"Biografía de la Física".George Gamow.

14/11/2024

Si quieres el libro pincha en el siguiente enlace, de lo contrario te dejo mis apuntes:

BIOGRAFÍA DE LA FÍSICA

Prefacio.

Hay ds libros de física: uno de fórmulas y otro de la historia. Este es intermedio.

I.La aurora de la física.

La física se originó en la antigua Gracia, un pastor griego , Madness (magnetismo),observó que el castillo de la punta de su bastón era atraido por una piedra. Y otro pastor frotó ámbar (electricidad) en lana de oveja, atraía trozos pequeños de madera. 

La ley pitagórica de las cuerdas.

Pitágoras VI ac, estudió la relación entre las  longitudes de las cuerdasen los instrumentos que producen combinaciones armónicas.. El monocordio es una misma cueda sometida a distintas tensiones producida por un peso en su extremo. Con el mismo peso y con las cuerdas reducidas a números sencillos se producne pares armónicos.. 2:1 es octava., 3:2 es quinta, 4:3 cuarta. as relaciones sencilla s forman placer, pero las no sencillas como 137:171, desplace. Para dar un arcorde perfecto, las cuerdas deben estar realcionadas en números sencillos.

Demócrito el atomista.

Hacia 400 ac concibió la idea que los cuerpos son agregados de innumerables partículas no visibles por el ojo humano llamadas indivisibles o átomos. Creyó que había cuatro diferentes de átomos: piedra (pesados y secos), agua(pesados y húmeds), aire (fríos y lgeros) y fuego (fugitivos y calientes). Y lo demás se combinaban (algo correcto en la actualidad).

La filosofía aristotélica.

Aristóteles fue discípulo de Patón y protegido de Alejandro Magno  hacia 347 ac. Pero su ideas de los cuerpos celestes sin funadmento matemático hizo mucho daño a la física.

La ley de la palanca de Arquímedes.

De Siracusa, Sicilia,fue el padrede la ciencia mecánica, u siglo depués de Aristóteles.Hijo de un astrónomo pronto se intersó por las mates. Su descbrimiento fue la relación entre la superficie y volumen de una esferay el cilindro que la circunscribe.

Formuló las leyes de estática (equilibrio) y de ahí las leyes de palanca. Intuyó el centro de gravedad. La palanca tuvo tal sensación en aquella época que lo referió Plutarco en su "Vida de Marcelo". Introdujo el importante concepto mecánico de trabajo por medio de una fuerza actuante.

La ley de de los cuerpos flotates, se dio cuenta cuando al meterse en la bañera rebosaba el agua y dedució que "todo cuerpo sólido sumergido en un líquido pierde el peso del líquido deplazado por él".

Con su polea ayudó a trabajos militares así como con su tornilloa aelevar agua.

Cuando los romanos capturaron Siracusa, él estaba con modelos de figuras geométricas raras en el patio de su casa pero éstos lo destruyeron. Dijo "Noli tangere circulos meos " y un soldados los pisó y lo atravesó con una lanza.

La escuela alejandrina.

En Alejandría Euclides escribió sus "Elementos de Geometría", y allí estudió Arquimedes.

Hiparco en el s.II ac observó la posición de las estrellas y catalogó 1.080 de ellas. recisó la formación de equinoccios. Fenómeno del tercer movimiento de la tierra que es inclinado en su eje, que después fue descubrierto por Nwton.

Herón o Hero fue ingeniero inventor. Su libro  "Mecanica" tiene afirmaciones exactas con errores matemáticos.Poleas, ruedas dentadas, engranajes... Hizo la "Catóptrica" teoría de espejos y aplicaciones practicas.

Otro alejandrino, Ptolomeo en la primera mitad del s. II ac, hizo "Almagesto" importante añadido al trabajode Hiparco. Y su libro "Öptica" donde explica la refracción de la luz.Las fórmulas matemáticas se harían en el siglo XVII.

a última de nombrar fue Hypatía, profesora de ciencia y filosofía, que trató de proteger la sabiduría griega ante lo cristiano. El obispo cristiano Kirilos de Alejandría en el 415 dc, hizo que despedazaran a Hypatía y destruido los restos de la biblioteca.

II.Edades oscuras y el renacimiento.

Al extinguirse lo griego se detuvo la ciencia en genral y la física en particular. Sólo valía el negocio. Desués del Imperio Romano sólo en lasabadías y monasterios eran centros intelectuales. El sistema Ptolomeico del geocentrismo se tomó igual que el centro del mundo estaba en el Vaticano. La Inquisición cuidó de aplastar cualquier desviación de la línea general de la creencia religiosa.

El mundo griego tuvo refugio  en el rey musulmán  del s.VII por todo el mediterráneo. Haroun Al-Raschid el de "LAs mil y una noches" fundó en Bagdag una escuela de cienciasy en Córdoba se convirtía en centro cultural a´rabe en Europa.. Los erúditos árabes tadujeron textos griegos que quedaron y mantuvieron la bandera de la ciencia. Desarrollaron el álgebra e introdujeron los numeros arábigos más fáciles para el cálculo que los romanos. Nada de física y mucha astrología y alquimia.

En el s XII desaparece lo árabe por Genhis Khan por una parte y las Cruzadas por otra.

En 748 Carlomagno, del Imperio franco, decretó que todas las abadías tenían que tener escuelas agregadas y en 1100 fue fundada la uni de París, y poco después Bolonia, Cambridge y Oxford. El curso coriente consistía en el trivium:gramática latina, retórica y lógica y el quadrivium:aritmétca, geometría, música y astronomía. Todo supervisado por el Papa

Uno de los factores para difundir los conocimiets fue la invención de la imprenta de Futsen de Mainz, y de allí salieron obras como"De revlutionibus Orbitum Coelestium" de Copérico en 1543. Para que lo proibiese la igleia hizo una intoducción Copernico que eran hipotéticas.

Elocuencia y leyes de Keppler.

En 1596 se escribe "Mysterium Cosmographicum" de Kepler donde se dan las leyes fundamentales delos movimientos planetarios. Se lo dedicó a un grupo de nobles alemanes que lo ayudaron.

"Mi tema no satisfará a todo el mundo porque su utilidad no será evidente a los irreflexivos".

Discípulo de un  danés Tycho Brahe y estudioso de Euclides, Keplero encontró que las órbitas de los planetas no son circulares sin parábola e hipérbola.

La cadena de Stevinus.

Mientras Keplero se interesaba arriba, abajo lo hacía el ingeniero flamenco Simon Stevinus con la ampliación de "Estática "  de Arquímedes. Su cadena sin fin dicta: La fuerza de gravedad que actúa sobre un plano inclinado en la dirección de este plano es directamente proporcional al seno del ángulo de inclinación.

El péndulo.

El honor de dar los primeros pasosen Dinámica (movimiento de los cuerpos materiales ) fue el hijo de un noble empobrecido, Vizenzio Galilei que le gustaban las matemáticas y que lo delegó en su hijo Galileo la carrera de médico. Pero no vio excitante la disección de los cuerpos..

Un día en una misa se quedó observando una lámpara que se había puesto en movimiento por el sirviente que encendió las velas. Vio que las sucesivas oscilaciones eran más cortas. CAlculo el tiempo de las oscilaciones, y descubrió que aunque las oscilaciones eran más cortas el tiemo era el mismo. No resolveria os cálculos porque lo tendrían que hacer después ewton y Einstein.

Las leyes de la caida.

Hizo caer por la torre de Pisa, piedrs y por un plano inclinado, y en el agua.La distancia recorrida es proporcional al cuadrado de dicho tiempo. Este enmarñado sin fórmla fue escrito  por Thomas Salisbury en 1632 y traducido al inglés en 1661. Fue la primera fórmula de caida libre y de cálculo integral :v=axt.

Otro de la contribución fue el movimiento parabólico o tiro parabólico.

Un barco es imposible saber si está anclado o moviendose medinate experimentos en la cabina es el principio de "relatividad de Galileo" que tres isglos después lo haía Einstein con la óptica y el electromagnnetismo.

Galileo el astrónomo.

"Nadie sostendraá que la Naturaleza ha cambiado siempre para hacer aceptables sus obras al hombre".

Le llegó noticias que un holandés (Hans Lipperhey construyó un instrumento óptico , el "vidrio para espiar", en la batalla con los españoles), que con su ayuda  objetos distantes se veían a un palmo de la mano ). Jacob Badovere francés fue la razón para que Galileo indagara y construyera uno igual.

En su estudios con el telescopio, vio que las estrellas se movían entorno a Júpiter como Venus y Mercuirio en torno al Sol. Verificó lo de Copernico y fue detenido y sometido a ineterrogatorios por la Santa Inquicisión. El 22/6/1633 con 69 años fue llevado a los jueces de Santo Oficio, y puesto de rodillas confesó. Fue confinado en su villa de Arcetri cerca de Florencia lo que llamamos ahora "detención domiciliaria". El 8/1/1642 completamente ciego y cansado de la vida, Galileo murió.

III.Dios dijo:"Que Newton sea".

Muriendo Galileo nacía Newton. Ya en la uni tuvo que marcharse a su casa por la peste. 18 meses los más fecundo de su vida diría. A comienzos de 1665 descubrío a teoría del binomio, el método de las tangentes, el cálculo diferncial(las fluxiones), y el año siguiente la teoría de colores, el método inverso de as fluxiones (alcluo integral) y a pensar en la gravedad. El resto de su vida lo consagró a esas ideas.

Se enfrentó a todos A Hooke, (elasticidad y resortes), Leibnitz (respecto ala invención del cálculo), Hyugens (sobre la luz).    

Los "Principia" de Newton.                                                                                                                        

Primero define masa , momento inercia y fuerza y después sus tres leyes: Inercia ( sumas F=0) , F=ma (ley fundmental de la dinámica), F1=-F2 (acción reacción).

Com todoesto derivó en su ley de universal de la gravedd don todo cuerpo atrae una fuerza directamente proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.

Así explicó los equinoccios de Plutaro, las mareas y la dinámica de fluidos y de sólidos.

Estática y dinámica de fluidos.

La ley de fluidos la empezó Pascal (que siguió lo de Arquímedes), la siguió Newton y la terminó Bernouilli. 

Óptica.

Con 23 años compró un prima de cristal para estudiar los fenómenos de los colores. Pero un vela encendida quemó sus estudios de 20 años ??? Creó el espectroscopio, descompuso la luz en sus colores y explicó el arco irirs cuando la nube era cirros. Al tener distintos coores tenía distinta refrangibilidad.

Construye un telescopio de reflexión.

Descuber los anillos cuando una lente convexa se apoya en una superficie de cristal.

Se opuso a la teoría ondulatoria de la luz. Decía que la luz estaba compuesta de una corriente de artículas que se pricipitan a gran veloidad. Inventó una teoría de los fits (espromos) de fácil reflexión y transmisión, para explicar sus anillos de interferencia.

Sobre la propagación de la luz.

    Huygens 13 años mayor que Newton, consideró la propagación de ondas en el agua ,aire o éter (vehículo de ondas de luz), basaba sus argumentos en un sencillo experimento con una piedra en un estanque. Cada punto del frente de onda que se propaga puede ser considerado como nueva fente de onda u ondita la nueva posición del frente de onda es el envolvente común de esas onditas.

También explicó la refracción de la luz con este experimento.

El triunfo de la teoría ondulatoria de la luz.

La teoría ondulatoria de Huygens no fue considerada por Newton por su autoridad. Pero Thomas Young con sel sonido explica los anillos de Newton con su contemporáneo Augustin Jean Fresnel y gaó huygens des pués de muetro esta disputa con Newton.

Un cristal de Islandia.

Ni Newton ni Huygens resolvieron la polarización de la luz. Pero el filósofo danés Erasmus Bartholin descubrió que el espato de Islandia divide los rayos en dos. Fue la demostración de Huygens. Etienne Malus demostró que la luzes la propagación de onas en l espacio, pero las vibraciones del medio no se producen en la propagación del medio sino perpendicular como pensaba Huygens. Por tanto el éter es sólido. El enigama del éter lo resolvío Einstein quitándolo del medio.

IV.El calor como energía.

El primer intrumento científico par amedir la temperatura lo hizo Galileo 1592 con un frasco de cristal de cuello muy largo y fino lleno de agua coloreada y colocado al revés de un tazón de agua coloreada.. Con los cambios de temperatura el aire se dilataba o contraía. Pero no introdujo una escala de temperaturas, sería más un termoscopo que termómetro. La modificación la hizo Ray en 1631 que el enfriamiento y calentamiento eran registrado por la ex pansión de agua. En 1635 e duque Fernando de Toscana hizo un tubo con alcohol, pero cerrado para que no se escapara. Posteriormente en 1640 los científicos de la academia de Lincei contruyeron el prototipo con mercurio y eliminando el aire. Es curioso que se tardó un siglo.

La ley de los gases.

Robert Boyle contemporaneo de Newton estudiaba las propiedades mecánicas del aire y otros gases. Al conocer la plomada de aire de Otto von Guericke, Boyle lo perfeccionó para medir el volumen del aire a altas y bajas presiones. y creo su ley: el volumen  de cualquier gas a una temperatura es inversamente proporcional a la presión sometida. Gay Lussac 100 años después descubrió que la presión en un volumen aumenta 1/273 de su valor inicial por cada grado de temperatura, pero eso fue descubrieto dos años antes por Jacques Charles y por eso se le llama ey Charles.

Termómetro de gas y temperatura absoluta.

Cuando el termometro tiene gas como el de Galileo, da igual gas que se use. Pero para distintos gases varían .Por eso la versión moderna está fundada más en la presión que en el volumen de gas. Pero en el cero absoluto todos se comportan igual y casi por culpa de los gases nobles.

El fluido calor.

El primero que habló del calor como una entidad física fue James Black. Un fluido calórico que aumentaba  al aumentar su temperatura. definió la unidad de calor como la cantidad necesaria para elevar 1 libra de agua 1 grado farenheit (actualmete la caloría esla cantidad de calor que eleva la temperatura de un gramo de agua en un grado cent´grdo). Y que pesos iguales de diferentes materias, calentados a la misma temperatur contienen diferentes "calóricos". Esto lo llevó a la capacidad calorífica.

Sadi Carnot estableció la analogía entre calor y un fluido.

El calor es movimiento.

La idea que el calor es un movimiento interior y no una sustancia se le ocurrió a un soldado; Benjamín Thompson. Al ver  que el cañón se calentaba mucho. Midió la cantidad calorífica de un bloque de metal y de virutas del mismo y encontró lo mismo. Y pesó el cuerpo frío y caliente y pesaba lo mismo. En su estudio predijo que una caloría no podía pesar más de 0,000013 miligramos, y ahora lo sabemos por la ecuación de Einstein. (el peso de una caloría es 0,0000000000mg), por eso le llevó a que era una sustancia en movimiento.

Equivalente mecánico del calor.

Julius Robert Mayer en una fábrica de papel hizo un experimento, donde la pulpacontenida en una gran calderaera removida por un mecanismo y la fuerza de un cabalo. Midiendo la elevación de temperatura de la pulpa obtuvo una cifra para la cantidad de calor producida por el trabajo del caballo. pero no le echó mucha cuenta a esto hasta que llegó James Prescott Juole. El inglés usó una vasija llena de agua con paletas batitoras dentro movidas por una polea y el trabajo era transformado en rozamiento, produciendo calor. Vió que hay proporcionalidad directa entretrabajo realizado y calor producido. A partir de entonces la energía mecánica se transforma en témica y la témica en mecánica. (El esfuerzo da su resultado...)

Termodinámica.

Ya hecha la primera ley de termodinámica, el alemán Rodolph Clasius y el físico inglés Lord Kelvin, se pusieron manos a la obra. 

Por la experincia diaria sabemos que la transmisión de calor es de los calientes a los fríos y no viceversa. Es la segunda ley. Introduce el concepto de entropía (calor recibido o perdido). También la segunda ley se puede definir como S(entropía) en un sistema aislado (sin estar en contacto mecánico por lo tanto calorífico) o aumenta o permanece constante.

La presión del vapor sobre la superficie cóncava de un líquido es menor que sobre la superficie plana.(y mayor si esconvexa).

Cuando un gas está en una vasija se producen dos efectos: 1)más moléculas chocan contra esas paredes por segundo, 2)la fuerza de cada impacto aumentará. La ley  de la poroporción inversa del volumen y presión de  Boyle.

La temperatura absoluta es simplemente la medida de la enegía del movimiento térmoco de las moléculas.

En el caso d de un gran númeo de partículas de dos o más diferentes masas, la energía cinética media por partícula sigue siendo la misma.

En un recipiente con un tabique donde haya un gas frío en un sitio y un gas caliente en otr, al quitar el tabique el caliente mueve a las frías (choca con ellas) hasta llegar a mitad de temperatura.

Por ello en los procesos naturales el movimiento organizado de las moléculas tienen tendencia a convertirse en desorganizado o sin orden ni concierto. Ley de entropía creciente.S=Q/T.(caloría /temperatura ó W/t)

La probabilidad de un suceso compuesto está dado por el producto delas probabilidades de los sucesos individuales que está compuesto. La entropía varía como el logaritmo de la probabilidad (P) con k coeficiente Boltzmann. S=k logP

El demonio de Maxwell.

Imaginar un  demonio que manejas moléculas de gas como pelotas de tenis. Nos sirve para vencer la ley de la entropía. Pero el demonio causaría errores seguro.

Movimiento térmico microscópico.

Perrin dio las pruebas de la teoría cinética del calor. La teoría estadística del calor o física estadística se puede comparrrara ala newtoiana en punto a claridad y erfección.

Movimiento térmico y propagación del sonido.

El sonido son ondas de comprensión que se propagan en el aire  y otros materiales. La velocidad del sonido es independiente de la densidad del aire pero depende de la temperatura proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.

El aire tiene velocidad que aumeta con la temperatura. Cuando la velocidad del objeto que produce la comprensión del gas supera la del movimiento témico es distinto, hay un aumento de densidad y se crea onda de choque.

Emisión de luz por cuerpos calientes.

Los cuerpos se hacen luminosos al calentarlos a una temperatura muy alta. La radiación que emite es más intensa y más rica en longitudes de ondas cortas. Esta luz está sjeta a dos leyes:1)ley de Wien :la longitud de onda correspondiente al máximo de intensidad en el espectro es inversamente proporcional a la temperatura de cuerpo caliente emisor y la ley de Stefan-Boltzmann la cantidad  total de energía emitida por un cuerpo caliente es proporcional a la cuarta potencia d e su temperatura.

Emisión de luz por los gases calientes.

Lo anterior es materiales sólidos o líquidos, pero en el caso de luz emitida por gases caliente varía. Y emiten luz con longitud de onda seleccionada (dependiendo del gas que quememos). ¿Por qué pasa una cosa con el líquido-sólido y otra cosa con el gas? Los átomos se pueden comparar como u instrumento musical que vez de emitir onda musical lo hacen luminosas. Al ser excitados (alta temperatura) emiten longitud de onda. Esto hace que sea un estudio que nos haga encontrar la composición química simplemente viendo la luz de su vapor. En los sólidos-líuidos pierden sus propiedades de tono puro, están empaquetados y no se hace ver su caracteristica como los hacen los gases.

Absorción de la luz.

Kirchoff descbrió que todas las sustancias absorben las mismas frecencias de luz que pueden emitir.

Las rayas negras que quedan entre los colores del arcoiris que son las rayas de Fraunhofer comprueba lo que viene antes.

V. La edad de la elecricidad. 

Primeros descubrimientos.

Gilbert hizo bolitas de magnetita descubrió que la tierra es una gran brújula. Después lo desarrolló matemáticamente Gauss.

Du Fay descubrió que hay dos clases de electricidad : una al frotar ámbar co y al frotar vitreos como cristal o mica. Se les llamó "resinoso y vítreo".También descubrió que dos cargas positivas o negativas repuelen y dos distintas se atraen. PAra experimentos se utilizaron el electrscopio de pan de oro, la botella de Leyden y Franklin dio cátodo (negativo) y ánodo (positivo).

Ley de la fuerza elécticas y magnéticas.

Coulomb creó su ley de repulsión y atracción entre dos cargas son directamente proporcional al cuadrado de cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias. Con esta se ley se definió la unidad electrostática de carga. (el culombio). También demostró la misma ley para el magnetismo.

Animales que daban calambre como águila electirca o Galvani que hizo mover la pata de rana por una descarga, era una descarga qu edescubrió Volta. Llamó a este fenómeno galvanismo e hizo la pila. Y la unidad de potencial eléctrico  o grado de electrización se le llamó voltio.

Electromagnetismo.

Los primeros investigadores sabían que había relación pero no pudieron demostralo. Oerste denchufó na pila de Volta a una brújula y lo demostró. Ampere lo formuló matemáticamente, como corriente eléctrica y su unidad el amperio es un columbio por segundo en un alambre.

Ohm descubrió la resistencia, la fuerza de la corriente es a la diferencia de los potenciales e inversamente a la resistencia.

Descubrimiento de Faraday.

Faraday trabajó en una librería de Mr. Riebau y se leyó muchos, aparte de enseñarlo a encuadernar. Leyendo descyubrió a Galvani y a Volta descubrió la electrilosis (descomposición química a través de la corriente eléctrica). Y le llevó a sus dos leyes: 1)Para una dada solución la cantidad de mataria depositada (o liberada) sobre los electrodos es proporcional a la cantidad total de electricidad (fuerza por tiempo) que pasa a través de la solución, y 2)los iones monovalentes de sustancias diferenctes transportan también la igual cantidad de electricidad mientras que los iones bi-tri...etc valentes transportan cargas correspondientemente mayores.

También investigó no la relación entre electricidad y magnetismo sino con la óptica.. Descubrió la rotación del plano de polarización de la luz en un cmpo magnético.. Por tanto descubrió la relación entre ondas de luz, ondas electrománéticas y las corrientes de los átomos individuales. Lo intentó con la fuerza gravitatoria. Quería hacer el  campo unificado. Y después lo intentó Eisntein.Ambos murieron sin conseguirlo.

Campo electromagnético.

Aunque FAraday no sabía matemáticas, muchas veces saberlas es bueno y malo para desarrollar una teoría. Estas teorías de que a una distancia habían fuerzas desarrollaron campos de fuerzas o campos. Esto lo dio Maxwell, que era un gran matemático.

Mawwell vio qu el campo electromagnético es perpendicular a una corriente eléctrica, y Hertz lo dio como una onda.. MAxwell para sus ecuaciones usó unidades electrostáticas para el campo eléctrico y unidades elcetromagnéticas para su campo. Y la propagación de esta ondas dio el mismo resultado que la luz y de aquí la teoría electromagnética de la luz.

VI.La revolución relativista.

 La crisis de la física clásica.

Einstein tiró por la borda el éter y dio campo electromagnético para cualquier maerial ordinario.

La velocidad de la luz.

GAlileo intentó medirala, después lo intentó Fizeau. Pero éste sólo lo pudo calcular en el aire, fue su colega Huygens quien lo hizo para toda la materia y distintos estados.

La velocidad de la luz en un medio en movimiento.

Fizeau demostró que la velocidad de la luz en agua quieta era menor que en el agua en movimiento y esto no imaginaba lo que significaba hasta qu e llegóEintein.

La velocidad de la luz en tierra en movimiento.

Michelson y Morley hicieron el mismo experimento que Fizeau pero en un viaje redodndo de la luz (en la tierra) y por tanto tenía modificaciones distintas a tubos de agua rectilíneos como los de Fizeau. Pero no hubo cambios hasta que Fitzgerald sugirió que todos los cuerpos tienen una contracción al moverse en la velocidad de a luz.

Relatividad del movimiento.

Newton hablaba de un espacio y tiempo absolutos, pero esto es para la tierra inmóvil. Está claro que  sucesos que ocurren en el mismo sitio pero en diferentes tiempos, acontecen en distintos lugares si son observados desde otro sitio que se mueve respecto al primero o viceversa. El tiempo se dilata.

Mecánica Relativista.

La dilatación (o contracción del tiempo) cuando se observa desde un sistema en movimiento (o  viceversa) obliga a un cambio primero en el espacio y después en la dinámica. Son las transformaciones de Lorentz. Y por tanto la masa no queda igual.

La equivalencia masa-energía.

Einstein tenía que hacer ago para mantener la realidad física de las ondasluminosas y ondas electromagnéticas, ya que se deformaban y creó la fórmula y con eso estaba todo arreglado.

Es imposible detectar la cantidad de masa perdida entre un vaso de agua fría y otro caliente. Pero en poca masa hay mucha energía (en lo atómico), y en mucha masa poca energía (en lo material).

El mundo de cuatro dimensiones.

Minkowski después de Einstei llegó a la conclusión que el tiempo es la cuarta coordenada (ct) en unidades imaginarias "i", convenientes en cálculos pero no se ve. La gráfica sería como un cono:


Esto pasa en la tierra. Ver algo en un país no es simultaneo en otro.

Teoría relativista de la gravitación.

La generalización de todo esto en el movimiento no uniforme se llama teoría relatividad de relatavidad o gravitacional. Y por tanto la luz se curva en el campo gravitatorio, como se contrae el tiempo. Y como varía todo, como hemos dicho antes.

La gravitación y la curvatura del espacio.

La curvatura no se puede ver en un espacio euclídeo sino en unao curvo (esférico) o forma silla de mntar (curvatura negativa).


Por tanto el espacio entorno al sol es curvo. 

Las desviaciones ya las hizo Riemann y Einstein sólo tuvo que tomarlas.

La teoría del campo unificado.

Einstein y el matemático Weyl quisieron geometrizar el campo electromagnético pero Maxwell se negó.. Quería unificar los gravitario y electromagnético puramente geométrico.

Einstein lo intentó hasta su muerte, pero cada vez fue más imposible.

VII.La ley de los cuanta.

Divisibilidad de la materia.

Dalton demostró que los átomos no son indivisibles como decía Demócrito decía. Pero tampoco se ha acabado en descubrir subpartículas del átomo. 

Thomson calculó el valor fundamental del electrón a partir de los rayos catódicos de Cavendish.

Cuando un átomo es excitado , es decir, recibe un exceso de energía del exterior, los electrones emiten ondas electromagnéticas (luz) de varias longitudes. Quedó sin resover hasta el modelo atómico de Rutherford.

Los misteriosos rayos X.

Roentgen  partir de unos rayos catódicos veía que una pantalla fluorescente se hacía luminosa cuando pasaba cerca la corriente eéctrica a través del tubo. Tapó con papel negro pero la flourescencia no se apagaba y obtuvo una fotografía: rayo X lo llamó.

Como noeran deviados por un campo magnético, supuso que eran vibraciones análogas                       a la luz. Intentó demostrar la difracción sin éxito.

Isótopos.

Prout vió que los pesos atómicos de varios elementos eran números enteros del hidrógeno: helio=4 hidrógenos, carbóno=12 hidrógeno, hizo la hipótesis que los átomos son aglomerados de otros de hidrógeno. Pero se lo desmintieron porque el cloro y cadmio eran 35,457 y 112,41 veces y no exactos. Se olvidó esta teoría hasta que la volvió a tomar Thompson. Los atomos del mismo elemento pero con diferente peso atómicos se les llamó isótopos. El llamado "defecto de masa" debe reresentar la masa de la energía liberada en la formación del úcleo de carbono por neutrones y protones.

El módelo atómico de Rutheford.

Sugirió un  átomo nuevo con núcleo central, pequeño de gran masa y cargado y enjambre de electrones girando a su alrededor bajo la atracción de Coulomb. Más tarde sus  discípulos Geiger y Mardsen establecieron que la carga positiva del núcleo es la misma de los electrnes que giraban, el mismo que el número atómico del elemento en el sistema periódico de Mendeleev. Así llegó a la actual concepción de la estructura de átomo.

La catrástrofe  ultravioleta.

Sir James Jeans usó el método estadístico a  a la radiación térmica. Se preguntó si la energía con la diferente longitud de onda cambia cuando cambia la temperatura. Hizo el cubo de Jeans lleno de espejos.
Plack ideó que la luz y todas las demás clases de radiciones electromagnéticas, eran considerdos trenes continuos de ondas, consisten en paquetes individuales de energía con cantidades bien definidas de energía por paquete. Cada paquete depende de frecuencia y es proporcional a ella. Esos paquetes de energía los llamó cuanta de luz. Como resultado se obtiene una fórmla para la distribución de la energía en la radicación térmica en la cual la mayor parte de la energía se da a la longitud media d e  onda mientras que las vibraciones de onda corta, que reclaman, mucha, reciben my poca o nada.

La noción de paquetes lo aplicó Einstein a el efecto fotoeléctrico. Se sabía que la luz (especialmente ultravioleta) cuando incide en superficies metálicas, les comunica una carga eléctrica positiva. Es debido a la expulsión de los electronesprocedente de las superficies iluminadas.
 
Del efecto foteléctrico salieron dos leyes: 1)para una cierta frecuencia de luz incidente, la energía de los fotones emitidos no cambia, pero su número aumenta e proporción directa a la intensidad de la luz, 2)cuando la frecuencia de la luz incidente cambia (aumenta) no son mitidos electrones hasta que se alcanza cierto umbral de frecuecia (que depende del metal). Para frecuencias más altas , la energía de los fotoelectrones aumenta en proporción directa a la diferencia de la frecuencia empleada y los umbrales de frecuencia.

Según esta teoría el aumento de la intensidad de la luz significa el aumento de la fuerza electrica oscilante de la onda.

Compton sabía que la energía que sujeta a los electrones exteriores de un átomo es comparable a la energía de los cuanta de luz visible.

El átomo de Bohr.

El módelo de Bohr con órbitas circulares había que añadirle elipses cuantificadas. Pauli formuló el principio de exclusión para órbitas: si dos puestos están cubiertos pasan a otra órbita . Y cuando se llenan , pasan a otra. Eso pasa en los elementos más ligeros y en los más pesados. Se cubren por jerarquí de estao de energía. PAuli a parte de ser garga negativas, lo consideró magnetos a los electrones.. Ya que giran sobre sí mismos, o en la dirección de su órbita o al contrario (spin).

Las ondas de materia.

De Broglie decifró que las órbitas tienen una longitud de números enteros. Schrödinger propuso que las órbitas eran una función, una probabilidad.

Heisemberg dedujo que las cantidades mecánicas como posición, velocidad , fuerza,... debían darse en matrices (como un crucigrama de números de columnas y filas) dadas en el álgebra. donde entra  la constante cuántica I, la unidad imaginaria.

Relaciones de incertidumbre.

La dificultad de buscar  ondas y su mecánica, le dio solució n Heisemberg: aplicar normas y métodos a la observación es el problema. Se influye en ése fenómeno. En el nivel atómico debemos reuncir a la idea de la trayectoria de un objeto es una línea matemática. Sólo se puede calcular probabilidad. o podemos calcular los movimientos de las partículas porque no conocemos alas condiciones esenciales en el primer lugar que ocupan. El principio de incertidumbre. Es imposible la medición exacta como posición y velocidad. La función de onda no tiene masa, por tanto es una trayectoria difuminada.

El principio de Heisemberg fue desarrollado por Bohr en una nueva filosofía de la física. Reclama un cambio profundo en nuestras ideas sobre el mundo material, ideas que adquirimos en la experiencia ordinaria. Eso o repudió Albert Einstein, el determinismo no podía elevar la incertidumbre, lo mismo que los escépticos intentaban encontrar fallos a su teoría de la relatividad.. Esto lo llevó a robustecerla y le daría la razón pero se murió lbert pensando que los físocs volverían al punto vista determinista (que hay motivos).

Agujeros en la nada.

Dirac era un estudioso que le gustaba hacerlo a él todo sólo. Fue Nobel...

Uo de sus inventos, del que más orgulloso estaba, y menos famoso era , fue cómo manejar las agujas de lana de su mjer de otra forma; pero ellas ya lo sabían...

El problema de Schrödinger era que en su  función usaba al electrón como un punto, pero al alicarla a un electrón como un magneto al girar sobre sí mismo, no lo llevaba a ningún lado. Dirac y su ecuación mata dos pájaros de un tiro. Es como una peonza magnetizada el electrón , pero su fórmula es complicada para este libro.

En la mecánica relativista conduce a la posivilidad matemática de dos mundos diferentes: el positivo , en el que vivimos y otro extraño mundo negativo que desafía nuestra imaginación. En el mundo negativo todos los objetos tienen masa negativa, se mueven en direción opuesta, los electrones con masa negativa son los electrones "asnos". En ese mundo de masa negativa, ocurrían cosas extrañas. Para hacer mover un objeto hacia adelate habría que impulsarlo hacia atrás y para deternerlo habría que empujarlo hacia adelnate.. Debido a sus cargas eléctricas hay repulsión.

Si un electrón puede saltar de una órbita a otra emitiendo energía por qué no puede saltar de uno superior a uno inferior. Dirac dirá que odos los estados de energía negativa hay electrones asnos, y los electrones de energía positiva no pueden caer en ellos por el principo de exclusión de Pauli. Por tanto el vacío ya no es vacío y está lleno de electrones asnos. En el vacío hy infinitos electrones asnos. Por qué no nos damos cuenta de ellos, porque están distribuidos uniformemente en el esapcio, y sueno de nuevo  éter.

Imaginamos que falta un electrón asno en el mundo de Dirac, si falta una negativa es porque hay una positiva, o sea un protón. Pero la masa siempre daba la masa de un  electrón. Y Pauli da su segundo principio: una nueva idea dada por un físico es aplicable a todos los átomos de su cuerpo.

Carl Anderson (1931)estudió una lluvia de rayos cosmicos. Para medir la velocidad de los electrones colocó una cámara de niebla en un fuerte campo electromagnetico  y observó que la mitad de los electrones se desviaban a un lado y la otra mitad a otro, unos cargados negativos y otros positivos , y eran electrones porque tenían la misma masa. Los electrones positivos se les llama positrones. Son agujeros en la densa distribución de electrones de masa negativa.

Antimateria.

Después de descubrir los electrones negativos se pensó en los protones negativos. Al tener más masa pues había que  meterle mucha más energía. S e esperaba que fuesen acompañados de muchas subpartículas negativas (mesones). Se les hizo un laberinto (colador), para que estas suptparículas fueran a otro lado y quedarnos sólo con os protones negativos. Se detectaron.

Despues se fueron por los antineutrones. Como no hay carga ,sólo se detectan al aniquilarse mutuamente.

Todas las propiedades de la antimateria tieeene que tener las mismas caracter´´isticas que la materia. Sólo se puede deducir si una e anti de la otra, poniéndolas juntas..  Si no ocurre nada, no son anti, pero si son anti, explosionan y se anulan uno al otro.

Si la amteria del uni es de la misma clase, ¿Por qué es así?. Y sie sparte materia y antimateria, ¿cómo se han separado una de la otra? Ahí está el misterio.

Estadísticas cuánticas.

Sabiendo que los electrones se mueven con una sola energía cinética le han dado un palo a la teoría cinética de los gases. Si se encierra un gas en una vasija lo cumple y por tanto no cumple la teoría cinética estadística de los gases de Boltzman.

Srgen dos clases de estad´siticas; la de Fermi-Dirac que obedecen al principio de exclusión de Pauli y las de Bose-Einstein para partículas que no lo cumplen. Pero esto se aclarará después.

VIII.El núcleo atómico y las partículas elementales.

Descubrimiento de la radiactividad.

Después que Roegten descubriera los rayos X, Becquerel, decidió si los cuerpos fluorescenten emitían algo parecido a los rayos X. Usó el uranilo (uranio y potasio). Vió que dejaba mancha osucra, pusiese donde pusiese el uranilo (al sol, en la oscueridad...). Era penetrante como los rayos X pero, pero emanaba por sí mismo sin exitación. Con el uranilo hizo de todo, machacarlo, calentarlo, disolverlo en ácido; pero siempre emanaba la misma radiación misteriosa.. No tenía que ver nada con la disposición de los átomos, sino una propiedad oculto dentro del átomo mismo que se le llamó radioactividad.

Elementos radioactivos.

Los Curies lo estudiaron profudamente. Encontraron que el Torio hacía lo mismo que el Uranio. Comparando los los minerales de uranio con los metales de uranio; losminerales eran cinco veces más radiactivos. Eso indicó que el mineral tenía algo más radiactivo que el Uranio en sí. Algo con propiedades parecidas al bismuto era lo que le daba más radiactividad al mineral del uranio y lo llamóm polonio por su país. También encontró un elemento parecido al bario, dos millones de veces más radiactivas que el unranio que llamó radio.

Los exploradores, tanto en países nuevos y desconocidos, como en los campos de las ciencia, suelen ser víctimas de los peligros ocultos que encuentran en su camino.. Obtuvo una enfermedad de la exposión a la radiación penetrante. Tras esto se descubrió del uranio el actinio por Debierne y Giesel, radiotorio y mesotorio por Otto Hahn,cuarenta años después.

Familias radiactivas.

La emisión de una partícula beta(electrón negativo) lleva al elemento un paso a la derecha en el sistema periódico de Mendeleev.

Rutheford descubrió tres tipos de rayos:1) Alfa: detenidos por una hoja de papel (núcleos de helio), Betas:atraviesan hojas de aluminio (haces de electrones que se mueven muy rápidos), 3)Gamma: penetran planchas de plomo similares a X pero de longitud e onda más corta.

Cuando los tres pasan por un campo electromagnético (o eléctrico). 1)el alfa curva a la izquierda (carga positiva), el beta a la derecha (carga negativa) y el gamma sin desviación al ser una onda electromagnética.

La radiactividad es el resultado de la transformación espontánea  de un elemento químico en otro. Cuando emitimos radiación a un átomo: 1)radición alfa: pasa a ser un elemento dos psasos a a izquierda de la tabla periódica, 2)beta: lleva a un elemento a la derecha de la tabla peródica, 3)gamma: perturba el átomo.

Como una degradación alfa modifica el peso atómico en 4 unidades y la beta no cambia el peso atómino, puede haber cuatro familias de elementos radiactivos:
1)el que tiene peso atómino múltiplo de cuatro: 4n, 2)aquellos con peso atómico :4n+1, 3) 4n+2 y 4)4n+3.

La ley de supervivencia.

Si dos seres vivos nacen el mismo día no tienen por qué morir el mismo día.

En la radioactividad es distinto.  El radiactivo formado por la reencarnación de su predecesor (de transformaciones alfas o betas) sea reencarnado en el miembro siguiente de la familia, son independiente del periódo de tiempo que ha transcurrido desde que se formó. Nom se sabe el tiempo que se va a formar por lo tanto se habla de vida media., y está demostrado por una curva exponencial (tiempo x supervivencia).

En la naturaleza no hay ninguno del tipo 4n+1 porque como se ha visto, son nucleos creados artificialmente en pilas atómicas, el cabeza de familia tiene vida corta y la familia de donde viene se generó desde hace mucho tiempo.

Las barreras resquebrajadas.

La explicación de la lentitud de la transformación alfa, está basada en la mecánica ondulatoria. Cuando una alfa se manda a un núcleo hay dos fuerzas: cohesiva (del impacto) y repulsiva (al ser misma carga).

Pero se ve que la energía alfa es mucho menos pequeña que la energía que tiene que traspasar para llegar al núcleo. Según la mecánica clasica es imposible. Pero según la mmecánica ondulatoria es como comparar las ondas de Broglie y y las de luz. Hay una fenómeno de reflexión interna. También decir que la probabilidad que ocurra es 10 elevado a 38 sólo. También decir que sólo se dan estos fenómenos en átmos y núcleos.

Constitución nuclear y neutrones.

Ver que la radiactividad es degradación espontánea del núcleo, es ver que los núcleos son sistemas mecánicos complejos y compuestos de muchas partículas. Que el número atómico lo marque el número de protones no basta. Por ejemplo el carbono tiene de número atómico 12 , debe contener 12 protones, pero la caraga del núcleo es 6, debe haber en algún lado otras 6 cargas. Que estén en el núcleo daba dificultades cuánticas. Su ponieron Bohr y Rutheford que los protones del núcleo no tenían carga, y les llamaron neutrones. 

Degradación beta y neutrones.

Si la emisión de partículas alfa es una degeneración molecular y resulta un producto con menor peso atómico, la emisión de rayos beta no es más que un ajuste eléctrico del núcleo atómico que resulta de la emisión de una o más partículas alfa.

Así en el proceso e degradación alfa, la relación de los neutrones a los protones aumenta y después de varios pases alfa puede ser inconveniente para la coexistencia pacífica de dos clases de partículas. En este caso un neutrón se transforma en protón por emisión de un elecrón negativo o partícula beta. Y las transformaciones betas ocurren por pareja, por el principio de Pauli.

(Chadwick y Ellis s conocieron en la guarrera y Chad le explicó los fundamentos de la física nuclear, cuando terminó la guarrera, se matriculó Ellis en Cambridge y Chad fue su profesor).Ellis proyectó que todos los rayos betas emitidos por una sustancia radiactiva eran absorvidos por un trozo de plomo y el calor producido se medía cuaidadosamente. La energíaliberada por partícula era exactamente igual a la energía media de los electrones.

Bohr ante esto llegó a sugerir que la ley de la conservación de la energía se mantiene como término medio, esto hace que no se pueda construir la máuina de movimiento de perpetuo movimiento de primer género.

Pauli ante esto consideró que cuando había una emisión de partícula beta, siempre iba acompañada de una partícula misteriosa, que se escapa a la observación y lleva la energía que falta. Los llamó neutrinos.

La teoría de la transformación neutrón protón con la emisión de un electrón y un neutrino está de acuerdo con los datos de la degradación beta, y sirvió para todos los procesos de degradación.

Primeros casca-núcleos.

Después de ver que la radiactividad es una transformación espontánea de un elemento en otro, quiso Rutherford romper el núcleo de algún elemento estable para convertirlo en otro. Discutió sobre las reacciones nucleares en cadenas con Leo Szillard quien las patentó y a los seis años pasó lo de Hisoshima. Rutherford dijo que estaban empleando sus descubrimientos para matarse entre ellos.

Los primos trabajos nucleares se basaron en reacción alfa. Los mejores proyectiles serían los protones por su carga my pequeña. Cockcroft y Walton crearon la primera máquina de alta ensión que provocan protoner y se le llamó "quebrantador de átomos". A este quebrantador le siguió el acelerador de partículas (ciclotrón). Un campo magnético con iones que aceleran su velocidad.

Estructura nuclear y  estabilidad.

El modelo gota del núcleo o fluido nuclear supera la densidad del agua. No son esferas sus componentes sino de diferentes formas.

Reacciones de fisión en cadena.

Se  hace una conferencia en 27/1/1939 en Washington.  Ese día Boh  recibe una carta de Lise Meitner, exiliada en Estocolmo, que su compañero en  Berlín Otto Hahn había bombardeado uranio con neutrones, encontraron Bario, se creyeron que fe una fisión, la desintegración en dos de un núcleo de uranio golpeado por un neutrón. Nada más leerlo Bohr desvió su conferencia al debate si la la fisión del uranio podría llevar una liberación de enrgía a gran escala. Fermi lo confirmó. Un priodista que tomaba notas fue espulsado por ser demasiado teórico para él. Pero expuso sus notas en su periódico. Oppenheimer llamó al escritor de este libro para conocer qué había sucedido.

Bohr escribe en Physical Review que cuando el núcleo alcanzado por un neutrón comienza a vibrar, pasa a formas alargadas, habiendo tensión entre la superficie y las  fuezas electricas. La tensión vuelve a mantener el esatdo original y las fuerzas electricas intentan tratar mantener el alargamiento. Si lo rompe el núcleo de uranio rompe en dos lanzando 2,5 neutrones, que hieren a dos núcleos continuos y desintegrarlos también. Aparece na reacción en cadena en todo el uranio, desprendiendo tremendas energías nucleares.

Sólo se puede hacer en el isótopo 235 del uranio que está en la proporción del 0,7%, y el resto el 99,3% que es el isótopo 238 le apetece losneutrones y ahoga cualquier reacción en cadena.. O separar el 235 del 238, o mantener el 238 lejos de su presa. Se intentaron los dos caminos.

Pero Fermi vio que si los protones que inciden en el 235 son lentos ("moredador") no despierta al 238. Por tanto se introducen isótopos  del hidrógeno (deuterio) o los átomos de cabono que deterinan las dos tipos de pilas (de carbono y de agua pesada). La primera pila atómica fue a base de ladrillos de grafitos moderados por Fermi.

Bombas de fisión y reactores.

La discusión en todas las fisiones es el tamaños crítico de la fisión en cadena. Por tanto el trozo de uranio ha de ser grande. Y se le llama tamaño crítico. O mantener trozos en contacto continuamente. Y para controlarla hay que tener varillas que absorba neutrones (barillas de bario). Hay fórmulas ingeniosas secretas también.

Reacciones termonuclares.

Se sabe que el sol brilla hace muchos miles millones de años.  Se supuso que este brillo es de alguna transformación nuclear. Son reacciones termonucleares entre núcleos de hidrógeno (protoner) y núcleos de otros elementos ligeros.
Tras varias tesis, se propuso el ciclo del carbono. Cuatro protones capturados por el núcleo de carbono y después la transformación de dos de ellos en nuetrones son emitidos como partícula alfa. El periodo del ciclos de 6 millones de vida El sol tiene 0,0001 gramos de cabono en cada sustancia del interior del sol.

Otra conclusión es que si dos protones colisionas se convierten en un neutrón por la emisión de un electrón positivo, form un núcleo de deuterio, el deuterio en helio y se llega alo mismo del carbono anterior.

La reacción H-H sobre el ciclo del carbono no es una ley general y se invierte en muchas estrellas. El hombre quiere tomar esto para su propio consumo.

Los cuerpos grandes son muy calientes aunque al proporción de calor por unidad de volumen se a muy pequeña.

El deuterio es barato y el tritio es caro. Pues se empieza con tritio creado como incitador nuclear  para iniciar la reacción en cadena del deuterio.

La primera bomba termonuclear se dio en los Alamos en 1952, fue conseguido comprimiendo y calentado hidrógeno pesado mediante una potente explosión de bomba de fisión.

Pero es muy dificil hacer reacciones termonuclares bajo condiciones controladas porque tienen que ser modificadas radicalmente. Se puede hacer con campos magnéticos muy potentes. Pero no está del todo terminado.

Mesones e hiperiones.

En 1932 Yukawa sugerió que las fuerzas cohesivas nucleares son debidas a una nueva partículaque se cambia entre neutrones y protones. Tiene una masa entre el electrón y el protón. No se creyó en ello hasta que unos rayos cósmicos se detecto una partícula cargada positiva y negativamente a la vez. Se llamó electrón pesado o protón ligero pero se sugerío mesotrón (meso griego es entre). Pero el padre de Heisemberg que era profesor de lenguas clásicas, dijo que era erróneo meter la "tr". Se le llamó mesón, aunque los franceses no quería que se pareciese a maison .

El quebradero fue que era que lo absorbía el aire atmosférico y Fermi dijo que era por su inestabilidad. El meson tiene 206 veces la masa del electrón, menos una del electrón, menos nada del neutrino que no tiene masa, quedan 205 masas sin contar. Según la teoría de Einstein habría 100mev de energía repartidos entre las  formadas en degradación. Los mesones positivos al repelerse en el núcleo atómico se degradan en un electrón rápido positivo y un par de neutrinos y muere el meson positivo. El meson negativo entra en órbita. Esto se hace antes de que el mesón retardado se desintegre. Y no se expulsa a ningún electrón. Los mesones dados son dos: el meson pesado o pión y mesón ligero o muón.

Tras esto se descubrieron más partículas llamdas hiperones, más pesados que los protones y más partículas:


A través del espejo.

En el mundo de las partículas está en quiebra el principio de la paridad, no hay mitades suyas  a través de un espejo. No lo sabremos hasta que comprendamos la naturaleza básica de las partículas elementales.

El futuro de la física.

No teenmos ni idea por qué la carga eléctrica tiene siempre el mismo valor, por qué están cuantificadas las masas de las partículas. Tampoco sabemos por qué cada electrón tinen 137 grados de libertad en el cero absoluto.