Laboratorio de los diez experimentos más bellos de la Física

Campus científico de verano BioTIC-Universidad de Granada

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Motivación

La Física es una ciencia y por tanto experimental. Aunque la belleza es un imponderable en Física, podemos seleccionar los diez experimentos de la Física más bellos como los que mejor conjugan el impacto que tuvieron en la misma como la elegante (simple) forma de diseñarlos y realizarlos. En el año 2002 Robert P. Crease, historiador de la ciencia, preguntó a los lectores de la revista Physics World cuáles eran, en su opinión, los experimentos más bellos de la física. Para confeccionar la lista escogió los diez experimentos que fueron citados por los lectores con mayor frecuencia. Su lista se publicó en la revista Physics World, pero de allí la noticia saltó a las páginas de The New York Times el 24 de septiembre de 2002 y en España fue el diario El País el que dedicó mayor atención a la noticia en su edición del 23 de octubre de 2002.

Desde el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Granada, y bajo la dirección del profesor Miguel Cabrerizo, se inauguró en junio de 2008 en la Facultad de Ciencias de esta Universidad un laboratorio-exposición en el que se recrean los diez experimentos más bellos de la Física según la lista elaborada por Robert P. Crease en 2002. Este laboratorio tiene una doble finalidad, dar difusión a importantes avances científicos realizados por el hombre a lo largo de su historia y mostrar de una forma simpática y mágica la, injustamente considerada aburrida, labor de los físicos.

  • R. P. Crease, El prisma y el péndulo: Los diez experimentos más bellos de la ciencia (Ed. Crítica, Barcelona, 2009).
  • M. Lozano Leyva, De Arquímedes a Einstein. Los diez experimentos más bellos de la física (Ed. Debate, Barcelona, 2005).
  • Revista española de Física
  • Artículo publicado en El Mundo-08/11/2014

Los experimentos:

  1. El experimento de la interferencia de la luz (Young – 1801) Cuando 1+1 no son 2. La sombra que deja un haz de luz a través de UNA rendija reproduce la forma de la rendija aunque con un borde difuso, ya que la difracción de la luz (onda) produce dicho efecto. Lo mismo ocurrirá a través de una segunda rendija muy cercana a la primera. Sin embargo, si son DOS las rendijas abiertas, la sombra resultante es un patrón de zonas brillantes y oscuras. Esto se debe a la interferencia entre las ondas difractadas. Interferir no es sumar ni restar. Estos fenómenos son exclusivamente ondulatorios, o quizás no.
  2. La difracción del electrón en una doble rendija (Jönsson - 1961) Cuando 1+1 siguen sin ser 2. La luz, que es una onda que llena todo el espacio y por tanto no está localizada completamente (localización indeterminista), está compuesta por fotones que son paquetes de energía (sin masa) y que actúan como partículas (sistema localizado en el espacio de manera inequívoca) según el efecto fotoeléctrico: extracción de electrones por incidencia de radiación electromagnética. Pero ¿una partícula se comportará como onda? Si se lanzan partículas (con o sin masa) de una en una a través de una rendija, tras un tiempo suficiente se formará una mancha semejante a la sombra de la misma, incluso con un borde difuso porque unas partículas se desviarán de la dirección normal a la rendija al “chocar” contra sus bordes. Lo mismo ocurrirá con una segunda rendija muy cercana a la primera. Pero al abrirse las dos rendijas, lo que se observa no es la superposición de dos manchas, sino otro patrón de interferencias como ocurriera con la luz. La explicación es que la partícula se comporta también como un paquete de densidad de probabilidad que puede pasar por las dos rendijas a la vez y que interacciona consigo misma. Este efecto es cuántico y es observable en sistemas pequeños (átomos, partículas atómicas y elementales).
  3. La descomposición de la luz solar mediante un prisma (Newton -1665) De mil colores. Newton defendía la teoría corpuscular de la luz y suponía que los fotones iban a diferente velocidad (energía) según la longitud de onda. Si la luz penetra en un medio, éste ofrecerá diferente resistencia a los fotones con diferente velocidad lo que provocará al atravesar una frontera la refracción de la luz en haces de diferente longitud de onda. Este es el principio del arco iris, donde las gotitas de agua suspendidas en el aire hacen las veces de prismas esféricos.
  4. El experimento de la torre de Pisa (Galileo – siglo XVII) Si lo imagino, me lo creo. El experimento, probablemente pensado, de Galileo consistió en dejar caer dos objetos de diferente forma, tamaño y masa sobre la Tierra pero despreciando el efecto viscoso del aire. La aceleración de la gravedad, como cualquier otra aceleración es independiente de la masa (inercia). Lo bello del experimento, además de lo simple, radica en cómo sin hacerlo realmente, Galileo supo(so) el resultado, como ocurriera con Einstein y el postulado de la invariancia de c.
  5. El experimento de la gota de aceite (Millikan - 1909) La carga se suma de cuanto en cuanto. La constante UNIVERSAL de carga elemental, no depende del sistema de referencia, como sí le ocurre a la masa o energía (Relatividad). Basta dispersar un aerosol cargado negativamente (como casi todo en la naturaleza) en aire, y someterlo a una diferencia de potencial que puede cambiar de signo. Observando la velocidad terminal de las gotitas del aerosol, se puede medir la carga de cada gota. Esto permitió observar que todas esas cargas (no nulas) eran múltiplos enteros de otra. Lo bello de este experimento es la medida simple y precisa de cargas eléctricas.
  6. El experimento de la balanza de torsión (Cavendish – 1798) La escala no importa. La constante UNIVERSAL de gravitación permite predecir el movimiento planetario, el de galaxias, el de una manzana en caída libre en la Tierra o en cualquier otro planeta. Por ello se puede medir a escala de laboratorio, midiendo la fuerza gravitatoria entre dos objetos de masas conocidas y a distancias conocidas. Ya que esta fuerza es muy pequeña, debe utilizarse un instrumento con sensibilidad suficiente como una balanza de torsión equilibrada, donde las fuerzas se traducen en desplazamientos angulares. Hay que prestar cuidado con la medida intrusiva: efecto gravitatorio del observador. Lo bello es acceder en el laboratorio a una propiedad del UNIVERSO.
  7. El experimento del plano inclinado (Galileo – siglo XVII) El movimiento se demuestra rodando. Un objeto móvil describiendo un Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado con una velocidad inicial nula, debe recorrer una distancia proporcional al cuadrado del tiempo, siendo la constante de proporcionalidad la aceleración dividida por dos. Galileo no tenía cronómetros ni fotodectectores aunque sí un buen sentido del ritmo. Usó un plano inclinado con el que regulaba el tiempo de caída total de una esfera a través del ángulo de inclinación. Galileo observó que los espacios recorridos rítmicamente (usó tripas secas de gatos como topes) seguían una sucesión impar (1d, 3d, 5d, 7d...) de manera que la distancia total era igual al número de tramos recorridos al cuadrado (1d+3d+5d+7d=16d =4²d=d(t/t0)²=½ a t²), lo que se traduce en que el espacio recorrido es directamente proporcional al cuadrado del tiempo. A esto Galileo le llamó la ley de los números impares (¡caprichosa naturaleza!).
  8. El descubrimiento del núcleo (Rutherford – 1911) Aunque no lo vea, me lo creo. ¿Cómo conocer que existe algo que no se puede ver? Mientras se debatía el modelo atómico, Rutherford decidió bombardear con partículas alfa (con carga +2e y a alta velocidad) una delgadísima lámina de oro (red cristalina de átomos). Lo esperable, según el modelo atómico de Thomson, es que todas las partículas alfa atravesaran la red de átomos bien por pasar entre ellos o a través de ellos. Pero, unas pocas partículas se desviaban significativamente de su dirección de incidencia, incluso rebotando hacia atrás, retrodispersándose. Una vez descartado cualquier artificio experimental, la única explicación posible es que dentro del átomo debe haber algo que repele fuertemente las partículas alfa. Conociendo cómo se dispersan las partículas alfa es posible medir el radio de ese misterioso objeto: el núcleo atómico (con carga +Ze). Hay que saber que un núcleo en un átomo es como una canica en el centro de un campo de fútbol (¡Cuánto espacio desperdiciado!). Con un juego llamado Plinko donde se dejan caer bolitas a través de una malla de topes, es posible conocer la geometría y distribución de esos topes examinando la distribución de probabilidad con la que caen las bolitas.
  9. El péndulo de Foucault (Foucault – 1851) Vean girar la Tierra desde la propia Tierra. ¿Cómo saber con un simple péndulo si estamos en un sistema acelerado? La segunda Ley de Newton es válida desde un sistema de referencia inercial (no acelerado). Si un péndulo describe un movimiento inesperado en términos de la 2ª ley de Newton, un físico podrá concluir que el sistema desde el que observa el movimiento del péndulo está acelerado. Por ejemplo, dentro de un vagón de tren, si se observa que un péndulo, inicialmente en reposo, se desplaza misteriosamente hacia atrás, el tren estará acelerando. Si se desplaza hacia delante, estará frenando, y si se desplaza hacia un lado, estará tomando una curva con una concavidad contraria hacia donde se inclina el péndulo. En estos términos, Foucault decidió utilizar un péndulo simple en oscilación para demostrar que la Tierra gira, incluso pudiendo medir en qué latitud se realiza el experimento (incluso hemisferio), sabiendo la velocidad de giro de la Tierra sobre su propio eje. Una masa suficientemente pesada atada a una cuerda suficientemente larga describiendo ininterrumpidamente un movimiento oscilatorio en la Tierra, su plano de oscilación no debe cambiar según la 2ª Ley de Newton. Sin embargo, cambia aparentemente. Esto también se observa con la flecha de un giróscopo en movimiento. En realidad, quienes se mueven son los observadores. Este efecto se observa con objetos en movimiento pero no constreñidos al sistema de referencia, en movimiento también. Lo bello de este experimento radica en el razonamiento científico utilizado y cómo una simple observación indirecta permite concluir algo tan importante como que la Tierra gira. Hay que destacar que un sistema inercial puro no existe, en el Universo todo gira. Pero podemos tomar ciertos sistemas como inerciales según el grado de aceleración que admitamos.
  10. La medición de la circunferencia terrestre (Eratóstenes – siglo III a.c.) La Tierra se mide su propia cintura. Con un poco de culturilla, un planteamiento muy simple y algo de trigonometría, tres siglos a.C., Eratóstenes, un filósofo griego, logró medir el radio de la Tierra con bastante precisión, demostrando a la vez que no era plana. Leyendo en la biblioteca de Alejandría, aprendió que en Asuán el 21 de Junio el Sol incidía perpendicular a la Tierra porque se podía ver su reflejo en el fondo de un pozo (es lo que tiene estar en un Trópico). Comprobó que esto no ocurría en Alejandría al medir la sombra que dejaba un obelisco el mismo día. Mandó medir la distancia entre estas ciudades (¿quién podría haber medido eso?), como extremos de un arco de circunferencia, y así obtuvo una estimación del radio la Tierra. Otro elegante experimento para medir una propiedad de un sistema sin tener que observarlo desde fuera. Lo simple es casi siempre bello.

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