Las diez mayores predicciones de la física       

 

 

Por David Appell.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero O. ALDA.

19 de enero de 2021.

 

A lo largo de los siglos, ha habido muchas predicciones de la física teórica que han sacudido nuestra comprensión de cómo funciona el mundo. El investigador David Appell destaca lo que cree que son los 10 mejores de todos los tiempos.

 

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Las caras detrás de las teorías. Fila superior: Isaac Newton, Siméon-Denis Poisson, James Clerk Maxwell, Albert Einstein, Maria Goeppert Mayer, Julian Schwinger. Fila inferior: Fred Hoyle, Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee, Brian Josephson, Vera Rubin, W Kent Ford Jr. (Fuentes de imágenes, fila superior: Godfrey Kneller (1646-1723); François-Séraphin Delpech (1778-1825); AIP Emilio Segrè Visual Archives, Brittle Books Collection; Ferdinand Schmutzer, 1921; DoE; AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection. Fila inferior: Martyn Goddard / Shutterstock; NYPL / Science Source / Science Photo Library; CC BY SA Cavendish Laboratorio / Kelvin Fagan; The Washington Times / Shutterstock; Archivos visuales de AIP Emilio Segrè, Colección de diapositivas de John Irwin).

 

Los físicos teóricos miran las pizarras, hacen cálculos y predicciones. Los  físicos experimentales construyen equipos, recopilan observaciones y analizan conjuntos de datos. Al menos, así es en el mejor de los casos.

 

Los dos grupos dependen el uno del otro: los experimentalistas pueden estar  tratando de probar que una teoría es correcta (o incorrecta), o quizás los teóricos están tratando de explicar las observaciones experimentales. Como dijo irónicamente el físico teórico británico Arthur Eddington, "Los experimentales se sorprenderán al saber que no aceptaremos ninguna evidencia que no esté confirmada por la teoría".

 

Pero a menudo, todo el mundo está algo perdido en un mundo de grandes  ideas que claman por claridad. Es solo de vez en cuando que alguien de uno de estos grupos produce un trabajo que atraviesa la oscuridad, entregando un resultado cristalino que hace avanzar instantáneamente su campo y, a veces, incluso lo crea.

 

En este artículo he elegido las que creo que son las 10 mayores predicciones de física teórica de todos los tiempos, presentadas en orden cronológico. Por supuesto, dicha lista es algo arbitraria y depende de las predilecciones, opiniones y conocimientos del autor. Cualquier lector sin duda no estará de acuerdo con algunos, quizás con todos. Nos encantaría escuchar sus propios pensamientos, comentarios y opiniones, así que póngase en contacto con pwld@ioppublishing.org  

 

Las tres leyes de Kepler, por Isaac Newton (en 1687).

El físico y matemático británico Isaac Newton fue uno de los primeros  defensores de la predicción a través del cálculo matemático. Al crear sus "fluxiones" en 1665, lo que hoy llamamos cálculo (Gottfried Wilhelm Leibniz lo hizo de manera independiente aproximadamente al mismo tiempo), hizo posible predecir el movimiento de los objetos a través del espacio y el tiempo.

 

Para hacerlo, Newton tomó ideas de Galileo Galilei sobre la fuerza y ​​la  aceleración, de Johannes Kepler y sus tres leyes del movimiento planetario, y de Robert Hooke sobre cómo la velocidad tangencial de un planeta se compara con la fuerza radial que experimenta, la fuerza gravitacional con el inverso del cuadrado de la distancia al Sol. Newton unió todas estas nociones y añadió sus propias ideas para diseñar sus tres leyes del movimiento y su ley universal de la gravedad.

 

Estas cuatro leyes ordenaron el estudio del Universo físico y, lo que es igualmente importante, las herramientas matemáticas para modelarlo. En particular, Newton pudo derivar las tres leyes de Kepler, que indicaron que los planetas se mueven en elipses, no en círculos, de las matemáticas puras, al mismo tiempo usándolas como un banco de pruebas para sus diversas suposiciones. Por primera vez, las matemáticas directas permitieron cálculos y predicciones de los movimientos de los objetos celestes, las mareas, la precesión de los equinoccios y más, al tiempo que dejaban claro que los fenómenos terrestres y celestes estaban regidos por las mismas leyes físicas.

 

El punto de Arago, de Siméon-Denis Poisson (1818).

El matemático y físico francés Siméon-Denis Poisson hizo una vez una  predicción que estaba convencido de que estaba equivocada. En cambio, su predicción sobre la predicción, estaba equivocada, y accidentalmente ayudó a demostrar que la luz era una onda.

 

En 1818, Poisson estuvo entre varios científicos que propusieron que la  competencia anual de la Academia Francesa de Ciencias debería tratar sobre las propiedades de la luz, esperando que las entradas respaldaran la teoría corpuscular de Newton: que la luz estaba formada por "corpúsculos" (pequeñas partículas). Sin embargo, Augustin-Jean Fresnel, un ingeniero y físico francés, presentó una idea que se basaba en la hipótesis de Christiaan Huygen de que la luz era una onda, y que cada punto de su frente de onda era la fuente de ondas secundarias. Fresnal propuso que todas estas ondas interfirieran mutuamente.

 

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Lugar de Poisson

El punto Arago se puede ver en el centro de un patrón de interferencia creado por la luz de una fuente puntual que se difracta alrededor de un objeto circular. El pequeño punto brillante demuestra que la luz se comporta como una onda. (CC BY SA Thomas Reisinger).

 

Poisson estudió la  teoría de Fresnel en detalle. Se dio cuenta de que las integrales de difracción de Fresnel implicaban que, al menos para una fuente de luz puntual que ilumina un disco o una esfera, un punto brillante estaría en el eje detrás del disco. Poisson pensó que esto era absurdo ya que la teoría corpuscular predijo claramente que habría oscuridad total.

 

Poisson estaba tan confiado que, cuenta una versión de la historia, cuando  llegó el momento de las presentaciones de la competencia, se puso de pie durante la conferencia de Fresnel y lo confrontó. François Arago, el matemático y físico que encabezó el comité de la competencia, realizó rápidamente el experimento en su laboratorio con una llama, filtros y un disco de metal de 2 mm adherido a una placa de vidrio con cera. Para sorpresa de todos, y disgusto de Poisson, Arago observó el lugar previsto. Fresnel ganó la competencia y, desde entonces, la mota se conoce como el lugar Arago, el lugar Poisson o el lugar Fresnel.

 

Velocidad de la luz, de James Clerk Maxwell (1865).

En 1860, en el King's College de Londres, Reino Unido, el físico escocés  James Clerk Maxwell comenzó a hacer grandes avances en los campos de la electricidad y el magnetismo, convirtiendo las ideas experimentales de Michael Faraday en forma matemática.

 

Una serie de publicaciones culminó en el artículo de 1865 "Una teoría  dinámica del campo electromagnético" (Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155 459). Aquí, Maxwell derivó un conjunto de 20 ecuaciones diferenciales parciales (todavía no se incluyeron en la notación de cálculo vectorial que nos era familiar hasta Oliver Heaviside en 1884), junto con seis ecuaciones de onda, tres para cada componente espacial del campo eléctrico, E, y el campo magnético, B. Maxwell concluyó que “difícilmente podría evitar la inferencia de que la luz consiste en las ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos”, es decir, había predicho que la luz es una onda electromagnética.

 

Maxwell tomó la permeabilidad μ del aire como 1, y usando un valor de ε  para el aire establecido por un experimento de capacitor cargado, Maxwell calculó que la velocidad de la luz en el aire es 310.740.000 m/s. Comparó esto favorablemente con el valor medido de Hippolyte Fizeau de 314.858.000 m/s y el de Jean Léon Foucault de 298.000.000 m/s, concluyendo que su inferencia de que la luz era una onda electromagnética era correcta.

 

Precesión del perihelio anómalo de Mercurio, por Albert Einstein (1915).

En la década de 1840, el astrónomo francés Urbain Le Verrier analizó  cuidadosamente la órbita de Mercurio. Encontró que, en lugar de una elipse precisa como lo predijeron las leyes de Newton, el perihelio de la órbita elíptica del planeta, su punto más cercano al Sol, se estaba moviendo alrededor del Sol. El cambio es muy lento, solo 575 segundos de arco por siglo, pero los astrónomos en ese momento solo podían dar cuenta de 532 segundos de arco de interacciones con otros planetas en el Sistema Solar, dejando 43 segundos de arco sin contabilizar.

 

La diferencia, por pequeña que fuera, molestó a los astrónomos. Propusieron  una serie de soluciones: un planeta invisible, un cambio casi infinitesimal del exponente de 2 en la ley gravitacional de Newton, un Sol achatado, pero todo parecía ad hoc. Luego, en 1915, cuando estaba terminando su teoría general de la relatividad, el teórico alemán Albert Einstein pudo calcular la influencia del espacio curvo en la órbita de Mercurio, derivando este cambio adicional de la precesión del perihelio.

 

La fórmula planteada por Einstein resolvía para Mercurio, los 43 segundos de arco por siglo que faltaban. Si bien, estrictamente hablando, esta fue una postdicción, fue impresionante. “¿Puedes imaginar mi alegría”, escribió Einstein a Paul Ehrenfest ese año, “con el resultado de que las ecuaciones del movimiento del perihelio de Mercurio resultan correctas? Me quedé sin palabras durante varios días de emoción".

 

Segunda serie de elementos de tierras raras, de Maria Goeppert Mayer (1941).

No todos los días alguien agrega un nuevo elemento a la tabla periódica,  pero la física alemana Maria Goeppert Mayer fue un paso más allá y agregó una fila completa.

 

Mientras estaba en la Universidad de Columbia en los Estados Unidos, donde  tuvo que trabajar sin salario porque su esposo trabajaba allí, Mayer conoció a Enrico Fermi y Harold Urey. Fermi estaba tratando de descifrar los productos de descomposición del uranio y los elementos que podrían estar más allá, ya que el elemento 93, el neptunio, acababa de ser descubierto por Edwin McMillian y Philip Abelson. Fermi le pidió a Goeppert Mayer que calculara las funciones propias de la ecuación de Erwin Schrödinger para los orbitales electrónicos 5f de átomos cercanos al uranio (número atómico Z = 92) utilizando el modelo Thomas-Fermi para la energía potencial, un modelo estadístico numérico desarrollado independientemente por Llewellyn Thomas y Fermi en 1927 para aproximar la distribución de electrones en átomos de alto Z.

 

Resolviendo numéricamente la ecuación de Schrödinger con el potencial de  Thomas-Fermi para las funciones propias radiales, Goeppert Mayer encontró que los orbitales f comienzan a llenarse en valores críticos de Z (Z = 59 para 4f y Z = 91 o 92 para 5f), con inexactitudes de se esperaban unas pocas unidades de Z debido a la naturaleza estadística del modelo. A estos valores críticos, el átomo deja de participar fuertemente en las reacciones químicas. La predicción de Mayer verificó la sugerencia de Fermi de que cualquier elemento más allá del uranio era químicamente similar a los elementos de tierras raras ya conocidos, prediciendo así la fila transuránica. Goeppert Mayer luego compartiría el Premio Nobel de Física de 1963 por el desarrollo del modelo de capa nuclear.

 

Momento magnético anómalo del electrón, por Julian Schwinger (1949).

Durante la Segunda Guerra Mundial, el físico teórico estadounidense Julian  Schwinger trabajó en la tecnología de radares y guías de ondas en tiempos de guerra, donde desarrolló métodos basados ​​en las funciones de Green, una forma de resolver ecuaciones diferenciales complicadas resolviendo una más simple que da la función de Green, que luego se puede integrar para dar la solución al original. Complejo en la práctica, a menudo solo se puede hacer de manera perturbadora, pero Schwinger fue un maestro.

 

Después de la guerra, Schwinger giró su habilidad con las funciones de  Green a la física urgente del día, la electrodinámica cuántica (QED): las interacciones de los electrones y la luz. Después del trabajo de Schrödinger y Paul Dirac, los teóricos ahora necesitaban incluir las auto-interacciones de los campos cuántico-relativistas de electrones y fotones para obtener los detalles finos de su comportamiento. Pero los cálculos dieron infinitos desagradables para cantidades mensurables como masa y carga. Schwinger fue el primero en atravesar al menos algunos de los campos de minas matemáticos utilizando las funciones de Green, y en un artículo de 1947 dio su resultado para la llamada corrección radiativa de primer orden al momento magnético del electrón. Su teoría completa culminó en un artículo de 1949, con páginas de ecuaciones densas.

 

El establecimiento de QED, la teoría más precisa de la ciencia, cuya  predicción de quinto orden para δμ para el electrón ahora se ha verificado experimentalmente en 3 partes en 1013, es importante para la comprensión de los láseres, la computación cuántica y la espectroscopía de Mössbauer, y es el prototipo en el que se basa el modelo estándar de física de partículas elementales. Richard Feynman llamó a QED "la joya de la física".

 

Nivel de energía de 7,65 MeV en carbono-12, por Fred Hoyle (1953).

En 1953, el astrónomo inglés Fred Hoyle hizo una predicción que se dio cuenta más adelante en la vida que era necesaria porque él y toda la vida existían.

 

En la década de 1930, científicos como Hans Bethe habían establecido que  las estrellas obtienen su energía de la fusión de núcleos atómicos, de protones (iones de hidrógeno) en núcleos de helio (partículas alfa) y luego pares de estos en berilio-8 (8 Be). Más allá de ese proceso, los científicos habían descubierto que el nitrógeno, el oxígeno y otros núcleos se formaban a partir del carbono-12 (12 C). Sin embargo, nadie sabía cómo el 12 C surgió del inestable núcleo 8 Be. El camino completo de cómo surgieron los elementos al arder dentro de las estrellas o después del Big Bang era un misterio, sin embargo, 12 C está a nuestro alrededor.

 

Si bien los núcleos de 8 Be altamente inestables se descompondrían  rápidamente en dos partículas alfa, los cálculos que proponen que tres partículas alfa se combinan para formar 12 C parecen descartados, ya que la probabilidad de la reacción es demasiado baja para explicar la cantidad de carbono producido. Sin embargo, Hoyle predijo audazmente un nuevo nivel de energía en 12 C, a 7,65 MeV por encima de su estado fundamental. Este estado excitado de 12 C, conocido como el "estado de Hoyle", estaba en la resonancia justa para haber sido formado por 8 Be reaccionando con una partícula alfa. Si bien el estado de Hoyle casi siempre vuelve a descomponerse en tres partículas alfa, en promedio, una vez en 2421.3 decae, pasa al estado fundamental de 12 C, emitiendo la energía adicional en forma de rayos gamma. Los átomos de 12 C permanecen como están o se fusionan con una partícula alfa para producir oxígeno, y así sucesivamente en la cadena. Cuando la estrella explota en una supernova, el carbono y otros núcleos se enfrían en átomos y pueblan el Universo.

 

Algunos meses después, un grupo experimental en el Instituto de Tecnología de California, dirigido por Ward Wahling, encontró un estado de 12 C a 7,68 ± 0,03  MeV al hacer un análisis magnético del espectro de partículas alfa de la desintegración del nitrógeno-14 cuando impactaron 12 C, probando así que Hoyle había predicho correctamente el origen de uno de los elementos más importantes del Universo.

 

Violación de la paridad en la interacción débil, por Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang (1957).

La conservación de la paridad, la idea de que el mundo se ve y se comporta  de la misma manera, ya sea que se vea en un espejo o no, se había establecido firmemente para las interacciones electromagnéticas y fuertes en la década de 1950. Casi todos los físicos esperaban que ocurriera lo mismo con la fuerza débil. Sin embargo, algunas desintegraciones de partículas llamadas kaones no podrían explicarse utilizando las teorías existentes si la conservación de la paridad fuera cierta. Por lo tanto, los teóricos chino-estadounidenses Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang decidieron mirar más de cerca la evidencia experimental de la conservación de la paridad en los resultados conocidos de la física de interacción débil. Sorprendentemente, no encontraron ninguno.

 

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Figura que muestra la violación de la paridad

Violación de la paridad. Para probar la teoría de Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang, Chien-Shiung Wu observó la emisión de rayos beta de núcleos de cobalto-60. Primero se descubrió que la emisión de electrones se concentraba hacia abajo en relación con el giro de la partícula. Cuando el campo magnético, B, se invirtió para cambiar la dirección de giro, en lugar de ver una imagen especular de la emisión (a), encontraron que había más electrones subiendo (b), lo que demuestra la violación de la paridad para interacciones débiles.

 

Como resultado, la pareja formuló una teoría según la cual la interacción  débil viola la simetría izquierda-derecha. Trabajando con el experimentalista Chien-Shiung Wu, idearon varios experimentos para observar diferentes desintegraciones de partículas que procedían a través de la fuerza débil. Wu se ocupó del caso de inmediato y, al probar las propiedades de la desintegración beta en el cobalto-60, observó una asimetría que indicaba una violación de la paridad y, por lo tanto, confirmó la predicción de Lee y Yang.

 

Lee y Yang ganaron el Premio Nobel de Física de 1957 por su predicción solo  12 meses después de la publicación de su artículo, uno de los premios Nobel más rápidos de la historia. Wu, sin embargo, no compartió el premio a pesar de confirmar la teoría, un descuido que solo se ha vuelto más controvertido con el paso del tiempo.

 

Efecto Josephson, de Brian Josephson (1962).

El físico Phillip Anderson, ganador del premio Nobel de 1977, recordó una  vez haber enseñado a Brian Josephson como estudiante de posgrado en la Universidad de Cambridge: “Esta fue una experiencia desconcertante para un profesor, les puedo asegurar, porque todo tenía que estar bien o él vendría Levántate y explícamelo después de clase".

 

Pero debido a esta relación, Josephson se apresuró a mostrar los cálculos de  Anderson que había hecho sobre dos superconductores separados por una fina capa aislante o una sección corta de metal no superconductor. Él predijo que una “supercorriente de CC” compuesta por pares de electrones (pares de Cooper) podría hacer un túnel cuántico de un superconductor a otro, a través de la barrera, un ejemplo de un efecto cuántico macroscópico.

 

La observación experimental de la corriente de túnel de CC apareció impresa  unos nueve meses después por Anderson y John Rowell de Bell Telephone Laboratories (ahora Nokia Bell Labs), y Josephson ganaría el premio Nobel de 1973 por su predicción. Las uniones Josephson ahora se utilizan en una variedad de aplicaciones, como en circuitos electrónicos de CC y CA, y para construir SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), tecnología que se puede usar como magnetómetros y voltímetros extremadamente sensibles, como qubits para computación cuántica y más.

 

Materia oscura, de Vera Rubin con W Kent Ford Jr (1970).

“Los grandes astrónomos nos dijeron que no significaba nada”, dijo una vez la astrónoma estadounidense Vera Rubin a un entrevistador.

 

Estaba hablando de la observación de ella y de Kent Ford Jr. en 1970 de que  las estrellas exteriores que orbitaban en la galaxia de Andrómeda lo hacían a la misma velocidad. Se les dijo que miraran más galaxias espirales; el efecto persistió. Las curvas de rotación de las galaxias (la gráfica de la velocidad orbital de las estrellas visibles dentro de la galaxia frente a su distancia radial al centro de la galaxia) eran "planas", en aparente contradicción con la ley de Kepler. Más alarmante aún, las estrellas cercanas a los bordes exteriores de las galaxias estaban orbitando tan rápido que deberían desmoronarse.

 

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Galaxia espiral.

Girando demasiado rápido, la observación de Vera Rubin y Kent Ford Jr. de que las estrellas exteriores en una galaxia espiral, como NGC 1232 aquí, estaban orbitando a la misma velocidad, los llevó a predecir la materia oscura. (Cortesía: ESO).

 

Rubin dirigió un equipo  en el que Ford construyó nuevos instrumentos de observación, en particular un espectrómetro avanzado basado en un tubo fotomultiplicador electrónico que permitió capturar sus observaciones astronómicas precisas en forma digital para su análisis.

 

La observación de Rubin y Ford Jr los llevó a predecir que había algo de  masa dentro de las galaxias, responsable de los movimientos anómalos, algo que sus telescopios no podían ver pero que estaba allí en cantidades unas seis veces la cantidad de materia luminosa presente. Llamada por primera vez "masa perdida" después de un sugerente estudio realizado por el astrónomo suizo Fritz Zwicky sobre el cúmulo de galaxias de Coma en 1933, Rubin y Ford habían proporcionado la primera evidencia sólida de lo que hoy conocemos como "materia oscura", ya que ni siquiera emite fotones. Los cálculos de las fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas, utilizando el modelo estándar de cosmología ΛCDM, revelan que la masa-energía total del Universo es 5% de materia y energía ordinarias, 27% de materia oscura y 68% de energía oscura. Si bien un 85% de la materia del Universo no es luminosa,

 

Fuente:

https://physicsworld.com/a/the-10-greatest-predictions-in-physics/