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Los diez experimentos más bellos de la Física

Manuela de la Corte, El Mundo, Granada (España), noviembre 8 de 2014

Han sido indispensables para la Física actual, experimentos que por su sencillez resultan ser los más bellos de la historia según la encuesta que realizó Robert Crease en 2002. El catedrático Miguel Cabrerizo los recrea en su Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Granada. Todos caben en un laboratorio de pocos metros cuadrados porque su grandeza -algunos han sido fundamentales para medir la circunferencia de la Tierra, deducir el movimiento gravitatorio de los planetas o demostrar que algo existe aunque no podamos verlo- radica en que cambiaron la mentalidad científica de hace cientos de años con muchísima inteligencia y muy pocos recursos.

A Galileo, Eratóstenes y Newton les bastaron elementos tan simples como las tripas de gato (un material que se utilizó para hacer cuerdas de guitarra), una simple varilla o un juguete popular allá por el siglo XVII, el prisma, para cambiar la visión del mundo.

1. La interferencia de la luz (Young, 1801)

Médico, científico y matemático, a Thomas Young además de los jeroglíficos egipcios le obsesionó demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz. Para este experimento sólo necesitó una fuente de luz y dos rendijas. La sombra que deja un haz de luz a través de una rendija reproduce la forma de la rendija aunque con un borde difuso por la difracción de la luz (desviación del rayo luminoso al rozar el borde de un cuerpo opaco). Lo mismo ocurrirá a través de una segunda rendija si la tapamos con un dedo. Sin embargo, si son dos las rendijas abiertas, la sombra resultante es un patrón de zonas brillantes y oscuras por la interferencia entre las ondas.

2. La difracción del electrón en una doble rendija (Jönsson, 1961)

Claus Jönsson repitió el experimento de Young cambiando la luz por un haz de electrones. ¿Podía comportarse una partícula como una onda de luz? Si se lanzan partículas de una en una a través de una rendija se formará una mancha semejante a su sombra. Lo mismo ocurrirá con una segunda rendija muy cercana a la primera. Pero al abrirse las dos, lo que se observa no es la superposición de dos manchas, sino otro patrón de interferencias como ocurría con la luz. La explicación es que la partícula se comporta también como un paquete de densidad de probabilidad que puede pasar por las dos rendijas a la vez y que interacciona consigo misma. Este efecto obedece a las leyes de la mecánica cuántica y está considerado como el más bello de todos los experimentos en la encuesta de Crease.

3. La descomposición de la luz solar (Newton, 1665)

Basado en el principio del arco iris, donde las gotas de agua suspendidas en el aire hacen las veces de prismas esféricos, Isaac Newton utilizó un prisma de vidrio, preparó una habitación a oscuras donde entraba por un agujero de la ventana un único rayo de luz solar, colocó el prisma delante del rayo de modo que se reflejara en la pared opuesta, a 7 metros, y consiguió que en la pared apareciesen los colores del arco iris. Al hacer pasar la luz por un prisma de cristal, las distintas longitudes que componen el haz de luz viajan dentro de él a diferente velocidad y se curvan al entrar y al salir dando como resultado un haz desviado de la dirección inicial y con sus componentes separados.

4. La torre de Pisa (Galileo, siglo XVII)

Dice la leyenda que Galileo subió a lo alto de la torre de Pisa y dejó caer dos objetos, de diferente forma, tamaño y masa. Pero el científico despreció el efecto viscoso del aire. La aceleración de la gravedad, como cualquier otra aceleración, es independiente de la masa (inercia) y la gravedad no es la única fuerza que actúa sobre un cuerpo en caída libre. Existe otra fuerza que se opone a la caída, y es el rozamiento del aire. Lo que demostró Galileo es que en todos los cuerpos la aceleración de la gravedad es igual sin importar su peso.

5. La gota de aceite (Millikan, 1909)

El estadounidense Robert A. Millikan demostró en su experimento de la gota de aceite que los electrones poseen una carga eléctrica definida y además consiguió medirla. Usando un atomizador de perfume desparramó gotitas de aceite dentro de una cámara transparente. Basta dispersar un aerosol cargado negativamente en aire y someterlo a una diferencia de potencial que puede cambiar de signo. Observando la velocidad terminal de las gotitas del aerosol se puede medir la carga de cada gota. Esto permitió observar que todas esas cargas (no nulas) eran múltiplos enteros de otra.

6. La balanza de torsión (Cavendish, 1798)

El físico y químico británico demostró que la escala no importa y determinó que la densidad de la Tierra era 5,45 veces mayor que la densidad del agua, hoy en día se sabe que es sólo un poco mayor (5,5268 veces). La constante universal de gravitación permite predecir el movimiento planetario, el de las galaxias, el de una manzana en caída libre en la Tierra o en cualquier otro planeta. Por ello se puede medir a escala de laboratorio, midiendo la fuerza gravitatoria entre dos objetos de masas conocidas y a distancias conocidas. Ya que esta fuerza es muy pequeña, debe utilizarse un instrumento con sensibilidad suficiente como una balanza de torsión equilibrada, donde las fuerzas se traducen en desplazamientos angulares.

7. El plano inclinado (Galileo, siglo XVII)

Galileo no tenía cronómetros ni fotodetectores pero sí un buen sentido del ritmo. Un objeto móvil describiendo un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado con una velocidad inicial nula debe recorrer una distancia proporcional al cuadrado del tiempo, siendo la constante de proporcionalidad la aceleración dividida por dos. Usó un plano inclinado con el que regulaba el tiempo de caída total de una esfera. Galileo observó que los espacios recorridos rítmicamente (usó tripas secas de gatos como topes) seguían una sucesión impar (1d, 3d, 5d, 7d...) de manera que la distancia total era igual al número de tramos recorridos al cuadrado (1d+3d+5d+7d= 16d= 4²d= d(t/t0)²= a t²), lo que se traduce en que el espacio recorrido es directamente proporcional al cuadrado del tiempo. A esto Galileo le llamó la ley de los números impares.

8. El descubrimiento del núcleo (Rutherford, 1911)

Mientras se debatía el modelo atómico, Rutherford decidió bombardear con partículas alfa (con carga +2e y a alta velocidad) una delgadísima lámina de oro (red cristalina de átomos). Lo esperable, según el modelo atómico de Thomson, es que todas las partículas alfa atravesaran la red de átomos bien por pasar entre ellos o a través de ellos. Pero, unas pocas partículas se desviaban significativamente de su dirección de incidencia, incluso rebotando hacia atrás, retrodispersándose. Una vez descartado cualquier artificio experimental, la única explicación posible es que dentro del átomo debe haber algo que repele fuertemente las partículas alfa. Conociendo cómo se dispersan las partículas alfa es posible medir el radio de ese misterioso objeto: el núcleo atómico (con carga +Ze). Hay que saber que un núcleo en un átomo es como una canica en el centro de un campo de fútbol.

9. El péndulo de Foucault (Foucault, 1851)

Dentro de un vagón de tren, si se observa que un péndulo, inicialmente en reposo, se desplaza misteriosamente hacia atrás, el tren estará acelerando. Si se desplaza hacia delante, estará frenando, y si se desplaza hacia un lado, estará tomando una curva con una concavidad contraria hacia donde se inclina el péndulo. En estos términos, Foucault decidió utilizar un péndulo simple en oscilación para demostrar que la Tierra gira, incluso pudiendo medir en qué latitud se realiza el experimento (incluso hemisferio), sabiendo la velocidad de giro de la Tierra sobre su propio eje.

10. La medición de la circunferencia terrestre (Eratóstenes, siglo III a.C.)

Con sólo algo de trigonometría, en el siglo III a.C. un astrónomo, poeta y filósofo griego logró medir el radio de la Tierra con bastante precisión. En el solsticio de verano los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el Trópico de Cáncer, donde se encuentra Siena (Asuán). En Alejandría, más al norte, Eratóstenes midió la altura de una varilla y la longitud de su sombra proyectada, con lo cual se puede determinar el ángulo formado con el plano de la eclíptica, en el que se encuentran el Sol y la ciudad de Siena. Este ángulo es la diferencia de latitud entre ambas ciudades. Conocida ésta se mide el arco de circunferencia (aproximadamente 7,2º) y se extrapola el resultado a la circunferencia completa (360º). Sabiendo que entre Siena y Alejandría había unos 500 estadios y que ambas están aproximadamente en el mismo meridiano, el resultado daba una medida para la circunferencia terrestre de 39.614,4 kilómetros, frente a los 40.008 considerados en la actualidad, esto es, un error de menos del 1%.

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