Conferencia de la Astronómica de Sabadell. Joan Antoni Ros, 15 de enero de 2025
La culpa, un poquito, de que hoy haga esta conferencia es que llevo ya unos años impartiendo cursos de divulgación de diferentes partes de la física, y en ellos, lógicamente, han aparecido muchos experimentos que se han hecho a lo largo de la historia de la física, experimentos muy bonitos y curiosos. Una vez los alumnos me dijeron que podía hacer un curso solo de experimentos de la física. Yo les respondí que un curso, quizá no sería lo mejor porque podría ser muy aburrido, pero que una conferencia quizás sí. He seleccionado tres experimentos que espero sean de vuestro agrado.
La medida de la velocidad de la luz
El primero que he puesto en la lista es la medida de la velocidad de la luz. Ya se habían hecho intentos anteriores, pero éste está considerado el que realmente dio en el clavo, el que se acercó mucho, mucho a la velocidad actual. Hay un pequeño error, pero bueno, se le puede perdonar.
Nos trasladamos a 1848. El señor Hippolyte Fizeau estaba en casa de su padre de vacaciones, en Suresnes, las afueras de París. Se debía aburrir y se puso a medir la velocidad de la luz. Os muestro (figura 1), por curiosidad, la separación que había desde la vivienda donde hizo el experimento hasta el montecito de Montmartre. La torre Eiffel no estaba todavía ni planificada, y la Basílica del Sagrado Corazón tampoco. El Arco del Triunfo sí, y el bosque de Boloña también.
Figura 1. Mapa de París donde se puede ver Suresnes y Montmatre.
El señor Fizeau se equipó con una serie de aparatos mecánicos y ópticos. Colocó un espejo semiplateado, semireflectante, y montó todo un dispositivo con una rueda dentada, similar a un engranaje, y un disco opaco que tenía almenas, álabes y huecos. También tenía que tener algún sistema para medir la velocidad de la rueda dentada. Desconozco cómo lo hacía. Todo esto estaba montado allí en la casa paterna. Luego, tuvo que ir a Montmartre, a 8.633 m de su casa, y colocar allí un espejo que reflejara la luz del Sol. Seguramente tuvo que poner alguna persona allí para orientarlo, porque no es fácil, ya que, como el sol se mueve, debían tener que hacer correcciones continuas. Y además comunicarse entre ellos a distancia, lo cual tiene mucho mérito.
El experimento consistía en lo siguiente (figura 2): la luz del sol se reflejaba en el espejo semireflejante, de manera que más o menos la mitad de la radiación se refractaba y seguía en línea (hasta que se perdía), y la otra mitad se reflejaba en la dirección deseada. Ese rayo de luz se hacía pasar a través de las almenas del engranaje, por el hueco, y la rueda dentada se montaba con un sistema giratorio. Si la rueda giraba muy lentamente, el rayo podía pasar cuando el hueco coincidía, llegaba hasta el espejo, que estaba colimado y orientado para que reflejara la luz por el mismo sitio, y devolvía el rayo exactamente por el mismo lugar. Éste volvía por el mismo trayecto, pasando otra vez por el espejo semipermeable. Una parte se reflejaba, pero otra parte volvía por el mismo camino y regresaba hacia donde estaba el señor Fizeau observando. Muy ingenioso ¿verdad? Lo que llama la atención es la simplicidad de los objetos que utilizaba.
Figura 2. Esquema del experimento
La rueda dentada que utilizó tenía 720 almenas y, evidentemente, 720 huecos. Era un disco bastante grande. Una vez que tuvo todo el dispositivo montado hacía girar la rueda a distintas velocidades. Cuando la rueda se movía muy lentamente, el rayo de luz tenía tiempo de reflejarse, hacer el camino de ida y vuelta, cruzar por el mismo sitio y regresar. Así, desde su observatorio, él veía el reflejo de luz en el espejo de Montmartre. Pero al aumentar la velocidad había un momento que no le llegaba luz, porque el rayo de ida, cuando pasaba por el hueco, mientras iba hasta el espejo y volvía, había llegado a un lugar donde el engranaje ya había pasado del hueco a la almena siguiente. Cada almena tapaba la luz que había pasado por el hueco anterior. Al seguir aumentando la velocidad volvía a ver la luz, porque la luz que, en la ida, había pasado por un hueco, en el tiempo que iba al espejo y volvía, ya había pasado al hueco siguiente.
Concretamente dejaba de verse la luz cuando el disco giraba a 12,6 vueltas/segundo. Después volvía a verse cuando giraba a 25,2 vueltas/segundo, y volvía a no verse a 37,8 vueltas/segundo. Hizo el cálculo siguiente:
2 x 8633 x 720 x 25,2 = 313.274.304 m/s
Obtuvo que la velocidad de la luz era de 313.274 km/s, que no está nada mal! La velocidad real, como sabéis, es de casi 300.000 km/s. La verdad es que fue una medida absolutamente impresionante para la época.
En esa época estaba Riemann peleándose con su famoso tensor que dio lugar a buena parte de la relatividad. Y Albert Einstein todavía no había nacido. Disponer de esta medida creo que fue un avance en la ciencia realmente increíble.
Si observamos la tabla de las partículas elementales (figura 3), vemos que la partícula de la luz, el fotón, tiene masa en reposo cero. Todas las partículas que tienen masa cero se mueven a la velocidad de la luz, en cambio las demás se pueden acercar a esta velocidad, pero nunca llegar porqué necesitarían infinita energía para ello. Todo esto está muy comprobado experimentalmente, no sólo es teoría.
Figura 3. Tabla de las partículas elementales
Las partículas se dividen en fermiones y bosones. Los fermiones son las partículas que forman la materia, que a su vez se dividen en leptones y en quarks. Los leptones son toda la familia del electrón y sus primos hermanos gigantes: el muón, el tauón y 3 neutrinos. El neutrino electrónico, íntimamente relacionado con el electrón, el neutrino muónico, que está íntimamente relacionado con el muón, y el neutrino taunico, íntimamente relacionado con las interacciones del tauón. Después tenemos los seis quarks, también partículas elementales, pero todas ellas tienen masa en reposo: el up, el down, el charm, el bottom, el top y el strange.
Los neutrinos son una cosa curiosa porque durante décadas se creía que no tenían masa. De hecho, en la famosa supernova de 1987, los detectores de neutrinos recibieron los neutrinos prácticamente al mismo tiempo que la luz. Eso era una buena prueba que no tenían masa. Pero más adelante, un famoso experimento en el detector de neutrinos superkamiokande detectó que los neutrinos podían cambiar de sabor, es decir que un neutrino muónico podía convertirse en uno electrónico, o uno tauónico en uno muónico, etc. Y esto significaba que sí tenían masa, pero era una masa muy, muy pequeña.
En la tabla también vemos los bosones, que son las partículas transmisoras de las fuerzas. Además del fotón, existen los gluones, el posible gravitón (todavía no descubierto pero que ya hemos descubierto ondas gravitatorias), los bosones vectoriales intermedios, Z, W+ y W- , y finalmente el bosón de Higgs
Y para terminar con la velocidad de la luz, dejadme decir que ésta depende del material por el cual viaja. El valor de unos 300.000 km/s es en el vacío (o casi en el aire también), pero en vidrio por ejemplo es de 200.000 km/s, en diamante es de 124.000 km/s, en silicio es de 70.000 km/s, y en un condensado de Bose-Einstein es de sólo 17 m/s (61 km/h)
El siguiente experimento sin duda debería de ser el experimento de Michelson-Morley, un experimento crucial, fantástico, emocionante, maravilloso de la física, pero claro, es que este necesita una conferencia para él solo. Por lo tanto, pasaremos a otros dos experimentos distintos. Dos experimentos que parecen contradictorios porque el primero demuestra que el electrón es una partícula y el segundo que es una onda.
El descubrimiento del electrón
Joseph John Thompson descubrió el electrón en 1897 con otro bonito experimento. Esta partícula ya había sido teorizada anteriormente por Laming, concretamente en 1838, pero la descubrió Thompson gracias a un tubo de rayos catódicos. En aquella época se llamaba tubo de Crookes porqué había sido inventado por este otro físico, en 1875.
Este experimento demuestra la naturaleza corpuscular de la materia, es decir que el electrón, el muón, o cualquier otra partícula, ya sea elemental o compuesta de la naturaleza, por ejemplo un protón o un neutrón, tienen una naturaleza corpuscular, se comportan como si fueran bolas sólidas. Después se demostró que esto no es correcto del todo.
Figura 4. Tubo de rayos catódicos
El funcionamiento del experimento es sencillo. En este tubo se hace el vacío. A continuación se calienta el cátodo, se conecta la alta tensión, y algunos electrones saltan hacia el ánodo. Éste tiene forma de anillo, y algunos electrones lo cruzan y avanzan hacia adelante. Por lo tanto, se emite un rayo catódico (de electrones). Al final hay una pantalla compuesta por una capa de fósforo que, cuando los electrones impactan en ella emiten luz, que podemos ver por la parte trasera. Incluso podemos colocar una escala en la pantalla, como se hace en los osciloscopios.
Si variamos el campo eléctrico que hay entre dos placas, o variamos el campo magnético que hay entre dos imanes, podemos desviar el haz de electrones hacia cualquier dirección (arriba, abajo, derecha o izquierda).
Parece claro que hay un haz de partículas que sale del cátodo y que choca con la pantalla final. Ahora bien, os recuerdo que la distancia más pequeña que podemos medir es de 10-18 m, que es mil veces más pequeña que el tamaño de los núcleos atómicos. Todas las partículas elementales que mencioné anteriormente están por debajo de esa medida, por lo que no podemos saber si tienen alguna estructura o alguna forma. Todo está por debajo de esa escala. Por lo tanto, con este experimento demostramos claramente la naturaleza corpuscular de las partículas.
Y ya que estamos hablando de esto, os cuento una curiosidad. En 1800, Alessandro Volta inventó la primera pila. Ya se habían realizado experimentos previos con diferentes placas conectadas, y se había observado que algo sucedía, que había corriente eléctrica. Los primeros físicos que trabajaron con ella decidieron llamar a uno de los bornes de la batería "positivo" y al otro "negativo", basándose en la idea de que la corriente eléctrica era algo que salía de un polo con más carga, el positivo, y se dirigía hacia el polo con menos carga, el negativo. Curiosamente, cuando se fabricaron las primeras pilas, el polo positivo contenía materiales con tonalidades rojizas, como los metales oxidados. Por ejemplo, las baterías de los coches tienen el polo positivo compuesto por peróxido de plomo, que es plomo oxidado y tiene un color rojizo. En cambio, el polo negativo es de plomo esponjoso, un plomo puro, y tiene un color gris. Esto es lo que originó la convención de pintar el polo positivo de color rojo y el negativo negro.
Una pregunta curiosa que surge es sobre el sentido de la corriente eléctrica. En mi experiencia de más de 40 años como profesor, y especialmente enseñando electricidad en el ámbito del automóvil, siempre comenzaba con esta pregunta. En términos físicos y reales, sabemos que el sentido real de la corriente es desde el polo negativo hacia el positivo, ya que los electrones tienen carga negativa y sabemos que la carga negativa se encuentra en el polo negativo. Por tanto, el sentido real de la corriente es de negativo a positivo. Sin embargo, cuando hablamos de un circuito eléctrico convencional, usamos la nomenclatura que los físicos emplearon cuando comenzaron a trabajar con corriente. En este caso, se dice que la corriente sale del polo positivo, pasa por el circuito y llega al polo negativo. Esto es una convención que se usa en la mayoría de los casos.
Experimento de la doble rendija
Pasamos al tercer experimento. Después de haber hablado de la medida de la velocidad de la luz y del tubo de rayos catódicos, vamos a ver un experimento diferente, que también involucra partículas, pero cuyo comportamiento es completamente opuesto.
Este experimento no tiene nada que ver con la naturaleza corpuscular, sino que demuestra la naturaleza ondulatoria de las partículas. Es considerado uno de los experimentos más impresionantes.
Este experimento lo comenzó el científico Young en 1801, y lo realizó inicialmente con luz. Colocó una placa que tenía dos pequeñas rendijas, muy estrechas, y luego iluminó esa placa para ver qué ocurría detrás. El científico cubría una de las rendijas y solo dejaba pasar luz por la otra, el patrón de luz que aparecía detrás era el siguiente (figura 5):
Figura 5. Luz pasando por una sola rendija
Cuando cubría la segunda rendija y solo pasaba luz por la primera, el patrón era simétrico, centrado en la primera rendija en lugar de la segunda (figura 6).
Figura 6. Luz pasando sólo por la otra rendija
Hasta aquí todo parecía normal. Sin embargo, cuando abría ambas rendijas, en lugar de ver un patrón simple de la suma de las dos curvas, apareció un patrón claro de interferencia (figura 7).
Figura 7. Luz pasando por las dos rendijas a la vez
Este patrón de interferencia solo se podía explicar si las partículas que pasaban por las rendijas eran ondas, las cuales interactuaban entre sí, creando zonas constructivas, donde la luz se sumaba, y otras zonas destructivas, donde la luz desaparecía casi por completo. De esta manera, Young demostró que la luz era una onda.
Pero este experimento volvió a hacerse más adelante, pero ya no con luz sino con otros elementos. En 1961 Claus Jönsson lo realizó con electrones; en 1974 Pier G. Merli lo volvió a hacer, pero haciendo pasar electrones de uno en uno; y finalmente en 1989 Akira Tonomura lo mejoró mucho dejándolo como definitivo.
En 1961, Johnson repitió el experimento original utilizando un generador de electrones. Estos generadores son los mismos que se usan en los microscopios electrónicos y permiten ajustar electrónicamente la cadencia de los electrones que se emiten. De esta forma, se podía controlar la cantidad de electrones que se generaban. Johnson observó los mismos resultados que Young, es decir, cuando tapaba un agujero, veía el patrón clásico de impacto. Sin embargo, cuando ambos agujeros estaban abiertos, esperaba encontrar un patrón diferente, ya que los electrones son partículas y no fotones. A pesar de su expectativa, el patrón que apareció fue el mismo: un claro patrón de difracción con bandas claras y oscuras, lo que evidenció que los electrones también tienen propiedades ondulatorias.
Figura 8. Aparición del patrón de interferencias al paso de electrones por la doble rendija
Además, estos paquetes de ondas pueden mostrarse de diversas formas, y si se usan programas como GeoGebra, se puede visualizar gráficamente cómo se comportan. Los cálculos cuánticos permiten hacer predicciones sobre el comportamiento de partículas como electrones, lo que incluye efectos como el efecto túnel, en el que las partículas pueden "atravesar" barreras que, clásicamente, deberían ser impenetrables.
En la física moderna, existen dos teorías fundamentales: la teoría de la relatividad, tanto especial como general, y la mecánica cuántica. La relatividad se ocupa de estudiar fenómenos en escalas muy grandes, como el estudio de agujeros negros y el cálculo de colisiones en aceleradores de partículas. La mecánica cuántica, por su parte, trata de los fenómenos a escalas subatómicas y se aplica a partículas como los electrones. Ambas teorías son extremadamente precisas y útiles, pero no encajan perfectamente en una misma descripción de la naturaleza.
A pesar de los avances en ambas teorías, no se ha logrado encontrar una teoría unificada que las combine. Algunas corrientes de pensamiento sostienen que no es necesario encontrar una teoría única, ya que la relatividad y la cuántica operan en diferentes escalas y condiciones, y no necesariamente deben unificarse. Aunque más de un siglo de investigación no ha dado con una teoría del todo, la búsqueda continúa. A pesar de todo, la belleza de la física y los experimentos que nos muestran cómo el universo funciona sigue siendo fascinante y asombrosa.