La Física: más allá de sus leyes y ecuaciones, Primera Parte

 

 

Resulta muy difícil definir qué es Física; es un área de la Ciencias de la Naturaleza muy abarcadora y desafiante en sí misma, ha sido responsable de cosas buenas y malas, pero las buenas aún están muy lejos de las malas y la superan en cantidad y calidad.

Si se consultara a un profesional muy versado en física le costaría definirla, porque con ella podemos estudiar desde las partículas del mundo subatómico hasta las grandes galaxias que están fuera de los más potentes telescopios. También lo que ocurre en el interior de la Tierra. En definitiva se puede afirmar que no existe una ciencia que maneje un abanico de contenidos más amplio que ella.

De manera organizada todo comenzó con Galileo Galilei que utilizó la experimentación, porque hasta ese momento había una gran influencia de Aristóteles y de los tribunales de la inquisición, que frenaron temporalmente su desarrollo.

Aunque había alguna confusión porque los trabajos de Galileo se clasificaron como la parte de la Física que conocemos hoy como mecánica, pero luego se reclasificaron y pasaron a formar parte de la cinemática, la que se ocupa de estudiar el movimiento sin considerar la causa que lo ha producido.

Aproximadamente cien años después, Isaac Newton plantea sus tres leyes del movimiento y la Ley de Gravitación Universal, quedando así conformada la mecánica como una rama importante de la Física, la cual para facilitar su estudio se establece que bajo ese nombre se estudie la cinemática y la dinámica. Más adelante los trabajos de Euler, Lagrange y Hamilton entre otros le permitieron alcanzar el estado de refinamiento con que la conocemos hoy día.

Newton también fue responsable del modelo corpuscular de la luz, surgiendo así la óptica geométrica. Trabajos posteriores introdujeron el modelo ondulatorio, porque fenómenos como la interferencia, la difracción y polarización no podían ser explicados mediante el de Newton. El nuevo modelo tuvo como sus principales autores a Hyggens, Young, Fresnel y otros.

Se conforma la mecánica de los fluidos, incorporando los trabajos de Arquímedes, Pascal, Daniel Bernoulli, Venturi y otros. En el Siglo XIX, surge con mucha fortaleza el electromagnetismo con los trabajos Ampere, Faraday, Gauss y el orquestador de todo ese proceso que fue J.C. Maxwell. También queda conformada la teoría del calor y la termodinámica con sus leyes y la primera contradicción con el determinismo de las leyes de Newton, ya que se introduce el cálculo de probabilidades y reto que representó el planteamiento de la segunda ley de la termodinámica y sus consecuencias de carácter filosófico

Adelantando un poco las cosas, llegamos al Siglo XX, considerado por muchos como en el que se construyó la Física Moderna y en el surgieron una gran cantidad de ramas de la física que han cambiado el mundo y hasta su manera de pensar; citamos algunas de ellas: Física nuclear, Teoría de la relatividad, especial y generalizada, la física de las altas temperaturas, lo que llevó al descubrimiento del cuarto estado de la materia, conocido como estado plasma, la Física del estado sólido, la cual ha sido responsable de los logros obtenidos en el campo de la electrónica,  la criogenia o Física de las bajas temperaturas, lo que llevó al descubrimiento del quinto estado de la materia (el condensado de Bose-Einstein) y la mecánica cuántica, a esta última rama, le dedicaremos la segunda parte de este trabajo.

 

Las leyes de la Física: su orígen

Primera parte:

Para escribir acerca de un tema tan interesante como este, necesariamente hay que remontarse muy lejos en el tiempo, tan lejos como lo permitan los documentos y testimonios que han pasado los siglos, diríamos que muchos siglos.

El orígen de las leyes de la Física la encontramos en la filosofía, en las religiones y en la metafísica que viene a ser como una especie de denominador común entre todas esas corrientes del conocimiento y del pensamiento. Es una característica importante que todas ellas se ocupan de tres áreas básicas que son el sostén del universo alcanzable y el que aún no hemos podido alcanzar y que no es mucho lo que sabemos, esas áreas básicas la constituyen: Dios, el hombre y su capacidad de ser y la ciencia del conocimiento.

La metafísica se sitúa en el siglo III antes de la era cristiana y sus enseñanzas se atribuyen a Platón y a Aristóteles, en sus obras aparece por primera vez la palabra metafísica, que etimológicamente quiere decir más allá de lo físico, es aquello invisible, intangible y eterno que ha sido la base de la construcción del conocimiento y parte de la esencia misma del ser, ella te acerca al dominio de la conciencia.

A través de la metafísica se busca llegar al arte de vivir y ser feliz, comprenderse a sí mismo y conocer las leyes que rigen la vida para no seguir siendo víctima de ellas y de muchas circunstancias creada por los propios seres humanos.

La Física es la más básica de las ciencias fácticas. Ella trata el comportamiento y la estructura de la materia. Es una ciencia muy completa ya que en ella encontramos leyes y principios fundamentales para estudiar desde partículas elementales hasta las grandes galaxias del universo, estas características hacen de ella una ciencia fundamental, muy difícil de definir en pocas palabras.

Un dominio tan vasto y abarcador tenía que ser prohijado por madres y padres que se rigieran por un conjunto de leyes universales que expresaran de manera genuina la naturaleza en todas sus dimensiones, por ello consideramos que las leyes que rigen la física tienen su origen en los siete principios metafísicos, veamos las coincidencias de objetivos:

1. Que el ser humano comprenda y ejercite la mente creadora

2. Comprender la dinámica de la vida a través de los estados de vibración de la materia

3. Reconocer el principio causal de los fenómenos de la naturaleza

4. Multiplicar el conocimiento del universo material y la energía y todo aquello que podemos aprender a través de los sentidos

5. Ambas transitan por el camino de la verdad y los principios de la ética y pretenden alcanzar la grandeza del ser humano. En una próxima entrega nos acercaremos a la interconexión de la física y la metafísica a través de las leyes y princios que gobiernan la física.

Desarrollo de la ciencia en el siglo XX

La Física en el siglo XX: cuarta parte

El 1914 marca el inicio con el descubrimiento de la difracción de los rayos X a través de estructuras cristalinas por el físico alemán Max von Laue y casi paralelamente los Bragg, padre e hijo aplican los rayos X al análisis de estructuras cristalinas. Esta constituyó una etapa de grandes aplicaciones de los rayos X, puesta de manifiesto con el descubrimiento de Charles Barkla quien descubrió el poder de penetración de los rayos X en la materia.

Para el año 1918 el físico alemán, Max Planck propone la teoría cuántica, la cual constituyó el gran primer paso para el desarrollo de la física moderna con la mecánica cuántica a la cabeza. En 1919 J. Stark consigue desdoblar las líneas espectrales de una sustancia bajo la influencia de un campo eléctrico.

Albert Einstein descubre el efecto fotoeléctrico y realiza algunos planteamientos teóricos interesantes, contribuyendo con ello al desarrollo de la teoría cuántica. Paralelamente con esto nace teoría atómica y la teoría de la radiación propuesta por Niels Bohr. En los años 1935 y 36 se descubren el neutrón y el positrón, esta última, antipartícula del electrón; este descubrimiento abrió las puertas a la investigación en el campo de la antimateria y la física de partículas.

Entre el 1920 y el 1930 vio el nacimiento la mecánica cuántica, una de las ramas que han estremecido el mundo científico por sus aportes y su formulación teórica, caracterizada por su elegancia, su lenguaje y de alguna manera haber marcado la ruptura con los planteamientos propuestos en la mecánica newtoniana.

Sus principales aportes se debieron a muchas personas, de las cuales citaremos algunas:

W. Pauli propuso el principio de exclusión que lleva su nombre, dicho principio establece que dos electrones no pueden tener nunca el mismo conjunto de números cuánticos, proporcionando así una razón para justificar la forma de llenarse las capas de átomos que se vuelven cada vez más pesados.

En 1927, se llega a uno de los momentos capitales de la física con el descubrimiento del principio de incertidumbre de Heisenberg. Este principio establece que no es posible localizar la posición de una partícula y al mismo tiempo medir su velocidad; alcanzar ambas cosas son incompatibles con este principio. Estos conceptos sólo son aplicados al mundo cuántico, ya que en el mundo ordinario domina el modelo corpuscular. Continuaremos...

Avances de la ciencia en el siglo XX

Tercera parte: Avances de la Física

La Física, como las demás áreas de la ciencia, podemos decir sin ningún temor a equivocarnos que recibió uno de los más grandes avances. Puede calificarse como una verdadera revolución científica que tocó en lo más profundo las bases del pensamiento científico. La medida de comparación que más se le acercaría sería la revolución creada por Nicolás Copérnico que dejó profundas huellas en la concepción que se tenía acerca del sistema planetario.

Aún iniciándose el siglo XX, todavía resonaban los trabajos de Maxwell y el desarrollo del electromagnetismo y el laboratorio Cavendish fundado por él, daba sus primeros pasos en la investigación científica. Aún continuaba el entusiasmo creado por los resultados obtenidos por W. Roentgen con el descubrimiento un tanto accidental de los Rayos X, por el que recibió el primer premio Nóbel que se otorgó.

H. Lorentz y Pieter Zeeman, descubren la influencia del magnetismo en los fenómenos de la radiación. Este descubrimiento se aplicó al análisis espectral de los elementos químicos, por lo que recibieron el premio Nóbel de Física en 1902.

H. Becquerel y los esposos Pierre y Marie Curie desarrollan la radioactividad, descubriendo los elementos químicos, radio, polonio y otros elementos radioactivos, así como también determinaron su peso atómico.

J.W. Strutt, Barón de Rayleigh, realiza importantes aportes en la determinación de la densidad de los gases y descubre el argón.

Phillipp von Lenard realiza importantes investigaciones en la propagación de los rayos catódicos, que más tarde favorecieron el desarrollo de toda una teoría acerca del electrón. También el inglés J.J. Thomson desarrolló una serie de investigaciones teóricas y experimentales que condujeron al desarrollo de la electricidad en los gases.

En el 1907, Albert Michelson desarrolla sus investigaciones en el campo de la espectroscopía y crea varios instrumentos ópticos de alta precisión, uno de ellos fue utilizado por el propio Michelson para medir la velocidad de la luz, cuyo valor es el que manejamos hoy día, 300,000 Km por cada segundo.

A partir de 1908 hacen su entrada las primeras investigaciones en el campo de la óptica con los trabajos del físico francés G. Lippman, el cual desarrolló un método para la reproducción de colores fotográficamente, basados en el fenómeno de interferencia. Paralelamente con estos trabajos, el italiano Marconi y el alemán F. B. Braun desarrollan la telegrafía inalámbrica. Para esa época se desconocía el impacto que tendría cien años después.

El alemán J. van der Waals formulas las ecuaciones de estado para los gases y líquidos.

Hike Kamerlingh-Onnes, de nacionalidad holandesa realiza importantes investigaciones acerca de las propiedades de la materia a bajas temperaturas y propone un método para la producción de helio, dejando con ello iniciada una nueva rama de la física, conocida como criogenia o física de las bajas temperaturas. Continuaremos con la física, espere, que hay mucho más

Un poco más de Física Moderna

Atendiendo a una petición de un lector del blog que me solicitó que escribiera algo más acerca de la Física Moderna, petición que me agradó, espero dejerlo complacido.

La influencia que la física moderna ha ejercido en casi todas las áreas importantes de la sociedad humana ha sido extremadamente importante. Se ha convertido en la base de las ciencias de la naturaleza de este tiempo y por supuesto un pilar importante de la tecnología. Esto ha traido cambios importantes a todo lo largo y ancho del planeta, unos para bien, otros para mal. Como en toda cosa importante en la vida de alta trascendencia, que tienen luces y sombras.

En nuestro días es difícil encontrar una industria que no utilice algún resultado de las investigaciones hechas en el ámbito de la física moderna. Bastaría un sólo ejemplo, la industria de equipos médicos y como consecuencia de ello, el ejercicio de la medicina.

Otro ejemplo importante lo constituye el desarrollo de la industria atómica, la cual ha ejercido una poderosa influencia en la estructura política, convirtiédose en centro de debates políticos que cruzaron los linderos académicos y los laboratorios donde donde se hicieron importantes descubrimientos e inventos de muchos dispositivos en el campo de la física atómica y nuclear.

Es bueno aclarar que la física moderna va mucho más allá de ser una plataforma importante de la tecnología moderna. También se extiende al campo del pensamiento profundo y una poderosa influencia en la cultura, la cual nos ha empujado a revisar nuestros conceptos newtonianos del universo y nuestra relación con él. Las investigaciones realizadas a principios del Siglo XX han puesto de manifiesto la estrechez conceptual de las ideas clásicas y nos han empujado a cambiar hasta nuestro lenguaje para hablar de la física moderna. Su desarrollo es comparable con la concepción del mundo que se tiene en el misticismo oriental. Prometemos trabajar acerca de la relación de la física moderna con la cultura oriental.

De todas formas si alguien tiene interés en profundizar en el tema pueden adquirir el libro: El Tao de la Física de Fritjof Capra, el cual lo pueden conseguir a través de Amazon.com

Surgimiento de la Física Moderna

Las primeras dos décadas del Siglo XX trajeron una revolución que muchos la comparan con la revolución provocada por los trabajos de Copérnico y Galileo. Dentro de ese breve lapso salieron a relucir la teoría de la relatividad de Einstein, la cual en lugar de una teoría, eran dos: la teoría de la relatividad especial y la general. Estas teorías enfrentaron los trabajos de Newton, teniendo que estudiarse la mecánica desde un punto de vista clásico por un lado y por otro en un marco relativista.

Surgió también la teoría cuántica, la cual estaba en contraposición con los trabajos de Boltzman, Maxwell, Kelvin y otros. Estos trabajos marcaron un rompimiento radical con los postulados y premisas fundamentales de Newton.

En 1925, W. Heisenberg presentó un método para calcular la intensidad de las líneas espectrales, ya que el modelo de Bohr explicaba la frecuencia, pero no la intensidad de las mismas. Se afirma que el propio Bohr ayudó a Heisenberg a desarrollar el modelo matemático, llegando a la conclusión que había que utilizar un modelo matricial y así surgió la mecánica cuántica matricial.

La teoría de Heisenberg fue aceptada como el nacimiento de una nueva mecánica porque concordaba con los experimentos realizados, pero el modelo del electrón como onda y que esta onda tienen un comportamiento corpuscular desarrollado por De Broglie fue lo que sirvió de confirmación de esta nueva rama de la Física.

En el mismo año de 1926 el concepto de rotación del electrón, fue explicado por Pauli, quedando con ello aclarado el concepto del spin del electrón. También para la misma época fue explicada la tabla periódica de los elementos de Mendelev.

Para esa época habían nacido aparentemente dos mecánicas, las cuales dejaron a muchos científicos confundidos, por presentarse de maneras diferentes; Schrodinger apuntó que ambas podían ser descritas mediante el uso de una matemática más avanzada, como lo era la teoría de los espacios de Hilbert. Esto permitió ver que ambas eran expresiones de una misma ecuación y que en sus contenidos eran completamente iguales, esa idea fue formulada de manera muy elegante por Dirac, Jordan, Von Newmann y otros, llegando con ello a un estado de refinamiento de la mecánica cuántica.

A partir de esa época la mecánica cuántica comenzó a ser aplicada a los problemas de los átomos, a los de estructura molecular, a problemas de estado sólido, más tarde se aplicó a problemas del núcleo atómico.

En 1928 Dirac trabajó en la unificación de la mecánica cuántica con otra teoría esencial que había sido concluída hacía algún tiempo, la teoría de la relatividad, naciendo así, la mecánica cuántica relativista, quedando concluída en líneas generales la física moderna y con ella la mecánica cuántica.

Fortalecer la enseñanza de la Física: una gran meta

No tenemos ninguna duda de que la educación en general necesita apoyo, pero la Física está pasando por una situación que podemos definir como crítica. A lo lejos no se ven posibles soluciones para mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje de la misma, más bien estamos retrocediendo, apoyándonos en el principio dialéctico que establece: lo que no avanza retrocede.
Creemos firmemente en las ciencias no sólo como pilares importantes para el crecimiento y desarrollo de un país, sino en el papel que están llamadas a jugar en el individuo en su componente científica y cultural, las cuales se fortalecen cuando el individuo se pone en contacto con la experimentación y la investigación, es ahí donde se fortalece el pensamiento y se le despierta el interés por la ciencia, no importa cuáles sean sus preferencias e intereses en el plano profesional.
Por lo antes expuesto, sugerimos varios temas para fortalecer la parte experimental de la Física, así como abrir las posibilidades de iniciar un estudiante del Nivel Medio por el camino de la investigación:

1. Diseño y construcción de un tornillo micrométrico y un calibrador (pie de Rey)
2. Tabulación de las masas y las velocidades de diez animales diferentes. Este trabajo debe incluir el método para hallar las masas y las velocidades respectivas
3. Construcción de una balanza de: MOHR-Wesphal
4. Construcción de una balanza de resorte cuyo margen de error no exceda el 1%
5. Efecto de la luz sobre el pigmento de las plantas (Tema interdisciplinario)
6. Evaluación del Sistema de Pesas y Medidas en la República Dominicana
7. La inercia y su aplicación en la industria
8. El cambio de estado en las industrias siderúrgicas y metalúrgicas
9. Diseño y construcción de un túnel de viento
10. Análisis de la curva de temperatura durante el día, iniciando las mediciones a la 6:00 A.M. y terminando a las 6:00 P.M.

Física: la vergüenza de la ciencia en la República Dominicana

Constituye una vergüenza para cualquier país que tenga la intención de despegar hacia un desarrollo sostenido no contar con las ciencias naturales (Biología, Física y Química) como su principal plataforma de despegue. De ahí lo que siempre hemos dicho y escrito que las posibilidades de desarrollo que tiene el país son muy escasas. :
Si seguimos haciendo lo mismo y sobre todo de la misma manera, tendremos los mismos resultados. Siempre viviremos en un país dominado por la combinación de la ficción y la utopía.
Aunque la situación es grave para las tres áreas de las ciencias de la naturaleza, creemos que para la Física es más grave aún. Son muchas las razones que tenemos para expresarnos en forma tan categórica y quizás un tanto descarnada, pero lo que estamos observando no nos deja otra opción; veamos algunos de los motivos que tenemos para expresar esas preocupaciones:
· Falta de atención a la educación, las áreas de la ciencia están entre las principales víctimas, posiblemente la Física sea la menos atendida
· Serias fallas en el manejo de los contenidos de los programas, en la mayoría de los casos por falta de capacidad de los docentes que los imparten
· Muchas universidades que ofrecen carreras de ingeniería y educación con mención en Física no disponen de los laboratorios correspondientes a las carreras que ofrecen, siendo la Secretaría de Estado de Educación Superior Ciencia y Tecnología víctima de engaños por las autoridades de esos centros de enseñanza, engaño que se pone de manifiesto por la escasa preparación de la mayoría de sus egresados.
· El error de la Secretaría de Estado de Educación al entregarle la enseñanza de la Física a profesores graduados en Educación, Mención Biología y Química, sin haberlos capacitado en esa área. Mejor hubiera sido habérsela entregado a los graduados en Educación, Mención Matemática y Física.

¿Cómo puede un profesor sin el nivel adecuado enfrentarse con los tópicos de Física Moderna del programa de 4to. del Nivel Medio? Apreciaría mucho que un técnico de la SEE me respondiera esa pregunta.
· Otro aspecto que consideramos que le hace mucho daño a la Física es la discontinuidad. El primer nivel se imparte en el 2do. Se interrumpe en tercero y se retoma en el segundo semestre de 4to. Me informan algunos profesores de Física que en ese nivel hay que empezar de nuevo.
· La carencia de equipos y materiales de laboratorio para validar las leyes y principios de la Física a través de la experimentación, mientras tanto impartimos más dogmas que ciencia.

Más adelante volveremos sobre el tema