Richard P. Fleynman – Física basica (II)

La física antes de 1920

Es un poco difícil empezar de golpe con la visión actual, de modo que primero veremos como se veían las cosas alrededor de 1920 y luego sacaremos algunas cosas de dicha imagen. Antes de 1920, nuestra imagen del mundo era algo parecido a esto: el “escenario” en el que se representa el universo es el espacio tridimensional de la geometría, tal como es descrito por Euclides, y las cosas cambian en un medio llamado tiempo. Los elementos sobre el escenario son las partículas, por ejemplo los átomos, que tienen ciertas propiedades. En primer lugar, la propiedad de inercia: si una partícula se está moviendo continuara moviéndose en la misma dirección a menos que sobre ella actúen fuerzas. El segundo elemento, por lo tanto, son las fuerzas, que entonces se pensaba que eran de dos tipos: el primero, un enormemente complicado y detallado tipo de fuerza de interacción que mantenía los diferentes átomos en diferentes combinaciones de una forma complicada, que determinaba si la sal se disolvería más rápida o más lentamente cuando aumentamos la temperatura. La otra fuerza que se conocía era una interacción de largo alcance – una atracción suave y silenciosa – que variaba de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, y fue denominada gravitación esta ley era conocida y era muy simple. Lo que no se conocía, por supuesto, era por qué las cosas permanecen en movimiento cuando se están moviendo, o por qué existe una ley de gravitación.

Lo que aquí nos interesa es una descripción de la naturaleza. Desde este punto de vista, un gas, y en realidad toda la materia, es una infinidad de partículas en movimiento. Así, muchas de las cosas que vimos mientras permanecíamos de pie en la orilla del mar pueden ser relacionadas inmediatamente. Primero la presión: ésta procede de las colisiones de los átomos, si todos se están moviendo en una cierta dirección en promedio, es el viento; los movimientos aleatorios internos son el calor. Hay ondas de exceso de densidad, donde se han reunido demasiadas partículas y, por ello, cuando se separan precipitadamente empujan a montones de partículas situadas más lejos, y así sucesivamente. Esta onda en exceso de densidad es el sonido. Constituye un enorme logro que seamos capaces de comprender tanto. Algunas de estas cosas se describieron en el capitulo anterior.

¿Qué tipos de partículas existen? En esa época se consideraba que había 92: 92 tipos diferentes de átomos se descubrieron finalmente. Tenían nombres diferentes asociados a sus propiedades químicas.

La siguiente parte del problema era: ¿cuáles son la fuerzas de corto alcance? ¿Por qué el carbono atrae a un oxigeno o quizá dos oxígenos, pero no a tres oxígenos?¿ Cuál se el mecanismo de la interacción entre dos átomos? ¿Es la gravitación? La respuesta es no. La gravedad es demasiado débil. Pero imaginemos una fuerza análoga a la gravedad, que varíe de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, aunque enormemente más potente y con una diferencia: en la gravedad cada objeto atrae a todos los demás. Pero imaginemos ahora que existen dos tipos de “objetos”, y que esta nueva fuerza (que, por supuesto, es la fuerza eléctrica) tiene la propiedad de que los semejantes se repelen pero los diferentes se atraen. El “objeto” que porta esta interacción fuerte se denomina carga.

Entonces ¿qué es lo que tenemos? Supongamos que tenemos dos objetos diferentes que se atraen mutuamente, un más y un menos, y que están muy próximos. Supongamos que tenemos otra carga a cierta distancia ¿Sentiría alguna atracción? No sentiría prácticamente ninguna, porque si las dos primeras cargas tienen el mismo tamaño, la tracción de una y la repulsión de la otra se cancelan. Por lo tanto, hay una fuerza muy pequeña a distancias apreciables. Por el contrario, si nos acercamos mucho con la carga extra aparece una atracción, porque la repulsión de los iguales y la atracción de los diferentes hará que los diferentes se coloquen más próximos y los iguales se aparten. Entonces la repulsión será menor que la atracción. Esta es la razón de que los átomos, que están constituidos por cargas eléctricas más y menos, experimenten una fuerza muy pequeña (aparte de la gravedad) cuando están separados por una distancia apreciable. Cuando se acercan pueden “ver dentro” del otro y redistribuir sus cargas, con el resultado de que tienen una interacción muy fuerte. La base ultima de esta interacción entre átomos es eléctrica. Puesto que esta fuerza es tan enorme, todos lo más y todos los menos se unirán normalmente en una unión tan intima como sea posible. Todas las cosas, incluido nosotros mismos, tienen un granulado fino, con partes más y menos que interaccionan fuertemente, todas ellas globalmente compensadas. De cuando en cuando, por accidente, podemos robar algunos menos o algunos más (normalmente es más fácil robar menos), y en tales circunstancias encontramos la fuerza de la electricidad descompensada y podemos ver los efectos de estas atracciones eléctricas.

Para dar una idea de lo mucho más fuerte que es la electricidad respecto a la gravitación, consideremos dos granos de arena de un milímetro de diámetro, separados a una distancia de treinta metros. Si la fuerza entre ellos no estuviera compensada, si cualquier cosa atrajese a cualquier otra en lugar de repeler a los iguales, de modo que no hubiera cancelación, ¿qué intensidad tendría la fuerza? ¡Habría una fuerza de tres millones de toneladas entre los dos! Verán ustedes que basta con un exceso o un déficit muy pequeño del numero de cargas negativas o positivas para producir efectos eléctricos apreciables. Esta es, por supuesto, la razón de que ustedes no puedan ver la diferencia entre un objeto eléctricamente cargado y otro descargado: están implicadas tan pocas partículas que apenas supone diferencias en el peso o en el tamaño de objeto.

Con esta imagen, los átomos eran más fáciles de comprender. Se pensaba que los átomos tienen un “núcleo” en el centro, con carga eléctrica positiva y muy masivo, y el núcleo esta rodeado de cierto numero de “electrones”, que son muy ligeros y están cargados negativamente. Ahora avancemos un poco más en nuestra historia para comentar que en el propio núcleo se encontraron dos tipos de partículas, protones y neutrones, ambos muy pesados y casi de la misma masas. Los protones están eléctricamente cargados y los neutrones son neutros. Si tenemos un átomo con seis electrones (las partículas negativas en la materia ordinaria son todas electrones y son muy ligeras comparadas con los protones y los neutrones que constituyen los núcleos), seria el átomo numero seis en la tabla química, y se llama carbono. El átomo ocho se llama oxigeno, etc., porque las propiedades químicas dependen de los electrones en el exterior y, de hecho, solo de cuantos electrones hay. De este modo, las propiedades químicas de una sustancia dependen solo de un numero, el numero de electrones. (La lista entera de elementos químicos podría haber sido en realidad 1, 2, 3, 4, 5, etc. En lugar de decir “carbono”, podríamos decir “elemento seis”, entendiendo seis electrones, pero, por supuesto, cuando los elementos se descubrieron por primera vez no se sabia que podían ser numerados de esta forma y, además, hubiera hecho que todo pareciese muy complicado. Es mejor tener nombres y símbolos para estas cosas, más que llamar a todas las cosas por un numero.)

Muchas cosas se descubrieron acerca de la fuerza eléctrica. La interpretación natural de la interacción eléctrica es que dos objetos se atraen mutuamente: el más atrae al menos. Sin embargo, se descubrió que esta era una idea inadecuada para representarlo. Una representación más adecuada de la situación consiste en decir que la existencia de la carga positiva distorsiona o crea en cierto sentido una “condición” en el espacio, de modo que cuando en dicho espacio colocamos una carga, ésta siente una fuerza. Esta potencialidad para producir una fuerza se denomina campo eléctrico. Cuando colocamos un electrón en un campo eléctrico, decimos que es “atraído”. Tenemos entonces dos reglas: a) las cargas crean un campo, y b) las cargas situadas en los campos experimentan fuerzas y se mueven. La razón para esto se hará clara cuando discutamos los fenómenos siguientes: si cargamos eléctricamente un cuerpo, digamos un peine, y luego colocamos un pedazo de papel cargado a cierta distancia y movemos el peine de un lado a otro, el papel responderá apuntando siempre al peine. Si lo movemos más rápidamente, se verá que el papel se queda un poco rezagado, hay un retraso en la acción. (En la primera etapa, cuando movemos el peine lentamente, nos encontramos con una complicación que es el magnetismo. Las influencias magnéticas tienen que ver con cargas en movimiento relativo, de modo que las fuerzas eléctricas y las fuerzas magnéticas pueden atribuirse realmente a un mismo campo, como dos aspectos diferentes de exactamente la misma cosa. Un campo eléctrico variable no puede existir sin magnetismo.) Si alejamos más el papel cargado, el retraso es mayor. Entonces se observa algo interesante. Aunque las fuerzas entre dos objetos cargados deberían variar de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, cuando movemos una carga se encuentra que la influencia se extiende mucho más lejos de los podríamos conjeturar a primera vista. Esto es, el efecto decrece más lentamente que la inversa del cuadrado.

He aquí una analogía: si estamos en una piscina y existe un corcho flotando muy cerca, podemos moverlo “directamente” desplazando el agua con otro corcho. Si ustedes mirasen sólo los dos corchos, todo lo que verían seria que uno se movía inmediatamente en respuesta al movimiento del otro: hay algún tipo de “interacción” entre ellos. Por supuesto, lo que realmente hacemos es perturbar el “agua”; el agua perturba entonces el otro corcho. Podríamos construir una “ley” según la cual si ustedes desplazan el agua un poco, un objeto próximo en el agua se moverá. Si estuviese más lejos, por supuesto, el segundo corcho se movería menos, pues nosotros movemos el agua localmente. Por el contrario, si agitamos el corcho aparece un nuevo fenómeno: el movimiento del agua hace que se mueva el agua que hay más allá, etc., y se propagan ondas, de modo que, por agitación, hay una influencia mucho más lejana, una influencia oscilatoria, que no puede entenderse a partir de la interacción directa. Por consiguiente, la idea de interacción directa debe ser reemplazada por la existencia del agua, o en el caso eléctrico, por lo que denominamos el campo electromagnético.

Espectro electromagnético. Clic para ampliar

El campo electromagnético puede transportar ondas; algunas de estas ondas son luz, otras se utilizan en emisiones radiofónicas pero el nombre general es de ondas electromagnéticas. Estas ondas oscilantes pueden tener diversas frecuencias. La única cosa que es realmente diferente de una onda a otra es la frecuencia de oscilación. Si movemos una carga de un lado a otro cada vez con mayor rapidez y observamos los efectos, obtenemos toda una serie de tipos diferentes de efectos, todos los cuales quedan unificados al especificar solamente un numero, el numero de oscilaciones por segundo. La “toma de corriente” normal que sacamos de los circuitos eléctricos de las paredes de un edificio tiene una frecuencia del orden de 100 ciclos por segundo. Si aumentamos la frecuencia a 500 o 1.000 kilociclos (1 kilociclo = 1.000 ciclos) por segundo, estamos “en el aire”, pues este es el intervalo de frecuencias que se utiliza para las emisiones radiofónicas. (Por supuesto, ¡esto no tiene nada que ver con el aire! Podemos tener emisiones radiofónicas en ausencia de aire.) Si aumentamos de nuevo la frecuencia, entramos en el intervalo que se utiliza para FM y TV. Yendo aún más lejos, utilizamos ciertas ondas cortas, por ejemplo para radar. Aumentamos aún más la frecuencia y ya no necesitamos un instrumento para “ver” el material: podemos verlo con el ojo humano. En el rango de frecuencia entre 5 x 10¹⁴ y 5 x 10¹⁵ ciclos por segundo nuestros ojos vería la oscilación del peine cargado, si pudiéramos agitarlo con tanta rapidez, como luz roja, azul o violeta, dependiendo de la frecuencia. La frecuencias por debajo se denominan infrarrojas, y por encima del mismo, ultravioletas. El hecho de que podamos ver en un intervalo de frecuencias concreto no hace que esta parte del espectro electromagnético sea más impresionante que las otras partes desde el punto de vista de un físico, pero desde el punto de vista humano, por supuesto, sí es más interesante. Si subimos aún más alto en frecuencias, obtendremos rayos X. Los rayos X no son otra cosa que luz de frecuencia muy alta. Si vamos aún más arriba, obtenemos rayos gamma. Estos dos términos, rayos X y rayos gamma se utilizan casi como sinónimos. Normalmente los rayos electromagnéticos procedentes de los núcleos se denominan rayos gamma, mientras que aquellos de alta energía procedentes de átomos se denominan rayos X, pero a la misma frecuencia son físicamente indistinguibles, no importa cual sea su fuente. Si vamos a frecuencias aún más altas, digamos a 10²⁴ ciclos por segundo, encontramos que podemos producir dichas ondas artificialmente, por ejemplo con el sincrotón que existe aquí en el Caltech. Podemos hallar ondas electromagnéticas con frecuencias enormemente altas – incluso con una oscilación mil veces más rápida – en las ondas encontradas en los rayos cósmicos. Estas ondas no pueden ser controladas por nosotros.

Richard P. Fleynman. Seis piezas fáciles. Originalmente publicado en 1963.

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• Richard P. Feynman – Física básica (I)