Avances de la Física desde 1930

La rápida expansión de la física en las últimas décadas ha sido posible gracias a los avances fundamentales del primer tercio del siglo XX, junto con los recientes adelantos tecnológicos, sobre todo en tecnología informática, electrónica, aplicaciones de la energía nuclear y aceleradores de partículas de altas energías.

Aceleradores

Rutherford y los otros pioneros de la investigación de las propiedades nucleares estaban limitados a emplear en sus investigaciones sobre el átomo las emisiones de alta energía procedentes de sustancias radiactivas naturales. Las emisiones artificiales de alta energía fueron producidas por primera vez en 1932 por el físico británico John Cockcroft y su colega irlandés Ernest Walton, que emplearon generadores de alta tensión para acelerar electrones hasta unos 700.000 eV; estos elementos fueron utilizados para bombardear núcleos de litio, que se transformaron en núcleos de helio. Un electronvoltio (eV) es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio, y equivale a 1,6 × 10-19 julios. Los aceleradores modernos producen energías de millones de eV (megaelectronvoltios, o MeV), miles de millones de eV (gigaelectronvoltios, o GeV) o incluso billones de eV (teraelectronvoltios, o TeV). La posibilidad de generar tensiones muy elevadas apareció en 1932, cuando el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff inventó el aparato conocido como generador de Van de Graaff.

Poco tiempo después, los físicos estadounidenses Ernest Orlando Lawrence y Milton Stanley Livingston inventaron el ciclotrón; este dispositivo emplea un campo magnético para mantener partículas cargadas moviéndose en trayectorias circulares, y en cada media vuelta proporciona a las partículas un pequeño “empujón” eléctrico hasta que acumulan las altas energías deseadas. El ciclotrón permitía acelerar protones hasta unos 10 MeV, pero para obtener energías más elevadas hubo que esperar hasta después de la II Guerra Mundial, cuando se desarrolló el sincrotrón a partir de las ideas del físico estadounidense Edwin Mattison McMillan y el físico soviético Vladimir I. Veksler. Después de la II Guerra Mundial se produjeron rápidos avances en el diseño de aceleradores y se construyeron aparatos de diferentes tipos para producir haces de alta energía de electrones, protones, deuterones, iones pesados o rayos X.

Los aceleradores de menores energías tienen diferentes aplicaciones en industrias y laboratorios, mientras que los más potentes se utilizan para estudiar la estructura de las partículas elementales, los componentes básicos de la naturaleza. En estos estudios se desintegran partículas elementales golpeándolas con haces de proyectiles, que suelen ser protones o electrones. La distribución de los fragmentos proporciona información sobre la estructura de las partículas elementales.

Para obtener información más detallada hace falta usar proyectiles con más energía. Como los proyectiles se aceleran “empujándolos” para obtener mayores energías, hace falta “empujarlos” durante un tiempo mayor. Por eso, los aceleradores de altas energías suelen ser más grandes. La mayor energía de haz obtenida a finales de la II Guerra Mundial era menor de 100 MeV. En 1952 se produjo un avance revolucionario en el diseño de aceleradores cuando los físicos estadounidenses Livingston, Ernest D. Courant y Hartland S. Snyder introdujeron el principio de enfoque intenso. En la actualidad, los mayores aceleradores del mundo producen haces de protones con energías superiores a 1 TeV.

Detectores de partículas

En sus comienzos, la detección y análisis de partículas elementales se basaba en su capacidad para impresionar emulsiones fotográficas y excitar materiales fluorescentes. El físico británico C. T. R. Wilson observó por primera vez las trayectorias de partículas ionizadas en una cámara de niebla, donde las gotitas de agua se condensaban sobre los iones producidos por las partículas a su paso por la cámara. Mediante campos eléctricos o magnéticos era posible desviar las trayectorias de las partículas, lo que proporcionaba información sobre su momento lineal y su carga eléctrica. Un avance significativo sobre la cámara de niebla fue la cámara de burbujas, inventada por el físico estadounidense Donald Arthur Glaser en 1952. A diferencia de la cámara de niebla, este dispositivo emplea un líquido (por lo general hidrógeno a presión) en lugar de aire; los iones producidos por una partícula rápida se convierten en centros de ebullición y dejan una trayectoria de burbujas fácilmente visible. Como la densidad del líquido es mucho mayor que la del aire, en una cámara de burbujas se producen más interacciones que en una cámara de niebla. Además, las burbujas desaparecen más deprisa que las gotitas de agua, lo que permite una recuperación más rápida de la cámara. Un tercer avance, la cámara de chispa, surgió también en la década de 1950. En este aparato, una serie de placas paralelas se mantiene a una diferencia de potencial elevada en una atmósfera gaseosa adecuada. Cuando una partícula ionizante pasa entre las placas, los átomos de gas se ionizan y producen chispas que delinean la trayectoria de la partícula.

Rayos cósmicos

Alrededor de 1911, el físico estadounidense de origen austriaco Victor Franz Hess estudió los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos primarios están formados por partículas que proceden directamente del exterior de la atmósfera terrestre. Los rayos cósmicos secundarios son partículas y radiaciones producidas en la colisión de las partículas de rayos cósmicos primarios con los átomos de la atmósfera. Hess descubrió que la distribución de los rayos cósmicos está determinada por el campo magnético terrestre. Se comprobó que los rayos estaban cargados positivamente y corresponden sobre todo a protones con energías situadas entre 1 y 1011 GeV. Los rayos cósmicos atrapados en órbitas alrededor de la Tierra son los responsables de los cinturones de radiación de Van Allen, descubiertos por el primer satélite artificial estadounidense, lanzado en 1958.

Cuando un protón primario de alta energía entra en la atmósfera y colisiona con los núcleos de nitrógeno y oxígeno del aire, produce grandes cantidades de partículas secundarias que se dirigen hacia la Tierra formando una lluvia de rayos cósmicos. El origen de los protones de los rayos cósmicos primarios todavía no se comprende en su totalidad. Se sabe que algunos proceden del Sol y otras estrellas, pero los de energías más altas son difíciles de explicar: parece probable que los débiles campos galácticos aceleren los protones interestelares a lo largo de periodos extremadamente largos.

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 unas fuerzas de atracción conocidas como 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 punto 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 absolut . 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.

Criogenia

A temperaturas muy bajas (cerca del cero absoluto), muchos materiales presentan características sorprendentes.A comienzos del siglo XX, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes desarrolló técnicas para producir estas bajas temperaturas y descubrió la superconductividad del mercurio, que pierde toda su resistencia eléctrica a una temperatura de unos 4 kelvins. A muchos otros elementos, aleaciones y compuestos les ocurre lo mismo a una temperatura característica cercana a 0 K, y los materiales magnéticos se convierten en aislantes magnéticos. Desde 1986 se han fabricado varios materiales que presentan superconductividad a temperaturas mayores. La teoría de la superconductividad, desarrollada en gran medida por John Bardeen y otros dos físicos estadounidenses, Leon N. Cooper y John Robert Schrieffer, es extremadamente complicada, e implica el apareamiento de electrones en la red cristalina.

Otro descubrimiento fascinante fue el de que el helio no se congela, sino que a unos 2 K pasa de ser un líquido ordinario, denominado He I, a convertirse en He II, un líquido superfluido que no tiene viscosidad y presenta una conductividad térmica unas 1.000 veces mayor que la de la plata. El He II puede formar películas que se desplazan hacia arriba por las paredes del recipiente que lo contiene, y traspasa con facilidad materiales como el platino. Aún no hay una teoría plenamente satisfactoria para este comportamiento

Láser

Un importante avance reciente es el láser, acrónimo en inglés de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. En un láser, cuya sustancia activa puede ser un gas, un líquido o un sólido, se excita un gran número de átomos hasta un nivel elevado de energía y se hace que liberen dicha energía simultáneamente, con lo que producen luz coherente en la que todas las ondas están en fase. Esta coherencia permite generar haces de luz muy intensos y de longitud de onda muy definida, que se mantienen enfocados o colimados a lo largo de distancias muy grandes. La luz láser es mucho más intensa que la de cualquier otra fuente. Un láser continuo puede proporcionar cientos de vatios, y un láser pulsado puede generar millones de vatios durante periodos muy cortos. El láser fue desarrollado en las décadas de 1950 y 1960 por el ingeniero e inventor estadounidense Gordon Gould y los físicos estadounidenses Charles Hard Townes, T. H. Maiman, Arthur Schawlow y Alí Javan. En la actualidad constituye un instrumento muy potente para la ciencia y la tecnología, con aplicaciones en comunicación, medicina, navegación, metalurgia, fusión y corte de materiales.

Astrofísica y cosmología

Desde la II Guerra Mundial los astrónomos han hecho muchos descubrimientos importantes, como los quásares, los púlsares  o la radiación de fondo cósmica. Estos descubrimientos, que no pueden ser explicados totalmente por la física actual, han estimulado el avance de la teoría en campos como la gravitación o la física de partículas elementales. En la actualidad se acepta que toda la materia accesible a nuestra observación estaba originalmente comprimida de forma muy densa en un solo lugar, y explotó entre 10.000 y 20.000 millones de años antes del momento presente en un estallido colosal conocido como Big Bang o Gran Explosión. La explosión dio lugar a un universo que todavía se está expandiendo. Un aspecto enigmático de este universo, recientemente descubierto, es que las galaxias no están distribuidas de modo uniforme. Hay inmensos espacios vacíos rodeados por grupos de galaxias con forma de filamentos. La distribución de esos vacíos y filamentos aporta datos importantes sobre la naturaleza de la materia que surgió de la Gran Explosión e indica que es muy probable que la llamada materia oscura predominase sobre las formas conocidas de materia. Éste es sólo uno de los puntos en los que “la física de lo muy grande” enlaza con “la física de lo muy pequeño”.

Autor: Christian Martin Machado

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