Los 10 Experimentos más Hermosos de la Física

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Los 10 Experimentos más Hermosos de la Física
Robert P. Crease, miembro del departamento de
filosofía del State University of New York,
recientemente preguntó a Físicos para nominar los
experimentos más bellos de todos los tiempos. Basado
el el trabajo de George Johnson de The New York
Times, listamos los 10 ganadores de esta votación y
acompañado de breves explicaciones de los
experimentos físicos con sus respectivas animaciones.
1. Difracción de electrones en una doble rendija
El físico francés Louis de Broglie propuso en 1924 que los
electrones y otras porciones discretas de materia, que hasta
entonces había sido concebido solo como partículas materiales,
también tienen propiedades ondulatorias tales como longitud de
onda y frecuencia. Después (1927) la naturaleza ondulatoria de
los electrones quedó experimentalmente comprobado por C.J.
Davisson y L.H. Germer en New York y por G.P. Thomson en
Aberdeen, Scot.
Para explicar la idea, los físicos usaban frecuentemente
experimentos mentales, en el cual el experimento de Young de la
doble rendija es repetido con un haz de electrones en lugar de luz.
Obedeciendo las leyes de la mecánica cuantica, el flujo de
partículas se dividirá en dos, y los flujos más pequeños
interferirán mutuamente, dejando el mismo tipo de patrón de
franjas de luz y oscuridad como lo hace la luz. Las partículas
actúan como ondas. No fue hasta 1961 que Claus Jonsson de
Tubingen que se llevó a cabo el experimento en realidad.
2. El experimento de la caida de objetos de Galileo
Alla por los años 1500, todos sabían que los objetos pesados caen
más rápido que los más ligeros. Después de todo, Aristoteles lo
había dicho así. Que un antiguo Griego erudito mantenga aún tal
influencia fue una señal de que tanto la ciencia había declinado
durante los años de oscuridad.
Galileo Galilei, quien tuvo una catedra de matemáticas en la
Universidad de Pisa, fue suficientemente atrevido para cuestionar
el conocimiento común. La historia ha llegado a ser parte del
folklore de la ciencia: él es considerado por haber soltado dos
pesos diferentes de la Torre Inclinada de la ciudad demostrando
que ellos llegan al suelo al mismo tiempo. Su reto a Aristoteles
pudo haberle costado su trabajo, pero él había demostrado la
importancia de tomar la naturaleza, y no la autoridad humana,
como el arbitro final en asuntos de ciencia.
3. El experimento de la gota de aceite de Millikan
El experimento de la gota de aceite fue la primera medida directa
y convincente de la carga eléctrica de un único electrón. Fue
originalmente realizado en 1909 por el físico americano Robert
A. Millikan. Usando un atomizador de perfume, él esparció
pequeñas gotas de aceite en una cámara transparente. En la parte
superior e inferior había placas metálicas conectadas a una
batería, haciendo una positiva (roja en la animación) y la otra
negativa (azul en la animación). Puesto que cada gota levantada
una ligera carga de electricidad estática cuando esta viaja a través
del aire, la velocidad de su movimiento podría ser controlada
alterando el voltaje de las placas. Cuando el espacio entre las
placas metálicas es ionizada por radiación (por ejemplo por rayos
X), los electrones del aire se atachan a las gotas de aceite,
causando que ellos adquieran una carga negativa. Millikan
observó una gota tras otra, variando el voltaje y notando el efecto.
Después de muchas repeticiones él concluyó que la carga podría
solo tener ciertos valores fijos. El más pequeño de estas porciones
fué la carga del electrón.
4. La descomposición de la luz solar mediante un prisma de
Newton
Isaac Newton nació el año en que Galileo murió. El se graduó en
el Trinity College, Cambridge en 1965, luego se enclaustró en su
casa por un par de años hasta que la plaga pasé. El se mantuvo
ocupado todo este tiempo.
El conocimiento común afirmaba que la luz blanca es la forma
más pura (Aristoteles de nuevo) y la luz coloreada debe por tanto
haber sido alterado de algún modo. Para probar esta hipotesis,
Newton iluminó con un haz de luz solar a través de un prisma de
vidrio y demostró que este es descompuesto en un espectro sobre
la pared. La gente ya sabía acerca de los arcoiris, porsupuesto,
pero ellos fueron considerados como simpaticas aberraciones.
Actualmente, Newton concluyó, fueron estos colores: rojo,
naranja, amarillo, verde, azul, indigo, violeta y las graduaciones
entre ellas que fueron fundamentales.
5. Experimento de interferencia de la luz de Young
Newton no tuvo siempre la razón. Por medio de varios
argumentos, él ha guiado la corriente científica hacia la
convicción que la luz consiste exclusivamente de partículas antes
que ondas. En 1803, Tomas Young, un físico inglés doctor
especialista en ciencias físicas, puso su idea a prueba. El hizó un
agujero en una ventana y la cubrió con un pedazo de papel grueso
agujereado con una pequeña aguja y usó un espejo para desviar
los delgados rayos que venían. Luego tomó "una tarjeta, de un
treintaavo de pulgada de anchura" y la mantuvo de canto a la
trayectoría de los haces, dividiendolo en dos. El resultado fué una
sombra de bandas alternativas de luz y oscuridad - un fenómeno
que podría ser si los dos haces estuvieron interactuando como
ondas. Bandas brillantes aparecieron donde dos crestas se
superpusieron, reforzandose mutuamente; bandas oscuras
marcadas donde una cresta alineada hacia arriba con una hacia
abajo, neutralizandose mtutuamente.
La demostración fué frecuentemente repetida con el transcurrir de
los años usando una tarjeta con dos agujeros para dividir el rayo.
Estos también llamados experimentos de la doble rendija se
convirtió en un estandard para determinar el movimiento
ondulatorio - un hecho que llegó a ser importante un siglo
después cuando la teoría cuántica comenzó.
6. Experimento de la barra de torsión de Cavendish
El expeimento fué realizado en 1797-98 por el científico inglés
Henry Cavendish. El siguió el método prescrito y usó un aparato
construido por su compatriota, el geólogo John Michell, quien
murió en 1793. El aparato empleado fué una balanza de torsión,
esencialmente un cable soportando pesos esféricos. Atracción
entre pares de pesos causado causa que el cable se tuerza
ligeramente, que permitió así el primer cálculo del valor de la
constante gravitacional G. El experimento fué popularmente
conocido como pesando de la Tierra porque la determinación de
G permitió calcular la masa de la Tierra.
7. La medición de la circunferencia de la Tierra por Eratostenes
En Siena, a 800 km al sureste de Alejandría en Egipto, los rayos
del sol caen verticalmente al mediodía en el solticio de verano.
Eratostenes, quien nació en 276 D.C., notó que en Alejandría, en
la misma fecha y hora, los rayos del sol en un ángulo de casi 7°
respecto de la vertical. El asumió correctamente que la distancia
del Sol era muy grande; estos rayos por tanto son prácticamente
paralelos cuando ellos alcanzan la Tierra. Estimando la distancia
entre las dos ciudades, él fue capaz de calcular la circunferencia
de la Tiera. La longitud exacta de las unidades (estadios) que el
usó es incierto, y la exactitud de su resultado por tanto incierto;
este puede haber variado de 0,5 a 17 por ciento del valor aceptado
por astronomos modernos.
8. Experimentos de Galileo con esferas que descienden por
planos inclinados
Galileo continuó refinando sus ideas acerca de objetos en
movimiento. El tomó un tablero de 12 cubits de largo y medio
cubit de ancho (alrededor de 20 pies por 10 pulgadas) y cortó una
ranura, tan recta y lisa como fuera posible, desde el centro. El
inclinó el plano y rodaron esferas de latón hacia abajo, midiendo
su tiempo de descenso con un reloj de agua - un largo recipiente
que se vaciaba a través de un delgado tubo en un vaso. Después
de cada corrida él pesaba el agua que había fluido - su medida del
tiempo transcurrido - y lo comparó con la distancia que la esfera
había viajado.
Aristoteles había predicho que la velocidad de una esfera que
rodaba era constante: duplicando su tiempo de movimiento
debería duplicarse la distancia recorrida. Galileo fué capaz de
demostrar que la distancia es realmente proporcional al cuadrado
del tiempo: duplicándolo la esfera llegaría cuatro veces más lejos.
La razón es que está siendo constantemente acelerado por la
gravedad.
9. El descubrimiento del núcleo de Rutherford
Cuando Ernest Ruthenford experimentó con radioactividad en la
Universidad de Manchester en 1911, los átomos eran
generalmente concebidos como masa de carga eléctrica positiva
con electrones embebidos - el modelo del budín de pasas. Pero
cuando él y sus asistentes dispararon pequeños proyectiles
cargados positivamente, llamados partículas alfa, en una delgada
lámina de oro, ellos se sorprendieron al ver que un pequeño
porcentaje de estos reboten. Ruthenford comprobó que realmente
los átomos estaban "vacios" y la mayor parte de su masa debería
estar concentrada en pequeños nucleos, con los electrones
moviendose alrededor de él. Con enmiendas de la teoría cuántica,
esta imagen del átomo persiste hasta el día de hoy.
10. El péndulo de Foucault
El año pasado cuando científicos montaron un péndulo sobre el
Polo Sur y observar que este oscila, ellos replicaron una célebre
demostración realizada en Paris en el año 1851. Usando un
alambre de acero de 220 pies de longitud, el científico Francés
Jean-Bernard Foucault suspendió una bola de acero de 62 libras
del domo del Panteón y ponerlo en movimiento balanceándolo
hacia adelante y hacia atrás. Para marcar su progreso él ató un
marcador a la bola y colocó un anillo de arena húmeda sobre el
piso de abajo.
La audiencia observó impresionada como el péndulo
inexplicablemente parecía rotar, dejando una ligera diferencia de
trazo en cada oscilación. Realmente era que el piso del Panteón
que estaba moviéndose ligeramente, y Foucault había
demostrado, de una manera convincente, que la tierra rota
alrededor de su eje. En la latitud de Paris, la trayectoria del
péndulo completaría una rotación completa, en sentido horario,
cada 30 horas; sobre el Hemisferio Sur este rotaría en sentido
antihorario, y sobre el Ecuador este no rotaria. En el Polo Sur,
como lo confirmaron científicos actuales, el período de rotación
es de 24 horas.