jueves, 26 de mayo de 2011

¡HELP!

Queridos amigos y seguidores de este blog:
   Hace dos días que el invento no me funciona: Introduzco la clave y no aparece mi @ en la cabecera del blog; intento colgar un post en otros blogs de los que soy ferviente seguidor y aparezco como anónimo tras introducir mi identificación una y otra vez, sin conseguir publicar; he recurido a la ayuda de Google y he seguido las instrucciones dadas por correo electrónico, cambiando la clave, sin éxito y, curiósamente, cuando elijo "entrar" en la cabecera de mi caótico me remite al escritorio sin necesidad de introducir los datos de rigor. No sé qué hacer, porque las nuevas tecnologías me superan ahora que ya no soy joven. En mi infancia y adolescencia construía y reparaba aparatos electrónicos elaborando a mano los circuítos impresos y soldando las piezas yo mismo, pero ahora soy un inútil total sin gota de paciéncia.

  
 ¿Can you help my, please?

martes, 24 de mayo de 2011

LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD: UNA VISIÓN EXTRAÑA DEL UNIVERSO (I)




Albert Einstein. Quizá el científico más popular de la historia de la ciencia.


Inicio hoy una de las mayores osadías que han pasado por mi mente: hablar de física y concretamente de una teoría que todo el mundo conoce pero que pocos entienden con mediana corrección. Tengo la formación científica que tengo, que no incluye la física y las matemáticas, y soy persona de entendimiento mediocre pero de gran pasión y curiosidad, porque:
       Maravillarnos, mientras erramos a través de este mundo de múltiples misterios, es cumplir el propósito de nuestra creación y nuestro destino. Y aquel, que no se maraville, o a quien nunca hayan conmovido los misterios, debería ser enterrado en la más húmeda tierra, pues ese está muerto y nunca vivió.
(James A. Coleman, jefe del departamento (que fue) de física del American College -Sprinfgfield-Massachusetts).
   Por todo ello pido perdón de antemano por los errores que cometeré y agradezco, también por adelantado, las correcciones que deberían hacer los posibles lectores de esta entrada.

La historia comienza con DEMÓCRITO DE ABDERA (460-370 a.c.) , el filósofo "presocrático" que con su pensamiento y sin ningún instrumento concibió la teoría atómica, que habría de ser confirmada siglos más tarde, siendo fundadores él y su maestro Leucipo de la ESCUELA ATOMISTA. Se le considera presocrático por su temática acerca de la naturaleza (que comparte con los verdaderos presocráticos o filósofos de la naturaleza, cuando realmente fue contemporáneo de Sócrates).
 Demócrito consideraba que los cambios en la naturaleza no se debían a que las cosas realmente cambiaran; dichos cambios eran producidos por la composición de la materia, que él consideraba compuesta por elementos muy pequeños que llamó átomos (indivisible), y que se caracterizaban por tres propiedades fundamentales:
 Ser ETERNOS, pues nada puede surgir de la nada.
 Ser INALTERABLES, combinándose con otros átomos para formar cuerpos que, cuando se destruyen estos, se separan sin sufrir cambios.
 Ser INDIVISIBLES, pues no se pueden reducir a elementos más pequeños. Esta última propiedad habría de ser desmentida por la física moderna con el descubrimiento de las partículas subatómicas, que convierten al átomo en una especie de matrioska rusa, formada por muñecos de tamaño decreciente que encajan unos en otros.
Demócrito no consideraba ningún tipo de fuerza o espíritu que interviniera en los procesos naturales ya que "en la naturaleza todo ocurre mecánicamente y sólo existen átomos y vacío", estando la conciencia y el alma formados también por átomos por lo que no se puede hablar de la inmortalidad del alma (con ello, es uno de los precursores del materialismo). Parece ser que fue su discípulo Epicuro el que consideró otra de las propiedades atómicas: EL PESO.

 Albert Einstein tuvo un comportamiento similar al concebir su teoría a base de experimentos mentales que no podían ser probados en la época (en 1905 publicó su TEORÍA ESPECIAL) por la falta de medios técnicos, confirmándose posteriormente muchas de las consecuencias de su teoría, que cambiaría la concepción del universo. Aquel niño con cierto retraso madurativo (comenzó a hablar a los tres años) y aquel adolescente díscolo y siempre desafiante ante la autoridad, pero esencialmente pacífico, habría de decir años más tarde:
  Me  gustaría saber cómo creó Dios este mundo. No me interesa este o aquel fenómeno. El espectro de este o aquel elemento. Lo que quiero conocer son Sus  pensamientos, el resto son detalles.
 Y más tarde añadiría:
  Una vez que se ha reconocido la validez de este modo de pensamiento, los resultados finales parecen casi sencillos; todo estudiante inteligente puede comprenderlos sin mucha dificultad. Pero los años de búsqueda en la oscuridad de una verdad que uno intuye pero no puede expresar, el intenso deseo y las alternancias de confianza en sí mismo y de duda, hasta que uno llega a la comprensión, sólo los conoce quien los ha experimentado por sí mismo.
 Del mismo modo que los antecesores de Einstein; Galileo, Copérnico...y principalmente Newton, hicieron avanzar la física con la teoría heliocéntrica y la descripción, por parte de Newton, de la gravitación y la inercia que abarcaba una Tierra en movimiento, la relatividad de Einstein permitió a la física abordar las velocidades inimaginables, las distancias increíbles, las energías infinitas y, fundamentalmente, el universo infinito más allá de nuestro sistema solar. Todos recordamos la física clásica que estudiamos en la enseñanza secundaria, basada principalmente en la inflexible concepción de Newton del espacio y el tiempo, en cuyo marco tenían lugar todos los sucesos y todo se podía medir sin ambigüedad: "El espacio absoluto, por su propia naturaleza, sin relación con nada externo, permanece siempre igual e inmutable"...."El tiempo absoluto, verdadero e inmutable, por sí y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin relación con nada externo" habría de escribir Newton en sus PRINCIPIA (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica).
 Einstein se vio obligado a abandonar los conceptos de Newton del espacio y el tiempo y en su Teoría Especial reveló que "el ritmo al que fluye el tiempo y la longitud de las distancias medidas a través del espacio varían según las velocidades relativas de aquellos que las miden"; es decir,  que cuando se viaja a velocidades grandes el tiempo se dilata y el espacio se encoge en una magnitud sólo perceptible a velocidades cercanas a la de la luz. En la teoría general se describe el espacio como curvo y de esa curvatura derivarían los fenómenos que la dinámica de Newton había atribuído a la fuerza de la gravedad.

 La Teoría de la Relatividad tiene su origen en el extraño comportamiento de la luz como fenómeno físico, y más concretamente en una de sus propiedades: la velocidad. A lo largo de la historia ha habido muchos intentos para medir la velocidad de la luz, con resultado de fracaso estrepitoso por la magnitud de la misma, que hoy sabemos que es de unos 300.000 Km/seg. También la velocidad del sonido fue objeto de medición a lo largo de la historia con mejores resultados, al ser ésta más asequible.
Marín Mersenne (1588-1648)
 Una de las primeras mediciones de la velocidad del sonido se la debemos al francés MARIN MERSENNE, filósofo, matemático (véase números primos de Mersenne), teórico de la música (L´armonie Universelle, publicada en 1627) y religioso (ingresó en la Orden de Los Mínimos, fundada en 1436 por San Francisco de Paula, y fue ordenado sacerdote en París en 1612) . Estudió con los jesuitas de la Flèche coincidiendo con Pascal, que era 8 años menor que él, y también en el Collége Royale du France y en la Sorbona.
 El método de Mersenne para medir la velocidad del sonido fue sencillo pero eficaz, aunque no disponía de un cronómetro de precisión para medir el tiempo. Un método que todos hemos utilizado y utilizamos para calcular la distancia a la que se halla una tormenta midiendo el tiempo transcurrido desde que vemos el relámpago hasta que oímos el trueno, sabiendo que el sonido viaja a unos 364 m/seg:

 Situó un cañón a varios kilómetros de él (distancia medida previamente) en un terreno con buena visibilidad, que debería disparar un ayudante. Sirviéndose de un péndulo cuyo periodo era conocido, midió las oscilaciones transcurridas desde el fogonazo hasta que oyó la explosión y calculó el tiempo transcurrido para después dividir la distancia conocida por el tiempo calculado (V= e/t), obteniendo una velocidad de 1100 Km/h que no difiere mucho de la aceptada actualmente (1200 Km/h). Para aquella época era una velocidad muy grande teniendo en cuenta que una persona, a paso ligero y por llano, desarrolla unos 6 Km/h y un buen caballo de carreras diez veces más. Hoy día nuestros aviones supersónicos pueden viajar a velocidades varias veces superiores a la del sonido.
                                                                    
Henri Victor Regnault (1810-1878)

Una medida más exacta la obtendría HENRI VICTOR REGNAULT (1810-1878), un químico francés nacido en Aquisgrán que sobresalió en el estudio de los gases y de los compuestos orgánicos, que llegó a establecer la velocidad del sonido en 1200 Km/h con tan sólo un error de un 3% de la velocidad estimada actualmente por métodos más sofisticados.

 Con todo ello, el sonido es un fenómeno físico más asequible que la luz. Su velocidad es muchísimamente más lenta, necesita de un medio para transmitirse y su naturaleza es puramente ondulatoria; mientras que la luz es rapidísima (la mayor velocidad que permiten las leyes del universo, como demostraría La Relatividad), se transmite en el vacío y su naturaleza es una dualidad entre partícula y onda.
 Con estas características tan peculiares no es  de extrañar que los científicos que abordaron su estudio en el pasado y los que lo abordan en el presente acumulen dudas y fracasos ante un fenómeno tan complejo, que trae en jaque a los físicos.


  Ya en la edad media se planteó la polémica acerca de la finitud o infinitud de la velocidad de la luz, tomando parte en ella personajes de la importancia de Descartes (1596-1650), que defendía su infinitud, y Galileo (1564-1642), que afirmó que no lo era. Precisamente a Galileo se debe uno de los experimentos más conocidos para medir la velocidad de la luz, Bien planteado pero condenado al fracaso por la pobreza de los medios de la época y la complejidad del fenómeno que se pretendía medir.

Galileo Galilei (1564-1642)

En una noche oscura de luna nueva un colaborador de Galileo, provisto de una linterna, se apostó en la cima de una colina mientras que Galileo se situó a varios kilómetros (distancia medida perviamente) con otra linterna, cubriendo ambos la fuente de luz. Llegado el momento, Galileo descubrió su farol y su ayudante hizo lo mismo al percibir la luz en la colina, mientras Galileo medía el tiempo que tardaba en recorrer el camino de ida y vuelta ¡con un reloj de la época! para después calcular la velocidad. Cada vez que realizaba una nueva medida obtenía resultados diferentes y muy dispares con lo que concluyó que su experimento había sido un fracaso.
 Evidentemente a la inexactitud de la medida del tiempo, con un reloj tan primitivo, se le suma la enorme velocidad del fenómeno lumínico y el tiempo de reacción de ambos desde la percepción del rayo de luz hasta que destapan su linterna. Si asumimos que el tiempo de reaccion de cada uno es un segundo, en ese tiempo la luz podría recorrer ¡14 veces la circunferencia de la Tierra!


 Unos años más tarde del fallido intento de Galileo y, por esas paradojas de la vida, el danés OLAF RÖEMER encontró casualmente un método astronómico para medir la velocidad de la luz perfectamente realizable en la época, basado en uno de los descubrimientos astronómicos de Galileo y que utilizaba un instrumento, el telescopio, que no había sido inventado por éste pero sí perfeccionado por él. En 1610, sirviéndose de un telescopio construido por él, Galileo descubrió las primeras cuatro lunas del planeta Júpiter, que orbitaban alrededor del planeta con un periodo constante.


El método de Roemer.


 En 1675 Roemer midió el periodo de las lunas de Júpiter en distintos meses obteniendo resultados diferentes (véase la imagen superior: la Tierra en posiciones diferentes alrededor del Sol y la primera luna de Júpiter eclipsada por el planeta). Roemer calculó el periodo de la primera luna cuando la Tierra se hallaba en la posición A del esquema y halló un valor de 42 horas y media (téngase en cuenta que Júpiter también gira alrededor del Sol pero con un periodo muy superior al de la Tierra y por ello podemos despreciar tal movimiento). Como se sabía que el periodo de la primera luna (y el de las demás) es constante se podrían predecir los eclipses de esa primera luna con exactitud, sucediéndose cada 42 horas y media, cosa que no ocurrió porque, a medida que la Tierra en su rotación alrededor del Sol se alejaba de Júpiter, Roemer comprobó que los eclipses ocurrían cada vez más tarde, y cuando la Tierra ocupaba la posición B pasados seis meses, el eclipse se produjo con un atraso estimado de 16 minutos aproximadamente.
 Roemer llegó a la conclusión de que tal retraso sólo podría atribuirse al tiempo que tardaba la luz, proveniente de la luna de Júpiter, en recorrer la distancia adicional entre los extremos del diámetro de la órbita terrestre, teniendo en cuenta que en la época el diámetro de la Tierra se estimaba en 277 millones de kilómetros frente a los 300 millones que estimamos hoy. Con todo ello Roemer estimó un valor para la velocidad de la luz demasiado bajo pero notable para aquellos tiempos, marcando un hito histórico.
           Un pequeño descanso para reponer fuerzas e ir a buscar unas palomitas y una centramina:


  Seguimos.


James Bradley (1693-1762)
 JAMES BRADLEY, astrónomo real de la corona inglesa y miembro de la Royal Society (que ha recibido el Premio Príncipe de Asturias de comunicación y humanidades 2011 por ser la sociedad científica más antigua) desde el 6 de noviembre de 1718 y famoso por el descubrimiento del fenómeno de aberración de la luz, empleó un método astronómico distinto al de Roemer que, aunque no fue muy preciso, afirmó la creencia de Galileo, cada vez más difundida en la comunidad científica, de que la velocidad de la luz era finita. Además, su experimento condujo directamente  a la teoría de la relatividad, entre otros que habrían de sucederse.
 Para su medida Bradley utilizó la estrella Gamma de la constelación del Dragón dirigiendo hacia ella su telescopio, primitivo y con escaso rendimiento lumínico, y comprobando que seis meses después la estrella parecía hallarse en una dirección distinta; fenómeno que denominó aberración.




















Bradley dirigió su telescopio hacia la estrella gamma del Dragón y recogió su luz en el objetivo del instrumento para recorrer en linea recta el tubo hasta el ocular (de OB a OC). Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol (unos 30 Km por segundo) Bradley debía girar su telescopio periódicamente para seguir enfocando la estrella (V-T del esquema superior), pero a los 6 meses comprobó que la estrella aparecía en una dirección diferente (para hacerse una idea, se puede contemplar a través de un espejo el esquema superior) y que la variación era de unos 40 segundos de arco, correspondiendo al ángulo de desviación con respecto  a la vertical (la dirección real de la estrella) unos 20 segundos de arco. Conocido el ángulo de desviación se podía formar un triángulo como el del esquema y calcular la velocidad de la luz multiplicando la velocidad orbital de la Tierra por la razón OBT/OCT.

Armand Hippolyte Fizeau.
Después de los métodos astronómicos de Roemer y Bradley, el francés ARMAND HIPPOLYTE FIZEAU volvió a intentar medir la velocidad de la luz por un método terrestre al igual que Galileo, es decir, medir el tiempo que tarda un rayo de luz en recorrer una distancia relativamente pequeña entre dos puntos de la Tiera. El experimento lo realizó en 1849 sirviéndose de un interferómetro que un año más tarde perfeccionaría León Foucault.
 El aparato que utilizó Fizeau se componía de una rueda dentada que gira impulsada por un sistema de pesas y poleas (en la época del experimento no había motores eléctricos), una vela como fuente lumínica y un espejo situado a 8 Km de distancia que reflejaría la luz emitida por la vela, después de pasar por los dientes de la rueda, para finalmente impactar sobre el ojo del experimentador. Un artifício similar al obturador de los antiguos proyectores cinematográficos y al estroboscopio que medía la velocidad en los antiguos platos giradiscos de los primeros equipos HIFI.



 Con el aparato,Fizeau comenzó su experimento con la rueda parada recibiendo el rayo de luz después de recorrer 16 Km. Al aumentar la velocidad los haces lumínicos se iban acortando cada vez más y, tras calcular el intervalo de tiempo según la velocidad conocida de la rueda y también el número de dientes de la misma, dividió la distancia recorrida (16 Km.) por el intervalo hallado y obtuvo un valor de 313.200 Km/seg, un 5% más de la velocidad que hoy se considera como correcta (300.000 Km/seg).
 A Fizeau también se le debe el Efecto Doppler-Fizeau, fácilmente comprobable por todos en una carrera de fórmula 1, cuando se nos acerca el bólido de Fernando Alonso, lo tenemos  delante y nos pasa a 300 Km/h: ÑIIIIIIIIIIIIIIIIIAAAAAAAAAOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO.



 El efecto Doppler-Fizeau, muy utilizado en medicina para medir  flujos en cardiología y cirugía vascular principalmente (eco-Doppler de troncos supra aórticos, eco-Doppler y eco Doppler color...) se basa en la propiedad de las ondas según la cual, al ser emitidas por una fuente de sonido/ultrasonido en movimiento con respecto a un oyente que permanece fijo, éste percibirá el sonido tanto mas agudo, al acercarse a él la fuente sonora, cuanto más velocidad desarrolle ella; cuando esté frente al oyente, éste percibirá el sonido con una frecuencia y longitud de onda igual a la que emite la fuente y, cuando se aleje de él la fuente sonora, tendrá una frecuencia menor y por tanto será más grave (véase esquema superior). El "truco" consiste en que a la velocidad del sonido se le suma o se le resta la velocidad de la fuente sonora según se acerque o se aleje del receptor. Este efecto tendría gran importancia en el desarrollo de la teoría de la relatividad general que inquietó a Einstein al investigar las implicaciones cosmológicas que dicha teoría tenía, al concebir el universo como un todo no estático, sino como un sistema en expansión o contracción; una idea revolucionaria para la época.
 Pero la medición más exacta y más famosa de la velocidad de la luz, perfeccionando el método del espejo rotatorio ideado por foucault y utilizado por este en 1850, a su vez perfeccionamiento del método de la rueda dentada de Fizeau, se lo debemos a MICHESON Y MORLEY.


Michelson.
Michelson fue el primer norteamericano en recibir el Premio Nobel de física en 1907 y su experimento no sólo midió la velocidad de la luz sino también en puso en solfa la existencia del Éter, al comprobar que el "arrastre" de ese fluído no existía, pues se obtenía la misma velocidad para la luz en todas las direcciones en las que se dirigía el rayo. En el experimento de Michelson se utilizaron varios espejos giratorios de 8, 12 y 16 caras que, como en el experimento de Fizeau, servían para fragmentar los rayos lumínicos, y un espejo reflectante situado a 35 Km de distancia sobre el monte San Antonio de California servía para reflejar la luz de la fuente situada en el monte Wilson. Como anécdota diré que la distancia entre ambos espejos fue medida por el U.S. Coastal & Geodetic Survey (Servicio de Levantamientos Costeros y Geodésicos de USA) con un error estimado de menos de 5 cm: Un logro para la época.
 Michelson repitió el experimento varias veces con gran minuciosidad y gracias a él hoy sabemos que la velocidad de la luz es de 300.000 Km/seg; velocidad que recorre la circunferencia de la Tierra en apenas un séptimo de segundo, los 149  millones de Km que nos separan del Sol en 8 minutos y que para viajar a la estrella más próxima a la Tierra, después del Sol, con la increible velocidad del rayo lumínico, tardaríamos 4 años luz, pues Alfa del Centauro está a unos 38 billones de Km de nosotros ¡como para hacer una visita en avión!
 La luz es una onda electromagnética, como las ondas de radio, los rayos ultravioleta e infrarrojos, que viajan a distinta velocidad según el medio. La luz en el vacío viaja más rápido que en la atmósfera, pero la diferencia es despreciable a efectos prácticos, y en el agua es de 3/4 partes que la conseguida en el vacío, mientras que a través del vidrio es de 2/3 .
 Terminamos por hoy, despues del cataclismo de Blogger que me ha fulminado gran parte de mi post, con alegria:


 Un nuevo mundo que se descubre día a día.