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MATEMATICA, FISICA Y TRUCOS
FISICA
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HISTORIA DE LA FÍSICA


Es útil recordar las distintas posiciones tomadas a través del tiempo por los físicos frente a la naturaleza. Se intentara resaltar los adelantos de la ciencia reciente, aunque no podrá tratarse de la mayor parte de la física contemporánea dada su enorme extensión y la dificultad de hacer la historia de doctrinas que están todavía en desarrollo. Por esto, ocupará más espacio la física griega, ya que su examen permite esclarecer muchos aspectos de la física reciente.
En segundo lugar, habrá que dejar aparte la crónica histórica, para atender más bien al desarrollo de los fundamentos de la física y las evoluciones que condujeron a todos los cambios relevantes que la caracterizan. Puede apreciarse hasta qué punto esta ciencia es dinámica, no sólo en la experiencia moderna, sino también en su pasado.

FÍSICA ANTIGUA

Los objetos manufacturados más antiguos se remontan a casi dos millones de años. El esfuerzo tecnológico de la humanidad prehistórica fue enorme y hubo de enfrentarse con la construcción de objetos de piedra, hueso, madera y arcilla, para la caza, la pesca, la navegación, el transporte, la vivienda, etc. Esta construcción exigió necesariamente una amplia gama de conocimientos empíricos, transmisibles por enseñanza directa, sin excluir los teóricos. La evolución de los conocimientos fue lenta, y la lentitud parece mayor por un error de perspectivas, así como por la falta de medios aptos para su difusión. No debe olvidarse que el rápido desarrollo de las ciencias en los últimos siglos siguió el descubrimiento de la imprenta.
Los egipcios, lo mismo que los babilonios, alcanzaron éxitos notables en la ciencia empírica de los movimientos estelares (incluso compilaron calendarios) y de la matemática aplicada. Sus conocimientos se referían principalmente a los campos técnicos. El alto nivel alcanzado por la tecnología egipcia en minería (con explotación de minas a gran profundidad), metalurgia y construcción no fue superado por muchos años, los egipcios perfeccionaron sistemas para construir asombrosos edificios de piedra e idearon métodos para resolver problemas concomitantes tales como la extracción de la materia prima de las canteras, el transporte y la elevación de enormes sillares, o la creación de gigantescos obeliscos y columnas. Todo esto no hubiera sido posible sin amplios conocimientos prácticos de mecánica o de estática y un buen nivel técnico de ingeniería, que permitió también la invención de las máquinas simple, basadas en los principios fundamentales de la mecánica: la palanca y el plano el plano inclinado.
Entre los instrumentos hallados por los arqueólogos figuran, escuadras, niveles, plomadas y balanzas de pesas; en las pinturas aparecen, además, telares, barcos de vela, carros con ruedas arrastrados por caballos, etc. La técnica egipcia eclipsa lo realizado después por griegos y romanos en el campo de la construcción. En especial la cultura griega.
También en Babilonia, cuyos primeros habitantes históricos fueron los sumerios, se lograron profundos conocimientos astronómicos ya en el siglo VI a. C., se hicieron ensayos para medir el número de los meses dentro del ciclo de las estaciones. Sin embargo, la conquista más importante fue el reconocimiento de la utilidad de usar medidas fijas: hacia el año 2500 a. C., se establecieron por decreto real medidas de longitud, peso y capacidad. Los sumerios utilizaron los sistemas decimal y duodecimal de numeración, razón por la cual el número 60 tuvo especial relieve (todavía se emplea en las medidas de tiempo), y desde el siglo VI a. C., comenzaron a predecir los eclipse. Pero todos estos conocimientos se dieron siempre mezclados con concepciones mágicas: el pensamiento europeo se vio influido durante siglos por las ideas babilonias sobre las virtudes de algunos números y la predicción del futuro mediante predicciones geométricas.
Contemporáneas a las egipcias y babilonia fueron las civilizaciones de China e India, que permanecieron aisladas. En el siglo III a. C., se inventó el esquema de los números arábigos, usados todavía.
Hacia el siglo I a. C., se hizo extensiva el concepto de tiempo una teoría atómica derivada de los griegos o formulaba por ellos, en las que el mismo se entendía como discontinuo (cada objeto es una serie de "existencias" instantáneas sucesivas). En el siglo IV a. C., se tuvo la noticia de que los chinos ya usaban la brújula.

FÍSICA GRIEGA

De los conjuntos de resultados, si bien admirables, obtenidos por egipcios y babilonios no puede deducirse un cuadro uniforme por que estaban basados en conocimientos sobre todo prácticos que no formaban un cuerpo unitario de pensamiento científico. Esto se logro más tarde, cuando se intentó racionalizar los fenómenos y explicarlos dentro del cuadro de hipótesis generales, lo cual constituyó la gran creación de los griegos del siglo VI a. C. El cosmos se consideró como una unidad ordenada en sí mismas cuyas leyes podían descubrirse.
La filosofía griega quiso dar una interpretación racional a los acontecimientos naturales, substituyendo el myhos por el logos; y la ciencia moderna surgió como parte autónoma de la cultura humana, separándose del dominio del dogmatismo filosofo medieval (no debe olvidarse que teoría significa etimológicamente, mas o menos visión divina).
El estrecho nexo entre ciencia y filosofía griega proporcionó la necesaria disposición para la abstracción sistemática. En el siglo III, con Arquímedes,
Se llegó a tomar conciencia de que no puede realizarse ningún progreso sin la continuidad del trabajo de muchos (siempre que sigan el mismo método); así, puede verse que Séneca concebía la comprensión de los cosmos como un proceso histórico, un que hacer sin fin. Los primeros indicios de razonamiento científico sistemático se dieron en Mileto, al comienzo del siglo VI a. C., y descubrió la electrización por frotamiento.
Anaximandro utilizo consideraciones lógicas de simetría, aplicando el principio de razón suficiente a un caso en el que intervenía una condición de indiferencia, método empleado a menudo después, desde Laplase en adelante, y recurrió a un modelo mecánico para explicar el movimiento aparente del sol.
En el siglo siguiente Empedocles introdujo fuerzas distintas de la materia e intuyo que para que hubiese un movimiento equilibrado eran necesaria dos tipos de fuerzas de atracción y de repulsión; no obstante postulo la existencia de causas en el mundo físico y utilizo el concepto de relación causal. Además, Empedocles descubrió que el aire era un cuerpo material y que la luz se propagaba con velocidad finita y concibió la materia como granular en los poros había solamente éter.
Por el contrario, Anaxagoras prefirió contemplar el aspecto continuo de la materia y afirmo que el éter tenia un movimiento constante circular y arrastraba consigo las estrellas. El proceso científico adquirió en el siglo V a. C. muchas caracteristicas que no perdio en adelante.
Mas adelante aparecieron los atomistas: Leucipo, Demócrito y después Epicuro y Lucrecio.
La escuela pitagórica descubrió en el siglo IV que lo creado obedecía a leyes matemáticas; de tal forma subrayo la importancia del sistema matemático para la comprensión de la naturaleza que puso en numero como fundamento de todas las cosas. Pitagoras afirmo también la esfericidad de la tierra, considerada no como el centro del universo, sino como una estrella más; así mismo, aplicando por ves primera la matemática a un fenómeno físico fundamental y por si era poco, en un caso de experimentación sistemática efectúo sus conocidos descubrimientos sobre la armonía musical y hallo las relaciones numéricas que correspondían a diversos acordes, junto con los pitagóricos de Cretona y Metaponto.
Eudoxo De Gnido fue el primero en conducir un modelo geométrico de todo el universo. Heraclides De Ponto, fundador de la teoría de los epiciclos fue un gran astrónomo y junto con algunos pitagóricos, imagino la tierra provista de un movimiento giratorio alrededor de su propio eje. Posteriormente, Aristarco De Samos se anticipo a Copernico en 18 siglos al exponer una teoría eleocentrica y asignado a la tierra el doble movimiento de rotación y traslación; Además calculo las distancias astronómicas mediante geometría y trigonometría.
Contemporáneo de Aristarco fue Arquímedes, quien descubrió las primeras leyes físicas de la aerostático, introdujo el concepto de peso especifico, invento el polipasto y estudio la palanca. El gran filosofo naturalista Aristóteles, quien señalo también la importancia de la velocidad mecánica.
Erastostones calculo la longitud de la circunferencia terrestre con extraordinaria precisión. Todavía resultan mas asactas las observaciones hechas por Hiparco quien proporciono, 3 siglos antes de la teoria tolemaica, los datos basicos para esta. Hiparco catalogo un millar de estrellas con sus cordenadas, determino cuidadosamente la duracion del dia y descubrio el fenomeno de la presecion equinoccios.
Palton sostuvo ademas la existencia de una deferencia esencial entre fenomenos celestes y terrestres, y en el momento en que dicha separacion fue aceptada y sancionada en terminos generales y cientificos, tambien por Aristoteles, se decidio el destino de la ciencia griega: la ciencia moderna del siglo XVII nacio cuando se demostro de nuevo que las leyes mecanicas terrestres eran validas igualmente para los planetas. Por otra parte, Platon habiendo reconocido con anaxagoras que la armonia del universo se debia a una inteligencia moderadora, considero la causa teleologica como la unica explicacion verdadera de los fenomenos cosmicos. No nego otras causas pero las juzgo carente de importancia para la explicacion racional de las cosas. Finalmente, denomino doctrinas de lo provable a las ciencias naturales.
La tecnologia platonica se oponia a la doctrina atomista de Demócrito; sin embargo, la escuela Epicúria tubo menor influencia que la escuela Estóica, propugnadora de concepciones finalistas. No obstante, los atomistas, Leucipo, Democrito, Epicúro y Lucrecio fueron cientificos que sobresalieron por su originalidad sobre todo Democrito, uno de los pensadores mas universales de la antigüedad como reconocio tambien Aristoteles.
Democrito considero que la Vida Lactea estaba constituida por una miriada de estrellas, Lucrecio expreso claramente la idea de que un grupo unico, formado por atomos con movimiento aleatorio y choques reciprocos. Ulteriores e importantes aportaciones fueron hechas por Hepicúro, quien dio el paso de la teoria atomista a la molecular por ultimo Leucipo epreso el principio de causalida
La doctrina fisica de Aristoteles fueron aceptadas como dogmas por generaciones. Ningun otra personalidad en la historia de la ciencia tubo influencia tan profunda sobre los pensadores posteriores.
Aristoteles fue el unico cientifico de la antigüedad que afronto una toeria semi cuantitativa de la dinamica.
El cosmos se consibe en la actualidad de modo vastante distinto a la caja vacia de Newton o de los atomistas griegos; y el espacio carente de materia no puede llamarse en rigor "vacio" por ser campo metrico, recorrio por ondas gravitatorias y electromagneticas, y sede de accion de fuerzas nucleares, etc.
La ultima critica a Aristoteles la hizo a comienzos del siglo VI Filopon, estudioso, entre otras cosas de las ideas cientificas fundamentales permanecen, si se prescinde de los recursos tecnicos de las epocas respectivas. Los estoicos fueron los primeros en reflexionar sobre la propagacion de las acciones fisicas en un medio continuo, bidimensional o tridimensional, que posee cualidades elasticas (tensionales) y estudiaron los movimientos ondulatorios, las ondas estacionarias, la propagacion del sonido, etc. Posidonio descubrio la relacion entre la luna( e incluso el sol) y las mareas oceanicas, explicandola a traves de la tension del continuo existente tambien entre la luna y la Tierra. La escuela estoica profundizo a si mismo en el examen del nexo entre velocidad e intervalos de tiempo, impulsada por el estudio de loas famosas paradojas de Zenon de Elea, discipulo de Parmenides, y de un problema semejante planteado por Democrito.Crisipo propuso soluciones audaces e intento tambien crear una terminologia para lo infinitamente pequeño.
Los estoicos abrieron teoricamente el camino al calculo diferencial, los pitagoricos, los estoicos, especialmente Heraclito y despues Empedocles, anticiparon la teoria de los ciclos cosmicos, basada en la misma logica interna que en tiempos mucho mas cercanos a los cuales ha llevado a unir entre si termodinamica, mecanica estatica y el concepto de retorno a lo identico.
Es interesante notar que las intuiciones estoicas no podian fundarse en conocimiento alguno de las leyes de los numeros grandes. De hecho, la ciencia griega no tuvo nociones de estadistica, dado su desinteres por la repeticion de los fenomenos que no fueran naturalmente periodicos. Segun Geymonat, no carece de significado que el estudio matematico de las probalidades y una experimentaciion sistematica hayan nacido contemporaneamente en los siglos XVI y XVII.
Plutarco expulso una especie de teoria general de la gravedad, diciendo que los centros de la Tierra, del sol y de la luna eran diversos centros de atraccion, modificando asi la difundida creencia de que el Universo tuviese un centro absoluto.
Se considera aparte la potica griega, que se dedico sobre todo a comprender el mecanismo de la vision. La vision es un fenomeno complejo, esencialmente psiquico, de la misma forma que la luz es una sensacion que se origina totalmente en el interior de los organismos vivos superiores: en la Naturaleza no existen sino campos electromagneticos variables con diversas frecuencias.
Los antiguos griegos estaban desorientados entre la doble intuicion de que algo debia salir del objeto para llevar la informacion al ojo, mientras que otra cosa debia tambien salir de nosotros hacia los objetos.
Los pitagoricos abrazaron la idea de una emision del ojo hacia el objeto y los atomistas se inclinaron a favor de la emision por parte de los cuerpos hacia el ojo. Empedocles fue uno de los primeros en sostener una combinacion de ambas emisiones.
Aristoteles penso en una relacion de distinto tipo, sin movimiento o emision en ninguno de los dos sentidos, sino solo mediante una modificacion del medio interpuesto entre el ojo y la cosa vista. Y añadio que si alrededor del ojo se hiciese el vacio completo (es decir, ausencia de todo medio, incluso del oten) la vision seria imposible.
Euclides, el genio matematico que vivio poco despues de Aristoteles aun acaptando la doctrina pitagorica, puso los fundamentos de la optica geometrica intentando deducir la optica a partir de una docena de postulados. Sus libros, fruto de un estudio experimental amplio, pero carente de metodo, introducia el modelo de rayo luminoso rectilineo,
De perspectiva. Las leyes de la reflexión y de la formación en las imágenes en los espejos planos o esféricos, etc. Cierto impulso fue dado también por Heliodoro de Larisa, que vivió en una época posterior a la de Tolomeo y por otros varios.

MAS HISTORIA DE LA FISICA

FISICA CLASICA

Hacia 1880 la física presentaba un panorama de calma: la mayoría de los fenómenos podían explicarse mediante la mecánica de Newton, la teoría electromagnética de Maxwell, la termodinámica y la mecánica estadística de Boltzmann. Parecía que sólo quedaban por resolver unos pocos problemas, como la determinación de las propiedades del éter y la explicación de los espectros de emisión y absorción de sólidos y gases. Sin embargo, estos fenómenos contenían las semillas de una revolución cuyo estallido se vio acelerado por una serie de asombrosos descubrimientos realizados en la última década del siglo XIX: en 1895, Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X; ese mismo año, Joseph John Thomson descubrió el electrón; en 1896, Antoine Henri Becquerel descubrió la radiactividad; entre 1887 y 1899, Heinrich Hertz, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard descubrieron diversos fenómenos relacionados con el efecto fotoeléctrico. Los datos experimentales de la física, unidos a los inquietantes resultados del experimento de Michelson-Morley y al descubrimiento de los rayos catódicos, formados por chorros de electrones, desafiaban a todas las teorías disponibles.

FISICA MODERNA

Dos importantes avances producidos durante el primer tercio del siglo XX -la teoría cuántica y la teoría de la relatividad- explicaron estos hallazgos, llevaron a nuevos descubrimientos y cambiaron el modo de comprender la física.

FISICA NUCLEAR

En 1931 el físico estadounidense Harold Clayton Urey descubrió el isótopo del hidrógeno denominado deuterio y lo empleó para obtener agua pesada. El núcleo de deuterio o deuterón (formado por un protón y un neutrón) constituye un excelente proyectil para inducir reacciones nucleares. Los físicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie produjeron el primer núcleo radiactivo artificial en 1933-1934, con lo que comenzó la producción de radioisótopos para su empleo en arqueología, biología, medicina, química y otras ciencias.

Fermi y numerosos colaboradores emprendieron una serie de experimentos para producir elementos más pesados que el uranio bombardeando éste con neutrones. Tuvieron éxito, y en la actualidad se han creado artificialmente al menos una docena de estos elementos transuránicos. A medida que continuaba su trabajo se produjo un descubrimiento aún más importante. Irène Joliot-Curie, los físicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann, la física austriaca Lise Meitner y el físico británico Otto Robert Frisch comprobaron que algunos núcleos de uranio se dividían en dos partes, fenómeno denominado fisión nuclear. La fisión liberaba una cantidad enorme de energía debida a la pérdida de masa, además de algunos neutrones. Estos resultados sugerían la posibilidad de una reacción en cadena automantenida, algo que lograron Fermi y su grupo en 1942, cuando hicieron funcionar el primer reactor nuclear. Los avances tecnológicos fueron rápidos; la primera bomba atómica se fabricó en 1945 como resultado de un ingente programa de investigación dirigido por el físico estadounidense J. Robert Oppenheimer, y el primer reactor nuclear destinado a la producción de electricidad entró en funcionamiento en Gran Bretaña en 1956, con una potencia de 78 megavatios.

La investigación de la fuente de energía de las estrellas llevó a nuevos avances. El físico estadounidense de origen alemán Hans Bethe demostró que las estrellas obtienen su energía de una serie de reacciones nucleares que tienen lugar a temperaturas de millones de grados. En estas reacciones, cuatro núcleos de hidrógeno se convierten en un núcleo de helio, a la vez que liberan dos positrones y cantidades inmensas de energía. Este proceso de fusión nuclear se adoptó con algunas modificaciones -en gran medida a partir de ideas desarrolladas por el físico estadounidense de origen húngaro Edward Teller- como base de la bomba de fusión, o bomba de hidrógeno. Este arma, que se detonó por primera vez en 1952, era mucho más potente que la bomba de fisión o atómica. En la bomba de hidrógeno, una pequeña bomba de fisión aporta las altas temperaturas necesarias para desencadenar la fusión, también llamada reacción termonuclear.

Gran parte de las investigaciones actuales se dedican a la producción de un dispositivo de fusión controlada, no explosiva, que sería menos radiactivo que un reactor de fisión y proporcionaría una fuente casi ilimitada de energía. En diciembre de 1993 se logró un avance significativo en esa dirección cuando los investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, usaron el Reactor Experimental de Fusión Tokamak para producir una reacción de fusión controlada que proporcionó durante un breve tiempo una potencia de 5,6 megavatios. Sin embargo el reactor consumió más energía de la que produjo.

FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO

En los sólidos, los átomos están densamente empaquetados, lo que lleva a la existencia de fuerzas de interacción muy intensas y numerosos efectos relacionados con este tipo de fuerzas que no se observan en los gases, donde las moléculas actúan en gran medida de forma independiente. Los efectos de interacción son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos, un campo que resulta difícil de tratar desde el punto de vista teórico, aunque se han realizado muchos progresos.

Una característica importante de la mayoría de los sólidos es su estructura cristalina, en la que los átomos están distribuidos en posiciones regulares que se repiten de forma geométrica. La distribución específica de los átomos puede deberse a una variada gama de fuerzas. Por ejemplo, algunos sólidos como el cloruro de sodio o sal común se mantienen unidos por enlaces iónicos debidos a la atracción eléctrica entre los iones que componen el material. En otros, como el diamante, los átomos comparten electrones, lo que da lugar a los llamados enlaces covalentes. Las sustancias inertes, como el neón, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de las llamadas fuerzas de van der Waals, así llamadas en honor al físico holandés Johannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre moléculas o átomos neutros como resultado de la polarización eléctrica. Los metales, por su parte, se mantienen unidos por lo que se conoce como gas electrónico, formado por electrones libres de la capa atómica externa compartidos por todos los átomos del metal y que definen la mayoría de sus propiedades.

Los niveles de energía definidos y discretos permitidos a los electrones de átomos individuales se ensanchan hasta convertirse en bandas de energía cuando los átomos se agrupan densamente en un sólido. La anchura y separación de esas bandas definen muchas de las propiedades del material. Por ejemplo, las llamadas bandas prohibidas, en las que no pueden existir electrones, restringen el movimiento de éstos y hacen que el material sea un buen aislante térmico y eléctrico. Cuando las bandas de energía se solapan, como ocurre en los metales, los electrones pueden moverse con facilidad, lo que hace que el material sea un buen conductor de la electricidad y el calor. Si la banda prohibida es estrecha, algunos de los electrones más rápidos pueden saltar a la banda de energía superior: es lo que ocurre en un semiconductor como el silicio. En ese caso, el espacio entre las bandas de energía puede verse muy afectado por cantidades minúsculas de impurezas, como arsénico. Cuando la impureza provoca el descenso de una banda de energía alta, se dice que es un donante de electrones, y el semiconductor resultante se llama de tipo n. Cuando la impureza provoca el ascenso de una banda de energía baja, como ocurre con el galio, se dice que es un aceptor de electrones. Los vacíos o 'huecos' de la estructura electrónica actúan como si fueran cargas positivas móviles, y se dice que el semiconductor es de tipo p. Numerosos dispositivos electrónicos modernos, en particular el transistor, desarrollado por los físicos estadounidenses John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, están basados en estas propiedades de los semiconductores.

Las propiedades magnéticas de los sólidos se deben a que los electrones actúan como minúsculos dipolos magnéticos. Casi todas las propiedades de los sólidos dependen de la temperatura. Por ejemplo, los materiales ferromagnéticos como el hierro o el níquel pierden su intenso magnetismo residual cuando se los calienta a una temperatura característica denominada temperatura de Curie. La resistencia eléctrica suele decrecer al disminuir la temperatura, y en algunos materiales denominados superconductores desaparece por completo en las proximidades del cero absoluto. Éste y muchos otros fenómenos observados en los sólidos dependen de la cuantización de la energía, y la mejor forma de describirlos es a través de 'partículas' efectivas con nombres como fonón, polarón o magnón.

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