La presencia de Newton en la vida diaria (9)

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Después de Newton

Después de Newton, nuevos formalismos matemáticos aparecieron para resolver, bajo otros principios, la llamada Mecánica Clásica: Lagrange, en 1788, propuso el principio de mínima Acción, función definida en términos de la energía del sistema, y Hamilton, en 1833, a través de un manejo especial de las coordenadas espaciales. Una explicación sencilla de ambas teorías escapa de los límites que permite este texto.

El desarrollo de las matemáticas y la rigurosa comprobación experimental que exige el método científico permitieron avanzar la física y la ciencia en general, de manera que a finales del siglo XIX, su éxito hizo pensar a muchos científicos estar cerca de obtener el conocimiento completo de un Universo claramente determinista.

La Termodinámica trata sobre la transferencia de calor como un intercambio de energía, regida bajo leyes universales. Se descubrieron procesos de su transformación en energía mecánica, cuya aplicación principal, la máquina de vapor y luego la de combustión interna, llevaría a la sociedad a mayores velocidades y fuerzas no imaginadas hasta entonces. Fueron muchos los científicos que colaboraron en esta área del conocimiento: por ejemplo, Ludwig Boltzmann, quien reconoció la Entropía como una cantidad que siempre crece en todo proceso de calor y defendió la existencia del átomo ante la oposición de la mayoría de los científicos de la época; se cree que el desdén que recibió por esto fue la causa de su suicidio en 1906, dos años antes de confirmase experimentalmente que él tenía razón. También pueden mencionarse a William Thomson y Hermann von Helmholtz, quienes hicieron notar que las leyes universales de la Termodinámica obligan a distribuir la energía total (una constante) de manera uniforme por todo el espacio, sin posibilidades de más intercambios de energía, lo que lleva a la muerte térmica del Universo.

Por otro lado, en 1865, James Clerk Maxwell, al enunciar otro conjunto de leyes universales, unifica las interacciones eléctrica y magnética en un campo electromagnético. Resultados de sus ecuaciones fueron el tratamiento matemático de las ondas electromagnéticas, la identificación de la luz como tales y el inicio de la comunicación inalámbrica.

En 1869, Mendeleev publicó en su obra Principios de química, en un pequeño cuadro llamado Tabla Periódica de Elementos¸ una clasificación de las componentes básicas que forman la Naturaleza, las cuales, en condiciones apropiadas, emiten una luz que, al ser analizada en los colores que la componen, generan un patrón de identificación único que hace las veces de huella digital. Al hacerse esto sobre las estrellas (el Sol, por ejemplo), se descubrió una luz amarilla que identificaría un nuevo elemento hasta entonces desconocido en la Tierra, al cual se le llamó Helio.

La tranquilidad científica del siglo XIX duró poco. Quedaban demasiados fenómenos que no podían ser explicados con las teorías existentes:

  • La órbita de Mercurio cambia de orientación sin poder explicarse con las ecuaciones de Newton.
  • Se diseñaron experimentos en que la luz no se comporta como onda electromagnética.
  • Max Planck, inmerso en la tradición de la época, nunca imagino iniciar la Mecánica Cuántica cuando se vio forzado a definir los paquetes de energía (quantos) en el estudio que realizó sobre el problema de radiación del cuerpo negro.
  • Las ecuaciones de Maxwell generan contradicciones cuando se busca que sean invariables ante la posición relativa del observador.
  • Michelson y Morley no lograron demostrar la existencia del éter (el supuesto medio para transportar la luz como onda, equivalente al aire para el sonido y el agua para las olas), lo que implicó, también, no encontrar variaciones en la velocidad de la luz al hacer cambiar la posición de la fuente.

Las soluciones a estos problemas modificaron radicalmente la física hasta entonces conocida. A principios del siglo XX, aparecieron dos nuevas teorías con diferentes visiones del Universo: la Relatividad de Einstein, con una geometría sobre el espacio-tiempo (que resolvería el problema de Mercurio), y la Mecánica Cuántica de Bohr, de carácter probabilístico y sin geometría (que resolvería los cuantos de energía de Planck). Nuevas fuerzas fueron descubiertas: la nuclear fuerte y la nuclear débil. Se llegó a conocer un nivel más profundo de la estructura de la materia con los protones, los neutrones, los electrones, los fotones (la luz) y otras partículas elementales.

A mitad del siglo XX, la Teoría General de la Relatividad volvió a hacerse popular a partir del descubrimiento de los pulsares y agujeros negros, y la mecánica cuántica hace su presencia en la vida cotidiana con los chips de procesamiento y memoria de las computadoras.

Una nueva teoría, el Modelo Estándar, ve, en una sola, las fuerzas nuclear fuerte, la nuclear débil y la electromagnética; se profundizó en la estructura de la materia con la identificación experimental de partículas básicas llamadas bosones y fermiones (fotones, gluones, quarks, etc.: componentes de los protones, neutrones…). Hace poco, se comprobó la existencia del Bosón de Higgs, partícula que faltaba para corroborar por completo estas predicciones.

¡Y todas estas teorías, tratadas a las velocidades y masas al nivel de realidad que vivimos, deben reducirse a las ecuaciones de Newton!

Tal vez por la popularidad de algunas películas, la Teoría del Caos atrajo la atención de la gente ajena a las actividades científicas. Si bien, no tiene leyes fundamentales como ocurre en la física, muestra la inmensa complejidad de cualquier parte del Universo o actividad humana cuando se le observa sin limitaciones. Esto puede explicarse con un simple ejemplo de la mecánica de Newton, la caída libre de un cuerpo: el modelo considera una partícula en interacción con el campo gravitacional de la Tierra, es decir, un objeto sin volumen desplazándose en el vacío; la ecuación es fácil de resolver y con una solución exacta. Pero, sin estas condiciones ideales, es decir, considerando la fricción con la tierra, el agua o el aire, y la correspondiente dificultad matemática al considerar, no un punto, sino un sólido geométrico con volumen, masa y la posibilidad de girar, las ecuaciones de movimiento se hacen extremadamente complejas y la solución sólo podrá ser obtenida con un sistema de cómputo con errores numéricos ante la imposibilidad de cubrir el total de parámetros requeridos.

Por otro lado, la historia de la ciencia no es totalmente feliz. Es claro que, en esta época, llamada del conocimiento, su aplicación redujo las distancias geográficas y automatizó parte del trabajo que las personas realizaban; pero también ha generado revueltas sociales en contra de la inestabilidad provocada por el uso de nuevas tecnologías (en el siglo XIX y XX, por máquinas; en nuestros días, por la robótica e inteligencia artificial). Además, mucho de este nuevo poder ha contribuido a la degradación del medio ambiente y se ha hecho altamente destructivo en las guerras.

Pero la ciencia no puede ser responsabilizada por esto. La capacidad de asombro y el amor al conocimiento no son las culpables de las catástrofes realizadas por el Ser Humano; son los que expropian estos descubrimientos e inventos para satisfacer infames intereses políticos y económicos. Pero esto es otra historia.

Estimado lector, espero que este trabajo haya sido de tu interés y haya logrado transmitir la emoción y gusto que los temas tratados producen en mí, además de mostrar que la teoría de Newton tiene una fuerte vigencia como materia de investigación en nuestros días, a pesar de los siglos ocurridos. Si te he motivado a revisar con más profundidad estos temas, me sentiré altamente compensado.

Agradezco tu atención y ojalá, muy pronto, nos encontremos de nuevo.

 

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About Author

Enrique López Yáñez

Es Físico por la UNAM, Especialista en Ciencias de la Computación por la Fundación A. Rosenblueth y ahí fue profesor de Física y Graficación y Simulación por Computadora. Trabaja en mantenimiento de software y prepara una novela para la Maestría en Literatura y Escritura Creativa en Casa Lamm.

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