Física Moderna

Física moderna

Introducción

Desde un principio, el hombre ha intentado explicarse todos los fenómenos que ocurren a su alrededor, desde un simple movimiento hasta la complejidad de la composición de la luz. La Física es la disciplina que se encarga del estudio de todos los componentes del universo, las fuerzas que ejercen entre sí y los efectos que estas tienen.

Para su estudio y por el tipo de conocimientos, la Física se divide en Física Clásica y Física Moderna. La primera se encarga de estudiar los fenómenos macroscópicos, es decir, la mecánica, la termodinámica, la óptica, la acústica, entre otras; mientas que la segunda se encarga del estudio de las fuerzas cuánticas y lo relacionado con las teorías de la relatividad.

Los principales fenómenos estudiados por la Física moderna son los que involucran cuerpos microscópicos como los átomos y las moléculas, y velocidades muy grandes, cercanas o iguales a la de la luz. 

Cuando se trabaja con objetos grandes y velocidades pequeñas con respecto a la velocidad de la luz, todas las leyes y afirmaciones de la Física clásica son validas, pero cuando se está inmerso en el estudio de la Física moderna se tienen que utilizar otras teorías como son la Teoría Cuántica y la Teoría de la Relatividad.

Albert Einstein (1879-1955) fue uno de los personajes más importantes de la Física moderna, ya que en 1905 publicó su trabajo sobre la Teoría Especial de la Relatividad, la cual hace una descripción de de las leyes físicas en los llamados sistemas de referencia inerciales (sistemas sin aceleración), por lo cual es una de las teorías base de esta parte de la Física.

Teorías de la relatividad

-Teoría Especial de la Relatividad.

Como ya se mencionó, el físico alemán, Alberte Einstein (1897-1955) en 1905 publicó su Teoría especial de la relatividad. Esta surge de la observación de que la velocidad de la luz en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia inerciales y de sacar todas las consecuencias del principio de relatividad, según el cual cualquier experiencia hecha en un sistema de referencia inercial se desarrollará de manera idéntica en cualquier otro sistema inercial.

La teoría de la relatividad especial estableció nuevas ecuaciones que permitían pasar de un sistema de referencia inercial a otro. Las ecuaciones correspondientes conducen a fenómenos que chocan con el sentido común, siendo uno de los más asombrosos y más famosos la llamada paradoja de los gemelos. Esta paradoja consiste en suponer que dos hermanos gemelos sincronizan sus relojes con un mismo tiempo, pero uno de ellos aborda una nave espacial y realiza un viaje de dos años medidos con su reloj y a una velocidad de 285mil Km/s; al regresar a la Tierra se percatará de que han transcurrido 200 años, y que su hermano y descendientes ya no existen. Dicha paradoja se explica al considerar que al viajar a una velocidad cercana a la de la luz, el gemelo retrasó todos sus procesos fisiológicos y el ritmo de la marcha de su reloj con respecto al tiempo de la Tierra.

De la teoría especial de la relatividad se infiere lo siguiente:

1.- La velocidad de la luz en el vacío (300000 km/s) es una velocidad límite en el universo que no puede ser rebasada por ningún tipo de partícula o radiación.

2.- Cuando un cuerpo se mueve su masa no permanece constante, sino que aumenta según se incrementa su velocidad y toda vez que el movimiento es una forma de energía, la masa incrementada en el cuerpo móvil debe provenir de su energía incrementada.

E=mc2

Donde: E= Energía contenida en un cuerpo en Jules

m= masa del cuerpo en kilogramos

c= Velocidad de la luz en el vacío (300000 km/s)

La elución relativista que relaciona el incremento de la masa en función del incremento de su velocidad es:

m=m0 / √1-(v2/c2)

Donde: m= Masa del cuerpo a la velocidad “v” en kilogramos

m0= Masa del cuerpo en reposo en kilogramos

c= Valor de la velocidad de propagación de la luz en el vacío (300000 kg/s)

v= Velocidad del cuerpo con masa “m” en m/s

3.- El tiempo no es algo intrínseco que exista y transcurra en todo el universo a la vez, por lo tanto, no puede servir de referencia para afirmar que dos fenómenos ocurridos en diferentes sistemas son simultáneos.

4.- La contracción de los cuerpos en movimiento es una consecuencia de la relatividad del tiempo. La contracción que sufren los cuerpos en movimiento es llamada contracción de Lorentz y es descrita por la siguiente ecuación:

L= L0 √1-v2/c2

Donde: L= Longitud del objeto en la dirección de su movimiento en metros

L0= Longitud del objeto en reposo en metros

v= Valor de la velocidad que adquiere el objeto en m/s

c= Valor de la velocidad de la luz en m/s

Teoría General de la Relatividad:

En 1915, Einstein amplió la descripción de las leyes de la naturaleza para marcos o sistemas de referencia no inerciales. Con este fin publicó su Teoría General de la Relatividad. Esta teoría empezó con el enunciado del principio de equivalencia según el cual los campos gravitacionales son equivalentes a las aceleraciones del sistema de referencia. De acuerdo con ella, las interacciones entre los cuerpos, que hasta entonces se atribuían a fuerzas gravitacionales, se explican por la influencia de aquéllos sobre la geometría espacio-tiempo (espacio de cuatro dimensiones, una abstracción matemática en la que el tiempo se une, como cuarta dimensión, a las tres dimensiones euclídeas).

Basándose en la teoría general de la relatividad, Einstein pudo entender las variaciones hasta entonces inexplicables del movimiento de rotación de los planetas y logró predecir la inclinación de la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol. La confirmación de este fenómeno durante un eclipse de Sol en 1919 fue toda una noticia y su fama se extendió por todo el mundo.

Fusión Nuclear

Es el proceso mediante el cual dos o más núcleos atómicos ligeros se unen para formar uno de mayor masa. Dado que los núcleos están cargados positivamente, tienden a repelerse, pero también existen fuerzas de muy intensas atracción, pero a distancias muy pequeñas. Para conseguir que estas fuerzas de repulsión sean compensadas se tiene que elevar a temperaturas y presiones muy altas. Las temperaturas altas pueden llevar a los núcleos a fusionarse debido al efecto túnel (En este efecto las partículas microscópicas pueden pasar de un estado de materia a un estado de no materia, es decir,

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