Los experimentos impulsan la ciencia como la gasolina alimenta un automóvil. Si tienes una teoría sobre cómo funciona el mundo, es una regla básica de la ciencia que debes probarlo con un experimento. Si su experimento confirma la teoría, genial; si no, refina tu teoría y haz algunos experimentos más. Aunque gran parte de la ciencia reciente ha sido teórica, especialmente desde que comenzamos a descubrir cómo funcionan las cosas grandes en términos de cosas más pequeñas como los átomos, la historia de la ciencia es, en muchos sentidos, una historia de experimentación. Los hitos más importantes en la forma en que entendemos el mundo han estado marcados por experimentos tan ingeniosos, tan simples y tan devastadores que literalmente pueden dejar sin aliento. Si un marciano llamara a su puerta mañana exigiendo una explicación rápida de cómo funciona la Tierra, podría hacer mucho peor que explicar estos diez experimentos históricos del mundo de la física. Obviamente, hay muchos más que podría incluir aquí; Esta es mi selección personal.
Foto: Siempre hay nuevas teorías para probar y experimentos para probar. ¡Incluso cuando hemos clavado completamente cómo funciona la Tierra, todavía queda el resto del Universo para explorar! Aquí, el comportamiento de algunos nuevos materiales compuestos en el espacio se está probando a bordo de un transbordador espacial. Imagen cortesía de NASA JSC Digital Image Collection.
1: Galileo demuestra que los objetos caen a la misma velocidad (1589)
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El científico italiano Galileo Galilei pasó gran parte de su tiempo tratando de descubrir cosas realmente fundamentales sobre cómo funciona el mundo, incluida la luz, el movimiento y la gravedad. En la Italia del siglo XVI, la ciencia todavía estaba dominada en gran medida por teorías que no habían cambiado mucho desde la época de los antiguos griegos. Un científico griego realmente influyente, Aristóteles, argumentó que los objetos más pesados caen más rápido, por lo que una pluma y una piedra caen a diferentes velocidades porque la piedra pesa más. Quizás en su experimento más famoso, Galileo demostró que esto era falso. Aparentemente arrojó bolas que pesan diferentes cantidades de la Torre Inclinada de Pisa en Italia. A pesar de sus diferentes pesos, las dos bolas llegaron al suelo exactamente en el mismo momento, demostrando que Aristóteles estaba equivocado. Según Galileo, una pluma golpeará el suelo más lentamente que una piedra porque la resistencia del aire ralentiza la pluma a medida que cae. Curiosamente, cuando los científicos de la misión Apolo 15 fueron a la luna (donde no hay resistencia del aire para ralentizar las plumas), llevaron a cabo el experimento de plumas y piedras con un resultado muy satisfactorio, como puede ver en este video clip de Wikipedia .
2: Isaac Newton divide la luz blanca en colores (1672)
Todo el mundo ama un arcoíris, pero ¿de dónde vienen esos colores increíbles? La mayoría de la gente entiende que las gotas de lluvia dividen la luz solar (luz “blanca”) en sus colores componentes, doblando o refractando diferentes longitudes de onda en diferentes cantidades (el azul se dobla más que el rojo, por lo que siempre está en el interior), pero si había estado antes de 1672 no hubieras sabido la respuesta. El experimento clásico que mostró cómo la luz ordinaria está compuesta de luz de diferentes colores fue llevada a cabo por el científico inglés Isaac Newton, sin duda uno de los mejores científicos que jamás haya existido. Dirigió la luz del sol desde su ventana hacia una cuña de vidrio de forma triangular (un prisma) y la dividió en colores deslumbrantes.
3: Henry Cavendish pesa el mundo (1798)
En Cambridge, Inglaterra, uno de los laboratorios de física más grandes del mundo lleva el nombre de Henry Cavendish, un científico del siglo XVIII que pesó el mundo. ¡Toda una empresa, podrías pensar! En realidad, el famoso experimento de Cavendish consistió en medir la densidad de la Tierra, a partir de la cual se puede calcular su masa (o peso, si quieres ser informal al respecto). Su aparato era relativamente simple. Tenía dos bolas pequeñas montadas en los extremos de un palo y dos más grandes montadas en un segundo palo. Las bolas más grandes girarían hacia adelante y hacia atrás, atraídas por la fuerza gravitacional que las bolas más pequeñas ejercen sobre ellas. Aquí hay un breve video clip de YouTube que muestra cómo se organizó el experimento. Con este aparato, Cavendish pudo determinar la densidad de la Tierra y una constante importante y fundamental llamada G (la constante gravitacional), que más tarde se convirtió en una parte importante en la ley de gravitación universal de Isaac Newton y en la teoría general de la relatividad de Einstein. Entonces, el experimento Cavendish sentó las bases de nuestras modernas teorías de la gravedad.
4: Thomas Young demuestra que la luz es una ola … ¿o sí? (1803)
Newton pensó que un haz de luz era como un tren de partículas en miniatura o “corpúsculos” que navegaban por el cielo, pero otro gran experimento demostró que estaba equivocado. En 1803, Thomas Young ideó un experimento clásico. Hizo dos rendijas estrechas en un tablero y colocó un haz de luz entre ellas para que brillara a través de ambas rendijas simultáneamente en una pared detrás. Si Newton hubiera estado en lo correcto con respecto a la luz, Young habría visto dos puntos brillantes en la pared y oscuridad en el medio. Pero cuando hizo este experimento, lo que realmente vio fue un patrón de áreas claras y oscuras donde los rayos de luz de las dos rendijas “interferían”. En algunos lugares, la luz de una rendija se agrega a la luz de la otra y crea un área brillante; En otros lugares, la luz de las dos rendijas se resta y deja un área oscura. Este patrón de interferencia demostró que los rayos de luz viajaban no como partículas sino como ondas.
Ese podría haber sido el final de la historia, ¡pero no lo fue! En 1905, Albert Einstein demostró que la luz podía comportarse como una partícula: si brillaba la luz sobre un metal, podría eliminar electrones para formar una corriente eléctrica (un fenómeno conocido como el efecto fotoeléctrico y la ciencia por la que ganó Einstein). Premio Nobel de Física de 1921). Como resultado de esto, la gente se dio cuenta de que la luz era una partícula y una onda, una idea ahora conocida como dualidad onda-partícula, que es una de las ideas clave en la teoría cuántica (el área de la física relacionada con los átomos y otras atómicas). fenómenos de escala).
Hay un giro final en este experimento. En 1961, Claus Jönsson, un estudiante de la Universidad de Tübingen, utilizó un equipo similar al de Thomas Young, pero reemplazó el haz de luz con un haz de electrones. Sorprendentemente, vio el mismo patrón de interferencia, lo que demuestra que los electrones pueden considerarse ondas y partículas.
¿Quiere saber más? El profesor de ciencias Derek Owens ha hecho una pequeña animación excelente que explica el experimento de la doble rendija que te gustaría ver.
5: James Prescott Joule demuestra la conservación de la energía (1840)
Supongamos que quieres correr una maratón. Una ley básica de la ciencia llamada conservación de la energía nos dice que necesita llenar su cuerpo con “42 km (26 millas) de alimentos”. O digamos que quiere conducir un automóvil desde la ciudad de Nueva York a Los Ángeles. La misma ley dice que tendrá que poner alrededor de 4000 km (2500 millas) de gasolina en su tanque. En otras palabras, cualquier cosa que quieras hacer necesita energía para hacerlo. La energía que necesita es igual al trabajo que desea hacer (y recuerde que “trabajo” es el nombre científico de cuánto esfuerzo está haciendo, lo que implica usar una fuerza para una cierta distancia).
La persona que descubrió esto experimentalmente fue James Prescott Joule. En su experimento, había un gran recipiente lleno de agua que tenía una rueda de paletas fijada en su interior. La rueda de paletas estaba conectada a un eje alrededor del cual se enrollaba una cuerda muchas veces. La cuerda estaba enrollada sobre una polea y tenía un pesado al final. Cuando Joule soltó el peso (1), tiró de la cuerda alrededor de la polea (2), giró el eje (3) e hizo girar la rueda de paletas, lo que calentó el agua. Dejó caer el peso unas 20 veces para que el agua se calentara lo suficiente como para poder medir. Una vez que había hecho todos sus cálculos, demostró que la cantidad de energía potencial perdida por la caída de peso era exactamente igual a la cantidad de energía térmica obtenida por el agua. Energía perdida = la energía obtenida es otra forma de expresar la conservación de la energía: no puede crear o destruir energía, pero puede convertirla de una forma a otra (en este caso, de energía potencial en calor).
Aquí hay una explicación visual rápida del equivalente mecánico de Joule del experimento de calor y el trabajo científico anterior de Sir Benjamin Thompson, el Conde Rumford, en el que se basó.
Obra: El “equivalente mecánico del calor”: el famoso experimento de James Prescott Joule que demuestra la ley ahora conocida como la conservación de la energía.
6: Hippolyte Fizeau mide la velocidad de la luz (1851)
La luz viaja a una velocidad vertiginosa; ¡Un haz de luz puede correr siete veces alrededor del mundo en un segundo! Pero si la luz es tan rápida, ¿cómo sabemos esto? ¿Cómo podemos medir su velocidad? La velocidad es qué tan lejos viaja algo en un tiempo determinado, por lo tanto, si vivió hace unos cientos de años y solo podía medir el tiempo con precisión en segundos o minutos, necesitaría cronometrar la luz haciendo un viaje muy largo para calcular su velocidad con precisión. Es por eso que las primeras mediciones de la velocidad de la luz se realizaron observando varios fenómenos astronómicos.
Luego, a mediados del siglo XIX, el físico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau descubrió una forma de medir la velocidad de la luz en la Tierra. Él brilló un rayo de luz (1) en un espejo medio plateado (2) para que rebotara a través de una rueda que giraba cientos de veces por segundo (3). Como un engranaje, la rueda tenía dientes cortados en su borde y la luz atravesó uno de ellos. Fizeau arregló para colocar un espejo (4) a unos 8,5 km (5 millas) de su aparato para que la luz lo golpeara y rebotara de la misma manera, volviendo a través de él (5) y dentro de un telescopio a través del cual estaba mirando (6) Sabía cuán lejos había viajado el haz de luz, así que todo lo que tenía que medir era cuánto tiempo le llevó. La rueda dentada giratoria era efectivamente su reloj: sabiendo cuántos dientes tenía y qué tan rápido giraba, podía ajustar su velocidad hasta que bloqueaba la luz del espejo lejano. En ese momento, sabía que el rayo de luz había viajado solo una vez desde su lámpara al espejo y viceversa (una distancia que había medido), y también sabía cuánto tiempo había transcurrido entre el rayo de luz que salía y volvía de nuevo. Entonces, todo lo que tenía que hacer era dividir la distancia por el tiempo para calcular la velocidad de la luz. Su cifra era de aproximadamente 3,1 × 108 m / s, que era aproximadamente un 5 por ciento demasiado alta, pero un resultado muy impresionante.
El aparato de Fizeau fue mejorado posteriormente por Léon Foucault, quien reemplazó la rueda dentada con un espejo giratorio. Esta técnica más precisa le permitió medir la velocidad de la luz como 2.98 × 108m / s, que es menos del 1 por ciento del valor que usamos hoy.
El sitio web de School Physics tiene una gran página sobre la medición de la velocidad de la luz, que muestra cómo Fizeau y Foucault hicieron sus mediciones y los cálculos que utilizaron, y cómo el físico estadounidense Albert Michelson obtuvo resultados aún más precisos.
7: Robert Millikan mide la carga en el electrón (1909)
Los electrones transportan electricidad, por lo que la menor cantidad de electricidad que pueda tener debe ser igual a la carga que transporta un electrón. ¿Cómo puedes medir la carga en algo tan pequeño? Robert Millikan descubrió una forma de medir la unidad más pequeña de carga eléctrica rociando gotas de aceite entre dos placas cargadas eléctricamente que estaban suspendidas horizontalmente. Después de darles una carga eléctrica, descubrió que podía moverlos hacia arriba y hacia abajo ajustando el voltaje en las placas, y midiendo la velocidad de su movimiento podía calcular la carga que tenían.
¿Cómo funcionó el experimento de Millikan? Como cualquier otra cosa, una gota de aceite tiene masa, por lo que es empujada hacia abajo por el aire por la fuerza de la gravedad hasta que alcanza su velocidad terminal, que Millikan midió. Luego le dio a las gotas una carga eléctrica negativa para que pudiera evitar que cayeran aplicando un voltaje positivo a la placa superior. En otras palabras, por lo que su peso (que actúa hacia abajo) estaba equilibrado por una fuerza eléctrica atractiva (que actúa hacia arriba). Con la corriente encendida, descubrió que algunas gotas caían más lentamente, algunas dejaban de moverse y algunas incluso se movían hacia arriba. Un poco de pensamiento claro le dijo que las gotas deben llevar múltiplos de la unidad básica de carga eléctrica (múltiples electrones, en otras palabras) y esto afectó la rapidez con que subían o bajaban cuando la energía estaba encendida. Al medir su velocidad terminal con la energía encendida y compararla con su velocidad terminal con la energía apagada, calculó la unidad básica de carga eléctrica, ahora conocida como la carga en el electrón, con una precisión razonablemente alta. Este importante trabajo le valió el Premio Nobel de Física de 1923.
Aquí hay una buena explicación en video del experimento de caída de aceite de Millikan por Tyler DeWitt.
8: Ernest Rutherford (y sus asociados) dividieron el átomo (1897–1932)
Los antiguos griegos decían que la materia estaba hecha de bloques de construcción fundamentales llamados átomos; eligieron esa palabra deliberadamente porque significa “algo que no se puede dividir”. Imagine la sorpresa y el deleite de los científicos a fines del siglo XIX cuando comenzó a quedar claro que los átomos en realidad estaban hechos de cosas aún más pequeñas. La frase “dividir el átomo” significa cosas diferentes para diferentes personas. Quizás la forma más justa de verlo es decir que se refiere a toda una serie de experimentos que tuvieron lugar desde aproximadamente 1897 hasta aproximadamente 1932, cuando un grupo de científicos brillantes identificaron las partes dentro de los átomos y calcularon cómo estaban organizados. Los experimentos de división de átomos incluyeron el descubrimiento del electrón por JJ Thomson en 1897, los experimentos de “transmutación” de Ernest Rutherford y Frederick Soddy (convertir átomos en otros átomos), el descubrimiento de neutrones en 1932 por James Chadwick y uno de los experimentos más famosos de todos : el experimento de 1909 Geiger-Marsden o lámina de oro.
Mientras trabajaba en la Universidad de Manchester en Inglaterra, Rutherford consiguió que dos de sus estudiantes, Hans Geiger y Ernest Marsden, dispararan partículas cargadas positivamente (alfa) en una delgada lámina de lámina de oro. Como se esperaba, la mayoría de las partículas se dispararon directamente, pero una pequeña cantidad (aproximadamente una de cada 8000) se dobló a través de grandes ángulos y algunas incluso rebotaron de vuelta. Rutherford y sus colegas estaban asombrados. Como dijo famoso: “Fue casi tan increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas contra un trozo de papel de seda y volviera y te golpeara”. Su explicación fue ingeniosa pero simple: los átomos deben consistir en un núcleo cargado positivamente (el núcleo) con electrones en el vasto espacio vacío que lo rodea. La mayoría de las partículas alfa se dispararon directamente a través de esta nube de electrones y no se vieron afectadas. Los pocos que fueron desviados habían sido disparados muy cerca (o directamente) del núcleo, por lo que su carga positiva fue repelida por la carga positiva allí. Fue este experimento el que confirmó nuestra imagen moderna del átomo con un núcleo central y electrones dispuestos a su alrededor (a veces llamado átomo de Rutherford).
Obra: en el experimento de la lámina de oro de Rutherford (también conocido como el experimento de Geiger-Marsden), los átomos en una lámina de lámina de oro (1) permiten que las partículas alfa cargadas positivamente pasen a través de ellos (2) siempre que las partículas se alejen el núcleo. Cualquier partícula disparada al núcleo es desviada por su carga positiva (3). ¡Disparados exactamente en el ángulo correcto, rebotarán de vuelta! Si bien este experimento no está dividiendo ningún átomo, como tal, fue una parte clave del esfuerzo de décadas para comprender de qué están hechos los átomos, y en ese sentido, ayudó a los físicos a “dividir” (aventurarse dentro) el átomo .
9: Enrico Fermi demuestra la reacción en cadena nuclear (1942)
Los experimentos tienen el poder de cambiar el mundo, y nada ilustra esto más profundamente que un experimento realizado por el físico italiano Enrico Fermi en diciembre de 1942. En este punto, los científicos habían descubierto la estructura del átomo. Gracias a las sorprendentes ideas teóricas de Einstein, también sabían que la materia y la energía eran lo mismo y que una pequeña cantidad de materia podría, en teoría, convertirse en una cantidad masiva de energía. Al unir estas dos cosas, se dedujo que deberías ser capaz de destrozar átomos y liberar grandes cantidades de energía.
Fermi probó esto en la Universidad de Chicago con una configuración experimental que llamó una “pila atómica”. En su experimento, (1) disparó un neutrón (una partícula no cargada del núcleo de un átomo) a un átomo de uranio-235 (uranio con una masa atómica relativa de 235, en otras palabras, un total de 235 protones y neutrones ) para convertirlo en un átomo más grande de uranio-236 (2). El uranio-236 tiene una unidad de masa más que el uranio-235, gracias al neutrón agregado, pero es tan inestable que se divide inmediatamente en dos átomos más pequeños (3) y dos neutrones (4). La masa total de los átomos más pequeños y los neutrones era menor que la masa del átomo de uranio-236 que los había producido, y esa masa se convirtió en energía, según la famosa ecuación E = mc2 de Einstein. Los dos neutrones luego volaron y alcanzaron otros dos átomos de uranio-235, haciendo que ocurrieran dos reacciones más … que luego sucedieron cuatro reacciones … y así sucesivamente. Esta es la famosa reacción en cadena que impulsa las bombas nucleares y las centrales nucleares.
Obra: Izquierda: la reacción en cadena nuclear que convierte el uranio-235 en uranio-236 con una gran liberación de energía.
10: Rosalind Franklin fotografía ADN con rayos X (1953)
Es bien sabido que Francis Crick y James Watson descubrieron la estructura del ADN (la molécula que transporta nuestro material genético, con dos hebras entrando y saliendo una de la otra en un patrón conocido como doble hélice); Por este magnífico trabajo, compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 con Maurice Wilkins, quien había realizado algunos de los estudios de difracción de rayos X que Crick y Watson habían utilizado. La difracción de rayos X funciona un poco como títeres de juego de sombras, solo que en lugar de usar una linterna para proyectar sombras de sus manos y hacer siluetas de animales en una pared, usa un haz de rayos X para arrojar sombras precisas de la estructura atómica de un material sobre Una placa fotográfica. La foto que obtenga puede revelar cómo se ordenan los átomos dentro de un cristal y el espacio entre ellos.
Crick, Watson y Wilkins fueron bien celebrados por su descubrimiento, pero un miembro clave del equipo desapareció de la lista de nominados al Nobel: Rosalind Franklin, quien había muerto de cáncer cuatro años antes en 1958, tenía solo 37 años (los Premios Nobel nunca son otorgado póstumamente). Franklin había tomado una foto de difracción de rayos X particularmente importante, que revelaba una gran cantidad de información sobre la estructura del ADN. Aunque la importancia vital de su trabajo ha sido confirmada por los científicos, ella nunca ha disfrutado del mismo reconocimiento que Crick, Watson y Wilkins; la mayoría de los no científicos ni siquiera reconocerían su nombre.
El sitio web de PBS sobre Anatomy of Photo 51 le brinda más información sobre la foto de rayos X de Franklin y las cosas que Crick y Watson pudieron deducir de ella. La biografía detallada de Wikipedia de Rosalind Franklin explica sus contribuciones y la falta de crédito, y enumera algunos de los intentos tardíos de reconocer su trabajo desde su muerte.
Gracias…