La revolución en la Física a principios del siglo XX:

La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica

La revolución en la Física a principios del siglo XX:

La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica

Antecedentes: teorías de la luz

Antecedentes: teorías de la luz

Las teorías de la luz tardaron muchos siglos en madurar sin llegar a resolver el problema de la naturaleza de los fenómenos ópticos hasta el siglo XX:

Desde la Antigüedad griega hasta el Renacimiento el tratamiento fue fundamentalmente geométrico.Durante la Revolución Científica se estableció la teoría corpuscular de la luz.Durante el siglo XIX, la teoría de la luz se alejó gradualmente de la teoría corpuscular de Newton, acumulando evidencia en favor de una teoría ondulatoria.A principios del siglo XX se aceptó la naturaleza dual de la luz como onda y partícula.

Descartes (1637) y Snel(1621) encontraron la ley de la refracción basada en la disminución de velocidades en medios más densos que el aire.

Teoría ondulatoria de Huygens: las ondas lumínicas de Huygens no eran oscilaciones sino impulsos que viajaban a través del medio.

Teoría corpuscular de Newton:Propuso que los rayos de luz eran corrientes de partículas con movimiento rectilíneo.Descubrió que la luz blanca era una mezcla de luces de colores a partir de la refracción de la luz en prismas que separaban las frecuencias.

Siglo XVIIISiglo XVIII

Debido al gran prestigio de Newton, este siglo estuvo dominado por su teoría corpuscular : Lagrange y Laplace desarrollaron el sistema newtoniano.

Hacia finales de siglo, los filósofos de la naturaleza rechazaron la teoría corpuscular de Newton, en favor de una concepción de la luz como parte de una dinámica entre luz y oscuridad que arrojó muy pocos resultados científicos.

Siglo XIXSiglo XIXSe pasa de una concepción corpuscular a una concepción ondulatoria de la luz:

Thomas Young alrededor de 1800 demostró que la luz tenía un carácter oscilatorio (longitudinal), diseñando experimentos para observar patrones de interferencia.

Augustin Fresnel desarrolló una teoría ondulatoria (transversal) de la luz que predijo resultados experimentales que pudieron confirmarse:

El centro brillante de una sombraLa velocidad de la luz en el agua

En 1872, Maxwell propuso que la luz se explicaba a través de los principios de la teoría electromagnética.

En 1887-88, Hertz demostró que las ondas electromagnéticas presentaban el mismo comportamiento de refracción y reflexión que la luz.

Durante el siglo XIX se enfrentó el problema de explicar cómo nos podía llegar la luz del sol, los planetas y las estrellas (lo cual implicaba la existencia de un medio por el cual se transmitían las ondas) y a la vez cómo era posible que los planetas no tuvieran resistencia en su movimiento (lo cual casi implicaba el vacío).

Se propuso la teoría del ÉTER, aunque no quedaba claro cómo podía ser al mismo tiempo un medio rígido para transportar la luz y elástico para no oponer resistencia al movimiento de los planetas.

A principios del siglo XX, dominaba la teoría ondulatoria de la luz.

Einstein y la RelatividadEinstein y la Relatividad

Albert Einstein (1879-1955): Físico alemán nacionalizado estadunidense, premiado con un premio Nobel, famoso por ser el autor de las teorías general y restringida de la Relatividad y por sus hipótesis sobre la naturaleza corpuscular de la luz.

Es el científico más conocido del siglo XX y uno de los más famosos de toda la historia.

Nació en Ulm el 14 de marzo de 1879 y pasó su juventud en Munich, donde su familia poseía un pequeño taller de máquinas eléctricas. Ya desde muy joven mostraba una curiosidad excepcional por la naturaleza y una capacidad notable para entender los conceptos matemáticos más complejos. A los doce años ya conocía la geometría de Euclides.

A la edad de 15 años, cuando su familia se trasladó a Milán, Italia, a causa de sucesivos fracasos en los negocios, Einstein abandonó la escuela. Pasó un año con sus padres en Milán y viajó a Suiza, donde terminó los estudios secundarios e ingresó en el Instituto Politécnico Nacional de Zurich.

Durante dos años Einstein trabajó dando clases particulares y de profesor suplente.

En 1902 consiguió un trabajo estable como examinador en la Oficina Suiza de Patentes en Berna.

1905 fue el gran año para Einstein. No sólo se doctoró en la Universidad de Zurich, con una tesis sobre las dimensiones de las moléculas, sino que también publicó varios artículos teóricos de gran valor para todo el desarrollo de la física del siglo XX.

En el primer artículo, sobre el movimiento browniano, formuló predicciones importantes sobre el movimiento aleatorio de las partículas dentro de un fluido, predicciones que fueron comprobadas en experimentos posteriores.

El segundo artículo, sobre el efecto fotoeléctrico, anticipaba una teoría revolucionaria sobre la naturaleza de la luz. Según Einstein, bajo ciertas circunstancias la luz se comportaba como una partícula.

También afirmó que la energía que llevaba toda partícula de luz, denominada fotón, era proporcional a la frecuencia de la radiación. Lo representaba con la fórmula E = hv, donde E es la energía de la radiación, h una constante universal llamada constante de Planck y v es la frecuencia de la radiación.

Esta teoría, que planteaba que la energía de los rayos luminosos se transfería en unidades individuales llamadas “cuantos”, contradecía las teorías anteriores que consideraban que la luz era la manifestación de un proceso continuo. Las tesis de Einstein apenas fueron aceptadas. De hecho, cuando el físico estadounidense Robert Andrews Millikan confirmó experimentalmente sus tesis casi una década después, se mostró sorprendido e inquieto por los resultados.

Einstein, interesado por comprender la naturaleza de la radiación electromagnética, propugnó el desarrollo de una teoría que fusionara las ondas y partículas de la luz.

La tercera publicación de Einstein en 1905, “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, y la cuarta, titulada “¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene?”, formulaban lo que después llegó a conocerse como la teoría especial de la relatividad (o teoría restringida de la relatividad).

Desde los tiempos del matemático y físico inglés Isaac Newton, los filósofos de las ciencias naturales (nombre que recibían los físicos y químicos) habían intentado comprender la naturaleza de la materia y la radiación, y su interacción en algunos modelos unificados del mundo. Dos hipótesis estuvieron en pugna:

La hipótesis que sostenía que las leyes mecánicas eran fundamentales.La hipótesis que mantenía que eran las leyes eléctricas las fundamentales.

Ninguna de las dos concepciones era capaz de explicar con fundamento la interacción de la radiación (por ejemplo, la luz) y la materia al ser observadas desde diferentes sistemas de referencia, o sea, la interacción producida en la observación simultánea por una persona parada y otra moviéndose a una velocidad constante.

En la primavera de 1905, tras haber reflexionado sobre estos problemas durante diez años, Einstein se dio cuenta de que la solución no estaba en la teoría de la materia, sino en la teoría de las medidas.

En el fondo de su teoría restringida de la relatividad se encontraba el hallazgo de que toda medición del espacio y del tiempo es relativa.

Galileo ya había formulado su PRINCIPIO DE LA RELATIVIDAD, según el cual las leyes físicas son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.

La Relatividad Restringida de Einstein se basa en dos premisas:

el principio de la relatividad de Galileo, al cual añade:

el principio de la invariabilidad de la velocidad de la luz, según el cual la velocidad de la luz en el vacío es constante para cualquier sistema de referencia inercial.

El hecho de que la velocidad de la luz en el vacío sea la misma sin importar el sistema de referencia (inercial), lleva a que la longitud entre dos lugares dependa del sistema de referencia, así como también el tiempo entre dos sucesos. Así, el espacio y el tiempo son relativos dependiendo del sistema de referencia. Esto es lo más famoso de la relatividad de Einstein, que a pesar de su nombre, es una teoría bastante más “absoluta” que la mecánica cuántica, desarrollada posteriormente.

En otro de sus artículos, Einstein dedujo la famosísima fórmula E = m·c2 que relaciona la energía (E) con la masa (m) y la velocidad de la luz (c). Como el valor de c es muy elevado, una pequeña masa equivale a una gran cantidad de energía. Esta es la base de la gran cantidad de energía desatada por las reacciones nucleares.

Einstein permaneció cuatro años en la oficina de patentes, y luego empezó a destacar dentro de la comunidad científica, y así ascendió en el mundo académico de lengua alemana.

Antes de dejar la oficina de patentes, en 1907, Einstein ya trabajaba en la extensión y generalización de la teoría de la relatividad a todo sistema de coordenadas.

Empezó con el enunciado del principio de equivalencia, según el cual los campos gravitacionales son equivalentes a las aceleraciones del sistema de referencia.

De este modo, una persona que viajara en un elevador no podría en principio determinar si la fuerza que actúa sobre ella se debe a la gravitación o a una aceleración constante del ascensor.

Esta Teoría General de la Relatividad no fue publicada sino hasta 1916. De acuerdo con ella, las interacciones entre los cuerpos, que hasta entonces se atribuían a fuerzas gravitacionales, se explican por la influencia de aquéllos sobre la geometría espacio-tiempo.

Basándose en la Relatividad General, Einstein pudo explicar la precesión del perihelio del planeta Mercurio, inexplicable según la mecánica newtoniana, y logró predecir la curvatura de la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos con una gran masa como el Sol.

La confirmación de este fenómeno durante un eclipse de Sol en 1919 fue toda una noticia y su fama se extendió por todo el mundo.

La Relatividad General casi no tiene aplicaciones para la física en nuestro planeta (electrónica, materiales, etc). El único campo de utilización de esta teoría es la cosmología, y prácticamente su única aplicación ha sido el entendimiento de la estructura, formación e historia del Universo.

La idea más aceptada actualmente sobre la formación del Universo, el Big Bang, se basa en las consecuencias de la Relatividad General de Einstein.

Einstein consagró gran parte del resto de su vida a generalizar su teoría. Su último trabajo, la teoría del campo unificado, que no tuvo demasiado éxito, consistía en un intento de explicar todas las interacciones físicas, incluidas la interacción electromagnética y las interacciones nucleares fuerte y débil, a través de la modificación de la geometría del espacio-tiempo entre entidades interactivas.

A partir de 1919, Einstein recibió el reconocimiento internacional y acumuló honores y premios de distintas sociedades científicas, como el Nobel de Física en 1921 (que, curiosamente, recibió por su desarrollo del efecto fotoeléctrico, una de las bases de la mecánica cuántica, y no por su trabajo sobre la Relatividad).

El desarrollo de la Mecánica CuánticaEl desarrollo de la Mecánica Cuántica

Para la física del siglo XX, el desarrollo de la MECÁNICA CUÁNTICA, aunque menos famosa a nivel popular que la Relatividad, ha sido mucho más importante. Buena parte de la física actual (microelectrónica, física de nuevos materiales, etc) y parte de la química, se basa en esta teoría, una de las más exitosas de toda la historia de la ciencia.

El campo de aplicación de la mecánica cuántica es el mundo de lo muy pequeño, los átomos y las partículas elementales.

La física cuántica es básica para todo el desarrollo de la física atómica y nuclear.

Mientras que el desarrollo de la Relatividad está unida sobre todo a un científico, Albert Einstein, la Cuántica fue desarrollada por varios físicos: el propio Einstein, Planck, Bohr, Heisenberg, Schrodinger, De Broglie, Pauli, Jordan, Born, Ehrenfest, Dirac, etc.

La formulación matemática de la mecánica cuántica se llevó a cabo por Heisenberg (mecánica matricial) y por Schrodinger (mecánica ondulatoria). Posteriormente se vio que ambas formulaciones son equivalentes.

La teoría cuántica contempla:

La DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO (u onda-partícula) de De Broglie, que Einstein había desarrollado para la luz: todas las partículas (es decir, toda la materia) presentan características de partículas y de ondas al mismo tiempo.

El PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE de Heisenberg, que establece que la exactitud de los procedimientos de medición es limitada (por ejemplo, no se puede conocer exactamente la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo).

En la mecánica cuántica, una partícula (que es a la vez una onda) se describe mediante una FUNCIÓN DE ONDAS (desarrollo de la mecánica ondulatoria de Schrodinger). La función de ondas nos da unas PROBABILIDADES para la obtención de una magnitud física (posición, momento, energía, etc.). Antes de hacer la medición, no podemos estar seguros del valor que obtendremos, sólo de las distintas probabilidades de obtener los diferentes valores.

Al medir, obtenemos un valor particular. Entonces se dice que la función de ondas COLAPSA. Es decir, al medir, transformamos totalmente el estado de la partícula, lo cambiamos, y ya no vuelve a ser igual a antes de medir.

Si queremos medir, por ejemplo, la posición de un fotón, o de un electrón, su función de ondas nos dice la probabilidad de encontrarlo en las distintas posiciones. Una vez medida, colapsamos su función de ondas. Pero antes de medirla, el fotón o el electrón puede estar “en varios sitios a la vez”.

Esto lleva a distintas interpretaciones filosóficas de la mecánica cuántica, especialmente dos:

Las probabilidades de la función de ondas nos dicen que la cuántica es una teoría incompleta de la realidad. El electrón o fotón, en realidad, está en un sitio fijo, lo que ocurre es que nos faltan variables ocultas para saberlo. Las probabilidades representan la falta de conocimiento que tenemos del sistema. Esta postura la siguieron Einstein, Planck, Ehrenfest, De Broglie, Schrodinger…Las probabilidades nos muestran cómo es la realidad. Es decir, el fotón o el electrón está “en todas partes a la vez” y “con todas las energías posibles a la vez”. Sólo al colapsar la función de ondas, se decide dónde se queda, pero antes de medir, está en todas partes a la vez. Esta postura fue seguida por Bohr, Heisenberg, Born, Jordan, Pauli…

De las dos posturas filosóficas posibles, se impuso la segunda de ellas (el fotón o el electrón está en todos los lugares a la vez). Esto se conoce como INTERPRETACIÓN DE COPENHAGUE.

Einstein siempre se mantuvo en contra de la Interpretación de Copenhague. El acuñó la famosa frase “Dios no juega a los dados”. Tanto él como otros físicos intentaron mostrar que la interpretación de Copenhague llevaría a paradojas insostenibles en el mundo real. La más famosa de estas paradojas es la del GATO DE SCHRODINGER (que no está vivo ni muerto sino todo lo contrario…).

Durante los últimos 70 años, la mayoría de los físicos no se han preocupado de las implicaciones filosóficas de la Mecánica Cuántica. Simplemente, la han utilizado de forma instrumental (siguiendo la interpretación de Copenhague) y con ello han sido capaces de hacer avanzar la óptica, la física de materiales, la electrónica, etc., como nunca antes en la historia.

El gran éxito de la física en la primera mitad del siglo XX se tradujo en que fuera considerada por muchos científicos y filósofos como la más pura de las ciencias y el modelo a seguir para todas las demás (Círculo de Viena).

Se dice que el siglo XX fue el siglo de la física, y que el siglo XXI podría ser el siglo de la biología…

DiscusiónDiscusión ¿Qué impacto tiene la Teoría de la Relatividad sobre

nuestra concepción de la realidad? ¿Y la Mecánica Cuántica?

¿Cómo podemos entender la dualidad de la luz o de la materia, es decir, cómo es posible que la luz (y la materia) se comporte a veces como partícula y a veces como onda?

¿A qué atribuyes la enorme popularidad de Einstein en el siglo XX?

¿Cambió Einstein el lugar de los científicos en la sociedad?

¿Se puede culpar a Einstein y a los que desarrollaron la mecánica cuántica del desarrollo de las bombas atómicas?