experimentos

Los diez experimentos de la física que cambiaron la historia

El Confidencial - domingo, 9 de agosto de 2015

Desde las piedras que tiró Galileo desde lo alto de la torre de Pisa a la fotografía del ADN que tomó Rosalind Franklin, algunos experimentos han cambiado el modo en que entendemos el mundo

Desde que Arquímides gritó su famoso "¡Eureka!", si es que realmente lo hizo, hasta los sofisticados y a veces enormes experimentos en los que trabajan hoy los físicos de partículas, sería imposible señalar cuál ha sido el momento más importante. El saber científico no se construye en momentos puntuales, sino como una carrera de fondo continuada en el que los investigadores trabajan sobre los resultados anteriores, poniéndolos a prueba e imaginando qué más queda por descubrir.

Por eso esta lista de experimentos que cambiaron la historia, recogidos por Chris Woodford, escritor y divulgador científico, está necesariamente incompleta, ya que siempre habrá otros que se quedaron fuera, y faltan por supuesto los que están por venir. Pero son un buen repaso de algunos de los grandes momentos en el que un científico, o un equipo, pusieron su ingenio a trabajar para demostrar una teoría. Algunos son simples momentos de inspiración, mientras que otros tuvieron que trabajar para inventar una máquina que les permitiese poner a prueba sus ideas.

1. Galileo demuestra que todos los objetos caen a la misma velocidad (1589)

En la Italia del siglo XVI en la que vivía Galileo Galilei, el saber científico estaba mayoritariamente formado por teorías que no habían sido modificadas significativamente desde la altigua Grecia. Uno de esos antiguos griegos, Aristóteles, había postulado que los objetos caen a distinta velocidad según su peso: cuanto más pesados, más rápida la caída.

Uno de los experimentos más famosos de Galileo demostró que Aristóteles estaba equivocado: se subió a la torre de Pisa y lanzó desde lo alto varias bolas de distinto peso, que llegaron al suelo al mismo tiempo. Galileo postuló que si una pluma tarda más en cae que una piedra no tiene que ver con su peso, sino con la resistencia que ejerce el aire en su camino hacia el suelo.

 De hecho, cuando los astronautas estadounidenses de la misión Apolo 15 llegaron a la Luna, donde la falta de atmósfera hace que el rozamiento con el aire sea inexistente, pusieron a prueba la hipótesis de Galileo: uno de ellos soltó a aproximadamente un metro de altura y al mismo tiempo un martillo y una pluma. Y, efectivamente, ambos cayeron a la misma velocidad. Galileo 1 - Aristóteles 0.

2. Newton divide la luz blanca en sus siete colores (1672)

Solemos representar a Isaac Newton acompañado de su inseparable manzana, pero quizá tendríamos que incluir en la estampa un arco iris. Y es que él fue el primero en demostrar cómo se forma ese bonito fenómeno meteorológico.

En 1672, Newton hizo pasar la luz que entraba por su ventana a través de un trozo de cristal con forma triangular, o un prisma. El resultado fue la aparición de un espectro de siete colores, que se correspondían con los colores del arco iris. Así demostró que cuando la luz blanca pasa a través de un cristal, ésta se descompone en luz de distintos colores según sus longitudes de onda.

3. Henry Cavendish pesa la Tierra (1798)

En el siglo XVIII, el físico británico asumió la titánica tarea de pesar nuestro planeta. Para ello, midió su densidad, de forma que pudiese a partir de ese dato calcular su masa.

Para hacerlo, construyó su propio experimento, una balanza con un brazo horizontal de madera de casi 2 metros de longitud, de cuyos extremos cogaban dos esferas de plomo de la misma masa. La vara estaba suspendida por una larga cuerda. Cerca de las esferas, dispuso otras dos esferas de plomo de 175 kg cada una, cuya acción gravitatoria debía atraer las masas de la balanza, produciendo un pequeño giro.

La atracción mutua de las esferas grandes y las pequeñas hacía que el brazo de madera girase, retorciendo a su vez el alambre que lo sostenía. Cuando el Aalambre alcanzaba un ángulo en el que la fuerza de torsión equilibraba la fuerza de atracción de las esferas, el brazo dejada de girar. Midiendo ese ángulo, y conociendo la fuerza de torsión del alambre para un ángulo dado, Cavendish pudo determinar la fuerza de atracción entre los dos pares de masas. Puesto que la fuerza gravitacional de la Tierra sobre cada bola pequeña podía medirse pesándolas, la relación entre ambas permitió calcular la densidad de la Tierra gracias a la ley de la gravitación universal de Newton.

Con este experimento, Cavendish determinó que la densidad de la Tierra era, exactamente, de 5.448 +/- 0,033 veces la del agua.

4. Thomas Young demuestra que la luz es una onda... ¿o no? (1803)

Isaac Newton pensaba que un rayo de luzs era una especie de tren o cadena de partítulas diminutas, o corpúsculos, que navegaban a través del espacio y del cielo, hasta que otro gran experimento demostró que no era así en absoluto. A principios del siglo XIX, Thomas Young diseñó el siguiente experimento: cogió una tabla plana, le hizo dos aberturas estrechas y situó una fuente de luz entre las dos, de forma que los rayos atravesasen ambas aberturas simultáneamente y se proyectasen en la pared tras ella.

La atracción mutua de las esferas grandes y las pequeñas hacía que el brazo de madera girase, retorciendo a su vez el alambre que lo sostenía. Cuando el Aalambre alcanzaba un ángulo en el que la fuerza de torsión equilibraba la fuerza de atracción de las esferas, el brazo dejada de girar. Midiendo ese ángulo, y conociendo la fuerza de torsión del alambre para un ángulo dado, Cavendish pudo determinar la fuerza de atracción entre los dos pares de masas. Puesto que la fuerza gravitacional de la Tierra sobre cada bola pequeña podía medirse pesándolas, la relación entre ambas permitió calcular la densidad de la Tierra gracias a la ley de la gravitación universal de Newton.

Con este experimento, Cavendish determinó que la densidad de la Tierra era, exactamente, de 5.448 +/- 0,033 veces la del agua.

 Si Newton hubiese tenido razón, Young habría visto dos puntos brillantes en la pared y todo el espacio entre ellos completamente a oscuras. Pero no fue así. Lo que Young vio fue un patrón de zonas iluminadas y zonas oscuras allí donde los rayos de ambas aberturas conincidían. En algunas partes, la luz de una abertura se sumaba a la de la otra, iluminando brillantemente un área; en otras, la luz de ambas se sustraía, dejando un área más oscura. Ese patrón de inferferencia demostraba que los rayos de luz no viajaban como partículas, sino como ondas.

Pero este no fue el final de la historia. En 1905, Albert Einstein entró en escena, demostrando que la luz sí que podía comportarse como una partícula: si diriges un rayo de luz hacia un metal, puedes formar una corriente eléctrica (el fenómeno del efecto fotoeléctrico le valió un Nobel a Einstein en 1921). Como resultado de ambos experimentos, los científicos han aceptado que la luz se comporta al mismo tiempo como una partícula y como una onda. Este fenómeno es una de las bases de la teoría cuántica.

5. James Prescott Joule demuestra el principio de conservación de la energía (1840)

La ley de conservación de la energía es una ley básica de la física que dice que cualquier cosa que ocurre necesita la energía que requiere hacerla. Por ejemplo: si vas a conducir de Madrid a Barcelona necesitas el equivalente a 621 kilómetros en gasolina; o si vas a correr una maratón, necesitas el equivalente a 42 kilómetros en calorías. En cualquie caso, la energía que necesitas es equivalente al trabajo que quieres hacer (entendiendo trabajo como la aplicación de una fuerza durante una determinada distancia.

James Prescott Joule demostró experimentalmente este principio a mediados del siglo XIX. Para hacerlo, ideó el siguiente experimento: situó un gran contenedor lleno de agua, con una hélice en su interior. La élice estaba conectada a un eje que salía del contenedor y entorno al cual se había enrollado una cuerda muchas veces. La cuerda corría por una polea y tenía atada una pesa en su otro extremo. Al soltar la pesa, ésta tiraba de la cuerda que a su vez hacía girar el eje y con ello la hélice del contenedor, calentando con ello el agua.

Joule liberó la pesa unas 20 veces, de forma que el agua se calentase lo suficiente para medir el aumento de la temperatura. Una vez hechas las mediciones, Joule demostró que la cantidad de energía potencial perdida al soltar la pesa era exactamente la misma cantidad de calor generado en el agua.

6. Hippolyte Fizeau mide la velocidad de la luz (1851)

Cuando no había relojes tan precisos como los que tenemos ahora, y lo máximo que se podía concretar el tiempo con precisión era en segundos, el físico francés Hippolyte Fizeau consiguió medir la velocidad de la luz, pero tuvo que hacerlo en grandes distancias.

Para ello realizó el siguiente experimento. Lanzó un rayo de luz hacia un espejo, que lo desvió haciéndolo pasar por entre los dientes de una rueda dentada que giraba cientos de veces por segundo. Fizeau colocó un espejo a unos 8,5 kilómetros de su aparato, de forma que la luz viajase hasta él y volviese hasta el telescopio por el que miraba. Él sabía lo lejos que había viajado la luz, así que solo tenía que medir cuánto tardaba en hacerlo. La rueda dentada era su reloj: sabiendo cuántos dientes tenía y a qué velocidad giraba, podría ajustar esa velocidad hasta bloquear la luz del espejo más lejano.

Así, sabía que la luz solo había viajado una vez desde la lámpara hasta el espejo y de vuelta hasta él, y todo lo que tenía que hacer era dividir la distancia entre el tiempo que había tardado para calcular la velocidad de la luz. El resultado que obtuvo fue un 5% más alto de lo que conocemos hoy, pero aún así fue un resultado más que notable para los medios de los que disponía.

7. Robert Millikan mide la carga del electrón (1909)

La unidad mínima de electricidad es igual a la carga de un solo electrón, pero ¿cómo medir algo tan pequeño? A principios del siglo XX, Robert Millikan dio con la clave. Roció gotas de aceite entre dos placas eléctricamente cargadas que estaban suspendidas horizontalmente, una debajo de la otra. Después de aplicar sobre ellas una carga eléctrica, descubrió que podía moverlas arriba y abajo al ajustar el voltaje de las placas, y midiendo la velocidad de su movimiento, podía calcular la carga que tenían.

El experimento funcionaba de la siguiente forma: las gotas de aceite, al tener masa como cualquier otro objeto, eran atraídas hacia abajo por la fuerza de la gravedad hasta alcanzar su velocidad terminal, que Millilan podía medir. Después les aplicó carga negativa, de forma que pudiese detener su caía aplicando un voltaje negativo a la placa de arriba, o, en otras palabras, conseguir que su peso fuese compensado con una fuerza de atracción eléctrica que tirase de ellas hacia arriba.

Con la corriente activada, descubrió que algunas gotas comenzaban a caer más despacio, otras se detenían y algunas incluso comenzaban a ascender. Entendió que las gotas debían portar varias únidades de carga eléctrica (varios electrones) y que eso afectaba a la cómo de rápido caían o se elevaban al activar la corriente. Al medir su velocidad terminal con la corriente activada, y comparándola con la velocidad terminal sin corriente, pudo calcular la unidad básica de carga eléctrica, conocida ahora como la carga del electrón, con una precisión admirable. Por este trabajo ganó un Nobel en 1923.

8. Ernest Rutherford, y sus colaboradores, dividen el átomo (1897-1932)

Los antiguos griegos creían que la materia estaba formada por unos bloques básicos que llamaron átomos, una palabra que significa "que no puede ser dividido". Sin embargo, a finales del siglo XIX los científicos comenzaron a darse cuenta de que los átomos estaban formados por partículas aún más pequeñas. La división del átomo se consiguió con una serie de experimentos que tuvieron lugar entre 1897 y 1932, en los que se estudió de qué partes constaba un átomo y cómo estaban organizadas.

Mientras daba clases en la Universidad de Manchester, Ernest Rutherford pidió a dos de sus alumnos, Hans Geiger y Ernest Marsden, que disparasen partículas con carga positiva (alfa) a una fina lámina de oro. Como era de esperar, la mayoría la atravesaron, pero una pequeña parte, una de cada ocho mil, se desviaban o incluso rebotaban. Rutherford y compañía estaban atónitos. "Es como si disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen contra ti".

Su conclusión fue que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesase la lámina de oro indicaba que gran parte del átomo está vacía, que la desviación de las partículas alfa indicaba que tanto el deflector como las partículas poseen carga positiva (pues la desviación siempre es dispersa) y que el rebote de esas pocas partículas indicaba que se habían topado con una zona fuertemente positiva del átomo. Este experimento confirmó el modelo moderno que tenemos del átomo, con un núcleo centro y los electrónes girando a su alrededor.

9. Enrico Fermi demuestra la reacción atómica en cadena (1942)

A mediados del siglo XX, los científicos ya tenían claro cuál era la estructura del átomo, y gracias a los trabajos teóricos de Einstein, sabían también que la materia y la energía son la misma cosa y que una pequeña cantidad de energía podía, en teoría, ser convertida en una enorme cantidad de energía. Es decir, que de alguna manera debía ser posible dividir átomos para liberar gigantescas cantidades de energía.

El italiano Enrico Fermi puso a prueba esta idea con un experimento que llamó "la pila atómica". Lo que hizo fue disparar un neutrón hacia un átomo del isótopo uranio 235 con el objetivo de convertirlo en un átomo de uranio aún mayor. El uranio 236 tendría una undad de masa más, gracias al neutrón añadido, pero es tan inestable que inmediatamente se divide en dos átomos más pequeños y dos neutrones. La masa total de los átomos menores sumada a la de los neutrones era inferior a la masa del isótopo de uranio 236 que los había generado, y esa masa perdida se había convertido en energía, según la famosa ecuación de Einstein E=mc².

Los dos neutrones se dispararon, chocando con otros dos átomos de uranio 235, provocando dos reacciones idénticas a la anterior, que liberaron cuatro neutrones, que volvieron a chocar con cuatro átomos de uranio 235... Esta es la famosa reacción en cadena que se produce en las centrales nucleares o en la explosión de una bomba atómica.

10. Rosalind Franklin fotografía el ADN con rayos X (1953)

Aunque el descubrimiento de la estructura del ADN, con su forma de doble hélice, fue merecedora de un Nobel en 1962, un miembro del equipo científico sin el que el descubrimiento nunca hubiese sido posible quedó fuera del reconocimiento. Se llamaba Rosalind Franklin y había muerto de cáncer en 1958 a los 37 años. Franklin fue la autoda de una importante fotografía tomada por difracción de rayos X que sirvió para revelar una gran cantidad de información sobre la estructura del ADN.

Franklin utilizó la difracción de rayos X porque la molécula del ADN es tan pequeña que no sería posible analizarla con simples rayos X. Como si se tratase de bolas de pinball, los rayos C pasan a través de las estructuras moleculares que forman el ADN, rebotando contra ellas en su camino y dispersándose, o difractándose, en distintas dirección. Cuando los rayos X salen del ADN, dejan un patrón sobre el papel fotográfico. Según las leyes de la difracción, los rayos X que se moviesen a través de una estructura en hélica se dispersarían en ángulos perpendiculares a la hélice, creando un patrón en forma de X. Eso fue precisamente lo que captó Franklin.