La Física, como todo, evoluciona.

Simplemente con echar una mirada al siglo XIX, nos podemos percatar de que, ese período fue apasionante la Ciencia y la Tecnología que comenzaron a cambiar de manera acelerada produciendo importantes cambios en nuestra Sociedad, sus usos y sus costumbres.

No es extraño encontrar textos de la época en los que, aquella sucesión imparable de inventos y de muchos descubrimientos, marcarían el desarrollo de una nueva Humanidad.

                                                                                 Faraday y J. C. Maxwell.

Las lecturas de la época dejan a veces traslucir sentimientos de asombro, admiración, desconcierto y, a veces, un poco de temor de todos aquellos avances que parecían sacados de una novela de ciencia ficción.

Sí, queremos mostrar episodios referidos a grandes descubrimientos que, por estas razones, llaman la atención. Claro que, si nos trasladamos mentalmente a aquellos momentos y aquella época, podremos comprender mejor, todas aquellas reacciones entonces desencadenadas que , vistas en perspectiva, son lo que sería de esperar y de una total normalidad.

¿Que sería de nuestro mundo sin las personas que aparecen en esta foto?. Sería difícil nombrar a un físico relevante del siglo XX que no aparezca en ella. Corresponde a la quinta conferencia, año 1927, promovida por el filántropo belga Ernerst Solvay. De los 29 asistentes, 17 ya habían, o lo harían poco después, ganado el premio Nobel (al menos una vez). Schrödinger, Einstein (repite en esta lista), M. Curie, Bohr, Planck, Lorentz, Heissenberg, Pauli… científicos inigualables que cambiaron el concepto del mundo, desde el vasto Universo hasta el pequeño átomo.

Aquellos episodios fueron recogidos en lecturas y manuales de Física del siglo XIX, y, lo mismo que fueron saliendo a la luz (sin orden ni concierto), serán aquí comentados. Lo cierto es que, todo aquello nos trajo consecuencias históricas, sociales y educativas.

En general, el siglo XIX es el de la consolidación de la Física como disciplina autónoma. Se manifiesta en ella un afán por establecer un campo de estudio propio, separándose por un lado de la Química, y por el otro de las matemáticas, a la que ha pertenecido hasta entonces como una rama de la misma: las matemáticas mixtas(óptica, estática, astronomía.

En ese momento la Física comienza a adquirir importancia las distintas ramas del saber. Dos factores contribuyen a ello. El primero, la incorporación de nuevos conocimientos que amplían espectacularmente el horizonte de la disciplina. El segundo, el fundamental: el cambio de orientación con relación al espíritu especulativo que estuvo presente hasta bien avanzado el siglo anterior.

                           Pronto llegarían nuevos conceptos, nuevas teorías

De este modo, la Física asume un enfoque más experimental, al tiempo que dará paso a una utilización creciente de las matemáticas.

Drespretz, en el prólogo de su Física Experimental (1839): “La Física, en el estado á que ha llegado en la actualidad, no tiene de común más que el con la Física llamada escolástica, que los preceptos de Bacón y los ejemplos de Galileo han contribuido felizmente á desterrar de la enseñanza pública.”

La Física de orientación escolástica todavía perdura, especialmente en nuestro país, a principios del siglo XIX. marcar las diferencias, se insiste en que la nueva Física es Física Experimental que se contempla como “ciencia útil” y capaz de incidir con sus aplicaciones en la vida de las personas y en las Sociedades en general.

Aquellos tiempos eran de carruajes que comenzaron a correr sin caballos, máquinas de vapor que “aprovecha la potencia motriz del fuego” que surgieron en Inglaterra del siglo XVIII para sustituir a los animales en el bombeo del agua, cuando ésta inundaba las minas de carbón. La máquina “atmosférica” de Newcomen fue la primera, seguida por la de Watt que mejoró el diseño con un condensador para el vapor, haciéndola mucho más eficiente.

En 1827, el ingeniero francés Marc Seguir inventó la caldera tubular, que obtenía mayor provecho de la fuerza generada por el vapor. Stephenson aplicó sistema a la locomotora The Rocket, que era capaz de transportar 12.942 kilos a 24 km por hora con una pendiente del 2%.

Ninguno de aquellos avances se llevó a cabo con respaldo teórico hasta que aparecen los estudios de Carnot en 1824. En ese nace la termodinámica y a partir de ahí el progreso se dispara.

La Máquina de vapor tiene lugar preferente en los manuales de Física de la época y se describen de manera minuciosa todos y uno de los elementos que intervienen en su funcionamiento. Faltaba sin embargo, la fundamentación teórica, la cual tardaría varias décadas en ser incorporada.

A lo más, los dos únicos principios explicativos que aparecen son la “fuerza elástica del vapor” y “la caída de presión cuando el vapor se condensa”. Claro que, la máquina de vapor adoptó nuevos y más modernos diseños y, de estar fijas en sus lugares de , pasaron a poder desplazarse con la gran ventaja que ello suponía, y, hasta tal punto fue así que, aquella idea del desplazamiento, dio lugar a la llegada del Ferrocarril por una parte y de la Navegación fluvial a vapor por otra, con lo cual, aquello nos llevó en volandas hacia el futuro. Un futuro hasta hacía poco impensable.

“[…] máquinas admirables que lo mismo producen su efecto en puntos fijos, como marchando con una prodigiosa velocidad, ya sobre las barras de hierro, borrando las distancias, ó ya surcando los mares sobre unas tablas, y haciendo vecinos los dos mundos que estos mares separan. (Rodríguez, 1858, p. 320, en su manual de Física general y aplicada a la agricultura y a la industria. Madrid, Aguado (1858).”

Resulta muy curioso en la que eran presentados estos nuevos inventos y las referencias que utilizaban para ello al tratar de transmitir al lector novedades de tal magnitud:

“Igualmente se las ha aplicado á los carruajes que se hacen marchar sin caballerías para transportar cargamentos muy considerables, ó mejor para arrastrar tras de sí un número mayor o menor de carruajes ordinarios cargados de todas las mercancías, ó de otra clase de objetos. (Beudant, 1841, p. 283. Tratado Elemental de Física (3ª Edic.) Madrid, Imprenta de Arias (1841).”

Como vemos, lo era descrito en base a lo ancestral. Se percibe que comienza a producirse cambios de incalculables consecuencias, que hará que el mundo, deje de ser lo que era.

Tras haber pasado desapercibida siglos, la electricidad comienza un desarrollo fulgurante en el siglo XVIII. En ese período se establecen las leyes básicas y surgen las primeras teorías explicativas de los fenómenos conocidos. Coulomb cierra el siglo estableciendo la primera ley cuantitativa e introduciendo la electricidad en el marco de la ciencia newtoniana.

                  La bateria eléctrica de Volta y las primeras ciudades alumbradas

Volta apiló discos de igual tamaño de cobre y de cinc, sólo o con estaño, alternados, que llevan intercalados cada uno de ellos un paño humedecido. Esta “pila de discos” empieza y termina con discos de diferente tipo. Conectando con un alambre los discos situados en los extremos logró que fluyera un flujo eléctrico. Impregnando el paño en determinadas sales la corriente obtenida era mucho mayor.

Así, en el siglo XIX se abre con una aportación de gran trascendencia: la pila de Volta, cuyos efectos “son tan extraordinarios que sin exageración se puede decir que es el instrumento más maravilloso que ha creado la inteligencia humana” (González Chávarri, 1848). La pila amplia el campo de la electricidad incorporando todos los fenómenos relacionados con la entonces llamada “electricidad galvánica”. Poco más tarde, gracias a los trabajos de Oersted y Faraday, aparece otro dominio de inmensas posibilidades: el electromagnetismo. El descubrimiento de la conexión entre corriente eléctrica e imanes va a ser seguida de la puesta a punto de aparatos y máquinas que serán el soporte de la electricidad industrial y marcarán el tránsito hacia la Sociedad contemporánea.

La Electricidad acuña fama de ser un agente físico poderoso y, al mismo tiempo, sorprendente, vistos los fenómenos y efectos que suele protagonizar. Se presenta como capaz de hacer posible todo lo imaginable e inimaginable. Tanto es así que por ejemplo, es capaz de producir luz ¡sin utilizar fuego! Así, los manuales describen la experiencia realizada por Davy en 1801, que mediante una pila de gran de elementos hace saltar un arco de luz cegadora (arco voltaico) entre dos barras próximas de carbón.

Liebherr, en el emplazamiento británico de Sunderland, se decidió por el moderno procedimiento por arco voltaico pulsado, por lo que utiliza sistemas digitales del TransPuls Synergic 5000 de Fronius.

La luz a diferencia de las chispas se mantenían durante un cierto tiempo, pero las barras se iban consumiendo y llegaba un momento en que cesaba el fenómeno. Con base a experiencia se construyeron aparatos destinados a la iluminación, provistos de un complicado sistema que mantenía las distancias de las barras. El arco estaba protegido de las corrientes de aire por un tubo de vidrio.

Otro inconveniente era la duración muy limitada de pilas y baterías, pero a partir de los años 1860 comenzaron a estar operativas las dinamos y problema quedó solucionado.

      No sería justo hablar de la luz sin nombrar a N. Tesla

Poco más tarde, 1880 y gracias a que el espabilado Edison se apropió de las ideas de Tesla, surgió y se impulsó la bombilla de incandescencia, dispositivo durable y de bajo coste de producir luz mediante la corriente. Ha sido el sistema que hemos conocido hasta nuestros días.

Podríamos seguir hasta llegar a lo que hoy es la Fisica, sin embargo, ni el sitio es tan extenso ni el tiempo lo permite.

emilio silvera

  Estructuras fundamentales del Universo

La Física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menos intensidad, por los objetos más fríos. Planck escribió un artículo de ocho páginas y el resultado fue que cambió el mundo de la física y aquella páginas fueron la semilla de la futura ¡mecánica cuántica! que, algunos años más tardes, desarrollarían físicos como Einstein (Efecto fotoeléctrico), Heisenberg (Principio de Incertidumbre), Feynman, Bhor, Schrödinger, Dirac…

Figura animada que representa un rayo de luz incidiendo sobre un cuerpo negro hasta su total absorción. l nombre cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff  en 1862 y su idea deriva de la siguiente observación: toda la materia emite radiación electromagnética cuando se encuentra a una temperatura por encima del cero absoluto. La radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada es un proceso espontáneo y procede de una conversión de su energía térmica en energía electromagnética. También sucede a la inversa, toda la materia absorbe radiación electromagnética de su entorno en función de su temperatura.

 La expresión radiación se refiere a la emisión continua de energía de la superficie de todos los cuerpos. Los portadores de esta energía son las ondas electromagnéticas  producidas por las vibraciones de las partículas cargadas  que forman parte de los átomos y moléculas de la materia. La radiación electromagnética que se produce a causa del movimiento térmico de los átomos y moléculas de la sustancia se denomina radiación térmica o de temperatura.

 Ley de Planck para cuerpos a diferentes temperaturas.

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía.

Pero si usamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de la radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano, y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico o una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para longitudes menores. Esta longitud característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273 ºC bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de la luz visible.

                              Acero al  “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de la luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda y, por lo tanto, proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. La sencilla fórmula es:

E = hv

Donde E es la energía del paquete, v es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Ni que decir tiene que, desde entonces, la fórmula ha sido mejorada y, como siempre pasa, los avances que son imparables van modificando las teorías originales para perfeccionarlas y que se ajusten mucho más a la realidad que la Naturaleza nos muestra cuando somos capaces de descubrir sus secretos.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: el sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck.

El príncipe francés Louis Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, que no sólo cualquier cosa que oscila tiene una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta dirección del espacio, y que la frecuencia, v, de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilatorias de campos de fuerza.

En mecánica cuántica, el comportamiento de un electrón en un átomo se describe por un orbital, que es una distribución de probabilidad más que una órbita.  El electrón (e⁻), es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa.Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos, en otras palabras, generalmente se define como una partícula elemetal.

En la Teoría de cuerdas subyace la Gravedad cuántica

En la Teoría de cuerdas se dice que un electrón se encuentra formado por una subestructura (cuerdas). Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor con respecto a la del protón.  El miomento angular  (espín) intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de ħ, lo que significa que es un fermión.  Su antipartícula es denominada positrón: es idéntica excepto por el hecho de que tiene cargas —entre ellas, la eléctrica— de signo opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón, las dos partículas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones y rayos gamma.

Los electrones, que pertenecen a la primera generación de la familia de partículas de los leptones y participan en las interacciones fundamentales, tales como la Gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil^. Como toda la materia, posee propiedades mecánico cuánticas tanto de partículas como de onmdas,   de tal manera que pueden colisionar con otras partículas y pueden ser difractadas como la luz. Esta dualidad se demuestra de una mejor manera en experimentos con electrones a causa de su ínfima masa. Como los electrones son fermiones, dos de ellos no pueden ocupar el mismo estado cuántico, según el Principio de exclusión de Pauli. Por este motivo se forman las estrellas enanas blancas y de neutrones al final de la vida de las estrellas de poca masa.

Es curioso el comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de De Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió como escribir la teoría ondulatoria de De Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar los cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de onda cuántica”.

No hay duda de que la Mecánica Cuántica funciona maravillosamente bien. Sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente esas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá por el año 1687, formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo lo que significaban sus ecuaciones: que los planetas están siempre en una posición bien definida en el espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades con el tiempo.

Pero para los electrones todo esto es muy diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en la bruma. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de forma tal que con su explicación se pudo seguir trabajando y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la “interpretación de Copenhague” de la Mecánica Cuántica. En vez de decir que el electrón se encuentra en el punto x o en el punto y, nosotros hablamos del estado del electrón. Ahora no tenemos el estado “x” o el estado “y”, sino estados “parcialmente x” o “parcialmente y. Un único electrón puede encontrarse, por lo tanto, en varios lugares simultáneamente. Precisamente lo que nos dice la Mecánica Cuántica es como cambia el estado del electrón según transcurre el tiempo.

Un “detector” es un aparato con el cual se puede determinar si una partícula está o no presente en algún lugar pero, si una partícula se encuentra con el detector su estado se verá perturbado, de manera que sólo podemos utilizarlo si no queremos estudiar la evolución posterior del estado de la partícula. Si conocemos cuál es el estado, podemos calcular la probabilidad de que el detector registre la partícula en el punto x.

Las leyes de la Mecánica Cuántica se han formulado con mucha precisión. Sabemos exactamente como calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas simultáneamente. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha exactitud, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o, a la inversa. Si una partícula tiene “espín” (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

No es fácil explicar con sencillez de dónde viene esta incertidumbre, pero hay ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar.

                          ¿Onda o partícula? ¡Ambas a la vez! ¿Cómo es eso?

Para que las reglas de la Mecánica Cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuanto más grande y más pesado es un objeto más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica.

Me gustaría referirme a esta exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por “holismo”, y que se podría definir como “el todo es más que la suma de las partes”.

Bien, si la Física nos ha enseñado algo, es justamente lo contrario: un objeto compuesto de un gran número de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (las partículas): basta que uno sepa sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que yo entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes.

Por ejemplo, la constante de Planck, h = 6,626075…x 10 exp. -34 julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal. Así, los extraterrestres del cuarto planeta a partir de la estrella SIL, cuando descubran esa constante, el resultado sería exactamente el mismo que le dio a Plancl, es decir, el Universo, funciona igual en todas partes.

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisenberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros tales como Edwin Schrödinger, siempre presentaron serias objeciones a esta interpretación.

Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón, en el punto x o en el punto y? Em pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

Hasta hoy, muchos investigadores coinciden con la actitud pragmática de Bohr. Los libros de historia dicen que Bohr demostró que Einstein estaba equivocado. Pero no son pocos,  incluyéndome a mí, los que sospechamos que a largo plazo el punto de vista de Einstein volverá: que falta algo en la interpretación de Copenhague. Las objeciones originales de Einstein pueden superarse, pero aún surgen problemas cuando uno trata de formular la mecánica cuántica para todo el Universo (donde las medidas no se pueden repetir) y cuando se trata de reconciliar las leyes de la mecánica cuántica con las de la Gravitación… ¡Infinitos!

La mecánica cuántica y sus secretos han dado lugar a grandes controversias, y la cantidad de disparates que ha sugerido es tan grande que los físicos serios ni siquiera sabrían por donde empezar a refutarlos. Algunos dicen que “la vida sobre la Tierra comenzó con un salto cuántico”, que el “libre albedrío” y la “conciencia” se deben a la mecánica cuántica: incluso fenómenos paranormales han sido descritos como efectos mecanocuánticos.

Yo sospecho que todo esto es un intento de atribuir fenómenos “ininteligibles” a causas también “ininteligibles” (como la mecánica cuántica) dónde el resultado de cualquier cálculo es siempre una probabilidad, nunca una certeza.

Claro que, ahí están esas teorías más avanzadas y modernas que vienen abriendo los nuevos caminos de la Física y que, a mi no me cabe la menor duda, más tarde o más temprano, podrá explicar con claridad esas zonas de oscuridad que ahora tienen algunas teorías y que Einstein señalaba con acierto.

¿No es curioso que, cuando se formula la moderna Teoría M, surjan, como por encanto, las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General? ¿Por qué están ahí? ¿Quiere eso decir que la Teoría de Einstein y la Mecánica Cuántica podrán al fin unirse en pacifico matrimonio sin que aparezcan los dichosos infinitos?

Bueno, eso será el origen de otro comentario que también, cualquier día de estos, dejaré aquí para todos ustedes.

emilio silvera