El avance de la ciencia (Parte I)

Una vida humana da para mucho. Aunque no lo parezca, en toda una vida la ciencia puede cambiar enormemente. Estos cambios son precisamente el objeto de esta serie de artículos. En esta primera parte veremos un resumen de dos mil años de ciencia, y ya seguiremos de cerca el avance acaecido durante la vida de tres prominentes científicos: Galileo, Newton y Faraday. Dejaremos para la segunda parte el avance en vidas de Einstein y Hawking. Concatenando la vida de estos cinco científicos, podremos visualizar todos los logros de la ciencia moderna, y con un poquito de suerte espero conseguir que esto te lleve a soñar con los logros y avances científicos que puede que veas a lo largo de tu vida.

RESUMIENDO VEINTE SIGLOS DE CIENCIA

En los veinte siglos previos al nacimiento de Galileo la ciencia había estado dominada por la visión aristotélica-ptolemaica. Veamos un breve resumen desglosado por ramas:

• En cinemática y dinámica, los objetos se movían siguiendo un fin: si caían, era porque su finalidad era estar en el suelo; su lugar natural. Era lo natural para los graves por tanto caer. Planteaba así Aristóteles una física teleológica (de telos, fin u objetivo en griego). Por otro lado, para el movimiento era necesario tener un moviente (una fuerza, en palabras de hoy día, que sería proporcional a la velocidad del cuerpo). Como todo lo movido necesitaba de un motor previo, debía existir un primer moviente o motor inmóvil. Para contrarrestar objeciones obvias (¿por qué sigue una flecha avanzando una vez se ha separado del arco?), se dieron muchos argumentos ad hoc, pero fue Hiparco quien introdujo el concepto de ímpetu o fuerza impresa: las fuerzas se absorben en parte por los cuerpos dotándolos de un ímpetu que se va agotando hasta que el cuerpo se frena. Ya en el siglo XIV, previo a Galileo se tienen resultados interesantes como el teorema de la velocidad media de William Heytesbury o los métodos gráficos de Oresme.

• En astronomía, el universo se dividía en los mundos sublunar y supralunar. El sublunar está sometido a cambio, las cosas son mutables e imperfectas. En este, el movimiento natural (física teleológica, recordemos) de las cosas es el rectilíneo. En este mundo imperfecto los objetos se componen de los cuatro elementos de Empédocles: agua, tierra, aire y fuego. Por otra parte, el mundo supralunar es inmutable y perfecto. En él, el movimiento natural es el circular y por ello los astros se mueven así. Por tanto, para los astros se necesitaba un nuevo elemento que tuviera tal fin, el éter. Se adopta el sistema geocéntrico de esferas de Eudoxo, y Ptolomeo lo mejora enormemente hasta hacerlo predictivo gracias a sus epiciclos. En el campo de la astronomía se consiguieron logros increíbles: Eratóstenes estimó el tamaño de la Tierra (ya supuesta esférica) y Aristarco e Hiparco estimaron las distancias a la Luna y el Sol, consiguiendo para todas estas medidas (salvo la del Sol) valores increíblemente cercanos a los verdaderos. Tendrían que pasar más de quince siglos hasta que Copérnico recuperara la propuesta heliocéntrica de Aristarco, añadiéndole una ingente cantidad de argumentos a favor.

• Respecto a la constitución de la materia, aunque Leucipo y Demócrito habían introducido la noción de átomo como constituyente último e indivisible de la materia, la teoría de los cuatro elementos imperaba (un horror vacui en toda regla, vaya). Los estoicos introdujeron el pneuma como un fluido sutil pero elástico y en estado de tensión que todo lo llena (un precursor del concepto de campo, y de donde derivan montones de palabras actuales relacionadas con el aire). Común a todo el universo (no solo al mundo supralunar), sería también precursor del éter que se introdujo para dar sustento a las ondas electromagnéticas.

• En óptica, destacan las teorías de la visión: intromisión (vemos los objetos porque las partículas de la luz rebotan en ellos), extromisión (los rayos de luz salen de nuestros ojos y al chocar con los objetos externos los percibimos, siendo la visión un sentido similar al tacto) y mediomisión (me niego a comentar esta, quizá en otra ocasión). En concreto la teoría de la extromisión llevó a Herón a considerar infinita la velocidad de la luz (¿por qué sino veíamos las estrellas nada más abrir los ojos?). Fue el árabe Alhazen el que ofreció entorno al siglo X la explicación correcta de la visión, mejorando la teoría intromisionista. Efectuó además los primeros experimentos acerca de la descomposición de la luz en colores. Euclides introdujo el tratamiento matemático en la óptica, incitando a Ptolomeo a formular leyes (reflexión) y experimentar (refracción).

• En electricidad y magnetismo, los griegos ya conocían ambos fenómenos. Electricidad, electrón, etc, derivan de la palabra elektron; ámbar en griego, por la electricidad estática que lo caracteriza. Conocían las propiedades de la magnetita, así denominada por provenir de la región de Magnesia. La huella etimológica es clara.

• En cuanto a termodinámica, destaca el uso de termoscopios (aun sin graduar) y la construcción de la primera máquina térmica por Herón (con fin lúdico).

Como resumen de dos mil años de ciencia no está mal, ¿no? 😛

GALILEO GALILEI (1564-1642)

En 1564 nacía en Pisa el padre de la ciencia moderna, Galileo Galilei. Hijo del músico Vicenzo Galilei, no sabía éste que traía al mundo al hombre que habría de revolucionar todo el panorama científico.

En cuanto se pudo librar del yugo del panorama aristotélico imperante, los descubrimientos no se hicieron esperar. Probó la universalidad de la caída libre (descubrimiento que realizó experimentando con planos inclinados, no lanzando objetos desde la torre de Pisa, aunque mole más lo segundo). Enunció con ello la ley del movimiento uniformemente acelerado, y mostró además que los proyectiles seguían trayectorias parabólicas. Además, se percató de que el periodo de un péndulo no dependía de la amplitud de la oscilación. Marcó así el inicio del método científico: Galileo mide, experimenta y acepta o descarta, mientras que Aristóteles solo proponía y seguía su intuición.

Por otro lado, aceptó el copernicanismo y al igual que Tycho Brahe descartó la inmutabilidad de los cielos tras observar una nova. Tras conocer la existencia del telescopio, se fabricó uno propio y comenzó a observar los cielos. Las irregularidades y montañas de la luna y la observación de manchas solares le reafirmaron en la no inmutabilidad del mundo supralunar. Observó los satélites de Júpiter, por lo que la Tierra no era el único centro en torno al que orbitar. Las fases de Venus le confirmaron que este debía orbitar en torno al Sol.

Durante esa época, Kepler descubría sus leyes gracias a los datos de Tycho Brahe. La relación epistolar entre ambos llevó a Galileo a declararse abiertamente heliocentrista. A diferencia de Copérnico, cuya obra se había publicado (debido a un prólogo editado póstumamente) como un mero artificio que podría mejorar la predictabilidad del movimiento de los astros, Galileo presenta el heliocentrismo como un nuevo sistema para el mundo, al menos en pie de igualdad al geocentrismo. Esto, junto con las malas lenguas que envenenaron al Papa Urbano VIII contra Galileo, provocó que en última instancia se prohibieran las obras heliocentristas y se recluyera a Galileo en su domicilio por el resto de su vida.

Fundó además la mecánica y la ciencia de los materiales, se percató de que los cuerpos puestos en contacto igualaban sus temperaturas (del latín temperare, mezclar apropiadamente o templar), y dio por primera vez un uso cuantitativo a los termoscopios, convirtiéndolos en termométros.

En esta época además se dan el invento del generador electrostático por Otto von Guericke, el enunciado del principio de Fermat, el estudio de la presión en fluidos por Torricelli y Pascal y la ley de Boyle-Mariotte para los gases.

ISAAC NEWTON (1643-1726)

No había ni pasado un año de la muerte de Galileo cuando nace el que quizá sea el científico más importante de todos los tiempos, Isaac Newton. Bebé prematuro, no conoció a su padre y odio a su madre y su padrastro por enviarlo a vivir a la granja de sus abuelos. Solitario, arisco, sin pareja conocida durante su vida, movido por recelos, ego y el afán de quedar por encima… y aun así, increíblemente brillante.

Para cuando Newton se pone a trabajar cuenta ya con una base decente. Se tienen los desarrollos de Galileo y el concepto de inercia introducido por Descartes, enunciado como que todo cuerpo que se mueve tiende a continuar su movimiento en línea recta. El movimiento es por tanto un estado natural, y lo que hay que explicar son las desviaciones de este. Con ello la inercia sustituye al motor inmóvil de Aristóteles. Además, Descartes había introducido firmemente la visión mecanicista del mundo, y es bajo esta directriz que Newton guía su trabajo.

La importancia del trabajo de Newton radica en que se encontró un mundo segmentado, con numerosas leyes empíricas, y les aportó un paradigma. Enunciando sus tres principios de la dinámica y junto con la ley de la gravitación universal (en la que destacan sugerencias de Hooke, Gilbert y Huygens) pudo derivar todos los logros de Galileo y de Kepler. La visión dicotómica de los cielos de Aristóteles quedó desterrada, dándose la primera unificación de la física: esta operaba igual en el mundo sublunar y supralunar. Explicó también las mareas, y con sus leyes se pudo derivar el movimiento de los astros y cometas (su íntimo y tal vez único amigo Edmund Halley predijo la vuelta del cometa homónimo gracias a ello). Además, sería un pecado no mencionar que inventó el cálculo infinitesimal a la par que Leibniz.

En óptica, aunque sujeto a una visión corpuscular de la luz como Descartes, demostró que la luz blanca se componía de todos los colores y explicó el arco iris. Inventó además el telescopio reflector.

Coetáneo a Newton, Christiaan Huygens introducía la visión ondulatoria en el comportamiento de la luz, el término de fuerzas vivas (que más tarde se relacionaría con la energía cinética) y clarificó los conceptos de masa, peso, momento, fuerza, trabajo, y fuerza centrífuga, este último que serviría de inspiración a Newton para la gravitación universal. Por otro lado, el astrónomo danés Olaff Römer estimaba la velocidad de la luz observando el satélite Ío de Júpiter. La escala del sistema solar queda fijada cuando Cassini mide el paralaje de Marte y Halley descubre el movimiento propio de tres estrellas en el firmamento, concluyendo que no estaban fijas en este.

MICHAEL FARADAY (1791-1867)

Michael Faraday, crecido en un ambiente humilde en Newington Butts, tuvo que dejar los estudios y buscar trabajo a la edad de trece años. Por suerte para él, fue de ayudante en la librería de George Riebau, donde trabajaba encuadernando libros y aprovechaba para leer todo cuanto podía (e incluso experimentar; allí encontró las leyes sobre electrólisis que portan su nombre). Su ímpetu por aprender y por querer aportar hizo que llegara a ser ayudante del famoso químico Humpry Davy, y quedara como sucesor de éste en la Royal Institution a su muerte.

En los años que suceden a la muerte de Newton y previos al nacimiento de Faraday, los avances en física habían sido escasos. Cabe destacar:

• los experimentos de Benjamin Franklin con la cometa, demostrando que las nubes están cargadas y que los rayos son de alguna manera fenómenos eléctricos,

• el descubrimiento de la contracción de los músculos de una rana muerta por el contacto con dos metales distintos,

• avance del estudio de las máquinas de vapor (Newcomb, Watt, etc), construyéndose la primera locomotora,

• introducción del concepto de calores latentes y distinción calor/temperatura por Joseph Black,

• ley de conservación de la masa por Lavoisier. Recuperación de ideas sobre discretitud de la materia con Proust (ley de proporciones definidas) y Dalton (de proporciones múltiples),

• desarrollo de la mecánica analítica (D’Alembert, Lagrange y, ya en vida de Faraday, Hamilton).

Ya en el periodo que nos ocupa, Hans Christian Oersted descubrió que las corrientes eléctricas producían campos magnéticos, al observar como una corriente desviaba la aguja de un imán (experimentos que se podían realizar gracias a la reciente invención de la pila por Volta). Fenómenos que antaño parecían inconexos, ahora se relacionaban. Por su parte, Ampère descubrió y describió matemáticamente la fuerza con que se atraían (o repelían) dos cables por los que circulaban corrientes eléctricas.

Inspirado por Oersted, Faraday descubrió que campos magnéticos producían corrientes eléctricas, al introducir un imán por una espira de alambre y comprobar que se inducía una corriente eléctrica (descubrimiento paralelamente realizado por Joseph Henry). Campos magnéticos producen campos eléctricos y viceversa. Nace así el electromagnetismo (nombre acuñado por Oersted), la segunda gran unificación en física tras la gravitación universal.

Faraday también descubrió el efecto Faraday, la jaula de Faraday, el diamagnetismo…pero más importante aun, añadió a la física uno de sus conceptos más fructíferos: el de campo. La carencia de la gravitación newtoniana (que el mismo Newton reconocía) era que no explicaba cómo se transmitía la gravedad, por lo que suponía una fuerza a distancia. Faraday, pese a su escasa formación matemática, imaginó el espacio lleno campos y líneas de fuerza que trasmitirían las influencias de las cargas eléctricas y de los imanes, pudiendo así influirse pese a la distancia.

Por su parte, James Clerk Maxwell, gran admirador de Faraday, desarrolló las ideas de Faraday dándoles soporte matemático, trabajo que acabó con la unificación de todas las dispersas leyes de los campos eléctricos y magnético en las ahora así denominadas ecuaciones de Maxwell.

Estas ecuaciones, junto con la expresión de la fuerza de Lorentz, son todo lo necesario para una descripción completa (clásicamente) del campo electromagnético y su influencia sobre partículas cargadas.

Mientras tanto, en óptica las cosas no habían parado de evolucionar. Las controversias en tiempos de Newton y Huygens sobre la naturaleza de la luz finalizan con el experimento de la doble rendija de Young, demostrando que la luz podía interferir (luego debía comportarse como una onda). Fresnel desarrolló la óptica ondulatoria y propuso que la luz debía ser una onda cuya vibración sería perpendicular a la dirección de avance. Por otro lado, nace la espectroscopía de la mano de Kirchhoff y Fraunhofer, abriéndonos una ventana hacia el estudio de la composición química del universo.

Si la luz era una onda, ¿qué era lo que oscilaba? Maxwell se hallaba en la posición ideal para dirimir la cuestión. Partiendo de sus ecuaciones, las desarrolló hasta llegar a ecuaciones de ondas para el campo eléctrico y magnético, cuya velocidad resultaba coincidir con la de la luz (medida ya por Römer y posteriormente por Fizeau). La luz pasó a entenderse como una onda electromagnética, lo que incluía a toda la óptica en el marco del electromagnetismo. Tercera unificación importante que nos encontramos. Eso sí, la analogía con las ondas sonoras reavivó la necesidad de un soporte mecánico para las ondas luminosas, recuperando la idea de un éter que impregnaba el universo (solo respecto al cual las ecuaciones de Maxwell eran válidas).

En astronomía, Friedrich Bessel mide el primer paralaje estelar, aumentando enormemente el tamaño del universo conocido. Herschel ya había propuesto que las estrellas se agrupaban con lenticularmente para formar nuestra galaxia, y medidas de paralajes intentaron estimar su tamaño aunque solo eran capaces de medir paralajes a estrellas cercanas.

Por su parte la termodinámica no se quedaba atrás. El flogisto (sustancia que poseían los cuerpos y representaba la inflamabilidad) introducido por Stahl dio paso al calórico de Black y Lavoisier (de aquí viene que midamos la energía de los alimentos en calorías). Este concepto, que visionaba al calor como un fluido que poseían los cuerpos y que se transfería cuando se ponían en contacto, sirvió de inspiración a Carnot en su estudio de la eficiencia de las máquinas de vapor (dependiente solo de las temperaturas de los cuerpos que participaban, al igual que el trabajo que puede producir un chorro de agua cayendo depende de la diferencia de alturas).

Sería Benjamin Thompson quien pondría fin al calórico al observar que el rozamiento entre superficies producía calor. El calor es movimiento (más unificaciones :P). Hay que entender que el concepto de energía se tambaleaba por aquellos momentos. Se conocía que en ciertos casos el producto de la masa por la velocidad al cuadrado se conservaba (vis viva), y el concepto de trabajo se acababa de introducir. Fue James Joule el primero en establecer la equivalencia mecánica del calor, obteniendo el factor de conversión entre calorías y julios. Por otro lado, Mayer sugirió una equivalencia general entre la conservación de todas las formas de energía y posteriormente Helmholtz lo matematizó (primera ley de la termodinámica). Sería William Thomson, más conocido como lord Kelvin, quien le daría el nombre de termodinámica a esta nueva ciencia.

Para explicar la irremediable pérdida de energía en forma de calor en los procesos físicos, Rudolf Clausius introdujo el concepto de entropía como medida de la energía no aprovechable para realizar un trabajo. Encontró que la entropía en el universo siempre tiene que crecer, lo que se conoce como segunda ley de la termodinámica. Con ella, toda clase de disertaciones catastróficas acerca del fin del universo por muerte térmica surgieron.

Por otra parte, el advenimiento de las moléculas y átomos en la comprensión de la constitución de la materia hizo surgir la rama de la teoría cinética de gases, donde destacan en sus inicios Joule y Clausius. Pero no sería hasta la incorporación de la probabilidad en esta que llegaría a su máximo esplendor.

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Hasta aquí los avances en vidas de Faraday, Newton y Galileo. Casi nada, ¿eh? Pues los acaecidos durante las vidas de Einstein y Hawking no se quedan atrás. La tarea de encerrar en un solo artículo los logros en física (y la consecuente explosión tecnológica) durante la vida de estos dos científicos quizá peque de ambiciosa, por lo que necesitaré un tiempo para prepararlo bien así que no esperéis (los pocos que me leáis) para pronto la segunda parte. Si crees que me he dejado algo importante, o tienes una reflexión que compartir, no dudes en dejarlo en los comentarios 🙂