Física del siglo XX

Física clásica

Hacia finales del siglo XIX, la mayoría de la comunidad científica de físicos pensaba que habían resuelto la mayoría de problemas que podía plantear el universo. Tanto es así, que algunos físicos (como Michaelson) llegaron a decir que los principios más fundamentales de la física (mecánicos, termodinámicos, astronómicos...) se encontraban perfectamente establecidos. Por tanto, consideraban que únicamente faltaba refinar los métodos experimentales que confirmasen la mayoría de fenómenos físicos ya conocidos y ayudasen a predecir los que estaban por venir.

Unos pocos años después, comenzó el inicio del fin de toda la física estudiada hasta entonces: lo que hoy llamamos como física clásica. Esto se debe a que una serie de descubrimientos y, sobre todo, teorías radicales que fueron confirmadas posteriormente, tiraron por tierra las bases que a finales del siglo XIX se creían perfectas.

La física moderna —que es la sucesora de la física clásica— constituyó, entonces, una comprensión del mundo excepcional. Sin embargo, el precio a pagar fue un aumento significativo en la complejidad de los fenómenos y del formalismo matemático.

Física clásica y la transición a la física moderna

Los grandes problemas que la física tenía como tarea resolver a finales del siglo XIX eran dos: el problema del cuerpo negro (también conocido como catástrofe ultravioleta) y el problema del éter.

El problema del éter

Los físicos del siglo XIX y principios del XX pensaban que había dos fuerzas fundamentales en el universo: la gravitación y el electromagnetismo:

• La gravitación quedó completamente descrita por Newton —según su línea de pensamiento— y fue la primera gran revolución de la física. Sus leyes de movimiento, que describían toda la mecánica (a pesar de existir otros formalismos matemáticos más sofisticados) permitían la conexión entre las fuerzas y el movimiento que causan.
• Con la segunda gran revolución de la física —la formulación de las leyes de Maxwell— quedaba también completamente descrito el electromagnetismo, que se veía como el responsable de la inmensa mayoría de fenómenos que se observaban entonces. Sin embargo, esto sí es cierto: la mayoría de fenómenos cotidianos son causados por interacciones electromagnéticas.

No obstante, en esta época la noción de vacío no estaba asentada en la comunidad física. Por tanto, para establecer una teoría fuerte del electromagnetismo —que lograse describir ese extraño ente que llamamos luz— se necesitaba definir un medio por el cual la luz y las interacciones electromagnéticas se propagaran. Fue entonces cuando Michaelson realizó experimentos para probar la existencia de ese medio: el éter.

Estos experimentos dieron como resultado la concepción de que la luz se desplaza de igual forma en todas direcciones sin importar la velocidad del origen, como la Tierra misma. Esto significaba que no existía el éter y que, en consecuencia, las leyes de la física —en especial, las del electromagnetismo— se debían a la velocidad de los sistemas en los que se producían los fenómenos.

La homogeneidad del universo en relación con la luz y la constancia de su velocidad dejaron perplejos a los científicos. ¿Cómo podía ser que la velocidad de la luz no dependiese de nada externo? Las velocidades de los cuerpos, por entonces, se veían como algo que se podían sumar de la forma en que lo hacemos cuando estamos analizando simples problemas dinámicos.

Sin embargo, un físico alemán, Albert Einstein, tenía una visión opuesta sobre este problema. Él creía firmemente en que las leyes de la física habían de ser las mismas en cualquier parte del universo para cualquier observador.

Por tanto, la ausencia de la convicción de que el éter era el medio que permitía la propagación de la luz, implicó la propuesta de que la velocidad de la luz es constante medida en el vacío y desde cualquier sistema. Así, la idea de que las leyes de la física han de ser iguales en cualquier sistema, llevaron a Albert Einstein a formular las teorías de relatividad especial y, más tarde, de la relatividad general. Estas teorías destruyeron los conceptos absolutos de espacio y tiempo, así como el concepto de que la gravedad es una fuerza. Por tanto, durante un breve periodo, las teorías de Einstein consiguieron formar un marco mucho más completo, coherente y sofisticado que el de la física clásica (a pesar de ser inicialmente irreconciliables con la física cuántica).

El problema del cuerpo negro

De igual manera, Michaelson se propuso resolver otra incógnita, con un salto de intuición mucho mayor y, quizá, una mayor dosis de suerte. Este problema era llamado el cuerpo negro o catástrofe ultravioleta. Consistía en la discrepancia entre los datos experimentales de la emisión de los cuerpos que absorbían calor y la emisión en forma de radiación electromagnética.

Esta discrepancia fue formulada por el científico alemán Kirchhoff, quien señaló con acierto que —según las leyes de termodinámica y la física estadística— a mayor calor comunicado a un cuerpo negro, habría de ser mayor la intensidad de emisión de ondas electromagnéticas muy energéticas (ondas ultravioleta). Sin embargo, todos los experimentos mostraban que la intensidad de las ondas energéticas decaía cuanto más energéticas eran, incluso aunque se aumentase la temperatura a la que se encontraba el cuerpo negro.

Otro físico alemán, llamado Max Planck, se encontraba ante el reto de dar una conferencia en el año 1900 sobre el problema del cuerpo negro (que había captado su atención años antes). Inspirado por el deseo de presentar avances en la resolución del problema, renunció a algo que se había dado por supuesto a lo largo de la historia de la física clásica: la continuidad de las magnitudes físicas como la energía o la posición.

Al renunciar a esta hipótesis, Planck estaba diciendo que las magnitudes de un sistema, o al menos del sistema formado por un cuerpo negro, solo podían presentarse de forma escalonada o discreta. En el caso de un aparato de medición suficientemente bueno y preciso, podríamos ser capaces de encontrar dos situaciones en las que (por ejemplo) la energía no pudiese acercarse arbitrariamente, sino que habría de mantenerse a una distancia finita. Según Planck, la carencia de aparatos suficientemente precisos nos impedía detectar esta condición de las magnitudes físicas, debido a que, si nuestros aparatos no eran suficientemente buenos, no seríamos capaces de resolver estos saltos, sino percibiríamos todo como algo continuo.

El hecho de plantear esta hipótesis tan radical y de suponer que los saltos de magnitudes físicas eran proporcionales a una cantidad constante (lo que hoy llamamos constante de Planck) permitió a Planck derivar una curva teórica que reproducía de forma exacta las predicciones sobre las emisiones de los cuerpos negros. Así, Planck había sentado las bases de la física cuántica.

Física cuántica

En 1905, Albert Einstein utilizó la hipótesis de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. Descubrió que ciertos materiales podían absorber luz y emitir electrones. Este descubrimiento lo llevó sugerir lo siguiente:

Unos años más tarde, la física cuántica fue unificada por Hilbert, Dirac y Neumman, al explicar la naturaleza estadística de la materia. Así, grandes físicos del siglo XX se encargaron de desarrollar un formalismo muy complejo que permitiese describir cualquier fenómeno físico desde la incorporación de los aspectos fundamentales de la física cuántica.

Hoy se considera que esa descripción incide (de manera general) en todos los fenómenos. En consecuencia, es capaz de predecir la inmensa mayoría de los fenómenos que ya se habían descubierto hasta entonces y que se descubrirían posteriormente. De hecho, la mayoría de la física del siglo XX y del siglo XXI se ha enfocado en ofrecer una descripción cuántica de las fuerzas fundamentales —que fueron ampliadas de dos a cuatro, gracias al progreso experimental—.

Principios y características de la física moderna

Los principios y características fundamentales de la física moderna son:

• La realidad obedece las leyes de la física cuántica: las magnitudes físicas pueden tomar valores discretos y su evolución es probabilística, ya que existe una incertidumbre insalvable experimentalmente en la naturaleza.
  • El límite entre ondas y partículas es artificial: la física cuántica admite una descripción, en términos de ambos objetos, de cualquier fenómeno físico. Esto se conoce como dualidad onda-partícula
  • Los efectos cuánticos solo se perciben en ciertos regímenes no cotidianos. La física clásica se recupera del formalismo de la física cuántica al salir de los regímenes mencionados.
  • La formulación de la física cuántica, en términos de partículas, se pudo conjugar con las mediciones realizadas a lo largo del siglo XX para construir la electrodinámica cuántica. También, para la cuantización de las fuerzas fuerte y débil, que dan lugar a la mayoría de partículas del Modelo Estándar (nuestro mejor modelo actual del contenido fundamental del universo).

• El espacio-tiempo es relativo y obedece las leyes de la relatividad general, que explican cómo la gravedad es una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo causada por las masas.
  • La velocidad de la luz es constante, medida desde cualquier sistema, independientemente de su estado de movimiento.
  • Las leyes de la física son válidas en cualquier sistema de referencia; pero casar las leyes de la física entre distintos sistemas requiere utilizar fórmulas de relatividad general.
  • Se predicen fenómenos como los agujeros negros, la expansión y contracción del universo, la desviación de la luz, entre otros.

Historia de la física moderna

Finalmente, presentamos una breve cronología de la historia de la física moderna, incluyendo los principales físicos del siglo XX y sus contribuciones.

• En 1900, Max Planck formula la hipótesis de cuantización, para resolver el problema del cuerpo negro. Esto establece las bases de la física cuántica.
• En 1905, Einstein formula la teoría de relatividad especial. Con esto resuelve el problema del éter y predice que el espacio y el tiempo no son estructuras absolutas del universo.
• En 1911, Ernest Rutherford realiza unos experimentos de dispersión de partículas alfa que permitieron formular una hipótesis sobre los constituyentes básicos de la materia: los átomos. Esto daría inicio a la física nuclear y la física de partículas.
• Científicos como Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Dirac y Heisenberg dieron forma al formalismo matemático de la mecánica cuántica.
• De mano de científicos como Bloch, se conjugaron las nociones de física nuclear, termodinámica y física cuántica para dar lugar a los inicios de la física de materia condensada y la física del estado sólido. La superconductividad es una muestra de ello.
• Los avances experimentales de la física de partículas permitieron que científicos como Feynman, Dyson, Tomonaga y Schwinger desarrollaran la teoría cuántica de campos, que conjuga la física cuántica con las interacciones fundamentales del universo. Esto permitió describirlas todas siguiendo un formalismo altamente simétrico y preciso. De hecho, la electrodinámica cuántica es, a día de hoy, la teoría científica más precisa jamás desarrollada.
• Los avances experimentales, la relatividad general y la teoría cuántica de campos permitieron que científicos como Hawking contribuyesen a expandir el conocimiento y las predicciones sobre nuestro cosmos.
• El final del siglo XX y el siglo XXI se han dedicado a intentar conjugar la física cuántica con la relatividad general (un problema que sigue abierto hoy en día) y a intentar formular teorías de unificación que contengan las fuerzas fundamentales. Dentro de estos intentos están las teorías de cuerdas y supercuerdas, o las teorías de unificación.