TREINTA AÑOS QUE TREINTA AÑOS QUE CONMOVIERON AL CONMOVIERON AL

MUNDOMUNDO

FÍSICA MODERNAFÍSICA MODERNA

ESTADO DE LA CIENCIA ESTADO DE LA CIENCIA ANTES DE 1887ANTES DE 1887

Hacia fines del siglo XIX, se Hacia fines del siglo XIX, se conocían o dominaban las conocían o dominaban las

siguientes ramas de la ciencia:siguientes ramas de la ciencia:

• Mecánica de Newton (Sir Isaac Newton, Mecánica de Newton (Sir Isaac Newton, 1687; Joseph-Louis Lagrange, 1788)1687; Joseph-Louis Lagrange, 1788)

• Teoría de Dalton sobre la naturaleza Teoría de Dalton sobre la naturaleza atómica de la materia (John Dalton, atómica de la materia (John Dalton, 1802)1802)

• Termodinámica clásica (Sir Benjamin Termodinámica clásica (Sir Benjamin Thompson, Thompson, Conde de Rumford, 1798; Conde de Rumford, 1798; Jean-Baptiste Joseph Fourier, 1822; Jean-Baptiste Joseph Fourier, 1822; Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1824; Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1824; James Prescott Joule, 1845; James Prescott Joule, 1845; Hermann Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 18471847))

• Teoría cinética de los gases (Rudolph Teoría cinética de los gases (Rudolph Clausius, James Clerk Maxwell, Ludwig Clausius, James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann), 1858-1864Boltzmann), 1858-1864

• Teoría electromagnética de Maxwell Teoría electromagnética de Maxwell (Charles Augustin de Coulomb, 1785; (Charles Augustin de Coulomb, 1785; Hans Christian Ørsted, 1820; Jean-Hans Christian Ørsted, 1820; Jean-Baptiste Biot y Felix Savart, 1826; Baptiste Biot y Felix Savart, 1826; Michael Faraday, 1831; Michael Faraday, 1831; James Clerk James Clerk Maxwell, 1864-1873Maxwell, 1864-1873))

• Óptica (Pierre de Fermat, 1621; Sir Óptica (Pierre de Fermat, 1621; Sir Isaac Newton, 1687; Hyppolite Fizeau, Isaac Newton, 1687; Hyppolite Fizeau, 1850; Augustin Fresnel)1850; Augustin Fresnel)

• Teoría de Teoría de lala evolución (Charles evolución (Charles Darwin y Alfred Russell Wallace, Darwin y Alfred Russell Wallace, 1859)1859)

Conceptualmente, en el núcleo Conceptualmente, en el núcleo de todos los conocimientos de todos los conocimientos mencionados, se hallaban mencionados, se hallaban

ciertas nociones del sentido ciertas nociones del sentido común, contenidas en lo que común, contenidas en lo que

ahora se conoce como la ahora se conoce como la mecánica clásicamecánica clásica o o mecánica mecánica

newtoniananewtoniana..

Estas nociones eran las Estas nociones eran las siguientes:siguientes:

El espacio y el tiempo son absolutosEl espacio y el tiempo son absolutos

Es decir:Es decir:

1.1. El intervalo de tiempoEl intervalo de tiempo

tt = = tt2 – – tt11

tiene exactamente la misma duración para dos observadores diferentes

que se hallen en movimiento uno con respecto al otro, y

2.2. La distanciaLa distancia

LL = = LL2 – – LL11

tiene el mismo valor para dos observadores

diferentes que se hallen en movimiento uno con

respecto al otro.

DOS OBSERVADORES MOVIÉNDOSE EL UNO CON RESPECTO AL OTRO

Joseph John Thomson descubrió Joseph John Thomson descubrió la primera la primera partícula elementalpartícula elemental,, el el

electrón, en 1897.electrón, en 1897.

EL ALBA DE LA FÍSICA EL ALBA DE LA FÍSICA MODERNAMODERNA

Con estos impresionantes avances, los hombres de ciencia de finales del siglo XIX creían que ya conocían todo lo que había que conocer de la física. Sin embargo, esa sensación de autocomplacencia se haría añicos antes de que terminara el siglo; esto se debió a la aparición de pequeñas fisuras en el edificio de estos conocimientos, que finalmente exigirían una reformulación completa y radical de la física, lo cual ocurrió desde el año de 1900 hasta aproximadamente el año de 1930.

A partir del año de 1887 se A partir del año de 1887 se llevaría a cabo una cantidad llevaría a cabo una cantidad de descubrimientos, tanto de descubrimientos, tanto

experimentales como experimentales como teóricos, tan importantes, teóricos, tan importantes, que en un lapso de 30 años que en un lapso de 30 años cambiaría por completo la cambiaría por completo la percepción del ser humano percepción del ser humano

sobre la Naturaleza y el sobre la Naturaleza y el Universo.Universo.

Los desarrollos teóricos a los que Los desarrollos teóricos a los que se ha hecho mención se se ha hecho mención se

debieron a la necesidad de debieron a la necesidad de explicar cierto número de explicar cierto número de

resultados experimentales que resultados experimentales que no podían explicarse no podían explicarse

satisfactoriamente con base en satisfactoriamente con base en la física existente en ese la física existente en ese

momento (ahora llamada momento (ahora llamada física física clásicaclásica))

Los mencionados

PROBLEMAS NO RESUELTOS

son los siguientes.

En 1887 Albert Abraham Michelson y En 1887 Albert Abraham Michelson y Edward Williams Morley, en Estados Edward Williams Morley, en Estados Unidos, tratando de medir la rapidez de la Unidos, tratando de medir la rapidez de la luz con respecto al éter luminífero, luz con respecto al éter luminífero, encontraron, para su sorpresa, que la encontraron, para su sorpresa, que la rapidez de la luz era la misma para todos rapidez de la luz era la misma para todos los observadores, independientemente de los observadores, independientemente de su estado de movimiento; esto contradecía su estado de movimiento; esto contradecía la bien establecida ley de transformación la bien establecida ley de transformación de velocidades de Galileo, que tanto éxito de velocidades de Galileo, que tanto éxito había tenido en la mecánica newtoniana.había tenido en la mecánica newtoniana.

La invariancia de la rapidez de la luz era un problema no resuelto de la física clásica en 1900.

A) El experimento de Michelson-Morley

B) Transformaciones de Lorentz-FitzGeraldAl tratar de explicar el resultado nulo Al tratar de explicar el resultado nulo del experimento de Michelson-Morley, del experimento de Michelson-Morley, Hendrik Anton Lorentz, en Holanda, y Hendrik Anton Lorentz, en Holanda, y de manera independiente George de manera independiente George FitzGerald, en Irlanda, encontraron en FitzGerald, en Irlanda, encontraron en 1889 unas 1889 unas ecuaciones de transformaciónecuaciones de transformación para las ecuaciones de Maxwell que para las ecuaciones de Maxwell que las hacían invariantes de un marco de las hacían invariantes de un marco de referencia a otro.referencia a otro.

Estas Estas ecuaciones de Lorentz-FitzGeraldecuaciones de Lorentz-FitzGerald, en , en primer lugar, estaban en desacuerdo con las primer lugar, estaban en desacuerdo con las ecuaciones de transformación de Galileo, y ecuaciones de transformación de Galileo, y en segundo lugar, curiosamente predecían en segundo lugar, curiosamente predecían una contracción de la longitud de los una contracción de la longitud de los objetos a lo largo de la dirección de objetos a lo largo de la dirección de movimiento, movimiento, lo cual desafiaba las ideas de espacio y tiempo prevalecientes en ese momento..

En 1900, las ecuaciones de transformación entre marcos de referencia inerciales eran un problema no resuelto de la física clásica.

Al realizar experimentos para Al realizar experimentos para verificar las ecuaciones de Maxwell, verificar las ecuaciones de Maxwell, Heinrich Hertz descubrió en 1887 un Heinrich Hertz descubrió en 1887 un extraño fenómeno, al que se llamó extraño fenómeno, al que se llamó efecto fotoeléctrico,, que tenía las que tenía las características siguientes.características siguientes.

C) El efecto fotoeléctrico

Al irradiar un metal en el vacío con luz ultravioleta, se emitían unas partículas

cargadas eléctricamente, y:

El lapso de tiempo entre la incidencia de la El lapso de tiempo entre la incidencia de la radiación y la emisión de una partícula era radiación y la emisión de una partícula era muy pequeña, menos de un nanosegundo. muy pequeña, menos de un nanosegundo. Las partículas era emitidas inmediatamente; Las partículas era emitidas inmediatamente; según la física clásica, debería existir un según la física clásica, debería existir un tiempo de retardo entre la llegada de la tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y la emisión de una partícula. radiación y la emisión de una partícula.

Arreglo experimental del efecto fotoeléctrico

Figura tomada del libro “Curso de Física Moderna”, de Acosta, Cowan y Graham.

En los años posteriores al descubrimiento En los años posteriores al descubrimiento de Hertz, se descubrió también que las de Hertz, se descubrió también que las partículas emitidas al irradiar la superficie partículas emitidas al irradiar la superficie del metal con la luz ultravioleta eran de del metal con la luz ultravioleta eran de carga negativa. Philipp Eduard Anton von carga negativa. Philipp Eduard Anton von Lénárd (1862 – 1947), físico Húngaro-Lénárd (1862 – 1947), físico Húngaro-Germano, descubrió en 1900 que esas Germano, descubrió en 1900 que esas partículas negativas tenían una relación partículas negativas tenían una relación carga a masa (carga a masa (q/mq/m) de la misma magnitud ) de la misma magnitud que aquella que había sido medida por el que aquella que había sido medida por el físico británico Joseph John “J.J.” Thomson físico británico Joseph John “J.J.” Thomson en 1897 para los rayos catódicos: esto es, en 1897 para los rayos catódicos: esto es, las partículas emitidas por el cátodo al ser las partículas emitidas por el cátodo al ser iluminado eran iluminado eran electroneselectrones..

Para un metal y frecuencia de la Para un metal y frecuencia de la radiación incidente dados, la tasa a la radiación incidente dados, la tasa a la cual los electrones son emitidos de la cual los electrones son emitidos de la superficie del metal es directamente superficie del metal es directamente proporcional a la intensidad de la luz proporcional a la intensidad de la luz incidente. A más luz de la misma incidente. A más luz de la misma longitud de onda mayor es el número de longitud de onda mayor es el número de electrones emitidos (la física clásica electrones emitidos (la física clásica predecía, por el contrario, que en vez de predecía, por el contrario, que en vez de ser más electrones, debían ser más ser más electrones, debían ser más energéticos). energéticos).

Para un metal dado, existe una cierta frecuencia Para un metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de la radiación incidente por debajo de la mínima de la radiación incidente por debajo de la cual no hay emisión de electrones. Esta frecuencia cual no hay emisión de electrones. Esta frecuencia es llamada por ello es llamada por ello frecuencia umbral . De acuerdo . De acuerdo con la física clásica, no debería existir esa con la física clásica, no debería existir esa frecuencia de umbral.frecuencia de umbral.

Por encima de la frecuencia umbral, la máxima Por encima de la frecuencia umbral, la máxima energía cinética de los electrones emitidos es energía cinética de los electrones emitidos es independiente de la intensidad (independiente de la intensidad (I I ) de la luz ) de la luz incidente, pero es dependiente de la frecuencia de incidente, pero es dependiente de la frecuencia de la luz incidente. Es decir al incrementar la la luz incidente. Es decir al incrementar la intensidad de la luz, se incrementan el número de intensidad de la luz, se incrementan el número de electrones emitidos pero no su energía cinética electrones emitidos pero no su energía cinética máxima. De acuerdo con la física clásica, no máxima. De acuerdo con la física clásica, no tendría por qué existir esa relación entre la tendría por qué existir esa relación entre la frecuencia de la luz incidente y la energía de los frecuencia de la luz incidente y la energía de los electrones.electrones.

Figura tomada del libro “Curso de Física Moderna”, de Acosta, Cowan y Graham.

La teoría clásica del La teoría clásica del electromagnetismo era incapaz de electromagnetismo era incapaz de dar cuenta de los hechos dar cuenta de los hechos experimentales relativos al efecto experimentales relativos al efecto fotoeléctrico; fotoeléctrico; en 1900, por tanto, el efecto fotoeléctrico era un problema no resuelto de la física clásica.

D) La catástrofe ultravioleta (radiación del radiación del cuerpo negrocuerpo negro))

Al tratar de explicar el espectro de emisión de un Al tratar de explicar el espectro de emisión de un cuerpo ideal llamado “cuerpo negro”, la física cuerpo ideal llamado “cuerpo negro”, la física clásica, por medio de la fórmula de Rayleigh-clásica, por medio de la fórmula de Rayleigh-Jeans, predecía cierto comportamiento; sin Jeans, predecía cierto comportamiento; sin embargo, al llevar a cabo las mediciones embargo, al llevar a cabo las mediciones experimentales, se obtenía un resultado muy experimentales, se obtenía un resultado muy diferente a frecuencias muy altas, diferente a frecuencias muy altas, principalmente en la región del ultravioleta (UV). principalmente en la región del ultravioleta (UV). Por esta razón, a este comportamiento Por esta razón, a este comportamiento “anómalo” se le denominó la “anómalo” se le denominó la catástrofe ultravioletacatástrofe ultravioleta..

Espectros de emisión del cuerpo negro

Figura tomada del artículo “Ultraviolet catastrophe”, de Wikipedia, the free Enciclopedia.

A principios de 1900, la radiación del cuerpo negro era un problema no resuelto de la física clásica

E) Finalmente, la estructura interna del átomo y el espectro de emisión del átomo de hidrógeno

A partir de sus estudios sobre el electrón, J. J. Thomson propuso un modelo de átomo, llamado “modelo de pudín con pasas”, el cual consistía en imaginar el átomo como una bola de masa de pastel, en el cual estaban embutidos los electrones, como si fuesen uvas pasas.

Modelo de “pudín con pasas” de Thomson para el átomo

En este modelo, la carga En este modelo, la carga eléctrica estaba uniformemente eléctrica estaba uniformemente distribuida en todo el volumen distribuida en todo el volumen

de la esfera que representaba al de la esfera que representaba al átomo, mientras que los átomo, mientras que los

electrones, como ya se dijo, electrones, como ya se dijo, eran pequeñas uvas puntuales eran pequeñas uvas puntuales distribuidas en el interior del distribuidas en el interior del

átomo.átomo.

Al llevar a cabo experimentos de Al llevar a cabo experimentos de bombardeo de una hoja de oro con bombardeo de una hoja de oro con partículas partículas , Ernest Rutherford descubrió , Ernest Rutherford descubrió que el átomo no era como había propuesto que el átomo no era como había propuesto J. J. Thomson en 1897, por lo que, en lugar J. J. Thomson en 1897, por lo que, en lugar del modelo de pudín de Thomson, propuso del modelo de pudín de Thomson, propuso una estructura tipo “planetario”, con un una estructura tipo “planetario”, con un núcleo positivo y muy masivo en el centro, núcleo positivo y muy masivo en el centro, y una carga negativa rodeándolo en el y una carga negativa rodeándolo en el exterior. Sin embargo, al aplicar este exterior. Sin embargo, al aplicar este nuevo modelo al átomo de hidrógeno se nuevo modelo al átomo de hidrógeno se encontraban inconvenientes muy graves:encontraban inconvenientes muy graves:

De acuerdo con el electromagnetismo De acuerdo con el electromagnetismo clásico, las cargas negativas clásico, las cargas negativas alrededor del núcleo deberían estar alrededor del núcleo deberían estar radiando energía electromagnética, lo radiando energía electromagnética, lo cual las haría caer hacia el núcleo en cual las haría caer hacia el núcleo en menos de un segundo, menos de un segundo, contrariamente a la estabilidad que contrariamente a la estabilidad que se observaba en los átomos;se observaba en los átomos;

El espectro continuo que predice la El espectro continuo que predice la física clásica es un espectro continuo:física clásica es un espectro continuo:

ESPECTRO VISIBLE CONTI NUO

....PERO EXPERIMENTALMENTE LO ....PERO EXPERIMENTALMENTE LO QUE SE OBSERVABA ERA UN QUE SE OBSERVABA ERA UN

ESPECTRO DE RAYAS O ESPECTRO DE RAYAS O DISCRETODISCRETO::

La frecuencia de la radiación emitida, La frecuencia de la radiación emitida, según la física clásica, debería ser igual a según la física clásica, debería ser igual a la frecuencia angular de rotación del la frecuencia angular de rotación del electrón alrededor del núcleo, lo cual electrón alrededor del núcleo, lo cual tampoco se cumplía.tampoco se cumplía.

A principios de 1911, el espectro de emisión del átomo de hidrógeno era un problema no resuelto de

la física clásica.

DESPERTAR1900 – 19281900 – 1928

En resumen, a fines del siglo En resumen, a fines del siglo diecinueve y principios del siglo diecinueve y principios del siglo veinte, la ciencia física encaraba una veinte, la ciencia física encaraba una de sus peores crisis desde los días de de sus peores crisis desde los días de Newton; había demasiados y muy Newton; había demasiados y muy graves problemas no resueltos, y la graves problemas no resueltos, y la solución no parecía llegar de ningún solución no parecía llegar de ningún lado.lado.

Sin embargo, al cabo de un lapso de Sin embargo, al cabo de un lapso de tiempo de aproximadamente tres tiempo de aproximadamente tres décadas, la física entregó al mundo décadas, la física entregó al mundo una visión enteramente nueva del una visión enteramente nueva del Universo: la física relativista y la física Universo: la física relativista y la física cuántica, que por obvias razones se cuántica, que por obvias razones se denominaron denominaron física modernafísica moderna. El mundo . El mundo nunca volvería a ser lo que había sido.nunca volvería a ser lo que había sido.

UN NUEVO UNIVERSOUN NUEVO UNIVERSOCambios en el macrocosmos y Cambios en el macrocosmos y

en el microcosmosen el microcosmos

En este curso veremos cuáles fueron esos descubrimientos, esas nuevas teorías y esa nueva visión de la naturaleza.