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 10
14 y 5 x 10
15
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 10
24 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. Feynman.
Seis piezas fáciles. Originalmente publicado en 1963.
