{"id":4801,"date":"2012-03-09T04:45:09","date_gmt":"2012-03-09T03:45:09","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=4801"},"modified":"2012-03-09T05:48:02","modified_gmt":"2012-03-09T04:48:02","slug":"avances-de-la-fisica-desde-1930","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2012\/03\/09\/avances-de-la-fisica-desde-1930\/","title":{"rendered":"Avances de la F\u00edsica desde 1930"},"content":{"rendered":"

<\/strong>La r\u00e1pida expansi\u00f3n de la f\u00edsica en las \u00faltimas d\u00e9cadas ha sido posible gracias a los avances fundamentales del primer tercio del siglo XX, junto con los recientes adelantos tecnol\u00f3gicos, sobre todo en tecnolog\u00eda inform\u00e1tica, electr\u00f3nica, aplicaciones de la energ\u00eda nuclear y aceleradores de part\u00edculas de altas energ\u00edas.<\/span><\/p>\n

Aceleradores<\/strong><\/span><\/p>\n

Rutherford y los otros pioneros de la investigaci\u00f3n de las propiedades nucleares estaban limitados a emplear en sus investigaciones sobre el \u00e1tomo las emisiones de alta energ\u00eda procedentes de sustancias radiactivas naturales. Las emisiones artificiales de alta energ\u00eda fueron producidas por primera vez en 1932 por el f\u00edsico brit\u00e1nico John Cockcroft y su colega irland\u00e9s Ernest Walton, que emplearon generadores de alta tensi\u00f3n para acelerar electrones<\/a> hasta unos 700.000 eV; estos elementos fueron utilizados para bombardear n\u00facleos de litio, que se transformaron en n\u00facleos de helio. Un electronvoltio (eV) es la energ\u00eda que adquiere un electr\u00f3n<\/a> al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio, y equivale a 1,6 \u00d7 10-19 julios. Los aceleradores modernos producen energ\u00edas de millones de eV (megaelectronvoltios, o MeV), miles de millones de eV (gigaelectronvoltios, o GeV) o incluso billones de eV (teraelectronvoltios, o TeV). La posibilidad de generar tensiones muy elevadas apareci\u00f3 en 1932, cuando el f\u00edsico estadounidense Robert J. Van de Graaff invent\u00f3 el aparato conocido como generador de Van de Graaff.<\/span><\/p>\n

Poco tiempo despu\u00e9s, los f\u00edsicos estadounidenses Ernest Orlando Lawrence y Milton Stanley Livingston inventaron el ciclotr\u00f3n; este dispositivo emplea un campo magn\u00e9tico para mantener part\u00edculas cargadas movi\u00e9ndose en trayectorias circulares, y en cada media vuelta proporciona a las part\u00edculas un peque\u00f1o “empuj\u00f3n” el\u00e9ctrico hasta que acumulan las altas energ\u00edas deseadas. El ciclotr\u00f3n permit\u00eda acelerar protones<\/a> hasta unos 10 MeV, pero para obtener energ\u00edas m\u00e1s elevadas hubo que esperar hasta despu\u00e9s de la II Guerra Mundial, cuando se desarroll\u00f3 el sincrotr\u00f3n a partir de las ideas del f\u00edsico estadounidense Edwin Mattison McMillan y el f\u00edsico sovi\u00e9tico Vladimir I. Veksler. Despu\u00e9s de la II Guerra Mundial se produjeron r\u00e1pidos avances en el dise\u00f1o de aceleradores y se construyeron aparatos de diferentes tipos para producir haces de alta energ\u00eda de electrones<\/a>, protones<\/a>, deuterones, iones pesados o rayos X<\/a>.<\/span><\/p>\n

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Los aceleradores de menores energ\u00edas tienen diferentes aplicaciones en industrias y laboratorios, mientras que los m\u00e1s potentes se utilizan para estudiar la estructura de las part\u00edculas elementales, los componentes b\u00e1sicos de la naturaleza. En estos estudios se desintegran part\u00edculas elementales golpe\u00e1ndolas con haces de proyectiles, que suelen ser protones<\/a> o electrones<\/a>. La distribuci\u00f3n de los fragmentos proporciona informaci\u00f3n sobre la estructura de las part\u00edculas elementales.<\/span><\/p>\n

Para obtener informaci\u00f3n m\u00e1s detallada hace falta usar proyectiles con m\u00e1s energ\u00eda. Como los proyectiles se aceleran “empuj\u00e1ndolos” para obtener mayores energ\u00edas, hace falta “empujarlos” durante un tiempo mayor. Por eso, los aceleradores de altas energ\u00edas suelen ser m\u00e1s grandes. La mayor energ\u00eda de haz obtenida a finales de la II Guerra Mundial era menor de 100 MeV. En 1952 se produjo un avance revolucionario en el dise\u00f1o de aceleradores cuando los f\u00edsicos estadounidenses Livingston, Ernest D. Courant y Hartland S. Snyder introdujeron el principio de enfoque intenso. En la actualidad, los mayores aceleradores del mundo producen haces de protones<\/a> con energ\u00edas superiores a 1 TeV.<\/span><\/p>\n


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Detectores de part\u00edculas<\/strong><\/span><\/p>\n

En sus comienzos, la detecci\u00f3n y an\u00e1lisis de part\u00edculas elementales se basaba en su capacidad para impresionar emulsiones fotogr\u00e1ficas y excitar materiales fluorescentes. El f\u00edsico brit\u00e1nico C. T. R. Wilson observ\u00f3 por primera vez las trayectorias de part\u00edculas ionizadas en una c\u00e1mara de niebla, donde las gotitas de agua se condensaban sobre los iones producidos por las part\u00edculas a su paso por la c\u00e1mara. Mediante campos el\u00e9ctricos o magn\u00e9ticos era posible desviar las trayectorias de las part\u00edculas, lo que proporcionaba informaci\u00f3n sobre su momento lineal y su carga el\u00e9ctrica. Un avance significativo sobre la c\u00e1mara de niebla fue la c\u00e1mara de burbujas, inventada por el f\u00edsico estadounidense Donald Arthur Glaser en 1952. A diferencia de la c\u00e1mara de niebla, este dispositivo emplea un l\u00edquido (por lo general hidr\u00f3geno a presi\u00f3n) en lugar de aire; los iones producidos por una part\u00edcula r\u00e1pida se convierten en centros de ebullici\u00f3n y dejan una trayectoria de burbujas f\u00e1cilmente visible. Como la densidad del l\u00edquido es mucho mayor que la del aire, en una c\u00e1mara de burbujas se producen m\u00e1s interacciones que en una c\u00e1mara de niebla. Adem\u00e1s, las burbujas desaparecen m\u00e1s deprisa que las gotitas de agua, lo que permite una recuperaci\u00f3n m\u00e1s r\u00e1pida de la c\u00e1mara. Un tercer avance, la c\u00e1mara de chispa, surgi\u00f3 tambi\u00e9n en la d\u00e9cada de 1950. En este aparato, una serie de placas paralelas se mantiene a una diferencia de potencial elevada en una atm\u00f3sfera gaseosa adecuada. Cuando una part\u00edcula ionizante pasa entre las placas, los \u00e1tomos de gas se ionizan y producen chispas que delinean la trayectoria de la part\u00edcula.<\/span><\/p>\n

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Rayos c\u00f3smicos<\/span><\/p>\n


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Alrededor de 1911, el f\u00edsico estadounidense de origen austriaco Victor Franz Hess estudi\u00f3 los rayos c\u00f3smicos. Los rayos c\u00f3smicos primarios est\u00e1n formados por part\u00edculas que proceden directamente del exterior de la atm\u00f3sfera terrestre. Los rayos c\u00f3smicos secundarios son part\u00edculas y radiaciones producidas en la colisi\u00f3n de las part\u00edculas de rayos c\u00f3smicos primarios con los \u00e1tomos de la atm\u00f3sfera. Hess descubri\u00f3 que la distribuci\u00f3n de los rayos c\u00f3smicos est\u00e1 determinada por el campo magn\u00e9tico terrestre. Se comprob\u00f3 que los rayos estaban cargados positivamente y corresponden sobre todo a protones<\/a> con energ\u00edas situadas entre 1 y 1011 GeV. Los rayos c\u00f3smicos atrapados en \u00f3rbitas alrededor de la Tierra son los responsables de los cinturones de radiaci\u00f3n de Van Allen, descubiertos por el primer sat\u00e9lite artificial estadounidense, lanzado en 1958.<\/span><\/p>\n

Cuando un prot\u00f3n<\/a> primario de alta energ\u00eda entra en la atm\u00f3sfera y colisiona con los n\u00facleos de nitr\u00f3geno y ox\u00edgeno del aire, produce grandes cantidades de part\u00edculas secundarias que se dirigen hacia la Tierra formando una lluvia de rayos c\u00f3smicos. El origen de los protones<\/a> de los rayos c\u00f3smicos primarios todav\u00eda no se comprende en su totalidad. Se sabe que algunos proceden del Sol y otras estrellas, pero los de energ\u00edas m\u00e1s altas son dif\u00edciles de explicar: parece probable que los d\u00e9biles campos gal\u00e1cticos aceleren los protones<\/a> interestelares a lo largo de periodos extremadamente largos.<\/span><\/p>\n


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F\u00edsica del estado s\u00f3lido <\/strong><\/span><\/p>\n

En los s\u00f3lidos, los \u00e1tomos est\u00e1n densamente empaquetados, lo que lleva a la existencia de fuerzas de interacci\u00f3n muy intensas y numerosos efectos relacionados con este tipo de fuerzas que no se observan en los gases, donde las mol\u00e9culas act\u00faan en gran medida de forma independiente. Los efectos de interacci\u00f3n son responsables de las propiedades mec\u00e1nicas, t\u00e9rmicas, el\u00e9ctricas, magn\u00e9ticas y \u00f3pticas de los s\u00f3lidos, un campo que resulta dif\u00edcil de tratar desde el punto de vista te\u00f3rico, aunque se han realizado muchos progresos.<\/span><\/p>\n

Una caracter\u00edstica importante de la mayor\u00eda de los s\u00f3lidos es su estructura cristalina, en la que los \u00e1tomos est\u00e1n distribuidos en posiciones regulares que se repiten de forma geom\u00e9trica. La distribuci\u00f3n espec\u00edfica de los \u00e1tomos puede deberse a una variada gama de fuerzas. Por ejemplo, algunos s\u00f3lidos como el cloruro de sodio o sal com\u00fan se mantienen unidos por enlaces i\u00f3nicos debidos a la atracci\u00f3n el\u00e9ctrica entre los iones que componen el material. En otros, como el diamante, los \u00e1tomos comparten electrones<\/a>, lo que da lugar a los llamados enlaces covalentes. Las sustancias inertes, como el ne\u00f3n, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de unas fuerzas de atracci\u00f3n conocidas como fuerzas de van der Waals, as\u00ed llamadas en honor al f\u00edsico holand\u00e9s Johannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre mol\u00e9culas o \u00e1tomos neutros como resultado de la polarizaci\u00f3n el\u00e9ctrica. Los metales, por su parte, se mantienen unidos por lo que se conoce como “gas electr\u00f3nico”, formado por electrones<\/a> libres de la capa at\u00f3mica externa compartidos por todos los \u00e1tomos del metal y que definen la mayor\u00eda de sus propiedades.<\/span><\/p>\n

Los niveles de energ\u00eda definidos y discretos permitidos a los electrones<\/a> de \u00e1tomos individuales se ensanchan hasta convertirse en bandas de energ\u00eda cuando los \u00e1tomos se agrupan densamente en un s\u00f3lido. La anchura y separaci\u00f3n de esas bandas definen muchas de las propiedades del material. Por ejemplo, las llamadas bandas prohibidas, en las que no pueden existir electrones<\/a>, restringen el movimiento de \u00e9stos y hacen que el material sea un buen aislante t\u00e9rmico y el\u00e9ctrico. Cuando las bandas de energ\u00eda se solapan, como ocurre en los metales, los electrones<\/a> pueden moverse con facilidad, lo que hace que el material sea un buen conductor de la electricidad y el calor. Si la banda prohibida es estrecha, algunos de los electrones<\/a> m\u00e1s r\u00e1pidos pueden saltar a la banda de energ\u00eda superior: es lo que ocurre en un semiconductor como el silicio. En ese caso, el espacio entre las bandas de energ\u00eda puede verse muy afectado por cantidades min\u00fasculas de impurezas, como ars\u00e9nico. Cuando la impureza provoca el descenso de una banda de energ\u00eda alta, se dice que es un donante de electrones<\/a>, y el semiconductor resultante se llama de tipo n. Cuando la impureza provoca el ascenso de una banda de energ\u00eda baja, como ocurre con el galio, se dice que es un aceptor de electrones<\/a>. Los vac\u00edos o “huecos” de la estructura electr\u00f3nica act\u00faan como si fueran cargas positivas m\u00f3viles, y se dice que el semiconductor es de tipo p. Numerosos dispositivos electr\u00f3nicos modernos, en particular el transistor, desarrollado por los f\u00edsicos estadounidenses John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, est\u00e1n basados en estas propiedades de los semiconductores.<\/span><\/p>\n

Las propiedades magn\u00e9ticas de los s\u00f3lidos se deben a que los electrones<\/a> act\u00faan como min\u00fasculos dipolos magn\u00e9ticos. Casi todas las propiedades de los s\u00f3lidos dependen de la temperatura. Por ejemplo, los materiales ferromagn\u00e9ticos como el hierro o el n\u00edquel pierden su intenso magnetismo residual cuando se los calienta a una temperatura caracter\u00edstica denominada punto de Curie. La resistencia el\u00e9ctrica suele decrecer al disminuir la temperatura, y en algunos materiales denominados superconductores desaparece por completo en las proximidades del cero absolut . \u00c9ste y muchos otros fen\u00f3menos observados en los s\u00f3lidos dependen de la cuantizaci\u00f3n de la energ\u00eda, y la mejor forma de describirlos es a trav\u00e9s de “part\u00edculas” efectivas con nombres como fon\u00f3n<\/a>, polar\u00f3n o magn\u00f3n.<\/span><\/p>\n

Criogenia<\/strong><\/span><\/p>\n

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A temperaturas muy bajas (cerca del cero absoluto), muchos materiales presentan caracter\u00edsticas sorprendentes.A comienzos del siglo XX, el f\u00edsico holand\u00e9s Heike Kamerlingh Onnes desarroll\u00f3 t\u00e9cnicas para producir estas bajas temperaturas y descubri\u00f3 la superconductividad del mercurio, que pierde toda su resistencia el\u00e9ctrica a una temperatura de unos 4 kelvins. A muchos otros elementos, aleaciones y compuestos les ocurre lo mismo a una temperatura caracter\u00edstica cercana a 0 K, y los materiales magn\u00e9ticos se convierten en aislantes magn\u00e9ticos. Desde 1986 se han fabricado varios materiales que presentan superconductividad a temperaturas mayores. La teor\u00eda de la superconductividad, desarrollada en gran medida por John Bardeen y otros dos f\u00edsicos estadounidenses, Leon N. Cooper y John Robert Schrieffer, es extremadamente complicada, e implica el apareamiento de electrones<\/a> en la red cristalina.<\/p>\n

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Otro descubrimiento fascinante fue el de que el helio no se congela, sino que a unos 2 K pasa de ser un l\u00edquido ordinario, denominado He I, a convertirse en He II, un l\u00edquido superfluido que no tiene viscosidad y presenta una conductividad t\u00e9rmica unas 1.000 veces mayor que la de la plata. El He II puede formar pel\u00edculas que se desplazan hacia arriba por las paredes del recipiente que lo contiene, y traspasa con facilidad materiales como el platino. A\u00fan no hay una teor\u00eda plenamente satisfactoria para este comportamiento<\/span><\/p>\n

L\u00e1ser<\/strong><\/span><\/p>\n

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Un importante avance reciente es el l\u00e1ser<\/a>, acr\u00f3nimo en ingl\u00e9s de “amplificaci\u00f3n de luz por emisi\u00f3n estimulada de radiaci\u00f3n”. En un l\u00e1ser<\/a>, cuya sustancia activa puede ser un gas, un l\u00edquido o un s\u00f3lido, se excita un gran n\u00famero de \u00e1tomos hasta un nivel elevado de energ\u00eda y se hace que liberen dicha energ\u00eda simult\u00e1neamente, con lo que producen luz coherente en la que todas las ondas est\u00e1n en fase. Esta coherencia permite generar haces de luz muy intensos y de longitud de onda muy definida, que se mantienen enfocados o colimados a lo largo de distancias muy grandes. La luz l\u00e1ser<\/a> es mucho m\u00e1s intensa que la de cualquier otra fuente. Un l\u00e1ser<\/a> continuo puede proporcionar cientos de vatios, y un l\u00e1ser<\/a> pulsado puede generar millones de vatios durante periodos muy cortos. El l\u00e1ser<\/a> fue desarrollado en las d\u00e9cadas de 1950 y 1960 por el ingeniero e inventor estadounidense Gordon Gould y los f\u00edsicos estadounidenses Charles Hard Townes, T. H. Maiman, Arthur Schawlow y Al\u00ed Javan. En la actualidad constituye un instrumento muy potente para la ciencia y la tecnolog\u00eda, con aplicaciones en comunicaci\u00f3n, medicina, navegaci\u00f3n, metalurgia, fusi\u00f3n y corte de materiales.<\/span><\/p>\n


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Astrof\u00edsica y cosmolog\u00eda<\/strong><\/span><\/p>\n

Desde la II Guerra Mundial los astr\u00f3nomos han hecho muchos descubrimientos importantes, como los qu\u00e1sares, los p\u00falsares<\/a>\u00a0 o la radiaci\u00f3n de fondo c\u00f3smica. Estos descubrimientos, que no pueden ser explicados totalmente por la f\u00edsica actual, han estimulado el avance de la teor\u00eda en campos como la gravitaci\u00f3n o la f\u00edsica de part\u00edculas elementales. En la actualidad se acepta que toda la materia accesible a nuestra observaci\u00f3n estaba originalmente comprimida de forma muy densa en un solo lugar, y explot\u00f3 entre 10.000 y 20.000 millones de a\u00f1os antes del momento presente en un estallido colosal conocido como Big Bang<\/a> o Gran Explosi\u00f3n. La explosi\u00f3n dio lugar a un universo que todav\u00eda se est\u00e1 expandiendo. Un aspecto enigm\u00e1tico de este universo, recientemente descubierto, es que las galaxias no est\u00e1n distribuidas de modo uniforme. Hay inmensos espacios vac\u00edos rodeados por grupos de galaxias con forma de filamentos. La distribuci\u00f3n de esos vac\u00edos y filamentos aporta datos importantes sobre la naturaleza de la materia que surgi\u00f3 de la Gran Explosi\u00f3n e indica que es muy probable que la llamada materia oscura<\/a> predominase sobre las formas conocidas de materia. \u00c9ste es s\u00f3lo uno de los puntos en los que “la f\u00edsica de lo muy grande” enlaza con “la f\u00edsica de lo muy peque\u00f1o”.<\/span><\/p>\n

Autor: Christian Martin Machado<\/p>\n

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