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1. Difracción de electrones mediante doble rendija

El físico francés Louis de Broglie propuso en 1924 que los electrones y otros elementos discretos de materia, que hasta entonces se concebían sólo como partículas de materia, tenían también propiedades tales como la longitud de onda y la frecuencia. Más tarde (en 1927) la naturaleza de onda de los electrones fue demostrada experimentalmente por C. J. Davisson y L. H. Germer en Nueva York y por G. P. Thomson en Aberdeen (Escocia).

Para explicar la idea, a los demás y a si mismos, los físicos usan frecuentemente un meditado experimento, en el cual se repitió el experimento previo de Young de la doble rendija usando esta vez un haz de electrones en lugar de un haz de luz. Cumpliendo con la leyes de la mecánica cuántica, el chorro de partículas se dividiría en dos, y los chorros más pequeños interferirían entre si, dejando el mismo patrón de luz-oscuridad que se obtuvo con el experimento de luz. Las partículas actuarían como ondas. De acuerdo con un artículo de la publicación "Physics World", del editor de la revista Peter Rodgers, no fue hasta 1961 cuando alguien (Claus Jönsson de Tübingen) llevó a cabo el experimento en el mundo real.

2. Experimento de Galileo sobre caída de objetos


A finales de 1500 todo el mundo sabía que los objetos pesados caían más rápido que los más ligeros. Después de todo, Aristóteles lo había dicho. Que los pupilos del anciano Griego todavía sostuvieran tal regla fue un claro signo de cuanto había decaído la ciencia durante las épocas oscuras.

Galileo Galilei, que poseía una cátedra en Matemáticas en la Universidad de Pisa, fue lo suficientemente descarado para cuestionarse el saber común. La historia se ha convertido
en parte del folclore de la ciencia: el tiene fama de haber lanzado dos pesos distintos de la torre inclinada de la ciudad mostrando que ellos aterrizaban al mismo tiempo. Su reto a Aristóteles le costó a Galileo su trabajo, pero él había demostrado la importancia de considerar la naturaleza, no la autoridad humana, como juez final en materia de ciencia.

3. El experimento de la gota de aceite de Millikan

El experimento de la gota de aceite fue la primera medida directa y convincente de la carga eléctrica de un único electrón. Fue realizado originalmente en 1909 por el físico americano Robert A. Millikan. Usando un atomizador de perfume, él roció con minúsculas gotas de aceite un recipiente transparente. Arriba y abajo había discos metálicos conectados a una batería, siendo uno positivo (rojo en la animación) y el otro negativo (azul en la animación). Como cada gotita, adquirió una pequeña carga de electricidad estática cuando viajaba a través del aire, la velocidad de su movimiento podía ser controlada mediante el cambio del voltaje en los discos. Cuando el espacio entre los discos metálicos está ionizado por radiación (por ejemplo rayos X), los electrones del aire se enlazan a las gotitas de aceite dotándolas de carga negativa. Millikan observó una gota tras otra cambiando el voltaje y tomando nota del efecto. Tras muchas repeticiones concluyó que la carga sólo puede tener ciertos valores fijos. La más pequeña de esas porciones no fue otra que la carga de un único electrón.

4. Descomposición de la luz solar mediante un prisma de Newton

Isaac Newton nació el año que murió Galileo. Graduado por el Trinity College en Cambridge en 1665, estuvo escondido en casa durante un par de años esperando el fin de la plaga.

No tuvo problemas para mantenerse a si mismo ocupado.

El saber común sostenía que la luz blanca era la forma más pura (otra vez Aristóteles) y que la luz coloreada tenía por tanto que ser alterada de alguna forma. Para probar esta
hipótesis, Newton dirigió un haz de luz solar a través de un prisma de cristal y mostró que esta se descomponía en un fundido espectral sobre la pared. La gente ya conocía los arcos iris, por supuesto, pero eran considerados sólo como preciosas aberraciones. En realidad, Newton concluyó, que eran esos colores - rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil, violeta y las graduaciones intermedias - los que eran fundamentales. Lo que parecía simple en su superficie, un haz de luz blanca, era bellamente complejo si uno lo miraba más detenidamente.

5. Experimento de Young de la interferencia de luz

Newton no tuvo siempre razón. Mediante varios argumentos, él había conducido a la principal corriente científica hacia la convicción de que la luz estaba compuesta únicamente de partículas en lugar de ondas. En 1803, Thomas Young, un médico y físico inglés, puso a prueba la idea. Young realizó un agujero en un obturador, lo cubrió con una gruesa pieza de papel punteada con pequeños agujeros de alfiler y usó un espejo para hacer pasar el delgado haz de luz a través de el. Entonces tomó un "trocito de una carta, de alrededor de una trigésima parte de pulgada de grosor (en torno a 0,847 milímetros)" y lo mantuvo de canto en el camino del haz, dividiéndolo en dos. El resultado fue una sombra que alterna bandas de claridad y oscuridad - un fenómeno que podría explicarse si los dos haces interaccionasen como ondas. Las bandas brillantes aparecen cuando dos crestas se superponen, reforzándose la una a la otra; las bandas oscuras indican el lugar donde un máximo coincide con un mínimo, neutralizándose el uno al otro.

La demostración fue repetida frecuentemente a lo largo de los años usando una carta con dos agujeros que dividía el haz. Esos experimentos, llamados de doble rendija, se convirtieron en el estándar para determinar la naturaleza ondulatoria - un hecho que fue especialmente importante un siglo después cuando comenzó la teoría cuántica.

6. El experimento de torsión de la barra de Cavendish

El experimento fue realizado en 1797-98 por el científico inglés Henry Cavendish. Él siguió un método prescrito y usó aparatos construidos por su compatriota el geólogo John Michell, el cual murió en 1793. El aparato empleado fue una balanza de torsión, esencialmente un alambre estirado que soporta pesos esféricos. La atracción entre los pares de pesos provocó un pequeño giro en el alambre, el cual permitía así calcular por primera vez el valor de la constante gravitacional G. El experimento se conoció popularmente cuando se intentaba pesar la Tierra, porque la determinación de G permitió el cálculo de la masa terrestre.

7. Medida de la circunferencia terrestre por Eratóstenes

En Syene (ahora Aswan), a unos 800 km (500 millas) al sureste de Alejandría en Egipto, los rayos del sol caen verticalmente al mediodía en el solsticio de verano. Erastóstenes, que nació en el año 276 antes de Cristo, observó que en Alejandría, el mismo día y a la misma hora, la luz solar formada un ángulo de unos 7º con la vertical.

Asumió que la distancia al Sol era muy grande; sus rayos por tanto son prácticamente paralelos cuando alcanzan la Tierra. Dadas las distancias estimadas entre las dos ciudades, él fue capaz de calcular la circunferencia de la Tierra. La longitud exacta de las unidades (stadia) que usó son dudosas, y la precisión de sus resultados es por tanto incierta; Eratóstenes podría haber variado entre un 0.5 y un 17 por ciento del valor aceptado por los astrónomos modernos.

8. Experimento de Galileo con bolas rodantes sobre planos inclinados

Galileo continuó refinando sus ideas acerca de los objetos en movimiento. Tomó una tabla de 12 "cubits" de largo y medio "cubit" de ancho (alrededor de 20 pies por 10 pulgadas (unos 6 metros por 25 centímetros), un cubit equivale a una distancia de entre 17 y 22 pulgadas (entre 43 y 55 centímetros)) y realizó un surco tan derecho y poco pronunciado como fue posible, hacia abajo por el centro. Luego inclinó el plano e hizo rodar bolas de latón por ella, midiendo su descenso con un reloj de agua - un gran recipiente que se vacía a través de un delgado tubo en un vaso. Después de cada ejecución Galileo pesaría el agua que se había vertido - midiendo el tiempo transcurrido - y lo comparó con la distancia que la bola había recorrido.

Aristóteles habría predicho que la velocidad de una bola rodante sería constante: si doblamos el tiempo de descenso, doblaremos la distancia que recorre. Galileo fue capaz de demostrar que la distancia es en realidad proporcional al cuadrado del tiempo: dóblalo y la bola llegará cuatro veces más lejos. La razón es que está constantemente acelerado por la gravedad.

9. El descubrimiento del núcleo de Rutherford

Cuando Ernest Rutherford estuvo experimentando con radioactividad en la Universidad de Manchester en 1911, se creía generalmente que el átomo estaba formado por un triturado de elementos de carga eléctrica positiva con los electrones empotrados en él - el modelo de "pudín de ciruelas". Pero cuando Rutherford y su asistente dispararon diminutos proyectiles cargados positivamente, llamados partículas alfa, contra una fina lámina de oro, se sorprendieron al ver que un pequeño porcentaje de ellos rebotaban. Eso fue como si las balas hubieran rebotado.

Rutheford calculó que en realidad los átomos no estaban tan triturados después de todo. La mayoría de la masa tenía que estar concentrada en un pequeño núcleo, ahora llamado así, con los electrones flotando a su alrededor. Con las enmiendas ofrecidas por la teoría cuántica, esta imagen del átomo permanece hasta hoy.

10. El péndulo de Foucault

El pasado año, cuando los científicos montaron un péndulo sobre el Polo Sur y lo observaron balancearse, estaban replicando una demostración realizada en París en 1851. Usando un cable de acero de 220 pies de largo (unos 67 metros), el científico francés Jean-Bernard-Léon Foucault suspendió una bola de 62 libras (unos 28 kilogramos) de hierro desde la cúpula del Panteón y lo puso en movimiento, balanceándolo. Para marcar su progreso el enganchó una aguja a la bola y colocó un anillo de tierra mojada en el suelo bajo él.

La audiencia observó con pavor como el péndulo inexplicablemente parecía rotar, dejando un trazo ligeramente distinto en cada balanceo. En realidad era el suelo del Panteón el que estaba ligeramente en movimiento, y Foucault había demostrado, de una forma más convincente que nunca, que la tierra gira sobre su eje. En la latitud de París, el trazo del péndulo completaría una rotación completa en el sentido horario cada 30 horas; en el hemisferio sur rotaría en sentido antihorario, y en el ecuador no rotaría nada. En el Polo Sur, como han confirmado los científicos de la era moderna, el periodo de rotación es de 24 horas.