¿Cuál es el experimento más bello de la física?

Esa es la pregunta que el año pasado Robert P. Crease, historiador de la ciencia, hizo a los lectores de la revista Physics World. Los experimentos más votados tienen en común resumir esa cualidad elusiva que los científicos llaman belleza. Esta es belleza en el sentido clásico: la simplicidad del aparato como la simplicidad lógica del análisis parecen tan inevitables y puras como las líneas de un monumento griego. La confusión y la ambigüedad son momentáneamente dejadas de lado y algo nuevo sobre la naturaleza queda en clara evidencia. Ordenados de acuerdo a su popularidad se detallan, a continuación, los diez experimentos más bellos de la física:

1. La difracción del electrón en una doble rendija (Jönsson - 1961)

La dualidad onda-partícula de la naturaleza es el principio fundamental de la física cuántica. De acuerdo a esta dualidad, un pedazo de materia (un electrón, por ejemplo) se comporta a veces como si estuviese en un sólo lugar a la vez, como una partícula, y otras veces como si estuviese en varios lugares al mismo tiempo, como una ola en el mar. En 1927 la naturaleza ondulatoria de los electrones fue establecida experimentalmente mediante la observación de un patrón de difracción (un fenómeno característico de la propagación de ondas) al pasar un haz de electrones a través de un cristal de níquel. Para explicar la idea de la dualidad en términos simples, los físicos frecuentemente usaban un experimento imaginario. En este experimento se hacía incidir un haz de electrones sobre una placa provista de dos rendijas próximas y se observaba qué pasaba sobre una pantalla detectora colocada detrás de las rendijas sobre la cual cada electrón producía un punto luminoso al chocar. Si los electrones se comportasen como partículas al pasar por las rendijas el patrón esperado en la pantalla sería el de dos franjas luminosas, cada una de ellas imagen de una de las rendijas. Sin embargo, de acuerdo a la física cuántica, el haz electrónico se dividiría en dos y los haces resultantes interferirían uno con otro, formándose en la pantalla un curioso patrón de bandas oscuras y luminosas. Fue recién en 1961 cuando alguien (Claus Jönsson de Tübingen, Alemania) llevó a cabo el experimento en el mundo real y comprobó que nuestra realidad es cuántica.

2. El experimento de la torre de Pisa (Galileo – siglo XVII)

A fines del siglo XVI todos sabían que los objetos pesados caían más rápidamente que los livianos. Después de todo, Aristóteles había dicho que así eran las cosas. Galileo Galilei se atrevió a cuestionar al sentido común. Para ello, arrojó simultáneamente dos pesos diferentes desde la punta de la torre inclinada de la ciudad de Pisa y observó que los dos objetos aterrizaban al mismo tiempo. Su osadía demostró la importancia de tomar a la naturaleza, y no a la autoridad humana, como árbitro en materias de ciencia.

3. El experimento de la gota de aceite (Millikan - 1909)

El físico estadounidense Robert A. Millikan efectuó la primera medición directa y concluyente de la carga eléctrica de un electrón. Usando un atomizador de perfume desparramó pequeñas gotas de aceite dentro de una cámara transparente. En las partes superior e inferior había placas metálicas unidas a una batería, siendo una positiva y la otra negativa. Cuando el espacio entre las placas metálicas era ionizado por radiación (por ejemplo, rayos X), electrones del aire se pegaban a las gotitas de aceite, adquiriendo éstas una carga negativa. Como cada gotita adquiría una leve carga de electricidad a medida que viajaba a través del aire, la velocidad de su movimiento podía ser controlada alterando el voltaje entre las placas. Millikan observó gotita tras gotita, variando el voltaje y notando el efecto. Después de muchas repeticiones concluyó que la carga sólo podía asumir ciertos valores fijos. El más pequeño de estos valores era nada menos que la carga de un solo electrón.

4. La descomposición de la luz solar mediante un prisma (Newton -1665)

El sentido común sostenía que la luz blanca era la más pura (otra vez Aristóteles) y que la luz de colores había sido corrompida de alguna manera. Para probar esta hipótesis, Newton hizo incidir un rayo de luz solar sobre un prisma de vidrio y demostró que el prisma descomponía la luz en un espectro sobre la pared. Ya de antes la gente sabía acerca del arco iris, pero lo consideraba solamente una hermosa aberración. Newton concluyó que los colores del arco iris eran los fundamentales. Lo que parecía muy simple visto superficialmente, un rayo de luz blanca, era hermosamente complejo si se lo miraba con profundidad.

5. El experimento de la interferencia de la luz (Young – 1801).

Newton había convencido al mundo científico que la luz consistía exclusivamente en partículas en lugar de ondas. Thomas Young, un medico y físico inglés, puso la idea a prueba. Cubrió una ventana con papel opaco al que le hizo un pequeño agujero con un alfiler. Luego usó un espejo para desviar el fino rayo que incidía a través de la ventana e interpuso en su camino una carta de costado, de no más de dos milímetros de espesor, dividiendo al rayo en dos. El resultado fue una sombra de bandas luminosas y oscuras alternadas sobre una pantalla. Un fenómeno que podía ser explicado si los dos rayos interactuasen como si fuesen ondas. Bandas brillantes aparecían cuando dos crestas se superponían, reforzándose mutuamente; bandas oscuras marcaban cuando una cresta se alineaba con una depresión, neutralizándose uno con otro. La demostración fue repetida frecuentemente usando una tarjeta con dos huecos para dividir el rayo. Estos experimentos son llamados de doble rendija y se usan convencionalmente para estudiar el movimiento ondulatorio.

6. El experimento de la balanza de torsión (Cavendish – 1798)

El científico inglés Henry Cavendish midió por primera vez la intensidad de la fuerza de gravedad. El aparato empleado fue una balanza de torsión, esencialmente un alambre soportando una barra de madera con dos pequeñas esferas metálicas en sus extremos. Cerca de cada una de ellas colocó esferas de plomo de 170 kilos cada una. La atracción gravitatoria entre pares de esferas causaba una leve torsión del alambre, proporcional a la intensidad de la fuerza. Esto permitió el primer cálculo del valor de la constante gravitatoria G. El experimento fue popularmente conocido como el pesaje de la Tierra porque la determinación de G permitió calcular la masa de la Tierra.

7. La medición de la circunferencia terrestre (Eratóstenes – siglo III a.c.)

En Aswan, algunos 800 kms al sudeste de Alejandría en Egipto, los rayos del sol caen perpendicularmente al mediodía durante el solsticio de verano. Eratóstenes notó que en Alejandría, el mismo día y a la misma hora, los rayos del sol formaban un ángulo de 7 grados con la vertical. Dada la distancia estimativa entre las dos ciudades, Eratóstenes calculó la circunferencia de la Tierra usando simple geometría. Como existen dudas sobre la unidad de medida usada, la exactitud de su resultado es incierta pero podría haber variado entre un 5 y un 17 por ciento del valor aceptado actualmente.

8. El experimento del plano inclinado (Galileo – siglo XVII)

Galileo continuó refinando sus ideas acerca de los objetos en movimiento. Arrojó bolas de bronce por un plano inclinado midiendo el tiempo del descenso con un reloj de agua (una gran vasija que se vaciaba a través de un tubo muy fino) Luego de cada corrida pesaba el agua que había salido de la vasija, a partir de ello deducía el tiempo de la caída y lo comparaba con la distancia que la bola había viajado. Aristóteles hubiese predicho que la velocidad de una bola rodante sería constante: si uno dobla el tiempo que viajó, se doblaría la distancia recorrida. Galileo fue capaz de demostrar que, en realidad, la distancia es proporcional al cuadrado del tiempo: si uno duplica el tiempo, la bola viajará cuatro veces más lejos. La razón es que la bola está siendo constantemente acelerada por la fuerza de gravedad.

9. El descubrimiento del núcleo (Rutherford – 1911)

En 1911 se pensaba que los átomos consistían en gotas pulposas de carga eléctrica positiva con electrones embebidos, el modelo “budín de ciruelas”. Pero cuando Ernest Rutherford arrojó pequeños proyectiles positivamente cargados, llamados partículas alfa, contra una delgada lámina de oro se sorprendió al encontrar que un pequeño porcentaje de proyectiles rebotaban. Concluyó que los átomos en realidad no podían ser tan pulposos. La mayor parte de la masa debía estar concentrada en una diminuta coraza, hoy llamada núcleo, con los electrones vagando a su alrededor. Esta imagen del átomo, con ciertos remiendos cuánticos, es la que persiste hoy en día.

10. El péndulo de Foucault (Foucault – 1851)

En Paris el científico francés Jean Foucault suspendió una bola de hierro de 30 kilos de la cúpula del Panteón usando un cable de acero de 60 metros de largo y la puso en movimiento, meciéndose ida y vuelta. Para marcar su progreso le agregó una aguja a la bola y puso arena en el piso. La audiencia observó con asombro como el péndulo inexplicablemente parecía rotar, dejando una traza ligeramente distinta en cada oscilación. En realidad era el piso del Panteón el que se movía lentamente y Foucault había demostrado, más convincentemente que nunca, que la Tierra gira alrededor de su eje. En la latitud de Paris el recorrido del péndulo efectúa una rotación completa en el sentido de las agujas del reloj cada 30 horas, en el hemisferio sur el péndulo rota en sentido opuesto y en el Ecuador no rota para nada.

Arriba, de izquierda a derecha Eratóstenes, Galileo Galilei, Thomas Young y Jean Foucault. Abajo: Isaac Newton, Robert Millikan y Ernest Rutherford