¡La Física! ¿Qué haríamos sin ella?

Para no viajar muy atrás en el tiempo, fijaremos el punto de partida en 1687, fecha en que salió a la luz la Obra de Newton, sus Principas. El tiempo transcurrió hasta 1900, fecha en la que Planck publicó un artículo de ocho páginas con su idea del cuanto que sería la semilla que daría lugar al nacimiento de la mecánica cuántica. En 1905, aquel joven de la Oficina de Patentes de Berna, sorprendió al mundo de la Física con su Teoría de la Relatividad Especial. Se produjeron muchos desarrollos importantes para nuestras imágenes de la Física Fundamental. Uno de los mayores cambios ocurrido en ese período fue la comprensión, básicamente mediante los trabajos de Faraday y Maxwell en el siglo XIX, de que cierta noción de campo físico, que permea en el espacio, debe cohexistir con la previamente aceptada “realidad newtoniana” de las partículas individuales que interaccionan por medio de fuerzas instantáneas.

Conforme a lo que arriba decimos se producen fenómenos y se ponen en marcha mecanismos que hacen posible que, la imagen que vemos, pueda ser posible gracias a la presencia de fuerzas que, aunque no las podamos ver, su presencia se hace patente por los resultados que en su diversidad, son los mecanismos que llevan el ritmo del universo en el que vivímos.

Más tarde, esta noción de “campo” se convirtió también en un ingrediente crucial de la teoría de la Gravedad en un espaciotiempo curvo a la que llegó Einstein en 1915. Lo que ahora denominamos campos clásicos son el Campo Electromagnético de Maxwell y el Campo Gravitatorio de Einstein.

La presencia del campo gravitatorio de una masa afecta al tiempo y al espacio. La gravedad hace que dos relojes atrasen. Un reloj en la superficie de la Tierra atrasa con respecto a un reloj en la Luna, toda vez que el campo gravitatorio de la Tierra es más potente. De la misma manera, nos podríamos preguntar ¿por qué la gravedad actúa sobre el espacio y alarga el tamaño de los objetos (estirándolos). ¿Dónde podríamos crecer más, si viviéramos en la Tierra o en la Luna?

Pero sigamos. Hoy día sabemos que hay mucho más en la Naturaleza del mundo físico que la sola física clásica. Ya en 1900 -como decimos antes- Max Planck había reveleado los primeros indicios de la necesidad de una “teoría cuántica”, aunque se necesitó un cuarto de siglo más antes de que pudiera ofrecerse una teoría bien formulada y global. También debería quedar claro que, además de todos estos profundos cambios que se han producido en los fundamentos “newtonianos” de la física, ha habido otros desarrollos importantes, tanto previos a dichos cambios como coexistentes con algunos de ellos en forma de poderosos avances matemáticos, dentro de la propia teoría newtoniana.

En 1905 un desconocido Albert Einstein publicaría unos espectaculares estudios sobre la teoría de la relatividad, pero muy pocos científicos, entre ellos Planck, reconocerían inmediatamente la relevancia de esta nueva teoría científica. Tanta fue su importancia que incluso Planck contribuyo a ampliarla.

Pero igualmente, la hipótesis de Einstein sobre la ligereza del quantum (el fotón), basada en el descubrimiento de Philipp Lenard de 1902 sobre el efecto fotoeléctrico fue rechazada por Planck, al igual que la teoría de James Clerk Maxwell sobre la electrodinámica.

En 1910 Einstein desafía la explicación de la física clásica poniendo el ejemplo del comportamiento anómalo del calor específico en bajas temperaturas. Planck y Nernst decidieron organizar la primera Conferencia de Solvay, para clarificar las contradicciones que aparecían en la física. En esta reunión celebrada en Bruselas en 1911, Einstein consiguió convencer a Planck sobre sus investigaciones y sus dudas, lo que hizo forjar una gran amistad entre ambos científicos, y conseguir ser nombrado profesor de física en la universidad de Berlín mientras que Planck fue decano.

Otra área importante de avance sobre la que había que llamar la atención es la termodinámica (y su refinamiento conocido como mecánica estadística). Esta estudia el comportamiento de sistemas de un gran número de cuerpos, donde los detalles de los mocimientos no se consideran importantes y el comportamiento del sistema se describe en términos de promedios de las magnitudes adecuadas. Esta fue una empresa iniciada entre mediados del XIX y principios del XX, y los nombres de Carnot Clausius, Maxwell, Boltzmann, Gibbs y Einstein son los protagonistas.

Termodinámica.- Parte de la física que estudia las relaciones existentes entre los fenómenos dinámicos y los caloríficos. Trata de la transformación de la energía mecánica en calor y del calor en trabajo. También describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. La termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema—típicamente la presión, la temperatura, el volumen y la masa— son constantes.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

¿Cuales son los Principios de la Termodinámica?

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad puede medirse, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste.

Primer Principio.-

La cantidad de calor entregado a un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema más la variación de su energía interna. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse —dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía— la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

                    Flujo de la energía en los ecosistemas. En los ecosistemas se cumplen pues el primer y segundo principio de la termodinámica.

Segundo Principio.-

El segundo dice que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura. Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos hasta quedar a la misma temperatura. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues ‘preferir’ el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina “móvil perpetuo de segunda especie”, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie.

Tercer principio de termodinámica o principio onfalóscópico, (mirarse el ombligo): La televisión se retroalimenta a sí misma. Se hace televisión para hablar sobre televisión.

Tercer Principio.-

El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.

Ciclos termodinámicos.-

Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica. Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema. Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

• Gravitación
• Luz
• Atracción y repulsión eléctricas
• Atracción y repulsión magnéticas

Pero sigamos con el objeto principla de este trabajo del que, como siempre me pasa, me he desviado a la termodinámica que ya se dio hace unos días. Aquí hablamos de los “campos clásicos” y, sobre las teorías físicas de campos de Maxwell y Einstein: la física “clásica” ¿Cómo pudieron hablar y describir a la perfección suscesos que el ojo no podía ver, y, simplemente con la imaginación, lo hicieron posible, hasta tal punto que, cuando hablamos de campos electromagnéticos o gravitatorios, en nuestras mentes se instalan las imágenes de unos y otros que podemos “ver” con toda precisión.

La teoría del electromagnetismo desempeña también un papel importante en la teoría cuántica, pues proporciona el “campo” arquetípico para el desarrollo posterios de la teoría cuántica de campos. Por el contrario, el enfoque cuántico apropiado del campo gravitatorio sigue siendo eninmático, escurridizo y controvertido y, abordar ahora aquí estas complejas cuestiones, seguramente daría lugar a explicaciones farragosas debido a mi ignorancia profunda en esos conocimientos y a la levedad de los que puedo poseer.

Los campos de fuerza de Faraday han dado lugar a que, la imaginación se desboque y corriendo hacia el futuro, haya imaginado inmensas ciudades que, situadas en lugares imposibles, sostienen sin problema a sus habitantes que, resguardados por un “campo de fuerza” están al resguardo de cualquier peligro que del exterior les pueda venir.

Por ahí arriba me refería al hecho de que ya en el siglo XIX se había iniciado un cambio profundo en los fundamentos newtonianos, antes de las revoluciones de la relatividad y la teoría cuántica en el siglo XX. El primer indicio de que sería necesario un cambio semejante se produjo con los maravillosos descubriumientos experimentales de Faraday hacia 1833, y de las representaciones de la realidad que encontró necesarias para acomodar dichos descubrimientos. Básicamente, el cambio fundamental consistió en considerar que las “partículas newtonianas” y las fuerzas” que actúan entre ellas no son los únicos habitantes de nuestro universo.

A partir de ahí había que tomar en serio la idea de un “campo” con una existencia propia incorpórea. Y, fue entonces cuando se produjo la providencial llegada de Maxwell que, al contrario de Faraday, él si entendía bien el complejo mundo de las matemáticas y, en 1864, formuló las ecuaciones que debe satisfacer este “campo” incorpóreo, y quien demostró que estos campos pueden transportar energía de un lugar a otro.

Transportando energía

Las ecuaciones de Maxwell unificaban el comportamiento de los campos eléctricos, los campos magnéticos e incluso la luz, y hoy día son conocidas como las ecuaciones de Maxwell, las primeras entre las ecuaciones de campo relativistas. Desde la perspectiva del siglo XX se han hecho profundos cambios y se ha producido profundos avances en las técnicas matemáticas, las ecuaciones de Maxwell parecen tener una naturalidad y simplicidad concincentes que nos hacen preguntarnos cómo pudo considerarse alguna vez que el campo electromagnético pudiera obedecer a otras leyes. Pero semejante perspectiva ignora el hecho de que fueron las propias ecuaciones de Maxwell las que llevaron a muchos de estos desarrollos matemáticos. Fue la forma de estas ecuaciones la que indujo a Lorentz, Poincaré y Einstein a las transformaciones espaciotemporales de la relatividad especial, que, a su vez, condujeron a la concepción de Minkowaki del espaciotiempo.

¡La Mente Humana! ?Hasta donde podrá llegar? ¿Qué limite tendrá impuesto? La respuesta es sencilla: ¡ No hay límites! Y, aunque dicha afirmación la repita en muchos de mis escritos, esa es la realidad.

emilio silvera

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