpetu que ha ganado lo impulsa en su camino continuo lateral (pero también
hacia arriba), hasta que esa fuerza se agota y se le jala de vuelta, renovando
el impulso, pero en la otra dirección. Para la dinámica aristotélica, y en los
modelos de Pliparco y Filópono, el péndulo había sido una anomalía
inexplicable. No había una razón obvia para que se elevara de nuevo después de
que había caído. Aquí, por fin, estaba una forma de explicarlo.
§. El verdadero nacimiento de la mecánica clásica
Los científicos de los siglos XVI y XVII buscaron explicaciones para el
movimiento de los cuerpos físicos que iban de los proyectiles a las estrellas.
"Cuando
un movedor pone un cuerpo en movimiento, le implanta cierto ímpetu, es decir,
cierta fuerza que le permite a un cuerpo moverse en la dirección en que el
movedor lo inicia, sea hacia arriba, hacia abajo, de lado o en círculo. El
ímpetu implantado aumenta en la misma proporción que la velocidad. Es por este
ímpetu que una piedra continúa moviéndose después de que quien la arroja ha
dejado de moverla. Pero por la resistencia del aire (y también por la gravedad
de la piedra) que se esfuerza por moverla en la dirección opuesta al movimiento
causado por el ímpetu, la segunda se debilitará todo el tiempo. Por lo tanto,
el movimiento de la piedra será más lento en forma gradual, y al final
disminuye o destruye el ímpetu, tanto que la gravedad de la piedra se impone y
mueve la piedra hacia su lugar natural".
Jean Buridan, Cuestiones sobre la Física de Aristóteles
Se
examinó con rigurosidad y se superó el trabajo inicial sobre la dinámica, en
particular gracias a los esfuerzos de Galileo en Italia y de Isaac Newton en
Inglaterra, aunque con contribuciones importantes de astrónomos como Johannes
Kepler.
Los
calculadores de Oxford: timados de un triunfo
Los
Calculadores de Oxford fueron un grupo de científicos y matemáticos que se
centraban en el colegio Merton, Oxford, en el siglo XIV; y entre los que
estaban Thomas Bradwardine, William Heytesbury, Richard Swineshead y John
Dumbeton. Investigaron la velocidad instantánea y presentaron la base de la ley
de los cuerpos que caen mucho antes de Galileo, al cual se atribuye por lo
general. También expusieron y demostraron el teorema de la velocidad media: Que
si un objeto en movimiento acelera a una proporción uniforme por cierto tiempo,
cubre la misma distancia que un objeto que se mueve a su velocidad media por el
mismo periodo de tiempo. Estuvieron entre los primeros en tratar propiedades
como calor y fuerza como algo que en teoría era cuantificable, a pesar de que
no tenían medios para medirlas, y sugirieron el uso de las matemáticas en
problemas de filosofía natural. A menudo se burlaban de los académicos
medievales de Oxford por la naturaleza ininteligible de sus estudios; después
el grupo desapareció y quedó en el anonimato.
El
experimento de la bola que gira de Galileo
La desconfianza de Galileo en la física aristotélica empezó a corta edad.
Incluso en su adolescencia, cuando era estudiante en Pisa, pudo refutar la
afirmación de Aristóteles de que los cuerpos pesados caen con más rapidez que
los ligeros, citando como evidencia que los granizos de diferentes tamaños
llegan al suelo al mismo tiempo, y es de presumir que caen de la misma altura
(por supuesto, es una prueba falsa, ya que no hay forma de saber si los
granizos comenzaron su caída al mismo tiempo). También mostró que una bola de
cañón que golpea su blanco a la misma altura cuando deja el cañón lo hace a la
misma velocidad que cuando deja el cañón.Galileo tenía un interés particular en
proyectiles y cuerpos que caen. Es poco probable que alguna vez haya llevado a
cabo en realidad el famoso experimento que se le atribuye, de dejar caer bolas
de cañón de diferentes pesos desde la Torre Inclinada de Pisa para mostrar que
caían a la misma velocidad (es más probable que esto fuera sólo una
disquisición teórica).
Una famosa disquisición teórica se relaciona con dejar caer una bola de
cañón por dentro de la Tierra.
Pero
lo hiciera o no, el concepto de llevar a cabo un experimento para poner a
prueba una idea, y de usar los resultados como evidencia para apoyar una
declaración científica, fue fundamental para las prácticas de Galileo que se
volvería la base del método científico.En lugar de tirar bolas de cañón desde
una altura peligrosa, Galileo llevó a cabo sus experimentos con las fuerzas de
bolas de diferentes pesos que ruedan por pendientes. En una época en la que los
relojes no tenían una segunda manecilla, tomar el tiempo con exactitud en
experimentos no era fácil. Galileo empleó un reloj de agua y su propio pulso
para medir el tiempo que las bolas requerían para llegar al final de la
pendiente, lo que mostraba que los efectos de la gravedad eran los mismos en objetos
ligeros y pesados. Esto era contrario a las enseñanzas de Aristóteles y, al
parecer, al sentido común. Pero Galileo señaló que cuando vemos caer una pluma
u hoja de papel con más lentitud que una bala de cañón, se debe a que la
resistencia del aire reduce su caída, no a que la gravedad tenga menos
influencia en el objeto más ligero.
Descartes
y el punto de vista mecanicista
René
Descartes fue, en esencia, la primera persona en proponer que existen leyes
inmutables de la naturaleza. Desarrolló un punto de vista mecanicista,
inspirado por un científico aficionado y defensor de la filosofía mecánica, el
holandés Isaac Beeckman (1588-1637), al que conoció en 1 618. Descartes trató
de explicar todo el mundo material, incluyendo la vida orgánica, en términos de
tamaño, forma y acción de las partículas de la materia que se mueven de acuerdo
a leyes físicas. Incluso consideró al cuerpo humano como un tipo de máquina,
aunque excluyó al alma de su esquema mecanicista. Desde su punto de vista, Dios
era el generador del movimiento que dio al Universo el empujón que necesitaba
para ponerse en marcha, pero a partir de entonces avanzó por sí mismo,
siguiendo las leyes de la física como un mecanismo de relojería. Creía que si
se conocían las condiciones iniciales, se podría predecir el resultado de
cualquier sistema.
El
experimento con bolas que ruedan también mostró algo más. Mientras hacía las
pendientes cada vez menores, Galileo se dio cuenta que sin una fuerza que la
detuviera, una bola que giraba en un plano horizontal continuaba girando para
siempre.
Descartes creía que los seres animados funcionaban como mecanismos de
relojería, siguiendo las leyes físicas.
De
nuevo, esto iba en contra de las enseñanzas de Aristóteles. También podría
parecer contrario a la lógica que empujemos un ladrillo a lo largo de una mesa
y que se detenga en cuanto dejamos de empujarlo, e incluso un carrito con
llantas también se detiene después de un rato.
Es poco probable que Galileo alguna vez haya dejado caer bolas de cañón de
la Torre Inclinada de Pisa, pero la idea tiene un atractivo que aún perdura.
Galileo
identificó correctamente una fuerza que actúa para detener el movimiento: La
fricción. Sin embargo, cometió un error al interpretar sus descubrimientos
sobre que el movimiento continuará a menos que se le impida; supuso que, como
la Tierra está girando, el movimiento inercial siempre producirá un camino
circular. Le faltó a Descartes demostrar que los objetos en movimiento
continúan en una línea recta a menos que alguna fuerza actúe sobre ellos para
cambiar la dirección de su viaje.
Detenerse y arrancar
La inercia es la renuencia de un cuerpo a empezar a moverse. Se debe superar si
va a iniciarse un movimiento. El momento es la tendencia de un cuerpo en
movimiento a continuar moviéndose una vez que se le ha dado un ímpetu inicial.
El momento se pierde conforme el cuerpo reduce su velocidad y se
detiene en respuesta a una fuerza que actúa en él contra la dirección del
movimiento. La obra de dinámica de Aristóteles, Hiparco, Filópono y Avicena se
ocupaba en su mayor parte de algo similar al momento y su pérdida (con cómo y
poiqué un cuerpo continúa moviéndose y luego se detiene después del ímpetu
inicial). Sin embargo, no pudieron explicar correctamente por qué un cuerpo
deja de moverse. Los físicos persas explicaron la pérdida de movimiento final
empezada por un ímpetu mediante una referencia a una tendencia innata a la
inmovilidad, inclinatio ad quietan.
El
experimento de Galileo sobre la Luna
En
1971, astronautas del Apolo 1 3 demostraron que era correcto lo que Galileo
había dicho sobre los cuerpos que caen. Cuando no hay atmósfera (y por lo tanto
no hay resistencia o impulso por el aire), los cuerpos que se dejan caer al
mismo tiempo desde la misma altura golpean el suelo al mismo tiempo, sin
importar su altura o forma. Los astronautas empleaban una pluma y un martillo
geológico para demostrarlo.
Una
tendencia a la inmovilidad es una buena definición de inercia, la cual fue
descrita por primera vez por Averroes, pero no es la razón de que un cuerpo
deje de moverse.
Galileo
Galilei (1564-1642)
Galileo
recibió educación en casa hasta la edad de 11 años, cuando lo enviaron a un
monasterio para una educación más formal. Para horror de su padre, Galileo
adoptó la vida monástica, y a los 1 5 años de edad decidió volverse monje
novicio. Por suerte para la historia de la ciencia, tuvo una infección en el
ojo y su padre lo llevó a su casa en Florencia para tratamiento. Galileo nunca
volvió al monasterio. Impulsado por su padre, Galileo fue a la universidad de
Pisa para estudiar medicina, pero con rapidez
Galileo recibía una paga baja como profesor y su pobreza se exacerbó cuando su
padre murió después de prometer (pero no entregar) una dote importante para la
hermana de Galileo. Después logró conseguir el puesto de profesor de
matemáticas en Padua en 1592, una universidad más prestigiosa y un trabajo
mejor pagado. Sin embargo, todavía tenía preocupaciones de dinero y recurrió a
la invención como forma de mitigarlas, creando primero un termómetro que no
tuvo éxito comercial y luego una máquina de cálculo mecánico que le produjo
ingresos por un tiempo. En 1604, Galileo trabajó con Kepler para examinar una
nueva estrella (de hecho, una supernova) y más o menos en 1608 demostró que el
camino que sigue un proyectil es parabólico. En 1609, Galileo empezó a hacer
sus propios telescopios, y en el curso de ese año había mejorado de tres a
veinte veces el aumento en comparación con el diseño existente. Envió un
instrumento a Kepler quien lo empleó para confirmar los descubrimientos de
Galileo en astronomía. Estos descubrimientos, como las lunas de Júpiter y las
fases de Venus, apoyaron el punto de vista de Copérnico de que la Tierra viaja
alrededor del sol (heliocentrismo), en lugar de que el sol viaje alrededor de
la Tierra (geocentrismo). Galileo por muchos años fue cauteloso en expresar o
publicar este punto de vista que era contrario a la doctrina de la iglesia
católica, y en 1 616 se le prohibió fomentar o enseñar el modelo heliocéntrico.
En 1632 se le dio permiso para publicar una discusión equilibrada del tema
llamada Diálogos sobre los dos máximos sistemas del mundo, pero era tendencioso
contra el geocentrismo, así que condenaron a Galileo por herejía en 1634 y pasó
el resto de su vida en arresto domiciliario. Durante su aislamiento terminó sus
Discursos y demostraciones matemáticas sobre dos ciencias nuevas, en donde
expuso el método científico y afirmó que el intelecto humano podía comprender
el Universo y que estaba regido por leyes que se pueden reducir a matemáticas.
Pierre
Gassendi llevó a cabo el experimento definitivo que desacreditaba la inercia
como una fuerza para reducir la velocidad del movimiento en 1640 a bordo de una
galera que tomó prestada de la fuerza naval francesa. La galera se movió con
remos a la máxima velocidad, cruzando el mar Mediterráneo mientras dejaban caer
bolas de cañón de la parte superior del mástil. En cada caso, chocaron con la
cubierta en el mismo punto (con exactitud al pie del mástil). No se quedaron
atrás por el movimiento hacia adelante del barco. Esto mostró que un cuerpo
seguía moviéndose en la dirección con que había empezado, a menos que la
detuviera alguna fuerza. La bola de cañón mantenía el ritmo de la galera, ya
que nada detenía su movimiento hacia adelante y continuaba junto con el
movimiento hacia abajo. Gassendi había recibido en gran medida la influencia de
Galileo y su promoción del método experimental.
El maestro habla
A la forma de la mecánica clásica que dominó la física por más de 200 años a
veces se le llama “mecánica newtoniana” por las tres leyes del movimiento
formuladas por Isaac Newton en la década de 1660.Eran la ley de la inercia, su
segunda ley de la aceleración y la ley de la acción y la reacción. Abordó la
segunda y tercera leyes en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
(Principios matemáticos de filosofía natural), publicado en 1687, por lo
general llamado sólo Principia.
Principia de Newton tal vez ha sido el libro de ciencia más influyente que
jamás se haya publicado.
El
gran avance de Newton fue proporcionar una explicación detallada de la
mecánica, empleando el sistema matemático que en la actualidad se llama cálculo
diferencial que él había elaborado.
Leyes
del movimiento de Newton
· Primera
ley: Los cuerpos se mueven en línea recta con velocidad uniforme, o se
mantendrán estacionarios, a menos que una fuerza actúe para cambiar su
velocidad o dirección.
· Segunda
ley: Las fuerzas producen una aceleración que está en proporción a la masa del
cuerpo (F = ma, o F/m = a).
· Tercera
ley: Toda acción de una fuerza produce una reacción igual y opuesta (por
ejemplo, se impulsa un cohete hacia adelante con tanta fuerza como los gases de
escape se expulsan hacia atrás de él).
Estas
leyes encarnan las leyes de la conservación de la energía, momento y momento
angular.
Movimiento
y gravedad
Newton presentó los principios de conservación del momento y del momento
angular, y la formulación de la gravedad en su ley de la gravitación universal.
Esta declara que toda partícula en el Universo que tiene masa atrae a toda otra
partícula que tenga masa. Esta atracción es la gravedad. Cuando cae una manzana
de un árbol, la gravedad la jala hacia abajo, a la Tierra, pero al mismo tiempo
la manzana ejerce su propio jalón gravitacional diminuto en la Tierra. La
fuerza gravitacional entre dos cuerpos es inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia entre ambos. La ley de la gravedad, publicada en 1687, fue la
primera fuerza en ser descrita en forma matemática. Al formular la ley, Newton
demostró por primera vez que todo el Universo está regido por las mismas leyes,
y son leyes que se pueden modelar.Las leyes del movimiento y de la gravitación
de Newton se aplican por igual a los objetos cotidianos en la Tierra y a los
cuerpos celestes. Explican la mayor parte del movimiento discernible en el
mundo a nuestro alrededor, y falla sólo cuando los objetos se mueven cerca de
la velocidad de la luz o son en extremo pequeños, posibilidades que
preocuparían a Newton. Las leyes de Newton explicaban los descubrimientos de
Galileo, incluyendo su disquisición teórica con bolas de cañón de diferentes
pesos, y también la explicación de Kepler de que los planetas siguen órbitas
elípticas. En el Universo de Newton, era predecible el movimiento de todos los
cuerpos, dada la información sobre la masa del cuerpo y las fuerzas que actúan
sobre él.
El Universo como terreno de pruebas
Newton verificó sus nuevas leyes mostrando cómo explicaban el movimiento de los
planetas en el Sistema Solar. Mostró cómo la curvatura de la órbita de la
Tierra es el resultado de la aceleración en la dirección del sol, y que la
gravedad del sol determina las órbitas de los planetas. Sus explicaciones
sustentan las explicaciones dadas antes por Kepler. La mecánica celestial, el
estudio del movimiento y de las fuerzas que actúan en los cuerpos celestes, se
estableció como terreno de pruebas para las teorías en la física. Durante los
siguientes siglos, nuestra comprensión del movimiento de los planetas se refinó
al incluir los campos gravitacionales que ejercen los planetas en los cálculos
basados en las leyes de Newton. Newton se daba cuenta de que las órbitas
planetarias no eran del todo como había calculado que debían ser, y con fervor
creía que la intervención divina se necesitaba cada cierto tiempo para situar
todo de nuevo en curso, poniendo a los alborotadores, Júpiter y Saturno, de
vuelta a sus lugares justos.
Diagrama del Tratado del sistema del mundo, de cómo poner en órbita una bala
de cañón.
Fue
el matemático y astrónomo francés Pierre Simón Laplace (1749-1827) quien
resolvió qué estaba sucediendo en realidad dentro de la estructura de las leyes
de Newton.
Es fácil repetir los experimentos de Galileo al rodar camiones de madera por
una pista con pendiente, como saben muchos niños en edad escolar.
§.
Aire y agua
Mientras que algunas fuerzas son obvias; por ejemplo, le damos un empujón a un
camión de juguete y se mueve, otras no son tan fáciles de ver. La presión del
aire o del agua que actúa sobre un cuerpo puede moverlo, deformarlo o incluso
destruirlo. Los fluidos no actúan como cuerpos en la misma forma en que lo hace
un planeta o una manzana.
Isaac
Newton (1642-1727)
Newton
nació prematuro el día de Navidad de 1642 (del calendario pregregoriano) y no
se esperaba que viviera. Cuando era niño, se le catalogó como Indolente y
distraído en la escuela, y fue un estudiante mediocre en Cambridge. Cuando
cerraron la universidad por la Gran Plaga de 1665, Newton se vio obligado a
pasar su tiempo en casa, en Lincolnshire. Fue aquí que elaboró las primeras
versiones de sus leyes del movimiento y sus primeras ideas de la
gravedad.
Un
fluido puede fluir, no tiene forma fija y esto significa que la fuerza que
ejerce es diferente a la fuerza que ejerce un cuerpo sólido. A pesar de eso, es
posible ver un líquido fluir o caer y comprender parte de su fuerza. El
comportamiento de los gases fue un poco más difícil de ver e investigar, ya que
no son visibles la mayoría de los gases. Está claro por el poder del viento
para derribar árboles y destruir edificios, que un gas en movimiento puede
tener mucha fuerza, pero es más difícil experimentar con él.
Una eolípila, o motor antiguo de vapor, de un tipo diseñado por Herón de
Alejandría; el vapor que escapaba causaba que la esfera superior girara.
Anaxágoras
llevó a cabo experimentos públicos para demostrar la existencia de la presión
del aire, empleando el aire contenido en un recipiente esférico cerrado que
presionaba el agua. Aunque había hecho pequeños agujeros en el fondo del
recipiente, no se llenaba con agua porque ya estaba lleno de aire. Anaxágoras
no extendió su trabajo a la presión atmosférica, pero mostró cómo la
resistencia del aire explica por qué las hojas pueden flotar en el aire.
Arquímedes especuló que un cuerpo sumergido en agua está sometido a una fuerza
hacia arriba, que es igual al peso del agua que desplaza.Herón de Alejandría (aprox. 10-70
d.C.) dio un uso práctico a la presión de aire, agua y vapor, inventando una
rueda de aire, para hacer funcionar un órgano musical, y el primer motor de
vapor. También creó una puerta automática: El aire calentado en el fuego de un
altar desplazaba agua, la cual se acumulaba y su peso jalaba una cuerda para
abrir las puertas. Herón también fue responsable de la primera máquina
expendedora, e incluso de un espectáculo de marionetas automático. La máquina
expendedora despachaba un volumen medido de agua bendita. La moneda insertada
caía en un plato que se ladeaba, abriendo una válvula para permitir que el agua
fluyera.Cuando la moneda caía del plato, un contrapeso detenía el suministro de
agua. El espectáculo de marionetas era impulsado por un sistema de cuerdas,
nudos y máquinas simples que se manejaban juntas al hacer girar una rueda
dentada cilíndrica.Desde la Antigüedad, se ha sabido que el agua se puede
bombear a una altura aproximada de 10 metros, pero no más alto, algo que se
descubrió por prueba y error. En la década de 1640, los científicos empezaron a
vincular esto con la presión atmosférica.
Una hoja no cae directo a la Tierra, ya que su baja masa y gran superficie
de área hacen que el viento se la pueda llevar con facilidad.
El
matemático italiano Gasparo Berti (1600-1643) sin querer hizo un barómetro de
agua, en alrededor de 1640, y descubrió que la altura del agua en un tubo largo
y cerrado invertido sobre un plato se asentaba en 10.4 metros, dejando espacio,
un vacío, en la parte superior del tubo. Otro italiano, el físico Giovanni
Batista Baliani (1582-1666), había descubierto en 1630 que no podía sacar agua
con sifón por encima de esta altura y le había pedido a Galileo que explicara
por qué. La explicación de Galileo había sido que el agua se mantenía arriba
sostenida por el vacío, y que el vacío no podía sostener cualquier peso mayor
que el agua a 10 metros. En este punto, la mayoría de las personas, incluyendo
a Galileo, creía que el aire no tenía ningún peso propio.
Portada de Hidrodinámica de Bernoulli, la primera obra sobre mecánica de
fluidos.
Del
agua al mercurio
Evangelista Torricelli (1608-1647), amigo y estudiante de Galileo, sugirió en
1644 que el aire de hecho tenía peso y que era éste lo que presionaba hacia
abajo en el agua del plato y lo que mantenía la columna de agua en el tubo a
una altura de 10 m. Las habladurías de que Torricelli estaba dedicado a la
brujería lo obligaron a mantener en secreto sus experimentos, de manera que
buscó un líquido más denso que se pudiera situar a un nivel más bajo.
El
barómetro de vino
Después
de descubrir cómo funcionaba su barómetro, Pascal se propuso poner a prueba la
creencia de los físicos aristotélicos de que la parte "vacía" del
tubo estaba llena con vapores del líquido que presionaban la columna hacia
abajo. (Habían rechazado la idea de que pudiera quedar un vacío en la parte
superior del tubo). Como se consideraba al vino más volátil que el agua,
escogió el vino para una demostración pública. Preguntó a los aristotélicos que
predijeran por adelantado lo que sucedería. Propusieron que la columna de vino
se situaría más abajo que la columna de agua, ya que habría más vapor para
presionarla. Se demostró que estaban equivocados y prevaleció la explicación de
Pascal.
Usó
mercurio que, a 16 veces la densidad del agua, da una columna mucho menos
conspicua de sólo 65 centímetros.El matemático y físico francés Blaise Pascal
(1623-1662) repitió el experimento de Torricelli con un barómetro de mercurio y
fue más allá, haciendo que su cuñado llevara el equipo arriba de una montaña y
lo probara ahí. Al encontrar que el mercurio se hundía más en la altura, Pascal
correctamente llegó a la conclusión de que el peso del aire era menos allá
arriba y, por lo tanto, ejercía menos presión. De sus hallazgos sacó
extrapolaciones para sugerir que la presión del aire continúa reduciéndose
conforme aumenta la altura. En algún punto, el aire se acaba y sólo existe
vacío sobre la capa de la atmósfera de la Tierra. La medición de la presión en
la actualidad se llama pascal (Pa) en su honor, donde un pascal es equivalente
a un newton por metro cuadrado.
Dinámica de fluidos
Aunque la gente había estado aprovechando el movimiento de los fluidos por
milenios, no fue hasta mediado del siglo XVIII que se empezó a comprender. El
matemático holandés-suizo Daniel Bernoulli (1700-1782) estudió el movimiento de
los líquidos y los gases, publicando su obra de gran influencia, Hidrodinámica(Hidrodinámica),
en 1738. Descubrió que el agua que fluye con rapidez ejerce menos presión que
el agua que fluye con lentitud, y que este principio se puede ampliar a
cualquier fluido, fuera líquido o gas. Si Bernoulli insertaba un tubo vertical
delgado por la pared de un tubo horizontal más ancho que llevaba agua que fluía,
el agua se elevaba en el tubo delgado. Entre mayor fuera' la presión del agua
en el tubo ancho, más se elevaba en el tubo delgado. Si se hace más delgado el
tubo, aumenta la presión del líquido que fluye. Si el tubo se reduce a la mitad
de su ancho previo, la presión se cuadriplica, ya que se le aplica la ley de
los cuadrados.Bernoulli expuso sus conclusiones en lo que en la actualidad se
conoce como el teorema de Bernoulli: En cualquier punto en un tubo por el que
fluye agua, la suma de la energía cinética, la energía potencial y la energía
de presión de una masa dada del fluido, es constante. Es el equivalente para la
ley de la conservación de la energía. Los fenómenos en que se basa el teorema
de Bernoulli mantienen a los aviones volando, nos permiten predecir el clima y
nos ayudan a hacer modelos de la circulación de los gases en estrellas y
galaxias.Bernoulli se había educado como médico por la insistencia de su padre
y estaba interesado en el flujo de la sangre en el cuerpo humano. Diseñó un
método para medir la presión sanguínea que implicaba insertar un tubo capilar
en un vaso sanguíneo y medir la altura a que se elevaba la sangre en el tubo.
Este método invasivo e incómodo para medir la presión sanguínea se usó por más
de 150 años, hasta 1896.
Unión de los fluidos y la masa
Hasta que fue común aceptar que la materia está formada por átomos, era
imposible que se igualara el comportamiento de los cuerpos sólidos y el
comportamiento de los fluidos en alguna forma significativa. Pero en cuanto fue
claro que líquidos y gases están compuestos por moléculas, fue posible
comprender que la presión del agua y la presión del aire se producen por las
partículas en movimiento que ejercen fuerza en otros cuerpos con los que entran
en contacto. De hecho, fue la imagen de que esto sucedía en el movimiento
browniano lo que al final demostró la existencia de los átomos. El modelo
atómico de la materia por fin logró, la aceptación universal en los primeros
años del siglo XX. En ese preciso momento, empezaron a aparecer grietas en la
mecánica newtoniana.
§. Poner la mecánica a trabajar
Durante la Revolución Industrial en los siglos XVIII y XIX, la mecanización en
industria, agricultura y transporte transformó por completo la vida en Europa y
Estados Unidos. Poblaciones enteras se movieron en masa del campo a la ciudad,
las máquinas hicieron posible la fabricación en masa de bienes, se apoderaron
de las tareas de la agricultura que antes requerían un gran número de
trabajadores agrícolas y movieron bienes, alimentos y personas en forma más
eficiente. La necesidad de perfeccionar la maquinaria ayudó a impulsar el
progreso en la ciencia. La máquina de hilar algodón construida por James
Hargreaves en 1764 empleó maquinaria simple para manejar seis husos con una
sola rueca. El marco giratorio movido por agua que desarrolló Thomas Arkwright
en Inglaterra en 1771 y empleado para hilar recibía energía de agua corriente.
Los primeros aparatos impulsados por vapor fueron bombas, pero con el motor de
vapor, mejorado por James Watt, se podía emplear para hacer muchos trabajos
diferentes. Estas invenciones no fueron obra de físicos, sino de personas
prácticas que necesitaban llevar a cabo una tarea práctica y buscaban una
solución práctica. Estas soluciones surgieron por la observación e inspiración,
más que polla formación de teorías. La ciencia pronto intervino para ayudar a
explicar y mejorar la maquinaria de la Revolución Industrial, y lo ha hecho
desde entonces
Se pone la mecánica newtoniana en una nueva posición
Las leyes de Newton pusieron las bases para la mecánica clásica, pero se
extendieron y desarrollaron durante los siguientes siglos. El matemático y
científico suizo Leonhard Euler (1707-1783) amplió la esfera de acción de las
leyes de las partículas a cuerpos rígidos (cuerpos sólidos idealizados de
tamaño finito) y presentó dos leyes adicionales que explican que no es
necesario que las fuerzas internas en un cuerpo estén distribuidas
equitativamente.
Una forma mecánica de medir la presión-sanguínea que se empleó hasta finales
del siglo XX.
El
principio de Euler de menor acción (que la naturaleza es perezosa) tiene muchas
aplicaciones en la física (en particular que la luz sigue el camino más corto).
El brillante matemático ítalo-francés Joseph-Louis Lagrange (1736- 1813)
sucedió a Euler como director de la Academia de Ciencias de Berlín. Ayudó a
reunir todos los avances en la mecánica newtoniana, en el siglo después de la
muerte de Newton, y los volvió a formular en la mecánica lagrangiana. En Méchanique
analytique (Mecánica analítica), que empezó cuando tenía 19 años de
edad y terminó a los 52, Lagrange presentó una síntesis de todo lo que había
pasado en los años intermedios, basándose ' en su propio sistema matemático,
que describía los límites de un sistema mecánico en relación con las variaciones
que podrían suceder durante el curso de su historia expresada con el empleo del
cálculo. Las ecuaciones lagrangianas relacionan la energía cinética de
un sistema con sus coordinadas generalizadas, fuerzas generalizadas y tiempo.
Su libro no contiene diagramas (un logro notable para un libro sobre mecánica);
sus métodos emplean el cálculo y excluyen la geometría. Su obra simplificó
muchos cálculos en la dinámica al tratar con funciones escalares de la cinética
y la energía potencial, en lugar de una acumulación de fuerzas, aceleraciones y
otras cantidades vectoriales.Tanto Euler como Lagrange abordaron también la
dinámica, pero adoptaron diferentes enfoques. Euler describió el movimiento de
puntos particulares en un fluido, mientras que Lagrange dividió el fluido en
regiones y analizó sus trayectorias.Otro matemático que hizo contribuciones
significativas a la mecánica práctica moderna fue el noble irlandés sir William
Rowan Hamilton (1805-1865). En su tratado On a General Method in
Dynamics(Sobre un método general en la dinámica, 1835) expresó la
energía de un sistema en términos de momento y posición, reduciendo la dinámica
a un problema en el cálculo de las variaciones. A veces se llama mecánica
hamiltoniana a su reformulación de la mecánica clásica en las ecuaciones
hamiltonianas. En el proceso descubrió que existe un vínculo íntimo entre la
mecánica newtoniana y la óptica geométrica. El significado completo de su obra
no fue visible hasta el surgimiento de la mecánica cuántica casi cien años después.
La inercia y la gravedad se unen
Entre la declaración de Newton de las leyes de la inercia y la gravedad y las
teorías de Einstein de la relatividad estuvo el físico austriaco Ernst Mach
(1838-1916).
Sir
Willian Rowan Hamilton (1805-1865)
Brillante
desde el inicio de la infancia, Hamilton aprendió a leer a la edad de tres
años. Podía traducir latín, griego y hebreo a la edad de cinco años, compiló
una gramática del siríaco a los 11 años y a los 14 compuso una bienvenida en
persa para el embajador persa que estaba visitando Dublín. El don de Hamilton
para las matemáticas y la astronomía fue tan considerable que lo
Newton
creía que el espacio era un fondo absoluto contra el que se trazaba el
movimiento. Mach estuvo en desacuerdo, diciendo que el movimiento siempre es
relativo a otro objeto o punto. Como Einstein, creía que sólo el movimiento
relativo tiene sentido. Como consecuencia, la inercia sólo se puede comprender
si existen otros objetos con los cuales podamos comparar el movimiento o la
inmovilidad de un cuerpo. Por ejemplo, si no existieran estrellas o planetas,
no podríamos decir que la Tierra está girando. El principio de Macla (que él no
presentó como principio, fue Einstein quien acuñó el término) se ha expresado
en forma bastante general como “la masa allá influye, la inercia acá”. Sin masa
“allá”, no puede haber inercia “acá”.
Grande y pequeño
Mientras que la mecánica newtoniana parecía funcionar bien para los objetos más
grandes en el Universo, comenzó a fallar cuando se aplicaba a los más pequeños.
En cuanto los físicos empezaron a darse cuenta las partículas atómicas y
subatómicas, descubrieron que las leyes de la física, que consideraban fijas e
inmutables para todas las cosas, ya no parecían aplicarse. Las partículas más
pequeñas podían llevar a cabo acciones extrañas. La confianza ganada con tanto
trabajo en las leyes de la física estaba zozobrando, y en el siglo XX estas
leyes se sometieron a un gran escrutinio.En lugar de que el trabajo en el átomo
demostrara que las ideas de Newton en realidad explican todo el Universo, se
mostró que en escalas muy pequeñas la materia actúa en formas verdaderamente
sorprendentes. La mecánica clásica alcanza sus límites en la escala atómica, a
velocidades cercanas a la velocidad de la luz y en intensas-campos
gravitatorios. Antes de examinar el átomo y cómo parece desafiar las leyes de
la naturaleza, necesitamos volver atrás un poco y examinar la energía (la otra
mitad de la ecuación masa en movimiento).
Capítulo 4
Campos y fuerzas de energía
Los rayos y el viento representan enormes ráfagas de energía en la
naturaleza, y son temidos por su poder destructivo.
Contenido:
§.
La conservación de la energía
§. Termodinámica
§. Calor y luz
§. Descubrimiento de la electricidad
§. Electromagnetismo: La unión de la electricidad y el magnetismo
§. Más ondas
Cuando
una fuerza actúa para mover una masa, nos parece obvio que está involucrada la
energía. Así que puede parecer sorprendente que a pesar de toda la
consideración de las fuerzas desde la Antigüedad, los primeros filósofos
naturales en gran medida no dieran importancia a la energía. El concepto de
energía es relativamente nuevo, surgió apenas en el siglo XVII. De hecho, el
término "energía" (del griego energía, acuñado por Aristóteles) sólo
se presentó con su significado moderno en 1807, gracias al genio y sabio Thomas
Young (del experimento de la doble rendija). Las formas más obvias de energía
son la luz y el calor, los cuales surgen gracias al sol. La humanidad también
ha aprovechado la energía química (liberada de quemar combustibles), la energía
gravitatoria de un cuerpo que cae, la energía cinética del viento y el agua en
movimiento, y, más recientemente, la energía eléctrica y nuclear.
§. La conservación de la energía
Al igual que la materia se conserva, al no ser creada ni destruida, la energía
también se conserva. Puede convertirse de una forma a otra, y es así como la
aprovechamos para hacer trabajo útil, pero en realidad nunca se gasta esa
energía. Galileo se dio cuenta de que un péndulo convierte la energía
gravitacional potencial en energía cinética o energía del movimiento.
Christiaan Huygens creó los relojes de péndulo por primera vez en 1656: Al
péndulo siempre le toma el mismo tiempo balancearse.
Cuando
el cabeceo del péndulo está en el punto alto de su giro, está inmóvil por un
momento, y tiene la máxima energía potencial.
Una patinadora puede acelerar sus giros, poniendo sus brazos cerca de su
cuerpo, o reducir su velocidad extendiendo sus extremidades.
Su
trabajo, junto con las observaciones del matemático y filósofo holandés Willem
Gravesande (1688-1742), fueron perfeccionados por la física francesa Marquise
Emile du Chátelet (1706-1749), quien definió la energía de un cuerpo en
movimiento como proporcional a su masa, multiplicada por su velocidad al
cuadrado. La definición actual de energía cinética es muy cercana a esto:
Ek =
½ mv 2
Apuros
con el fuego
Las primeras teorías sobre cómo y por qué ardían los objetos se centraron en un
supuesto compuesto de materia inflamable llamado flogisto.
Los humanos emplearon el fuego por miles de años sin comprender cómo
funciona.
Cuando
se quemaba el material, escapaba el flogisto. No era en realidad una teoría de
la energía, sino de los cambios físicos y químicos que causaba el fuego. La
teoría se originó en 1667 con el trabajo del alquimista Johann Becher
(1635-1682). Revisó el antiguo modelo de la materia que contenía cuatro
elementos: tierra, aire, agua y fuego, que se remonta a los días de Empédocles
y la remplazó con tres formas de tierra: térra lapídea, térra
fluida y térra pingáis. En 1703, Georg Ernst Stahl
(1660-1734), profesor de medicina y química en la Universidad de Halle, en
Alemania, cambió el modelo un poco y renombró a la térra pingáiscomo
"flogisto".
Máquinas
de movimiento perpetuo
El
principio de la conservación de la energía podría sugerir que es posible hacer
una máquina de movimiento perpetuo: Una máquina que utilice la energía que
produce para mantenerse en marcha, de manera que todo el tiempo recicle su
energía de diferentes formas. El matemático hindú Bhaskara (1114-1185) sugirió
por primera vez esta idea más o menos en 1150, y propuso una rueda que dejara
caer pesas a lo largo de sus rayos mientras giraba, impulsándose así. Incluso
Robert Boyle, de quien se podía esperar que fuera más sensato, sugirió un
sistema que llenaba continuamente una taza con agua, la vaciaba y la volvía a
llenar. Sin embargo, todas las ideas para máquinas de movimiento perpetuo deben
fallar, ya que se pierde energía por la fricción y por ineficiencia. En el
siglo XVIII, tanto la Real Academia de Ciencias francesa como la Oficina de
Patentes estadunidense estaban tan inundadas con solicitudes y propuestas para
máquinas de movimiento perpetuo, que las prohibieron.
Se
pensaba que el flogisto era una sustancia sin olor, color o sabor que libera la
materia cuando se quema.
Laboratorio de Lavoisier en París.
Cuando
se ha liberado todo el flogisto, por lo general es diferente la naturaleza del
material quemado, como cuando la madera se convierte en cenizas. Sin embargo,
si se quema la materia en un espacio cerrado, puede no quemarse toda, ya que el
aire se satura de flogisto. Tuvieron dificultades para explicar cómo a veces
los metales aumentan de masa cuando se queman o calientan (ahora sabemos que se
debe a que se forman óxidos), pero los teóricos del flogisto tuvieron una
solución astuta para esto. Afirmaron que a veces el flogisto no tiene peso, a
veces tiene peso positivo y a veces incluso tiene peso negativo, de manera que
la pérdida del flogisto puede en realidad aumentar la masa del material
quemado. También se involucró al flogisto con la herrumbre y los sistemas
vivos; una criatura no puede vivir en aire "flogistado" en el que
algo se ha quemado, ni el hierro tendrá herrumbre en él. No se anuló esta
teoría para poner una explicación química hasta que Antoine- Laurent Lavoisier
demostró que cuando el material se quema ó se oxida se combina con el oxígeno.
La comprensión de que esto tenía un vínculo con los procesos de la vida, que la
respiración también requiere oxígeno, fue la primera pista de que los procesos
químicos están en el centro de la vida. Mientras que el flogisto y luego el
oxígeno explicaban el proceso químico de quemar algo, el calor mismo siguió
siendo un misterio hasta 1737, cuando du Chátelet propuso lo que más adelante
se reconoció como-radiación infrarroja.
Georg Ernst Stahl.
Gabrielle
Émile le Tonnelier de Breteuil, marquesa du Chátelet (1706-1749)
Hija
de un aristócrata francés, Émile du Chátelet era considerada demasiado alta
para ser mujer y su padre pensó que era poco probable que se casara. En
consecuencia, empleó a los mejores tutores para ella (a la edad de 12 años
podía hablar seis idiomas), y le permitió dedicarse a la física y a las
matemáticas. Su madre lo desaprobaba y deseaba enviarla a un convento, pero,
por fortuna, prevaleció el punto de vista de su padre. Émile se interesó en el
juego, usando las matemáticas para mejorar sus probabilidades de ganar, luego
usaba sus ganancias para comprar libros y equipo de laboratorio.
Émile sí se casó y tuvo tres hijos. Como su marido a menudo estaba lejos en
campañas militares o visitando sus numerosas propiedades, ella estaba libre
para continuar con sus actividades científicas y tener amantes (tal vez incluso
el escritor y filósofo Voltaire, cuyo nombre real era Françoise-Marie Arouet).
Con seguridad Voltaire era su compañero intelectual íntimo y pasaba mucho
tiempo en la propiedad de du Chátelet, en Cirey-sur-Blaise, donde la pareja
compartía un laboratorio. Émile tradujo Principia de Newton y escribió Las
Instituciones de la Física (1 740), que trataba de reconciliar los puntos de
vista de Newton y de Leibniz. En 1937 entró a una competencia dirigida por la
Académie de Science con un artículo que investigó en secreto sobre las
propiedades del fuego. En él sugirió que los diferentes colores de la luz
tenían diferente poder para calentar, presagiando la identificación de la
radiación infrarroja. No ganó la competencia, pero se publicó su
artículo.
Uno de sus experimentos se relacionaba con dejar caer bolas de cañón en una
base de arcilla húmeda. Descubrió que duplicar la velocidad de la bola de cañón
causaba que se enterrara cuatro veces más en la arcilla, mostrando que la
fuerza es proporcional a la masa por la velocidad al cuadrado (m × v2)
y no, como dijo Newton, la masa por la velocidad.
§.
Termodinámica
La creación del motor de vapor y de muchas otras máquinas con motor de la
Revolución Industrial significó que había una necesidad cada vez más urgente de
comprender la termodinámica (cómo se produce, transfiere y se puede aprovechar
el calor para hacer trabajo físico). Dos teorías sobre la naturaleza del calor,
no excluyentes entre ellas del todo, pero que formaban una extraña pareja, eran
comunes en el siglo XVIII: el modelo calórico y el modelo mecánico del calor.
Émilie du Chátelet fue una notable física en un tiempo en que la ciencia era
dominio masculino.
El
modelo mecánico se basa en el movimiento de diminutas partículas. La teoría
cinética de los gases tiene su origen en el libro de Daniel Bernoulli, Hydrodynamica (Hidrodinámica),
publicado en 1738. Sugirió que los gases están formados por moléculas en
movimiento. Cuando bombardean una superficie, el efecto es presión, su energía
cinética se siente como calor. Este es el modelo que todavía se acepta en la
actualidad.
"No
estoy tan convencido de la inexistencia del calórico como lo estoy de la
existencia de la luz".
Humphry Davy, 1 799
El
modelo calórico sugería que el calor es una forma de materia, un tipo de gas
con partículas indestructibles. Los átomos de calor, o calórico, se podían
combinar con los átomos de otras sustancias o podían estar libres y meterse a
hurtadillas entre los átomos de otra materia. Lavoisier propuso la existencia
del calórico mientras desacreditaba el flogisto.
Congelados
Al
igual que se suponía que el calor era resultado del calórico, algunos
científicos de la década de 1780 creían que el frío era una propiedad producida
por la presencia de una sustancia llamada "frigoric". El filósofo y
físico suizo Pierre Prévost (1 751-1839) dijo que el frío tan sólo es la
ausencia de calor, y mostró en 1 791 que todos los cuerpos, sin importar lo
fríos que parezcan estar, irradian algo de calor.
Creía
que los átomos de calórico era un componente del oxígeno y que su liberación
producía el calor de la combustión. Cuando se producía calor por fricción,
ocurría porque los átomos de calórico se desprendían por el roce del cuerpo en
movimiento.
Uno de los experimentos de Rumford con cañones. Propuso que el calor consta
de partículas en movimiento y que la fricción lo puede causar.
El
físico nacido estadunidense, Benjamín Thompson, conde Rumford (1753- 1814),
llevó a cabo un experimento en el que pesaba hielo, lo derretía y lo volvía a
pesar de nuevo. Descubrió que no había una diferencia discernible en el peso,
lo que sugería que no se ganaba calórico al derretir el hielo. Pero los
partidarios del modelo calórico lo rebatieron sugiriendo más bien que el
calórico tenía masa insignificante. La observación adicional del conde Rumford
de que el acto de perforar agujeros en el metal, como los cañones, producía una
enorme cantidad de calor, junto con experimentos llevados a cabo por el químico
inglés Humphry Davy (1778-1829), debieron demostrar a todos que la teoría
calórica estaba equivocada, ya que mostraban que el calor se podía producir por
el trabajo físico mismo. Aunque algunas personas dudaban de la teoría calórica,
las conclusiones del conde Rumford y de Davy no se aceptaron hasta que el
físico inglés James Prescott Joule (1818-1889) repitió algunos de sus
experimentos 50 años después.
El equipo de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.
Joule
llevó a cabo experimentos para demostrar que el trabajo se podía convertir en
calor. Por ejemplo, forzar el paso de agua a presión por un cilindro perforado
eleva la temperatura del agua. Esto expuso las bases para la teoría de la
conservación de la energía mediante su transferencia a diferentes formas, y
mostró que el modelo calórico del calor no era correcto (por extraño que
parezca, la conservación de la energía del calor era esencial para el modelo
calórico, ya que convertía al calor en materia, que ya se sabía que se
conservaba). Joule calculó que la cantidad de trabajo necesaria para elevar un
grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua era una fuerza de 838
libras-pie (una libra-pie es el par de torsión, o fuerza de torcimiento, que crea
una fuerza de una libra actuando en una distancia perpendicular de un pie de un
punto pivote).
La
física se vuelve estadística
La
formulación de las velocidades de las moléculas de James Clerk Maxwell,
conocida como la distribución Maxwell, proporcionó una forma para calcular la
proporción de las moléculas con una velocidad específica (o la probabilidad de
que una partícula tenga una velocidad específica) en un gas donde las moléculas
tienen movimiento libre. Fue la primera ley estadística en la física. La ha
remplazado la distribución Maxwell-Boltzmann, que perfecciona la técnica y las
suposiciones de Maxwell.
Puso
a prueba diferentes métodos y obtuvo resultados similares, lo que lo llevó a
aceptar que su teoría y sus cifras eran más o menos correctas. La obra de Joule
tuvo una recepción poco entusiasta al principio, en parte porque se basaba en
mediciones muy precisas; diferencias en temperatura de 1/200 de grado.
Un motor de vapor convierte la energía del calor en energía cinética para
impulsar un vehículo o maquinaria.
Cuando
Michael Faraday y William Thomson (más adelante lord Kelvin) escucharon la
presentación de Joule de su trabajo en 1847, ambos se interesaron, pero se
requirió mucho tiempo para que compartieran su punto de vista. La primera
colaboración con Thomson tuvo lugar cuando los dos se reunieron mientras Joule
estaba de luna de miel. Planearon medir la diferencia de temperatura del agua
en la parte superior e inferior de una cascada en Francia, pero al final
demostró ser poco viable. Thomson y Joule mantuvieron correspondencia de 1852 a
1856, donde Joule llevaba a cabo experimentos y Thomson comentaba los
resultados. Joule llegó a la conclusión de que el calor es una forma del
movimiento de los átomos. Aunque el modelo atómico de la materia no se había
aceptado en todas partes en ese momento, Joule había aprendido todo al respecto
del químico irrites John Dalton y aceptó el modelo atómico sin reservas.
Las leyes de la termodinámica
Tres leyes de termodinámica establecen los límites de lo que se puede y lo que
no se puede hacer en cualquier sistema que se relacione con calor y energía.
Las leyes surgieron durante el siglo XIX, una vez que se aceptó el calor en
general como el movimiento de partículas.
Nicolás
Léonard Sadi Carnot (1796-1832)
Nacido
en París, Francia, Nicolás Carnot fue hijo de un líder militar y primo de Marie
Françoise Sadi Carnot, quien fue presidente de la República Francesa, de 1887 a
1994. Desde 1812 el joven Carnot asistió a la École Polytechnique en París,
donde tal vez le enseñaron los notables físicos Siméon-Denis Poisson (1 781
-1840), Joseph Louis Gay- Lussac (1778-1850) y Anduve-Marie Ampère (1775-1836).
La máquina de vapor, en uso desde 1712, tuvo grandes mejorías por parte de
James Watt por más de cincuenta años.
Aunque Carnot expuso sus descubrimientos en relación con el calórico, su obra
puso las bases para la segunda ley de la termodinámica. Descubrió que un motor
de vapor produce poder no por el "consumo de calórico, sino [por] su
transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío" y que el poder
producido aumenta con la diferencia de temperatura "entre los cuerpos
caliente y frío". Publicó sus conclusiones en 1824, pero su obra tuvo poco
reconocimiento hasta que Rudolf Clausius la rescató en 1850.
Carnot murió de cólera a la edad de 36 años. Por preocupaciones respecto a la
infección, lo enterraron con la mayor parte de sus papeles y otras
pertenencias, dejando sólo su libro como testimonio de su obra.
La
primera ley de la termodinámica, formulada por Rudolf Clausius (1822-1888) en
1850, es en esencia una declaración de la conservación de la energía: El cambio
en la energía interna de un sistema es igual a la cantidad de calor que se le
suministra, menos la cantidad de trabajo que lleva a cabo el sistema. En otras
palabras, la energía nunca se crea ni se destruye. La ley, como la expuso
Clausius, se basó en la demostración de Joule de que el trabajo (o la energía)
es equivalente al calor. De hecho, la segunda ley de la termodinámica se
descubrió antes que la primera. El ingeniero militar francés Nicholas Sadi
Carnot (ver cuadro, arriba) describió una máquina de calor ideal y teórica en
la que no se pierde energía por fricción o desperdicio, y demostró que la
eficiencia de la máquina depende de la diferencia en temperaturas entre los dos
cuerpos. Así que una máquina de vapor que emplea vapor sobrecalentado producirá
más trabajo que una que usa vapor más frío y, al final, un motor que emplea
combustible (como el diesel) a más alta temperatura será todavía más eficiente.
Como gran parte del trabajo sobre termodinámica en el siglo XIX, Carnot tomó el
diseño de maquinaria existente como punto de arranque para explorar y explicar
la física que lo hacía funcionar. La ciencia práctica estaba dirigiendo la
ciencia teórica. Carnot expuso sus hallazgos en relación al calórico, y fue
Clausius quien re- formuló la ley en relación con la entropía, diciendo que un
sistema siempre tiende a un mayor estado de entropía. Por lo general, se
considera-que la entropía es "desorden". En forma más
precisa, es la medición de la falta de disposición de energía en un sistema
para hacer el trabajo; en cualquier sistema real se pierde parte de la energía
en el calor que se disipa.
El
demonio de Maxwell
En
1871, James Clerk Maxwell propuso una disquisición teórica para tratar de
burlar la segunda ley de la termodinámica. Describió dos cajas adyacentes, una
que contenía gas caliente y una que contenía gas frío, con un pequeño agujero
que las conectaba. Por lo general, el calor se mueve de un área caliente a un
área fría, las partículas rápidas chocan con partículas lentas y las aceleran,
y viceversa. Al final, el gas en ambas cajas contendría partículas con una
distribución similar de velocidades y tendría la misma temperatura. Sin
embargo, en el experimento, un demonio se encuentra en el agujero regulando las
partículas que pueden pasar por él.
Cuando
se enciende el combustible, la energía se convierte de un estado organizado (de
baja entropía) a un estado desorganizado (de alta entropía). La entropía total
del Universo aumenta cada vez que se enciende combustible. Clausius resumió la
primera y la segunda leyes, diciendo que la cantidad de energía en el Universo
se mantiene constante, pero su entropía tiende a un máximo. El fin del
Universo, si se lleva a este extremo, será una vasta sopa de átomos disociados.
Clausius propuso por primera vez esta situación, llamada muerte térmica. Le
siguió la tercera ley de la termodinámica mucho después, en 1912. Elaborada por
el físico y químico alemán Walth Nernst (1864-1941), afirma que ningún sistema
puede alcanzar el cero absoluto, la temperatura en que casi cesa el movimiento
atómico y la entropía tiende a un mínimo o cero.
Cero absoluto
La tercera ley de la termodinámica requiere el concepto de una temperatura
mínima, bajo la cual ninguna temperatura puede caer jamás (conocida como cero
absoluto). Robert Boyle comentó primero el concepto de una posible temperatura
mínima en 1665, en New Experiments and Observations Touching Cold
(Nuevos experimentos y observaciones respecto al frío') en donde se
refirió a la idea de un primum frigidum. Muchos científicos de
la era creían que había "uno u otro cuerpo que es por su propia naturaleza
sumamente frío y por participación con el cual todos los demás cuerpos obtienen
esa cualidad".
El termómetro de Galileo depende de la variación en la presión con la
temperatura; en el cero absoluto no se ejerce presión alguna, ya que los átomos
no se mueven.
El
físico francés Guillaume Amontons (1663-1705) fue el primero en abordar el
problema en forma práctica. En 1702, construyó un termómetro de aire y declaró
que la temperatura a la que el aire no tenía "resorte" para afectar
la medición era el "cero absoluto". El cero en su escala era
alrededor de -240 °C. El matemático y físico suizo Johann Heinrich Lambert
(1728-1777), quien propuso una escala de temperaturas absolutas en 1777, refinó
la cifra a -270 °C, cerca de la cifra aceptada en la actualidad. Sin embargo,
esta cifra casi correcta no fue aceptada por todos. Pierre-Simon Laplace y
Antoine Lavoisier sugirieron en 1780 que el cero absoluto podía ser de 1500 a
3000 grados abajo del punto de congelación del agua, y que mínimo debía ser de
600 grados por debajo de la congelación. John Dalton presentó la cifra de -3000
°C. Joseph Gay-Lussac se acercó más después de sus investigaciones de cómo se
relacionan el volumen y la temperatura. Descubrió que si la presión se mantiene
constante, aumenta el volumen de un gas por 1/273 por cada aumento de 1 °C por
encima de cero. A partir de esto, pudo extrapolar hacia atrás a una cifra para
el cero absoluto de 273 °C, aún más cerca de la cifra correcta.
¿Qué
tan frío?
El
problema tomó un giro diferente luego de que Joule mostró que el calor es
mecánico. En 1848, William Thompson (más adelante lord Kelvin) ideó una escala
de temperatura basada sólo en las leyes de la termodinámica, no en las
propiedades de cualquier sustancia particular (a diferencia de Fahrenheit y
Celsius). Kelvin descubrió un valor para el cero absoluto que todavía se
acepta, -273.15 °C, muy cerca del valor que surge del termómetro de aire y de
la teoría de Gay-Lussac. La escala Kelvin se basa en la escala Celsius pero
comienza en -273.15 °C, en lugar de 0 °C. Aunque de en extremo influyente, lo
nombraron caballero y presidente de la Real Sociedad, Kelvin no era un
científico muy refinado, y rechazó tanto la teoría de la evolución de Darwin
como la existencia de los átomos.
§. Calor y luz
Por milenios había sido claro para la humanidad que la luz del sol proporciona
tanto luz como calor, pero el vínculo entre ellos se explicó sólo hace
relativamente poco tiempo. La primera persona conocida en notar la conexión fue
el erudito italiano Giambattista della Porta (aprox. 1535-1615), el
cual, en 1606, notó el efecto del calentamiento de la luz.
"(La
solución cuántica para el problema del cuerpo negro) fue un acto de
desesperación, ya que se tenía que encontrar a cualquier costo una
interpretación teórica, sin importar qué tan alto pudiera ser (el
precio)".
Max Planck, 1901
Al
ser un poco polifacético, della Porta fue dramaturgo además de científico,
publicó sobre agricultura, química, física y matemáticas. Su Magiae
naturalis(1558) inspiró la fundación de la Academia Científica italiana, la
Academia Linceana (Accademia del Lincei o "Academia de los Linces"),
en 1603 (la portada del libro estaba ilustrada con un diseño de lince y el
prólogo contenía una descripción del científico como alguien que "con ojos
de lince examina las cosas que se manifiestan, de manera que después de
observarlas puede usarlas con diligencia"). Emile du Chátelet estableció
un vínculo entre el calor y la luz cuando se dio cuenta de que el poder del
calentamiento de la luz variaba con su color. Aunque esto preveía el espectro
electromagnético y el descubrimiento de la radiación infrarroja, no se
desarrolló más en ese tiempo. En 1901, Max Planck (ver cuadro, abajo) hizo un
descubrimiento importante que vinculaba luz y calor mientras investigaba la
radiación de cuerpo negro, pero fue un avance accidental, resultado de una
tontería.
La Accademia dei Lincei ha ocupado el Palazzo Corsini en Roma desde 1883.
Sin
embargo, esa tontería iba a formar la base de la mecánica cuántica.
Radiación de cuerpo negro y cuantos de energía
Muchos tipos de material brillan cuando se calientan, emitiendo luz que pasa de
rojo a amarillo y a blanco. La longitud de onda de la luz que se emite a
temperaturas más altas se vuelve cada vez más corta, conforme avanza hacia el
extremo azul del espectro. Como esto se añade a la luz amarilla y roja, el
brillo del cuerpo caliente se vuelve más blanco y luego más azul. La gráfica
que muestra esta distribución de calor y color se llama la curva de cuerpo
negro. El "cuerpo negro" perfecto es algo que absorbe toda la
radiación que cae en él. Una caja hecha de grafito con un diminuto agujero es
una aproximación apropiada de un cuerpo negro perfecto (el agujero actúa como
el cuerpo negro). Cuando se calienta el cuerpo negro, brilla, irradiando luz a
diferentes longitudes de onda para diferentes temperaturas. El color de la luz
irradiada depende por completo de la temperatura y no del material del cuerpo.
A 7500 K el cuerpo negro irradia luz en el extremo violeta del espectro; a
4500 K ha pasado al rojo.
Planck
trató de calcular la cantidad exacta de luz que emitía a diferentes longitudes
de onda un cuerpo negro que consistía en una caja negra con un diminuto agujero
en ella.
La espectroscopia, al trabajar con la luz emitida por la lava que brilla, se
puede emplear para calcular la temperatura de la corriente de lava de una
erupción volcánica.
Aunque
casi podía lograr que su ecuación diera una resultado correcto, tuvo que hacer
una suposición extraña para hacerla perfecta. Esa suposición era que en lugar
de que la luz surgiera de la caja en una corriente constante, como se pudiera
esperar que fuera la onda, tenía que cortarse en pequeños trozos o paquetes de
onda discontinuos o cuantos. Planck en realidad no había tenido la intención de
que los cuantos de energía llegaran a formar parte del paisaje de la física. En
lugar de eso, los consideró como un ingenioso compromiso matemático que en
algún punto sería remplazado por un nuevo descubrimiento o cálculo. Estaba muy
equivocado.
Max
Planck (1858-1947)
Max
Planck tuvo una vida larga, pero trágica. Nacido en Kiel, en el ducado de
Holstein (en la actualidad Alemania), primero quiso ser músico. Cuando le
preguntó a otro músico qué debía estudiar, el hombre le dijo que si necesitaba
preguntar, no sería músico. Entonces dirigió su atención a la física, sólo para
que su profesor de física le dijera que no quedaba nada por descubrir. Por
fortuna, Planck perseveró y su formulación de los cuantos representó el trabajo
preliminar para gran parte de la física del siglo XX.
Otras
formas de energía
Mientras la luz y el calor se sometían a escrutinio, algunas nuevas formas de
energía también estaban llamando la atención de la comunidad científica. Muchos
tipos de energía que se habían explotado por años sólo recibieron nombre en el
siglo XIX. El científico francés Gustave-Gaspard de Coriolis (1792- 1843)
describió la energía cinética en 1829, y el físico escocés William Rankine
(1820-1872) acuñó el término "energía potencial" en 1853.
Generador de electricidad de Otto von Guericke; funcionaba con electricidad
estática.
La
primera entre las fuentes de energía recién reconocidas fue la electricidad'.
Aunque el rayo era algo común para todos, nadie se había dado cuenta de que se
relacionaba con la electricidad.
§. Descubrimiento de la electricidad
El primer tipo que se descubrió fue la electricidad estática. Incluso en la
Antigüedad, la gente se daba cuenta de que frotar ámbar o azabache causaba
algún tipo de fuerza que hacía que el material atrajera pelusa y pedazos de
material, pero no se comprendía la naturaleza de la atracción. El filósofo
natural inglés sir Thomas Browne (1605-1682) definió lo "eléctrico"
como "un poder para atraer pajas y cuerpos ligeros, y convertir la aguja
que fluye con libertad". En 1663, el científico alemán Otto von Guericke
construyó el primer generador electrostático. Guericke ya había llevado a cabo
experimentos con la presión del aire que mostraban la posibilidad de un vacío.
Su generador electrostático, o "máquina de fricción", empleaba un
globo de azufre que se podía girar y frotar con la mano para generar una carga.
Isaac Newton sugirió usar un globo de vidrio en lugar de uno de azufre, y los
diseños posteriores usaron otros materiales. En 1746, una máquina de fricción
con una rueda grande que hacía girar varios globos de vidrio empleaba una
espada y el cañón de un arma, suspendidos con cordones de seda como
conductores; otro empleaba un cojín de cuero en lugar de una mano, y uno que se
creó en 1785 implicaba dos cilindros cubiertos con piel de liebre que se
frotaban entre sí. Los experimentos con la electricidad se volvieron más
comunes en el siglo XVIII, y los generadores de electricidad estática eran
atracciones populares en las conferencias públicas de ciencia. Dos personas, un
maestro holandés de matemáticas llamado Pieter van Musschenbroek (1692- 1761) y
el clérigo alemán Ewald~Georg von Kleist (1700-1748), inventaron en forma
independiente la botella de Leyden más o menos en 1744. Consta de una botella
llena en parte de agua, con una barra o alambre de metal que cruza el corcho, y
era un dispositivo simple para almacenar electricidad. Un diseño más eficiente
tenía una laminilla de metal en el exterior de la botella.
Botellas de Leyden.
Cuando
von Kleist tocó por primera vez esta botella, un poderoso choque eléctrico lo
tiró al piso. La botella de Leyden se convirtió en una herramienta valiosa en
los experimentos con electricidad y es el origen del moderno capacitor.
Benjamín Franklin, al investigar la botella, descubrió que la carga se mantiene
en el vidrio y no en el agua, como se suponía antes.
Cometas y tormentas de rayos
El científico estadunidense Benjamín Franklin (1706-1790), quien luego ayudó a
redactar la Declaración de Independencia de Estados Unidos, demostró por
primera vez la naturaleza eléctrica de los rayos, en 1752. En un famoso
experimento, puso a prueba su teoría al unir una barra de metal a un cometa y
atar una llave al otro extremo de la cuerda. Hizo volar el cometa durante una
tormenta eléctrica, con la llave colgando cerca de una botella de Leyden.
Incluso sin rayos, había suficiente carga eléctrica en las nubes de tormenta
para que la cuerda húmeda condujera electricidad a la llave y causara que
brincaran chispas a la botella de Leyden. Franklin sugirió que la electricidad
podía tener carga positiva o negativa. Inventó el pararrayos, que lleva la
carga eléctrica de un rayo que cae con seguridad a la tierra mediante un
conducto metálico, y la campana de rayos.
Electricidad de moda
Los experimentos con electricidad se volvieron populares como entretenimiento
científico, a veces empleando a voluntarios desafortunados y tal vez poco
dispuestos.
¿La
primera máquina de estimulación nerviosa eléctrica transcutánea?
Los
antiguos egipcios pudieron haber empleado el pez gato eléctrico para propósitos
médicos, y es seguro que los romanos encontraron que el pez torpedo negro era
útil como fuente de alivio del dolor. Como el pez torpedo negro (Torpedo
torpedo) produce una carga eléctrica, se puede emplear como máquina de
estimulación nerviosa transcutánea de actividad analgésica. Los romanos
empleaban al pescado para aliviar el dolor de gota, dolor de cabeza,
operaciones quirúrgicas y parto. El pescado no sobrevive al procedimiento (es
de suponer que se le usaba fuera del agua). Los intentos por imitar el efecto
del pez eléctrico tuvieron su apogeo con el pez torpedo de cuero que hizo Henry
Cavendish en 1776. Después de estudiar al pez, primero hizo una copia de
madera, pero descubrió que no conducía bien la electricidad. Su segundo pez
maniquí estaba hecho con pedazos gruesos de cuero de oveja con delgadas placas
de peltre a cada lado para simular los órganos eléctricos. Conectó las placas a
botellas de Leyden y remojó al pez de cuero en agua salada. Al poner la mano en
el agua, cerca del pez, sintió un choque similar a los que describen personas
que han sentido los efectos de un pez torpedo verdadero.
La
primera persona en llevar a cabo experimentos metódicos con la electricidad fue
el tintorero y científico aficionado inglés Stephen Cray (1666-1736). Su
"niño de la caridad" era un joven pobre, suspendido por un cordón
aislante mientras sostenía una barra de vidrio cargada, con chispas que le
salían de la nariz cuando atraía diminutas partículas de hoja de metal.
Benjamin Franklin llevó a cabo experimentos con rayos para investigar la
electricidad.
Además
de ser entretenido (al menos para el público), los experimentos de Gray en 1729
demostraron la conductividad, que la electricidad se podía pasar de un material
a otro, incluyendo el agua. En un experimento similar, se pasaba una carga
eléctrica por una línea de ancianos que se tomaban de la mano. El químico
Charles du Fay (1698-1739), que trabajaba en París, desarrolló más el trabajo
de Cray, y en 1773 llegó a la conclusión de que todo objeto y todo ser vivo
contiene algo de electricidad. Demostró que la electricidad se presenta en dos
formas, negativa, a lo que llamó "resinosa", y positiva, o
"vitrea". En 1786, el médico italiano Luigi Galvani (1737-1798)
experimentó el paso de corriente eléctrica por ranas muertas, causando que sus
patas se retorcieran en forma espasmódica. Esto lo condujo a llegar a la
conclusión de que los nervios de las ranas transportan un impulso eléctrico que
causa que funcionen los músculos de sus patas.
Poner a trabajar a la electricidad
Antes de que se pudiera dar buen uso a la electricidad, fue necesario encontrar
una forma de liberarla o producirla siempre que se necesitara. La primera pila
eléctrica, la precursora de la batería, fue creada por el físico Alessandro
Volta (1745-1827), quien dio nombre al voltio, la unidad de medición del
potencial eléctrico. Su "pila" eléctrica hecha en 1800, consistía en
un montón de discos de cinc, cobre y papel remojados en una solución salina. No
tenía idea de por qué esto producía una corriente eléctrica, pero en realidad
no importaba, ya que era claro que funcionaba.
"En
septiembre de 1752, erigí una barra de hierro para atraer un rayo a mi casa,
con el fin de hacer algunos experimentos en él, con dos campanas para avisar
cuando se electrificaba la barra. Un artilugio obvio para todo
electricista.
Descubrí que a veces las campanas sonaban cuando no había rayo o trueno, pero
sólo una nube oscura sobre la barra; y a veces después del destello del rayo de
repente se detienen, y que en otras ocasiones, cuando no habían sonado antes,
después de un destello, de repente empezaban a sonar; que la electricidad a
veces era muy débil, de manera que cuando se obtenía una pequeña chispa, no se
podía obtener otra por algún tiempo; en otras ocasiones, las chispas se seguían
con extrema rapidez, y una vez tuve una corriente continua de campana a
campana, del tamaño de una pluma de cuervo. Incluso durante la misma ráfaga,
había considerables variaciones".
Benjamín Franklin, 1753
El
científico sueco Svante August Arrhenius (1859-1927) describió finalmente la
intervención de los iones para transportar una carga eléctrica en 1884. El
físico alemán Georg Ohm (1789-1854) empleó una versión de la pila de Volta para
sus propias investigaciones de la electricidad, que lo llevaron a la
formulación de la ley que tiene su nombre, publicada en 1827. La ley de Ohm
afirma que cuando se transporta electricidad por un conductor:
I = V/R
donde I es
la corriente en amperios, V es la diferencia de potencial en
voltios y Res la resistencia en ohmios. La resistencia del material
se mantiene constante, sin importar el voltaje, así que cambiar el voltaje
afecta directamente la corriente.
En línea de espera; Magnetismo
No podemos avanzar más allá con la electricidad sin tomar en cuenta a los
imanes. Algunos antiguos se dieron cuenta del poder de ciertos materiales para
atraer hierro o de alinearse con el norte-sur, pero era algo inexplicable y debió
parecer similar a la magia.
Georg Ohm, cuyo nombre se emplea en la actualidad para las unidades de
resistencia eléctrica.
De
acuerdo a Aristóteles, Tales (aprox. 625-543 a.C.) presentó una
descripción del magnetismo en el siglo VI a.C. En más o menos 800 a.C., el
cirujano y escritor hindú Sushruta describió el uso de imanes para retirar
esquirlas de metal del cuerpo. Otra referencia antigua al magnetismo se encuentra
en una obra china escrita en el siglo IV a.C., Book of the Devil Valley
Master {El libro del maestro del valle del demonio) en la cual se
dice: "La piedra imán hace que el hierro se acerque o lo atrae". Una
piedra imán es un pedazo imantado en forma natural del metal magnetita. Los
trozos de magnetita con la estructura cristalina correcta se pueden imantar
gracias a los rayos. Los adivinos chinos empezaron usando piedras imán con
tablas de adivinación durante el siglo I a.C. Es posible que las piedras imán
se emplearan en brújulas ya desde 270, pero él primer uso confirmado de una
brújula para navegación apareció en el libro de Zhu Yu, Pingzhou Table
Talks {Conversaciones de sobremesa de Pingzhou), en 1117, el cual expone:
" El navegador conoce la geografía, observa las estrellas en la
noche, observa al sol en el día; cuando está oscuro y nuboso, observa la
brújula".
Una piedra imán es magnética en forma natural y atraerá metales magnéticos
como hierro y acero.
Tal
vez la brújula de navegación se inventó en forma independiente en Europa.
Aunque la brújula china tenía 24 divisiones básicas, los tipos europeos siempre
han tenido 16. Además, la brújula no apareció en Aledio Oriente hasta después
de su primer uso registrado en Europa, lo que sugiere que no pasó por Medio
Oriente de China a Europa. Por último, mientras que las brújulas chinas a
menudo se diseñaban para indicar el Sur, las brújulas europeas siempre han
indicado al Norte. El inglés William Gilbert (1544-1603), científico de la
corte de Isabel I, llevó a cabo las primeras investigaciones científicas del
magnetismo. Gilbert acuñó la palabra latina eléctricas, que
significa "de ámbar". Publicó su libro De magnete en
1600, describiendo en él muchos experimentos que había llevado a cabo para
tratar de descubrir la naturaleza del magnetismo y la electricidad.
Una brújula emplea el campo magnético de la Tierra para ayudar a la
navegación.
Presentó
la primera explicación racional de la misteriosa habilidad de la aguja de la
brújula para señalar Norte-Sur, revelando la sorprendente verdad de que la
Tierra en sí es magnética. Gilbert se las arregló para refutar la creencia
popular entre los marineros de que el ajo inutilizaba la brújula (no se
permitía a los timoneles comer ajo cerca de la brújula del barco), y la idea de
que una enorme montaña magnética cerca del Polo Norte atraería todos los clavos
de hierro de cualquier barco que se aproximara demasiado a ella.
Un herrero haciendo un imán, ilustración de De Magnete de William Gilbert.
Se
reconocía la fuerza potencial del magnetismo en historias del féretro de hierro
de Mahoma, el cual se suponía que se conservaba flotando en el aire al haberlo
colocado entre dos imanes (por supuesto, si este espectáculo fuera real, sólo
se hubiera necesitado un imán sobre la tumba, ya que la gravedad hubiera
proporcionado el impulso hacia abajo).
§. Electromagnetismo: La unión de la electricidad y el magnetismo
Las aplicaciones prácticas para la electricidad empezaron a aparecer a
principios del siglo XIX. En 1820, el físico y químico danés Hans Christian
Øersted (1777-1851) se dio cuenta de que una corriente eléctrica podía desviar
la aguja de una brújula. Esta fue la primera pista de una conexión entre la
electricidad y el magnetismo. Sólo una semana después, André-Marie Ampère
presentó una explicación mucho más detallada. Demostró a la Académie de Science
que cuando cables paralelos transportan una corriente eléctrica, se atraen o
repelen entre sí, dependiendo de si sus corrientes corren en la misma dirección
o en la opuesta, estableciendo así las bases para la electrodinámica. Al año
siguiente, Michael Faraday llevó a cabo un experimento en el que puso un imán
en un plato de mercurio y suspendió un cable sobre él, apenas metiéndose en el
mercurio. Faraday descubrió que cuando pasaba una corriente eléctrica por el
cable, giraba alrededor del imán. Llamó a esto "rotaciones
electromagnéticas", e iba a ser la base del motor eléctrico. De hecho, un
campo magnético cambiante produce un campo eléctrico y viceversa.
Faraday no pudo darse el tiempo para continuar inmediatamente con su trabajo
sobre electromagnetismo, y recayó en el científico estadunidense Joseph Ffenry
(1797-1878) crear el primer electroimán poderoso en 1825. Descubrió que al
enrollar cable aislado alrededor de un imán y hacer pasar corriente por el
cable podía fortalecer en gran medida la fuerza del imán. Construyó un
electroimán que podía levantar casi 1600 kilos. Henry también persistió para
poner las bases para el telégrafo eléctrico. Extendió 1.7 kilómetros de cable
fino a través de la Academia de Albany y luego pasó electricidad por el cable,
empleándolo con éxito para dar fuerza a una campana en el otro extremo.
Campos
y fuerzas
Un
campo es la forma en que la fuerza se transmite a distancia. Un campo magnético
es el área en que actúa una fuerza magnética. Por lo general se muestra en
forma de líneas que irradian del polo norte de un imán a su polo sur. La
intensidad de una fuerza electromagnética o gravitacional se reduce en relación
con el cuadrado de la distancia de la fuente, así, al doble de distancia de la
fuente, la fuerza sólo tiene una cuarta parte de su intensidad original. La ley
del inverso del cuadrado que relaciona las fuerzas fue notada por primera vez
por Newton en relación con la fuerza gravitacional.
Aunque
fue Samuel Morse (1791-1872) quien prosiguió y creó la telegrafía, Henry había
demostrado que el concepto era sólido. Si sobresale un nombre relacionado con
la electricidad, tal vez sea el de Michael Faraday. Aunque estaba demasiado
ocupado para continuar el trabajo sobre el electromagnetismo en la década de
1820, después de su primer experimento, volvió al tema en 1831 y descubrió el
principio de la inducción eléctrica. Faraday enrolló dos rollos de cable en los
lados opuestos de un anillo de hierro y luego pasó una corriente por un cable.
Esto magnetizó el anillo y por un breve momento indujo una corriente en el otro
rollo de cable, creando el primer transformador eléctrico. Seis semanas después
inventó la dinamo, en la cual se empuja un imán permanente hacia atrás y hacia
adelante en un rollo de cable, induciendo una corriente en el cable. La ley de
la inducción de Faraday afirma que el flujo magnético que varía en el tiempo
produce una fuerza electromotriz proporcional.
Joseph Henry
Toda
la generación de electricidad se basa en este principio. Faraday también
introdujo los términos electrodo, ánodo, cátodo e ion, especulando que parte de
una molécula estaba implicada en mover la electricidad entre el cátodo y el
ánodo. Al final, Arrhenius explicó la verdadera naturaleza de las soluciones
iónicas y de su conductividad, y se le otorgó el Premio Nobel por su trabajo en
1903.
El amanecer de una nueva era electromagnética
Ampliando el trabajo práctico de Ørsted y Faraday, James Clerk
Maxwell puso a trabajar las matemáticas con la relación entre la electricidad y
el magnetismo. El resultado consistió en cuatro ecuaciones que sacudieron la
tierra y que se publicaron en 1873, que demostraban que el electromagnetismo es
una sola fuerza. Einstein consideró que las ecuaciones de Maxwell eran el más
grande descubrimiento en física desde que Newton formuló la ley de la gravedad.
En la actualidad, se reconoce al electromagnetismo como una de las cuatro
fuerzas fundamentales que mantienen al Universo en orden (las otras son la
gravedad y las fuerzas nucleares fuerte y débil que actúan dentro y entre los
átomos).
"Éste
fue el primer descubrimiento del hecho de que una corriente galvánica se podía
trasmitir a gran distancia con tan poca disminución de la fuerza como para
producir efectos mecánicos, y de los medios con los que se puede lograr la
trasmisión. Me di cuenta de que ahora era factible el telégrafo eléctrico, no
tenía en mente alguna forma particular de telégrafo, pero me refería sólo al
hecho general de que ahora estaba demostrado que una corriente galvánica se
podía transmitir a grandes distancias, con suficiente fuerza para producir
efectos mecánicos adecuados al objetivo deseado".
Joseph Henry
En
la escala más pequeña, las fuerzas electromagnéticas unen a los iones en
moléculas y proporcionan la atracción entre los electrones, y el núcleo de un
átomo. Maxwell explicó cómo los campos eléctrico y magnético surgen de las
mismas ondas electromagnéticas.
Equipo de Faraday para demostrar la rotación electromagnética.
Un
campo eléctrico variable se logra mediante un campo magnético igual de variable
que se encuentra en ángulo recto a él.
Un campo magnético se demuestra mediante el arreglo de las agujas de imán
alrededor de un imán.
También
descubrió que la onda de campos electromagnéticos ondulantes viaja por el
espacio vacío a 300 millones de metros por segundo (la velocidad de la luz).
Este fue un descubrimiento sensacional y no todos quedaron felices con la
conclusión de que la luz es parte del espectro electromagnético. Einstein
agregó el trabajo de Maxwell a sus teorías de la relatividad, diciendo que si
un campo era eléctrico o magnético dependía del marco de referencia del
observador. Si se ve de un marco de referencia, el campo es magnético. Si se
examina de un marco de referencia diferente, el campo es eléctrico.
Aparato de Faraday que muestra la inducción electromagnética entre dos
rollos de cable. Una batería líquida en el lado derecho proporciona una
corriente, y el rollo pequeño se mueve hacia adentro y hacia afuera del rollo
grande con la mano para inducir una corriente en el rollo grande, lo cual se
indica por el galvanómetro a la izquierda
§.
Más ondas
Aunque Maxwell predijo la existencia de las ondas de radio, no se observaron
hasta que el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857-94) produjo ondas
electromagnéticas de 4 metros en su laboratorio, en 1888. Hertz no reconoció el
significado de las ondas de radio y, cuando se le preguntó sobre el impacto que
su descubrimiento tendría, contestó: "Me imagino que ninguno". Además
de producir ondas de radio, Hertz descubrió que se podían transmitir a través
de algunos materiales, pero que rebotaba en otros una cualidad que más adelante
conduciría a la creación del radar. El descubrimiento de las ondas de radio
hizo que fuera irresistible la explicación de la radiación electromagnética de
Maxwell. En los siguientes años, el descubrimiento de microondas, rayos X,
infrarrojos, ultravioletas y gamma completaron el espectro electromagnético.
Leyes
de Faraday de la inducción electromagnética
1. Se
induce un campo electromagnético en un conductor cuando cambia el campo
magnético que lo rodea.
2. La
magnitud del campo electromagnético es proporcional a la velocidad de cambio
del campo magnético.
3. El
sentido del campo electromagnético inducido depende de la dirección de la
velocidad de cambio del campo magnético.
Nacido
en Londres en una familia pobre, Faraday dejó la escuela a los 14 años de edad
y se hizo aprendiz con un encuadernador, educándose al leer los libros de
ciencia en que trabajaba. Después de escuchar cuatro conferencias que impartió
Humphry. Davy en la Institución Real en 1812, Faraday escribió a Davy
pidiéndole trabajo. Davy rechazó la solicitud al inicio, pero-al año siguiente
lo empleó como asistente de química en la Institución Real. Al principio,
Faraday sólo ayudó a otros científicos, pero luego empezó a realizar sus
propios experimentos, incluyendo los relacionados con la electricidad.
"¡Convertir
el magnetismo en electricidad!".
Lista de actividades de Michael Faraday, 1822; realizado en 1831
En
1826 inició las conferencias de Navidad y los Discursos de la noche del viernes
de la Institución Real (ambos todavía continúan en la actualidad). Faraday
presentó muchas conferencias, llegando a establecerse como el conferencista
científico principal de su tiempo. Descubrió la inducción electromagnética en
1831, poniendo la base para el uso práctico de la electricidad, a la que antes
habían considerado un fenómeno interesante, pero de poco uso real.
Michael
Faraday (1791-1867) Nacido en Londres en una familia pobre, Faraday dejó la
escuela a los 14 años y fue aprendiz de encuadernador, como autodidacta leyó
los libros de ciencia que encuadernaba. Después escuchó cuatro conferencias
dadas por Humphry Davy en la Institución Real en 1812 y Faraday le escribió,
preguntándole si le daba una oportunidad de trabajo. Davy rechazó inicialmente
su solicitud, pero al siguiente año lo empleó como asistente de químico en la
Institución Real. Al principio Faraday sólo ayudaba a otros científicos, pero
después empezó a realizar sus propios experimentos, incluyendo aquellos con
electricidad. En 1826 él comenzó las conferencias de Navidad en la Institución
Real y los discursos de viernes por la tarde (ambos continúan hoy en día).
Faraday dio muchas conferencias, estableciéndose como el principal catedrático
de su tiempo. Descubrió la inducción magnética en 1831, poniendo así la base
para el uso práctico de la electricidad, lo cual había sido considerado
previamente como un fenómeno interesante, pero sin verdadera relevancia.
En reconocimiento a sus logros, a Faraday le ofrecieron un par de veces la
presidencia de la Real Sociedad (las cuales rechazó), y le fue ofrecido un
título de nobleza (el cual también rechazó).
Terminó sus días en el Palacio de la Corte, en Hampton, en una casa que fue un
regalo del consorte de la reina Victoria, el príncipe Alberto.
En
reconocimiento a sus logros, le ofrecieron a Faraday dos veces la presidencia
de la Real Sociedad (y la rechazó dos veces) y le ofrecieron un título de
caballero (que también rechazó).
Michael Faraday en su laboratorio en la Institución Real.
Terminó
sus días en Hampton Court Palace, en una casa que fue regalo del consorte de la
reina Victoria, el príncipe Alberto.
La
siguiente forma de energía que se descubrió fueron los rayos X. Aunque el
físico alemán Wilhelm Contad Röntgen (1845-1923) nombró y describió los rayos X
y por lo general se le acredita con su descubrimiento en 1895, en realidad no
fue el primero en observarlos. Los detectó por primera vez su compatriota, el
físico Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914). Hittorf fue uno de los inventores
del tubo de Crookes, un dispositivo experimental empleado para investigar los
rayos catódicos.
"Apenas
podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en las ondulaciones
transversas de algún medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y
magnéticos".
James Clerk Maxwell, aprox. 1862
Consta
de un vacío dentro del cual una corriente de electrones fluye entre un cátodo y
ánodo, y es precursor del tubo de rayos catódicos empleado en la televisión
antes de la llegada de la moderna pantalla de plasma. Hittorf encontró que
cuando dejaba placas fotográficas cerca del tubo de Crookes, algunas más tarde
estaban marcadas por sombras, pero no investigó la causa. Otros científicos
también estuvieron cerca de los rayos X, antes de que Röntgen produjera la
famosa fotografía de rayos X de la mano de su esposa, y explicara el fenómeno.
Rayos X de la mano de la esposa de Röntgen, la primera imagen producida de
rayos X; su anillo de boda es visible con claridad
"No
es de ningún uso en absoluto [...] es sólo un experimento que demuestra que el
maestro Maxwell tenía razón, sólo tenemos estas misteriosas ondas
electromagnéticas que no podemos ver a simple vista. Pero están
ahí".
Heinrich Hertz, sobre su descubrimiento de las ondas de radio en 1888
Röntgen
hizo que quemaran sus notas de laboratorio después de su muerte, así que es
imposible saber con exactitud qué sucedió, pero parece que estaba investigando
los rayos catódicos, usando una pantalla pintada con platino- cianuro de bario
y un tubo de Crookes envuelto en algo negro.
Que
se haga la luz
El
primer suministro público de electricidad fue en Godalming, Surrey, Inglaterra,
donde instalaron la iluminación eléctrica de la calle en 1881. Una rueda de
agua en el río Wey impulsaba un alternador Siemens que alimentaba lámparas de
arco en la ciudad, proporcionando electricidad a varias tiendas y otras
instalaciones.
Vio
un ligero brillo verde en la pantalla y se dio cuenta de que rayos de algún
tipo estaban pasando la cartulina del tubo y hacían que la pantalla brillara.
Investigó los rayos y publicó sus descubrimientos dos meses después.
Radiación
Cuando el físico francés Henri Becquerel (1852-1908) escuchó sobre los rayos X,
en 1896, que procedían de un punto brillante en la pared de un tubo de Crookes,
sospechó que los objetos fosforescentes también pueden emitir rayos X.
Becquerel era profesor de física en el Museo Francés de Historia Natural y, por
lo tanto, tenía acceso a una gran colección de materiales fosforescentes.
Descubrió que si les permitía absorber energía de la luz del sol por un tiempo,
estos materiales brillarían en la oscuridad hasta que se agotara la energía.
Entonces descubrió que si envolvía una placa fotográfica en papel oscuro para
excluir la luz y lo colocaba sobre un plato de sales fosforescentes que se
habían "cargado" en el sol, las áreas de luz aparecían en la placa.
Al poner un objeto de metal entre la placa y el plato, produjo una imagen como
sombra del objeto en la placa fotográfica, igual que las placas de rayos X de
Röntgen. En un experimento posterior, preparó su sistema y planeó dejarlo al
sol. Aunque París no tuvo luz solar por varios días, Becquerel decidió revelar
la placa de todas maneras, esperando no encontrar nada. Para su sorpresa,
encontró una imagen, las sales de uranio que estaba empleando parecían emitir
rayos X sin exposición al sol, lo que parecía violar la ley de la conservación
de la energía para producir energía de la nada. Investigó más a fondo y
encontró que la radiación no era la misma que en los rayos X, ya que un campo
magnético la podía desviar y, por lo tanto, debe consistir en partículas
cargadas. Sin embargo, no trabajó más en el tema, dejando el campo abierto para
la física experimental polaca, Marie Curie. Marie Curie (1867-1934) estaba
trabajando en su doctorado sobre "rayos de uranio" cuando descubrió
que la mena de la que se extraía el uranio, la pechblenda, es más radiactiva
que el elemento mismo. Esto sugería que existían otros elementos, más
radiactivos, en la mena.
El espectro electromagnético, de los rayos gamma a las ondas de radio
largas.
Con
su marido Pierre, extrajo dos de estos elementos: polonio y radio. Le tomó
cuatro años desde su descubrimiento en 1898 hasta extraer un décimo de gramo de
radio, empleando toneladas de pechblenda.
Becquerel
por siempre
El
puesto de catedrático en física en el Museo Francés de Historia Natural era en
esencia hereditario. Antoine Becquerel (1788-1878) fundó el puesto en 1838 y lo
ocupó un Becquerel sin interrupción hasta 1948, cuando el titular no tuvo un
hijo al cual pasárselo.
Pierre
descubrió que un gramo de radio podía calentar uno y un tercio de gramo de agua
desde el punto de congelación hasta el punto de ebullición en una hora, y podía
continuar haciendo esto, una y otra vez. Parecía como energía de la nada, un
descubrimiento sorprendente. Los Curie no supieron qué forma de energía era en
realidad la radiactividad. Ese descubrimiento le tocó al químico y físico
británico nacido en Nueva Zelanda, Ernest Rutherford (1871-1937), quien
trabajaba en el laboratorio Cavendish en Cambridge. Rutherford fue la primera
persona que admitieron en Cambridge como estudiante investigador, en lugar de
avanzar a la investigación después de obtener un título en la universidad. Se
presentó, por una beca de Nueva Zelanda, dos meses antes de que Röntgen
descubriera los rayos X, pero sólo obtuvo el puesto por casualidad. Fue uno de
dos solicitantes de la beca y no lo escogieron, pero el solicitante que obtuvo
el puesto se marchó. Rutherford empezó a trabajar en ondas de radio, y tal vez
hubiera logrado la transmisión a larga distancia antes que Marconi, pero como
no estaba interesado en su potencial comercial, no explotó sus hallazgos.
Ernest Rutherford
Cuando
Rutherford dirigió su atención a la radiación, encontró que la forma que
Becquerel había descubierto estaba hecha de dos tipos diferentes: Radiación
alfa, que se puede bloquear con una hoja de papel o unos cuantos centímetros de
aire vacío; y radiación beta, que puede penetrar más en la materia. En 1908,
Rutherford mostró que la radiación alfa es una corriente de partículas alfa;
átomos de helio despojados de sus electrones. La radiación beta consta de
electrones de movimiento rápido, como un rayo catódico, pero con más energía.
En 1900, Rutherford descubrió un tercer tipo de radiación, al que llamó
"radiación gamma". Como los rayos X, los rayos gamma forman parte del
espectro electromagnético. Son ondas de alta energía, con una longitud de onda
más corta que los rayos X. El trabajo de Rutherford lo había llevado al
interior del átomo, que es nuestro próximo destino.
Se necesitan: Átomos
El trabajo en termodinámica a finales del siglo XIX mató el modelo calórico del
calor y condujo a físicos como el austríaco Ludwig Eduard Boltzmann y James
Clerk Maxwell a creer que el calor es una medición de la velocidad a lo que se
están moviendo las partículas, aunque no estaban seguros sóbrela naturaleza de
las partículas involucradas. La transferencia de calor y la conductividad de la
electricidad sólo se podían comprender del todo una vez que quedara claro que
dependían de un modelo atómico de la materia. Para que la electricidad viaje
por un conductor, los electrones deben pasar entre los átomos; para que el calor
se mueva de un lugar a otro por conducción o convección, las partículas se
deben mover. La aceptación del modelo atómico de la materia al inicio del siglo
XX abrió la puerta a explorar el interior del átomo y eso, a su vez, condujo a
una mayor comprensión de cómo la energía se comporta y se transmite.
Marie
Curie (Manya Sklodowska, 1867-1934)
Nacida
en Varsovia, en la Polonia ocupada por los rusos, Manya Sklodowska no tenía
oportunidad de acceder a una educación universitaria en su país, así que se fue
a la Sorbona en París para estudiar. Ahí conoció y se casó con Pierre Curie,
quien estaba trabajando ya con materiales magnéticos.
El descubrimiento de la estructura atómica de la materia abrió la puerta a
un mundo totalmente nuevo para los físicos.
Contenido:
§.
Disección del átomo
§. Solaz cuántico
§. Todo se hace pedazos
§. El final-del átomo clásico
La
creencia de que los átomos son como bloques de construcción de la materia tiene
una historia antigua. Algunos pensadores budistas en el siglo VII a.C. creían
que toda la materia estaba formada por átomos, a los que consideraban como una
forma de energía. En Europa, preatomistas como Empédocles y Anaxágoras también
habían concebido partículas invisiblemente diminutas de la materia. Estos
primeros filósofos-científicos llegaron a esa creencia sólo mediante un proceso
de pensamiento deductivo. Aunque el atomismo dejó de ser favorecido por muchos
siglos, al final fue el modelo que prevalecería, apoyado por experimentación y
observación. Pero les primeros atomistas no tenían toda la razón. Sus ideas de
que los átomos eran las partículas más pequeñas e indivisibles de la materia
demostraron ser incorrectas, ya que los átomos están formados por partículas
subatómicas. Conforme los científicos hacían pruebas dentro del átomo, éste
demostraría ser un lugar extraño e impredecible.
"La
suposición de un estado de la materia más finamente dividido que el átomo es en
alguna forma asombrosa".
J. J. Thomson
§.
Disección del átomo
John Dalton describió su teoría atómica en 1803, diciendo que los elementos
están formados por átomos idénticos que se combinan en proporciones de números
enteros para formar compuestos químicos. No todos aceptaron la teoría, hasta
que el físico francés Jean Perrin (1870-1942) midió el tamaño de una molécula
de agua más de un siglo después, en 1908, aunque muchos científicos aceptaban y
trabajaban con la teoría antes de esta fecha. Pero incluso antes de que se
confirmara la teoría como un hecho, la premisa de que los átomos no se pueden
subdividir se estaba viniendo abajo.El físico británico Joseph John (J. J.)
Thomson (1856-1940) descubrió el electrón en 1897, durante su trabajo con rayos
catódicos y tubos de Crookes. Thomson descubrió que los rayos catódicos viajan
con mucha más lentitud que la-luz y, por lo tanto, no podían ser parte del
espectro electromagnético, como se sospechaba antes. Llegó a la conclusión de
que un rayo catódico es en realidad una corriente de electrones. El concepto de
que el electrón era una parte del átomo que podía liberarse y actuar por su
lado derribó la teoría de que el átomo era indivisible. En 1899, Thomson midió
la carga de un electrón y calculó su masa, llegando a la sorprendente
conclusión de que es de alrededor de una dosmilésima parte de la masa de un
átomo de hidrógeno.Aunque a Thomson le otorgaron el Premio Nobel por su trabajo
en el electrón en 1906, su importancia no fue evidente de inmediato. En
realidad, los físicos no podían ver la trascendencia que tendrá el electrón y,
de hecho, el brindis en la comida anual en el Laboratorio Cavendish, en
Cambridge, fue: "Al electrón: Que nunca sea útil para alguien".
Budines de ciruela y sistemas solares
Al modelo del átomo de J. J. Thomson, propuesto en 1904, se le ha llamado
"budín de ciruela" ya que se parece a una bola de budín de carne
adornado con pasas. Describió al átomo como una nube de carga positiva
salpicada en todas partes con electrones. En un ejemplo algo confuso de
reciclar terminología, los llamó "corpúsculos". La parte con carga
positiva se mantuvo bastante nebulosa, mientras que los electrones eran pasas
bien definidas pegados en ella, tal vez orbitando en anillos fijos.El modelo de
budín de ciruela se refutó en 1909 mediante un experimento que llevó a cabo el
físico alemán Hans Geiger (1882-1945) y el neozelandés Ernest Marsden
(1889-1970) en la Universidad de Manchester, mientras trabajaba bajo la
supervisión de Ernest Rutherford. Su experimento implicaba dirigir un rayo de
partículas alfa hacia una hoja muy delgada de lámina de oro rodeada por una
hoja circular de sulfuro de zinc. El sulfuro de zinc se encendía cuando lo
golpeaban las partículas alfa (núcleos de helio). Los experimentadores
esperaban ver que las partículas alfa pasaran a través de la lámina con poca
refracción, y que el diseño que hicieran después de pasar por la lámina les
diera información sobre la distribución de la carga dentro de los átomos de
oro. Los resultados los sorprendieron. Fueron muy pocas las partículas que se
refractaron, pero las pocas que lo hicieron se refractaron a ángulos mucho
mayores a 90°. Rutherford esperaba que el experimento apoyara el modelo de
budín de ciruela y no estaba nada preparado para este resultado. La única
conclusión que pudo establecer fue que la carga positiva en el átomo estaba
concentrada en un centro diminuto, no distribuida por todo el átomo.A
Rutherford le quedó la tarea de presentar un nuevo modelo para la estructura
del átomo que remplazara al desacreditado "budín de ciruela". Lo que
produjo fue un modelo con un núcleo diminuto y denso, rodeado por gran cantidad
de espacio vacío, y salpicado por electrones en órbita. No estaba seguro de si
el núcleo tenía carga positiva o negativa, pero calculó que su tamaño era de
menos de 3.4×10-14metros de diámetro (ahora se sabe que es alrededor
de la quinta parte de esto).
J.
J. Thomson (1856-1940)
Joseph
John (J. J.) Thomson fue hijo de un encuadernador. Era demasiado pobre para
tener un periodo de aprendizaje como ingeniero y, por lo tanto, en lugar de eso
fue al colegio Trinity, Cambridge, para estudiar matemáticas con una
beca.
Se
sabía que el átomo de oro tenía alrededor de 1.5×10-10 metros
de radio, lo que hacía que el núcleo fuera menos de 1/4000 del diámetro del
átomo.
El modelo saturnal
El físico japonés Hantaro Nagaoka en 1904 propuso un modelo del átomo basado en
Saturno y sus anillos. Esto daba al átomo un núcleo macizo y electrones en
órbita que se mantenían en su lugar por un campo electromagnético. Se le
ocurrió la idea después de escuchar a Ludwig Boltzmann hablar de la teoría
cinética de los gases y el trabajo de James Clerk Maxwell sobre la estabilidad
de los anillos de Saturno mientras viajaba por Alemania y Austria en 1892-1896.
Nagaoka abandonó la teoría en 1908.Rutherford no había acabado con el átomo.
Propuso una estructura en la que el núcleo del átomo contenía partículas de
carga positiva: Protones, los cuales descubrió en 1918, y algunos electrones.
Pensó que el resto de los electrones orbitaba el núcleo.
"Los
átomos de los elementos consisten en cierta cantidad de corpúsculos con
electrificación negativa encerrados en una esfera de electrificación positiva
uniforme".
J. J. Thomson, 1904
El
físico danés Niels Bohr (1885-1962) perfeccionó el modelo de Rutherford en 1913
de tal manera que se permitía a los electrones mantenerse en órbita.
El diagrama de arriba muestra el resultado esperado del experimento con
lámina de oro de Rutherford, donde las partículas alfa pasan a través del
átomo; el diagrama de abajo muestra el resultado sorprendente; algunas
partículas salen muy refractadas.
"Fue
el evento más increíble que jamás me hubiera sucedido en la vida. Era casi tan
increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas a una hoja de papel de
seda y volviera y te golpeara. Al considerarlo, me di cuenta de que esta
dispersión hacia atrás debía ser resultado de una sola colisión, y cuando hice
cálculos, me di cuenta de que era imposible tener algo de esa magnitud a menos
que tomaras un sistema en el cual la mayor parte de la masa del átomo estuviera
concentrada en un núcleo diminuto. Fue entonces que tuve la idea de un átomo
con un diminuto centro macizo, que tenía carga".
Ernest Rutherford
Sugirió
que en lugar de vagar en el espacio fuera del núcleo, siguiendo cualquier
camino que quisieran, los electrones estaban restringidos a órbitas
particulares y que son físicamente incapaces de emitir radiación todo el tiempo
(lo que podrían hacer si se aplicaran las leyes de la física clásica).
Los anillos de Saturno proporcionaron un modelo para el átomo de Nagaoka,
Bohr
creía que estas órbitas eran circulares y fijas, presentando un modelo
planetario del átomo, donde los electrones son los planetas que orbitan un
núcleo que es el equivalente al sol. Sin embargo, a diferencia de los planetas,
los electrones pueden saltar entre órbitas, liberando o absorbiendo una
cantidad específica (un cuanto) de energía cada vez, según estuvieran
moviéndose hacia el núcleo o alejándose de él.
Niels Bohr en 1935.
Por
ejemplo, de acuerdo al modelo de Bohr, el electrón único del hidrógeno puede
existir sólo en un número limitado de órbitas.
Einstein y Bohr (derecha)
Cada
órbita representa un nivel particular de energía. Al nivel más bajo se le llama
el estado basal y es el punto más cercano al que llega el electrón del núcleo.
Cuando el átomo de hidrógeno absorbe un fotón de luz, el electrón salta a una
órbita de radio más grande (nivel de energía más elevada). A qué órbita o nivel
salta, depende de la energía que contiene el fotón. Cuando el átomo emite ese
fotón, el electrón salta de vuelta a su órbita previa (nivel de energía
menor).Sostuvo que cada órbita tenía suficiente espacio sólo para cierto número
de electrones, de manera que no d podían todos amontonarse lo * más cerca
posible del núcleo, sin importar lo mucho que quisieran hacerlo. Esto significa
que las órbitas se llenan de adentro hacia fuera.El electrón absorbe o libera
un fotón o cuanto de energía sólo cuando hace un "salto cuántico"
entre órbitas. La cantidad de energía, o longitud de onda de la energía
absorbida o liberada, está determinada por la órbita. Parecía una diestra
prestidigitadora, pero cuando Bohr puso a prueba su teoría, descubrió que los
átomos de hidrógeno emiten energía en la longitud de onda que predecían sus
matemáticas si los electrones podían saltar entre sus órbitas prescritas, a las
que llamó capas. Lo que es más, el modelo de Bohr explicaba por qué el
hidrógeno, y de hecho todos los elementos, produce un espectro único de
absorción y emisión. Este principio es la base de la espectroscopia, empleada
pollos astrónomos para revelar la composición química de las estrellas.
§. Solaz cuántico
Cuando Max Planck habló de cuantos como forma de mover la energía en pequeños
paquetes, no tenía la intención de que alguien tomara en serio el cuanto; era
una solución teórica que suponía que pronto sería remplazada en el momento en
que alguien desarrollara las matemáticas que explicaran lo que en realidad
sucedía.
Las transiciones de la capa de electrones del hidrógeno, con sus energías
asociadas.
Pero
había encontrado algo que al parecer resultó ser cierto, sin importar lo
improbable que pareciera. Y no sólo era cierto, sino que era la base de un tipo
completamente nuevo de física que actúa en el extraño mundo de las partículas
subatómicas.
En el modelo del átomo de Bohr, los electrones por lo general se mantienen
firmemente en las capas asignadas que orbitan al núcleo.
La
mecánica cuántica, que explica el comportamiento de las partículas en una
escala diminuta de la forma en que la mecánica newtoniana explica el
comportamiento de sistemas más grandes, empezó con la solución rápida de los
cuantos de Planck. Es un reino al revés de lo que parecen imposibilidades y
sugerencias alucinantes.Einstein tomó en serio los cuantos. Su trabajo sobre el
efecto fotoeléctrico recurrió al uso de Planck de los cuantos, pero lo aplicó a
la luz. Einstein sugirió que un fotón podía tener suficiente energía para
arrancar un electrón de un átomo; una corriente de electrones arrancados
producía una corriente eléctrica. Su idea fue impopular al principio, ya que
desafiaba las ecuaciones de Maxwell y la sabiduría recibida de que la luz era
una onda.
Los paneles solares emplean el efecto fotoeléctrico para producir
electricidad a partir de fotones que chocan con un semiconductor.
Aquí,
por primera vez, la física se enfrentó a la dualidad onda-partícula, algo que a
veces actuaba como onda y a veces como partícula.
Niels
Bohr (1885-1962)
La
obra del físico y filósofo danés Niels Bohr fue clave para et avance de la
mecánica cuántica, convirtiendo una hipótesis poco precisa en un concepto
funcional. Mediante la física cuántica explicó la teoría de la’ estructura
atómica de Rutherford y explicó el espectro del hidrógeno. Pero nunca subestimó
las complejidades que involucraba, afirmando una vez que: "Nunca
comprendemos la física cuántica, sólo nos acostumbramos a ella". Bohr
empezó sus estudios en la Universidad de Copenhague antes de mudarse a
Inglaterra para trabajar en Cambridge y Manchester. Luego volvió a Copenhague
para fundar el Instituto de Física Teórica. En 1922 le otorgaron el Premio
Nobel de Física. Durante la -Segunda-Guerra Mundial se unió al equipo que creó
la bomba atómica. Su carrera pudo haber seguido un camino muy diferente. En
1908 estuvo a punto de ser seleccionado como portero en el equipo nacional de
fútbol de Dinamarca. La pérdida del fútbol fue la ganancia de la física.
Luz
inteligente
Fue aún más intrigante el descubrimiento de que la luz parece "saber"
cómo comportarse para complacer a los experimentadores.
El experimento de doble hendidura que produce patrones de difracción con la
luz también se puede producir esparciendo electrones, lo que muestra que
también ellos pueden comportarse como ondas.
Cuando
se diseña un experimento para poner a prueba el comportamiento de la luz como
onda, la luz actúa como onda.Cuando un experimento pone a prueba el
comportamiento de la luz como partícula, la luz se comporta como partícula. Si
un rayo de luz brilla en dos hendiduras hacia una pantalla, se produce el
modelo estándar de interferencia, con bandas oscuras y claras. Conforme la luz
se hace cada vez más débil, llega a un punto en que los fotones individuales
pasan uno a la vez a la pantalla, haciendo un destello cada vez que aparece
uno. Sin embargo, en forma colectiva, la imagen que se acumula es todavía el
diseño de interferencia. Los fotones parecen "saber" si están
abiertas una o dos hendiduras y si están abiertas dos hendiduras, todavía se forma
el borde de interferencia, sin importar la lentitud con que se disparen los
fotones a la pantalla. Cada fotón individual parece ser capaz de pasar por
ambas hendiduras al mismo tiempo. Si se cierra una hendidura, incluso después
de que un fotón ha iniciado su viaje, los fotones sólo pasan por la hendidura
abierta. Llevándolo más allá, si hay un detector en una de las hendiduras para
descubrir si el fotón ha pasado por esa hendidura o la otra, los fotones, como
si estuvieran reacios a que los atraparan, dejan de producir modelos de
interferencia (de repente actúan como partículas).
Gigantes
y sus hombros
La
física clásica empezó en serio con Newton y su "año milagroso" (annus
mirabilis) de 1666. El renacimiento de la física que dio inicio a la mecánica
cuántica comenzó con la publicación de la teoría especial de la relatividad de
Albert Einstein en 1905. Ambos científicos estaban construyendo, basados en el
trabajo de muchos científicos anteriores que habían hecho posible estos
momentos de revelación. Sus descubrimientos brillaron en los años que
siguieron.
Como
si eso no fuera bastante extraño, en 1924 el físico francés Louis-Víctor de
Broglie (1892-1957) sugirió que las partículas que forman la materia también se
pueden comportar como ondas. Esto significaría que la dualidad de
onda-partícula está en todas partes y que toda la materia tiene una longitud de
onda. En 1927, su extraña idea tuvo el apoyo de electrones que parecían actuar
como ondas y que se difractaban en la forma en que lo hace la luz. Desde
entonces, también se ha visto a partículas más grandes, protones y neutrones,
actuar como ondas.El trabajo de De Broglie fue su tesis de doctorado. En él
sugirió que los electrones eran ondas que se movían en las órbitas que se les
permitía ocupar, y los niveles de energía de las órbitas permisibles eran armónicos
de la onda, de manera que las ondas siempre se reforzaban unas a otras. Dijo
que la teoría se podía poner a prueba mostrando que una red de cristal difracta
a los electrones. Esto se demostró con éxito en 1927 mediante dos experimentos
separados, uno en Estados Unidos y otro en Escocia. Se otorgó a De Broglie y a
dos de los tres hombres que llevaron a cabo los experimentos el Premio Nobel de
Física en 1937 por su labor.La importancia del trabajo de De Broglie fue que
mostraba que la dualidad de onda-partícula se aplica a toda la materia. Su
ecuación expone que el momento de una partícula (de lo que sea), multiplicado
por su longitud de onda, es igual a la constante de Planck. Como la constante
de Planck es muy pequeña, la longitud de onda de todo lo que es más grande que
una molécula es pequeña en comparación con su tamaño real. Por ejemplo, no nos
preocuparíamos por la longitud de onda de un camión o de un tigre. Conforme
consideramos partículas más y más pequeñas, sus propiedades de onda se vuelven
más importantes.
Ondas
y partículas
La
dualidad de onda-partícula se refleja a la perfección en la historia
Otro
momento newtoniano
Que las partículas pudieran actuar en verdad como ondas no parece tan imposible
después de que Einstein explicara el poiqué en 1905.En un apéndice a su teoría
especial de la relatividad, Einstein incluyó una forma anterior (menos sucinta)
de esta ecuación, que se traduce en palabras reales como:
Energía
= masa × la velocidad de la luz al cuadrado [1]
que
en la actualidad es más familiar como
E =
mc 2
Este
es un resultado que cambia al mundo, tan importante como Principia de
Newton.La ecuación de Einstein estaba diciendo que la energía es lo
misino que la materia, pero en una forma diferente. La materia se
puede convertir en una cantidad muy grande de energía. En esto se encuentra el
fondo de la energía nuclear y de las armas nucleares, las cuales operan con la
energía que se puede liberar al meterse con los núcleos de los átomos.
Los cohetes espaciales emplean la energía nuclear para producir las enormes
cantidades de energía que necesitan.
Había
un problema fundamental con los modelos de Rutherford y Bohr del átomo que no
se podía resolver dentro del jardín amurallado de la física newtoniana. Como el
electrón tiene carga negativa, lo debe atraer el núcleo, el cual tiene carga
positiva. Debe acelerar con el fin de mantenerse en órbita, pero entonces
gastaría energía para hacerlo, emitiéndola todo el tiempo como radiación
electromagnética. Al perder energía de esta forma, el electrón pronto caería en
espiral hacia el núcleo y el átomo se colapsaría. De hecho, "pronto"
es quedarse corto, sucedería en alrededor de un diez billonésimo de segundo.La
solución a este enigma requería el aporte de muchos físicos, pero una de las
contribuciones más importantes procedió del físico teórico austriaco Erwin
Schrödinger (1887-1961).
¿Onda o partícula?
Si una partícula actúa como onda, ¿podemos decir en realidad dónde está? Esta
es la cuestión que Schrödinger planteó y trató de responder.
Albert
Einstein (1879-1955)
Einstein
nadó en Ulm, Alemania, pero también vivió en Suiza e Italia cuando era niño, ya
que las dificultades de negocios de su padre obligaron a la familia a
trasladarse a otros lados. A pesar de que después se le aclamara como genio,
Einstein no fue un estudiante prometedor. Su padre consultó con un experto
porque sospechaba que su hijo era retrasado y Einstein al principio no pudo
entrar al Politécnico en Zurich porque sus matemáticas no estaban a la altura.
No pudo conseguir un puesto académico y, por lo tanto, tomó un trabajo en la
oficina de patentes en Berna, Suiza. Resultó ser una excelente medida, ya que
era bueno en el trabajo, pero tenía suficiente tiempo y energía intelectual
para continuar su interés en la física. Fue mientras estaba en la oficina de
patentes, y estudiando física en su tiempo libre, que publicó los cinco
artículos que cambiarían al mundo, abarcando el efecto fotoeléctrico, el
movimiento browniano y la teoría especial de la relatividad. Gracias a su
investigación publicada, aseguró un puesto académico en Zúrich en 1909. Su
Premio Nobel, que le otorgaron en 1921, fue por este trabajo inicial.
Insatisfecho con las limitaciones de la teoría especial de la relatividad, que
se aplicaba sólo a cuerpos en movimiento constante y-consistente y no explicaba
la gravedad, se propuso crear una teoría de la relatividad que abarcara todo.
Encontró el trabajo más difícil de lo que esperaba. Luchó con las matemáticas,
pero al final publicó la teoría general de la relatividad en 1916. Sus teorías
de la relatividad redefinieron lo que pensamos de espacio, tiempo, materia y
energía. Cuando el astrónomo Arthur Eddington confirmó parte de la teoría de
Einstein al mostrar que la gravedad puede doblar la luz, Einstein se convirtió
en superestrella científica internacional. Einstein se trasladó a Estados
Unidos para escapar a la persecución nazi de los judíos. Pasó el resto de su
vida en Estados Unidos, con base en la Universidad de Princeton.
Aunque Einstein al principio ayudó a iniciar la investigación de las bombas
atómicas, llegó a lamentar su participación y más adelante abogó por el desarme
nuclear. También trabajó para lograr el establecimiento del estado de Israel.
Continuó trabajando como físico teórico hasta el final de su vida, luchando
pero sin poder encontrar una teoría de campo, unificando una teoría única o
grupo de teorías relacionadas que explicaran todo en el Universo. Nunca aceptó
del todo los avances en la mecánica cuántica.
Abandonó
la idea de que los electrones se movían en órbitas fijas, basándose en que con
la mecánica cuántica era imposible decir con exactitud dónde estaba el
electrón. Su conclusión es que podemos dar una probabilidad de dónde está una
partícula, basándonos en nuestro conocimiento de ondas y de probabilidad
matemática, pero no podemos dar su posición precisa. A esto se le llegó a
conocer como la ecuación de Schrödinger. Al aplicar la ecuación a los
electrones, podemos declarar que existe una probabilidad de tal vez 80-90 por
ciento de que el electrón está en un área particular, pero existe una pequeña
posibilidad de que esté en alguna otra parte. Con lo que terminamos es con una
"función de onda" que expresa la probabilidad de que la onda y la partícula
estén en un lugar particular.
Grandes físicos se reunieron en Chicago, en 1929: (desde la izquierda)
Arthur Compton, Werner Heisenberg, George Monk, Paul Dirac, Horst Echardt,
Henry Cate, Robert Mullinken, Friederich Hund y Frank Hoyt.
Si
tomamos un ejemplo más grande que un electrón, si una mosca entra a una caja
cerrada, la función de onda de la mosca da la probabilidad de que esté en algún
lugar particular de la caja. La función de onda tiende a cero en lugares donde
la mosca no puede estar. Así que si parte de la caja es demasiado angosta para
que entre la mosca, la función de onda se colapsa en ese punto (y fuera de la
caja, siempre y cuando no haya agujeros por los que pudiera escapar).
Schrödinger formuló su ecuación en 1926, sólo dos años después del trabajo
inicial de De Broglie sobre la dualidad de onda-partícula.
Werner Heisenberg, izquierda, nada con amigos. Incluso los físicos nucleares
se relajan a veces.
El
modelo de Schrödinger muestra al electrón como que está en alguna parte en una
nube de probabilidad que representa todos los lugares en que podría estar. La
nube era más densa donde era más probable que estuviera el electrón y menos
densa donde era menos probable que estuviera. Cada vez que se hace una
medición, se puede encontrar un resultado diferente. Pero si se hace
suficientes mediciones, algunas, las más probables, aparecerán con más
frecuencia que otras. Estos resultados más probables semejan los niveles de
energía que Bohr sugirió. El resultado es que el modelo de Schrödinger da
resultados precisos sin las limitaciones inherentes al modelo de Bohr. Sin
embargo, remplazar certeza con probabilidad causó confusión entre los físicos
cuánticos.Al mismo tiempo que Schrödinger estaba buscando el modelo de electrón
como onda, el físico alemán Werner Heisenberg (1901-1976) estaba haciendo su
propio modelo matemático del electrón, pero favoreció sus propiedades de
partícula mientras hacía saltos cuánticos entre orbitales. El, como
Schrödinger, publicó en 1926. El físico británico Paul Dirac (1902-84)
desarrolló un tercer modelo, más matemático y teórico al mismo tiempo. De
hecho, Dirac continuó para mostrar que los otros dos modelos, de Heisenberg y
de Schrödinger, eran en realidad equivalentes, y que los tres estaban diciendo
lo mismo en formas un poco diferentes. Los tres hombres ganaron el Premio Nobel
por sus contribuciones a la mecánica cuántica.
¿Adónde
puedo ir de aquí? el acertijo del electrón
La
totalidad de la mecánica cuántica se puede armar comenzando con el principio de
incertidumbre. Al recordar el problema original con el modelo atómico que
presentó la mecánica newtoniana, de porqué los electrones no sólo caen en el
núcleo y acaban con él, el principio de Heisenberg presenta una explicación. Si
se conoce el momento de una partícula en una órbita particular, entonces la
posición no se puede saber con precisión, está tan sólo en alguna parte de la
órbita. Sin embargo, si la partícula cayera en el núcleo, se conocería su
posición, pero también su momento, ya que sería cero. Al caer en el núcleo, el
electrón violaría el principio de incertidumbre. Es tan sólo que no se permite
hacer eso. De hecho, la órbita más pequeña en un átomo (mira la órbita del
electrón en un átomo de hidrógeno) es tan pequeña como es posible que sea sin
violar el principio de incertidumbre (las matemáticas funcionan). El tamaño de
los átomos y, de hecho, su existencia misma, están determinados por el
principio de incertidumbre.
¿Podemos
tener la certeza?
El principio de incertidumbre de Heisenberg, planteado en 1927, afirma que no
podemos saber todo sobre una partícula. Se dio cuenta de que una consecuencia
de la mecánica cuántica es que es imposible medir todos los aspectos de una
partícula al mismo tiempo. Si medimos su posición y velocidad, podemos saber
ambos bajo ciertos límites, pero aumentar la exactitud de una medición hace que
la otra sea menos cierta. El acto mismo de observar su posición hace que su
velocidad sea menos cierta.
"Cualquiera
que no quede horrorizado por la teoría cuántica no la ha
comprendido".
Niels Bohr
Es
una propiedad fundamental de la descripción cuántica de medición y no se pueden
evitar cambiando el método o herramientas de observación.Heisenberg al
principio sostuvo el principio de incertidumbre, empleando una disquisición
teórica. Por ejemplo, podemos medir la posición de una partícula en movimiento
haciendo brillar una luz en_ ella, y en ese caso se causará uno de dos
resultados. Se podría absorber un fotón de luz, causando que el electrón en el
átomo salte a otro nivel de energía, en cuyo caso hemos alterado el átomo y
nuestra medición es falsa. Por otro lado, no se absorbe el fotón, sino que pasa
a través de él, en cuyo caso no hemos hecho medición alguna.El principio de
incertidumbre se complica más si intentamos tratar la "partícula" y
el fotón como ondas-partículas. Heisenberg se dio cuenta de que el principio de
incertidumbre afectaba no sólo el presente, sino también el pasado y el futuro.
Como una posición siempre era y es sólo una colección de probabilidades,
determinar el camino de una partícula no es lo que parece. Como Heisenberg
dijo: "El camino existe sólo cuando lo observamos". De la misma
manera, no se puede predecir con certeza el camino futuro.La física newtoniana
trata con certezas* con causa y efecto un modelo determinista en el que el
conocimiento permite la predicción. La nueva mecánica cuántica apareció para
anular todo eso, al menos en el nivel atómico. Distaba mucho de ser popular en
algunos círculos; incluso Einstein desconfió, diciendo: "Dios no juega a
los dados", aunque tuvo que aceptar las matemáticas. De hecho, desde el
inicio del siglo XX, el uso de los modelos matemáticos había estado
apoderándose a ritmo constante de la física experimental que se podía poner a
prueba en el laboratorio. La disquisición teórica, apoyada por cálculos
matemáticos, se ha convertido en el pilar principal de la nueva física, en su
mayor parte teórica.
La interpretación de Copenhague
Mientras Schrödinger tendía a concentrarse en los aspectos de onda de la
dualidad de onda-partícula, Heisenberg se concentró más en la partícula.
Presentó su trabajo en forma de matrices, mientras que Schrödinger
"trabajó con la teoría de la probabilidad. En torno a estos dos enfoques
surgieron dos capos separados de físicos, cada uno pensando que el otro enfoque
estaba equivocado.En 1927, Bohr, Heisenberg y el físico nacido en Alemania, Max
Born (1882- 1970) trabajaron juntos para producir la síntesis de los aspectos
al parecer contradictorios de la teoría cuántica, a lo que se conoce como la
"Interpretación de Copenhague ". Dice que no es que las
partículas atómicas o los fotones "escojan" si actúan como onda o
partícula en algún punto, o que en realidad sean uno o el otro; en lugar de
eso, las características que hacen que parezca que actúan como uno o el otro
son dos lados de la misma moneda.Cuál vemos y cómo interpretamos su
comportamiento, depende de lo que estemos buscando y cómo los observamos. La
luz existe como onda y partícula al mismo tiempo, pero sólo aparece como una u
otra cuando la medimos. El acto de medir u observar determina el resultado por
el tipo de observación que decidamos llevar a cabo. En el punto en que la
medición se hace y la condición de onda o de partícula que se determine, se
dice que se colapsa la función de onda. En forma más precisa, en forma
instantánea y discontinua cambia a la función de onda que se asociaría con el
resultado de la medición.Bohr reconoció la importancia del principio de
incertidumbre, pero fue más allá que Heisenberg al señalar que no es un
problema que surja de la interferencia física que se relaciona con la medición,
sino un asunto más fundamental (el acto mismo de hacer una medición cambia la
situación [o sistema] que se está examinando). Esto pone en duda a toda la
premisa del método científico. No puede haber un observador objetivo si el acto
de la medición o la observación en sí afecta el resultado.
Un gato en una caja
La explicación de Bohr no convenció a todos. Schrödinger mostró su desdén al
describir una disquisición teórica para demostrar lo absurdo de la
Interpretación de Copenhague.
El gato de Schrödinger, muerto y vivo, en una caja con y sin veneno.
En
el experimento de Schrödinger, se encierra un gato en una caja con un
dispositivo que cosiste en una diminuta cantidad de sustancia radiactiva, un
contador Geiger, un pequeño frasco de ácido cianhídrico y un martillo.
Erwin Schrödinger
El
equipo está dispuesto de manera que si un átomo de la sustancia radiactiva se
desintegra, la detección de la partícula liberada causará que el martillo rompa
el frasco y el gato muera envenenado por el gas.Existe la misma posibilidad de
que un átomo se desintegre o no y el gato no puede interferir con el equipo. Se
deja al gato en la caja por una hora. Para el final de la hora, la probabilidad
es de 50:50 de que esté vivo (o muerto). De acuerdo al argumento de Bohr y de
la Interpretación de Copenhague, el estado (vivo o muerto) del gato no es algo
seguro hasta que se examinase la caja. Dijo que esto era ridículo.
Muchos universos
Otra respuesta a la idea desagradable de que todo existe en una nube de
probabilidad hasta que se observe, fue el modelo de "muchos mundos"
propuesto en 1957 por el físico estadunidense Hugh Everett III (1930-82). Este
sugiere que existe un número infinito de universos paralelos que explican todos
los posibles resultados a todas las posibles preguntas. En los puntos de toma
de decisión (o de observación), un nuevo universo se divide. Si no ayuda en
nada más, nos ayuda a aceptar el infinito. Si se tiene que dividir un nuevo
universo cada vez que escoges entre té o café, o si un renacuajo nada a la
izquierda o a la derecha, o si una rama se cae o no en un techo, deben existir
muchísimos universos en alguna parte.
Enredo cuántico: La paradoja Einstein-Podolsky-Rosen
Albert Einstein fue uno de los que no querían aceptar la Interpretación de
Copenhague. En 1935, Einstein, los físicos estadunidenses Boris Podolsky (1896-
1996) y Nathan Rosen (1-909-1-995) prepararon la llamada paradoja EPR. Supón
que una partícula estacionaria sufre desintegración, produciendo otras dos
partículas. Deben tener un momento angular igual y opuesto de manera que se
cancelen uno al otro (conservación del momento angular), y todas sus demás
propiedades cuánticas deben balancearse de la misma manera para conservar las
propiedades de la partícula madre. Este vínculo entre las partículas debe
continuar, existiendo después de que se emitieron y siguieron caminos
separados. Si medimos una propiedad de una partícula, colapsamos la función de
onda para la misma propiedad en la otra partícula (la afecta al instante y en
forma inevitable).Al igual que el gato de Schrödinger, las partículas
entrelazadas de Einstein se planearon con cuidado para mostrar lo absurdo de la
Interpretación de Copenhague, pero terminaron fortaleciéndola.
Candidatos
para ser neutrones
Dos
años antes de que Chadwick reclamara el nombre "neutrón" para su
partícula sin carga en el núcleo, el físico austríaco Wolfgang Pauli
(1900-1958) había usado el mismo nombre para una partícula teórica que sugirió
que se emitía del núcleo durante la radiación beta. Su idea tuvo tan poco
impacto en ese tiempo que Chadwick pudo robar el nombre sin problema. La
existencia de la partícula de Pauli se confirmó por fin en la década de 1950 y
en la actualidad se llama neutrino.
Se
ha demostrado ya que existe el entrelazamiento de las partículas, con
partículas separadas por muchos kilómetros. Incluso se puede dar uso práctico
al entrelazamiento, ofreciendo nuevos métodos rápidos para computar (empleando
"cu- bits" o bits cuánticos), comunicación instantánea y
criptografía. De hecho, el entrelazamiento ofrece una forma de trasmitir
información con más rapidez que la velocidad de la luz.
Frédéric Joliot e Irene Joliot-Curie trabajan en su laboratorio.
La
búsqueda de más partículas atómicas
Por largo tiempo se ha sabido que los electrones se podían sacar del átomo con
bastante facilidad, ya que así fue como se les descubrió en 1897. A principios
de la década de 1930, Walter Bothe (1891-1957), Irene Joliot-Curie (1897-1956,
hija de Marie y Pierre Curie) y su marido Frédéric Joliot- Curie (1900-58),
descubrieron que disparar radiación de partículas alfa al berilio producía otro
tipo de radiación. Este tipo de radiación era buena para sacar algo de otros elementos,
pero no quedó claro de inmediato qué cosa. Los Joliot-Curie anunciaron sus
resultados en enero de 1932. El físico inglés James Chadwick (1891-1974)
repitió los experimentos de inmediato y explicó el efecto, sugiriendo que las
partículas alfa estaban sacando "pedazos" fuera del núcleo de los
átomos de berilio.
El patrón de difracción del electrón del berilio.
Al
principio, había pensado que estos "pedazos" eran pares
protón-electrón, ya que no tenían carga eléctrica (o una carga balanceada).
James Chadwick se ganó el Premio Nobel por su trabajo con el neutrón que
llevó a cabo en febrero de 1932.
La
roca de los tiempos
En
1920, Frederick Soddy previo que la forma en que un isótopo cambia (se
desintegra) en otro isótopo o elemento tenía un uso potencial para fechar las
rocas. Este método se emplea-en forma general actualmente. Por ejemplo, el
carbono-14 cambia a nitrógeno-14 mediante la desintegración beta a una
velocidad conocida (le toma 5730 años desintegrarse a la mitad [su vida
media]). Al medir la proporción de carbono-14 y nitrógeno-14 que quedan en una
roca, es posible, en consecuencia, deducir la edad de la roca. A esta técnica
se le llama fechado por carbono.
Durante
toda la década de 1920, Chadwick había estado buscando una partícula neutra,
que esperaba que tomara la forma de un protón y un electrón, unidos. Pero su
trabajo más importante, por el que le otorgaron el Premio Nobel en 1935, fue al
final metido en unos días agotadores de febrero de 1932. Las mediciones que
hizo en 1934 anularon su primera conclusión, ya que las partículas eran
demasiado pesadas para ser un solo protón y un solo electrón unidos. Llegó a la
conclusión de que debía haber un tipo nuevo de partícula subatómica, una que no
tenía carga, a la que llamó neutrón. Esto significaba que las variantes de los
elementos químicos con diferentes pesos atómicos, llamadas isótopos, se podían
explicar en forma muy simple. Todos los isótopos de un elemento particular
debían contener el mismo número de protones y electrones, pero diferente número
de neutrones.El neutrón es como una superestrella atómica. Hace posible las
reacciones en cadena que impulsan las estaciones de energía nuclear y las
bombas atómicas, y también se puede emplear para investigar la estructura de
otros átomos, ya que los neutrones no se desvían por cargas positivas o
negativas.
Mantenerse unido
Protones y neutrones están muy apretados en el núcleo, el cual ocupa sólo una
diminuta proporción de todo el átomo (más o menos un cienmilésimo de él). Si el
átomo fuera del diámetro de un estadio de fútbol, el núcleo sería del tamaño de
un grano de arena. Si el átomo fiera tan grande como la Tierra, el núcleo sería
de 10 kilómetros de diámetro. Sin embargo, los protones deben repelerse entre
sí por sus cargas similares. Entonces, ¿cómo pueden mantenerse comprimidos unos
con otros en el núcleo de un átomo? La explicación es la llamada fuerza nuclear
fuerte, sugerida por primera vez en 1934 por el físico japonés Hideki Yukawa
(1907-1981). Sugirió queda fuerza era transportada por partículas llamadas
mesones que se intercambian entre protones y neutrones. Los mesones son
partículas de vida corta que sobreviven sólo por unos cienmillonésimos de segundo.A
diferencia de la gravedad, y de las fuerzas eléctrica y magnética, la fuerza
nuclear fuerte no sigue la ley del inverso del cuadrado. Es muy fuerte, cien
veces más que la fuerza eléctrica, a una distancia muy corta de hasta 13
centímetros, pero a partir de ese momento desaparece del todo, no tiene fuerza
a distancias más grandes. En el radio de un núcleo es lo bastante fuerte para
superar la repulsión electrostática entre protones. A pesar de todo, la fuerza
nuclear fuerte no los presiona tanto como para que se compriman entre sí
(retiene una diminuta distancia entre ellos). La esfera de acción de la fuerza
limita el tamaño de los núcleos atómicos. Al pi mesón, o pión, el verdadero
mediador de la fuerza nuclear, lo descubrieron en 1947 un físico británico,
otro brasileño y un italiano, Cecil Powell (1903-1969), César Latter
(1924-2005), y Giuseppe Occhialini (1907-1993), mientras investigaban productos
de los rayos cósmicos. Yukawa recibió el Premio Nobel de física en 1949 por su
predicción.
§. Todo se hace pedazos
Mientras muchos físicos estaban buscando cómo los átomos se mantienen unidos,
otros estaban explorando cómo los átomos se hacen pedazos.
Planta de energía nuclear en Cattenom, Francia.
Después
de que Henri Becquerel descubrió la radiactividad, investigaciones posteriores
se realizaron en diversas direcciones. Rutherford y el radioquímico inglés
Frederick Soddy (1877-1956), trabajando juntos elaboraron un modelo de
desintegración radiactiva en 1903. Explicaron que un átomo de un elemento
pesado podía ser inestable y desintegrarse perdiendo una partícula alfa (núcleo
de helio) o tener desintegración de neutrón en protón y emitir una partícula
beta (electrón). En ambos casos, cambia el número de protones en el núcleo, así
que el átomo se convierte en un elemento diferente.
Cadena
de desintegración radiactiva del uranio-238
Cuando
se desintegra un isótopo radiactivo, se convierte en otro elemento y el núclido
hija. También puede ser radiactivo, lo que tiene como resultado más
desintegración. El tiempo que le toma a la mitad del isótopo desintegrarse se
llama "vida media". El uranio-238 se desintegra naturalmente en
plomo-206, pasando por 14 etapas como se muestra aquí.
|
Elemento |
Tipo de |
Vida media |
Núdido hija |
|
uranio-238 |
emisión alfa |
4470 millones de años |
torio-234 |
|
torio-234 |
emisión beta |
24 días |
protactinio-234 |
|
protactinio-234 |
emisión beta |
1.2 minutos |
uranio-234 |
|
uranio-234 |
emisión alfa |
240 000 años |
torio-230 |
|
torio-230 |
emisión alfa |
77 000 años |
radio-226 |
|
radio-226 |
emisión alfa |
1 600 años |
radón-222 |
|
radón-222 |
emisión alfa |
3.8 días |
polonio-218 |
|
polonio-218 |
emisión alfa |
3.1 minutos |
plomo-214 |
|
plomo-214 |
emisión beta |
27 minutos |
bismuto-214 |
|
bismuto-214 |
emisión beta |
20 minutos |
polonio-214 |
|
Polonio-214 |
emisión alfa |
160 microsegundos |
plomo-210 |
|
plomo-210 |
emisión beta |
22 años |
bismuto-210 |
|
bismuto-210 |
emisión beta |
5 días |
polonio-210 |
|
polonio-210 |
emisión alfa |
140 días |
plomo-206 |
Predijeron
que la desintegración del radio produciría helio, resultado que Soddy logró en
1903, mientras trabajaba con el químico escocés sir William Ramsay (1852-1916)
en Londres.
"En
estos procesos podríamos obtener mucha más energía de la que suministraba el
protón, pero en promedio no podemos esperar obtener energía de esta forma. Era
una manera muy pobre e ineficiente de producir energía, y cualquiera que
buscara una fuente de energía en la transformación de los átomos estaba
diciendo tonterías. Pero el tema era interesante en el aspecto científico, ya
que proporcionaba conocimientos de los átomos".
The Times, 12 de septiembre de 1933, discurso de Ernest Rutherford sobre la
energía atómica
En
1913, Soddy declaró que emitir una partícula alfa reducía el número atómico por
dos (ya que se perdían dos protones), mientras que emitir una partícula beta lo
aumentaba en uno (cuando un neutrón se descompone en un electrón, que se
pierde, y un protón, el cual se queda, aumentando el número atómico).
Enrico Fermi
Soddy
presentó el nombre "isótopos" para describir variantes de un elemento
con diferentes masas atómicas.En 1919, Rutherford encontró que al bombardear
nitrógeno con partículas alfa, se convertía en un isótopo de oxígeno, perdiendo
un núcleo de hidrógeno (un solo protón) en el proceso. Fue la primera
transmutación artificial de un elemento, el torio, una meta que era apreciada
por alquimistas durante todos los siglos, aunque con el objetivo más ambicioso
de cambiar metales comunes en oro. Más que el primer paso en un nuevo mundo de
alquimia, fue el primer paso en el reino de la física nuclear.Entre 1920 y
1924, Rutherford y Chadwick demostraron que la mayoría de los —elementos más
ligeros emiten protones si se les lanzan partículas alfa.
Aprovechamiento de la reacción en cadena
La transformación de un elemento en otro se puede iniciar en forma artificial y
puede ser la fuente de una inmensa fuerza. La energía liberada en la detonación
de una bomba atómica, o aprovechada en una estación de energía nuclear, procede
de una reacción nuclear en cadena, donde las partículas emitidas por un átomo
en desintegración se emplean para iniciar otra.
La reacción en cadena producida por la desintegración del uranio-235,
inducida por bombardeo con neutrones
Irene
y Frédéric Joliot-Curie descubrieron la radiactividad inducida en 1934;
descubrieron que al lanzar algunos elementos con partículas alfa, podían
convertirlos en isótopos radiactivos inestables que luego se desintegrarían. El
físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) extendió su investigación, empleando
neutrones lentos para producir radiactividad inducida más efectiva. Al lanzar
neutrones al uranio, Fermi pensó que había creado un nuevo elemento, al que
llamó hesperium. Sin embargo, en 1938, un grupo de cuatro
científicos alemanes y austríacos descubrió que, de hecho, la técnica de Fermi
había dividido los núcleos de uranio en dos partes más o menos iguales. Este
proceso es la fisión nuclear.
El físico húngaro Leó Szilárd (1898- 1964) se dio cuenta de que los neutrones
liberados por una reacción de fisión nuclear se podían emplear para
desencadenar la misma reacción en otros átomos, lo que conduciría a una
reacción en cadena auto-sustentable. Szilárd estaba en Londres cuando lo
indignó un artículo en The Times que descartaba la posibilidad
presentada por Rutherford de que la energía dentro de los átomos se podía
aprovechar para usos prácticos.
El primer reactor nuclear del mundo se vuelve auto-sostenible en Chicago,
1942 (no hubo fotógrafos presentes)
El
mundo se libera… o no
Leó
Szilárd se inspiró en una novela del escritor británico H. G. Wells, llamada El
mundo se libera (1914), en la cual un nuevo tipo de arma, una "bomba
atómica", causó devastación. Las bombas atómicas ficticias de Wells
continuaron explotando durante un periodo de días. Esto llevó a Szilárd a
empezar a considerar las reacciones en cadena nucleares para hacer una
verdadera bomba atómica. Szilárd se trasladó a Estados Unidos en 1938 y un año
después persuadió a Albert Einstein a unírsele para escribir al presidente de
Estados Unidos, Franklin D. Roosevelt, alentado a su gobierno a establecer un
programa de investigación para crear una bomba atómica que contrarrestara el
riesgo de que la Alemania nazi creara primero armas nucleares. Se convirtió en
el Proyecto Manhattan. Szilárd imaginaba el proyecto como una forma de proteger
al mundo de la destrucción descrita por Wells, ya que esperaba que se tendría a
la bomba como amenaza y no se usaría en realidad. Se sintió cada vez más
angustiado cuando el control de la investigación pasó a los militares y pidió
que se hiciera una prueba de muestra de una bomba atómica para demostrar su
poder a los japoneses con el fin de garantizar la rendición sin pérdida de
vidas, sugerencia que re- | chazó el gobierno de Estados Unidos, Se lanzaron
bombas atómicas a las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki en 1945,
causando gran devastación y muchas miles de muertes, Después de la guerra,
Szilárd predijo el estancamiento nuclear que caracterizaría la Guerra Fría.
Dejó la física para concentrarse en la investigación de la biología molecular.
Mientras
caminaba al trabajo en el Hospital San Bartolomé y esperaba que las luces de
tráfico cambiaran en Southampton Row, en Bloomsbury, Szilárd dedujo cómo podría
funcionar una reacción en cadena nuclear. Presentó una patente para ella el
siguiente año.
"Encendimos
el contacto y vimos los destellos. Los vimos por un rato y luego apagamos todo
y nos fuimos a casa. Esa noche tenía pocas dudas en mente de que el mundo
estaba encaminado a sufrir".
Leó Szilárd, al comenzar con éxito una reacción en cadena, empleando uranio en
la Universidad de Columbia, Manhattan, en 1938
De
hecho, Szilárd al principio tenía las patentes para la reacción en cadena y
para el reactor nuclear (con Enrico Fermi), aunque entregó la patente para las
reacciones de cadena nuclear al almirantazgo británico en 1936. Szilárd fue un
promotor en el desarrollo de la bomba atómica (ver cuadro).Frédéric
Joliot-Curie produjo evidencia experimental para la reacción en cadena en 1939,
y científicos en muchos países (incluyendo Estados Unidos, Reino Unido,
Francia, Alemania y Unión Soviética) pidieron a gritos dinero para investigar
la fusión nuclear. El primer reactor nuclear en activarse fue Chicago Pile-1,
en diciembre de 1942, construido para producir plutonio para usarlo en armas
nucleares.
Detonación de bombas atómicas sobre Hiroshima (izquierda) y Nagasaki
(derecha) en agosto de 1945.
§.
El final del átomo clásico
En ese momento, con el modelo de Bohr, era imposible explicar el comportamiento
del átomo en términos de física clásica. El diminuto núcleo contiene los
protones y los neutrones, mantenidos unidos mediante la fuerza nuclear fuerte;
los electrones pasan zumbando a su alrededor en sus capas designadas, nunca
alejándose de su órbita, pero son capaces de brincar de una a otra en las
circunstancias correctas. Lo que los antiguos hubieran encontrado difícil de
comprender no era que el átomo constara de electrones, protones y neutrones,
sino que los protones y los neutrones a su vez se pudieran fragmentar más. La
segunda mitad del siglo XX vio el descubrimiento de los quarks, que se
mantenían unidos por una fuerza mediada por gluones. Es curioso que sea la
fuerza nuclear fuerte la misma fuerza responsable de unir a protones y
neutrones. De hecho, dicha unión es como un efecto residual. La fuerza nuclear
fuerte que actúa en los quarks es, en general, más interesante. En lugar de disminuir
con la distancia, las fuerzas se hacen más poderosas hasta que llegan a un
máximo que ejerce a todas las distancias considerablemente mayores que el
tamaño de un protón o neutrón. Los gluones se detectaron por primera vez en
1979, empleando el colisionador de electrones y positrones PETRA, en
Alemania.Protones y neutrones son ejemplos de hadrones, todos los cuales están
formados por tres quarks (bariones) o un quark y un anti-quark (mesones).
Experimentos en el Centro del Acelerador Lineal de Stamford en 1968 revelaron
que el protón no es indivisible, sino que consta de objetos más pequeños como
puntos a los que Richard Feynman llamó "partones". Se propuso el
modelo del quark en 1964, pero los partones no se identificaron con los quarks
de inmediato. Los quarks vienen en seis sabores: "arriba",
"abajo", "cima", "fondo", "extraño" y
"encantado" (a veces a "cima" y "fondo" se les
llama "verdad" y "belleza"). Los quarks de antimateria (los
anti- quarks tienen antisabores, lo que da lugar a conceptos extraños como el
quark "antiextraño" y el quark "antiarriba"). En la vida
normal se les podría llamar "mundano" y "abajo", pero en el
extraño mundo de los quarks, "abajo" no es lo mismo que
antiarriba".Pero protones y neutrones son bariones y son los únicos
hadrones estables, aunque los neutrones sólo son estables dentro del núcleo de
un átomo. Existen alrededor de 40 tipos conocidos o predichos de barión y
alrededor de 50 tipos conocidos o predichos de mesón. Tienen nombres extraños,
como "Omega fondo de doble carga" (un barión de masa o duración
desconocidos). Algunos son de vida muy corta (si es que siquiera existen), como
el barión delta, que dura sólo 5.58×10-24 segundos. (Eso
significa que tomaría alrededor de 30 veces tantas partículas delta como hay
estrellas en el Universo para durar un solo segundo). Los primeros mesones que
se descubrieron fueron los kaones y los piones, que se encontraron en rayos cósmicos
en 1947.El gran número de partículas subatómicas está más allá del alcance de
este libro, pero baste decir que existen muchos que todavía están sin descubrir
o demostrar, algunos con propiedades y funciones desconocidas.
Materia y antimateria
En 1927, Paul Dirac publicó una ecuación de onda definitiva del electrón que
tomaba en cuenta los requisitos de la teoría especial de la relatividad. Sin
embargo, es sorprendente que tuviera dos soluciones; una describía al conocido
electrón y la otra, algo equivalente al electrón, pero con carga positiva. Al
principio, Dirac trató de ajustarla al protón, pero tenía demasiada masa. Otros
investigadores sugirieron que si se emplea suficiente energía, se podrían crear
un par de partículas con carga eléctrica opuesta, pero con masa idéntica. En
1932 y 1933, Cari Anderson encontró indicios de una partícula de carga positiva
como predijo Dirac. La llamó positrón. Otros la reconocieron como la primera
partícula de antimateria en ser descubierta. Desde entonces se ha encontrado
una aplicación práctica para el positrón en una técnica de formación de
imágenes médicas llamada tomografía de emisión de positrones. Ahora sabemos que
todas las partículas tienen partículas de antimateria con las que se combinan y
que tienen exactamente las propiedades opuestas.
Partículas fantasmas
Una de las partículas más fascinantes y escurridizas es el neutrino, sugerido
por primera vez por Wolfgang Pauli en 1930. Lo necesitaba para balancear una
ecuación.
El
quark de un pato
¡Tres
quarks para Muster Mark!
Seguro
que no es mucho lo que grita
Y
seguro que cualquier grito que dé, está errado.
Cuando
se desintegra el núcleo de un átomo radiactivo, la energía liberada debe ser
igual a la que estaba presente al inicio. Pero Pauli descubrió que no era así.
Se estaba perdiendo más energía de la que se podía medir, lo que significaba
que se estaba emitiendo algo que no estaban captando los detectores. Pauli se
daba cuenta que durante la desintegración beta los electrones emitidos podían
tener al parecer cualquier cantidad de energía hasta un máximo para cada tipo
particular de núcleo. Pero si esto era en realidad así, violaría la ley de la
conservación de la energía. La solución radical de Pauli iba a sugerir la
existencia de otra partícula sin carga que no se cuantificaba y que podía
transportar cualquier cantidad de energía cinética hasta un máximo
prestablecido. Llamó neutrón a su partícula potencial, aunque dos años después
Chadwick tomaría este nombre para la partícula que en la actualidad conocemos
como neutrón.En 1933, Enrico Fermi presentó el nombre "neutrino" para
la partícula misteriosa de Pauli. Fermi sugirió que un neutrón se desintegra en
un protón y un electrón (lo que también hace si se le saca del núcleo atómico)
y también un nuevo tipo de partícula sin carga, el neutrino.
Luego se emitía el neutrino junto con un electrón durante la desintegración
beta.Los neutrinos siguieron siendo teóricos hasta que los físicos
estadunidenses Frederick Reines (1918-1998) y Clyde Cowan (1919-1974) los
detectaron en 1953. Emplearon grandes tanques de agua cerca de un reactor
nuclear como "colectores de neutrinos". Calcularon que el reactor
estaría produciendo diez mil billones de neutrinos por segundo y lograron
seguir la pista a tres por hora. Es claro que muchos escapaban, pero los pocos
que encontraron proporcionaron la tan necesaria prueba de que los neutrinos en
verdad existen.Los neutrinos tienen masa insignificante y ninguna carga, y por
eso pasan a través de todo lo que encuentran sin trabas. De hecho, si se
disparara un rayo de neutrinos a una pared de plomo de 3000 años luz de
espesor, la mitad pasaría sin que los detuviera. Existen neutrinos que quedaron
del Big Bang, neutrinos emitidos por el Sol y que surgen en corrientes de
estrellas que explotan. De hecho, alrededor de 100 mil billones de neutrinos
pasan por tu cuerpo cada segundo. Los átomos son en su mayor parte espacio
vacío (recuerda que el núcleo es un grano de arena en un estadio de fútbol).
Por lo tanto, existe gran cantidad de espacio para que los neutrinos pasen a
través de todo y como no tienen carga, no los desvían, ni los distraen los
electrones o los protones.
Murray Gell-Mann dio el nombre a los quarks
Más
o menos diez años después de que se descubriera el primer neutrino, se instaló
un detector de neutrinos especializado en una mina de oro en Dakota del Sur. El
detector constaba de un vasto tanque lleno con fluido para lavado en seco rico
en cloro. Cuando un neutrino choca con un átomo de cloro, crea argón
radiactivo, que revelaría alrededor de 15 átomos de argón, lo que muestra que
15 neutrinos chocaron con átomos de cloro en ese tiempo. El detector se empleó
en forma continua por más de 30 años.En la actualidad existen muchos más
detectores de neutrinos construidos a gran profundidad de la Tierra, algunos en
viejas minas, otros bajo el océano e incluso bajo el hielo antártico. No es
problema que los neutrinos lleguen a los detectores, pero el revestimiento
impide que los científicos los confundan con rayos cósmicos (partículas más
grandes que detienen la materia intermedia). El detector de neutrinos Super-K,
en Japón, emplea 50 000 toneladas de agua en un tanque abovedado con 13 000
sensores de luz. Los sensores detectan un destello azul siempre que un neutrino
choca con un átomo en el agua y crea un electrón. Al seguir la pista al camino
exacto que toma el electrón a través del agua, los físicos pueden determinar la
dirección en que llegó el neutrino y, en consecuencia, deducir su fuente. La
mayoría procede del Sol. En 2001, los físicos descubrieron que los neutrinos se
presentan en tres "sabores".
"He
hecho algo muy malo hoy al proponer una partícula que no se puede detectar. Es
algo que un teórico no debería hacer jamás"
Wolfgang Pauli, diario, 1930
El detector MINOS (Inyector Principal de Búsqueda de Oscilación de
Neutrinos) en la mina subterránea del Parque Estatal de Soudan, Minnesota,
empleado para investigar neutrinos
Existen
muchos más tipos de lo que se habían dado cuenta, pero sólo han estado
descubriendo a los que crean electrones cuando interactúan con la materia.
Una
ruta indirecta
El
Experimento de Neutrinos de Tritio de Karlsruhe (KA- TRIN), que será utilizado
para calcular la masa de un neutrino, se construyó a 400 kilómetros de
Karlsruhe, Alemania, donde operará. Sin embargo, era demasiado grande para
transportarlo por caminos angostos, así que lo llevaron en bote por el río
Danubio, hacia el Mar Negro, por el Mediterráneo, alrededor de España, por el
canal de la Mancha, y por el Rin, a Leopoldshafen, Alemania, donde luego
continuó por carretera. El viaje tomó dos meses y se recorrieron 9000 km.
El
descubrimiento de sabores tiene una implicación más (significa que los
neutrinos tienen masa). Un detector para medir la masa de un neutrino entrará
en operación en Alemania en 2012.El trabajo de Feynman sobre el spin y la
rotación de los electrones tuvo su origen al ver un plato que giraba y
reflexionar sobre la "oscilación" mientras observaba el
diseño."Mientras estaba almorzando, un chico lanzó un plato al aire en la
cafetería. El plato tenía un medallón azul, el símbolo de la Universidad de
Cornell; mientras subía y luego caía, lo azul daba vueltas y me pareció que lo
azul giraba a más velocidad que la oscilación del plato y me pregunté cuál era
la relación entre los dos. Sólo estaba jugando, no le di importancia, pero
después me entretuve con las ecuaciones del movimiento de lo que giraba y
descubrí que si la oscilación era pequeña, lo azul giraba con el doble de
rapidez que el movimiento oscilatorio.
Richard
Feynman (1918-1988)
Nacido
en Nueva York, a Feynman lo introdujo a corta edad a la ciencia su padre, el
cual hacía uniformes como carrera, pero estaba interesado en la ciencia y la
lógica. Feynman estudió en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y en
Princeton antes de trabajar en el Proyecto Manhattan para crear la bomba
atómica durante la Segunda Guerra Mundial. Más adelante se unió al Instituto de
Tecnología de California. Feynman fue un conferencista carismático y popular
con variados pasatiempos e intereses, incluyendo tocar bongos en un bar
nudista. Elaboró la teoría matemática de la física de partículas y demostró que
la interacción entre electrones (o positrones) se puede considerar en términos
de electrones que intercambian fotones virtuales y mostró estas interacciones
en forma de "diagramas de Feynman". Como es bien sabido, tenía una
camioneta decorada con diagramas de Feynman, la cual todavía existe en una
cochera en California. También fue pionero de la computación cuántica y
presentó el concepto de nanotecnología. Niels Bohr buscó a Feynman para
discusiones personales de física porque todos los demás estaban tan intimidados
por Bohr que no podían contradecirlo o señalar fallas en sus argumentos.
"Comencé
a jugar con esta rotación, lo que me llevó a un problema parecido al de la
rotación de un electrón según la ecuación de Dirac, y esto simplemente volvió a
llevarme a la electrodinámica cuántica, que era el problema en el que había
estado trabajando. Esta vez continué jugando relajadamente, como había hecho al
principio, y fue exactamente igual que quitarle el corcho a una botella: todo
salió a raudales y en muy poco tiempo solucioné aquellas cosas por las que
luego gané el Premio Nobel".
Diagramas de Feynman de: (1) interacción de neutrino con materia con
corriente cargada, (2) interacción de neutrino con materia con corriente
neutra, (3) proceso de dispersión, y (4) desintegración de neutrón
La
última partícula perdida
Se tenía una teoría de antimateria y neutrinos antes de que los encontraran. En
la actualidad continúa la cacería de otra partícula teórica, el bosón de Higgs.
A veces llamado la "partícula de Dios", el bosón de Higgs es la
última partícula en el llamado Modelo Estándar del mundo físico que todavía se
tiene que encontrar. El bosón de Higgs no tiene que existir en todos los
modelos de la física, y en algunos modelos puede haber más de un tipo de bosón
de Higgs. Descubrir si existe o no la partícula ayudará a los científicos a
decidir cuál de los modelos sugeridos es más probable que sea correcto. Se
piensa que el bosón de Higgs es un componente del campo Higgs.
Túnel del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN.
Pasar
por el campo Higgs confiere masa a las partículas. Si existe el bosón de Higgs,
es parte integral de la materia y está presente en todas partes. La primera
descripción completa de la partícula la presentó Peter Higgs en 1966.
Renombrar
lo inexistente
Muchos
científicos se oponen al popular término "partícula de Dios" para el
bosón de Higgs. La sugerencia más popular en una competencia para renombrarla
en \ 2009 fue el "bosón de botella de champaña", pero otras opciones
fueron "mastodonte", "misterión" e "inexistente"
La
búsqueda del bosón de Higgs requiere el uso de colisionadores de gran
envergadura, como el Gran Colisionador de Hadrones en el Cern, en Suiza, y
Tevatrón en el Fermilab, en Estados Unidos. Existen varias formas para que un
colisionador de hadrones produzca un bosón de Higgs al aplastar entre sí
protones a altas velocidades.
Partículas de las estrellas
Los grandes colisionadores de hadrones tratan de emular las condiciones que
existieron cerca del principio mismo del Universo, con partículas que se unían
por la fuerza bajo una inmensa presión. El hecho de que tengamos al menos una
idea de qué pudo haber sucedido cerca del inicio del Universo es resultado de
miles de años de observar y hacer teorías sobre las estrellas y el espacio,
actividad que sin duda empezó antes de la historia escrita, cuando uno de
nuestros ancestros más antiguos observaba maravillado el cielo y creaba
historias para explicar lo que veía.
Capítulo 6
Alcanzar las estrellas
La Vía Láctea, nuestro hogar en el Universo, es sólo una de cientos de miles
de millones de galaxias
Contenido:
§.
Estrellas y piedras
§. De observar a pensar
§. La tierra se mueve... de nuevo
§. Lo invisible se hace visible
§. Galileo, amo del Universo
§. Catalogar los cielos
§. Lejos, muy lejos
§. La vida secreta de las estrellas
Es
imposible saber cuándo los humanos levantaron la mirada a las estrellas y se
hicieron preguntas sobre ellas. Algunos se inspiraron para ver imágenes,
constelaciones, en el patrón de las más o menos 4000 estrellas visibles a
simple vista, y entonces debió ser un pequeño paso el que los llevó a inventar
historias que acompañaran las imágenes. Algunas de esas historias se volvieron
la base de creencias religiosas y trataban de explicar lo inexplicable: El
origen del mundo, la razón de las estaciones, el movimiento de las estrellas y
los planetas por el cielo. Parece que otras personas se inspiraron para buscar
explicaciones más racionales. Observaron, contaron, midieron y al final,
hicieron predicciones. Sin duda pusieron a prueba y refinaron sus predicciones
conforme el paso del tiempo presentaba problemas para sus modelos. Estos
primeros astrónomos fueron los primeros científicos. No tenían conflictos con
las tradiciones religiosas de sus culturas, sino que trabajaban de la mano con
ellas, prediciendo el movimiento de los cuerpos celestes para producir
calendarios con aplicaciones religiosas, además de prácticas.
Existen 3000 piedras erguidas prehistóricas en Cornac, Francia.
§.
Estrellas y piedras
Algunas de las estructuras humanas más antiguas muestran evidencia de la
cuidadosa observación del movimiento de la luna, las estrellas y los planetas
en el cielo. Las 3000 piedras de Carnac, en Francia, se remontan al 4500-3300
a.C., y pueden tener un significado astronómico. El círculo de rocas erguidas
en Stonehenge, en el sur de Inglaterra, pudo haber servido como observatorio
celestial: El sol de mitad del verano se eleva en alineación aproximada con el
eje central de Stonehenge. La precesión de la Tierra (la forma en que nuestro
planeta oscila en su eje mientras gira) significa que Stonehenge pudo haber
estado alineado con menor exactitud hace 4000 años de lo que está en la
actualidad, pero de todos modos pudo haber proporcionado datos astronómicos lo
bastante exactos para propósitos de agricultura y de veneración. Otros
investigadores han encontrado alineaciones mucho más precisas con diferentes
movimientos celestiales, incluyendo la luna y los planetas, y han sugerido que
Stonehenge es el resultado de décadas o incluso siglos de observación
astronómica.
Stonehenge, en Salisbury, Inglaterra, pudo tener usos astronómicos en
tiempos prehistóricos.
Las
Grandes Pirámides en Giza, Egipto, están alineadas con más precisión.
Completadas en alrededor de 2680 a.C., los cuatro lados de las tres pirámides
están orientados astronómicamente Norte Sur y Este Oeste a una pequeña fracción
de un grado. Las posiciones de las pirámides pueden reflejar a las estrellas
centrales de la constelación de Orión, mientras que otras pirámides tal vez
correspondan a otras estrellas en Orión, y el Nilo puede corresponder a la Vía
Láctea. La representación más antigua de astronomía del Antiguo Egipto que es
segura es el techo de la tumba de Senenmut, arquitecto en jefe y astrónomo
durante el gobierno de la reina Hatshepsut (aprox. 1473-1458 d.C.).
Varias construcciones que hicieron los pueblos mayas en Centroamérica están
alineadas con el cúmulo estelar de las Pléyades y Aldhibain (una estrella en la
constelación de Draco).
Las Grandes Pirámides de Giza, Egipto, parecen estar alineadas con las
estrellas y los puntos de la brújula.
Primeros
observadores de estrellas
No existen registros contemporáneos que apoyen un uso o correlación astronómica
para Stonehenge y las pirámides, pero los astrónomos más antiguos que sí
dejaron registros se remontan más o menos al mismo periodo. Los astrónomos
chinos empezaron a observar el cielo empleando observatorios construidos a
propósito desde alrededor de 2300 a.C. El primer informe de un cometa se
registró en 2296 a.C., de una lluvia de meteoros en 2133 a.C., y de un eclipse
solar en 2136 a.C. La astronomía china sirvió a la astrología, ya que los
astrólogos necesitaban predecir eclipses y otros fenómenos celestiales con el
fin de escoger momentos propicios para escenificar eventos reales y batallas, y
predecir el futuro éxito y salud del emperador. Fallar podía ser fatal (se sabe
de al menos dos astrónomos que fueron decapitados en 2300 a.C. por hacer
predicciones inexactas de un eclipse solar). Una tumba en Xishuipo, provincia
Henan, que se remonta a unos 6000 años, contenía conchas de almeja y huesos que
formaban las imágenes de tres constelaciones de la astronomía china, el Dragón
Azul, el Tigre Blanco y el Mirlo Acuático. También sobreviven huesos de oráculo
de 3200 años de antigüedad que tienen los nombres de estrellas relacionadas con
las 28 mansiones lunares. Los chinos creían que las alineaciones en los cielos
indicaban o predecían eventos en la Tierra. Desde el siglo XVI a.C., hasta el
final del siglo XIX d.C., casi toda dinastía nombró oficiales para observar y
registrar eventos y cambios astronómicos, dejando un registro invaluable para
los historiadores de astronomía de la actualidad.El Creciente Fértil de
Mesopotamia (ahora Irak) fue hogar de varias civilizaciones antiguas, empezando
con los súmenos en alrededor de 2600 a.C. Entre decenas de miles de tabletas de
arcilla sumerias que se remontan a 2400 a.C., se encuentra el almanaque más
antiguo de los granjeros, el cual explica cuándo sembrar y recoger las
cosechas.Los babilonios ocuparon el área en alrededor de 1600 a.C. Sus astrónomos
tenían apoyo del Estado para actividades como elaborar calendarios y hacer
predicciones astrológicas. Compilaron catálogos de estrellas, y empezaron a
llevar registros a largo plazo de los movimientos planetarios de los eclipses
solares y lunares que los ayudaron a hacer predicciones aproximadas de los
eclipses.
Las constelaciones chinas Dragón Azul y Tigre Blanco ilustradas en fichas.
Parece
que descubrieron el ciclo de 223 meses de los eclipses lunares. Para 800 a.C.,
habían fijado las ubicaciones de Venus, Júpiter y Marte en relación con las
estrellas, y registraron el aparente movimiento retrógrado (hacia atrás) de los
planetas.Los babilonios elaboraron un calendario de doce meses con un mes trece
de bonificación excepcional que se añadía en ocasiones para mantenerlo
constante. En algunas partes de Babilonia, también había una semana de siete
días. Los babilonios también dividían el círculo en 360 grados, y de esto
derivaron una división del día en doce "kaspu", durante los cuales el
sol recorría 30 grados del cielo. Empleaban el arco de un grado como unidad
para medir espacio angular.
El mapa estelar chino Dunhuang, creado en 700 d. C.
Tener
un sistema para medir ángulos permitió a los astrónomos babilonios medir el
movimiento retrógrado de los planetas. Con los registros conservados en
tabletas de arcilla durante siglos, podían predecir las posiciones planetarias
y los movimientos retrógrados, incluso sin comprender cómo o por qué tenían
lugar los movimientos. No intentaron encontrar explicaciones o modelos
científicos, ya que sus predicciones servían sólo a propósitos prácticos y
religiosos.
§. De observar a pensar
Mientras que los astrónomos chinos, sumerios y babilonios eran minuciosos al
registrar las estrellas y los eventos, los antiguos griegos siguieron un
enfoque más teórico y científico, intentando explicar y hacer modelos del
comportamiento de los cuerpos celestiales.Más o menos en 500 a.C., Pitágoras
sugirió que el mundo es un globo, en lugar de ser plano, y en el siglo V a.C.
Anaxágoras propuso que el Sol es una roca muy caliente y que la Luna es un
trozo de la Tierra. En 270 a.C., Aristarco dijo que la Tierra gira alrededor del
Sol. Antes, la gente creía que la Tierra era el centro alrededor del cual
giraban la Luna, el Sol, los planetas y las estrellas. Aristarco hizo el primer
cálculo del tamaño del Sol y la Luna, y de su distancia a la Tierra, y llegó a
la conclusión de que al ser el Sol mucho más grande que la Tierra es
relativamente improbable que el Sol sea el cuerpo subordinado, en órbita
alrededor de la Tierra.
"Entonces,
parece más probable que el ecuador del globo terrestre, en un solo segundo (es
decir, en alrededor del tiempo en que alguien que camina con rapidez será capaz
de avanzar un solo paso), pueda lograr un cuarto de milla británica (de la que sesenta
igualan un grado de | un gran círculo de la Tierra), o que el ecuador del
primus mobile en el mismo tiempo viaje cinco mil millas con celeridad
indescriptible, más rápido que las alas del rayo, si es que mantienen la verdad
que en especial ataca al | movimiento de la Tierra".
Edward Wright, en la introducción a De magnete de William Gilbert (1600), al
explicar por qué es más probable que la Tierra gire en su eje a que el Sol gire
alrededor de la Tierra cada 24 horas
Trabajando
con el tiempo que se requería para que tuviera lugar un eclipse lunar,
Aristarco calculó la distancia de la Tierra a la Luna en alrededor de 60 veces
el radio de la Tierra, lo cual se ajusta a la cifra moderna. Decidió que el Sol
está diecinueve ve ces más lejos de la Tierra de lo que está la Luna, y
alrededor de diez veces el diámetro de la Tierra, aunque no estuvo tan exacto
con estas cifras. Por desgracia, los contemporáneos no aceptaron las
conclusiones de Aristarco. Un argumento fue que si la Tierra se movía alrededor
del Sol, a veces estaría mucho más lejos de las estrellas y su tamaño parecería
variar. Por supuesto, es un hecho que la Tierra está tan lejos de las estrellas
que la distancia a la Tierra es diminuta en comparación, y no hace diferencia
para el tamaño aparente de las estrellas, pero en lo demás es un punto
razonable. Esas distancias eran inconcebibles en ese tiempo y se rechazó el
modelo de Aristarco. Pasarían 1800 años antes de que se le favoreciera de
nuevo.
Hiparco: ¿El mayor astrónomo de la Antigüedad?
El astrónomo griego Hiparco nació en Nicea, en aprox. 190
a.C., pero pasó la mayor parte de su vida en Rodas. Se le ha llamado el mayor
astrónomo de la Antigüedad, aunque sobrevive muy poco de sus obras. Lo
conocemos en su mayor parte gracias al Almagest (Almagesto) de
Ptolomeo. Se inspiró en el trabajo de astrónomos babilónicos, creando un puente
entre los eruditos babilónicos y griegos en el campo y al parecer empleando
algunos de sus métodos, así como los datos reunidos.
Hiparco con la esfera armilar que inventó
Hiparco
fue un gran observador de los cielos y a menudo se le reconoce haber producido
el primer catálogo detallado de las estrellas. La obra china, El libro Gany Shi
de las estrellas, escrito durante el siglo IV a.C., registra las posiciones de
121 estrellas. Pero Hiparco anotó las posiciones de 850 estrellas visibles a
simple vista, clasificándolas en seis grupos de acuerdo a su brillo. Este
sistema todavía se emplea en la actualidad. Preparó una lista de todos los
eclipses que habían tenido lugar en los 800 años previos, y observó una nueva
estrella en la constelación de Escorpión en 134 a.C. También se le ha
acreditado inventar la trigonometría y tal vez el astrolabio planisférico.
Ptolomeo dijo que Hiparco explicó el movimiento circular del Sol y la Luna,
pero que no tenía un modelo para las trayectorias de los planetas, aunque
organizó los datos sobre ellos y mostró que no concordaban con las teorías
contemporáneas. Su logro más famoso es su discusión de cómo los puntos de
solsticio y equinoccio se mueven con lentitud de Este a Oeste cuando se le
establece contra las estrellas fijas (a lo que se conoce como la precesión de
los equinoccios).Hiparco midió primero la duración de un año con exactitud,
haciéndolo de 365 días, 5 horas y 55 minutos. Se dio cuenta de que las
estaciones eran de diferente duración y calculó lo que dura un mes con tanta
exactitud que sólo le falló por un segundo.
Las esferas de Ptolomeo
Debió ser el modelo heliocéntrico de Aristarco el que nos llegara del mundo
antiguo, pero tomó su lugar uno descrito por Ptolomeo en alrededor de 140 d.C.
No se originó en él (estaba presentando el consenso de la opinión contemporánea
en su Compilación matemática [en la actualidad conocida como
el Almagesto por la corrupción de su título en árabe]). De
acuerdo a Ptolomeo, la Tierra se encuentra en el centro de una serie de esferas
concéntricas. Una de esas esferas, la Luna, el Sol, los planetas y las
estrellas fijas, giran alrededor de la Tierra. Los griegos creían que el
círculo era la forma perfecta, y como los cielos eran el reino de la
perfección, las órbitas debían ser circulares.
Mapa que muestra el universo ptolemaico, con la Tierra en el centro,
1660-1661.
Sin
embargo, esto no explica el movimiento observado de los planetas. Para hacer
que el sistema funcionara, se debían alejar de la Tierra. Era claro que Venus y
Mercurio estaban en órbita alrededor del Sol, así que en el modelo de Ptolomeo
estaban siguiendo una trayectoria circular alrededor del Sol, que en sí seguía
una órbita circular alrededor de la Tierra.
Ptolomeo con una esfera armilar.
A
Marte, Júpiter y Saturno, los otros planetas visibles a simple vista, también
se les dio algo alrededor de lo cual girar, pero no era el Sol. Ptolomeo
identificó puntos vacíos que formaban el foco para las órbitas de esos
planetas, y estos puntos vacíos giraban alrededor de la Tierra, siguiendo una
trayectoria circular. Este modelo de órbitas circulares cambiadas explicaba
bastante bien la trayectoria un poco vagabunda de los planetas, que a veces
parece ir hacia atrás (que sigue una trayectoria retrógrada). Las estrellas
fijas eran más fáciles de explicar, estaban salpicadas en una esfera distante
que giraba alrededor de la Tierra, proporcionando un fondo para todo lo
demás.Con observaciones cada vez más exactas del movimiento de los planetas,
quedó claro que el modelo ptolemaico no explicaba por completo sus
trayectorias. Se añadieron más y más pequeñas correcciones para afinar el
modelo y hacer que concordara con las observaciones, pero al final, después de
más de mil años, se le tuvo que dejar.
Entrar y salir de la oscuridad
Con la decadencia del mundo helénico, la astronomía entró a su propio periodo
de eclipse. No hubo grandes astrónomos romanos y se avanzó poco antes del
surgimiento de la ciencia árabe y la fundación de la escuela de astronomía de
Bagdad en 813 d.C., por parte de Al Ma’mun.
Un
modelo menos plausible
En
la mitología hindú se dice que el mundo está apoyado en el espacio mediante
cuatro elefantes, los cuales a su vez están parados sobre el caparazón de una
tortuga. No existen observaciones astronómicas que apoyen este modelo. Terry
Pratchett tomó prestada la leyenda hindú en sus novelas de Mundodisco. La
respuesta a la pregunta obvia de en qué se para la tortuga, a menudo se da como
"hay tortugas hasta el fondo", respuesta que se ha atribuido a muchas
fuentes.
Mientras
que nada sucedía en Europa y el norte de África, los astrónomos hindúes estaban
realizando y registrando observaciones que más adelante alimentarían a la
astronomía árabe. El texto hindú más antiguo sobre las estrellas, Vedanga
Fyotisha, se remonta a alrededor de 1200 a.C., pero es una obra
astrológica más que astronómica, y sus usos eran en su mayor parte
religiosos.El Aryabhatiya, de 476 550 d.C., fue el primer
texto astronómico real en circular en la India. Tuvo influencia en escritores
árabes posteriores y es el primero en establecer el inicio del día a
medianoche. Afirma que el mundo gira en su eje, que es la razón de que las
estrellas parezcan moverse a través del cielo, y que la Luna se ilumina
mediante la luz reflejada del Sol.
Astronomía árabe
Los astrónomos árabes fueron los primeros en emplear las matemáticas
sistemáticamente al movimiento de estrellas y planetas. Los astrónomos
islámicos eran impulsados por la necesidad de un calendario confiable, de
señalar con exactitud los momentos para las oraciones de la salida del sol,
mediodía, tarde, puesta del sol y en la noche, y poder determinar la dirección
de su sagrada ciudad de la Meca desde cualquier lugar. Examinaron los cielos
para que ayudaran con estas tareas, inducidos por las palabras del Qu’ran
(Corán) de emplear las estrellas para la navegación: Fue Él quien ordenó las
estrellas para ti de manera que puedas guiarte de ese modo en la oscuridad de
la tierra y el mar". El Qu’ran también alentaba la confianza en los datos
empíricos y la evidencia de los sentidos, mientras que los pensadores griegos
habían puesto mayor énfasis en la razón. La orden del Qu’ran de observar,
razonar y contemplar condujo a una aproximación del método científico.Por lo
general, el Islam se opone al uso de la astrología para propósitos de
predicción. Cuando tuvo lugar un eclipse durante la muerte del hijo de Mahoma,
disuadió a los espectadores de sacar conclusiones respecto a Dios, diciendo:
"Un eclipse es un fenómeno de la naturaleza y no tiene relación con el
nacimiento o la muerte de un ser humano". Esto separó a la astronomía
árabe de las tradiciones hindú y china, las cuales aprovechaban la astronomía
al servicio de la astrología y la predicción del futuro.Desde alrededor de 700
825 d.C., la mayoría de los astrónomos árabes se concentraba en asimilar y
traducir las obras astronómicas de griegos, hindúes y persas preislámicos
(sasánidos). Sus nuevos esfuerzos empezaron más o menos en el momento en que el
califa Al Mamun estableció la Casa de la Sabiduría en Bagdad. La llegada del
papel a Irak desde China durante el siglo VIII, mucho antes de que llegara a
Europa, facilitó en particular la reunión y diseminación del conocimiento, y de
825 d.C., hasta el saqueo de Bagdad por parte de los mongoles en 1258, la Casa
de la Sabiduría fue el centro intelectual del mundo.
Brahmagupta
(598 668 d.C.)
El
matemático hindú Brahmagupta nació en la ciudad de Bhinmai, en Rajastán, en el
noroeste de la India. Fue director del observatorio astronómico en Ujjain, y
escribió cuatro textos sobre matemáticas y astronomía, uno de los cuales
contiene la primera explicación del número cero. Brahmagupta propuso que la
Tierra gira en su eje, y demostró que la luna no está más lejos de la Tierra
que el sol, y sostuvo que la Tierra era redonda en lugar de ser plana. Para
rebatir las críticas de que si la Tierra fuera un globo todo se caería de ella,
describió algo similar a la gravedad (ver cita, abajo). Presentó métodos para
calcular la posición de los cuerpos celestes y predecir eclipses. Fue de las
obras de Brahmagupta que los astrónomos árabes aprendieron sobre la astronomía
hindú. Kanakah, quien llegó de Ujjain en 770 d.C. a invitación del califa Al
Mansur, empleó el Brahmasphutasiddhanta de Brahmagupta para explicar la
astronomía.
"Todos los cuerpos pesados son atraídos hacia el centro de la Tierra... La
Tierra es la misma en todos sus lados; toda la gente en la Tierra se mantiene
erguida y todos los objetos pesados caen hacia la Tierra gracias a una ley de
la naturaleza, ya que es la naturaleza de la Tierra atraer y conservar las
cosas, como fluir es la naturaleza del agua, la del fuego es arder y la del
viento ponerse en movimiento... La Tierra es la única cosa baja, y las semillas
siempre vuelven a ella, en cualquier dirección que quieras lanzarlas, y nunca
se elevan hacia arriba desde la Tierra".
Brahmagupta, Brahmasphutasiddhanta, 628 d.C.
El
primer trabajo original musulmán importante fue el Zij Al Sindh, escrito
por Muhammed ibn Musa Al Khwarizimi (aprox. 750- aprox. 850)
en 830 d.C. Consta de tablas para los movimientos del Sol, la Luna y los cinco
planetas conocidos. Se recuerda a Al Khwarizimi en particular como matemático
(la forma latinizada de su nombre, Algoritmi, nos dio el término
"algoritmo"), y los avances árabes en matemáticas con seguridad
ayudaron al estudio de la astronomía. También mejoró el reloj solar e inventó
el cuadrante, empleado para medir ángulos. En algún momento alrededor de 825
835 d.C., Habash Al Hasib Al Marwazi produjo El libro de cuerpos y
distancias, en el que presentaba cálculos mejorados de algunas
distancias astronómicas. Presentaba el diámetro de la luna como 3037 km (en
realidad es 3.470 km) y su distancia de la Tierra como 346.344 km (es 384.402
km). En 964, el astrónomo persa Abd Al Rahman Al Sufi (903 86) escribió
observaciones y dibujos de las estrellas, dando sus posiciones, magnitudes,
brillo y color. Su libro incluye las primeras descripciones e imágenes de la
galaxia de Andrómeda. En 1006, el astrónomo egipcio Ali ibn Ridwan (988 1061)
describió la supernova más brillante de la historia escrita, diciendo que era
dos o tres veces más grande que Venus y la cuarta parte del brillo de la Luna.
También la describieron astrónomos en China, Irak, Japón, Suiza y tal vez
pueblos indígenas de Norteamérica.
Mapa celeste árabe del hemisferio norte, 1275.
Los
avances que los astrónomos árabes podían realizar estaban muy limitados por su
convicción de que la Tierra era el centro del sistema celestial y que el
infinito era imposible. Sin embargo, Ja’far Muhammad ibn Musa ibn Shakir
sugirió en el siglo IX d.C. que los cuerpos celestes obedecen las mismas leyes
físicas que actúan en la Tierra (al contrario de la creencia de los antiguos),
y en el siglo XI Ibn Al Haytham realizó el primer intento de aplicar el método
experimental a la astronomía. Empleó un aparato especial para poner a prueba
cómo la Luna reflejaba la luz del sol, variando los ajustes de su equipo y
escribiendo los efectos. Sugirió que el medio de los cielos es menos denso que
el aire y refutó el punto de vista de Aristóteles de que la Vía Láctea es un
fenómeno de la atmósfera alta. Al medir su paralaje, dedujo que estaba muy
lejos de la Tierra. Fue Al Biruni quien descubrió, en el mismo siglo, que la
Vía Láctea está formada por estrellas. También describió la gravedad como
"La atracción de todas las cosas hacia el centro de la Tierra", y
dijo que la gravedad existe en los cuerpos celestes y en las esferas
celestiales (trabajaba todavía con el modelo ptolemaico del Universo). Al
Haytham propuso que la Tierra gira en su eje, idea que antes presentó el hindú
Brahmagupta. Al Biruni no encontró problemas matemáticos con la rotación de la
Tierra cuando comentó los escritos de Brahmagupta en 1030.
Las exigencias de rezar en el momento correcto impulsó el avance árabe del
calendario y por lo tanto, de la astronomía.
Como
con otros aspectos de la ciencia islámica, se desalentó la investigación
rigurosa en astronomía en el Islam si se consideraba que trataba de conocer la
mente de Dios.
Un evento de supernova que los astrónomos presenciaron en 7 054 creó la
Nebulosa del Cangrejo.
Tal
vez la contribución más significativa de los eruditos árabes de los siglos VIII
a XII fueron los refinamientos en los instrumentos astronómicos y los avances
en matemáticas. Allanaron el camino para los astrónomos europeos del
Renacimiento, quienes reescribieron el libro de los cielos.
La gran estrella invitada
Durante 23 días, comenzando en julio de 1054, una estrella tan brillante que se
podía ver a la luz del día resplandeció en el cielo. Los astrónomos chinos se
refirieron a ella como una "estrella invitada" en la constelación de
Tauro, escribiendo que su brillo amarillo era cuatro veces más intenso que
Venus. Continuó siendo visible por 653 días. El poeta japonés Sadiae Fujiwara
escribió sobre la estrella, y lo registraron en alfarería los artistas nativos
americanos anasazi y mimbre. La "estrella invitada " fue la supernova
que creó la nebulosa del Cangrejo. Después de la desaparición de la nueva
estrella del cielo nocturno, no se le volvió a ver por casi 700 años, cuando el
doctor y astrónomo inglés John Bevis (1695-1771) descubrió la nebulosa en 1731,
empleando un telescopio
§. La tierra se mueve... de nuevo
Casi dos mil años después de que Aristarco sugiriera por primera vez que la
Tierra se mueve alrededor del Sol, volvió a surgir la idea. En el mundo
cristiano, era una propuesta peligrosa, ya que la iglesia enseñaba que los
cielos eran perfectos e inmutables, y que el hombre era el pináculo de la
creación y estaba en el centro del plan de Dios. Por lo tanto, ¿la Tierra podía
tener un lugar subordinado, moviéndose alrededor del Sol? La idea era herejía y
de inmediato auguraba dificultades.
Las
primeras herramientas del oficio
Las
herramientas astronómicas más antiguas que se conocen son las tabletas de
arcilla babilónicas que muestran tres círculos concéntricos divididos en doce
secciones. Cada uno de esos 36 campos muestra los nombres de constelaciones y
números simples, los cuales representan los meses del calendario babilónico.
Herramientas astronómicas antiguas (en el sentido de las manecillas del reloj
desde arriba): Astrolabio, esfera armilar, cuadrante.
Un
astrolabio representa las posiciones de los planetas y las estrellas, basándose
en la suposición de que la Tierra es el centro del Universo. Es probable que
los astrolabios se crearan en algún momento antes del siglo d.C., aunque el
instrumento más antiguo que ha sobrevivido es árabe y data del 927 28 d.C. La
tradición islámica explica el origen del astrolabio: Ptolomeo estaba viajando
en burro mientras examinaba su globo celeste. Dejó caer el globo y su burro lo
pisó, dejándolo plano y así, dando a Ptolomeo la idea para el astrolabio.
Una esfera armilar es un equivalente tridimensional de un astrolabio,
representando a los planetas y a las estrellas en una serie de anillos
concéntricos con la Tierra en el centro.
Un cuadrante se emplea para medir la elevación de un cuerpo sobre el horizonte.
El primer cuadrante que se registra lo menciona Ptolomeo en alrededor de 150
d.C. Los astrónomos islámicos construyeron grandes cuadrantes, pero el más
famoso fue el que usó Tycho Brahe (1546-1601) en su observatorio de Urabiborg,
en la isla danesa de Hven.
Había
problemas con el modelo ptolemaico, de los que el más significativo era que la
separación de la Tierra que se requería para el foco de la órbita de la Luna
era tan grande que la Luna debía estar mucho más cerca de la Tierra en unas
ocasiones que en otras, de hecho, lo suficiente para que se viera
perceptiblemente más grande. El matemático y astrónomo alemán Johannes Muller
(1436 76), conocido por su nombre latinizado de Regiomantus, reveló en 1496
este problema, y otras observaciones que hacen dudar del modelo de Ptolomeo. El
hombre que se atrevió a desafiar el modelo ptolemaico fue Copérnico, Mikolaj
Kopernik, astrónomo polaco que no se molestaba con observaciones, pero que
decidió que sería una solución más ordenada si la Tierra orbitaba el Sol en lugar
de lo contrario. A Copérnico le disgustaban en particular los círculos o
miniórbitas llamadas "ecuantes " que los planetas necesitaban para
seguir en el modelo ptolemaico para explicar sus movimientos observados, y
deseaba un sistema en que hubiera un centro único y fijo del Universo.
Mayas
de ojos agudos
El
Códice Dresde es un do en Centroamérica entra con sorprendente exactitud
observaciones de la Luna y de Venus que tal vez se hicieron 300 o 400 años
antes. Venus era el cuerpo celeste más importante para los mayas después del
Sol. Los mayas también parecen haber notado la nebulosa borrosa en el centro de
la constelación de Orión; aparecía en historias tradicionales y se representaba
como el humo de la chimenea. Son la única civilización conocida en haber
descubierto esta característica de Orión sin el uso de telescopios.
Aunque
Copérnico completó su idea sobre el Universo centrado en el Sol, en alrededor
de 1510, fue cauto, y se lo comunicó sólo a unas cuantas personas antes de
publicar su obra trascendental De Revolutinibas Orbium Coelestium
(Sobre la revolución de las esferas celestes) en 1543. El impresor,
Rheticus, apenas había hecho una parte de la preparación del libro de Copérnico
cuando tuvo que marcharse a Núremberg. El trabajo pasó a un luterano, Andreas
Osiander, quien añadió un prefacio en que dijo que Copérnico no quería decir
que el sol estaba literalmente en el centro del Universo y que
sólo estaba presentando un modelo matemático que ayudaba a explicar las
observaciones. El prefacio tenía la finalidad de calmar cualquier crítica de la
iglesia pero, de hecho, la iglesia católica prestó poca atención al libro y
sólo los luteranos lo objetaron. Copérnico murió el año en que se publicó el
libro y es posible que ni siquiera viera un ejemplar. En general, ignoraron su
libro y el tiraje de la imprenta de 400 ejemplares ni siquiera se agotó, sin
embargo, se le ha considerado desde entonces como el texto que inició la
astronomía moderna y ayudó a desencadenar la revolución científica.
Copérnico
Aunque
mejor que las esferas de Ptolomeo, todavía existían algunos problemas con el
modelo de Copérnico. Se pensaba que las estrellas fijas estaban en una esfera
invisible más allá del planeta más lejano. Sin embargo, para que las estrellas
no parecieran moverse, necesitaban estar muy lejos.
"Dios,
cuando creó el mundo, movió cada uno de los orbes celestes como lo deseó, y al
moverlos les inculcó sus ímpetus que los movían sin que tuviera ya que
moverlos... Y esos ímpetus que inculcó en los cuerpos celestes no disminuyeron
ni se corrompieron después, ya que no había inclinación en los cuerpos celestes
por otros movimientos. Tampoco había resistencia que pudiera ser corruptora o
represiva de ese ímpetu".
Jean Buridan, filósofo francés del siglo XIV
En
la actualidad estamos cómodos con este concepto, pero en el siglo XVI de
inmediato planteó la cuestión de por qué Dios desperdiciaría tanto espacio
vacío entre el planeta más lejano y las estrellas fijas. Otro problema fue que
si la Tierra se estaba moviendo, ¿por qué los océanos no se derramaban y los
edificios se sacudían hasta hacerse pedazos? Por otro lado, a diferencia del
modelo ptolemaico, el modelo de Copérnico explicaba los movimientos observados
de los planetas sin recurrir a complejos disparates.La explicación de Copérnico
puso a los planetas en dos grupos, donde Mercurio y Venus estaban más cerca del
Sol que la Tierra, y luego Marte, Júpiter y Saturno más lejos (los otros
planetas eran desconocidos en ese tiempo).
El modelo de Copérnico del Sistema Solar, con los planetas girando alrededor
del Sol.
Copérnico
también determinó cuánto le tomaba a cada planeta girar alrededor del Sol y las
distancias relativas de los planetas al Sol. Correspondieron con sus
agrupamientos respecto a la órbita de la Tierra, proporcionando evidencia
sólida a favor de su modelo.
Todo cambia
Tycho Brahe fue un personaje pintoresco, un aristócrata secuestrado cuando era
bebé, que más adelante perdió parte de su nariz en un duelo y que usó a partir
de ese momento una prótesis de oro y plata. Se obsesionó con las estrellas a corta
edad y se dio cuenta de que las observaciones sistemáticas y exactas debían ser
la base de cualquier grupo de predicciones. En 1569 mandó hacer un cuadrante
gigante, con un radio de alrededor de seis metros. El borde estaba calibrado en
minutos y permitía medidas precisas. Lo empleó hasta que lo destruyó una
tormenta en 1574:En 1572, Tycho observó lo que parecía ser una nueva estrella
muy brillante en la constelación de Casiopea.
Se
expande el Universo, se encoge la Tierra
Todos
luchamos por situarnos en el centro de las cosas. Fue enorme el desasosiego que
se produjo al descubrir que, después de todo, la Tierra no estaba en el centro
del Sistema Solar.
Como
se suponía que el cielo estaba fijo por toda la eternidad, esto fue motivo de
algo de consternación y se decidió a registrar su posición durante un periodo
de meses para determinar si era un cometa, el cual se movería en relación con
las estrellas fijas. La observó durante 18 meses, tiempo en que perdió
intensidad de ser más brillante que Venus al aparecer como una estrella común,
pero no cambió su posición. Cuando publicó su informe en De Nova
Stella, le dio a la astronomía un nuevo término: Nova. Tycho estudió
sus datos para buscar evidencia del paralaje que se esperaría si la Tierra se
movía alrededor del Sol. El paralaje es el cambio aparente de posición de una
estrella cercana contra el fondo de las estrellas más distantes, cuando se ve
desde dos puntos de observación diferentes. Como no encontró ninguno, Tycho
tomó sus observaciones como algo que refutaba el modelo heliocéntrico de
Copérnico.A pesar de su enfoque científico, Tycho todavía era de la opinión de
que los eventos en los cielos presagiaban cambios importantes en la Tierra, y
pensaba que los fenómenos celestes eran responsables de las guerras religiosas
que tenían lugar en ese tiempo.Tampoco podía aceptar una Tierra que se moviera.
Sostuvo que si la Tierra se estaba moviendo a través del espacio, una piedra
que se tirara desde una torre caería a alguna distancia de la base de la torre
porque la Tierra se habría movido, dejando atrás la piedra. Por supuesto,
Gassendi refutó esto en 1640.Unos años después, en 1577, Tycho hizo otra
observación que cambiaría la Tierra, esta vez de un cometa. Sus observaciones
revelaron que el cometa no podía ser un fenómeno local, que viajaba muy cerca
de la Tierra y tal vez más cerca que la Luna. De hecho, debe viajar entre los
planetas. Esto significaba que se tenía que abandonar la idea de Ptolomeo de
esferas de cristal que albergaban planetas y estrellas fijas, ya que el cometa
se movería rompiéndolas. Era casi tan revolucionario a su manera, como el
concepto de una nueva estrella.
Tratado astronómico de Tycho Brahe que muestra un modelo del Sistema Solar.
Tycho
publicó su libro en 1587-1588, proponiendo su modelo del Universo.Era un poco
un híbrido, mantenía la Tierra estática de Ptolomeo en el centro del Universo,
pero haciendo que los demás planetas giraran alrededor del Sol, el cual en sí
giraba alrededor de la Tierra.Acababa con la necesidad de "deferentes
" y "epiciclos " que se habían necesitado para hacer que
funcionara el modelo de Ptolomeo. Sin embargo, lo más importante es que
rechazaba la idea de esferas de cristal y, por primera vez, tenía a los planetas
colgando sin apoyo en el espacio.
Johannes Kepler (1571-1630)
Un poco más joven que Tycho, Johannes Kepler fue otro astrónomo prodigioso,
pero que se vio obligado a seguir un enfoque diferente. El entusiasmo de Kepler
por la astronomía se inició mientras era niño, cuando su madre lo llevó a un
lugar elevado para ver el Gran Cometa de 1577 (el mismo que provocó el trabajo
de Tycho sobre cometas). Sin embargo, Kepler no podía hacer observaciones
astronómicas, ya que su vista era débil, porque la había dañado la viruela. En
lugar de eso, aplicó las matemáticas al estudio de las estrellas. Kepler se
educó como sacerdote, pero su curso en Tubingen, Alemania, incluyó matemáticas
y astronomía, en los que sobresalió. Su tutor, Michael Maestlin, enseñaba el
modelo de Ptolomeo en forma oficial, pero en privado presentó a estudiantes
favorecidos, incluyendo a Kepler, la astronomía de Copérnico.Kepler no era rico
en forma independiente, y una de las maneras en que ganaba dinero extra era
haciendo horóscopos. A diferencia de Tycho, quien tomaba en serio el vínculo
entre eventos terrenales y celestes, Kepler consideraba a los horóscopos como
puras tonterías y en privado se refería a sus clientes como
"estúpidos". De cualquier forma, proporcionaban un ingreso útil y lo
estimaban.Kepler creó su propio modelo del Universo, publicado en 1597, el cual
combinaba algo de Copérnico con algo de física griega arcana en una fusión
extraña. Kepler sugirió que los seis planetas (incluyendo la Tierra) ocupaban
órbitas que estaban determinadas por una serie de esferas que encajan dentro y
entre los cinco sólidos geométricos definidos por la geometría euclidiana.
Aunque en sí no iba a ser significativo en particular, hizo una sugerencia más
importante: Que los planetas eran impulsados por un "vigor " que
emanaba del Sol, pero con mejor impacto conforme aumentaba la distancia del
Sol. Fue la primera vez que se citó fuerza física como fuente del movimiento de
los planetas, a menos que contemos con la idea de que los empujan ángeles.
Dos por uno en astrónomos en Praga
En 1597, Tycho se trasladó a Praga para convertirse en el Astrónomo Imperial
oficial para el rey de Bohemia y para el emperador del sacro imperio romano,
Rodolfo II. Fue ahí, en 1600, que Kepler se encontró con Tycho por primera vez.
Mientras que Tycho había amasado una prodigiosa cantidad de datos, no tenía la
destreza matemática para aprovecharlos al máximo. Kepler tenía la habilidad
matemática, pero no los datos con los cuales trabajar^ Parecía una pareja
perfecta, pero su relación no fue fácil. Después de visitar a Tycho, Kepler
volvió a su casa familiar en Graz, Austria, mientras se suponía que Tycho
arreglaba financiamiento para el trabajo de Kepler con el emperador Rodolfo.
Antes de que se completaran las negociaciones, Kepler y otros luteranos fueron
desterrados de Graz por negarse a convertirse al catolicismo y terminó en la
corte de Rodolfo como refugiado. Al final, Rodolfo proporcionó el apoyo
financiero requerido para el puesto de Kepler, el cual tenía que ver con ayudar
a Tycho a compilar nuevas observaciones de los movimientos planetarios.
Tycho Brahe
Estas
observaciones formarían la base de las llamadas tablas rudolfinas. Tycho
entregó a Kepler su valiosa información poco a poco, receloso de compartirla
con demasiada rapidez, pero a finales de 1601 se enfermó y quedó claro que
pronto moriría. En su lecho de muerte, legó sus valiosos datos, sus
instrumentos y el proyecto rudolfino a Kepler. En apenas unas semanas, elevaron
a Kepler a la posición de Matemático Imperial del emperador del Sacro Imperio
Romano, y tenía a su cargo al equipo astronómico más sofisticado en Europa (en
poco más de un año de que llegara a Praga como refugiado sin dinero).El puesto
de matemático imperial implicaba ser astrólogo de Rodolfo, así que Kepler tenía
que pasar bastante tiempo en actividades que sabía que carecían de sentido y
eran pura invención. A pesar de todo, el resto del tiempo Kepler podía trabajar
en sus cálculos, lo que lo condujo a sus descubrimientos más importantes: Que
cada planeta gira alrededor del Sol, siguiendo una trayectoria elíptica con el
Sol en un foco de la elipse, y que los planetas se mueven con más rapidez
cuando están más cerca del Sol.
Astrónomo del siglo XIX con telescopio óptico.
Los
descubrimientos de Kepler no lo convirtieron en un éxito de la noche a la
mañana y, de hecho, tuvo muy poco impacto. Muchas personas todavía no aceptaban
que la Tierra no estaba en el centro del Universo. Fue sólo cuando Isaac Newton
tomó el trabajo de Kepler y explicó, empleando la gravedad, por qué los
planetas tienen una órbita elíptica cuando en verdad fue claro el significado
de su descubrimiento.Agitación religiosa, trastornos personales y tragedias
intervinieron para estancar el trabajo de Kepler. Su esposa murió (más adelante
se volvió a casar) y luego juzgaron a su madre por brujería, aunque la
absolvieron después de pasar varios meses en la cárcel.Su tercera y última ley,
que le llegó en 1618, describe cómo el cuadrado del tiempo que le toma a un
planeta girar alrededor del Sol es proporcional al cubo de su distancia al Sol.
Por ejemplo, Marte está 1.52 veces más lejos del Sol de lo que está la Tierra,
y su año es 1.88 años terrestres: 1.522 = 3.53 = 1.883.
Las tablas rudolfinas, publicadas por fin en 1627, fueron las primeras tablas
astronómicas modernas; empleaban los logaritmos recién descubiertos que creó el
matemático y astrónomo escocés John Napier (1550-1617), y se podían emplear
para determinar las posiciones de los planetas en cualquier momento en el
pasado o futuro.
§. Lo invisible se hace visible
Mientras que Tycho trabajó sin telescopio, midiendo las posiciones de las
estrellas y planetas empleando brújulas y cuadrantes, desde 1610, Kepler tuvo
un telescopio que podía usar; uno que le envió Galileo, para que pudiera
confirmar las observaciones del mismo Galileo. Para los astrónomos, el mundo, y
de hecho el Universo, cambiaron con la invención del telescopio. De repente,
quedaron claras las diferencias entre las estrellas y los planetas. Se
descubrió que algunos planetas tenían sus propias lunas, y surgió la
posibilidad de que pudieran ser otros mundos. La Vía Láctea se aclaró como una
banda de estrellas, y las estrellas en verdad se volvieron innumerables.Leonard
Digges (1520-1559) fabricó el primer telescopio astronómico en Inglaterra a
principios de la década de 1550, pero no llegó a la atención del público, hasta
que su hijo Thomas (1546-1595) publicó su trabajo sobre él en 1571, 12 años
después de la muerte de Leonard. Thomas sólo tenía 13 años de edad cuando su
padre murió y pasó al cuidado y tutelaje de John Dee (1527-1609), el
matemático, filósofo, alquimista y astrólogo de la corte de la reina Isabel I.
Esto dio a Thomas acceso a la magnífica biblioteca de Dee, donde leyó el libro
de Copérnico. En 1576, Thomas publicó su obra más importante, una edición
revisada de Pronóstico eterno. No sólo añadió una explicación
del modelo de Copérnico de un Universo centrado en el Sol, sino su propia
teoría de que el Universo es infinito. Al rechazar la idea de las estrellas
fijas en una esfera distante, Thomas Digges propuso una infinidad de espacio en
la que las estrellas continuaban por siempre. No citó evidencia para esta
teoría, pero parece probable que su uso del telescopio y el darse cuenta de que
la Vía Láctea es una banda de estrellas lo llevaran a esta conclusión. Como
Digges publicó en inglés en lugar de latín, sus ideas fueron accesibles para
muchas más personas y se extendió la popularidad del modelo de Copérnico.
Telescopio acromático, mediados del siglo XVIII (izquierda); réplica del
telescopio reflector de Newton, 1672 (derecha).
Sin
embargo, más o menos al mismo tiempo, la iglesia católica empezó a darse cuenta
de la idea potencialmente herética de un Universo centrado en el Sol. La fuente
de su rencor parece haber sido que el modelo tenía el apoyo de Giordano Bruno,
quemado en la hoguera por herejía en 1600. Bruno fue seguidor de un movimiento
religioso llamado hermetismo, basado en antiguas creencias egipcias de que el
Sol es un dios y se le debía venerar. Fue natural que se sintiera atraído a un
modelo heliocéntrico del Universo.
Galileo
en el espacio
La
NASA lanzó una nave espacial nombrada después Galileo en 1989, la cual entro en
órbita alrededor de Júpiter en 1995. En ruta, la nave Galileo pasó a través del
cinturón de asteroides donde descubrió una luna miniatura, llamada Dactyl, en
órbita alrededor del asteroide Ida. En 1994, Galileo fotografió fragmentos del
cometa Shoemaker Levy 9 mientras se estrellaban en Júpiter. Una sonda libelada
en la atmósfera de Júpiter registró vientos de alrededor de 720 km/h antes de
que lo destruyera la atmosfera de Júpiter. Galileo realizó 11 órbitas,
registrando dalos sobre el planeta y sus lunas en su misión primaria. La misión
de la nave se extendió y estudió la luna volcánica de Júpiter, Ío, y su luna
helada, Ganimedes. Destruyeron a propósito a Galileo en 2003, quemándola en la
atmósfera de Júpiter.
Su
apoyo al modelo de Copérnico atrajo la atención dé la iglesia, pero la creencia
popular de que lo quemaron por apoyar el modelo de Copérnico carece de
fundamentos. En realidad lo condenaron por creer que Cristo fue creado por Dios
en lugar de ser Dios (arianismo) y por la práctica de la magia. Sin embargo, el
apoyo de Bruno del modelo heliocéntrico aumentó la hostilidad de la iglesia
contra el modelo y por extensión a la teoría del Universo infinito de Digges. A
pesar de sus ideas religiosas más bien estrambóticas, Bruno tenía ideas muy
adelantadas para su tiempo como astrónomo. Sugirió que las estrellas distantes
podían ser tan sólo como nuestro Sol, tener mundos propios y ser incluso el
hogar de seres tan gloriosos como la humanidad.
§. Galileo, amo del Universo
Sin duda, el mayor usuario antiguo del telescopio fue Galileo, quien dirigió su
atención a la astronomía en 1604, estudiando la supernova que Kepler había
observado. Determinó que no se movía y, por lo tanto, debía estar tan lejos
como las otras estrellas. Galileo hizo sus propios telescopios que eran muy
poderosos para ese tiempo. En 1610, tenía un instrumento con un poder de
aumento de 30 con el que primero observó las cuatro lunas más brillantes de
Júpiter (ahora llamadas las "lunas galileanas"). (Al parecer, la más
grande de las lunas de Júpiter, en la actualidad llamada Ganimedes, fue vista
por el astrónomo chino Gan De en 364 a.C. a simple vista). Al principio,
Galileo pensó que eran "estrellas fijas" cercanas a Júpiter, pero la
observación repetida mostró que se mueven. Cuando una desapareció, se dio
cuenta de que se había ido detrás de Júpiter y, por lo tanto, giraba alrededor
del planeta. Fueron los primeros cuerpos identificados que giraban alrededor de
algo que no era el Sol o la Tierra, y el impacto en la cosmología contemporánea
fue inmenso. No se encontraron más lunas de Júpiter hasta 1892, aunque ahora
existen 63 lunas conocidas con órbitas más o menos estables alrededor del
planeta, y todavía es posible que se descubran más lunas pequeñas.
El asteroide Ida con su diminuta luna, Dactyl. Ida tiene 56 km de largo y
Dactyl sólo 1.6 km de largo.
También
en 1610, Galileo observó las fases de Venus (similares a las fases de la Luna).
Esto demostró en forma concluyen te que el planeta debía girar alrededor del
Sol y que las fases se debían a la forma en que diversas partes son iluminadas
por el Sol durante las etapas de su órbita. Como resultado, la mayoría de los
astrónomos cambiaron su lealtad de los modelos ptolemaicos del Universo a los
heliocéntricos durante el inicio del siglo XVII.Sin embargo, esto no fue todo.
Galileo también observó los anillos de Saturno, aunque no pudo determinar qué
eran. Se dio cuenta que la Vía Láctea en realidad es una banda de un número
enorme de estrellas, vio que la Luna tenía cráteres y montañas, observó manchas
solares y distinguió entre planetas y estrellas. Afirmó que las estrellas son
soles distantes e hizo cálculos de su distancia de la Tierra basándose en su
brillo relativo. Aunque puso a las estrellas más cercanas a sólo varios cientos
de veces la distancia de la Tierra al Sol, y a las visibles con un telescopio a
varios miles de veces la distancia Tierra Sol (por supuesto, quedándose corto
de las distancias reales), estas cifras convirtieron en burla los argumentos
contra el modelo de Copérnico de que las estrellas no podían estar muy
distantes. También dejó en claro que las estrellas no están todas a una
distancia fija, sino que se extienden por el espacio. En Sidereus
Nimcius (Mensajero de las estrellas), publicado en 1610, afirmó que
los planetas se convierten en discos cuando se les ve a través del telescopio,
mientras que las estrellas siguen siendo puntos de luz. Observó a Neptuno, pero
no se dio cuenta de que era un planeta. Incluso identificó manchas solares, las
cuales también había visto el astrónomo alemán Johann Fabricáis (1587-1616) y
el astrónomo inglés Thomas Harriot (1560-1621), y llegó a la conclusión de que
el Sol gira en su propio eje una vez cada 25 días. Las manchas solares iban a
ser más significativas de lo que ameritaban para la vida de Galileo.
Cruzar espadas con Dios
Las observaciones de Galileo proporcionaron amplia evidencia a favor del modelo
de Copérnico de un Sistema Solar heliocéntrico y una Tierra en movimiento, pero
Galileo evitó el apoyo público para este modelo, sin duda ansioso por el
destino de Giordano Bruno. Al principio, la Iglesia estaba interesada e incluso
entusiasmada con los descubrimientos de Galileo.
El mapa de Galileo de las manchas solares observadas (peligrosamente) con su
telescopio en 1612
Visitó
al papa Pablo V en 1611, y un subcomité de sacerdotes jesuitas apoyó sus
hallazgos de que la Vía Láctea es una vasta colección de estrellas, Saturno
tiene una extraña forma ovalada con bultos a cada lado (no se les identificó
como anillos), la Luna tiene una superficie irregular, Júpiter tiene cuatro
lunas y Venus tiene fases.
Papa Pablo V (1552-1621)
El
comité no comentó sobre las implicaciones de los descubrimientos. Mientras
estaba en Roma visitando al papa,Galileo se hizo miembro de una de las primeras
sociedades científica en el mundo, la Academia Linceana, y en un banquete en su
honor el nombre "telescopio " se sugirió por primera vez para el
nuevo instrumento astronómico.Sin embargo, la buena relación de Galileo con la
Iglesia no iba a durar.Produjo un folleto sobre las manchas solares en el que
hizo su única declaración publicada a favor del modelo de Copérnico. Atrajo la
atención de la Iglesia y cuando visitó Roma en 1615 el papado convocó una
investigación de las creencias de Copérnico y llegó a la conclusión de que eran
"tontas y absurdas y formalmente heréticas". Poco después, se le dijo
a Galileo que no debía aceptar, defender o enseñar las creencias de Copérnico y
que debía enfrentar la Inquisición si desobedecía. Al principio, hizo caso a la
advertencia. En 1629, Galileo escribió sus Dialogue of the Two Chief
World Systems (Diálogos sobre los dos máximos sistemas del mundo), que
presentaba los modelos de Copérnico y Ptolomeo en forma de un diálogo
imaginario entre defensores de cada sistema.
Eppur
si muove
A
menudo se habla de que Galileo, después de renunciar a su creencia de que la
Tierra se mueve alrededor del Sol, murmuró: eppur si muove ("sin embargo,
se mueve"). La fuente más antigua de esto fue un siglo después de su
muerte, y es improbable que hubiera dicho algo tan provocador al alcance del
oído de la Inquisición.
Lo
publicó con el permiso de la Iglesia, con la condición de que no favorecería a
Copérnico. El censor papal insistió en un prefacio y una declaración final que
dijeran que el punto de vista de Copérnico se presentaba como hipótesis y
diciendo que Galileo podía cambiar la redacción mientras lo esencial siguiera
igual.
Éxito
editorial de 1610
Galileo
envió un ejemplar anticipado del Mensajero de las estrellas a la corte de
Florencia el 13 de marzo de 1610. Para el 19 de marzo, la tirada completa de
550 ejemplares se había agotado. El libro se tradujo a muchos otros idiomas de
inmediato, ¡y en menos de cinco años estaba disponible incluso en chino!
Los
cambios que Galileo hizo al prefacio, y el hecho de que el personaje en el
libro llamado Simplicio que apoya el modelo de Ptolomeo sea con claridad un
bobo, llevaron al papa Urbano VIII a creer que Galileo se estaba divirtiendo a
sus costillas y promoviendo el modelo de Copérnico. Llamaron a Galileo a Roma
para enfrentar juicio por herejía por "tener como cierta la falsa
doctrina enseñada por algunos de que el Sol es el centro del mundo".
Persuadieron a Galileo a declararse culpable para evitar la Inquisición y la
posible tortura. Estuvo de acuerdo en que había ido demasiado lejos al
presentar el caso a favor de Copérnico.Su castigo fue cadena perpetua, que al
final tomó la forma de arresto domiciliario en su propia casa desde 1634 hasta
su muerte en 1642.Durante los últimos años de su vida, Galileo escribió su
mayor obra: Discourses and Mathematical Demonstmtions Concerning Two
New Sciencies (Discursos y demostraciones matemáticas en torno a dos nuevas
ciencias).El primer libro de texto científico moderno expuso el método
científico y presentó explicaciones matemáticas o físicas para los fenómenos
que antes se manejaban empleando sólo las herramientas de la filosofía. El
libro se sacó de contrabando de Italia y se publicó en Leiden, Alemania, en
1638. Fue muy popular y prestigioso en todas partes excepto Italia.
§. Catalogar los cielos
La creación del telescopio permitió a los astrónomos hacer mapas mucho más
exactos de las estrellas. Impulsados por la rivalidad con los franceses, que
habían establecido un observatorio nacional bajo el control de la Academia
Francesa, la Real Sociedad de Londres presionó para que se fundara un
observatorio en Inglaterra.
Desfasado
El
Diálogo y de Revolutionibus de Copérnico continuaron en el índice de Libros
Prohibidos de la Iglesia católica, aún después de que se levantara en 1 758 la
prohibición general de los libros que enseñaban el heliocentrismo. Hasta una
fecha tan posterior como 1820, el censor de la iglesia se negó a dar permiso a
un libro que trataba el heliocentrismo como un hecho establecido. Una apelación
contra la decisión hizo que la anularan y tanto el libro de Galileo como el de
Copérnico se retiraron del índice en la siguiente publicación, en 1835. La
Iglesia católica al final pidió disculpas por la forma en que trató a Galileo,
pero no hasta 2000. El papa Juan Pablo II citó el juicio de Galileo entre otros
errores que se cometieron en los 2000 años previos que la Iglesia aceptó más
bien tardíamente.
El
Real Observatorio se estableció en Greenwich en 1675, con John Flamsteed
(1646-1719) como el primer Astrónomo Real (aunque entonces el título era
"Observador Astronómico "). Flamsteed pronto estuvo en
correspondencia con el joven Edmund Halley (1656-1742), entonces estudiante de
Oxford y ya un astrónomo muy bueno llevó consigo un telescopio de más de siete
metros de largo a la Universidad de Oxford. Halley escribió primero a
Flamsteed, sugiriendo correcciones al catálogo de estrellas que entonces estaba
en uso, y pronto se volvió en algo como un protégé de
Flamsteed, quien entonces estaba ocupado en hacer un nuevo catálogo de
estrellas del hemisferio norte. Halley propuso un estudio paralelo en el
hemisferio sur y pronto obtuvo la aprobación real. El padre de Halley la
financió, dando a su hijo una asignación que era tres veces el salario real de
Flamsteed.
Ver más y más
Conforme el poder de los telescopios continuaba mejorando, los astrónomos
podían revelar más y más sobre los misterios que intrigaron a los primeros
científicos. Galileo había descubierto los "oídos" de Saturno, los
cuales desaparecieron extrañamente unos años después.
Halley
como catalizador
Cuando
Halley visitó a Newton en Cambridge en 1684, los dos hablaron de una idea que
los astrónomos de alto nivel
En
1655, Huygens empezó a trabajar con su hermano Constantijn en un diseño
mejorado de telescopio que prevenía la aberración cromática (los bordes
coloridos alrededor de las imágenes). Luego dirigió su telescopio de 50
aumentos a Saturno. En 1652 descubrió la luna más grande de Saturno, Titán, y
cuatro años después vio que los "oídos " que Galileo había observado
en Saturno en realidad eran un anillo: "El planeta está rodeado por un
tenue anillo plano, que no toca ninguna parte y que está inclinado hacia la
eclíptica". Sin embargo, no estaba claro de qué estaba formado el anillo.
Al principio, los astrónomos supusieron que era sólido o líquido, pero en 1675
Giovanni Cassini descubrió un espacio en el sistema de anillos. Decidir la
naturaleza del anillo se puso como tema del Premio Adam de Ensayo en la
Universidad de Cambridge en 1855. Lo ganó James Clerk Maxwell, quien demostró
que una colección de diminutas partículas sólidas en órbita es la única
posibilidad, ya que todo lo demás sería inestable; sólo la distancia de la
Tierra a Saturno hacía que el sistema pareciera una masa continua. Se demostró
que Maxwell estaba en lo correcto en 1895, empleando técnicas espectroscópicas.
§. Lejos, muy lejos
Cassini es muy famoso por su trabajo sobre la distancia entre los planetas y el
tamaño del Sol. Antes de esto, los únicos cálculos de la distancia del Sol a la
Tierra fueron los que proporcionó Aristarco en 280 a.C.
Retorno
lento
El
cometa de Newton, el Gran Cometa de 1680, fue el primero en observarse con un
telescopio. Se ha determinado que volverá en alrededor de 11037. Newton empleó
sus mediciones de la trayectoria del cometa para poner a prueba las leyes de
Kepler.
Diagrama
de Newton de la órbita del cometa de 1680, mostrando su trayectoria parabólica.
El
trabajo de Copérnico hizo posible calcular las relaciones de las distancias de
cada planeta al Sol, pero no había una cifra con la cual calcular las
distancias absolutas. Una oportunidad perfecta se presentó en 1671 cuando el
Sol, la Tierra y Marte se alinearon y la distancia entre la Tierra y Marte
estuvo a su mínimo.Como director del Observatorio de París, que se inauguró ese
año, Cassini pudo enviar a un colega, Jean Richer, a Cayena en Sudamérica para
hacer observaciones, mientras él hacía sus propias observaciones en París. Como
el rey en ese tiempo era Luis XIV, el Rey Sol, el proyecto tuvo la aprobación
real. Sabiendo que 10 000 kilómetros separaban a París de Cayena, Cassini
empleó la trigonometría para calcular la distancia de Marte desde la Tierra,
luego aplicó las leyes del movimiento planetario de Kepler para deducir que el
Sol estaba a 138 millones de kilómetros de la Tierra.
La alineación del Sol, la Tierra y Marte dio a los astrónomos del siglo XVII
la oportunidad de calcular el tamaño del Sol y su distancia de la Tierra.
Esto
es sólo 9 por ciento menos que la cifra que se acepta en la actualidad de casi
150 millones de kilómetros. Cálculos posteriores revelaron que el Sol tiene 110
veces el tamaño de la Tierra. Después de la publicación de Principia de
Newton y su descripción de la gravedad, quedó claro que el Sol tiene alrededor
de 330 000 veces la masa de la Tierra.
Poner a los cometas en su lugar
La amistad entre Halley y Newton dio frutos en forma de una explicación del
movimiento de los cometas. Newton mostró en los Principia cómo
la trayectoria de un cometa se podía calcular a partir de tres posiciones
observadas durante un periodo de dos meses y compiló datos de 23 cometas. Sin
embargó, asumió que los cometas seguían una trayectoria parabólica, viniendo de
fuera del Sistema Solar, dando vuelta alrededor del Sol y dirigiéndose de nuevo
al espacio exterior (trayectoria que ahora se consideraría de un cometa no
periódico). Sin ganas de hacer los cálculos de los datos de su cometa, Newton
entregó las cifras a Halley. El también asumió que la trayectoria era
parabólica hasta que se dio cuenta de que la trayectoria del cometa de 1607
(observado por Kepler) era muy similar a la del cometa de 1680 que él había
visto. Después encontró que también concordaba con la trayectoria de un cometa
visto en 1531 y llegó a la conclusión de que los tres eran el mismo objeto, que
no seguía una trayectoria parabólica, sino una Tránsito de Venus órbita
elíptica muy amplia alrededor del Sol.
Tránsito
de Venus
Antes
de Cassini, el astrónomo inglés Jeremiah Horrocks (1618-1641) sugirió que
midiendo con exactitud la hora del tránsito de Venus (el paso del planeta a
través de la cara del Sol), desde diferentes lugares en la Tierra, sería
posible calcular la distancia Tierra Sol. Horrocks había observado el tránsito
de Venus en 1639, dos años antes de su muerte. El siguiente tendría lugar en
1761 y de nuevo en 1769. Halley popularizó la idea de emplear la triangulación
para calcular la distancia Tierra Sol, conocida como una unidad astronómica
(UA), la cual se podría utilizar para calcular el tamaño del Sistema Solar como
se conocía entonces. La triangulación es una forma de calcular la posición de
algo, midiendo el ángulo que forma desde dos puntos fijos separados por una
distancia conocida. El método se empleaba tradicionalmente para medir la altura
de los edificios e incluso de montañas.
Halley murió 19 años antes de que tuviera lugar el siguiente tránsito y, por lo
tanto, les quedó a otros poner su idea en práctica. Conforme se aproximaba la
fecha, los astrónomos salieron a expediciones alrededor del mundo para
registrar las horas. El tránsito demostró ser muy difícil de medir en forma
exacta y confiable, pero al juntar las diferentes partes del globo, llegaron a
una cifra de alrededor de 153 millones de kilómetros. Por lo tanto, para
finales del siglo XVIII, los astrónomos tenían una idea realista del tamaño del
Sistema Solar. Se habían puesto las bases para la era moderna de la astronomía,
una era en la que se pondría énfasis en la mayoría de los cuerpos celestes
distantes.
Durante un tránsito de Venus, el planeta parece como una pequeña mancha negra
diminuta que pasa frente al Sol.
Halley
predijo la reaparición del mismo cometa en 1758, después de calcular un periodo
de vuelta de 76 años. El cometa, que en la actualidad se conoce como cometa
Halley, reapareció como estaba previsto el día de Navidad de 1758, 16 años
después de la muerte de Halley.
El cometa Halley en la historia
El cometa Halley se pudo documentar ya desde 467 466 a.C., tanto en la Antigua
Grecia como en China. Un meteoro del tamaño de una "carga de carreta
" que cayó mientras el cometa estaba en el cielo se mantuvo como
curiosidad y atracción en Grecia por 500 años. El primer registro cierto del
cometa Halley es chino, de la aparición en 240 a.C. La siguiente observación,
en 164 a.C., se registró en una tablilla de arcilla babilónica. Monedas que
muestran al rey armenio Tigranes el Grande parecen mostrar al cometa Halley en
su corona, registrando su aparición en 87 d.C. Tuvo su mayor aproximación en
837 d.C., a una distancia de sólo 0.03 AU, cuando su cola pudo haberse
extendido hasta 60 grados a través del cielo. El cometa Halley se ilustra en el
tapiz Bayeux, y tal vez en La adoración de los magos de
Giotto, como la estrella de Belén (la cual es probable que no fuera, ya que
apareció en 12 a.C.).
El tapiz Bayeux muestra al cometa Halley apareciendo en 1066 cuando se le
tomó como presagio.
El
cometa apareció en forma espectacular en 1910, con una aproximación más o menos
cercana de 0.15 AU. Se le fotografió por primera vez y se estudió su cola
mediante espectroscopia (método para analizar la composición química de un
cuerpo gaseoso al estudiar el patrón característico de las líneas espectrales
que produce). Su espectro reveló (entre otras cosas) que la cola contenía gas
tóxico cianógeno. Esto impulsó al astrónomo Camille Flammarion (1842-1925) a
decir que pasar por la cola "tal vez mataría a toda la vida (en la
Tierra)". Como resultado, timaron al público para que gastara una fortuna
en máscaras de gas, "píldoras anticometa " y "paraguas
anticometa".
El primer paso del cometa Halley en ser fotografiado, 1910.
El
cometa da y el cometa quita
"Llegué
con Cometa de Halley en 1835. Vuelve de nuevo el próximo año y espero irme con
él. Será la más grande desilusión de mi vida si no me marcho con el Cometa
Halley. Sin duda, el Todopoderoso ha dicho: 'Aquí están dos fenómenos
inexplicables; vienen juntos, se deben ir juntos"'.
Mark Twain, autobiografía, 1909
Twain nació el 30 de noviembre de 1835, exactamente dos semanas después de que
el cometa Halley tuviera su mayor aproximación al Sol (perihelio). Murió el 21
de abril de 1910, el día que siguió al siguiente perihelio del cometa.
No
es necesario decir que la vida en la Tierra sobrevivió al encuentro.La vuelta
del cometa en 1994 provocó no sólo fotografía, desde la Tierra, sino una
inspección de cerca en el espacio por parte de dos sondas, Giotto y Vega. Estas
descubrieron que el cometa tiene la forma parecida a un cacahuate, tiene 15 km
de largo y 8 km de ancho, con una coma (o atmósfera) de 100 000 km de diámetro.
La coma se forma cuando monóxido de carbono y bióxido de carbono sólidos en su
superficie se convierten en gas (se subliman) con los rayos del Sol. Se piensa
que el cometa Halley está compuesto por pequeños pedazos, llamados "pila
de escombros", que se mantienen unidos sin mucha rigidez. Giran como
cuerpo más o menos cada 52 horas. Las dos sondas hicieron el mapa de alrededor
de una cuarta parte de la superficie del cometa, encontrando colinas, montañas,
riscos, depresiones y un cráter.
Espectroscopia: Una nueva forma de ver
Al final del siglo XIX, surgió una forma totalmente nueva de observar las
estrellas, al estudiar su espectro, empleando una técnica llamada
espectroscopia. Mientras la luz pasa por un gas, algunas longitudes de onda se
absorben, dejando un patrón característico de líneas espectrales.
Espectro de estrella variable de la constelación Corona Boreal, 1877.
Cada
gas crea su patrón espectral único. Por lo tanto, al analizar la luz de una
estrella es posible deducir su composición química. El astrónomo estadunidense
Henry Draper (1837-1882), pionero de la astrofotografía, fue el primero en
fotografiar el espectro de una estrella, en 1872. Sus fotografías de Vega
mostraron líneas espectrales claras. Tomó más de 100 fotografías del espectro
de la estrella antes de su muerte en 1882. En 1885, Edward Pickering
(1846-1919) levantó la batuta y empezó a supervisar el uso a gran escala de la
espectroscopia fotográfica como director del Observatorio del Colegio de
Harvard para producir un catálogo estelar detallado.La viuda de Draper estuvo
de acuerdo en donar fondos para la empresa, y se inició la ambiciosa
catalogación que a la larga " produciría el Catálogo Henry Draper. La
primera publicación fue el Draper Catalogue of Stellar Spectra
(Catálogo Draper de espectros estelares) en 1890, la cual clasificaba
10 351 estrellas.Pickering se sintió frustrado por la competencia de sus
asistentes de sexo masculino y declaró que su sirvienta podía hacer un mejor
trabajo. Su sirvienta era una mujer escocesa, Williamina Fleming (1857-1911),
la cual había emigrado con su marido, pero luego éste la abandonó mientras
estaba embarazada. Había ido a trabajar para Pickering con el fin de sostenerse
ella y su hijo.
Williamina Fleming
Fleming
se encargó de la tarea de catalogar y clasificar las estrellas; elaboró un
sistema en el que les asignaba una letra de acuerdo a cuánto hidrógeno hay en
su espectro (con A para la mayoría). En nueve años, Fleming catalogó más de 10
000 estrellas. Ella descubrió 59 nebulosas gaseosas, más de 310 estrellas
variables, 10 novas y la nebulosa Cabeza de Caballo. Pickering la puso a cargo
de un equipo numeroso de mujeres a las que llamó "computadoras ", a
quienes empleó para llevar a cabo los cálculos necesarios que implicaban
clasificar y catalogar las estrellas (a las mujeres se les pagaba sólo 25 50
centavos por hora, menos de lo que recibían las secretarias en ese
tiempo).Fleming y varias mujeres más del equipo, entre ellas Henrietta Swan
Leavitt (1868-1921) y la sobrina de Henry Draper, Antonia Maury (1866-1952), se
convirtieron en respetadas astrónomas por derecho propio.
Paralaje
Puedes ver cómo el principio del paralaje funciona sosteniendo un lápiz frente
a la cara y mirándolo primero sólo con el ojo izquierdo y luego sólo con el ojo
derecho. El lápiz parece moverse en relación con el fondo, ya que cada ojo lo
ve desde una posición un poco diferente.
Otra
de las "mujeres de Pickering" fue Annie Jump Cannon (1863-1941),
quien mejoró el sistema de Fleming e introdujo la clasificación de las
estrellas basada en la temperatura.
Annie Jump Cannon
A
diferencia de Fleming, Cannon tenía un título en física y ya estaba estudiando
astronomía cuando comenzó a trabajar para Pickering. Era sorda casi por
completo después de un ataque de escarlatina, sin embargo fue ella quien
negoció cuando Maury y Fleming discutieron sobre métodos de clasificación. El
nuevo método de Cannon clasificaba a las estrellas como O, B, A, F, G, K, M,
sistema conocido como el esquema de clasificación espectral Harvard que todavía
se emplea en la actualidad. Un refinamiento del esquema, llamado el sistema
Morgan Keenan, complementa cada letra con los números 0-9 para afinarlo, y
añade los números romanos I a V para indicar luminosidad, pero el sistema de
Cannon continúa en el fondo. Cannon más tarde asumió el proyecto de catalogación.
Con todos sus complementos, el catálogo Draper ha registrado y clasificado
359.083 estrellas. Cannon en persona clasificó 230.000 estrellas, más que todos
los astrónomos previos juntos. Fue la primera mujer a la que se le otorgara un
doctorado honorario de la Universidad de Oxford y la primera mujer en ser
elegida directiva de la Sociedad Astronómica Estadunidense.
Examen del vacío
El método de triangulación que Cassini empleó en el siglo XVII para calcular la
distancia a Marte se podría emplear, con destreza, para calcular la distancia a
las estrellas cercanas. Significa emplear las posiciones de la Tierra con seis
meses de separación, es decir, a ambos lados del Sol, para proporcionar la
línea base para la triangulación. Como la distancia Tierra Sol es de una AU,
esta línea de base será de dos AU de ancho, una distancia lo bastante grande
para las mediciones exactas que se requieren.Durante este tiempo se verá que
una estrella cercana ha cambiado de posición al compararla con las estrellas
del fondo más lejanas (método conocido como paralaje.).Huygens antes había
tratado de calcular la distancia de Sirio a la Tierra al comparar su brillantez
con la del Sol. Decidió que, si se supone que Sirio es tan brillante como el
Sol, estaría 27.664 veces más lejos. Era una tarea difícil, ya que tenía que
comparar sus observaciones del Sol realizadas en el día con sus observaciones
de Sirio visto en la noche.Aunque el principio de medir el movimiento aparente
de una estrella a través del cielo para calcular su distancia es sensato, la
técnica era difícil y requería equipo que tan sólo no estaba disponible para
los primeros astrónomos.
El satélite Hiparco, empleado para medir los paralajes de más de IDO 000
estrellas.
La
primera distancia estelar exacta descubierta por paralaje la calculó el
científico alemán Friedrich Bessel (1784-1846) el cual, en 1838, determinó una
distancia de 10.3 años luz para 61 Cygni. De hecho, un escocés, Thomas
Elenderson (1798-1844), ya había medido la distancia a Alfa Centauro en 1832,
pero no publicó sus resultados hasta 1839. Al conocer la distancia a una
estrella, se hace más o menos sencillo invertir las ecuaciones de Huygens para
calcular su brillo.Sin embargo, las herramientas disponibles todavía no estaban
en verdad a la altura de dicha tarea. Las mediciones se tenían que hacer con la
vista y la fotografía todavía se tenía que inventar. Para 1900, sólo se habían
medido 60 paralajes. Con la llegada de la fotografía, el proceso se pudo
acelerar en forma drástica y los siguientes 50 años produjeron 10 000 paralajes
más. Entre 1989 y 1993, el satélite Hiparco, de la Agencia Europea del Espacio,
midió los paralajes de 118.000 estrellas y el catálogo Tycho 2 de la misma
misión proporciona datos de más de dos y medio millones de estrellas en la Vía
Láctea.
Telescopios
en el espacio
El
Telescopio Espacial Hubble, lanzado con el trasbordador espacial en 1990 y
nombrado en honor al famoso astrónomo, es un telescopio óptico en órbita
alrededor de la Tierra.
La imagen de Hubble de dos galaxias que se están acercando por la mutua
atracción gravitacional.
Como
está en el espacio, produce imágenes de extrema claridad, casi sin
interferencia de la luz de fondo, ni distorsión por la atmósfera de la Tierra.
Los telescopios espaciales se propusieron por primera vez en 1923, mucho antes
de que fuera posible construir uno.
Para
las estrellas muy distantes, el paralaje es de poco uso Henrietta Swan Leavitt,
miembro del equipo de "computadoras" femeninas de Henry Pickering,
elaboró otro método, que emplea datos de las estrellas llamadas cefeidas. Las
cefeidas varían en intensidad, pulsando a intervalos que van de un día a
cientos de días. Una vez que se había calculado la distancia a la cefeida, la
ecuación de Leavitt que relacionaba periodo luminosidad con distancia,
significaba que se podía deducir la distancia a otras cefeidas. De repente, las
distancias en la Vía Láctea, e incluso fuera de ella, se volvieron claras, y se
descubrió que el Universo era mucho más grande de lo que se había pensado.En
1918, el astrónomo estadunidense Harlow Shapley (1885-1972) empleó el método de
cefeidas para estudiar cúmulos globulares, que pensaba que estaban dentro de la
Vía Láctea. Se dio cuenta de que la Vía Láctea era mucho más grande de lo que
se había pensado antes y que el Sistema Solar no estaba ni siquiera cerca del
centro, como se había supuesto. En el invierno de 1923-1924, el astrónomo Edwin
Hubble (1989-1953) encontró cefeidas fuera de la Vía Láctea, en la galaxia de
Andrómeda, y pudo calcular la distancia a la galaxia en alrededor de un
millón de años luz (esta cifra era baja, en realidad es de alrededor de dos y
medio millones de años luz).
Bandas de estrellas
El ingeniero químico danés Ejnar Hertzsprung (1873-1967) estaba estudiando
astronomía y fotografía en su tiempo libre cuando descubrió una relación entre
el color de una estrella y su brillo.
Ejnar Hertzsprung
Aunque
Hertzsprung al final se convirtió en un renombrado astrónomo profesional,
todavía era un aficionado cuando publicó sus resultados en 1905 y en 1907 en
una publicación fotográfica de poca importancia. Su descubrimiento pasó sin que
lo notaran los astrónomos profesionales. El astrónomo estadunidense Henry
Norris Russell (1877-1957) también notó la relación entre el brillo y el color
de las estrellas, pero publicó su descubrimiento en una publicación astronómica
más conocida en 1913. Además, Russell trazó sus resultados como gráfica. La
contribución de Hertzsprung se reconoció pronto y la gráfica se conoce en la
actualidad como diagrama Hertzsprung-Russell.
Diagrama de Hertzprung-Russell que muestra el brillo (eje y) y temperatura
(eje x) de las estrellas; el color cambia con la temperatura.
El
color de una estrella, o con más precisión la longitud de onda de la luz
que emite, es una indicación de su temperatura. Sin embargo, el
brillo general de una estrella depende también de su tamaño.
Henry Russel y Arthur Eddington
Al
igual que un calentador de habitación puede emitir más calor que un cerillo
encendido (mucho más caliente), el tamaño de una estrella es igual de
importante que su temperatura. Así, una estrella gigante roja puede emitir
mucha más energía que una pequeña estrella azul, a pesar de que la temperatura
de la superficie de la estrella azul sea más alta. La información del diagrama
Hertzsprung Russell dio a los astrónomos el primer atisbo de lo que podría
estar sucediendo dentro de las estrellas.
Espectrómetro de masas, empleado para medir isótopos estables de carbono y
oxígeno.
§.
La vida secreta de las estrellas
Arthur Eddington, el astrónomo británico que dirigió la expedición para
observar el eclipse solar en 1917 que confirmó la teoría de la relatividad de
Einstein, dio el primer vistazo a lo que podría estar sucediendo en el interior
de una estrella. Al combinar la información del diagrama de Hertzsprung Russell
y la masa conocida de algunas estrellas, encontró que las estrellas más grandes
son las más brillantes. Esto tiene sentido. Con el fin de impedir que la
gravedad jale a la estrella hacia sí misma, debe producir y emitir mucha
energía. Entre mayor sea la masa, mayor el jalón de la gravedad y más energía
necesita para resistirse. Pronto descubrió que sin importar el tamaño y la
temperatura superficial, la temperatura interna de todas las estrellas de la
secuencia principal es más o menos la misma. También se dio cuenta de que el
combustible que proporciona la energía para una estrella debe ser nuclear (no
hay otra forma de que una estrella pueda tener un suministro de combustible lo
bastante grande para continuar ardiendo por miles de millones de años).La
primera sugerencia fue que la energía del Sol surgía de isótopos radiactivos
como radio, pero la vida media del radio es demasiado corta.
Equipo de Wilsing y Scheiner para tratar de detectar ondas de radio del Sol.
El
avance importante surgió del trabajo realizado por el Centro de Investigación
Atómica de Cavendish, en Cambridge, Inglaterra. En 1920 el químico y físico
británico Francis Aston (1877-1945) empleó un espectrómetro de masas para medir
la masa del hidrógeno y del helio. El núcleo de hidrógeno tiene un protón,
mientras que el núcleo de helio tiene dos protones y dos neutrones.
"Una
estrella está recurriendo a alguna vasta reserva de energía por medios
desconocidos para nosotros. Esta reserva difícilmente puede ser otra que la
energía subatómica la cual, como se sabe, existe en forma abundante en toda la
materia; a veces soñamos que el hombre un día aprenderá a liberarla y a usarla
para su servicio. La provisión es prácticamente inagotable, si sólo se puede
explotar. Hay suficiente en el Sol para mantener su producción de calor por 1.5
miles de millones de años".
Arthur Eddington, 1920
Aston
descubrió que cuatro núcleos de hidrógeno tienen una masa un poco mayor que un
núcleo de helio. Eddington sabía que el hidrógeno y el helio eran por mucho los
elementos más abundantes en el Sol.Con el conocimiento del trabajo de Einstein,
Eddington fue capaz de aplicar la ecuación E=mc 2 al
Sol y deducir que su energía procedía de la fusión nuclear, de que se fundiera
el hidrógeno en helio en el centro del Sol. La ligera diferencia en masa que
Aston había notado se convertiría en energía.Igual que la fisión nuclear
transforma elementos más pesados en elementos más ligeros mediante la
desintegración del núcleo, la fusión nuclear transforma elementos más ligeros
en elementos más pesados por la combinación de núcleos. El enorme volumen de
gas involucrado significaba que había suficiente energía liberándose para dar
energía al Sol por miles de millones de años. Más adelante se dieron cuenta de
que todos los elementos aparte de hidrógeno, helio y algo de litio se formaban
por fusión dentro de las estrellas o supernovas.
Escuchar el vacío
Aunque ya manejamos distancias y números de estrellas inimaginables para los
primeros observadores de estrellas, todavía hay más que no podemos ver con
telescopios ópticos, incluso con los anclados en el espacio. Pero al usar las
partes no visibles del espectro electromagnético, como las ondas de radio, ha
sido posible investigar aún con mayor profundidad en el cosmos.Tal vez los
orígenes de la radioastronomía se encuentren en el inventor y empresario Thomas
Edison (1847-1931), quien sugirió en una carta escrita en 1890 que él y un
colega podrían construir un receptor para captar ondas de radio del Sol. Si
hubiera construido alguna vez un dispositivo así, por desgracia no hubiera
detectado ondas de radio del espacio. El físico británico sir Oliver Lodge
(1851-1940) en realidad construyó un detector, pero no pudo encontrar evidencia
alguna de ondas de radio del Sol en 1897-1900.Los primeros científicos en
examinar el tema a profundidad fueron los astrónomos Johannes Wilsing (1856-1943)
y Julius Scheiner (1858 1913), que trabajaban en Alemania. Llegaron a la
conclusión de que la radioastronomía falla porque el vapor de agua en la
atmósfera absorbe las ondas de radio.Un estudiante graduado francés, Charles
Nordman, razonó que si la atmósfera estaba bloqueando las ondas de radio del
espacio, lo mejor era que pusiera su antena en algún lugar alto para tratar de
ponerse encima de ella. La llevó a lo alto del Mont Blanc. También Nordman no
pudo captar ondas de radio del Sol, pero en su caso fue por mala suerte.
Nikola
Tesla (1856-1943)
Nikola
Tesla nació en el Imperio austrohúngaro, en un área que ahora es parte de
Croacia. Dejó la universidad dos veces y cortó todos los vínculos con su
familia y amigos (sus amigos creían que se había ahogado en el río Mura). En
1884 se trasladó a Estados Unidos.
En 1904, la Oficina de Patentes de Estados Unidos le quitó la patente a Tesla
por la radio y se la dio en su lugar a Marconi; a Marconi le otorgaron el
Premio Nobel por la invención de la radio en 1909. Después de peleas con
Marconi y con Eddington, y de la demolición de su estación inalámbrica
Telefunken, en Long Island, realizada por la marina, por si estuviera
empleándola para espiar durante la Primera Guerra Mundial, la suerte de Tesla
empeoró. Se obsesionó cada vez más con el número tres y con las palomas.
El último clavo en el féretro de su reputación fue su campaña para su llamado
"rayo de la muerte" que, afirmaba, "envía rayos concentrados de
partículas por el aire libre, de energía tan tremenda que harán caer a una
flota de 10 000 aviones enemigos a una distancia de 320 kilómetros y causará
que los ejércitos caigan muertos ahí mismo". Tesla vivió los últimos diez
años de su vida en el hotel New Yorker. Cuando murió, el gobierno de Estados
Unidos incautó dos camiones llenos con sus papeles como riesgo de seguridad.
Su
equipo hubiera funcionado en un momento de máximo solar, cuando las ondas de
radio se emiten a niveles pico. Por desgracia, 1900 fue un periodo de mínimo
solar y, por lo tanto, no detectó nada.
Foto del telescopio Hubble de Sagitario, fuente de la señal de radio
detectada por Jansky.
Pero
la obra de Max Planck sobre radiación de cuerpo negro y de cuantos de luz
reveló otro problema. Prediciendo con las ecuaciones de Planck la cantidad de
radiación recibida del Sol que debería caer en la parte de ondas de radio del
espectro (longitud de onda de 10 100 cm), quedó claro que la radiación debía
ser muy débil (demasiado débil para que se detectara con el equipo disponible
en ese tiempo). Un golpe más llegó en 1902, cuando los ingenieros eléctricos
Oliver Heaviside (1850-1935) y Edwin Kennelly (1861-1939) predijeron la
existencia de la ionosfera, una capa de partículas ionizadas en la atmósfera
superior que podría reflejar las ondas de radio (sin embargo, esta capa ha
tenido usos importantes como ayuda para la comunicación de radio. Al hacer rebotar
las ondas de radio en la ionosfera es posible trasmitir señales a largas
distancias). Estas conclusiones decepcionantes parecen haber desalentado el
entusiasmo por la búsqueda, y no se produjeron más intentos de detectar señales
de radio del espacio por 30 años.
Antena de radiotelescopio en el centro de astronomía de Yebes, España.
El
avance sensacional tuvo lugar en 1932, cuando el ingeniero de radio
estadunidense Karljansky (1905-1950) estaba empleado en la compañía telefónica
Bell, en Nueva Jersey, Estados Unidos, para investigar interferencias de
estática de radio en su servicio telefónico transatlántico.
Los restos de la supernova SN 1006, producidos por la explosión de una
enorme estrella hace unos 7000 años.
Empleando
una antena direccional grande, Jansky encontró una señal de origen desconocido
que se repetía cada 24 horas. Sospechó que procedía del Sol, pero se dio cuenta
de que la repetición era en realidad cada 23 horas y 56 minutos (menos de la
duración de un día). Un amigo astrofísico, Albert Skellett, dijo que parecía
proceder de las estrellas. Empleando mapas astronómicos, identificaron la Vía
Láctea como la fuente y, más en particular, el centro de la galaxia, alrededor
de la constelación de Sagitario, ya que el máximo de esta señal coincidía con
la aparición de esta constelación. Jansky sospechaba que la señal procedía de
polvo o gas interestelar en el centro de la galaxia. Deseaba continuar su
trabajo en ondas de radio de la Vía Láctea, pero sus patrones lo pasaron a otro
proyecto y tuvo que abandonar su investigación. Su único gran descubrimiento
marcó el inicio y el final de su carrera en astronomía. El trabajo de Jansky
inspiró al astrónomo aficionado estadunidense Grote Reber (1911-2002), el cual
construyó un radiotelescopio parabólico en el jardín en 1937 y llevó a cabo la
primera inspección del cielo en frecuencias de radio.
Pequeños
hombres verdes
El
primer nombre que se dio a los pulsares fue Pequeños Hombres Verdes por una
sugerencia de que los pulsos representaban radiotransmisiones intencionales de
una forma de vida extraterrestre. Causó tal alarma que las autoridades
universitarias consideraron mantener en secreto el descubrimiento. Entonces
Jocelyn Bell descubrió otro pulsar, demostrando que era un fenómeno natural.
Las
ondas de radio del Sol fueron las primeras descubiertas en 1942 por James Hey
(1909-2000), oficial de investigación del ejército británico. La
radioastronomía ya se estaba volviendo respetable: Los radioastrónomos Martin
Ryle (1918-1984) y Antony Hewish (1924 ) de la Universidad de Cambridge
hicieron el mapa de las fuentes de radio del cielo a principios de la década de
1950, produciendo los sondeos 2C y 3C (Segundo y Tercer Catálogos de Cambridge
de Fuentes de Radio).En la actualidad, los radiotelescopios a menudo se
disponen en series, sus antenas apuntando a la misma área del cielo y se reúnen
los datos de todos ellos. Cada telescopio tiene un gran plato de recolección
que enfoca las ondas de radio recibidas en la antena. Empleando una técnica
llamada interferometría, creada por Ryle y Hewish, los datos de cada antena se
combinan (o "interfieren"). Las señales coincidentes se refuerzan
unas a otras, mientras que las señales conflictivas se cancelan. El efecto es
lograr el poder colector de un solo plato gigante. Para minimizar los problemas
de la ionosfera y del vapor de agua atmosférico, los mejores sitios para los
radiotelescopios a menudo están ubicados en grandes alturas de regiones áridas.
Maarten Schmidt
Aunque
los radiotelescopios se pueden emplear para investigar el Sol y los planetas
del Sistema Solar, han sido más útiles al explorar objetos tan distantes que no
se pueden ver en absoluto, usando telescopios ópticos. Ha llevado a
descubrimientos importantes como cuásares y pulsares.
Cuásares: Poderosos y remotos
Cuásar es la abreviatura de "objeto cuasiestelar" en inglés. Los
cuásares son objetos con mucha energía que tienen un desplazamiento muy grande
al rojo, lo que significa que están en extremo alejados. Existen 200 000
cuásares conocidos, todos entre 780 millones y 28 miles de millones de años luz
de distancia, lo que los hace los objetos más distantes de los que tenemos
algún conocimiento. Los primeros cuásares se descubrieron a finales de la década
de 1950 y los describió el astrónomo holandés Maarten Schmidt (1929) en 1962.
Las enormes ráfagas de radiación de los cuásares pueden ser producto de la
liberación de energía gravitacional cuando la materia cae hacia un enorme hoyo
negro.
Pulsares:
Rayos giratorios de poder
Un
pulsar es un cuerpo estelar giratorio muy magnetizado. Se forma cuando se
agotan los recursos de combustible de una estrella enorme y su centro se
colapsa a un cuerpo increíblemente denso llamado estrella de neutrones. Se
llama así al pulsar porque mientras gira emite radiación muy direccional que
sólo se puede observar cuando apunta justo a la Tierra (creando un pulso algo
similar al rayo de un faro que destella a través del mar). Los intervalos entre
los pulsos van de 1.4 milisegundos a 8.5 segundos. La velocidad disminuye hasta
que al final se acaba después de un periodo de 10 100 millones de años, así que
la mayoría de los pulsares que se hayan formado (99 por ciento) ya no están
pulsando.
Una estudiante de doctorado de 24 años de edad, Jocelyn Bell (ahora dame
Jocelyn Bell Burnell) descubrió el primer pulsar en 1967. De manera polémica,
fue .su supervisor Antony Hewish quien recibió el Premio Nobel (en 1974) por el
descubrimiento, y no ella. Observaciones en 1974 de un pulsar en un sistema
binario (en el cual un pulsar gira alrededor de una estrella de neutrones, con
un periodo orbital de ocho horas) proporcionó la primera evidencia de ondas de
gravedad, con firmando otra parte de la teoría general de la relatividad de
Einstein.
Hasta
diez por ciento de esta masa se convierte en energía que puede escapar antes
del horizonte de sucesos.La fusión nuclear que actúa en las estrellas podría no
producir suficiente energía para hacer que un cuásar resplandezca con
suficiente brillo (con luz visible y otras formas de radiación
electromagnética) para que se detecte desde la Tierra a distancias tan vastas.
La explosión de una supernova podría producir suficiente energía para que se
vea por unas cuantas semanas, pero un cuásar persiste. Para que los cuásares
más distantes sean visibles, deben ser dos billones (2 × 1012) de
veces más brillantes que el Sol.
Izquierda: Jocelyn Bell Burnell. Derecha: Cuando un pulsar gira, sus
emisiones radiactivas sólo se pueden detectar desde la Tierra en pulsos.
O lo
eran, ya que esos objetos están a miles de millones de años luz de distancia,
así que los estamos viendo cuando estaban cerca del inicio del Universo.
Arriba, arriba y lejos
Nuestra comprensión de la astronomía y de la física del espacio ha cambiado
bastante durante todo el siglo XX. Pero tal vez el avance más importante fue el
unir el tiempo y el espacio en un solo concepto; el continuo espacio tiempo,
como se comenta en el siguiente capítulo.
Capítulo 7
Continuación del espacio-tiempo
Una estrella distorsiona el continuo espacio-tiempo, creando un efecto
gravitatorio.
Contenido:
§.
Breve historia del tiempo
§. Todo es relativo
§. De vuelta al principio
§. Del huevo cósmico al Big Bang
Por
miles de años, observar el espacio y maravillarse por su extraña geografía fue
sólo eso: Era ver hacia afuera, tratar de ver cómo estrellas y planetas, el Sol
y la Luna se relacionaban con la Tierra. Los movimientos del Sol y la Luna
fueron el reloj celeste de la humanidad, midiendo horas, días, meses y años; al
espacio y al tiempo se les consideraba como conceptos separados. Sin embargo,
desde principios del siglo XX empezó a cambiar nuestra relación con espacio y
tiempo. Después de Einstein, quedaron entrelazados como él continuo
espacio-tiempo, y el estudio del espacio se concentró no sólo en “lo que está
allá afuera”, sino en el pasado y el posible futuro de nuestro Universo.
§. Breve historia del tiempo
Aunque es fácil ver el paso de los días, la pauta de todo un año sólo se vuelve
evidente con registros y conteo. La evidencia más antigua de personas que
seguían la pista al tiempo se remonta a alrededor de 20 000 años.Las
matemáticas y el conocimiento astronómico inicial tal vez surgieron juntos, mientras
la gente aprendía a seguir y a predecir los movimientos de los cuerpos
celestes.
Clepsidra, empleada para medir el tiempo en la Antigua Grecia; los relojes
de agua se han empleado por miles de años.
Medir
el transcurso de un día se lograba al principio empleando un gnomon, un objeto
como el puntero de un reloj de sol que proyecta una sombra para seguir la pista
al avance del Sol a través del cielo. Por milenios, se mantuvo como la mejor
-guía del paso del tiempo.
"Mi
alma anhela saber este enigma de lo más enredado.
Te confieso, ¡oh, señor!, que todavía soy ignorante de lo que es el
tiempo".
San Agustín
Luego,
en el siglo XVII, Galileo comparó una lámpara que se balanceaba con su propio
pulso y descubrió el movimiento regular de un péndulo. El péndulo siempre
requiere el mismo tiempo para balancearse; conforme disminuye el arco, también
se reduce el movimiento del péndulo para mantener regular el intervalo. Galileo
diseñó un reloj de péndulo, pero nunca hizo uno. Fue Christiaan Huygens quien
construyó el primer reloj de péndulo en 1656. Más adelante, Robert Hooke empleó
la oscilación natural de un resorte para controlar el mecanismo de un reloj. La
medición del tiempo por medios mecánicos siguió siendo la norma hasta 1927,
mientras el ingeniero de telecomunicaciones Warren Marrison, nacido en Canadá,
trabajaba en los laboratorios telefónicos Bell, en Nueva Jersey. Descubrió que
podía medir el tiempo con exactitud empleando las vibraciones de un cristal de
cuarzo en un circuito eléctrico.
Mañana, mañana y mañana
Los relojes miden el tiempo lineal, lo cual es muy conveniente para las vidas
humanas, pero puede no representar toda la historia. Buda y Pitágoras
sugirieron en alrededor de 500 a.C., la idea de que el tiempo pudiera no ser
lineal. Creían que el tiempo podía ser cíclico y que un ser humano, después de
morir, podía renacer. Platón pensó que el tiempo se creó al inicio de todo.
Pero para Aristóteles, el tiempo sólo existía donde había movimiento.
El mecanismo del reloj proporcionó la primera forma de decir el tiempo con
exactitud.
Una
aparente paradoja, propuesta por el filósofo Zenón (aprox. 490-430
a.C.), parece mostrar que no pueden existir el tiempo, ni el movimiento. Si
dividimos el tiempo en porciones cada vez menores, la distancia viajada por una
flecha en movimiento se vuelve cada vez más corta hasta que, en el instante de
“ahora”, la flecha no se mueve.
"...tiempo
absoluto, verdadero, matemático por su propia naturaleza, fluye con ecuanimidad
sin relación con nada externo".
Isaac Newton
Pero
en ese caso, no puede existir, ni moverse en absoluto, ya que el tiempo está
formado por un número infinito de “ahoras” en los que ningún movimiento tiene
lugar. El filósofo cristiano San Agustín (354-430 d.C.) llegó a la conclusión
de que el tiempo no existe a menos de que haya una inteligencia que observe, ya
que es sólo el recuerdo de las cosas pasadas y la expectación de eventos
futuros lo que da al tiempo cualquier existencia fuera del presente.
San Agustín
El
matemático francés Nicolás Oresme (1323-1382) preguntó si el tiempo celeste, el
tiempo medido por el movimiento de los cuerpos celestes, era proporcional; es
decir, si había una unidad en que se pudieran medir en números enteros todos
sus movimientos. Sugirió que un creador inteligente con seguridad los haría
así, pero se detuvo antes de encontrar que la falta de una medición común
significa que no hay Dios.
Unir espacio y tiempo
Nuestra experiencia personal del tiempo es simple. El tiempo se mueve del
pasado a través del presente hacia el futuro, sin oportunidad de volver atrás,
saltar hacia adelante o congelarse. Se mueve a una velocidad constante en una
dirección. Es poco sorprendente que por milenios supusiéramos que era ésta la
naturaleza misma del tiempo. Pero tal vez no lo es.
§. Todo es relativo
Todo movimiento es relativo a la posición o movimiento del observador. Por lo
tanto, podrías caminar cruzando la habitación, y alguien parado en la misma
habitación juzgará que tu velocidad es de alrededor de 5 km por hora. Tanto tú
como el observador están en realidad en un globo que gira, moviéndose por el
espacio a casi 30 km por segundo, pero sólo tu movimiento a través de la
habitación se puede notar. Sin embargo, un observador en un planeta distante
(con un buen telescopio), también verá el giro y el movimiento del globo
(Cableo se dio cuenta de esto, aunque él hablaba de una persona en un barco, a
la que ve un espectador desde la playa, más que un extra-terrestre con un
telescopio). Por lo tanto, la velocidad a la que se mueve un objeto depende del
marco de referencia; el movimiento sólo se puede medir en relación con otros
objetos u observadores. El marco de referencia puede ser la misma habitación,
el mismo barco, el mismo planeta o la misma galaxia.
Llevar
la gravedad a los extremos: Hoyos negros
Los
hoyos negros son "singularidades" en el espacio-tiempo. Existen áreas
donde la gravedad es tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar, y todo
lo que pasa demasiado cerca es absorbido. Los hoyos negros pueden formarse
cuando las estrellas se colapsan en ellas mismas para volverse muy pequeñas, en
algunos casos no mayores al núcleo de un átomo, y excesivamente densas. La
velocidad de escape que se requiere para dejar un hoyo negro es mayor a la
velocidad de la luz. El tamaño de un hoyo negro se mide por su horizonte de
sucesos, el límite donde nada puede escapar. Aunque un astronauta que cae en un
hoyo negro puede no notar nada inusual mientras cruza el horizonte de sucesos,
un observador desde el exterior verá que el tiempo para esa persona se hace más
lento. Ubicado en el borde del horizonte de sucesos, aparecen congelados en el
tiempo.
Dos personas sugirieron por primera vez el concepto de hoyos negros (aunque no
el nombre) en forma independiente: Pierre Simón Laplace en 1795; y antes de él,
el filósofo inglés John Michell (1724-1793) en 1784.
Michell llamó "estrella oscura" al fenómeno de una estrella tan densa
y con un jalón gravitacional tan feroz que la luna no podía escapar. El físico
alemán Kari Schwarzschild (1873-1916) revivió la idea poco antes de su muerte
en 1916, cuando calculó los campos gravitacionales de estrellas y de estrellas
colapsadas. El término "hoyo negro" lo acuñó el físico teórico
estadunidense John Archibald Wheeler (1911 -2008) en 1967, cuando los
cosmólogos encontraron la primera evidencia de su existencia.
Einstein
encontró una excepción a esta regla básica: Dijo que la luz siempre viaja a la
misma velocidad sin importar la velocidad a la que se mueve un observador.
Explicó que sin importar lo rápido que estés viajando, un rayo de luz pasaría
zumbando, alejándose de ti a 299 792 458 metros por segundo. Como la velocidad
de la luz es constante, otras cosas no pueden serlo y una de esas cosas es el
tiempo. De hecho, al aproximarse a la velocidad de la luz, el tiempo reduce su
velocidad y la distancia se contrae. Se demostró que Einstein estaba en lo
correcto en este aspecto en 1971. Un reloj atómico que llevaron a un viaje en
un avión muy rápido registró un tiempo un poco más corto que un reloj idéntico
que quedó estacionado en tierra. Sin embargo, viajar en un avión rápido no es
una buena forma de extender tu vida, necesitarías hacer 180 mil millones de
circuitos a la Tierra para ahorrar un solo segundo.
Imagen del telescopio Hubble de una supernova, el punto brillante abajo a la
Izquierda.
La
teoría de la relatividad general de Einstein, publicada en 1915, fue más allá,
uniendo espacio-tiempo y materia, empleando la gravedad para explicar el efecto
de uno en el otro. La materia dobla el espacio-tiempo, algo como una bola que
se lanza a una colcha extendida y se hunde en la cobija. Describimos como
gravedad la forma en que otros objetos, y la luz, se mueven en respuesta a este
doblamiento. Por lo tanto, igual que una bola pequeña girará hacia el
hundimiento en una colcha, creado por una bola grande, un cuerpo pequeño en el
espacio con naturalidad gravitará hacia uno más grande, restringido por la
curvatura del espacio-tiempo. El matemático alemán Bernhard Reimann
(1826-1866), cuyas ideas se publicaron después de su muerte en 1867-1868, había
propuesto esta curvatura mucho antes que Einstein. Pero Einstein fue mucho más
allá de Reimann, ya que proporcionó ecuaciones para explicar y predecir la
curva.
Muy lejos y hace mucho
Existe otra forma menos teórica y compleja en la que nuestro interés en el
espacio se ha enredado con el tiempo y la velocidad de la luz. Cuando vemos las
estrellas, estamos viendo cómo eran en el pasado por el tiempo que le toma a su
luz llegar a nosotros. Incluso la luz del Sol tiene 8 minutos de antigüedad
para cuando la vemos. Si el Sol se hubiera apagado hace dos minutos,
continuaríamos viéndolo brillar, ignorando el inminente desastre, por otros
seis minutos.La luz de la estrella más cercana, Próxima Centauri, necesita
cuatro años y tres meses en llegar a nosotros. Una de las estrellas más
brillantes que jamás se haya detectado, vista por primera vez en 1988, fue una
supernova. Como una supernova representa la muerte de una estrella, una que ha
explotado, esa estrella ya no existe. Estaba a cinco mil millones de años luz,
de manera que la luz que se vio en 1988 significó la muerte de la estrella hace
cinco mil millones de años, antes de que siquiera nuestro Sistema Solar se
formara. La supernova que vieron Kepler y Galileo en 1604 está a alrededor de
20 000 años luz de distancia, de manera que la estrella dejó de existir más o
menos cuando los mamuts vagaban por la Europa cubierta de nieve.
§. De vuelta al principio
Por supuesto, cuando nadie sabía qué eran las estrellas y los planetas, era
difícil decir cómo llegaron a estar ahí y, con unas cuantas excepciones
notables, la mayoría de las culturas dejó esta pregunta a la religión. El
arzobispo James Ussher (1581-1656) calculó que la fecha de la creación (de la
que se podía calcular la fecha del Universo) era el 22 de octubre de 4004 a.C.,
basado en las genealogías registradas en la Biblia.
"[La
mente dictaminó] esta rotación en que ahora giran las estrellas, el sol, la
luna, el aire separado y el éter. Y lo denso se separa de lo ligero, lo
caliente de lo frío, lo brillante de la oscuridad y lo seco de lo
húmedo".
Anaxágoras, fragmento Bf 2
Muchas
otras sociedades han propuesto sus propias fechas de creación. Los mayas dan
una fecha para la creación que se convierte en 11 de agosto de 3144 a.C. El
judaísmo puso la creación en el 22 de septiembre o el 29 de marzo de 3760 a.C.
La religión puránica hindú se fue en la otra dirección, con una extravagante
fecha para la creación de hace 158.7 miles de billones de años. También se
presentaron sugerencias de que el Universo siempre ha estado ahí. Por ejemplo,
Aristóteles pensaba que el Universo era finito, pero eterno.
Fuera del caos
Anaxágoras, en el siglo V a.C., sugirió que el Universo empezó como una pila de
materia inerte e indiferenciada. En algún punto, después de un infinito en que
nada sucedía, la Mente (su analogía para las leyes naturales del Universo)
empezó a actuar en esta materia e inició un movimiento giratorio.
División de Descartes del espacio en regiones que contienen partículas
girando alrededor de un centro, 1644.
Como
consecuencia, la materia más densa se aglomeró y la menos densa se dispersó al
exterior de los cuerpos que se formaron así, o flotó entre ellos. No es muy
diferente al modelo que los astrónomos modernos tienen del desarrollo del
Universo, donde los sistemas solares se formaban cuando discos preplanetarios
se fusionaban de una vasta nube de polvo y, por la acción de la gravedad y de
la fuerza centrípeta, se formaron como planetas. Anaxágoras trabajó sólo con
lógica (y mucha imaginación).Los filósofos Demócrito y Leucipo (siglo V a.C.)
creían que el cosmos se formó cuando el movimiento giratorio llevó a los átomos
a unirse formando la materia.
Los
filósofos estoicos griegos en el siglo III a.C. creían que el Universo era como
una isla rodeada por un vacío infinito y que estaba en estado constante de
flujo. El Universo estoico pulsa, cambiando de tamaño y sufriendo trastornos y
conflagraciones en forma periódica. Todas las partes están interconectadas, de
manera que lo que sucede en un lugar afecta lo que sucede en todas las demás
partes, una idea que curiosamente se refleja en el enredo cuántico.
Como
el Universo es infinito en tiempo y espacio, y contiene una cantidad infinita
de átomos, existirán todos los mundos y configuraciones de átomos posibles y,
así, la existencia de nuestro mundo y de la humanidad no es especial, sino más
bien inevitable. Como todo está en flujo constante, aparecerá un cosmos y al
final se desintegrará y sus átomos indestructibles se reutilizarán en un nuevo
cosmos. Incluso en un periodo más corto, sabemos que los átomos en un sistema
estelar que muere, al final se reciclan.René Descartes describió un Universo
“vórtice” en el cual el espacio no estaba vacío sino lleno de material que
giraba en torbellinos o vórtices que producían lo que más adelante se llamaría
efectos gravitacionales. En 1687 Newton propuso un Universo estático, infinito,
de estado estacionario, en el que la materia está distribuida en forma uniforme
(a gran escala). Su Universo estaba balanceado en cuanto a la gravedad, pero
era inestable. Resistió como modelo científico hasta el siglo XX.Incluso Einstein
lo aceptó como una verdad indisputable, hasta que los descubrimientos
demostraron que no lo era.
El Universo moderno
Una característica de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein es
que no pueden funcionar en un Universo estático sin un “compromiso”. Como
Einstein creía con firmeza que el Universo era estático, añadió una “constante
cosmológica” a sus ecuaciones para hacer que funcionaran. Pero otros
interpretaron sus ecuaciones en forma diferente. El cosmólogo y matemático ruso
Alexander Friedmann (1888-1926) fue el primero en proponer un Universo en
expansión. Empleando las ecuaciones de la relatividad de Einstein, Friedmann
presentó un modelo matemático de un Universo en expansión en un artículo
publicado en 1922. Murió de tifoidea al año siguiente, a la edad de sólo 37
años, enfermedad que contrajo mientras estaba de vacaciones en Crimea y en su
mayor parte se pasó por alto su trabajo. Einstein Ríe uno de los pocos que
leyeron el artículo de Friedmann, pero lo rechazó sin pensarlo dos veces. Sin
embargo, Einstein se vio obligado a rechazar su "modelo anterior y a
abandonar la constante cosmológica después de que surgió evidencia de que
Friedmann había tenido razón.
Las ondas de luz se corren hacia el extremo rojo o azul del espectro
dependiendo de si la fuente se mueve hada el observador o se aleja de él.
El
astrónomo estadunidense Edwin Hubble (1889-1953) demostró en 1929 que las
galaxias distantes se estaban alejando de nuestra región del espacio en todas
direcciones. Hubble había analizado esas galaxias con el espectroscopio, y se
dio cuenta de que sus espectros tenían corrimiento hacia el extremo rojo del
espectro, el lla mado “corrimiento al rojo” (ver cuadro, arriba). Estos
descubrimientos se tomaron como evidencia de que el Universo en verdad se está
expandiendo. Einstein después siguió en líneas generales el modelo de
Friedmann, pero adoptó el punto de vista de que el Universo oscila entre
expansión, de acuerdo al Big Bang, y luego contracción, ya que a la larga la
gravedad jala toda la materia de nuevo, lo que tiene como resultado una Gran
Implosión y una singularidad, que explotará en otro Big Bang.
Corrimiento
al rojo
Si
se analiza la luz de una estrella empleando la espectrometría, se verá que su
espectro se "aprieta" hacia las longitudes de onda de azul si se
mueve hacia el observador (corrimiento al azul) y "se estira" hacia
las longitudes de onda rojas si se aleja (corrimiento al rojo). A esto se le
llama efecto Doppler. Ocurre un efecto similar con las ondas de sonido; la
sirena de una patrulla tendrá un tono más alto cuando se aproxima a quien
escucha, ya que se comprimen las ondas de sonido, y un tono más bajo cuando se
aleja, ya que las ondas de sonido se estiran. Sin embargo, el corrimiento al
rojo que Hubble observó no es resultado de un efecto Doppler causado por el
movimiento de las estrellas de las galaxias (aunque esto causará un corrimiento
al rojo). En lugar de eso, es resultado de que se expanda el espacio entre
nuestra galaxia y las galaxias distantes, que es cómo se expande el Universo.
La longitud de onda de la luz que viaja a través de ese espacio que se estira,
también es estirada y extendida. La luz con una longitud de onda más grande es
más roja, de ahí el corrimiento al rojo. Es por lo que la existencia del
corrimiento al rojo es evidencia de un Universo en expansión. Vesto Slipher
(1875-1969) midió por primera vez el corrimiento al rojo de algunas galaxias
distantes y lo describió en 1917. Pero fue Hubble quien descubrió que el
corrimiento al rojo era universal y que las galaxias más distantes se estaban
alejando más rápido. Lo publicó como la "Relación entre la distancia y la
velocidad radial en nebulosas extragalácticas".
El
ciclo continúa por siempre, pero como el tiempo es lo mismo que el espacio,
tanto espacio como tiempo carecen de principio o de fin (o tienen infinitos
principios y fines, dependiendo de cómo se desee considerarlo).
§. Del huevo cósmico al Big Bang
El punto de vista moderno del Universo surgió con las teorías del sacerdote y
físico belga Georges Lemaître (1894-1966). Lemaître expresó que el universo
comenzó como un punto infinitamente pequeño e infinitamente denso, ahora
llamado singularidad, pero que Lemaître llamó átomo primitivo o “huevo
cósmico”. Un evento de poder inimaginable al que ahora llamamos el Big Bang
hizo explotar esta singularidad, transformando toda la materia del Universo y
haciéndola volar por el espacio.Lemaître presentó su idea de un Universo en
expansión en la Conferencia sobre Física de Solvay, en Bélgica, en 1927, cuando
presentó la primera exposición de lo que más adelante se volvería la Ley de
Hubble: La velocidad de los objetos distantes que se alejan de la Tierra es
proporcional a su distancia de la Tierra. Lemaître lo comentó con Einstein en
la conferencia, pero Einstein de nuevo rechazó la teoría. Le dijo a Lemaître:
“Tus matemáticas son correctas, ¡pero tu física es abominable!”. Sin embargo,
el descubrimiento de Hubble confirmó la física de Lemaître, demostrando que el
corrimiento al rojo en la luz de galaxias lejanas es proporcional a su
distancia de la Tierra.
George
Gamow (1904-1968)
George
Gamow nació en Odessa, en el Imperio Ruso, área que en la actualidad es parte
de Ucrania. Gamow fue un físico versátil con enorme éxito que hizo gran
cantidad de descubrimientos e hipótesis importantes. Sus dos padres eran
maestros, aunque su madre murió cuando Gamow tenía sólo nueve años de edad. Su
educación se interrumpió por la destrucción de su escuela por un bombardeo
durante la Primera Guerra Mundial, y como consecuencia, era autodidacta en gran
medida.
Gamow trabajó con algunos de los físicos europeos más importantes de su tiempo,
incluyendo a Rutherford y a Bohr.
Intentó dos veces escapar de la URSS, la primera en kayak, cruzando 250 km a
través del mar Negro a Turquía, y la segunda mediante un viaje de Múrmansk a
Noruega. Ambos intentos fallaron por mal clima. Gamow al final huyó, junto con
su esposa, mientras asistía a la Conferencia sobre Física de Solvay, en
Bélgica, en 1933, y se estableció en Estados Unidos en 1934.
A
pesar de su éxito, se burlaron de la teoría de Lemaître del “huevo cósmico”,
incluso Eddington, quien había apoyado su modelo del Universo en expansión. El
nombre Big Bang se originó como un comentario sarcástico del astrónomo
británico Fred Hoyle (1915-2001) en 1949.
Un
premio nobel por accidente
En
1978, Arno Penzias y Robert Wilson compartieron el Premio Nobel de Física por
su descubrimiento de la radiación cósmica de microondas de fondo. De hecho, no
la estaban buscando, y al principio no la reconocieron. Penzias y Wilson
estaban perfeccionando una sensible antena de microondas en los laboratorios
telefónicos Bell, en Holmdel, Nueva jersey, para usarla en radioastronomía,
cuando captaron una interferencia que estaba interrumpiendo su trabajo. No
podían deshacerse de ella. Era constante y procedía de todas partes del cielo
por igual. De hecho, habían tropezado con la radiación cósmica de microondas de
fondo. No lejos, en la Universidad de Princeton, el equipo de Robert Dicke, Jim
Peebles y David Wilkinson estaban construyendo un equipo con el fin específico
de buscar la radiación cósmica de microondas de fondo y de inmediato se dieron
cuenta de lo que Penzias y Wilson habían encontrado. Al enterarse de la
noticia, Dicke se volvió hacia los otros y dijo: "Chicos, nos han
ganado".
Hoyle
continuó favoreciendo un modelo de “estado estacionario” del Universo, mucho
después de que el consenso general era que Lemaître tenía razón. Aunque el
Universo de Hoyle, que describió en 1948, se expandía, incluía la inserción de
material nuevo para mantener estable la densidad general. El principal
argumento contra la teoría del Big Bang era que debía quedar algo de energía de
calor del evento original, que debería ser detectable. El físico George Gamow,
había especulado que con la expansión del Universo esta energía de calor se
habría enfriado, corriéndose a la banda de las microondas. La confirmación
llegó en 1965 con el descubrimiento accidental de la radiación cósmica de
microondas de fondo por parte de dos radioastrónomos, Arno Penzias y Robert
Wilson (ver cuadro, arriba). Con esta evidencia, la mayoría de los
inconformistas se pasó al lado del Big Bang.
¿Cuántas estrellas?
Los catálogos de estrellas más antiguos sólo podían listar las estrellas
visibles a simple vista. Conforme mejoró la tecnología, primero con el
telescopio ocular y luego con radiotelescopios, se multiplicó el número de
estrellas detectables en forma continua y luego exponencial. El catálogo de
estrellas de Draper con el tiempo llegó a ser una lista de 359 083 estrellas.
Sin embargo, el número calculado de estrellas en el Universo supera con mucho
cualquier catálogo y, al igual que el Universo, tiende a expandirse. Hasta
únales de 2010, el cálculo aceptado por lo general estaba entre 1022 y
1024 estrellas.
Cómo ha evolucionado el Universo desde el Big Bang.
Entonces
un equipo de investigación encabezado por Pieter van Dokkum del observatorio
Keck, en Hawái, descubrió en 2010 que debía haber tres veces más estrellas de
las que se pensaba antes, debido a la proliferación de estrellas enanas rojas
que antes eran invisibles (tal vez 20 veces más que cálculos previos en algunas
galaxias).
El Universo observable
Ahora tenemos diversas formas de calcular la edad del Universo: Al medir la
abundancia de isótopos radiactivos, como uranio-238 y sus productos de desintegración
(nucleocosmocronología), al medir la velocidad de la expansión del Universo y
calcular hacia atrás para determinar cuándo debió empezar, y al buscar cúmulos
globulares de estrellas y deducir su edad por los tipos de estrellas que
contienen. En la actualidad, se piensa que la cifra más exacta para la edad del
universo es de 13 700 millones de años. Se basa en datos de la Sonda
Anisotrópica de Microondas Wilkinson (WMAP por sus siglas en inglés), una nave
espacial que mide la radiación cósmica de microondas de fondo.
La explosión de una supernova se muestra en longitudes de onda óptica
(izquierda), ultravioleta (centro) y de rayos X (derecha).
Que
el cuásar más distante que se conoce está a unos 28 mil millones de años luz de
distancia puede parecer imposible si el Universo sólo ha estado aquí por 13 700
millones de años. Se explica la anomalía mediante la expansión del
espacio-tiempo entre la Tierra y el cuásar. La luz que ahora recibimos del
cuásar se emitió tal vez hace 12.7 miles de millones de años luz, cuando el
cuásar estaba más cerca de la 'Fierra, pero como el espacio entre los dos ha
aumentado desde entonces, el cuásar se encuentra mucho más lejos. Aunque ni la
luz, ni un cuerpo pueden viajar por el espacio a velocidades mayores a la
velocidad de la luz, el espacio-tiempo se puede expandir a cualquier velocidad.
Sé piensa que el Universo observable (ése que se puede observar en teoría si
tenemos la tecnología correcta) es de alrededor de 93 mil millones de años luz
de diámetro. Eso no pone un límite al tamaño de todo el Universo. Aparte de
eso, puede haber materia que ahora está separada de la Tierra por un espacio
intermedio tan grande que su luz todavía no nos ha alcanzado.
¿Cuántos Universos?
Aunque la palabra “Universo” significa que sólo hay uno, unos cuantos
científicos han sugerido que en realidad es un multiverso en que nuestro
Universo sólo es uno de muchos.
Big
bangs
Hasta
2010 no había evidencia para sugerir que el Big Bang pudiera ser uno en una
serie de universos en expansión y contracción, pero entonces sir Roger Penrose
(1931- ) y Vahe Grzadyan (1955- ) descubrieron círculos concéntricos claros
dentro de la radiación cósmica de microondas de fondo, lo que sugiere que
regiones de la radiación tienen valores de temperatura más pequeños que en
otras partes. Sostienen que esto sugiere un Big Bang previo, más antiguo,
conservado como un tipo de fósil en la radiación cósmica de microondas de
fondo.
Los
físicos teóricos Hugh Everett III y Bryce DeWitt (1923-2004) sugirieron un
modelo de “muchos mundos” en las décadas de 1960 y 1970, y el físico
ruso-estadunidense Andrei Lindre (1948- ) describió en 1983 un modelo en el que
nuestro Universo es una de muchas “burbujas” formadas en un multiverso sujeto a
inflación eterna.
Todo va colina abajo desde aquí
Nuestro propio Sol está más o menos a medio camino de su vida probable. Se
puede esperar que dure todavía unos cuantos miles de millones de años antes de
que siga el patrón que se observa en otras partes del Universo de expandirse
para ser una gigante roja, luego colapsarse como enana blanca y que por último
se enfríe.Aunque es claro que no estaremos aquí para verlo, el fin del
Universo, si alguna vez hay uno, interesa a los cosmólogos.¿Se expandirá por
siempre, hasta que sea una sopa de materia muy poco densa, ya incapaz de formar
sistemas planetarios útiles? ¿O todo volverá a ser succionado de vuelta a la
Gran Implosión, listo para explotar en un nuevo Big Bang? De ser así, este
ciclo puede ser eterno (aunque la palabra no tenga significado en un sistema en
que el tiempo, junto con el espacio, se aplastan para no quedar nada y se
recrean para comenzar desde el principio). El principio y fin del Universo son
en realidad las fronteras de la ciencia, áreas que exploramos con lógica y
matemáticas, pero incluso aquí existen métodos experimentales que ayudarán a
refinar nuestras teorías mientras moldeamos la física del futuro.
Capítulo 8
Física para el futuro
Las aplicaciones prácticas de la física aprovechan las leyes naturales del
Universo para nueva tecnología.
Contenido:
§.
Despedazarlo y comenzar de nuevo
§. ¿Qué sigue para la materia?
Cuando
Max Planck dijo en 1874 que deseaba especializarse en física, su tutor le
aconsejó escoger un tema diferente, ya que no quedaba nada por descubrir en las
ciencias físicas. Por suerte, Planck lo ignoró. Casi 150 años después, todavía
queda mucho por descubrir en física. No podemos reconciliar la gravedad y la
mecánica cuántica; no podemos explicar la mayor parte de la masa del Universo,
hay partículas que no podemos detectar, pero que sospechamos que están ahí, en
alguna parte para que las encontremos; no podemos explicar del todo qué es la
energía y no sabemos cuál será el destino de nuestro Universo, o si es único o
sólo uno entre muchos. Estas son algunas de las preguntas que están listas para
que físicos del futuro las aborden, los cuales todavía están en nuestras
escuelas y auditorios de universidad.
Despedazarlo y comenzar de nuevo
La física del siglo XX llevó a una revaluación fundamental de gran parte de lo
que había sucedido antes, combinando espacio y tiempo en el continuo espacio-
tiempo, lo que remplaza las certezas con incertidumbre y probabilidades,
convirtiendo partículas y ondas en dualidades onda-partícula e introduciendo
otras ideas que, aunque extrañas, no se pueden rechazar. De hecho, no fue tanto
que las nuevas teorías anularan lo que había sucedido antes, sino que lo
incluyeron en algo más grande. Sin embargo, ese algo más grande todavía no
explica todo, y en última instancia también se le debe incorporar en un
conjunto de teorías o modelos que expliquen todo lo que hemos descubierto hasta
el momento, además de lo que todavía está sin explicar.
¿Eso es todo?
Parece algo así como un fracaso para la física, pero uno de los mayores
problemas pendientes es cómo explicar 96 por ciento de la densidad de
masa-energía del Universo. El Universo que podemos ver, porque refleja o emite
luz, sólo representa una diminuta cantidad de lo que se sabe que está ahí,
alrededor del 4 por ciento.
Un anillo de materia oscura formado por la colisión de dos galaxias,
fotografiado por el telescopio Hubble en 2004.
El
término “materia oscura” se acuñó para describir materia que sabemos que está
ahí, pero que no podemos ver. El astrónomo búlgaro-suizo Fritz Zwicky
(1898-1974) fue el primero en proponer la idea de la materia oscura en
1933.Zwicky aplicó cálculos que surgían de las teorías de la relatividad de
Einstein a las interacciones gravitacionales que se observaron en el cúmulo de
galaxias Coma, y encontró que el cúmulo debía contener cientos de veces más
masa de lo que sugería su luminosidad general. Propuso que el restante estaba
formado por materia oscura.Por lo tanto, ¿qué es esta misteriosa sustancia? La
teoría actual más aceptada divide la materia oscura en materia bariónica y no
bariónica. La materia bariónica es materia ordinaria formada por protones, neutrones
y demás. Todos los objetos visibles en el Universo deben emitir o reflejar luz.
Eso podría parecer bastante obvio, pero es muy significativo. Si un planeta
vaga donde no lo ilumine ninguna estrella o si una estrella se agota, ya no se
puede ver. Es probable que la materia bariónica oscura esté formada por materia
invisible como nubes de gas, estrellas agotadas y planetas sin iluminar. Se les
llama Objetos Masivos y Compactos del Halo (MACHO, por sus siglas en inglés).
La presencia de MACHOS se puede inferir mediante los efectos gravitacionales
que tienen; se les encontró primero en la Vía Láctea en el 2000.
Meteoro artificial
Sin embargo, no existen suficientes MACHOS para suministrar toda la materia
oscura. Se piensa que la vasta mayoría de la materia oscura contiene Partículas
Masivas Débilmente Interactivas (WIMP por sus siglas en inglés).
Fritz
Zwicky tenía un enfoque original y poco convencional de la astronomía y sus
contemporáneos no tomaron en serio muchas de sus ideas (incluyendo la materia
oscura). En octubre de 1957, Zwicky disparó perdigones de metal desde el cono
de proa del cohete Aerobee, haciendo meteoros artificiales que fueron visibles
desde el observatorio de Monte Palomar. Se piensa que uno de los perdigones
escapó al campo gravitacional de la Tierra y se convirtió en el primer objeto
hecho por el hombre en entrar en la órbita solar.
Por
definición, estas partículas son difíciles de encontrar, ya que no interactúan
con otra materia mediante fuerzas electromagnéticas. Parte de la materia oscura
se puede explicar gracias a los neutrinos, pero todavía hay espacio para otras
partículas teóricas y sin descubrir, como axión y otras partículas exóticas
incluso menos teorizadas.
Energía
oscura
Si la existencia de la materia oscura fue difícil de aceptar, a los cosmólogos
les esperaba una conmoción mayor cuando se anunciaron los resultados del
Proyecto Cosmológico Supernova en 1999. Este estudio había examinado supernovas
de Tipo la, un tipo de estrella que explota cuya masa y luminosidad se conoce
y, pollo tanto, cuyo corrimiento al rojo se puede calcular con exactitud. Los
hallazgos del proyecto revelaron que el Universo no se estaba expandiendo a una
velocidad constante o disminuyendo su velocidad, como se había supuesto, sino
que estaba acelerando.
"El
Universo está formado en su mayor parte de materia oscura y energía oscura, y
no sabemos qué es cualquiera de ellas".
Saúl Perlmutter, del Proyecto Cosmológico Supernova, 1999
Desde
entonces se ha confirmado esta aceleración por otras investigaciones,
incluyendo estudios detallados de la radiación cósmica de microondas de fondo.
Para explicar este fenómeno, los científicos acuñaron un término nuevo: Energía
oscura.Incluso con MACHOS y WIMPS, el presupuesto de masa-energía del Universo
tiene un enorme déficit. En la actualidad se calcula que casi tres cuartas
partes (alrededor de 74 por ciento) de la masa- energía del Universo se explica
por la misteriosa energía oscura, y con la materia oscura se explica la mayor
parte del resto. Se piensa que la energía oscura tiene fuerte presión negativa
y, por lo tanto, demuestra la expansión acelerada del Universo.
Cómo se ha visto el universo desde el Big Bang.
Tal
vez sea homogénea, no muy densa, pero presente en todas las partes que se
consideran espacio vacío en todo sentido.
Simulación de la creación y desintegración de un bosón de Higgs; produce dos
chorros de hadrones y dos electrones.
Un
contendiente para el título de energía oscura es la constante cosmológica, que
Einstein añadió originalmente como compromiso en las ecuaciones generales de la
relatividad para explicar por qué el Universo no se estaba colapsando bajo la
fuerza de la gravedad. Einstein más adelante abandonó la idea, pero ahora se
está resucitando para explicar estos nuevos descubrimientos.Una teoría es que
la constante cosmológica actúa como antigravedad, impidiendo que la gravedad
jale al Universo hacia sí mismo. En este momento se piensa que la fuerza de la
constante cosmológica es un poco más grande que la fuerza de la gravedad, pero
no se sabe si siempre ha sido la misma, si siempre será la misma o si en verdad
es una constante. No todos los cosmólogos aceptan la idea de una constante
cosmológica y han presentado otras ideas, más esotéricas, como la “teoría de
las cuerdas”. No se ha encontrado evidencia convincente para hacer que alguna
teoría particular parezca abrumadoramente probable.
§. ¿Qué sigue para la materia?
El modelo estándar de la materia dice que los átomos están formados de
partículas compuestas como neutrones y protones y que éstos están compuestos
por partículas elementales como quarks. Se han teorizado gran cantidad de
partículas más, pero todavía no se demuestra que existan o que no puedan
existir ya. Explorar esas partículas en forma experimental más que como modelo
matemático es algo complejo y costoso, que requiere equipo muy sofisticado, en
especial porque muchas tienen un periodo de vida muy corto.El postulado bosón
de Higgs (o “partícula de Dios”) es la única partícula elemental predicha por
el modelo estándar de la materia que todavía no se ha detectado. Se piensa que
imparte masa a la materia y la sugirió por primera vez el físico teórico inglés
Peter Higgs (1929- ) en 1964.Para comprenderlo, es necesario examinar por un
momento las partículas que median las cuatro fuerzas fundamentales: el
electromagnetismo es mediado por fotones virtualmente sin masa, los gluones
vinculan a los quarks mediante la fuerza nuclear fuerte, y los
bosones W y Z portan la fuerza nuclear débil y son muy pesados; hablando en
forma relativa, alrededor de 100 veces la masa de un fotón. El problema para
los físicos es explicar la diferencia en masa de estas partículas que median la
fuerza. La solución es un modelo que tiene a algunas de las partículas vadeando
por melaza.
Stephen Hawking en gravedad cero abordo de un avión Boeing 727 modificado.
El
campo Higgs es algo parecido a un campo de fuerza por el que la materia se
tiene que mover en el espacio. Algunas partículas cuánticas son detenidas más
que otras cuando pasan por él. La reducción de la velocidad de una partícula en
efecto le imparte masa. El campo no inhibe los fotones y tienen muy poca masa,
pero el campo detiene bastante a los bosones W y Z y por lo tanto tienen masa
significativa. El campo de Higgs es mediado por el bosón de Higgs. Si se
pudiera demostrar que existe el bosón de Higgs, estaría completo el modelo
estándar»Sin embargo, ¿cómo buscamos una partícula así? En la actualidad, los
físicos están tratando de hacer explotar una para que sea visible, empleando
enormes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones en el
CERN, en un túnel cerca de Ginebra, y en el Tevatrón de Fermilab, cerca de
Chicago. La existencia de quarks “cima” se confirmó en el Fermilab en 1995.
Estos aceleradores disparan rayos de partículas a velocidades en extremo
elevadas en direcciones opuestas alrededor de un círculo de manera que choquen.
El Gran Colisionador de Hadrones es la máquina más grande de este tipo, con un
túnel circular de 27 km de circunferencia. El Gran Colisionador de Hadrones
dispara rayos de protones once meses del año e iones de plomo un mes del año.
El cúmulo de estrellas Messier 13, observado por Halley: "Esto es sólo
una pequeña Zona, pero se muestra al Ojo desnudo, cuando el cielo está sereno y
la Luna está ausente".
Se
aceleran los rayos de protones a menos de tres metros por segundo de la
velocidad de la luz y accionan en ráfagas de manera que las colisiones no
suceden en forma continua, sino siempre con una separación de al menos 25
nanosegundos.
La
Teoría M es la teoría unificada que Einstein estaba esperando encontrar Si se
confirma la teoría con observaciones, será la conclusión exitosa de una
búsqueda que se remonta a hace más de 3000 años. Habremos encontrado el gran
diseño".
Stephen Hawking, El gran diseño, 2010
Le
toma a un protón acelerado sólo 90 microsegundos en completar un circuito del
túnel del colisionador equivalente a 11 000 circuitos por segundo. El programa
de investigación en el Gran Colisionador de Hadrones empezó en 2010. Los
físicos esperan que, si el modelo estándar es correcto, un bosón de Higgs se
producirá cada pocas horas; se necesitarán los datos de dos o tres años para
confirmar que ha sucedido.
¿Separar al bebé del agua para bañarse?
Einstein luchó, y falló, por encontrar una teoría unificadora que explicaría
todo, uniendo gravedad y mecánica cuántica en un conjunto completo de
ecuaciones. Anaxágoras pudo haber dicho lo mismo. Deseaba una única explicación
para el movimiento y el cambio de estado que pudiera explicar todos los cambios
que ocurren en el mundo físico. Insistió en que no debía tener ningún
componente de superstición o de divinidad y que debía ser lógico por completo.
En su modelo, la Mente cósmica supervisaba, regulaba y manejaba todo el tiempo
los cambios infinitos que tienen lugar con el fin de que todos estuvieran en
orden. Lo que quería decir es que había una ley, que no había descubierto o
explicado, que controlaba el flujo de toda la materia, Fue una explicación
insatisfactoria, como hicieron notar sus sucesores, pero que no era muy
diferente a las creencias de Einstein y Hawking de que debía existir una teoría
unificadora, si sólo la pudieran descubrir. Al final de su vida, Einstein
reconoció que no iba a tener éxito y que debía dejar el trabajo a otros,
Todavía no se ha logrado y sigue siendo un enigma importante para los físicos
el abismo entre la teoría cuántica y la relatividad general, a pesar de la
evidencia experimental de que ambas son correctas.Un enfoque a este problema ha
sido el desarrollo de la teoría de cuerdas. No es todavía una sola teoría
coherente, no se puede poner a prueba y tal vez, no se acepta en todas partes,
pero intenta unir la teoría cuántica y la relatividad general al proporcionar
una descripción más profunda de ambas. En la teoría de cuerdas, todas las
partículas subatómicas son diminutos fragmentos de “cuerda”, sean de extremo
abierto o de lazo, que vibran en muchas dimensiones. La diferencia entre
partículas no procede de su composición, que es toda la misma, sino de lo
armónico de sus vibraciones. Y estas vibraciones tienen lugar no sólo en las
tres dimensiones de espacio y una de tiempo con que estamos familiarizados,
sino en diez dimensiones. Algunas se pueden rizar sobre ellas mismas o durar
sólo un tiempo muy corto, de manera que no somos conscientes de ellas. La
teoría de cuerdas es en extremo especulativa, e incluso sus proponentes tienen
diferentes versiones de ella.La teoría M es un avance de la teoría de cuerdas
que lleva a la física teórica a nuevas fronteras. La adición de una nueva
dimensión es su contribución más modesta, A las cuerdas que vibran, añade
partículas punto, membranas bidimensionales, formas tridimensionales y
entidades en más dimensiones que son imposibles de visualizar (p-branes,
donde p es un número en el rango de cero a nueve). La turma en
que los espacios internas están doblados determina las características que
consideramos leyes inmutables del Universo, como el cambio en un electrón o
cómo funciona la gravedad. Por lo tanto, la teoría M permite diferentes universos
con diferentes leyes, de hecho, hasta 10500 de ellos. No sólo
no hay formulación de la teoría M, sino que no hay consenso de qué tipo de cosa
es, ¿una teoría individual, una red de teorías conectadas o algo que cambia de
acuerdo a las circunstancias? Nadie está siquiera seguro de qué representa la
M. Lo que Anaxágoras llamaba Mente (nolis) y Einstein llamaba teoría de
campo unificado ahora podría llamarse teoría M, pero aunque estamos un poco más
cerca de saber cuál es esa respuesta, en realidad todavía hay gran cantidad de
física que falta por hacer.
F I N
Notas:
[1] Velocidad
de la luz en el vacío. Nota PB
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