Corrección adjunta
Ya sea destruyendo partículas subatómicas en aceleradores, secuenciando el genoma o analizando la oscilación de una estrella distante, los experimentos que captan la atención del mundo a menudo cuestan millones de dólares para ser ejecutados y producen torrentes de datos que serán procesados durante meses por supercomputadoras. Algunos grupos de investigación han crecido hasta alcanzar el tamaño de pequeñas empresas.
Pero, en última instancia, la ciencia se reduce a la mente individual que lucha con algo misterioso. Cuando Robert P. Crease, miembro del departamento de filosofía de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook e historiador del Laboratorio Nacional Brookhaven, pidió recientemente a los físicos que nominaran el experimento más bello de todos los tiempos, los 10 ganadores fueron en gran medida actuaciones en solitario, involucrando como máximo a unos pocos asistentes. La mayoría de los experimentos, que se enumeran en Physics World de este mes, se llevaron a cabo en mesas y ninguno requirió más potencia computacional que la de una regla de cálculo o una calculadora.
Lo que tienen en común es que personifican la elusiva cualidad que los científicos llaman belleza. Esto es belleza en el sentido clásico: la simplicidad lógica del aparato, como la simplicidad lógica del análisis, parece tan inevitable y pura como las líneas de un monumento griego. La confusión y la ambigüedad quedan momentáneamente dejadas de lado y algo nuevo acerca de la naturaleza queda claro.
La lista de Physics World se clasificó según su popularidad, y el primer lugar fue para un experimento que demostró vívidamente la naturaleza cuántica del mundo físico. Pero la ciencia es una empresa acumulativa, y eso es parte de su belleza. Reorganizados cronológicamente y comentados a continuación, los ganadores ofrecen una vista panorámica de más de 2000 años de descubrimiento.
1. La medida de Eratóstenes de la circunferencia de la Tierra
Al mediodía del solsticio de verano en la ciudad egipcia que ahora se llama Asuán, el sol se cierne sobre nosotros: los objetos no proyectan sombras y la luz del sol cae directamente en un pozo profundo. Cuando leyó este hecho, Eratóstenes, el bibliotecario de Alejandría en el siglo III a.C., se dio cuenta de que tenía la información que necesitaba para estimar la circunferencia del planeta. Ese mismo día y hora, midió las sombras en Alejandría y descubrió que los rayos solares allí estaban un poco inclinados, desviándose de la vertical unos siete grados.
El resto fue sólo geometría. Suponiendo que la Tierra es esférica, su circunferencia abarca 360 grados. Entonces, si las dos ciudades están separadas por siete grados, eso constituiría siete 360vos del círculo completo, aproximadamente un quincuagésimo. Calculando a partir del tiempo de viaje que las ciudades estaban separadas por 5.000 estadios, Eratóstenes concluyó que la Tierra debía tener 50 veces ese tamaño: 250.000 estadios de circunferencia. Los eruditos difieren sobre la longitud de un estadio griego, por lo que es imposible saber con qué precisión estaba. Pero según algunos cálculos, su diferencia era sólo de alrededor del 5 por ciento. (Clasificación: 7)
2. El experimento de Galileo sobre la caída de objetos.
A finales del siglo XVI, todo el mundo sabía que los objetos pesados caen más rápido que los más ligeros. Después de todo, Aristóteles lo había dicho. El hecho de que un erudito griego antiguo todavía mantuviera tal influencia era una señal de hasta qué punto había decaído la ciencia durante la Edad Media.
Galileo Galilei, catedrático de matemáticas en la Universidad de Pisa, tuvo el descaro de cuestionar el conocimiento común. La historia se ha convertido en parte del folklore científico: se dice que dejó caer dos pesos diferentes desde la Torre Inclinada de la ciudad, lo que demuestra que aterrizaron al mismo tiempo. Sus desafíos a Aristóteles pueden haberle costado a Galileo su puesto, pero había demostrado la importancia de tomar a la naturaleza, no a la autoridad humana, como árbitro final en cuestiones científicas. (Clasificación: 2)
3. Los experimentos de Galileo con bolas rodantes por planos inclinados
Galileo continuó perfeccionando sus ideas sobre los objetos en movimiento.
Tomó una tabla de 12 codos de largo y medio codo de ancho (aproximadamente 20 pies por 10 pulgadas) y cortó una ranura, lo más recta y lisa posible, en el centro. Inclinó el avión y hizo rodar bolas de latón hacia abajo, cronometrando su descenso con un reloj de agua, un recipiente grande que se vaciaba a través de un tubo delgado en un vaso. Después de cada carrera, pesaba el agua que había salido (su medida del tiempo transcurrido) y la comparaba con la distancia que había recorrido la pelota.
Aristóteles habría predicho que la velocidad de una bola rodante era constante: al duplicar su tiempo en tránsito se duplicaría la distancia que recorría. Galileo pudo demostrar que la distancia es en realidad proporcional al cuadrado del tiempo: duplíquela y la pelota llegaría cuatro veces más lejos. La razón es que la gravedad lo acelera constantemente. (Clasificación: 8)
4. La descomposición de la luz solar de Newton con un prisma.
Isaac Newton nació el año en que murió Galileo. Se graduó en el Trinity College de Cambridge en 1665 y luego se refugió en casa durante un par de años esperando que pasara la plaga. No tuvo problemas para mantenerse ocupado.
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La sabiduría común sostenía que la luz blanca es la forma más pura (nuevamente Aristóteles) y que, por lo tanto, la luz coloreada debe haber sido alterada de alguna manera. Para probar esta hipótesis, Newton hizo brillar un rayo de luz solar a través de un prisma de vidrio y demostró que se descomponía en un espectro proyectado en la pared. La gente ya conocía los arcoíris, por supuesto, pero se los consideraba poco más que bonitas aberraciones. En realidad, concluyó Newton, eran estos colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta y las gradaciones intermedias) los fundamentales. Lo que parecía simple en la superficie, un rayo de luz blanca, era, si uno miraba más profundamente, maravillosamente complejo. (Clasificación: 4)
5. El experimento de la barra de torsión de Cavendish
Otro de los aportes de Newton fue su teoría de la gravedad, que sostiene que la fuerza de atracción entre dos objetos aumenta con el cuadrado de sus masas y disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellos. Pero, en primer lugar, ¿qué fuerza tiene la gravedad?
A finales del siglo XVIII, un científico inglés, Henry Cavendish, decidió averiguarlo. Tomó una varilla de madera de dos metros y le colocó pequeñas esferas de metal en cada extremo, como una mancuerna, y luego la suspendió de un cable. Dos esferas de plomo de 350 libras colocadas cerca ejercieron la fuerza gravitacional suficiente para tirar de las bolas más pequeñas, lo que provocó que la mancuerna se moviera y el cable se torciera. Al montar piezas de marfil finamente grabadas en el extremo de cada brazo y en los lados de la caja, pudo medir el sutil desplazamiento. Para protegerse contra la influencia de las corrientes de aire, el aparato (llamado balanza de torsión) se encerró en una habitación y se observó con telescopios montados a cada lado.
El resultado fue una estimación notablemente precisa de un parámetro llamado constante gravitacional, y a partir de ahí Cavendish pudo calcular la densidad y la masa de la Tierra. Erastóstenes había medido la distancia alrededor del planeta. Cavendish lo había pesado: 6,0 x 1024 kilogramos, o alrededor de 13 billones de billones de libras. (Clasificación: 6)
6. Experimento de interferencia luminosa de Young
Newton no siempre tuvo razón. A través de varios argumentos, había llevado a la corriente científica hacia la convicción de que la luz se compone exclusivamente de partículas y no de ondas. En 1803, Thomas Young, un médico y físico inglés, puso a prueba la idea. Hizo un agujero en la contraventana de una ventana, lo cubrió con un trozo de papel grueso al que le habían perforado un pequeño agujero y utilizó un espejo para desviar el fino rayo que entraba. Luego tomó "un trozo de tarjeta, de aproximadamente un treintavo de pulgada de ancho" y la sostuvo de canto en el camino del rayo, dividiéndola en dos. El resultado fue una sombra de bandas claras y oscuras alternadas, un fenómeno que podría explicarse si los dos rayos interactuaran como ondas.
Aparecieron bandas brillantes donde dos crestas se superponían, reforzándose entre sí; bandas oscuras marcaban donde una cresta se alineaba con un valle, neutralizándose entre sí.
La demostración se repitió a menudo a lo largo de los años utilizando una tarjeta con dos agujeros para dividir la viga. Estos experimentos llamados de doble rendija se convirtieron en el estándar para determinar el movimiento ondulatorio, un hecho que llegaría a ser especialmente importante un siglo después, cuando comenzó la teoría cuántica. (Clasificación: 5)
7. El péndulo de Foucault El año pasado, cuando los científicos montaron un péndulo sobre el Polo Sur y lo observaron oscilar, estaban replicando una célebre demostración realizada en París en 1851. Utilizando un alambre de acero de 220 pies de largo, el científico francés Jean-Bernard-Léon Foucault suspendió un peso de 62 libras. bola de hierro de la cúpula del Panteón y la puso en movimiento, balanceándose hacia adelante y hacia atrás. Para marcar su progreso, colocó un lápiz óptico en la pelota y colocó un anillo de arena húmeda en el suelo de abajo.
El público observó con asombro cómo el péndulo parecía girar inexplicablemente, dejando un rastro ligeramente diferente con cada movimiento. En realidad era el suelo del Panteón el que se movía lentamente, y Foucault había demostrado, más convincentemente que nunca, que la Tierra gira sobre su eje. En la latitud de París, la trayectoria del péndulo completaría una rotación completa en el sentido de las agujas del reloj cada 30 horas; en el hemisferio sur rotaría en sentido antihorario y en el ecuador no giraría en absoluto. En el Polo Sur, como han confirmado los científicos modernos, el período de rotación es de 24 horas. (Clasificación: 10)
8. El experimento de la gota de aceite de Millikan
Desde la antigüedad, los científicos habían estudiado la electricidad, una esencia intangible que venía del cielo en forma de relámpago o que podía producirse simplemente pasando un cepillo por el cabello. En 1897 (en un experimento que fácilmente podría haber figurado en esta lista), el físico británico J. J. Thomson había establecido que la electricidad consistía en partículas cargadas negativamente: electrones. Le correspondió al científico estadounidense Robert Millikan, en 1909, medir su carga.
Usando un atomizador de perfume, roció pequeñas gotas de aceite en una cámara transparente. En la parte superior e inferior había placas de metal enganchadas a una batería, haciendo una positiva y la otra negativa. Dado que cada gota recogía una ligera carga de electricidad estática a medida que viajaba por el aire, la velocidad de su descenso podía controlarse alterando el voltaje de las placas. (Cuando esta fuerza eléctrica igualaba la fuerza de gravedad, una gota, "como una estrella brillante sobre un fondo negro", flotaba en el aire).
Millikan observó una caída tras otra, variando el voltaje y notando el efecto. Después de muchas repeticiones, llegó a la conclusión de que la carga sólo podía asumir ciertos valores fijos. La más pequeña de estas porciones no era otra que la carga de un solo electrón. (Clasificación: 3)
9. El descubrimiento del núcleo por Rutherford
Cuando Ernest Rutherford estaba experimentando con la radiactividad en la Universidad de Manchester en 1911, generalmente se creía que los átomos consistían en grandes masas blandas de carga eléctrica positiva con electrones incrustados en su interior: el modelo del "pudín de ciruela". Pero cuando él y sus asistentes dispararon diminutos proyectiles cargados positivamente, llamados partículas alfa, contra una fina lámina de oro, se sorprendieron al comprobar que un pequeño porcentaje de ellos rebotaba. Era como si las balas hubieran rebotado en la gelatina.
Rutherford calculó que, en realidad, los átomos no eran tan blandos después de todo. La mayor parte de la masa debe estar concentrada en un pequeño núcleo, ahora llamado núcleo, con los electrones flotando a su alrededor. Con modificaciones de la teoría cuántica, esta imagen del átomo persiste hoy. (Clasificación: 9)
10. El experimento de la doble rendija de Young aplicado a la interferencia de electrones individuales
Ni Newton ni Young tenían toda la razón acerca de la naturaleza de la luz. Aunque no está hecho simplemente de partículas, tampoco puede describirse puramente como una onda. En los primeros cinco años del siglo XX, Max Planck y luego Albert Einstein demostraron, respectivamente, que la luz se emite y se absorbe en paquetes, llamados fotones. Pero otros experimentos continuaron verificando que la luz también tiene forma de onda
Fue necesaria la teoría cuántica, desarrollada durante las siguientes décadas, para reconciliar cómo ambas ideas podían ser ciertas: los fotones y otras partículas subatómicas (electrones, protones, etc.) exhiben dos cualidades complementarias; son, como dijo un físico, "ondículas".
Para explicar la idea, a los demás y a ellos mismos, los físicos solían utilizar un experimento mental, en el que la demostración de la doble rendija de Young se repite con un haz de electrones en lugar de luz. Obedeciendo las leyes de la mecánica cuántica, la corriente de partículas se dividiría en dos y las corrientes más pequeñas interferirían entre sí, dejando el mismo tipo de patrón de rayas claras y oscuras que genera la luz. Las partículas actuarían como ondas.
Según un artículo adjunto en Physics Today, escrito por el editor de la revista, Peter Rodgers, no fue hasta 1961 que alguien (Claus Jönsson de Tubinga) llevó a cabo el experimento en el mundo real.
En ese momento, el resultado no sorprendió a nadie y el informe, como la mayoría, fue absorbido de forma anónima por la ciencia. (Clasificación: 1)
Fotos: Galileo Galilei (Corbis-Bettmann); Ernest Rutherford (The New York Times, principios de los años 1930); Eratóstenes; Jean-Bernard-Léon Foucault (Photo Researchers Inc.); Thomas Young (Foto Investigadores Inc.); Henry Cavendish; Isaac Newton (Sir Godfrey Kneller); Robert Millikan (Los New York Times, 1950); (Los New York Times); (Foto investigadores Inc.)
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