TEORÍAS 163
Relatividad PRINCIPALES EXPONENTES: ALBERT EINSTEIN
BREVE HISTORIA DE LA CIENCIA PRINCIPALES APORTACIONES Einstein formuló la relatividad especial en 1905. En 1916 la generalizó, creando la primera de las dos teorías que son aún las bases de la física. La relatividad general incluye una teoría de la gravedad: toda la energía, de la que la masa es una forma muy condensada, deforma el espacio. Cuando una segunda masa entra en este espacio deformado, su trayectoria recta se desvía hacia la primera masa y parece caer hacia ella.
Albert Einstein en 1921, el año en que recibió el premio Nobel de Física.
A principios del siglo xx, muchos físicos experimentados creían saber con bastante precisión cómo funcionaba el universo. Cualquier disparidad entre la teoría y la observación se debía a errores humanos y a dispositivos de medición inexactos. Sin embargo, el físico Albert Einstein no estaba convencido. Quería entender cómo era posible que cuando se medía la velocidad de la luz fuera siempre constante, cuando la velocidad era un valor relativo a un punto de referencia en un universo en el que todo debía moverse de acuerdo con las leyes de Newton. Si era así, ¿por qué
el rayo de luz en la parte delantera de un tren que se aproxima llegaba a un observador al mismo tiempo que el rayo de una luz estacionaria al lado de la vía? En el universo de Newton, la luz del tren debería moverse más rápido. La respuesta de Einstein fue la teoría de la relatividad especial, según la cual una masa (el tren, por ejemplo) que se mueve más rápido a través del espacio se moverá más lento a través del tiempo. El paso del tren a través del tiempo se ha ralentizado lo suficiente como para que su luz no rompa el límite de velocidad del universo: la velocidad de la luz.
Tom Jackson
LA NUEVA FÍSICA pág. 27 EL UNIVERSO PERDIDO pág. 37 MOVIMIENTO BROWNIANO pág. 90 LA INEXISTENCIA DEL ÉTER pág. 108 DESCUBRIMIENTO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS pág. 110 LIGO pág. 152 LEYES DEL MOVIMIENTO pág. 157
Título original The Short Story of Science Diseño John Round Design Traducción Alfonso Rodríguez Arias Doctor Ingeniero Industrial Preimpresión DL Imaging Ltd, Londres Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2022 © 2022 Naturart. S.A. Editado por Blume Carrer de les Alberes, 52, 2.º Vallvidrera, 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 E-mail: info@blume.net © 2022 Mark Fletcher © 2022 Laurence King Publishing Ltd., Londres (Orion Books) ISBN: 978-84-18725-61-6 Depósito legal: B.15833-2021 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor. WWW.BLUME.NET Este libro se ha impreso sobre papel manufacturado con materia prima procedente de bosques de gestión responsable. En la producción de nuestros libros procuramos, con el máximo empeño, cumplir con los requisitos medioambientales que promueven la conservación y el uso responsable de los bosques, en especial de los bosques primarios. Asimismo, en nuestra preocupación por el planeta, intentamos emplear al máximo materiales reciclados, y solicitamos a nuestros proveedores que usen materiales de manufactura cuya fabricación esté libre de cloro elemental (ECF) o de metales pesados, entre otros.
página 10: Al-Razi, científico-filósofo persa / Wellcome Collection página 41: el péndulo de Foucault en el Panteón, París / Rémih página 154: la galaxia de Andrómeda / NASA / JPL / California Institute of Technology página 180: instalación del detector ATLAS en el Gran colisionador de hadrones, CERN / Suiza
BREVE HISTORIA DE LA CIENCIA Guía de bolsillo de las historias, los experimentos, las teorías, los métodos y los equipos más relevantes
Tom Jackson
Contenido 6 9
Introducción Cómo utilizar este libro
HISTORIAS 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
Astrónomos antiguos Filósofos griegos Nacimiento de la medicina La alquimia La ciencia islámica El Renacimiento La revolución científica El auge de las instituciones científicas El nacimiento de la química La ciencia y la revolución industrial Historia natural y biología Geología y ciencias de la Tierra Electricidad Teoría celular Salud pública La nueva física El tamaño del universo La ciencia y el bien público Electrónica y computación Genética La carrera espacial La evolución humana Neurociencia y psicología Ciencias ambientales Internet El universo perdido Modificación genética Teoría de cuerdas
EXPERIMENTOS 42 44 46 48
Flotabilidad El tamaño de la Tierra Cámara oscura Refracción y arco iris
50 52 54 55 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 89 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 109 110
Búsqueda de homólogos Ley del péndulo Descubrimiento del metabolismo Aceleración por la gravedad Circulación de la sangre Peso del aire Leyes de los gases Ley de Hooke Descubrimiento de los microorganismos El espectro El niño volador Descubrimiento de la fotosíntesis Oxígeno Peso de la Tierra Conservación de la masa Electricidad animal Vacunación Pruebas de la extinción Electrólisis Experimento de la doble rendija Unificación electromagnética Ciclo de Carnot Movimiento browniano Vitalismo Efecto Doppler Equivalente mecánico del calor Velocidad de la luz Rotación de la Tierra Espectroscopia Teoría microbiana de la enfermedad La existencia de los genes La inexistencia del éter La función de los cromosomas Descubrimiento de las ondas electromagnéticas
112 Descubrimiento de la radioactividad 114 Descubrimiento del electrón 116 Respuestas aprendidas 118 Cromosomas del sexo 120 Medición de la carga 122 Diagrama de Hertzsprung-Russell 124 Rayos cósmicos
126 El núcleo atómico 128 Dualidad onda-partícula 130 Antibióticos 132 La expansión del universo 134 Recombinación genética 136 Fisión nuclear 138 La máquina de Turing 139 El ciclo del ácido cítrico 140 El origen de la vida 142 La doble hélice 144 El experimento de Milgram 146 Radiación de fondo de microondas 148 Exoplanetas 150 Descubrimiento de la energía oscura 152 LIGO
TEORÍAS 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179
Panspermia Leyes del movimiento Gravitación universal Teoría atómica Leyes de la termodinámica Evolución por selección natural La tabla periódica Relatividad Tectónica de placas Las cuatro fuerzas fundamentales El principio de incertidumbre Física cuántica Teoría del enlace de valencia Big Bang Nucleosíntesis estelar Modelo de la «llave-cerradura» Dogma de la biología molecular Endosimbiosis El modelo estándar La materia oscura Inflación cósmica Interpretación de los mundos múltiples Cambio climático antropogénico Origen del sistema solar
MÉTODOS Y EQUIPOS 182 El proceso científico 183 Gráficos y coordenadas 184 Teoría de la probabilidad e incertidumbre 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210
Medidas estándar Medición del tiempo Termómetros Microscopios Telescopios Micrófonos y altavoces Tubo Geiger-Müller Fotografía Tubo de rayos catódicos Imágenes de rayos X Láseres Sismógrafos Datación por radiocarbono Cámaras de burbujas Aceleradores de partículas ATLAS (CERN) Detectores de neutrinos Espectrometría de masas Cromatografía Destilación Huella genética Herramientas CRISPR Células madre Ensayos clínicos Cladística y taxonomía El gato de Schrödinger y otros experimentos mentales
211 212 213 214 215
Computación gráfica para modelos Modelos climáticos Machine Learning Big Data Rover planetario
216 Índice 224 Créditos de las imágenes
54 EXPERIMENTOS
Descubrimiento del metabolismo
h. 1600
SANTORIO SANTORIO: ARS DE STATICA MEDICINA • PADUA, ITALIA Otras publicaciones de Santorio Santorio Methodi vitandorum errorum omnium qui in arte medica contingunt 1602 Commentaria in artem medicinalem Galeni 1612 Commentaria in primam Fen primi Canonis Avicennae 1625 Commentaria in primam sectionem Aphorismorum Hypocratis 1629
La palabra «metabolismo» deriva del término griego que significa «cambio», y hace referencia a los miles de reacciones químicas que convierten los alimentos en las sustancias necesarias para el mantenimiento de la vida. Este hecho, que resulta intuitivo para la mente moderna, no se aclaró hasta finales del siglo xix. Los médicos antiguos sabían que, de algún modo, parte del material que entraba en el cuerpo se perdía, pero asumieron que se evaporaba como una «transpiración invisible». Santorio Santorio (1561-1636) investigó este tema con uno de los experimentos científicos de mayor duración. Construyó una «silla de pesarse» para poder registrar su peso antes de cada comida y el peso de su comida, así como el de su orina y sus heces. (También se pesaba antes y después de dormir, después del sexo y después del trabajo). Los datos revelaron que se excreta menos material que el que se ingiere; en promedio, excretaba 1,5 kilogramos por cada 3,5 kilogramos ingeridos. Esta fue la primera demostración fehaciente de que el material de los alimentos estaba entrando en el cuerpo para su uso en la construcción y como combustible del organismo. SANTORIO SANTORIO Nacido en Capodistria, la actual Koper de Eslovenia, pero que pertenecía entonces a la República de Venecia, Santorio estudió medicina en Padua. Comenzó a ejercer como médico en Venecia en la década de 1580, y pronto desarrolló una reputación suficientemente buena como para atender a los residentes más ricos de la ciudad. En 1611 regresó a Padua para enseñar medicina.
Esta ilustración de un libro del siglo xvii muestra a Santorio pesándose como parte del proceso para determinar la diferencia entre la cantidad de material ingerida y excretada por su cuerpo.
NACIMIENTO DE LA MEDICINA pág. 14 LA REVOLUCIÓN CIENTÍFICA pág. 18
EXPERIMENTOS 55
Aceleración por la gravedad
h. 1600
GALILEO GALILEI: ON MOTION • PISA, ITALIA Otras publicaciones de Galileo Galilei Mensajero sideral 1610 Diálogo sobre los dos sistemas máximos 1632 Discurso y demostración matemática, en torno a dos nuevas ciencias 1638
Cuenta la leyenda popular que Galileo llevó dos balas de cañón, una grande y otra pequeña, a la cima de la torre inclinada de Pisa, y las dejó caer al mismo tiempo por el costado del edificio. Las vio «caer uniformemente» y llegar al suelo al mismo tiempo. Esto demostró que el peso de un objeto no tenía ningún efecto sobre la rapidez con la que cae; las cosas ligeras caen tan rápido como las pesadas. La realidad es que este evento fue completamente imaginado por Galileo como un experimento mental. En realidad, dejaba caer bolas por una rampa equipada con campanas equidistantes, que sonaban a medida que pasaba cada una. Galileo utilizó este dispositivo para investigar la forma en que se aceleran los cuerpos cuando ruedan (o caen). Para ello, comparó las distancias recorridas con el tiempo empleado para hacerlo, y descubrió la ley del movimiento acelerado que establece que la distancia recorrida es proporcional al cuadrado del tiempo empleado en recorrerla. En otras palabras, una bola que caiga el doble de tiempo recorrerá cuatro veces más, o, dicho de otro modo, una bola que se deja caer desde cuatro veces la altura solo tardará el doble de tiempo en llegar al suelo.
GALILEO GALILEI Nacido en Pisa, hijo de un músico, Galileo desarrolló el telescopio astronómico y aportó pruebas visuales de que la Tierra gira alrededor del Sol. Sus trabajos sobre el movimiento allanaron el camino a Newton y Einstein. Tras crecer en circunstancias financieras precarias, Galileo cultivó el trato con los nobles para asegurarse un ingreso que le permitiera dedicarse a su ciencia y tecnología, pero, finalmente, sus obras lo llevaron a entrar en conflicto con la Iglesia, y pasó la última década de su vida bajo arresto domiciliario.
Galileo predijo que dos balas de cañón que se dejaran caer simultáneamente desde la torre inclinada de Pisa llegarían al suelo al mismo tiempo, con independencia de su tamaño.
EL RENACIMIENTO pág. 17 LA REVOLUCIÓN CIENTÍFICA pág. 18
162 TEORÍAS
La tabla periódica PRINCIPALES EXPONENTES: DMITRI MENDELÉYEV La tabla periódica de los elementos en alfabeto cirílico (1925).
La tabla periódica es una presentación gráfica de todos los elementos conocidos por la ciencia. Ofrece información de un vistazo al agrupar elementos con propiedades químicas similares. El formato de la tabla refleja las diferencias en la estructura subatómica única de cada elemento, pero fue concebida por Dmitri Mendeléyev (1834-1907), en 1869, antes de que él (o cualquier otra persona) supiera cómo era la estructura de los átomos, a base de electrones, protones y neutrones. Comenzando con el más ligero, el hidrógeno, Mendeléyev dispuso los elementos en orden de masa atómica creciente (el peso de cada átomo). También utilizó un patrón repetitivo o periódico basado en la capacidad de combinación de los elementos. En su formato habitual, la tabla periódica tiene 7 filas (períodos) y 18 columnas (grupos).
Los elementos del mismo período tienen átomos, energía y propiedades electrónicas semejantes. Los elementos de un mismo grupo tienen, por lo general, las mismas configuraciones electrónicas.
PRINCIPALES APORTACIONES La tabla de Mendeléyev demostró su valor cuando el químico ruso la utilizó para predecir las propiedades de elementos que todavía no se habían descubierto y las acertó casi exactamente. Se supo por qué casi cincuenta años después, cuando se descubrió su vínculo con la estructura subatómica. Los períodos de la tabla responden a las capas de electrones alrededor del átomo. Cuando una está llena, se inicia una nueva capa y un nuevo período.
EL NACIMIENTO DE LA QUÍMICA pág. 20 DESCUBRIMIENTO DE LA RADIOACTIVIDAD pág.112 DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN pág. 114 EL NÚCLEO ATÓMICO pág. 126 TEORÍA ATÓMICA pág. 159
TEORÍAS 163
Relatividad PRINCIPALES EXPONENTES: ALBERT EINSTEIN PRINCIPALES APORTACIONES Einstein formuló la relatividad especial en 1905. En 1916 la generalizó, creando la primera de las dos teorías que son aún las bases de la física. La relatividad general incluye una teoría de la gravedad: toda la energía, de la que la masa es una forma muy condensada, deforma el espacio. Cuando una segunda masa entra en este espacio deformado, su trayectoria recta se desvía hacia la primera masa y parece caer hacia ella.
Albert Einstein en 1921, el año en que recibió el premio Nobel de Física.
A principios del siglo xx, muchos físicos experimentados creían saber con bastante precisión cómo funcionaba el universo. Cualquier disparidad entre la teoría y la observación se debía a errores humanos y a dispositivos de medición inexactos. Sin embargo, el físico Albert Einstein no estaba convencido. Quería entender cómo era posible que cuando se medía la velocidad de la luz fuera siempre constante, cuando la velocidad era un valor relativo a un punto de referencia en un universo en el que todo debía moverse de acuerdo con las leyes de Newton. Si era así, ¿por qué
el rayo de luz en la parte delantera de un tren que se aproxima llegaba a un observador al mismo tiempo que el rayo de una luz estacionaria al lado de la vía? En el universo de Newton, la luz del tren debería moverse más rápido. La respuesta de Einstein fue la teoría de la relatividad especial, según la cual una masa (el tren, por ejemplo) que se mueve más rápido a través del espacio se moverá más lento a través del tiempo. El paso del tren a través del tiempo se ha ralentizado lo suficiente como para que su luz no rompa el límite de velocidad del universo: la velocidad de la luz.
LA NUEVA FÍSICA pág. 27 EL UNIVERSO PERDIDO pág. 37 MOVIMIENTO BROWNIANO pág. 90 LA INEXISTENCIA DEL ÉTER pág. 108 DESCUBRIMIENTO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS pág. 110 LIGO pág. 152 LEYES DEL MOVIMIENTO pág. 157
162 TEORÍAS
La tabla periódica PRINCIPALES EXPONENTES: DMITRI MENDELÉYEV La tabla periódica de los elementos en alfabeto cirílico (1925).
Guía de bolsillo de las historias, los experimentos, las teorías, los métodos y los equipos Los más relevantes La tabla periódica es una presentación gráfica elementos del mismo período tienen de todos los elementos conocidos por la ciencia. Ofrece información de un vistazo al agrupar elementos con propiedades químicas similares. El formato de la tabla refleja las diferencias en la estructura subatómica única de cada elemento, pero fue concebida por Dmitri Mendeléyev (1834-1907), en 1869, antes de que él (o cualquier otra persona) supiera cómo era la estructura de los átomos, a base de electrones, protones y neutrones. Comenzando con el más ligero, el hidrógeno, Mendeléyev dispuso los elementos en orden de masa atómica creciente (el peso de cada átomo). También utilizó un patrón repetitivo o periódico basado en la capacidad de combinación de los elementos. En su formato habitual, la tabla periódica tiene 7 filas (períodos) y 18 columnas (grupos).
átomos, energía y propiedades electrónicas semejantes. Los elementos de un mismo grupo tienen, por lo general, las mismas configuraciones electrónicas.
PRINCIPALES APORTACIONES La tabla de Mendeléyev demostró su valor cuando el químico ruso la utilizó para predecir las propiedades el medio ambiente de elementos que todavía no se habíanPreservamos descubierto • Reciclamos y reutilizamos. y las acertó casi exactamente. Se supo• Usamos por qué papelcasi de bosques gestionados de manera responsable. cincuenta años después, cuando se descubrió su vínculo con la estructura subatómica. Los períodos de ISBN 978-84-18725-61-6 la tabla responden a las capas de electrones alrededor del átomo. Cuando una está llena, se inicia una nueva capa y un nuevo período.
EL NACIMIENTO DE LA QUÍMICA pág. 20 DESCUBRIMIENTO DE LA RADIOACTIVIDAD pág.112 DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN pág. 114 EL NÚCLEO ATÓMICO pág. 126 TEORÍA ATÓMICA pág. 159