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BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA POR UNA ALFABETIZACIÓN CIENTÍFICA MINIMA HACIA UNA CULTURA CRITICA FRENTE A HECHOS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -Campaña de la Decanatura.

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Presentación del tema: "BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA POR UNA ALFABETIZACIÓN CIENTÍFICA MINIMA HACIA UNA CULTURA CRITICA FRENTE A HECHOS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -Campaña de la Decanatura."— Transcripción de la presentación:

1 BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA POR UNA ALFABETIZACIÓN CIENTÍFICA MINIMA HACIA UNA CULTURA CRITICA FRENTE A HECHOS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -Campaña de la Decanatura de Ciencias Básicas del ITM- TOMADO DEL DOCUMENTO: PANORAMA HISTÓRICO DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA EN EL SIGLO XX. de Joaquín Luque PREPARADO POR: Juan Guillermo Rivera Berrío, profesor de CTS

2 El astrónomo antiguo de mayor influencia fue Ptolomeo (Claudius Ptolemaeus) de Alejandría, quien vivió cerca del 140 después de Cristo. Su esquema geométrico predecía el movimiento de los planetas. en su visión la Tierra ocupaba el centro del universo. Su teoría se aproximó al movimiento verdadero de los cuerpos celestes se mantuvo firme hasta la caída de Roma y el fin de la edad media. PTOLOMEO

3 COPERNICO ( ) La descripción ptolemaica del universo pervivió sin modificaciones importantes durante XIV siglos. Pero en 1543, el canónigo polaco Nicolás Copérnico publica su obra De revolutionibus orbium coelestium (sobre las revoluciones de las esferas celestes) en el que, tratando de simplificar el cálculo ptolemaico, propone un sistema en el que el sol está en el centro y la tierra y los demás planetas giran en círculos en torno a él. Si bien este modelo simplificaba algunos cálculos, complicaba otros, y necesitaba también del auxilio de epiciclos. Por tanto, a pesar de la simplicidad inicial, tanto el sistema ptolemaico como el copernicano son de una complejidad similar. Sin embargo, el sacar a la tierra del centro del Universo tuvo unas profundas repercusiones en el pensamiento de la época y de los siglos siguientes, hasta el punto que se la denomina la "revolución copernicana".

4 GALILEO ( ) Al comprobar que el aspecto de la Luna era idéntico al de la Tierra, con sus montañas y valles, atacó a la cosmología clásica (aristotélica y ptolemaica) que creía que el mundo sublunar era esencialmente distinto del mundo de las esferas celestes. Proclamó su fe en el sistema copernicano lo que le costó la condenación de la Iglesia, la cárcel y la retractación pública. Según la tradición, al terminar su retractación exclamó: "Eppur, si muove" ("¡Y sin embargo se mueve!"). Galileo, si no inventa, al menos sí es uno de los primeros en usar el microscopio y el telescopio con fines de observación científica.

5 GALILEO "La filosofía está escrita en este grandísimo libro que está abierto ante nuestros ojos (digo: el universo), pero no puede entenderse si antes no se procura entender su lengua y conocer los caracteres en los cuales está escrito. Este libro está escrito en lengua matemática, y sus caracteres son triángulos, círculos y otras figuras geométricas, sin las cuales es totalmente imposible entender humanamente una palabra, y sin las cuales nos agitamos vanamente en un oscuro laberinto". Se le considera padre de la Física moderna, entre otras cuestiones por promover la observación experimental y la formulación matemática de las leyes del universo. Ambas cuestiones quedan muy bien reflejadas en las páginas iniciales de su obra "Il Saggiatore" (El ensayador):

6 KEPLER ( ) En el desarrollo de la física de la modernidad hay que detenerse en Johannes Kepler, alemán contemporáneo de Galileo. En base a detalladas observaciones astronómicas, propuso que se aceptara el sistema copernicano con una modificación: los planetas no giran en torno al sol en órbitas circulares sino elípticas. Con este sencillo cambio, los datos encajaban perfectamente en un modelo simple en el que no eran necesarios deferentes, epiciclos ni excéntricas. La simplicidad y belleza del modelo kepleriano frente al copernicano o el ptolemaico eran incomparables. Kepler también formuló las expresiones matemáticas que rigen el movimiento de los planetas en estas elipses, que se han dado en denominar las 3 leyes de Kepler.

7 NEWTON ( ) Sin duda la cumbre de la Física de la Modernidad es Isaac Newton, inglés que vive en la segunda mitad del siglo XVII y comienzos del XVIII. En su obra de 1687 "Philosophiae naturalis principia mathematica" (Principios matemáticos de la filosofía natural) establece la ley de la gravitación y las leyes generales de la mecánica. Las observaciones, no sólo encajan, sino que encuentran una explicación de los principios en los que se fundamentan.

8 NEWTON ( ) La mecánica newtoniana tiene una visión del mundo con un espacio y un tiempo infinitos y un movimiento absoluto. Newton no sólo es un físico genial sino también un matemático de primera fila. Como las herramientas matemáticas de su tiempo eran insuficientes para el desarrollo de su teoría, construye nuevos modelos matemáticos, y en concreto el cálculo diferencial, por el que mantuvo una fuerte controversia sobre su prioridad con el matemático, y también filósofo, alemán Leibniz ( ).

9 LA ILUSTRACIÓN 1789 Después de dos siglos de cambio en la física (XVI y XVII), esta disciplina se asienta y se desarrolla sobre las bases de la mecánica newtoniana en los dos siglos siguientes, XVIII y XIX. El pensamiento racionalista, los movimientos sociales de la época que culminan en la revolución francesa, y el movimiento cultural ilustrado, no hacen sino reforzar una visión del mundo que ya estaba en germen en la nueva física. La perfección del modelo newtoniano conduce a un materialismo y un determinismo. Todo está hecho de materia (no hay conciencias, espíritus). Todo puede ser calculado a partir del pasado. Es verdad que hoy hay muchos físicos que discuten que la mecánica newtoniana implique necesariamente el materialismo y el determinismo, pero en los siglos XVIII y XIX fue la opinión mayoritaria de los científicos.

10 La electricidad en el XVIII. Aunque eran bien conocidos desde la antigüedad, en el siglo XVIII comienzan a estudiarse de acuerdo con el nuevo método científico los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Merece destacarse el papel que desempeña Charles de Coulomb ( ), físico francés que estudia las fuerzas eléctricas de cargas en reposo (electrostática) y enuncia su ley general aplicable a las fuerzas eléctricas y magnéticas. La expresión matemática de la ley de Coulomb es muy similar a la formulación de la gravitación universal de Newton.

11 La electricidad en el XIX. En la frontera entre los siglos XVIII y XIX (1800), el italiano Alessandro Volta inventa la pila y con ella da comienzo el estudio de la corriente eléctrica y sus relaciones con el magnetismo. Durante este siglo la electricidad y el magnetismo avanzan considerablemente gracias a nombres como los de Ampere, Ohm o Faraday. No obstante las formulaciones debidas a ellos recogen aspectos parciales de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Con la aparición de James Clerk Maxwell ( ), físico escocés, se dispone de una teoría integradora. Ésta es formulada en 1873 mediante las ecuaciones generales de la propagación del campo electromagnético, conocidas como ecuaciones de Maxwell. En ella se unifican las fuerzas eléctricas y magnéticas. Será la primera de las unificaciones que todavía hoy sigue buscando la física.

12 La electricidad en el XIX. Desde el punto de vista de la Física la situación a finales del siglo XIX no podía ser más halagüeña. La mecánica de Newton era un éxito. El electromagnetismo de Maxwell explicaba ese conjunto de fenómenos. Y por último, Young y Fresnel resolvieron los problemas que tenía la teoría ondulatoria de la luz y formularon las leyes de la óptica. Todo la naturaleza era explicada por la física. El triunfo de la razón. Ello llevó a anunciar a Lord Kelvin, físico inglés de la época, premio Nobel de física en 1906, el próximo fin de la disciplina por ausencia de problemas que resolver. Aunque esto tampoco nos debe extrañar pues en el mismo siglo XIX Hegel había anunciado el fin de la Filosofía y de la Historia, y Nietzsche nos proclamaba la muerte de Dios. Sin embargo serios nubarrones se oteaban en el horizonte, lo que llevaría a la ciencia a un nueva crisis, a una revolución conceptual, o como diría Kuhn, a un cambio de paradigma.

13 La Física en el siglo XX. La relatividad especial. En 1905 Albert Einstein, físico alemán, estudiando los problemas que presentaba el electromagnetismo cuando se estudiaba el movimiento relativo entre móviles con velocidades cercanas a la de la luz (electrodinámica de los cuerpos en movimiento), formuló su teoría de la relatividad especial, denominada así para distinguirla de la teoría del movimiento relativo formulada ya por Galileo. La teoría de Einstein, no era simplemente un remiendo de la mecánica clásica sino una revolución conceptual de la cual todavía hoy nos estamos recuperando.

14 La Física en el siglo XX. La relatividad especial. Para Einstein, el espacio y el tiempo no son absolutos sino que dependen de cada observador y de la velocidad con la que se mueva este observador. Así, para un observador en movimiento, los relojes atrasan, las reglas se contraen y las masas aumentan. Otra consecuencia de la relatividad especial es que los conceptos de masa y energía son, en cierta medida intercambiables. De tal modo que ya no puede hablarse de una conservación de la masa y de una conservación de la energía por separado, sino de una conservación conjunta de la masa- energía. De hecho la teoría establece lo que probablemente es la fórmula matemática más conocida de la física, relacionando la masa y la energía mediante la expresión E=mc2. Esto permite la conversión de materia en energía, cosa que ha dado lugar a las bombas atómicas y a las centrales nucleares. También permite el paso inverso: la energía puede materializarse, puede hacerse masa.

15 La Física en el siglo XX. La relatividad general Este genial físico, se adelantó con mucho a su tiempo cuando, en 1916 propone su teoría de la relatividad general, en la que incluye los efectos de la gravedad. Si bien, con cierta dificultad y gran esfuerzo puede llegar a entenderse la formulación de la relatividad especial, la relatividad general es tan compleja, requiere unos conocimientos matemáticos tan elevados que ni incluso muchos licenciados en Física la conocen con precisión. No obstante comentemos algunos de los rasgos más sobresalientes de la misma. Para la relatividad general, la masa no es más que una curvatura, mayor o menor del espacio-tiempo. Si no hay masa el espaciotiempo es plano. Si tenemos una masa, por ejemplo el Sol, el espacio-tiempo se curva. Es como un colchón en el que se hubiese acostado alguien. Pero en realidad no es que el espacio-tiempo se curve por la presencia de una masa, sino que la masa es precisamente esa curvatura. ¡Cuán lejos queda el concepto de sustancia de Aristóteles !.

16 La Física en el siglo XX. La mecánica cuántica - Bohr En 1913 Niels Bohr, físico danés, describe un modelo del átomo parecido a un sistema planetario. En el centro estaría el voluminoso y pesado núcleo (el "sol") y a su alrededor, giran en órbitas los diversos electrones (los "planetas"). Para que este modelo fuese consistente con la física de la época fue necesario suponer que los electrones no podían tener cualquier energía, sino sólo determinados valores de la misma: la energía de los electrones estaba cuantizada de acuerdo con una expresión debida a Planck. Si bien el modelo atómico de Bohr es intuitivo y fácil de comprender, no explicaba completamente los fenómenos observados en el estudio del átomo.

17 La Física en el siglo XX. La mecánica cuántica Para solventar estos problemas, Heisenberg propuso en 1925 una mecánica cuántica basada en el cálculo matricial. De forma independiente, Schrödinger propuso en 1926 una mecánica cuántica basada en ecuaciones de ondas. Ambas formulaciones son matemáticamente equivalentes. Aparece la dualidad onda-corpúsculo. La teoría corpuscular tenía grandes defensores entre ellos al mismo Newton. Sin embargo, la teoría ondulatoria era la que mejor se adaptaba a las observaciones. Aparecieron nuevos fenómenos, entre ellos el efecto fotoeléctrico, que rescataron la visión corpuscular de la luz, defendida en este caso por Einstein. ¿Es la luz una onda o una hilera de fotones (partículas de luz)?. Un duelo de titanes que se resolvió en empate. Luis De Broglie, físico francés, lanzó en 1924 una hipótesis desconcertante: la luz, y en general cualquier materia, es de una naturaleza tal que, dependiendo de cómo se la observe presenta las propiedades de una onda o de un corpúsculo.

18 La Física en el siglo XX. La mecánica cuántica - Bohr En el principio de indeterminación (o principio de incertidumbre) de Heisenberg formulado en 1927, nuestro conocimiento de los fenómenos físicos es necesariamente limitado. Al observar (medir) un fenómeno lo alteramos, de forma que la medida realizada no se corresponde con su valor original. Este límite al conocimiento físico no sólo es real sino que se puede calcular cuanto vale. Las medidas son necesariamente erróneas. Este principio supone un serio revés al sueño de Laplace de calcularlo todo, pasado presente y futuro. Pero aún más demoledor resulta la estructura completa de la mecánica cuántica en la que calculamos, no una magnitud física de la materia, sino la función de probabilidad de dicha magnitud. Por decirlo más claramente, la mecánica cuántica no nos dice donde va a estar el electrón en un instante de tiempo dado, sino que nos da las distintas probabilidades de que esté en los diferentes puntos del espacio. Einstein, firme adversario de la mecánica cuántica se niega a creer que "Dios juegue a los dados"

19 La Física en el siglo XX. La fisión nuclear En el siglo XX, la física, no sólo a roto el átomo, no sólo ha encontrado las partes de lo "sin partes", sino que ha descubierto que, a su vez, el núcleo atómico está compuesto por un número variable de protones y neutrones. Los núcleos más grandes, en ocasiones, tienden a romperse espontáneamente. Así por ejemplo ocurre con el Uranio, estudiado por Becquerel, o con el Radio analizado por los esposos Curie. Al romperse estos átomos emiten una radiación. A este fenómeno se le denominó radiactividad. y ha dado origen a la física nuclear contemporánea. A la rotura del núcleo se la denomina fisión nuclear. Este proceso puede liberar un gran energía que puede utilizarse de forma explosiva o controlada.

20 La Física en el siglo XX. La bomba atómica Durante la Segunda Guerra Mundial se trabajó intensamente para producir una reacción de fisión nuclear en cadena, de forma que tuviese un carácter explosivo y liberase una gran cantidad de energía. Este proyecto, fue dirigido por Oppenheimer y culminó en 1945 con el lanzamiento de dos bombas atómicas por parte de USA en dos ciudades japonesas: Hiroshima y Nagasaki. El uso pacífico de la energía nuclear de fisión se realizó por primera vez en 1956 en la central nuclear de Calder Hall (Gran Bretaña).

21 La Física en el siglo XX. Fusión nuclear Pero la fractura de núcleos pesados no es la única reacción nuclear posible. De hecho, ni siquiera la más importante. Mediante el proceso inverso, es decir la unión (fusión) de núcleos ligeros de Hidrógeno, se obtiene un núcleo de Helio (Deuterio + Tritio = Helio + neutrón). En este proceso se libera una gran energía. A este proceso se le denomina la fusión nuclear y es el que proporciona la energía del sol. Esta energía de fusión se utilizó por primera vez con fines militares en 1952 para la fabricación de la denominada bomba H. El uso pacífico de esta energía es todavía un problema sin resolver.

22 La Física en el siglo XX. La física de partículas En el estudio del átomo y de sus componentes, además de los protones neutrones y electrones, empezaron a surgir nuevas partículas subatómicas: mesones, bosones, piones, neutrinos, etc. El mundo subatómico empezó a poblarse de numerosas entidades que parecían no tener orden ni concierto. Muchas de estas partículas sólo son observables, durante tiempos muy cortos, tras una brutal colisión. Los aceleradores de partículas son dispositivos muy grandes (varios kilómetros de diámetro), con complejísimas instalaciones auxiliares, y con gravísimos problemas de financiación..

23 La Física en el siglo XX. Los quarks Para poner un poco de orden en tal proliferación de partículas, Gell-Mann y Zweig propusieron en 1964 un modelo, denominado modelo estándar, según el cual por debajo de las partículas conocidas habría otras, denominadas quarks. Dicho de otra forma, no sólo es que el átomo tenga partes, sino que el protón, por ejemplo, también tiene partes. Estas partes son los quarks. Existen 6 tipos de quarks, el último de los cuales fue detectado en Sin embargo los físicos consideran que no han llegado aun al final. Para ello se basan en que el modelo estándar, del que los quarks forman parte, no es capaz de integrar los efectos gravitatorios y además depende de 15 constantes arbitrarias que no pueden ser deducidas teóricamente sino que deben ser medidas experimentalmente.

24 La Física en el siglo XX. Las teorías de unificación de fuerzas. Hasta el siglo XIX, sólo se conocían 3 tipos de fuerzas o de interacciones en la naturaleza: la gravitatoria, la eléctrica y la magnética. Maxwell unificó en 1873 las dos últimas mediante su teoría del campo electromagnético. Quedaban por tanto, a principios del siglo XX, sólo dos fuerzas: la gravitatoria y la electromagnética. Sin embargo el estudio del átomo y de las partículas elementales puso de manifiesto la existencia de otros dos tipos de interacciones que tienen lugar principalmente en los núcleos atómicos: la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. Tanto por razones teóricas como estéticas, los físicos pretenden unificar todas las fuerzas de la naturaleza en una única teoría. Fruto de este esfuerzo, Weinberg, Salam y Glashow proponen en 1960, y es confirmada en 1983, la teoría electrodébil, que unifica la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. -

25 La Física en el siglo XX. Las teorías de unificación de fuerzas. En 1973, Pati, Salam, Georgi y Glashow, introdujeron las teorías de Gran Unificación todavía no confirmadas ni refutadas, en las cuales la interacción nuclear fuerte se uniría a la electrodébil. Mucho más elusiva resulta unificación de la fuerza gravitatoria. Las interacciones eléctricas, magnéticas, nuclear débil y nuclear fuerte ocurren todas ellas dentro del marco del espacio-tiempo. Pero la gravedad no es otra fuerza impuesta sobre el espacio- tiempo, sino una distorsión del mismo. No obstante, se están consiguiendo algunos resultados parciales en este terreno, entre los que destacan los trabajos del popular Stephen Hawking.

26 La Física en el siglo XX. La astronomía. Pero la física de nuestro siglo no sólo se ha preocupado por lo muy pequeño, sino también por lo muy grande: por el universo. Mediante el uso del telescopio, y de nuevos instrumentos de exploración, nuestra imagen del cosmos ha cambiado radicalmente. A las estrellas y planetas han venido a sumarse toda una serie de nuevos cuerpos celestes de los que antes no se tenía conocimiento: púlsares, cuásares, supernovas, estrellas de neutrones, agujeros negros, etc. Todo un catálogo que nos presenta un universo en continuo cambio y ebullición..

27 La Física en el siglo XX. La cosmología Big-Bang. Quizás la más espectacular y popular de las teorías astronómicas sea la del Big-Bang o gran explosión. Como consecuencia de la teoría de la relatividad general Friedmann (ruso) en 1922 y Lemaitre (belga) en 1927 proponen que el universo surgió a partir de una gran explosión original y que desde entonces se está expandiendo. Esta teoría estaba apoyada en las observaciones de Hubble (Usa) de 1925, en las que se ponía de manifiesto que las galaxias se estaban separando todas unas de otras. Esta teoría ha sido posteriormente confirmada por numerosas evidencias, siendo hoy ampliamente aceptada. No hace falta subrayar las profundas consecuencias filosóficas de la teoría del Big-Bang.


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