BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA

1. BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA

2. CIENCIA TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD UNIDAD 2 TOMADO DE: PANORAMA HISTÓRICO DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA EN EL SIGLO XX Joaquín Luque Cuadernos del Mundo Actual. Historia 16. Madrid, 1993 PREPARADO POR: JUAN GUILLERMO RIVERA BERRÍO LEÓN DARÍO FERNÁNDEZ BETANCUR

3. LOS EGIPCIOS • Medición de la tierra • Sistema decimal • Primer museo (en honor de las musas) (332 a.C.) BABILONIOS • Astrología: tablas movimiento de los planetas. Mapas de los cuerpos celestes • Sistemas de riego • Sistema sexagesimal • Tablas de multiplicar, cuadrados y cubos (2300 a. C.) • GRIEGOS • Primer mapa del mundo (Hecateus 530 a. C.)

4. PTOLOMEO Claudius Ptolemaeus Alejandría (s. I d. C.) • Principal astrónomo antiguo • Esquema geométrico que predecía el movimiento de los planetas. • La tierra ocupaba el centro del universo. • Su teoría: movimiento de los cuerpos celestes (ocho esferas que transportaban la Luna, el Sol, las estrellas y los cinco planetas conocidos) • Vigentehasta la caída de Roma y el fin de la edad media.

5. COPERNICO (1473-1543) • 14 siglos después de Ptolomeo • 1543. Canónigo polaco Nicolás Copérnico publica: De revolutionibus orbium coelestium (sobre las revoluciones de las esferas celestes) • Trata de simplificar el cálculo ptolemaico • Propone un sistema en el que el sol está en el centro y la tierra y los demás planetas giran en círculos en torno a él. • Tanto el sistema ptolemaico como el copernicano son de una complejidad similar. • Sacar a la tierra del centro del Universo tuvo unas profundas repercusiones en el pensamiento de la época y de los siglos siguientes, hasta el punto que se la denomina la Revolución Copernicana.

6. GALILEO (1564-1642) Galileo, si no inventa, al menos sí es uno de los primeros en usar el microscopio y el telescopio con fines de observación científica. Al comprobar que el aspecto de la Luna era idéntico al de la Tierra, con sus montañas y valles, atacó a la cosmología clásica (aristotélica y ptolemaica) que creía que el mundo sublunar era esencialmente distinto del mundo de las esferas celestes. Proclamó su fe en el sistema copernicano lo que le costó la condenación de la Iglesia, la cárcel y la retractación pública. Según la tradición, al terminar su retractación exclamó: "Eppur, si muove" ("¡Y sin embargo se mueve!").

7. GALILEO Se le considera padre de la Física moderna, entre otras cuestiones por promover la observación experimental y la formulación matemática de las leyes del universo. Ambas cuestiones quedan muy bien reflejadas en las páginas iniciales de su obra "Il Saggiatore" (El ensayador): "La filosofía está escrita en este grandísimo libro que está abierto ante nuestros ojos (digo: el universo), pero no puede entenderse si antes no se procura entender su lengua y conocer los caracteres en los cuales está escrito. Este libro está escrito en lengua matemática, y sus caracteres son triángulos, círculos y otras figuras geométricas, sin las cuales es totalmente imposible entender humanamente una palabra, y sin las cuales nos agitamos vanamente en un oscuro laberinto".

8. KEPLER (1571-1630) • Johannes Kepler, alemán contemporáneo • de Galileo. • Con base en sus observaciones astronómicas, propuso la aceptación del sistema copernicano con una modificación: los planetas no giran en torno al sol en órbitas circulares sino elípticas. Con este sencillo cambio, los datos encajaban perfectamente en un modelo simple en el que no eran necesarios deferentes, epiciclos ni excéntricas. • Su modelo era más simple y bello que los anteriores. • Kepler formuló las expresiones matemáticas que rigen el movimiento de los planetas en estas elipses: las 3 leyes de Kepler.

9. LEYES DE KEPLER • Las órbitas de los planetas no son circulares sino elípticas con el sol en uno de los focos • Un radio vector (radio trazado entre el sol y un planeta) barre áreas iguales en tiempos iguales • El cubo de la distancia media entre un planeta y el sol, dividida por el cuadrado de su período, es constante para todos los planetas

10. NEWTON (1642-1727) • Isaac Newton: La cumbre de la Física de la Modernidad • Inglés que vive en la segunda mitad del siglo XVII y comienzos del XVIII. • 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (Principios matemáticos de la filosofía de la naturaleza) establece la ley de la gravitación y las leyes generales de la mecánica. • Sus observaciones encuentran una explicación de los principios en los que se fundamentan.

11. NEWTON (1642-1727) • La mecánica newtoniana tiene una visión del mundo con un espacio y un tiempo infinitos y un movimiento absoluto. • Newton no sólo es un físico genial sino también un matemático de primera fila. Como las herramientas matemáticas de su tiempo eran insuficientes para el desarrollo de su teoría, construye nuevos modelos matemáticos, y en concreto el cálculo diferencial, por el que mantuvo una fuerte controversia sobre su prioridad con el matemático, y también filósofo, alemán Leibniz (1646-1716).

12. LA ILUSTRACIÓN 1789 • Después de dos siglos de cambio en la física (XVI y XVII), esta disciplina se asienta y se desarrolla sobre las bases de la mecánica newtoniana en los dos siglos siguientes, XVIII y XIX. • El pensamiento racionalista, los movimientos sociales de la época que culminan en la revolución francesa, y el movimiento cultural ilustrado, no hacen sino reforzar una visión del mundo que ya estaba en germen en la nueva física. • CONSECUENCIAS • Materialismo: La perfección del modelo newtoniano conduce a un materialismo: Todo está hecho de materia (no hay conciencias, espíritus). • Determinismo: Todo puede ser calculado a partir del pasado. Aún hay muchos físicos para quienes la mecánica newtoniana, necesariamente induce al materialismo y al determinismo, pero en los siglos XVIII y XIX fue la opinión mayoritaria de los científicos.

13. INICIOS DE LA ELECTRICIDAD • Thales de Miletus (630-550 AC) fue el primero que, cerca del 600 AC, conociera el hecho de que el ambar, al ser frotado adquiere el poder de atracción sobre algunos objetos. • Sin embargo fue el filósofo Griego Theophrastus (374-287 AC) el primero que, en un tratado escrito tres siglos después, estableció que otras sustancias tienen este mismo poder, dejando así constancia del primer estudio científico sobre la electricidad

14. SIGLO XVII • WILLIAM GILBERT (1544 -1603). médico ingles. Pionero en la investigación del magnetismo Fue uno de los primeros científicos, de la era moderna,en realizar experimentos con la electrostática y el magnetismo, retomando las observaciones realizadas por los antiguos griegos. Demuestra que son muchos los materiales que tienen la misma propiedad del ámbar • En 1600 escribe un tratado en el cual demuestra que la tierra se comporta como un gran imán • Clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio

15. LA ELECTRICIDAD EN EL XVIII. Aunque eran bien conocidos desde la antigüedad, en el siglo XVIII comienzan a estudiarse de acuerdo con el nuevo método científico los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Merece destacarse el papel que desempeña Charles de Coulomb (1736-1806), físico francés que estudia las fuerzas eléctricas de cargas en reposo (electrostática) y enuncia su ley general aplicable a las fuerzas eléctricas y magnéticas. La expresión matemática de la ley de Coulomb es muy similar a la formulación de la gravitación universal de Newton.

16. SIMILITUD ENTRE LA LEY DE COULOMBY LA LEY DE NEWTON • “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”. • F=K(q1q2)/r2 En el Sistema Internacional de Unidades, K vale 9·109 Nm2/C2. • “La interacción entre dos cuerpos de masa M y m se describe en término de una fuerza atractiva, cuya dirección es la recta que pasa por el centro de los dos cuerpos y cuyo módulo viene dado por la expresión • F= G(m1m2)/r2” • G es la constante de la gravitación universal G=6.67*10-11 Nm2/kg2, y r es la distancia entre los centros de los cuerpos

17. LA ELECTRICIDAD EN EL XIX. En la frontera entre los siglos XVIII y XIX (1800), el italiano Alessandro Volta inventa la pila y con ella da comienzo el estudio de la corriente eléctrica y sus relaciones con el magnetismo. Durante este siglo la electricidad y el magnetismo avanzan considerablemente gracias a nombres como los de Ampere, Ohm o Faraday. No obstante las formulaciones debidas a ellos recogen aspectos parciales de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Con la aparición de James Clerk Maxwell (1831-1879), físico escocés, se dispone de una teoría integradora. Ésta es formulada en 1873 mediante las ecuaciones generales de la propagación del campo electromagnético, conocidas como ecuaciones de Maxwell. En ella se unifican las fuerzas eléctricas y magnéticas. Será la primera de las unificaciones que todavía hoy sigue buscando la física.

18. SIGLO XIX ¿EL FIN DE LA CIENCIA? • Desde el punto de vista de la Física la situación a finales del siglo XIX no podía ser más halagüeña: • La mecánica de Newton era un éxito. • El electromagnetismo de Maxwell explicaba ese conjunto de fenómenos. • Y por último, Young y Fresnel resolvieron los problemas que tenía la teoría ondulatoria de la luz y formularon las leyes de la óptica. Todo la naturaleza era explicada por la física. ¡El triunfo de la razón!. • Por lo anterior, Lord Kelvin, físico inglés de la época, premio Nobel de física en 1906, anunciaba el próximo fin de la disciplina por falta de problemas qué resolver. • En el mismo siglo XIX Hegel había anunciado el fin de la Filosofía y de la Historia • Nietzsche proclamaba la muerte de Dios. • Sin embargo serios nubarrones se oteaban en el • horizonte, lo que llevaría a la ciencia a un nueva • crisis, a una revolución conceptual, o como diría • Kuhn, a un cambio de paradigma.

19. MODELO DE EDISON(DÍODO)

20. MODELO DE FLEMING • Si por un diodo pasa una corriente como la que se muestra en la parte superior, sale una corriente como la que aparece en la parte inferior. Esta acción se llama rectificación.

21. DESARROLLO DEL TRÍODO • Lee De Forrest (1873 – 1961). En 1906 desarrolla el tríodo (Audión) • 1909. procesado por fraude • 1912. vende la patente a ATT

22. DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X • El alemán Roentgen hacía experimentos con la luz fluorescente producida por los electrones (1895). • Construyó la pantalla fluorescente, una pieza de cartón pintada con cierto compuesto químico de bario, de alta fluorescencia. • Un día descubrió que la pantalla brillaba aún cuando los electrones en ese momento no podían llegar hasta ella. Se dio cuenta de que la fuente era el origen de otra nueva clase de rayos que penetraban el cartón • Luego colgó una hoja de metal entre el tubo y la pantalla de metal y siguió observando fluorescencia, aunque menos intensa. • Después metió su mano entre el tubo y la pantalla. Lo que vio debió de asustarlo sobremanera: ¡en la pantalla se veía el esqueleto de una mano!. Al mover su mano el esqueleto se movía. “¡Roentgen estaba viendo el esqueleto de su mano en vida!”. • Estos rayos, él los llamó X por desconocer de qué se trataban. “YO NO PIENSO: ENSAYO” • Implicaciones de los rayos X: medicina, industria

23. LA FÍSICA EN EL SIGLO XX. La relatividad especial. En 1905 Albert Einstein, físico alemán, estudiando los problemas que presentaba el electromagnetismo cuando se estudiaba el movimiento relativo entre móviles con velocidades cercanas a la de la luz (electrodinámica de los cuerpos en movimiento), formuló su teoría de la relatividad especial, denominada así para distinguirla de la teoría del movimiento relativo formulada ya por Galileo. La teoría de Einstein, no era simplemente un remiendo de la mecánica clásica sino una revolución conceptual de la cual todavía hoy nos estamos recuperando.

24. La Física en el siglo XX. La relatividad especial. Para Einstein, el espacio y el tiempo no son absolutos sino que dependen de cada observador y de la velocidad con la que se mueva este observador. Así, para un observador en movimiento, los relojes atrasan, las reglas se contraen y las masas aumentan. Otra consecuencia de la relatividad especial es que los conceptos de masa y energía son, en cierta medida intercambiables. Debe hablarse de una conservación conjunta de la masa-energía. La teoría establece lo que probablemente es la fórmula matemática más conocida de la física: E=mc2. Esto permite la conversión de materia en energía, y la materialización de la energía, lo cual ha dado lugar a las bombas atómicas y a las centrales nucleares.

25. La Física en el siglo XX. En 1916, Einstein propone su teoría de la relatividad general, en la que incluye los efectos de la gravedad. Si con cierta dificultad y gran esfuerzo puede llegar a entenderse la formulación de la relatividad especial, la relatividad general es mucho más compleja La relatividad general requiere unos conocimientos matemáticos tan elevados que ni incluso muchos licenciados en Física la conocen con precisión. Para la relatividad general, la masa no es más que una curvatura, mayor o menor del espacio-tiempo. Si no hay masa el espaciotiempo es plano. Si tenemos una masa, por ejemplo el Sol, el espacio-tiempo se curva. En realidad no es que el espacio-tiempo se curve por la presencia de una masa, sino que la masa es precisamente esa curvatura. ¡Cuán lejos queda el concepto de sustancia de Aristóteles!.

26. La Física en el siglo XX. La mecánica cuántica - Bohr En 1913 Niels Bohr, físico danés, describe un modelo del átomo parecido a un sistema planetario. En el centro estaría el voluminoso y pesado núcleo (el "sol") y a su alrededor, giran en órbitas los diversos electrones (los "planetas"). Para que este modelo fuese consistente con la física de la época fue necesario suponer que los electrones no podían tener cualquier energía, sino sólo determinados valores de la misma: la energía de los electrones estaba cuantizada de acuerdo con una expresión debida a Planck. Si bien el modelo atómico de Bohr es intuitivo y fácil de comprender, no explicaba completamente los fenómenos observados en el estudio del átomo.

27. La Física en el siglo XX. La mecánica cuántica Para solventar estos problemas, Heisenberg propuso en 1925 una mecánica cuántica basada en el cálculo matricial. De forma independiente, Schrödinger propuso en 1926 una mecánica cuántica basada en ecuaciones de ondas. Ambas formulaciones son matemáticamente equivalentes. Aparece la dualidad onda-corpúsculo. La teoría corpuscular tenía grandes defensores entre ellos al mismo Newton. Sin embargo, la teoría ondulatoria era la que mejor se adaptaba a las observaciones. Aparecieron nuevos fenómenos, entre ellos el efecto fotoeléctrico, que rescataron la visión corpuscular de la luz, defendida en este caso por Einstein. ¿Es la luz una onda o una hilera de fotones (partículas de luz)?. Un duelo de titanes que se resolvió en empate. Luis De Broglie, físico francés, lanzó en 1924 una hipótesis desconcertante: la luz, y en general cualquier materia, es de una naturaleza tal que, dependiendo de cómo se la observe presenta las propiedades de una onda o de un corpúsculo.

28. PRINCIPIO DE INDETERMINACIÓN • Einstein, y Laplace, afirmaban que era posible calcular la posición exacta de un electrón en cualquier momento (posición determinista). Heisenberg demostró que eso era imposible; que era un resultado probabilístico. (posición probabilística). Desde entonces se introdujo el estudio de las probabilidades (y de la Estadística en general) en la física

29. La Física en el siglo XX. La mecánica cuántica - Bohr En el principio de indeterminación (o principio de incertidumbre) de Heisenberg formulado en 1927, nuestro conocimiento de los fenómenos físicos es necesariamente limitado. Al observar (medir) un fenómeno lo alteramos, de forma que la medida realizada no se corresponde con su valor original. Este límite al conocimiento físico no sólo es real sino que se puede calcular cuánto vale. Las medidas son necesariamente erróneas. Este principio supone un serio revés al sueño de Laplace de calcularlo todo, pasado presente y futuro. Pero aún más demoledor resulta la estructura completa de la mecánica cuántica en la que calculamos, no una magnitud física de la materia, sino la función de probabilidad de dicha magnitud. Por decirlo más claramente, la mecánica cuántica no nos dice donde va a estar el electrón en un instante de tiempo dado, sino que nos da las distintas probabilidades de que esté en los diferentes puntos del espacio. Einstein, firme adversario de la mecánica cuántica se niega a creer que "Dios juegue a los dados”

30. La Física en el siglo XX. En el siglo XX, la física, no sólo ha roto el átomo, no sólo ha encontrado las partes de lo "sin partes", sino que ha descubierto que, a su vez, el núcleo atómico está compuesto por un número variable de protones y neutrones. Los núcleos más grandes, en ocasiones, tienden a romperse espontáneamente. Así por ejemplo ocurre con el Uranio, estudiado por Becquerel, o con el Radio analizado por los esposos Curie (Marie y Pierre). Al romperse estos átomos emiten una radiación. A este fenómeno se le denominó radiactividad. y ha dado origen a la física nuclear contemporánea. A la rotura del núcleo se la denomina fisión nuclear. Este proceso puede liberar una gran energía que puede utilizarse de forma explosiva o controlada. La fisión nuclear

31. La Física en el siglo XX. La bomba atómica Durante la Segunda Guerra Mundial se trabajó intensamente para producir una reacción de fisión nuclear en cadena, de forma que tuviese un carácter explosivo y liberase una gran cantidad de energía. Este proyecto, conocido como proyecto Manhattan, fue dirigido por Oppenheimer y culminó en 1945 con el lanzamiento de dos bombas atómicas por parte de USA en dos ciudades japonesas: Hiroshima y Nagasaki. El uso pacífico de la energía nuclear de fisión se realizó por primera vez en 1956 en la central nuclear de Calder Hall (Gran Bretaña).

32. La Física en el siglo XX. Fusión nuclear Pero la fractura de núcleos pesados no es la única reacción nuclear posible. De hecho, ni siquiera la más importante. Mediante el proceso inverso, es decir la unión (fusión) de núcleos ligeros de Hidrógeno, se obtiene un núcleo de Helio (Deuterio + Tritio = Helio + neutrón). En este proceso se libera una gran energía. A este proceso se le denomina la fusión nuclear y es el que proporciona la energía del sol. Esta energía de fusión se utilizó por primera vez con fines militares en 1952 para la fabricación de la denominada bomba H. El uso pacífico de esta energía es todavía un problema sin resolver.

33. La Física en el siglo XX. La física de partículas En el estudio del átomo y de sus componentes, además de los protones neutrones y electrones, empezaron a surgir nuevas partículas subatómicas: mesones, bosones, piones, neutrinos, etc. El mundo subatómico empezó a poblarse de numerosas entidades que parecían no tener orden ni concierto. Muchas de estas partículas sólo son observables, durante tiempos muy cortos, tras una brutal colisión. Los aceleradores de partículas son dispositivos muy grandes (varios kilómetros de diámetro), con complejísimas instalaciones auxiliares, y con gravísimos problemas de financiación. .

34. La Física en el siglo XX. Los quarks Para poner un poco de orden en tal proliferación de partículas, Gell-Mann y Zweig propusieron en 1964 un modelo, denominado modelo estándar, según el cual por debajo de las partículas conocidas habría otras, denominadas quarks. Dicho de otra forma, no sólo es que el átomo tenga partes, sino que el protón, por ejemplo, también tiene partes. Estas partes son los quarks. Existen 6 tipos de quarks, el último de los cuales fue detectado en 1994. Sin embargo los físicos consideran que no han llegado aun al final. Para ello se basan en que el modelo estándar, del que los quarks forman parte, no es capaz de integrar los efectos gravitatorios y además depende de 15 constantes arbitrarias que no pueden ser deducidas teóricamente sino que deben ser medidas experimentalmente.

35. La Física en el siglo XX. Las teorías de unificación de fuerzas. Hasta el siglo XIX, sólo se conocían 3 tipos de fuerzas o de interacciones en la naturaleza: la gravitatoria, la eléctrica y la magnética. Maxwell unificó en 1873 las dos últimas mediante su teoría del campo electromagnético. Quedaban por tanto, a principios del siglo XX, sólo dos fuerzas: la gravitatoria y la electromagnética. Sin embargo el estudio del átomo y de las partículas elementales puso de manifiesto la existencia de otros dos tipos de interacciones que tienen lugar principalmente en los núcleos atómicos: la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. Tanto por razones teóricas como estéticas, los físicos pretenden unificar todas las fuerzas de la naturaleza en una única teoría. Fruto de este esfuerzo, Weinberg, Salam y Glashow proponen en 1960, y es confirmada en 1983, la teoría electrodébil, que unifica la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. -

36. La Física en el siglo XX. Las teorías de unificación de fuerzas. En 1973, Pati, Salam, Georgi y Glashow, introdujeron las teorías de Gran Unificación todavía no confirmadas ni refutadas, en las cuales la interacción nuclear fuerte se uniría a la electrodébil. Mucho más elusiva resulta la unificación de la fuerza gravitatoria. Las interacciones eléctricas, magnéticas, nuclear débil y nuclear fuerte ocurren todas ellas dentro del marco del espacio-tiempo. Pero la gravedad no es otra fuerza impuesta sobre el espacio-tiempo, sino una distorsión del mismo. No obstante, se están consiguiendo algunos resultados parciales en este terreno, entre los que destacan los trabajos del popular Stephen Hawking.

37. La Física en el siglo XX. La astronomía. Pero la física de nuestro siglo no sólo se ha preocupado por lo muy pequeño, sino también por lo muy grande: por el universo. Mediante el uso del telescopio, y de nuevos instrumentos de exploración, nuestra imagen del cosmos ha cambiado radicalmente. A las estrellas y planetas han venido a sumarse toda una serie de nuevos cuerpos celestes de los que antes no se tenía conocimiento: púlsares, cuásares, supernovas, estrellas de neutrones, agujeros negros, etc. Todo un catálogo que nos presenta un universo en continuo cambio y ebullición. .

38. La Física en el siglo XX. La cosmología Big-Bang. Quizás la más espectacular y popular de las teorías astronómicas sea la del Big-Bang o gran explosión. Como consecuencia de la teoría de la relatividad general Friedmann (ruso) en 1922 y Lemaitre (belga) en 1927 proponen que el universo surgió a partir de una gran explosión original y que desde entonces se está expandiendo. Esta teoría estaba apoyada en las observaciones de Hubble (Usa) de 1925, en las que se ponía de manifiesto que las galaxias se estaban separando todas unas de otras. Esta teoría ha sido posteriormente confirmada por numerosas evidencias, siendo hoy ampliamente aceptada. No hace falta subrayar las profundas consecuencias filosóficas de la teoría del Big-Bang.

39. CONCLUSIONES • La historia de la ciencia física se remonta, prácticamente, a los inicios del hombre • Desde sus inicios, la ciencia ha tenido un desarrollo ininterrumpido • En cada época se tienen personajes que sobresalen por sus observaciones y aportes a la ciencia • La electricidad es uno de los campos que más cambios de paradigma ha experimentado. • La ciencia no se detiene. No se sabe el porcentaje conocido de la física, pero sí se especula que es muy poco • Digamos entonces con Sócrates: “¡sólo sé que nada sé!”

40. GRACIAS F I N