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1. Difracción de electrones en una doble rendija


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Los 10 Experimentos más Hermosos de la Física


Robert P. Crease, miembro del departamento de filosofía del State University of New York, recientemente preguntó a Físicos para nominar los experimentos más bellos de todos los tiempos. Basado el el trabajo de George Johnson de The New York Times, listamos los 10 ganadores de esta votación y acompañado de breves explicaciones de los experimentos físicos con sus respectivas animaciones.











1. Difracción de electrones en una doble rendija

El físico francés Louis de Broglie propuso en 1924 que los electrones y otras porciones discretas de materia, que hasta entonces había sido concebido solo como partículas materiales, también tienen propiedades ondulatorias tales como longitud de onda y frecuencia. Después (1927) la naturaleza ondulatoria de los electrones quedó experimentalmente comprobado por C.J. Davisson y L.H. Germer en New York y por G.P. Thomson en Aberdeen, Scot.

Para explicar la idea, los físicos usaban frecuentemente experimentos mentales, en el cual el experimento de Young de la doble rendija es repetido con un haz de electrones en lugar de luz. Obedeciendo las leyes de la mecánica cuantica, el flujo de partículas se dividirá en dos, y los flujos más pequeños interferirán mutuamente, dejando el mismo tipo de patrón de franjas de luz y oscuridad como lo hace la luz. Las partículas actúan como ondas. No fue hasta 1961 que Claus Jonsson de Tubingen que se llevó a cabo el experimento en realidad.





2. El experimento de la caida de objetos de Galileo

Alla por los años 1500, todos sabían que los objetos pesados caen más rápido que los más ligeros. Después de todo, Aristoteles lo había dicho así. Que un antiguo Griego erudito mantenga aún tal influencia fue una señal de que tanto la ciencia había declinado durante los años de oscuridad.

Galileo Galilei, quien tuvo una catedra de matemáticas en la Universidad de Pisa, fue suficientemente atrevido para cuestionar el conocimiento común. La historia ha llegado a ser parte del folklore de la ciencia: él es considerado por haber soltado dos pesos diferentes de la Torre Inclinada de la ciudad demostrando que ellos llegan al suelo al mismo tiempo. Su reto a Aristoteles pudo haberle costado su trabajo, pero él había demostrado la importancia de tomar la naturaleza, y no la autoridad humana, como el arbitro final en asuntos de ciencia.





3. El experimento de la gota de aceite de Millikan

El experimento de la gota de aceite fue la primera medida directa y convincente de la carga eléctrica de un único electrón. Fue originalmente realizado en 1909 por el físico americano Robert A. Millikan. Usando un atomizador de perfume, él esparció pequeñas gotas de aceite en una cámara transparente. En la parte superior e inferior había placas metálicas conectadas a una batería, haciendo una positiva (roja en la animación) y la otra negativa (azul en la animación). Puesto que cada gota levantada una ligera carga de electricidad estática cuando esta viaja a través del aire, la velocidad de su movimiento podría ser controlada alterando el voltaje de las placas. Cuando el espacio entre las placas metálicas es ionizada por radiación (por ejemplo por rayos X), los electrones del aire se atachan a las gotas de aceite, causando que ellos adquieran una carga negativa. Millikan observó una gota tras otra, variando el voltaje y notando el efecto. Después de muchas repeticiones él concluyó que la carga podría solo tener ciertos valores fijos. El más pequeño de estas porciones fué la carga del electrón.






4. La descomposición de la luz solar mediante un prisma de Newton

Isaac Newton nació el año en que Galileo murió. El se graduó en el Trinity College, Cambridge en 1965, luego se enclaustró en su casa por un par de años hasta que la plaga pasé. El se mantuvo ocupado todo este tiempo.

El conocimiento común afirmaba que la luz blanca es la forma más pura (Aristoteles de nuevo) y la luz coloreada debe por tanto haber sido alterado de algún modo. Para probar esta hipotesis, Newton iluminó con un haz de luz solar a través de un prisma de vidrio y demostró que este es descompuesto en un espectro sobre la pared. La gente ya sabía acerca de los arcoiris, porsupuesto, pero ellos fueron considerados como simpaticas aberraciones. Actualmente, Newton concluyó, fueron estos colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, indigo, violeta y las graduaciones entre ellas que fueron fundamentales.





5. Experimento de interferencia de la luz de Young

Newton no tuvo siempre la razón. Por medio de varios argumentos, él ha guiado la corriente científica hacia la convicción que la luz consiste exclusivamente de partículas antes que ondas. En 1803, Tomas Young, un físico inglés doctor especialista en ciencias físicas, puso su idea a prueba. El hizó un agujero en una ventana y la cubrió con un pedazo de papel grueso agujereado con una pequeña aguja y usó un espejo para desviar los delgados rayos que venían. Luego tomó "una tarjeta, de un treintaavo de pulgada de anchura" y la mantuvo de canto a la trayectoría de los haces, dividiendolo en dos. El resultado fué una sombra de bandas alternativas de luz y oscuridad - un fenómeno que podría ser si los dos haces estuvieron interactuando como ondas. Bandas brillantes aparecieron donde dos crestas se superpusieron, reforzandose mutuamente; bandas oscuras marcadas donde una cresta alineada hacia arriba con una hacia abajo, neutralizandose mtutuamente.

La demostración fué frecuentemente repetida con el transcurrir de los años usando una tarjeta con dos agujeros para dividir el rayo. Estos también llamados experimentos de la doble rendija se convirtió en un estandard para determinar el movimiento ondulatorio - un hecho que llegó a ser importante un siglo después cuando la teoría cuántica comenzó.





6. Experimento de la barra de torsión de Cavendish

El expeimento fué realizado en 1797-98 por el científico inglés Henry Cavendish. El siguió el método prescrito y usó un aparato construido por su compatriota, el geólogo John Michell, quien murió en 1793. El aparato empleado fué una balanza de torsión, esencialmente un cable soportando pesos esféricos. Atracción entre pares de pesos causado causa que el cable se tuerza ligeramente, que permitió así el primer cálculo del valor de la constante gravitacional G. El experimento fué popularmente conocido como pesando de la Tierra porque la determinación de G permitió calcular la masa de la Tierra.






7. La medición de la circunferencia de la Tierra por Eratostenes

En Siena, a 800 km al sureste de Alejandría en Egipto, los rayos del sol caen verticalmente al mediodía en el solticio de verano. Eratostenes, quien nació en 276 D.C., notó que en Alejandría, en la misma fecha y hora, los rayos del sol en un ángulo de casi 7° respecto de la vertical. El asumió correctamente que la distancia del Sol era muy grande; estos rayos por tanto son prácticamente paralelos cuando ellos alcanzan la Tierra. Estimando la distancia entre las dos ciudades, él fue capaz de calcular la circunferencia de la Tiera. La longitud exacta de las unidades (estadios) que el usó es incierto, y la exactitud de su resultado por tanto incierto; este puede haber variado de 0,5 a 17 por ciento del valor aceptado por astronomos modernos.






8. Experimentos de Galileo con esferas que descienden por planos inclinados

Galileo continuó refinando sus ideas acerca de objetos en movimiento. El tomó un tablero de 12 cubits de largo y medio cubit de ancho (alrededor de 20 pies por 10 pulgadas) y cortó una ranura, tan recta y lisa como fuera posible, desde el centro. El inclinó el plano y rodaron esferas de latón hacia abajo, midiendo su tiempo de descenso con un reloj de agua - un largo recipiente que se vaciaba a través de un delgado tubo en un vaso. Después de cada corrida él pesaba el agua que había fluido - su medida del tiempo transcurrido - y lo comparó con la distancia que la esfera había viajado.

Aristoteles había predicho que la velocidad de una esfera que rodaba era constante: duplicando su tiempo de movimiento debería duplicarse la distancia recorrida. Galileo fué capaz de demostrar que la distancia es realmente proporcional al cuadrado del tiempo: duplicándolo la esfera llegaría cuatro veces más lejos. La razón es que está siendo constantemente acelerado por la gravedad.






9. El descubrimiento del núcleo de Rutherford

Cuando Ernest Ruthenford experimentó con radioactividad en la Universidad de Manchester en 1911, los átomos eran generalmente concebidos como masa de carga eléctrica positiva con electrones embebidos - el modelo del budín de pasas. Pero cuando él y sus asistentes dispararon pequeños proyectiles cargados positivamente, llamados partículas alfa, en una delgada lámina de oro, ellos se sorprendieron al ver que un pequeño porcentaje de estos reboten. Ruthenford comprobó que realmente los átomos estaban "vacios" y la mayor parte de su masa debería estar concentrada en pequeños nucleos, con los electrones moviendose alrededor de él. Con enmiendas de la teoría cuántica, esta imagen del átomo persiste hasta el día de hoy.






10. El péndulo de Foucault

El año pasado cuando científicos montaron un péndulo sobre el Polo Sur y observar que este oscila, ellos replicaron una célebre demostración realizada en Paris en el año 1851. Usando un alambre de acero de 220 pies de longitud, el científico Francés Jean-Bernard Foucault suspendió una bola de acero de 62 libras del domo del Panteón y ponerlo en movimiento balanceándolo hacia adelante y hacia atrás. Para marcar su progreso él ató un marcador a la bola y colocó un anillo de arena húmeda sobre el piso de abajo.



La audiencia observó impresionada como el péndulo inexplicablemente parecía rotar, dejando una ligera diferencia de trazo en cada oscilación. Realmente era que el piso del Panteón que estaba moviéndose ligeramente, y Foucault había demostrado, de una manera convincente, que la tierra rota alrededor de su eje. En la latitud de Paris, la trayectoria del péndulo completaría una rotación completa, en sentido horario, cada 30 horas; sobre el Hemisferio Sur este rotaría en sentido antihorario, y sobre el Ecuador este no rotaria. En el Polo Sur, como lo confirmaron científicos actuales, el período de rotación es de 24 horas.


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