Golpear los libros: cómo la ‘cadena de cuentas diminutas’ de Planck ayuda a explicar por qué funcionan las bombillas


Las leyes de la termodinámica ayudan a gobernar prácticamente todos los aspectos del universo conocido, desde las funciones biológicas de las células individuales hasta la formación de agujeros negros en nuestro núcleo galáctico. Y sin los esfuerzos hercúleos de científicos, teóricos, ingenieros y manipuladores a lo largo de casi dos siglos, la humanidad no estaría disfrutando ni siquiera del nivel de avance tecnológico que tenemos hoy. Las comodidades modernas como refrigeradores, bombillas, aire central y motores a reacción solo se han logrado gracias a nuestra comprensión relativamente nueva de estas fuerzas fundamentales de la física. En su nuevo libro, Nevera de Einstein, autor, documentalista y comunicador científico Paul Sen, explora las obras y las peculiaridades de estos investigadores pioneros, desde Lord Kelvin y James Joule hasta Emmy Noether, Alan Turing y Stephen Hawking, mientras buscaban comprender mejor los fundamentos térmicos de la universo.

Funda para frigorífico de Einstein

Scribner

«Extraído de Frigorífico de Einstein: cómo la diferencia entre frío y calor explica el universo por Paul Sen. Copyright © 2021 de Furnace Limited con permiso de Scribner, una división de Simon & Schuster, Inc. «


En 1900, Max Planck, crítico de la ciencia de Boltzmann durante casi dos décadas, publicó artículos que insinuaban un cambio de opinión. Aún más inesperadamente, parecía estar diciendo que Boltzmann Los métodos estadísticos pueden tener una relevancia mucho más allá de la termodinámica.

Planck se vio forzada a realizar esta reacia conversión con el advenimiento de una nueva tecnología: la bombilla eléctrica. En estos, la corriente eléctrica fluye a través de un filamento, calentándolo y haciéndolo brillar. Esto centró las mentes científicas en investigar la relación precisa entre el calor y la luz.

Hay tres formas (conducción, convección y radiación) en las que el calor puede fluir fuera de un objeto. Todo se puede observar en la mayoría de las cocinas.

La conducción es la forma en que las placas calefactoras eléctricas transfieren calor. Toda la superficie calentada del plato está en contacto con la parte inferior de una sartén y el calor fluye de uno a otro. La teoría cinética explica esto de la siguiente manera: a medida que aumenta la temperatura de la placa caliente, sus moléculas constituyentes vibran cada vez más rápido. Como están tocando las moléculas de la cacerola, las sacuden. Pronto, todas las moléculas de la cacerola están vibrando con más fuerza que antes, lo que se manifiesta a medida que aumenta la temperatura de la cacerola.

El flujo de calor por convección se produce en los hornos. Los elementos calefactores dentro de la pared del horno hacen que las moléculas de aire cercanas se muevan más rápidamente. Estos luego chocan con moléculas más profundas en el horno, aumentando su velocidad, y pronto aumenta la temperatura de todo el horno.

El tercer tipo de transferencia de calor, por radiación, es el ligado a la luz. Enciende una parrilla y, a medida que aumenta la temperatura del elemento, se ilumina en rojo. Además de la luz roja real, también emite luz infrarroja, que es lo que se siente caliente. Cuando esto golpea un objeto, dicen las salchichas en la sartén de la parrilla, hace que sus moléculas constituyentes vibren, elevando su temperatura.

La comprensión de los científicos sobre la radiación de calor había mejorado en la década de 1860 gracias a James Clerk Maxwell, quien publicó un conjunto de ecuaciones matemáticas que describen el «electromagnetismo».

Para tener una idea del razonamiento de Maxwell, imagine que sostiene un extremo de una cuerda muy larga. Está bastante estirado y el otro extremo está, digamos, a una milla de distancia. Mueve el extremo que estás sosteniendo hacia arriba y hacia abajo. Ves una torcedura que se aleja de ti por la cuerda. Ahora mueva el extremo de la cuerda hacia arriba y hacia abajo continuamente. Una ola ondulante continua baja por la cuerda.

Para ver por qué, imagina la cuerda como una cadena de cuentas diminutas. Cada uno está conectado al siguiente por un corto tramo de elástico. Cuando mueves la primera cuenta de la cadena, tira de la adyacente. Eso luego tira del que está más allá y así sucesivamente. El movimiento hacia arriba y hacia abajo de la primera cuenta pasa así secuencialmente por todas las cuentas, lo que parece una onda que se mueve hacia abajo de la cuerda.

¿Qué tan rápido viaja la ola por la cuerda? Depende del peso de las cuentas y de la tensión en el elástico de conexión. Hacer las cuentas más pesadas lo ralentizará porque se necesita más esfuerzo para moverlas. Aumentar la tensión lo acelerará. Cada cuenta puede tirar más fuerte de la siguiente si el elástico entre ellas está más tenso. De manera intuitiva, si sacudes el extremo de una cuerda floja y pesada, los meneos descienden lentamente. En contraste, las olas correrán por una cuerda de guitarra ligera y tensa a más de mil kilómetros por hora.

En la imaginación de Maxwell, el espacio vacío está lleno de tensas «cuerdas» de este tipo. Emanan de muchas de las partículas que componen todas las «cosas» del mundo que nos rodea. Tomemos, por ejemplo, el pequeño electrón cargado negativamente, una parte constituyente de todos los átomos. Imagínese un solo electrón inmóvil en el espacio vacío. Las cuerdas apretadas se extienden desde todas las direcciones a través incluso del vacío. Conocidas como «líneas de campo eléctrico», son invisibles e incorpóreas, pero si pones otra partícula cargada, como un protón cargado positivamente, en una línea de campo, se siente atraída hacia el electrón del mismo modo que una cuenta en la cadena se siente atraída.

Ahora imagina que el electrón comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo. Al igual que la onda viajó por la cuerda, las ondas se alejan del electrón por las líneas del campo eléctrico que emanan de él.

Entonces, ¿qué tan rápido se mueven estas ondas de campo eléctrico? En una de las grandes intuiciones de la ciencia, Maxwell identificó cómo estimar esto. Tome una línea de campo que se extiende desde el electrón. Imagínese a lo largo de su longitud, hay pequeñas agujas de brújula. A medida que la onda se mueve hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la línea de campo, las agujas de la brújula giran hacia adelante y hacia atrás, hacia ella y luego alejándose de ella. Los lectores pueden saber que una corriente eléctrica que fluye por un cable puede tener un efecto similar, creando lo que se conoce como un campo magnético a su alrededor. Maxwell estaba diciendo que a medida que las ondas se mueven por las líneas del campo eléctrico, generan ondas en un campo magnético acompañante. Imaginó estas ondas en ángulos rectos entre sí. Por ejemplo, digamos que la onda del campo eléctrico oscila hacia arriba y hacia abajo a medida que pasa a su lado de izquierda a derecha. Entonces, la onda del campo magnético que la acompaña oscilará hacia usted y alejándose de usted. Y, lo que es más importante, crear esta onda magnética requiere esfuerzo, al igual que para mover las cuentas ponderadas en la cuerda.

El razonamiento de Maxwell fue intuitivo, una corazonada. Pero tuvo un beneficio enorme. Recuerde que con la cadena ondulante, podríamos predecir la velocidad a la que una onda viajará a lo largo de ella pesando una de sus cuentas y midiendo la tensión en las bandas elásticas interconectadas. De manera similar, Maxwell podría obtener fácilmente mediciones para sus equivalentes en líneas de campo. La tensión podría obtenerse midiendo la fuerza con la que dos objetos cargados se atraen entre sí. El equivalente al peso de una cuenta se obtuvo al medir la fuerza del campo magnético creado cuando una corriente conocida fluyó por un cable.

Utilizando estas medidas, Maxwell estimó que estas ondas «electromagnéticas» viajan a unos 300.000 kilómetros por segundo. He aquí, eso estaba notablemente cerca de las estimaciones medidas de la velocidad de la luz, demasiado cerca para ser una coincidencia. Parecía muy poco probable que la luz «simplemente se moviera» a la misma velocidad que una onda electromagnética; Parecía mucho más probable que la luz fuera en realidad una onda electromagnética.

El punto es que cualquier carga eléctrica oscilante emitirá una onda electromagnética. Por lo tanto, la luz del día existe porque los electrones del sol vibran constantemente. Envían ondas por las líneas de campo que emanan de ellos. Cuando estos llegan a nuestros ojos, sacuden partículas cargadas en nuestras retinas. (Esto también se conoce como «ver»).

Maxwell demostró que el color de la luz está determinado por la velocidad o la frecuencia a la que oscilan las ondas electromagnéticas. Cuanto más rápido lo haga, más azul será la luz. La luz roja, la luz visible de frecuencia más baja, es una onda electromagnética que oscila 450 billones de veces por segundo. La luz verde oscila a una frecuencia más alta, alrededor de 550 billones de veces por segundo, y la luz azul a alrededor de 650 billones de veces por segundo.

La teoría de Maxwell no solo describió los colores visibles, sino que también predijo la existencia de ondas electromagnéticas invisibles. Efectivamente, estos se encontraron a partir de la década de 1870 en adelante. Las ondas de radio, por ejemplo, tienen frecuencias que van desde menos de cien oscilaciones por segundo hasta alrededor de tres millones. El término «microondas» cubre un rango desde allí hasta trescientos mil millones. El infrarrojo se encuentra entre las microondas y la luz visible. Cuando las frecuencias son mayores que las de la luz azul, son rayos ultravioleta. Luego vienen los rayos X, y oscilando hacia arriba y hacia abajo más de cien mil millones de billones de veces por segundo están los rayos gamma. El rango completo, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, se denomina espectro electromagnético.

El descubrimiento de Maxwell significó que los físicos sabían en principio cómo se hacía brillar el filamento de una bombilla. Una corriente eléctrica calienta el filamento. Esto, a su vez, hace que sus electrones constituyentes oscilen y emitan ondas electromagnéticas. De hecho, todos los objetos emiten algunas ondas electromagnéticas. Los átomos están en constante movimiento, lo que significa que también lo están sus electrones. Por ejemplo, a una temperatura saludable de alrededor de 97 ° C, los cuerpos humanos emiten ondas infrarrojas detectables. Las serpientes, como víboras, pitones y boas, han desarrollado órganos para detectar dicha radiación y ayudarlos a cazar y encontrar lugares frescos para descansar.

El enigma de finales del siglo XIX era: ¿cuál es la relación precisa entre la temperatura de un objeto y las frecuencias de las ondas electromagnéticas que produce?



Fuente: engadget.com

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