Las pruebas de la física moderna: Cómo sabemos lo que sabemos

El Dr. Lincoln analiza el concepto de que toda la materia está formada por átomos, rastreando sus orígenes desde antiguas hipótesis hasta la evidencia científica moderna. Destaca a colaboradores clave como John Dalton y Albert Einstein, y explica por qué los átomos no pueden verse con microscopios ópticos pero sí con microscopios electrónicos de transmisión de barrido.

Los átomos son principalmente espacio vacío, que contiene un núcleo de protones y neutrones, y está rodeado de electrones. Estos componentes se descubrieron mediante experimentos indirectos. Más tarde, herramientas avanzadas ayudaron a identificar cientos de partículas más pequeñas, y la teoría de los quarks unificó estos descubrimientos en un marco más simple.

La dualidad onda-partícula de la luz representa un enigma fundacional de la física. Thomas Young la consideró inicialmente una onda en 1801. Sin embargo, las investigaciones de Einstein en el siglo XX revelaron que la luz también presenta propiedades similares a las de las partículas. Esta dualidad se extiende a los electrones y otras materias, mostrando su naturaleza dual de onda y partícula.

El Dr. Lincoln explora la paradoja del entrelazamiento cuántico, destacando su desafío a las explicaciones clásicas mediante ejemplos como el experimento mental de Schrödinger, en el que un gato puede estar vivo y muerto a la vez, demostrando las complejas reglas de la mecánica cuántica.

El Dr. Lincoln lleva a cabo experimentos que demuestran los extraños efectos de la teoría especial de la relatividad de Einstein, observables a medida que nos acercamos a la velocidad de la luz. La relatividad, aunque resulte difícil de creer, provoca cambios físicos reales como la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud, que suelen ser imperceptibles a velocidades cotidianas.

La velocidad de la luz es constante para todos los observadores gracias a los resultados del experimento de Michelson-Morley, que refutó la existencia del éter, supuesto medio de propagación de la luz. Este hallazgo fue respaldado por diversas pruebas de laboratorio que confirmaron que la velocidad de la luz permanece invariable en diferentes estados de movimiento.

El Modelo Estándar de la física de partículas incluye partículas y fuerzas fundamentales que explican los elementos del universo. Las partículas no fundamentales, visibles con herramientas como la cámara de niebla casera, destacan fenómenos como la desintegración radiactiva y la antimateria, convirtiendo conceptos propios de la ciencia ficción en una realidad observada.

El Dr. Lincoln utiliza una versión simplificada de la ecuación masa-energía de Einstein y el principio de incertidumbre de Heisenberg para medir las masas y los tiempos de vida de partículas subatómicas como el bosón de Higgs y el quark superior, que existen durante periodos de tiempo extremadamente cortos.

Los neutrinos son partículas subatómicas producidas en reacciones nucleares que pueden atravesar la materia (incluidos los seres humanos) a velocidades extremadamente altas sin causar daños. La detección de estas escurridizas partículas, que pueden cambiar de tipo o "sabor" a medida que viajan, ha exigido importantes innovaciones experimentales.

El Dr. Lincoln describe el camino del descubrimiento del bosón de Higgs, predicho por primera vez en 1964 y confirmado en 2012. Los físicos refinaron sus propiedades previstas y utilizaron potentes aceleradores para detectar finalmente la partícula, marcando un importante hito científico.

Tres predicciones alarmantes sugieren que los aceleradores de partículas podrían producir fenómenos peligrosos como strangelets, vacíos falsos o agujeros negros en miniatura, que podrían destruir la Tierra o el universo. Sin embargo, el Dr. Lincoln sostiene que estos riesgos son increíblemente pequeños, reafirmando nuestra seguridad a pesar de tales escenarios teóricos.

Los científicos comprenden la composición de las estrellas lejanas a través del estudio de la luz estelar, que proporciona información sobre su temperatura y composición elemental. Los principios de la física nuclear aclaran aún más el ciclo de vida de las estrellas basándose en estas observaciones.

Hace un siglo se creía que la Vía Láctea era todo el universo. Los avances en la astronomía permitieron descubrir alrededor de un billón de galaxias más en el universo observable. Al cartografiar la Vía Láctea, los astrónomos identificaron su estructura y contenido, incluido un agujero negro supermasivo en su centro.

En la década de 1990 se descubrieron por primera vez planetas fuera de nuestro sistema solar. Desde entonces se han confirmado miles. Para encontrarlos, los observadores utilizan métodos como la detección de "bamboleos" estelares causados por la gravedad de un planeta y la observación de las "sombras" de los planetas que se cruzan frente a las estrellas.

El Dr. Lincoln aborda la relatividad general, que incorpora la gravedad y predice la deformación del espaciotiempo alrededor de objetos masivos. Estudia tres fenómenos que demuestran la relatividad general: una anomalía en la órbita de Mercurio, la curvatura de la luz estelar que pasa cerca del Sol y la ralentización de los relojes en regiones de mayor gravedad.

La relatividad general sugiere que sucesos como la colisión de agujeros negros crean ondas gravitacionales que ondulan a través del espaciotiempo. Aunque apenas detectables cuando llegan a la Tierra, la existencia de estas ondas, infiere en la década de 1970, fue confirmada por detectores en 2015. Únase a la búsqueda de estas esquivas señales.

El concepto del Big Bang tiene su origen en los esfuerzos de principios del siglo XX de una joven astrónoma que medía las distancias entre las estrellas. Este trabajo preparatorio llevó al descubrimiento de la expansión del universo, sugiriendo un "big bang" inicial. Otras pruebas continuaron apoyando esta teoría, formando nuestra comprensión moderna de los orígenes del universo.

La teoría de la inflación cósmica sugiere que el universo experimentó una rápida expansión justo después del Big Bang, explicando la distribución uniforme de la materia y la geometría espacial plana que se observa en el universo actual. Esta teoría, aunque no está demostrada, podría resolver enigmas astronómicos clave.

La materia oscura, que según teorías supera en número a la materia ordinaria en una proporción de cinco a uno, sigue sin verse ni identificarse. Aunque su existencia se empezó a sospechar en los años 30 a través de observaciones astronómicas, pruebas posteriores han reforzado la tesis de su existencia, a pesar de que existen explicaciones alternativas.

La búsqueda de la materia oscura implica descartar las primeras teorías, como que se trata de materia ordinaria invisible, y descartar algunas teorías exóticas. El Dr. Lincoln detalla los experimentos en curso, incluido su uso de aceleradores de partículas de alta energía, para identificar la verdadera naturaleza de la materia oscura.

Investigue las pruebas de que la expansión del universo invirtió su desaceleración gradual y pisó el acelerador hace 5.000 millones de años. "Energía oscura" es el término dado a esta misteriosa fuerza que expande el espacio a un ritmo cada vez mayor. Aprenda cómo se descubrió este extraordinario fenómeno y explore su relación con la constante cosmológica propuesta por Einstein hace un siglo.

A partir de los asombrosos datos sobre el universo que ha aprendido en esta serie, añada observaciones de recientes misiones de satélites y llegue a conclusiones exactas sobre el tamaño y la edad del universo. Una de las cosas que descubre es que el diámetro de todo el universo es al menos 500 veces mayor que el universo visible. Como no podemos ver tan lejos, ¿cómo lo sabemos?

El principio de incertidumbre de Heisenberg sugiere que las partículas "virtuales" surgen y desaparecen en el espacio vacío, creando una espuma de partículas. Este fenómeno, esencial para entender la mecánica cuántica, es crucial para los ingenieros que diseñan microelectrónica, ya que afecta al comportamiento de estos diminutos dispositivos.

La serie concluye explorando el reto de unificar la relatividad general con la mecánica cuántica para comprender la gravedad a nivel cuántico. Debate por qué estas teorías chocan y las implicaciones de una posible teoría cuántica de la gravedad, sugiriendo un futuro de teorías innovadoras y descubrimientos inesperados.