(Un texto de R. Pérez en elconfidencial.com del 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 Arquímedes 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 antigua 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 colgaban 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 alambre
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 partículas 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.
Ese
patrón de interferencia demostraba que los rayos de luz no
viajaban como partículas, sino como ondas 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 coincidían. 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 interferencia 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 cualquier 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 hélice estaba
conectada a un eje que salía del contenedor y en torno 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.
Entendió
que las gotas debían portar varias unidades de carga
eléctrica y que eso afectaba a la cómo de rápido
caían o se elevaban al activar la corriente 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 unidades 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 electrones 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 unidad 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
autora 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 hélice se dispersarían en ángulos perpendiculares a la
hélice, creando un patrón en forma de X. Eso fue precisamente
lo que captó Franklin.Etiquetas: Ciencias de todo pelaje (física - química - matemáticas-biología-anatomía-medicina...)
