27 de January de 2022

Golpee los libros: cómo la ‘Cadena de perlas diminutas’ de Planck explica por qué funcionan las bombillas

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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 aficionados durante casi dos siglos, la humanidad ni siquiera comenzaría a disfrutar del avance tecnológico que estamos logrando hoy. Las comodidades modernas como refrigeradores, bombillas, aire central y motores a reacción surgieron solo debido a nuestra comprensión relativamente nueva de estas fuerzas fundamentales de la física. En su nuevo libro El refrigerador de EinsteinEl escritor, 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, para comprender los cimientos térmicos del universo.

Cubierta del refrigerador de Einstein

Scribner

“Extracto de El refrigerador 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, que había sido un crítico de la ciencia de Boltzmann durante casi dos décadas, publicó artículos que indicaban un cambio de opinión. Aún más inesperado, parecía estar diciendo que los métodos estadísticos de Boltzmann podrían ser relevantes mucho más allá de la termodinámica.

Este cambio reacio se vio obligado a Planck por la aparición de una nueva tecnología: la bombilla eléctrica. En estos, la corriente eléctrica fluye a través de un filamento, lo calienta y lo hace brillar. Esto centró las mentes científicas en estudiar la relación exacta 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 ver en la mayoría de las cocinas.

Las placas calefactoras eléctricas transfieren el calor por conducción térmica. Toda la superficie calentada del plato toca el fondo de una sartén y el calor fluye de uno a otro. La teoría cinética explica esto de la siguiente manera: cuando la temperatura de la placa calefactora aumenta, sus componentes moleculares vibran cada vez más rápido. Debido a que están tocando las moléculas en la olla, las sacuden. Pronto, todas las moléculas de la olla vibran con más fuerza que antes, lo que se manifiesta en un aumento de la temperatura de la olla.

El flujo de calor por convección tiene lugar en hornos. Los elementos calefactores en la pared del horno hacen que las moléculas de aire cercanas se muevan más rápido. Estos luego chocan con moléculas que están más profundas en el horno, aumentan su velocidad y pronto aumenta la temperatura de todo el horno.

El tercer tipo de transferencia de calor a través de la radiación es el asociado con la luz. Encienda una parrilla y cuando la temperatura del elemento suba, se iluminará en rojo. Además de la luz roja real, también hay luz infrarroja, que está caliente al tacto. Cuando esto golpea un objeto, por ejemplo las salchichas en la sartén, las moléculas vibran y aumentan la temperatura.

La comprensión de los científicos sobre la radiación térmica había mejorado en la década de 1860 gracias a James Clerk Maxwell, quien publicó una serie de ecuaciones matemáticas que describen el “electromagnetismo”.

Imagínese sosteniendo un extremo de una cuerda muy larga para comprender el razonamiento de Maxwell. Es bastante estrecho y el otro extremo está a una milla de distancia, por ejemplo. Sacudir el extremo que sostienes hacia arriba y hacia abajo Ves un nudo en la cuerda lejos de ti. 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, piense en la cuerda como un collar de perlas diminutas. Cada uno está conectado al siguiente por una pequeña pieza de elástico. Cuando mueva la primera perla de la cadena, se extraerá la adyacente. Eso luego tira del que está detrás y así sucesivamente. El movimiento hacia arriba y hacia abajo de la primera cuenta se dirige así sobre todas las cuentas una tras otra, lo que parece una ola que baja por la cuerda.

¿Qué tan rápido se mueve la ola por la cuerda? Esto depende del peso de las perlas y de la tensión en la goma de conexión. Si hace que la cuenta sea más pesada, se ralentizará, ya que requerirá más esfuerzo para moverla. Se acelera aumentando la tensión. Cada perla puede tirar más fuerte de la siguiente si el elástico entre ellas está más apretado. Si sacude el extremo de una cuerda floja y pesada, los movimientos de bamboleo se moverán intuitivamente lentamente hacia abajo. En contraste, las olas corren a más de mil kilómetros por hora sobre una cuerda de guitarra ligera y apretada.

En la imaginación de Maxwell, el espacio vacío está lleno de “hilos” tan tensos. Parten de muchas partículas que componen todas las “cosas” del mundo que nos rodea. Tomemos, por ejemplo, el pequeño electrón cargado negativamente, un componente de todos los átomos. Imagínese un electrón que no se mueve en el espacio vacío. Las cuerdas apretadas incluso se extienden a través del vacío desde todas las direcciones. Conocidas como “líneas de campo eléctrico”, son invisibles e incorpóreas, pero cuando colocas otra partícula cargada, como un protón cargado positivamente, en una línea de campo, se siente atraída hacia el electrón, como una perla en una cadena se siente atraída.

Ahora imagina que el electrón comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo. Justo cuando la onda viajaba por la cuerda, las ondas se alejaban del electrón a lo largo de las líneas del campo eléctrico que emanaban de él.

¿Qué tan rápido se mueven estas ondas de campo eléctrico? En uno de los grandes descubrimientos de la ciencia, Maxwell identificó cómo se puede medir esto. Tome una línea de campo que se extienda desde el electrón. Imagina que hay pequeñas agujas de brújula a lo largo de su longitud. A medida que la ola se mueve hacia arriba y hacia abajo por la línea de campo, las agujas de la brújula se mueven hacia adelante y hacia atrás, acercándose y alejándose de ella. Los lectores pueden saber que una corriente eléctrica que fluye a través de un cable puede tener un efecto similar, creando lo que se llama un campo magnético a su alrededor. Maxwell dijo que las ondas que viajan a lo largo de las líneas del campo eléctrico crean ondas en un campo magnético acompañante. Imaginó estas ondas en ángulos rectos entre sí. Por ejemplo, suponga que la onda del campo eléctrico oscila hacia arriba y hacia abajo a medida que pasa a su lado de izquierda a derecha. Luego, la onda del campo magnético que la acompaña se acerca y se aleja de usted. Y es importante que crear esta onda magnética sea tan laborioso como mover las perlas pesadas en la cuerda.

El razonamiento de Maxwell fue intuitivo, una suposición. Pero tenía una enorme ventaja. Recuerde que con la cadena oscilante, podemos predecir la velocidad a la que una onda se moverá a lo largo de la cadena pesando una de sus perlas y midiendo la tensión en las bandas elásticas que están conectadas entre sí. De manera similar, Maxwell podría obtener fácilmente mediciones para sus equivalentes en líneas de campo. El voltaje podría obtenerse midiendo cuánto se atraen dos objetos cargados entre sí. El equivalente al peso de una perla se determinó midiendo la fuerza del campo magnético creado cuando una corriente conocida fluía a través de un cable.

Con 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 improbable que la luz “simplemente así” 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 cada carga eléctrica oscilante emite una onda electromagnética. Entonces, la luz del día existe porque los electrones vibran constantemente en el sol. Envían ondas sobre las líneas de campo que emanan de ellos. Cuando estos llegan a nuestros ojos, sacuden partículas cargadas en nuestra retina. (Esto también se conoce como “ver”).

Maxwell demostró que el color de la luz está determinado por la velocidad o frecuencia a la que oscilan las ondas electromagnéticas. Cuanto más rápido va, más azul es la luz. La luz roja, la luz más visible con la frecuencia más baja, es una onda electromagnética que oscila 450 billones de veces por segundo. La luz verde vibra a una frecuencia más alta, aproximadamente 550 billones de veces por segundo, y la luz azul a aproximadamente 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 vibraciones 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. Si las frecuencias son mayores que las de la luz azul, entonces son los rayos ultravioleta. Luego vienen los rayos X y los rayos gamma oscilan hacia arriba y hacia abajo más de cien mil millones de billones de veces por segundo. Todo el rango, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, se denomina espectro electromagnético.

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

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

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