Título original: 30-Second Physics Dirección Tom Kitch, James Lawrence, Michael Whitehead Edición Charles Phillips, Jamie Pumfrey, Susan Kelly Diseño Ginny Zeal Texto de glosarios Brian Clegg Traducción Dr. Ing. Alfonso Rodríguez Arias Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2016 © 2016 Art Blume, S. L. Carrer de les Alberes, 52, 2 08017 Vallvidrera, Barcelona Tel. 93 205 40 00 Fax 93 205 14 41 e-mail info@blume.net © 2016 The Ivy Press Limited. East Sussex, Reino Unido I.S.B.N.: 978-84-9801-903-2 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.
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CONTENIDO
6
Introducción
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Materia GLOSARIO Átomos Masa Sólidos Líquidos Gases Perfil: Galileo Plasma Antimateria
32 Luz 34 GLOSARIO 36 El espectro electromagnético 38 Color 40 Fotones 42 Reflexión 44 Refracción 46 Perfil: Michael Faraday 48 Polarización 50 Principio de mínima acción/tiempo 52 Velocidad de la luz
54 56 58 60 62 64 66 68 70 72
Teoría cuántica GLOSARIO Cuantos Dualidad onda-partícula Ecuación de Schrödinger El principio de incertidumbre Efecto túnel Electrodinámica cuántica Perfil: Richard Feynman Entrelazamiento cuántico
114 116 118 120 122 124 126 128 130 132
Energía GLOSARIO Trabajo y energía Potencia Energía cinética Energía potencial Energía química Energía nuclear Perfil: Ernest Rutherford Máquinas
74 76 78 80 82 84 86 88 90 92
Fuerzas GLOSARIO Fuerza y aceleración Electromagnetismo Gravedad Órbitas y fuerza centrípeta Perfil: Isaac Newton La fuerza nuclear débil La fuerza nuclear fuerte ¿Campo o partícula?
134 136 138 140 142 144 146 148 150 152
Termodinámica GLOSARIO Calor Máquinas térmicas Temperatura Perfil: James Clerk Maxwell Ley cero de la termodinámica Primera ley de la termodinámica Segunda ley de la termodinámica Tercera ley de la termodinámica
154 156 158 160
Fuentes Notas sobre los colaboradores Índice Reconocimientos
94 Movimiento 96 GLOSARIO 98 Movimiento, velocidad lineal y velocidad 100 Cantidad de movimiento e inercia 102 Relatividad galileana 104 Las leyes de Newton 106 Fricción 108 Perfil: Albert Einstein 110 Dinámica de fluidos 112 Relatividad especial
INTRODUCCIÓN Brian Clegg
Se podría decir que la física es la ciencia definitiva, capaz de describir el funcionamiento de todo. Es bastante cierta la ocurrente afirmación de Ernest Rutherford: «Toda ciencia es física o filatelia». En su tiempo, las demás ciencias se ocupaban básicamente de la recopilación de información y la estructuración de la misma, con poca dedicación a su explicación. Su afirmación es menos válida en la actualidad, pero, de todos modos, la física continúa siendo el núcleo de los descubrimientos científicos. La palabra «física» deriva de la latina physica, que designaba todo lo que hoy llamamos ciencias naturales (la ciencia abarcaba todos los conocimientos), y refleja el modo en que la utilizaba el filósofo griego Aristóteles. Sin embargo, a partir del siglo xviii, la definición de física empezó a limitarse a la de la ciencia que trata de la materia no viva y la energía, con la restricción arbitraria de no incluir los elementos químicos, sus compuestos y reacciones. En consecuencia, se limitaba a la mecánica y la luz, la naturaleza de la materia, la astronomía y la cosmología. En la actualidad, la física abarca todo, desde lo extremadamente pequeño (como la naturaleza de las partículas subatómicas) a los mecanismos responsables de la formación del universo. Aunque el objetivo de la física es explicar cómo funciona el mundo físico, conduce también a importantísimos desarrollos prácticos. Por ejemplo, las tecnologías que utilizan explícitamente la física cuántica producen un 35 % del PIB de los países desarrollados, y las investigaciones sobre la luz han tenido como consecuencia aplicaciones prácticas que van desde los rayos X al wifi. Es fácil detestar la física en la escuela, ya que algunas materias básicas como la mecánica y la óptica, pueden parecer aburridas. Sin embargo, la física proporciona los aspectos más impresionantes de la ciencia. Tanto si trata de la teoría cuántica como de la relatividad, la física crea conceptos como los agujeros negros, el viaje en el tiempo y la teleportación real. Nuestra exploración de la física empieza con la materia, con los átomos que la componen. Junto con las formas corrientes de la misma, sólida, líquida y gaseosa, estudiamos los plasmas y el misterioso mundo de la antimateria. Pero con solo la materia no llegaríamos lejos sin la luz: este es nuestro segundo tema. Tenemos la tendencia a pensar en la luz como aquello con lo que vemos, pero es mucho más. El espectro electromagnético completo (la luz es una interacción independiente entre
6 g Introducción
“ Los que piden alguna prueba de que los físicos son humanos, la tienen en la idiotez de todas las unidades diferentes que utilizan para medir la energía
Cuando las leyes de la matemática se refieren a la realidad, no son ciertas; cuando son ciertas, no se refieren a la realidad ALBERT EINSTEIN
RICHARD FEYNMAN
Toda ciencia es física o filatelia ERNEST RUTHERFORD
Si pudiera recordar los nombres de todas esas partículas, habría sido botánico ENRICO FERMI
Para empezar, hay que hacer notar que no tenemos el derecho de asumir que las leyes físicas existen, o si han existido hasta ahora, que seguirán existiendo en el futuro de una manera semejante MAX PLANCK
10 g Introducción
El futuro de la química está y debe permanecer en manos de la física
Entender el hidrógeno es entender toda la física
C. P. SNOW
VICTOR WEISSKOPF
Mi propósito en este libro no es explicar las propiedades de la luz por hipótesis, sino probarlas a partir de la razón y la experimentación ISAAC NEWTON
¡Porque es muy posible que muy pronto pueda cobrar impuestos por ella! Se dice que es la respuesta que dio
Es erróneo pensar que la tarea de la física sea descubrir cómo es la naturaleza. La física se ocupa de lo que podemos decir sobre la naturaleza
a Gladstone cuando este le preguntó
NIELS BOHR
MICHAEL FARADAY
”
sobre el valor práctico de la electricidad
Introducción g 11
GRAVEDAD el tema en 30 segundos En el siglo IV a. C., Aristóteles afirmó SUMARIO EN 3 SEGUNDOS
Newton fue el primero en describir la gravedad, y para muchas aplicaciones su teoría es suficiente pero, en 1915, Einstein la reemplazó por una nueva teoría que describe la gravedad como una deformación del espacio-tiempo. REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS
La gravedad es una de las cuatro fuerzas de la naturaleza, y las otras tres son el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. La relatividad general es normalmente incompatible con las teorías que han unificado las otras tres fuerzas, y uno de principales objetivos de la física es desarrollar una teoría que unifique la gravedad con ellas. Entre las posibles candidatas se encuentran la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y la teoría M.
82 g Fuerzas
que los objetos caen porque la tierra y el agua buscan estar en el centro del universo. A finales del siglo XVII, casi 2 000 años más tarde, Newton eliminó este concepto cuando comprobó que la fuerza que hace que una manzana caiga es la misma que mantiene a la Luna en su órbita. Describió cómo actúa la «gravitación universal» entre todos los cuerpos. Su fuerza depende del producto de las masas de los cuerpos dividido por el cuadrado de la distancia que los separa. La ley de Newton tuvo un éxito extraordinario; mediante su utilización, los científicos fueron capaces de predecir la posición de un planeta desconocido (Neptuno) a partir de las irregularidades de la órbita de Urano, y nos permite hacer aterrizar módulos en cometas que se encuentran a cientos de millones de kilómetros. En 1915, Einstein publicó una nueva y radical teoría de la gravedad, la relatividad general, ya que se dio cuenta que la ley de la gravedad de Newton violaba sus principios de la relatividad especial. La relatividad general describe la gravedad de una manera totalmente diferente, como una deformación del espacio-tiempo. La masa le dice al espacio-tiempo cuanto se debe curvar: los objetos con más masa causan una mayor curvatura del espacio-tiempo. Debido a esa curvatura, incluso la luz es desviada por efectos de la gravedad, un efecto que se puede constatar cuando observamos algunas galaxias muy distantes.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también ELECTROMAGNETISMO pág. 80 LA FUERZA NUCLEAR DÉBIL pág. 88 LA FUERZA NUCLEAR FUERTE pág. 90
MINIBIOGRAFÍAS ARISTÓTELES
384–322 a. C. Filósofo griego ALBERT EINSTEIN
1879–1955
Físico nacido en Alemania, ganador del Premio Nobel de Física en 1921 KIP THORNE
1940–
Físico estadounidense del que se puede decir que es el experto vivo más importante en la relatividad general
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Rhodri Evans
La Tierra en sí causa una curvatura en el espaciotiempo. La gravedad hace que la luz se desvíe cuando viaja grandes distancias.
MOVIMIENTO, VELOCIDAD LINEAL Y VELOCIDAD el tema en 30 segundos La velocidad lineral de un objeto SUMARIO EN 3 SEGUNDOS
La velocidad mide el ritmo al que se mueve un objeto así como su dirección.
REFLEXIÓN EN 3 MINUTOS
Para analizar el movimiento, los físicos modernos usan métodos matemáticos de cálculo y ecuaciones diferenciales, que divide el movimiento en pequeños tramos infinitesimales. Antes de inventar esos procedimientos, el tema confundía incluso a los más grandes pensadores del mundo. El filósofo griego Zenón de Elea, que pertenecía a una escuela de pensamiento que mantenía que los cambios de cualquier tipo eran solo una ilusión, formuló una serie de paradojas que parecen demostrar que todo movimiento es imposible.
98 g Movimiento
(que en el lenguaje común es a lo que llamamos sencillamente velocidad) es un valor numérico que indica lo que se mueve respecto a un punto elegido arbitrariamente como «fijo». La velocidad lineral se mide dividiendo la distancia recorrida por el tiempo empleado en recorrerla. El resultado se expresa en unidades de longitud por unidad de tiempo, metros por segundo o kilómetros por hora, por ejemplo. En términos matemáticos, la velocidad lineral es una escalar representada por un solo número. La velocidad propiamente dicha, se define como una magnitud vectorial, que tiene un módulo, y una dirección. Su módulo es simplemente la velocidad lineral, en tanto que la dirección es la del movimiento en ese momento. El uso de vectores en lugar de magnitudes escalares es importante en la ciencia de la dinámica, que trata del modo en que cambia el movimiento de un objeto en respuesta a las fuerzas que se aplican sobre él. Como la velocidad, las fuerzas son magnitudes escalares. Si la fuerza se aplica en la dirección de la velocidad, el resultado es un aumento de la velocidad lineral sin cambio de dirección. Pero si la fuerza se aplica angularmente se produce también un cambio de dirección. Cuando Newton enuncia en su segunda ley que la aceleración es proporcional a la fuerza aplicada, «aceleración» significa cambio del vector velocidad.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también FUERZA Y ACELERACIÓN pág. 78 RELATIVIDAD GALILEANA pág. 102 LAS LEYES DE NEWTON pág. 104
MINIBIOGRAFÍAS ZENÓN DE ELEA
h.490–h.430 a. C. Filósofo griego que propuso una serie de paradojas que sugerían que el movimiento es imposible GALILEO GALILEI
1564–1642
Filósofo natural italiano que realizó experimentos sobre el movimiento de los cuerpos ISAAC NEWTON
1643–1727
Físico inglés que codificó los principios de la dinámica en sus leyes del movimiento
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Andrew May
La velocidad no solo define la distancia recorrida en la unidad de tiempo sino también la dirección del movimiento.
En un mundo donde la física es imprescindible para las actividades cotidianas y las novedades cuánticas se convierten en titulares de las noticias, es preciso conocer sus átomos y su antimateria, y aprender lo suficiente para poder hablar con propiedad sobre la dinámica de fluidos y estar seguro sobre el principio de incertidumbre. Aquí encontrará la manera más rápida de ponerse al día con la ciencia espacial… y con el resto. 50 temas fundamentales de la física aborda las grandes ideas en las que se basa la vida tal como la conocemos, de las ondas electromagnéticas que nos permiten conectar en un instante dos extremos opuestos de la Tierra, a la gravedad, que nos mantiene firmes en el suelo. Cada tema se expone en solo 30 segundos, usando nada más que dos páginas, 300 palabras y una imagen. Ilustrado con ingeniosos gráficos, el libro se completa con biografías de algunos de los físicos que transformaron para siempre el conocimiento científico. Brian Clegg estudió Ciencias naturales, concretamente la especialidad de Física experimental, en la Universidad de Cambridge. Ha escrito para revistas y periódicos como Nature, The Times y The Wall Street Journal, y ha dado conferencias en Oxford, Cambridge y la Royal Institution. Es editor de la página web de crítica de libros científicos www.popularscience.co.uk y autor de otros libros sobre física.
Preservamos el medio ambiente • Reciclamos y reutilizamos. • Usamos papel de bosques gestionados de manera responsable. ISBN 978-84-9801-903-2
9 788498 019032
átomos masa sólidos líquidos gases plasma antimateria luz el espectro electromagnético color fotones reflexión refracción polarización principio de mínima acción/tiempo velocidad de la luz teoría cuántica cuantos dualidad onda-partícula ecuación de schrödinger el principio de incertidumbre efecto túnel electrodinámica cuántica entrelazamiento cuántico fuerzas fuerza y aceleración electromagnetismo gravedad órbitas y fuerza centrípeta la fuerza nuclear débil la fuerza nuclear fuerte ¿campo o partícula? movimiento movimiento, velocidad lineal y velocidad cantidad de movimiento e inercia relatividad galileana las leyes de newton fricción dinámica de fluidos relatividad especial energía trabajo y energía potencia energía cinética energía potencial energía química energía nuclear máquinas termodinámica calor máquinas térmicas temperatura ley cero de la termodinámica primera ley de la termodinámica segunda ley de la termodinámica tercera ley de la termodinámica