Apuntes para todos los estudiantes y cursos

Teoría de fotones

3.2 Las observaciones de Bruno, Brahe y Kepler

Bruno: fue uno de los primeros intelectuales en apoyar el copernicanismo y todavía fue más allá en sus consideraciones científicas. Defendía la eternidad e infinitud del universo, pero esta era una idea que a muchos de sus coetáneos debía parecer insostenible en su época pues, como en el caso de las teorías copernicanas, contradecía creencias aceptadas tradicionalmente desde hacía siglos.

Brahe: fue un matemático y astrónomo de origen danés que, entre otros logros, consiguió detallar la aparición de una supernova, lo que invalidaba la creencia en la inmutabilidad de los cielos. Y también demostró que la trayectoria de un cometa se encontraba más allá de la Luna. Brahe no aceptó totalmente el sistema propuesto por Copérnico e ideó un modelo intermedio entre el de este y el de Ptolomeo. Se dedicó durante años a realizar observaciones y mediciones de los movimientos de los planetas.

Kepler: aceptó el heliocentrismo, pero introdujo algunas modificaciones en el modelo copernicano para adaptarlo a las precisas observaciones de Brahe. Al estudiar el movimiento de Marte, concluyó que las órbitas de los planetas no eran perfectamente circulares, sino que su trayectoria era elíptica, y que el Sol se encontraba en uno de los focos, esta evidencia constituye la primera de las tres leyes conocidas como leyes de Kepler, se trata de leyes científicas en el sentido moderno:

-Primera ley (1609): Todos los planetas se desplazan alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas. El Sol se encuentra en uno de los focos de la elipse.

-Segunda ley (1609): En su movimiento alrededor del Sol los planetas barren áreas iguales en tiempos iguales.

-Tercera ley (1618): Para cualquier planeta, el cuadrado del tiempo que tarda en dar una vuelta alrededor del Sol es directamente proporcional al cubo de la longitud de la distancia media entre dicho planeta y el Sol.


3.3 La nueva física: Galileo y Newton

Gracias al telescopio Galileo Galilei, uno de los protagonistas de la revolución copernicana, pudo llevar a cabo valiosas observaciones.

Las evidencias contra la cosmovisión aristotélica se acumulaban de un modo insostenible. Por su apoyo al heliocentrismo, Galileo fue denunciado a la Inquisición y obligado a retractarse. Aunque privado de libertad, pudo completar la que sería su última gran aportación a la ciencia: asentar las bases de la física moderna.

Galileo establecíó el principio de inercia, según el cual los cuerpos tienden a permanecer en reposo o bien a velocidad uniforme a no ser que actúe sobre ellos una fuerza. De este principio se deriva el fenómeno de la invarianza, que asegura que el reposo y el movimiento a velocidad constante son equivalentes, por esta razón, desde la Tierra no se percibe apenas ningún efecto de su propio movimiento. El principio de inercia también justificaba que los planetas no se movieran por el impulso de un supuesto primer motor, sino porque no había fuerza que los frenara.

Isaac Newton, establecíó en su obra Principios matemáticos de filosofía natural que todos los cuerpos del universo son el origen de la fuerza de la gravedad, y a su vez se ven afectados a ella. La definíó como una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros de gravedad. Se trataba de una ley que podía aplicarse tanto para la caída de una piedra como para determinar el movimiento de los planetas.


4.1 Einstein y la teoría de la relatividad

Revolución del macrocosmos

Einstein publicó la teoría de la relatividad especial en 1905, esta teoría echaba por tierra las convenciones de la física clásica. Espacio y tiempo son medidas que obtiene un observador y que, entre otras variables, dependen de la velocidad a la que se halle. Además, a causa de esta relatividad de espacio y tiempo, hay que considerar que existe interdependencia entre la dimensión temporal y la espacial. Espacio y tiempo forman un continuo cuatridimensional.

Uno de los principios que sustenta la relatividad es que nada puede ir más rápido que la luz, ni siquiera la interacción gravitatoria. Einstein introdujo la idea de campo gravitatorio, según el cual la materia deforma la geometría del espacio que la rodea, influyendo sobre los cuerpos que se encuentran en él, y es que, en las proximidades de una gran masa (sol), el espacio está más curvado y el tiempo transcurre más lentamente (los relojes se retrasan).

De esta manera, la teoría de la relatividad explicaba los movimientos orbitales de los planetas.

La expansión del universo

Desde la Antigüedad, prevalecía la idea de que el universo es estático, es decir, que se mueven los planetas, pero el universo en su conjunto, como sistema, permanece en reposo.

Fue el astrónomo Edmund Hubble quien demostró a Einstein, y al resto de los científicos, que no había ningún error: efectivamente, el universo se está expandiendo. En 1924, este científico descubríó que la Vía Láctea no es la única galaxia del universo. Además, Hubble se percató de que las galaxias más alejadas de nuestro sistema se alejan también más deprisa, estos descubrimientos obligaban a los científicos a replantearse cuestiones como las dimensiones del universo y su carácter estático.

La confirmación de la expansión del universo generaba, a su vez, nuevos interrogantes: si el cosmos no es un sistema estático, sino dinámico.


4.2 La física cuántica

El mundo atómico empezó a revelar carácterísticas sorprendentes y paradójicas desde el punto de vista de la física clásica.

La dualidad onda-partícula

A partir de las investigaciones de Einstein y Max Planck, se destruye la oposición tradicional entre materia y energía.

Tradicionalmente se había considerado que la materia es discontinua y de naturaleza corpuscular, la energía, en cambio, se consideraba continua y de naturaleza ondulatoria. Según la física cuántica, tanto la materia como la energía se comportan como partículas y como ondas.

En 1900, Max Planck descubríó que la energía no se emite de manera continua, sino en cuantos, Einstein identificaba los cuantos de la luz, a los que llamó fotones, Louis de Broglie propuso que no solo los fotones, sino también los electrones se comportan como partículas y como ondas.

En este aspecto, la ciencia abría un inesperado problema filosófico que se iría acrecentando, Max Born decía que las descripciones corpuscular y ondulatoria han de considerarse solamente como modos complementarios de imaginar un único proceso objetivo, pues está más allá de nuestro poder probar que sean realmente copúsculos u ondas.

En consonancia con esta dualidad de la realidad, en el seno de la física cuántica se elaboraron dos teorías alternativas pero equivalentes:

-Mecánica matricial de Werner Heisenberg. Esta formulación prefiere la interpretación de los procesos físicos como procesos discontinuos de naturaleza corpuscular.

-Mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger. Esta formulación prefiere la interpretación de los procesos físicos como procesos continuos, destaca el comportamiento ondulatorio de la materia.

Estas teorías estaban basadas en el principio de incertidumbre.


Principio de incertidumbre

En mecánica cuántica, principio de incertidumbre establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas observables y complementarias sean conocidas con precisión arbitraria. Sucintamente, afirma que no se puede determinar, en términos de la física cuántica, simultáneamente y con precisión arbitraria, ciertos pares de variables físicas, como son, la posición y el momento lineal de un objeto dado. En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su momento lineal y, por tanto, su masa y velocidad.

Dicho de otro modo: toda medición implica una interacción entre el observador y el objeto observado que altera las condiciones de este último

La superposición cuántica

Es un principio fundamental de la mecánica cuántica que sostiene que un sistema físico tal como un electrón, existe en parte en todos sus teóricamente posibles estados de forma simultánea, pero, cuando se mide, da un resultado que corresponde a solo una de las posibles configuraciones.

Por tanto, la realidad se encuentra indeterminada, pues se halla en todos los estados posibles a la vez, hasta que nuestra observación la obliga a determinarse y adoptar uno u otro de estos estados.


4.3 La teoría del caos

Constituye el tercer gran paradigma científico actual. Esta teoría comienza a gestarse a principios del Siglo XX en el campo de la matemática a partir de los trabajos de Henry Poincaré y Aleksandr Liapunov, con la contribución del meteorólogo Edward Lorenz sobre el efecto mariposa.

La teoría del caos nace como descripción de ciertos fenómenos de la realidad que, a pesar de poder expresarse mediante una formulación matemática, escapan a la previsibilidad. En un sentido amplio, la palabra caos nos remite a conceptos como “confusión” o “desorden”. Y la teoría toma este nombre, porque surge de la observación de que es precisamente el caos el rasgo carácterístico de muchos procesos naturales.

Lo que caracteriza a los fenómenos que estudia esta teoría es su gran sensibilidad a las condiciones iniciales. Se trata de fenómenos para los que existe una ley, y, por tanto, no puede decirse que sean completamente aleatorios. Ahora bien, la existencia de la ley no los hace tampoco completamente predecibles.

El problema radica en que la evolución del sistema que deseamos explicar adquiere una complejidad creciente de forma exponencial hasta el punto que pasado cierto tiempo se hace imposible decir cómo va a continuar en adelante.

La teoría del caos frecuentemente se relaciona con la geometría fractal, pues algunos científicos consideran que es la herramienta adecuada para abordar el estudio de los fenómenos caóticos, dado que puede darnos la clave para ver cómo es posible que surja orden a partir del caos.

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