Resumen del libro Siete breves lecciones de física por Carlo Rovelli (Seven Brief Lessons on Physics)
Resumen corto: Seven Brief Lessons on Physics (2014) o en español Siete breves lecciones de física. Es una guía sobre cómo llegamos a los dos pilares de la física moderna: la teoría de la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica.
¿Quién es Carlo Rovelli?
Carlo Rovelli es un físico teórico que ha realizado importantes contribuciones a la física del espacio y el tiempo. Actualmente dirige el grupo de investigación sobre gravedad cuántica del Centre de Physique Théorique en Marsella, Francia. Rovelli es el autor de La realidad no es lo que parece y El orden del tiempo.
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Los comienzos de la física
En la segunda mitad del siglo XX, la mecánica cuántica y la relatividad general se utilizaron para comprender tanto el macrocosmos del universo como el microcosmos de átomos y partículas.
Comencemos con la vista macro y cómo la relatividad general mejoró nuestra comprensión del universo.
Los primeros griegos, hace unos 26 siglos, consideraban que el mundo era un lugar plano, con un cielo arriba. Pero luego vino Anaximandro, un pensador griego que reconoció que el cielo no podía ser plano.
A esta le siguieron más observaciones como las de Parménides y Pitágoras. Sugirieron que la Tierra no era plana sino una esfera y que los planetas y las estrellas del cielo giran alrededor de la Tierra.
No fue hasta el final de la Edad Media que Copérnico comenzó a cambiar esta visión centrada en la Tierra cuando puso el sol en el centro, con la Tierra y el resto de estrellas y planetas girando a su alrededor. En ese momento, los telescopios estaban aumentando el poder de nuestras observaciones y conocimiento del cosmos. De hecho, parecía como si la Tierra, e incluso todo nuestro sistema solar, fuera una pequeña parte de una galaxia llena de miles de millones de estrellas.
A principios del siglo XX, los físicos descubrieron que toda nuestra galaxia era una nube de polvo en un vasto universo de galaxias.
Y fue aquí donde Einstein cambió nuestra percepción del espacio, de ser plano, como la tranquila superficie del océano, a ser curvo, como la superficie ondulada de un océano. Einstein predijo que estas ondas podrían acumular masa densamente para crear huecos en la superficie, que eventualmente se conocerían como agujeros negros.
Finalmente, nuestras observaciones del universo revelaron que se está expandiendo lentamente. Y al revertir esta expansión, pudimos determinar que alguna vez fue un punto pequeño, caliente y densamente cultivado que explotó, creando el gran ballet cósmico que vemos hoy.
La huella de Einstein
Después de graduarse de la Politécnica de Zúrich en 1900, Albert Einstein, de veintiún años, encontró escasas sus perspectivas laborales. Se había graduado casi como el último de su promoción, casi con certeza eliminando la posibilidad de ser profesor de universidad.
Pero esto fue mas una bendición que un problema para Einstein. Su bajo rendimiento académico no se debía a su falta de capacidades, sino a sus dificultades con el sistema. Limitaban demasiado los temas como para permitirle saciar su curiosidad.
Feliz de estar lejos de la universidad, su objetivo era investigar por su cuenta, ciertos problemas de física que lo habían fascinado durante varios años. Sería un periodo de autodescubrimiento en la resolución de problemas y experimentos mentales. Pero mientras tanto, tendría que ganarse la vida.
Entre sus pocas opciones, estaban un trabajo en el negocio de dínamo de su padre en Milán como ingeniero, pero este trabajo no le dejaba tiempo libre. Un puesto bien pagado en una compañía de seguros, pero eso oxidaría sus capacidades de resolución de problemas, y agotaría su energía para pensar.
Por suerte, un año después, otro amigo mencionó una oferta en la Oficina Suiza de Patentes en Berna. El salario no era muy bueno, las horas eran largas y el trabajo consistía en la tarea mundana de revisar las solicitudes de patentes. Pero Einstein entendió el potencial de la oportunidad. Era todo lo que quería.
Su tarea sería analizar la validez de las solicitudes de patentes, muchas de las cuales involucran aspectos de la ciencia que le interesan. Las aplicaciones serían como pequeños rompecabezas o experimentos mentales; podría visualizar cómo las ideas se traducirían en inventos.
Trabajar en ellos agudizaría su capacidad de razonamiento. Después de varios meses en el trabajo, se volvió tan bueno en este proceso que podía terminar su trabajo en dos o tres horas, dejándole el resto del día para dedicarse a sus propios experimentos mentales. En 1905, Albert Einstein envió tres artículos a una de las revistas científicas más prestigiosas del mundo, la revista alemana Annalen der Physik. Cada uno de ellos ahora se considera digno de un Premio Nobel, pero fue el tercer artículo que se hizo famoso ya que contenía el libro de Einstein
Primera teoría de la relatividad. Hoy en día, esto se conoce como su teoría de la relatividad especial, y esencialmente describe cómo el tiempo es relativo, dependiendo de las condiciones que rodean a la persona que lo experimenta.
Por ejemplo, si viajamos lo suficientemente rápido, el tiempo se ralentiza. Entonces, si dejamos el planeta y damos un paseo rápido en un cohete que nos lleva alrededor del mundo a la velocidad de la luz, cuando aterricemos, el tiempo habrá pasado más lento para nosotros que para el planeta.
La teoría de Einstein sorprendió a la comunidad científica, lo que le ganó fama instantánea. Sin embargo, había un problema con el que tenía que lidiar: en ese momento, su teoría estaba en conflicto directo con la teoría de la gravedad de Newton, que había estado vigente desde el siglo XVII.
La teoría de Newton afirmaba que la fuerza de la gravedad controla la forma en que los planetas y las estrellas interactúan entre sí y se mueven por el espacio. Ese espacio aparentemente vacío fue llenado aún más por los físicos británicos Michael Faraday y James Clerck Maxwell, quienes presentaron el concepto de campos electromagnéticos. Ahora, junto con la gravedad, había ondas que podían “transportar” fuerzas eléctricas.
A Einstein le tomó diez años de arduo trabajo, pero finalmente emergió con su teoría de la relatividad general, una obra maestra del pensamiento.
En el pensamiento de Einstein era fundamental que, si hay un campo electromagnético, también debe haber un campo gravitacional. El golpe de genio de Einstein radica en dar un paso más allá para teorizar que el campo gravitacional no “llena” el espacio.
El espacio no es plano, se curva alrededor de objetos masivos como planetas y estrellas, y mientras lo hace, el campo gravitacional ejerce una medida de fuerza sobre cada objeto.
El trabajo de Einstein ofreció una plataforma de lanzamiento perfecta para nuevas teorías.
La relatividad general y la mecánica cuántica
Para la física del siglo XX, hay dos pilares sobre los que se basa todo: la teoría de la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica, pero los dos tienen poco en común.
La mecánica cuántica se conoce con el nombre de teoría cuántica, y se utiliza para comprender todo lo que sucede cuando nos acercamos al nivel atómico y subatómico, donde residen los átomos y las partículas. Y nos ha traído una idea de nuestro universo; ha dado lugar a importantes avances en campos como la informática, biología y fotónica.
Aún así, para la mayoría de nosotros, la mecánica cuántica es un campo de estudio misterioso y casi incomprensible.
La mecánica cuántica tuvo su inicio oficial en 1900 cuando el físico alemán Max Planck estaba estudiando campos eléctricos. Al intentar simplificar un cálculo, Planck decidió representar la energía en forma de pequeños paquetes con valores distintos. De esta manera, la energía en los campos eléctricos tenía que asumir valores específicos y luego moverse a lo largo de un espectro continuo. Para su sorpresa, los cálculos de Planck comenzaron a funcionar con asombrosa precisión.
Al final resultó que estos paquetes de energía eran algo real. Años más tarde, Einstein lo confirmaría al demostrar cómo la luz está formada por los paquetes de energía que llamamos fotones.
En las décadas de 1920 y 1930, hubo más sorpresas cuánticas cuando el físico danés Niels Bohr hizo un descubrimiento sobre los electrones. Bohr descubrió que existen valores limitados y específicos para la cantidad de energía que puede tener un electrón. Además, esta cantidad de energía determina la órbita que tomará un electrón a medida que viaja alrededor del núcleo de un átomo.
Pero eso no es todo; Bohr descubrió que los electrones podían moverse de una órbita a otra: pero para hacerlo, no se mueven por una trayectoria continua, ya que eso desafiaría los cálculos de Planck, deben “saltar”, desaparecer de una órbita y reaparecer en otra: se les llama saltos cuánticos. Esto significa que las posiciones en las que puede estar un electrón en un momento dado son limitadas. Tambien es la razón por la que la clasificación de los elementos en la tabla química tiene sentido, porque cada átomo tiene un numero concreto de electrones dispuestos en “posiciones concretas”.
La siguiente revelación en la teoría cuántica vino de otro físico alemán, este con el nombre de Heisenberg, que estaba tratando de explicar el comportamiento inusual de los electrones.
Heisenberg sugirió que puede ser necesaria la interacción, como observación, para que exista un electrón. , si nadie está observando un electrón, no tiene una posición fija. Y si algo no tiene una posición fija, podemos calcular una probabilidad de dónde podría aparecer a continuación.
La aparición de la mecánica cuántica supuso un gran paso adelante para la física, ya que generó ecuaciones que son utilizadas a diario por ingenieros, químicos, biólogos y físicos por igual.
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