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Unidad 2 Lección 1
Introducción
La física es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía y establece las leyes que explican los fenómenos naturales. Llegar a comprender cómo funciona el mundo y la naturaleza ha sido un deseo que ha acompañado al hombre desde tiempos inmemoriables. La ciencia nace cuando se busca una explicación racional a los fenómenos y no tan solo una justificación de tipo religiosa (son los dioses o los espíritus los que gobiernan a la naturaleza). Así, a lo largo de la historia ha habido grandes pensadores y filósofos han creado distintas teorías para explicar el mundo en que vivimos, por ejemplo, en Grecia Leucipo o Demócrito propusieron sus teorías.
La física clásica
La física clásica debe su desarrollo a dos grandes científicos: El primero Galileo Galilei quien realizó experimentos desde una torre para concluir que dos objetos caen a la misma velocidad, independientemente de su peso. De esa forma modeló una forma de hacer ciencia en base al método científico. Años después, Sir Isaac Newton pudo definir en forma matemática el comportamiento de los objetos y crear así las leyes de la física que usamos actualmente, con las cuales se puede hacer el cálculo de una estructura, o predecir la trayectoria parabólica de un objeto o incluso el movimiento de los planetas alrededor del Sol. La geometría analítica nos permite describir las trayectorias de los objetos y la magnitud de fuerzas mediante vectores representados, ya sea en un plano de dos dimensiones, o en un espacio tridimensional. Para calcular las trayectorias de los planetas del sistema solar, Isaac Newton requirió de crear una nueva rama de las matemáticas llamada cálculo diferencial.
Sus nuevas teorías quedaron plasmadas en su libro Philosophiæ naturalis principia mathematica, que literalmente significa: Filosofía de la naturaleza basada en los principios matemáticos. Cabe destacar que el gran genio también escribió importantes tratados sobre óptica y la naturaleza de la luz. Y no debemos de olvidar que Newton se vio fascinado durante toda su vida por las ciencias esotéricas como la cábala, la astrología; y en general los textos antiguos, cuyo estudio minucioso le dedicaba gran parte de su tiempo.
Durante varios siglos las obras de Isaac Newton marcaron la forma como se entendía la realidad en qué vivimos. Para simplificar diremos que el mundo se entendía básicamente constituido por partículas o cropúsculos, que podían ser entendidas aplicando las leyes descritas por Newton. También el comportamiento de los líquidos y los gases podía ser entendido como pequeñas partículas sujetas a las leyes ya bien conocidas. Al avanzar la química, también los elementos podían entenderse como pequeñas partículas interactuando para crear los diversos compuestos. Esto es lo que podemos llamar le teoría corpuscular. Esta visión nos permite explicar cada fenómeno del universo, desde los átomos, los organismos vivos, hasta los planetas y galaxias.
Según esta teoría el sistema solar puede entenderse como un mecanismo de relojería, lo mismo que el cuerpo humano o cualquier otro ser viviente. El universo mismo puede entenderse como un gigantesco mecanismo que puede ser entendido, y se puede predecir su estado futuro aplicando las leyes de la mecánica ya conocidas. Por lo que a este enfoque basado en la física y en los efectos mecánicos de las partículas también se le llama modelo mecanicista del universo. También es importante subrayar, que según este enfoque, teniendo los datos necesarios es posible determinar el resultado a futuro en cualquier sistema. Esto es posible, ya que, a final de cuentas desde los átomos, los líquidos o los planetas todos son partículas que es posible determinar sus trayectorias y sus interacciones. Todo el universo es como una mesa de billar en la cual las bolas seguirán trayectorias perfectamente definibles que podremos calcular y determinar, en base al estímulo inicial. Es lo que llamamos una visión determinista del universo, todo obedece a leyes perfectamente definidas, así que el estado futuro de un sistema, o del universo mismo se podría determinar de antemano.
Los campos electromagnéticos.
El fenómeno de la electricidad y el magnetismo trajeron un nuevo concepto que ya no se adaptaba al modelo materialista corpuscular. La electricidad y el magnetismo solo pueden ser descritos mediante un campo de fuerza que ya no puede ser representado mediante corpúsculos. El campo simplemente existe en el espacio, sin necesidad que haya algún objeto de qué esté compuesto. En todo caso podemos hablar de fuerza o de energía, pero ya no de materia. Al acercar un imán con otro podemos sentir su energía repulsiva o atractiva, según sea la polaridad, y entendemos que existe una fuerza entre ambos objetos, pero no vemos intercambio de materia. Fue en el siglo XIX cuando el gran físico y matemático escocés James Clerk Maxwell formuló las ecuaciones para describir las ondas magnéticas. De esta forma pudo concluir que tanto la electricidad, el magnetismo y la luz obedecen a un mismo fenómeno llamado ondas electromagnéticas. Es así como la materia comenzó a perder protagonismo y la energía comenzó a cobrar mayor importancia. Los científicos comenzaron a descubrir que el mundo no está solo formado por partículas, sino que la energía juega un rol muy importante. Finalmente, Albert Einstein descubrió que la materia no es otra cosa que energía condensada y que incluso puede ser liberada obteniendo grandes cantidades de energía, según su famosa fórmula: E = mc2
¿De qué está compuesto el universo?
De niño una vez tomé una servilleta y comencé a doblarla por la mitad y partirla, luego tomé una mitad y a su vez la doblé y partí por la mitad. Hice esto varias veces hasta llegar a un tamaño donde ya me era imposible manipular los pequeños trozos de papel, pero mi mente sospechaba que podía seguir obteniendo mitades de servilleta una y otra, y otra vez... ¿Pero hasta qué punto se puede dividir la materia? Este cuestionamiento ya se habían hecho varios filósofos de la antigüedad como Kanada en la antigua India o Demócrito en Grecia. Es así como surgió la idea de que toda la materia estaba compuesta de unidades diminutas indivisibles: los átomos.
La química, al estudiar los distintos elementos se dio cuenta que cada uno está formado por pequeñas partículas exactamente iguales a las que llamó átomos, ya que se acoplan al concepto de los antiguos filósofos. Así sabemos que el átomo de hidrógeno, por ejemplo, está formado por un protón y neutrón en el núcleo, y tiene un electrón en su primera órbita. El átomo de helio ya cuenta con dos protones y dos electrones. El de litio tiene 3 protones, neutrones y electrones.
En fin, así podemos continuar hasta llegar al Nobelio con 102 electrones, este último es un elemento sintético, es decir creado artificialmente en 1966, por lo mismo es un elemento inestable.
Y ya que hablamos de elementos inestables, esto quiere decir que el átomo, al parecer indestructible, finalmente sí se puede dividir en componentes más pequeños. El nobelio, así como otros elementos sintéticos solo pueden permanecer estables por periodos cortos de tiempo, que puede ser desde algunos miles de años (poco tiempo en relación a la edad del universo) hasta fracciones de segundo. Al descomponerse, se pueden convertir en elementos menos pesados y también pueden generar radiación, como es el caso del plutonio, el uranio o el radio.
Ahora sabemos que los átomos están formados por partículas más pequeñas llamadas partículas elementales, como son:
- Neutrón, se encuentra en el núcleo atómico y no tiene carga eléctrica.
- Protón, se encuentra en el núcleo del átomo, carga positiva y masa considerable
- Electrón, gira en órbita alrededor del núcleo atómico, tiene carga negativa y una diminuta masa, casi despreciable.
De alguna manera podemos imaginar al átomo como un pequeño sistema planetario; de hecho, al principio los físicos pensaron que era algo muy similar, pero con el tiempo han llegado a la conclusión de que, en realidad en poco se parecen, como explicaremos en la siguiente lección.
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