Title: BREVE HISTORIA DE LA F
1BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA
2- CIENCIA TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD
- UNIDAD 2
- TOMADO DE PANORAMA HISTÓRICO DE LA CIENCIA Y
LA TECNOLOGÍA EN EL SIGLO XX Joaquín Luque - Cuadernos del Mundo Actual. Historia 16.
Madrid, 1993 - PREPARADO POR JUAN GUILLERMO RIVERA
BERRÍO LEÓN DARÍO FERNÁNDEZ BETANCUR
3- LOS EGIPCIOS
- Medición de la tierra
- Sistema decimal
- Primer museo (en honor de las musas) (332 a.C.)
- BABILONIOS
- Astrología tablas movimiento de los planetas.
Mapas de los cuerpos celestes - Sistemas de riego
- Sistema sexagesimal
- Tablas de multiplicar, cuadrados y cubos (2300 a.
C.) - GRIEGOS
- Primer mapa del mundo (Hecateus 530 a. C.)
4PTOLOMEO Claudius Ptolemaeus Alejandría (s. I d.
C.)
- Principal astrónomo antiguo
- Esquema geométrico que predecía el movimiento de
los planetas. - La tierra ocupaba el centro del universo.
- Su teoría movimiento de los cuerpos celestes
(ocho esferas que transportaban la Luna, el Sol,
las estrellas y los cinco planetas conocidos) - Vigente hasta la caída de Roma y el fin de la
edad media.
5COPERNICO (1473-1543)
- 14 siglos después de Ptolomeo
- 1543. Canónigo polaco Nicolás Copérnico publica
De revolutionibus orbium coelestium (sobre las
revoluciones de las esferas celestes) - Trata 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. - Tanto el sistema ptolemaico como el copernicano
son de una complejidad similar. - 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.
6GALILEO (1564-1642)
Galileo, si no inventa, al menos sí es uno de los
primeros en usar el microscopio y el telescopio
con fines de observación científica.
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!").
7GALILEO
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)
"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".
8KEPLER (1571-1630)
- Johannes Kepler, alemán contemporáneo
- de Galileo.
- Con base en sus observaciones astronómicas,
propuso la aceptación del 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. - Su modelo era más simple y bello que los
anteriores. - Kepler formuló las expresiones matemáticas que
rigen el movimiento de los planetas en estas
elipses las 3 leyes de Kepler.
9LEYES DE KEPLER
- Las órbitas de los planetas no son circulares
sino elípticas con el sol en uno de los focos - Un radio vector (radio trazado entre el sol y un
planeta) barre áreas iguales en tiempos iguales - El cubo de la distancia media entre un planeta y
el sol, dividida por el cuadrado de su período,
es constante para todos los planetas
10NEWTON (1642-1727)
- Isaac Newton La cumbre de la Física de la
Modernidad - Inglés que vive en la segunda mitad del siglo
XVII y comienzos del XVIII. - 1687 Philosophiae Naturalis Principia
Mathematica" (Principios matemáticos de la
filosofía de la naturaleza) establece la ley de
la gravitación y las leyes generales de la
mecánica. - Sus observaciones encuentran una explicación de
los principios en los que se fundamentan.
11NEWTON (1642-1727)
- 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 (1646-1716).
12LA 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.
- CONSECUENCIAS
- Materialismo La perfección del modelo newtoniano
conduce a un materialismo Todo está hecho de
materia (no hay conciencias, espíritus). - Determinismo Todo puede ser calculado a partir
del pasado. Aún hay muchos físicos para quienes
la mecánica newtoniana, necesariamente induce al
materialismo y al determinismo, pero en los
siglos XVIII y XIX fue la opinión mayoritaria de
los científicos.
13INICIOS DE LA ELECTRICIDAD
- Thales de Miletus (630-550 AC) fue el primero
que, cerca del 600 AC, conociera el hecho de que
el ambar, al ser frotado adquiere el poder de
atracción sobre algunos objetos. - Sin embargo fue el filósofo Griego Theophrastus
(374-287 AC) el primero que, en un tratado
escrito tres siglos después, estableció que otras
sustancias tienen este mismo poder, dejando así
constancia del primer estudio científico sobre la
electricidad
14SIGLO XVII
- WILLIAM GILBERT (1544 -1603). médico ingles.
Pionero en la investigación del magnetismo Fue
uno de los primeros científicos, de la era
moderna,en realizar experimentos con la
electrostática y el magnetismo, retomando las
observaciones realizadas por los antiguos
griegos. Demuestra que son muchos los materiales
que tienen la misma propiedad del ámbar - En 1600 escribe un tratado en el cual demuestra
que la tierra se comporta como un gran imán - Clasificó los materiales en conductores y
aislantes e ideó el primer electroscopio
15LA 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 (1736-1806), 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.
16SIMILITUD ENTRE LA LEY DE COULOMBY LA LEY DE
NEWTON
- La fuerza de atracción o repulsión entre dos
cargas puntuales es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa. - FK(q1q2)/r2 En el Sistema Internacional de
Unidades, K vale 9109 Nm2/C2. - La interacción entre dos cuerpos de masa M y m
se describe en término de una fuerza atractiva,
cuya dirección es la recta que pasa por el centro
de los dos cuerpos y cuyo módulo viene dado por
la expresión - F G(m1m2)/r2
- G es la constante de la gravitación universal
G6.6710-11 Nm2/kg2, y r es la distancia entre
los centros de los cuerpos
17LA 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 (1831-1879), 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.
18SIGLO XIX EL FIN DE LA CIENCIA?
- 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!. - Por lo anterior, Lord Kelvin, físico inglés de la
época, premio Nobel de física en 1906, anunciaba
el próximo fin de la disciplina por falta de
problemas qué resolver. - En el mismo siglo XIX Hegel había anunciado el
fin de la Filosofía y de la Historia - Nietzsche 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.
19MODELO DE EDISON(DÍODO)
20MODELO DE FLEMING
- Si por un diodo pasa una corriente como la que se
muestra en la parte superior, sale una corriente
como la que aparece en la parte inferior. Esta
acción se llama rectificación.
21DESARROLLO DEL TRÍODO
- Lee De Forrest (1873 1961). En 1906 desarrolla
el tríodo (Audión) - 1909. procesado por fraude
- 1912. vende la patente a ATT
22DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X
- El alemán Roentgen hacía experimentos con la luz
fluorescente producida por los electrones (1895). - Construyó la pantalla fluorescente, una pieza de
cartón pintada con cierto compuesto químico de
bario, de alta fluorescencia. - Un día descubrió que la pantalla brillaba aún
cuando los electrones en ese momento no podían
llegar hasta ella. Se dio cuenta de que la fuente
era el origen de otra nueva clase de rayos que
penetraban el cartón - Luego colgó una hoja de metal entre el tubo y la
pantalla de metal y siguió observando
fluorescencia, aunque menos intensa. - Después metió su mano entre el tubo y la
pantalla. Lo que vio debió de asustarlo
sobremanera en la pantalla se veía el esqueleto
de una mano!. Al mover su mano el esqueleto se
movía. Roentgen estaba viendo el esqueleto de
su mano en vida!. - Estos rayos, él los llamó X por desconocer de qué
se trataban. YO NO PIENSO ENSAYO - Implicaciones de los rayos X medicina, industria
23LA 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.
24La 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. Debe hablarse de
una conservación conjunta de la masa-energía. La
teoría establece lo que probablemente es la
fórmula matemática más conocida de la física
Emc2. Esto permite la conversión de materia en
energía, y la materialización de la energía, lo
cual ha dado lugar a las bombas atómicas y a las
centrales nucleares.
25La Física en el siglo XX.
En 1916, Einstein propone su teoría de la
relatividad general, en la que incluye los
efectos de la gravedad. Si con cierta dificultad
y gran esfuerzo puede llegar a entenderse la
formulación de la relatividad especial, la
relatividad general es mucho más compleja
La relatividad general
requiere unos conocimientos matemáticos tan
elevados que ni incluso muchos licenciados en
Física la conocen con precisión. 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. 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!.
26La 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.
27La 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.
28PRINCIPIO DE INDETERMINACIÓN
- Einstein, y Laplace, afirmaban que era posible
calcular la posición exacta de un electrón en
cualquier momento (posición determinista).
Heisenberg demostró que eso era imposible que
era un resultado probabilístico. (posición
probabilística). Desde entonces se introdujo el
estudio de las probabilidades (y de la
Estadística en general) en la física
29La 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 cuánto
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
30La Física en el siglo XX.
En el siglo XX, la física, no sólo ha 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 (Marie y
Pierre). 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 una gran energía que puede utilizarse de
forma explosiva o controlada.
La fisión nuclear
31La 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, conocido como
proyecto Manhattan, 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).
32La 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.
33La 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. .
34La 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
1994.
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.
35La 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. S
in 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. -
36La 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 la
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.
37La 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. .
38La 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.
39CONCLUSIONES
- La historia de la ciencia física se remonta,
prácticamente, a los inicios del hombre - Desde sus inicios, la ciencia ha tenido un
desarrollo ininterrumpido - En cada época se tienen personajes que sobresalen
por sus observaciones y aportes a la ciencia - La electricidad es uno de los campos que más
cambios de paradigma ha experimentado. - La ciencia no se detiene. No se sabe el
porcentaje conocido de la física, pero sí se
especula que es muy poco - Digamos entonces con Sócrates
- sólo sé que nada sé!
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