La Física y la Química

Probablemente la ciencia más influenciada por la física es la química. Históricamente, la química empezó siendo lo que hoy conocemos como química inorgánica, la química de las sustancias que no están asociadas a los seres vivos. Esta química primitiva fue muy importante para la física.

La interacción entre las dos ciencias fue muy importante porque en gran medida la teoría de los átomos estaba apoyada en los experimentos de la química. La teoría de la química, o sea, la de las reacciones, está resumida en la tabla periódica de Mendeleiev, que revelaba muchas relaciones extrañas entre los diversos elementos. Todas estas reglas fueron explicadas por la mecánica cuántica, de modo que la química teórica es en el fondo física.

Existe también una rama de la ciencia desarrollada por la física y la química a la par. Se trata de los métodos estadísticos aplicados a situaciones para las que existen leyes mecánicas, lo que se suele denominar mecánica estadística. En cualquier proceso químico están implicados un gran número de átomos y, como ya hemos visto, todos los átomos se agitan de una manera muy aleatoria y complicada.
Si pudiéramos analizar cada colisión y ser capaces de seguir en detalle el movimiento de cada molécula, quizás podríamos calcular qué iba a suceder, pero los enormes números necesarios para seguir la pista a todas estas moléculas superan de una manera muy abrumadora la capacidad de cualquier ordenador, y por supuesto humana, para tratar estas situaciones tan complicadas. La mecánica estadística es la ciencia que estudia los fenómenos del calor, o termodinámica.

La química inorgánica como ciencia está ahora reducida a lo que se denomina química física, que estudia las velocidades a las que se producen las reacciones, y lo que sucede en detalle en ellas. Y la función de la química cuántica es ayudar a entender lo que sucede en término de las leyes físicas.



La otra rama de la química es la química orgánica, la química de las sustancias que están asociadas a los seres vivos. Durante un tiempo se creyó que las sustancias que formaban los compuestos orgánicos no eran las mismas de la química inorgánica, pero posteriormente se comprobó que tanto la química orgánica como la inorgánica estaban formadas por los mismos elementos, aunque la orgánica presentaba disposiciones moleculares muy complejas en comparación con la química inorgánica.

La química orgánica tiene una muy estrecha relación con la biología. Los principales problemas de la química orgánica radican en el análisis y la síntesis de las sustancias que forman los sistemas biológicos. Esto conduce paso a paso hacia la bioquímica, y de ahí a la biología molecular, es decir, a la biología propiamente dicha.

Qué partícula eres

Relación de la física con otras ciencias.

La física es la más fundamental y general de las ciencias, y ha tenido un efecto profundo sobre el desarrollo científico. De hecho, es lo que se solía llamar filosofía natural, a partir de la cual surgieron las demás ciencias. Por ello quienes estudian muchos otros campos relacionados con la ciencia también estudian la física debido a su papel básico. Además, también constituye una gran parte del conocimiento necesario para desarrollar la técnica. Por lo que existe también relación entre la física y la industria o ingeniería. Incluso tiene un papel dentro de la sociedad.
A continuación expondré en algunas entradas las relaciones existentes entre la física y otras ciencias como la química, la biología, la astronomía, la geología o la psicología.

Núcleos y Partículas

Hemos hablado mucho de partículas, átomos, núcleos...., ¿pero de qué están hechas todas estas cosas?

Resulta que los núcleos se mantienen unidos por fuerzas enormes. Cuando los "componentes" del núcleo se liberan, la energía liberada es inmensamente mayor comparada con la energía que puede proporcionar químicamente el elemento. Imaginemos la proporción que existe entre la dinamita y una bomba nuclear. Por supuesto, la bomba nuclear tiene que ver con estos cambios en el interior del núcleo. La cuestión es: ¿cuáles son las fuerzas que mantienen unidos a los protones y neutrones en el núcleo?


Un poco de historia.
Basándose en la forma de la interacción eléctrica entre una partícula y un fotón, Yukawa sugirió que las fuerzas entre neutrones y protones también tenían algún tipo de campo, y que cuando este campo se agita se comporta como una partícula. Así pues, en el universo deberían existir más partículas subatómicas. En 1947 o 1948 (la memoria me falla), se encontró una partícula a la que denominamos mesón-π  que satisfacía el criterio de Yukawa. Pero, ¡Mala suerte!, los cálculos de esta teoría son tan complicados que nadie ha conseguido desarrollarla todavía.
Estamos bloqueados con una teoría que no sabemos si es correcta o errónea, pero si incompleta.

Mientras tanto, los físicos experimentales descubrieron el mesón-µ, o muón. Y tampoco sabemos dónde encajarlo. Además, también se descubrieron un gran número de partículas a partir de los rayos cósmicos, y tenemos información pero inconexa. Esta inconexión demuestra el caos y la falta de una buena teoría.

Esta es la situación en la física actual. Para resumir, yo diría: fuera del núcleo, perece que lo conocemos todo; dentro de él, la mecánica cuántica es válida (no se ha encontrado ningún fallo en sus principios).

Aunque parece que poco a poco vamos a tientas hacia una comprensión del mundo de las partículas subatómicas.

Mecánica Cuántica

Después de describir la idea de campo electromagnético, y de que este campo puede transportar ondas, pronto observaremos que dichas ondas pueden comportarse de una manera extra que parece poco ondulatoria.

A frecuencias muy altas se comportan de forma mucho más parecidas a partículas. Es la Mecánica Cuántica, descubierta después de 1920 la que explica este comportamiento.
En los años anteriores a 1920, la imagen del espacio como algo tridimensional, y del tiempo como algo separado, fue transformada por Einstein, primero en una combinación llamada espacio-tiempo y luego aúnmás en un espacio-tiempo curvo para representar la gravitación.
De este modo, el "escenario" cambió a espacio-tiempo y la gravedad pasó a ser una alteración deformadora de éste.

Luego se descubrió que las reglas para los movimientos de las partículas son incorrectas. Las reglas mecánicas para la fuerza y la inercia, es decir, las leyes de Newton no son válidas para el mundo de los átomos. Se descubrió que las cosas a escala atómica no se comportan como a gran escala.

La mecánica cuántica tiene muchos aspectos;

En primer lugar, la idea de que una partícula tiene una posición y una velocidad definida ya no está permitida; es errónea. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, uno no puede saber dónde se encuentra una partícula y a qué velocidad se está moviendo. Podemos describir la ley de esta forma:

Donde x es la posición y p el momento lineal ( masa · velocidad ).

Esta regla explica una paradoja de la física: Si los átomos están formados por cargas + y - , ¿por qué las cargas - y + ( que se atraen ) no se acercan hasta cancelarse mutuamente?

Si los electrones estuvieran en el núcleo (anulándose con los protones) conoceríamos su posición exactamente, el principio de incertidumbre exigiría entonces que estos tuvieran un momento muy grande, es decir, mucha energía cinética. Pero con esa cantidad de energía cinética saldrían despedidos del núcleo.

Otro cambio que trajo la mecánica cuántica es que no permite decir exactamente lo que va a suceder en cualquier circunstancia. El mundo tal y como lo entendemos hoy se comporta de una manera que es fundamentalmente imposible hacer una predicción precisa sobre lo que va a suceder.

Según los filósofos que dedicaron sus obras al estudio de las condiciones de la ciencia, un experimento debía dar siempre el mismo resultado si se repetían siempre los mismos parámetros iniciales. Pero esto no es cierto. Sin embargo, la ciencia no ha colapsado por esto.

Voy a saltar los detalles mecano-cuánticos porque son de difícil comprensión ( y explicación).

Para todo aquel interesado en ellos, aquí hay una "absurda" introducción:

Conceptos matemáticos

Postulados de la Mecánica Cuántica

Hablemos ahora de las consecuencias.

Una de las consecuencias es que las cosas que solemos considerar como ondas se comportan también como partículas, y las partículas se comportan como ondas; de hecho, todo se comporta de esta forma.

La mecánica cuántica unifica la idea de campo. Tenemos así una nueva visión de la interacción electromagnética. Tenemos también una nueva partícula que añadir al protón y al electrón, el fotón.

De la interacción entre electrones y fotones surge la electrodinámica cuántica. Teoría fundamental que describe la interacción de la luz y la materia, así como entre las cargas, y es uno de los mayores logros en la física moderna. En esta teoría tenemos las reglas básicas para todos los fenómenos de la naturaleza excepto la gravitación y los procesos nucleares.

La Física antes de 1920

Antes de 1920, nuestra imagen del mundo con respecto a la física era algo parecido a esto:

El escenario el el que se presentan los sucesos es el espacio tridimensional descrito por la geometría euclidiana, y las cosas cambian en un medio llamado tiempo.

Los elementos sobre este escenario son las partículas, y estas partículas poseen propiedades.

Una de estas propiedades es la inercia, es decir, la propiedad que tienen los cuerpos a permanecer en un estado de reposo o movimiento, siempre que las fuerzas sean igual a 0. Como consecuencia, un cuerpo mantiene su estado de reposo si las fuerzas son nulas.

Las fuerzas conocidas a principios del siglo XX eran dos. Una complicada fuerza de interacción que mantenía diferentes átomos en diferentes combinaciones. La otra fuerza conocida era una interacción de largo alcance que variaba inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y directamente proporcional al producto de las masas. La denominada ley de gravitación.

Lo que no se sabía era por qué las cosas permanecen en movimiento, o por qué existe la gravitación. 

Tampoco se conocía mucho sobre las fuerzas a escala atómica. ¿Por qué un carbono atrae a 1 oxígeno o a 2 oxígenos pero no a 3? ¿Cuál es el mecanismo de la interacción entre los átomos?

La gravedad es una fuerza demasiado débil, por lo que debemos imaginar una fuerza análoga, que también varíe inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En la gravedad cada objeto atrae a todos los demás, pero en esta nueva fuerza que buscamos eso no puede pasar. De lo contrario un carbono podría atraer a infinitos oxígenos. Es necesario que existan dos tipos distintos de objetos. La principal propiedad de esta fuerza es que objetos diferentes se atraen y objetos iguales se repelen. Para expresar esto utilizamos una nueva magnitud, y propiedad de las partículas, que denominamos carga.

Para dar una idea de lo mucho más fuerte que es la electricidad respecto a la gravitación, consideremos dos granos de arena de un milímetro de diámetro, separados una distancia de treinta metros. Si ambos estuvieran cargados con cargas opuestas, ¡habría una fuerza de atracción de tres millones de toneladas entre los dos!

Vasta con un exceso o déficit de carga muy pequeño para apreciar los efectos eléctricos.

Gracias al descubrimiento de la electricidad los átomos fueron más fáciles de comprender.

Se pensaba que los átomos tienen un núcleo muy masivo cargado positivamente, y este núcleo está rodeado de electrones muy ligeros. Esto explica por qué la no hay diferencia de masa apreciable entre dos elementos, uno cargado y otro con carga nula.

A partir de este descubrimiento se sucedieron otros descubrimientos también relacionados con el tema.

La primera interpretación que se le dio a la fuerza eléctrica era que la carga positiva atraía a la negativa.
Posteriormente se vio que era más adecuada la interpretación que dice que una carga distorsiona el espacio de modo que cuando colocamos otra carga, esta siente una atracción o una repulsión dependiendo del signo.
Así surgió la idea de campo eléctrico, y a partir de esta idea extremos dos reglas fundamentales;

a) Las cargas crean un campo.
b) Las cargas situadas en los campos experimentan fuerzas y se mueven.

Pongamos un ejemplo del campo eléctrico.

Si cargamos electricamente un objeto, digamos un peine, y luego colocamos un pedazo de papel      cargado a cierta distancia y movemos el peine de un lado a otro, el papel responderá apuntando siempre al peine.
Si lo movemos más rápidamente, se verá que el papel se queda un poco rezagado. Hay un retraso en la acción. Si alejamos el papel cargado el retraso es mayor. 
Aquí observamos algo interesante; aunque las fuerzas entre dos objetos cargados deberían variar de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, cuando movemos una carga se encuentar que la influencia se extiende mucho más lejos de lo que podríamos imaginar a simple vista.

Esto es debido a la existencia de otro campo que va siempre aparejado al eléctrico y denominamos campo magnético.

Pongamos otra analogía.

Si estamos en una piscina y tenemos un corcho flotando cerca podemos moverlo directamente desplazando el agua con otro corcho. Si miramos únicamente los corchos podemos advertir que uno se mueve en consecuencia del otro, es decir, hay algún tipo de interacción entre ellos. Por supuesto, lo que realrealmente hacemos es perturbar el agua; el agua perturba entonces el otro corcho. Podríamos construir una "ley" según la cual si desplazamos el agua un poco, un objeto cercano se moverá. 
Si ponemos el corcho más lejos, se moverá menos. Por el contrario si agitamos el corcho en ver de mover el agua, el otro corcho más alejado se moverá más dado que las ondas tienen una influencia mayor a distancia.

Por consiguiente, la idea de interacción directa debe ser reemplazada par la existencia del agua, o lo que en nuestro caso, campo electromagnético.

El campo electromagnético es capaz de transportar ondas. Algunas de estas ondas son luz, otras emisiones radiofónicas, pero a todas las llamamos ondas electromagnéticas. La única diferencia entre las ondas electromagnéticas es la frecuencia de oscilación.

Este es el denominado espectro electromagnético, por el que clasificamos las ondas:

Procesos Físicos y reacciones Químicas

Un proceso físico es aquel en el que no cambia la composición de los elementos y por tanto se conservan las propiedades. Además, es posible revertir el proceso. Los procesos físicos más conocidos son los cambios de estado.

Por otro lado, los procesos químicos o reacciones químicas son aquellos en los que cambian las combinaciones atómicas. Las reacciones químicas implican una interacción a nivel subatómico destruyendo y formando nuevos enlaces químicos. Este proceso a menudo es irreversible.

Los Átomos

"Todas las cosas están hechas de átomos: pequeñas partículas que se mueven en movimiento perpetuo, atrayéndose mutuamente cuando están a poca distancia pero repeliéndose al ser apretadas unas contra otras." 

Este enunciado contiene la máxima cantidad de información en menos palabras refiriendose a una ley científica. De ocurrir un cataclismo y ser destruido todo el conocimiento científico salvo una de sus teorías, la mas importante, y que debería prevalecer sería esta hipótesis atómica.

Para hacernos una idea del tamaño de los átomos, supongamos que tenemos una gota de agua de 5 milímetros de diámetro. Deberíamos de hacerla crecer, ampliándola de alguna forma, hasta que su diámetro alcanzase los 20 kilómetros para poder distinguir en ella unos pequeños puntitos agitándose, que son los átomos que la forman. Todavía tendríamos que ampliarla unas 1000 veces más para poder distinguir con claridad los distintos tipos de átomos que la forman ( H y O).

Algo parecido a esto:

Estas partículas están "adheridas" (deberían estarlo en la imagen, me disculpo por no encontrar una en la que los estén) unas a otras, pero tienen libertad de movimiento. Esto lo observamos cuando dejamos una gota de agua en en plano inclinado. La gota "fluye" por la pendiente, es decir, es un liquido.

Recordemos ahora lo dicho anteriormente, los pequeños puntitos agitándose. Ese movimiento de agitación de los átomos es lo que denominamos calor. Cuando aumentamos la temperatura aumentamos el movimiento.

Si calentamos el agua aumentamos el movimiento de los átomos y conseguimos que las fuerzas entre las moleculas (puentes de hidrógeno) ya no puedan retenerlas y se disgreguen separándose unas de otras. Este estado en el que las partículas, átomos o moléculas, tienen una interacción prácticamente nula entre ellas es a lo que llamamos gas.

Las propiedades de los gases vienen dadas en la Teoría cinética molecular, y regidas según la ley de los gases ideales:

Dónde;

• P: presión
• V: volumen
• n: número de moles de gas
• R: constante universal de los gases ideales
• T: temperatura

Si por el contrario enfriamos el agua, lo que obtenemos es un sólido, es decir, una estructura rígida que pone resistencia  tanto a cambios de forma como de volumen.

Estos son los estados en los que habitualmente podemos encontrar la materia. No menciono el Plasma y el Bose-Einstein porque es poco habitual encontrar la materia en esos estados. Por último, aunque bajemos la temperatura hasta el -273ºC, no conseguiremos detener las vibraciones atómicas. El 0 absoluto no existe.

Introducción al tema Astrofísica

El término astrofísica se refiere al estudio de la física del universo. Si bien se usó originalmente para denominar la parte teórica de dicho estudio, la necesidad de dar explicación física a las observaciones astronómicas ha llevado a cabo que los términos astronomía y astrofísica sean usados en forma equivalente.

Una vez que se comprendió que los elementos que forman parte de los "objetos celestes" eran los mismos que conforman la Tierra, y que las mismas leyes de la física se aplican a ellos, había nacido la astrofísica como una aplicación de la física a los fenómenos observados por la astronomía.

La mayoría de los astrónomos (si no todos) tienen una sólida preparación en física, y las observaciones son siempre puestas en su contexto astrofísico, así que los campos de la astronomía y astrofísica están frecuentemente enlazados.

La astrofísica teórica es la rama de la astrofísica que busca explicar en términos físicos los fenómenos observados por los astrónomos. Con este propósito, los astrofísicos teóricos crean y evalúan modelos para reproducir y predecir las observaciones. En la mayoría de los casos, intentar entender las implicaciones de modelos físicos no es fácil y exige mucho tiempo y esfuerzo. Entre los temas estudiados por la astrofísica teórica se encuentran los siguientes:

+ La Cosmología

+ Las Estrellas compactas

+ Los Agujeros negros

+ Los Núcleos activos de galaxias (AGN)

+ El Medio interestelar

+ La evolución química del universo

+ La evolución de las estrellas

+ La dinamica de las galaxias