Els 10 experiments més bonics de la física

El maig de 2002 Robert P. Crease, del departament de Filosofia de la Universitat Estatal de Nova York i historiador del Laboratori Nacional Brookhaven dels Estats Units, va demanar als lectors de la revista Physics World que nomenessin l’experiment més bell de tots els temps. En el número de setembre de 2002 de la revista va publicar els resultats de les respostes que li havien arribat. La notícia va sortir a El País (i en molts altres diaris).

La llista va ser la següent:

  • 1 L’experiment de Thomas Young de la doble escletxa aplicat a la interferència d’electrons individuals
  • 2 L’experiment de Galileo Galilei sobre la caiguda dels cossos (1600)
  • 3 L’experiment de Robert Millikan de les gotes d’oli (1910)
  • 4 La descomposició de la llum solar amb un prisma per Isaac Newton (1665-1666)
  • 5 L’experiment de Thomas Young de la interferència de la llum (1801)
  • 6 L’experiment d’Henry Cavendish de la balança de torsió per al càlcul de G (1798)
  • 7 La mesura de la circumferència de la Terra per Eratòstenes (segle 3 aC)
  • 8 L’experiment de Galileu del pla inclinat (1600)
  • 9 El descobriment del nucli per Ernest Rutherford (1911)
  • 10 El pèndol de Lleó Foucault (1851)

Altres experiments que també es van esmentar van ser:

  • L’experiment d’Arquimedes sobre la hidrostàtica
  • Les observacions de Ole Roemer de la velocitat de la llum
  • Els experiments de James Prescott Joule sobre la calor amb la roda de paletes
  • L’experiment d’Osborne Reynolds sobre fluxos en canonades
  • Ona acústica de xoc d’Ernst Mach i Peter Salcher
  • L’experiment d’Albert Michelson-Edward Morley de la velocitat de la llum
  • La detecció per Wilhelm Röntgen del corrent de desplaçament de Maxwell
  • El descobriment de Hans Christian Oersted l’electromagnetisme
  • La difracció de raigs-X per cristalls de sal realitzada per Willian Bragg
  • La mesura per Arthur Eddington de la curvatura de la llum de les estrelles
  • La demostració d’Otto Stern-Walter Gerlach de la quantització de l’espai
  • L’experiment mental del gat d’Edwin Schrödinger
  • El test de Trinity de la reacció nuclear en cadena
  • La mesura de la violació de la paritat per Chien-Shiung Wu i col.
  • L’estudi de Maurice Goldhaber de l’helicitat dels neutrins
  • Demostració de Richard Feynman en submergir l’anell en aigua

En tant que la llista es refereix a la bellesa, no deixa de ser subjectiva, però segur que tots coincidim en escollir més d’un dels experiments. A més, alguns d’ells es poden realitzar en un laboratori escolar (o a casa). Fins i tot el del gat de Schrödinger és un experiment mental que es pot fer visitant al Senyor Roca si no es disposa d’un diari per entretenir-se.

Ben aviat, al 2003, Robert P. Crease, va desenvolupar la llista d’experiments en el llibre El prisma y el péndulo: Los diez experimentos más bellos de la ciencia (Ed. Crítica, Barcelona, 2009). Posteriorment, l’extraordinari divulgador científic Manuel Lozano Leyva el va emular escrivint un altre llibre molt més entretingut al meu parer (De Arquímedes a Einstein. Los diez experimentos más bellos de la física (Ed. Debate, Barcelona, 2005)).

A continuació transcric un petit comentari sobre dels 10 primers experiments, basant-me en la web

http://physics-animations.com/Physics/English/top10.htm

en la qual, a més, enllacen amb la visualització d’animacions de cada un dels experiments. Els comentaris es completen amb enllaços per aprofundir en l’experiment o amb protocols per poder realitzar l’experiment en un laboratori escolar o, en el seu defecte, per fer-lo de forma virtual amb una simulació.

1. Difracció d’electrons mitjançant doble escletxa

El físic francès Louis de Broglie va proposar el 1924 que els electrons i altres elements discrets de matèria, que fins llavors es concebien només com partícules de matèria, tenien també propietats com la longitud d’ona i la freqüència. Més tard (el 1927) la naturalesa d’ona dels electrons va ser demostrada experimentalment per C. J. Davisson i L. H. Germer a Nova York i per G. P. Thomson a Aberdeen (Escòcia).

Per corroborar la proposta de Louis de Broglie, es pot repetir l’experiment previ de Young de la doble escletxa usant aquesta vegada un feix d’electrons en lloc d’un feix de llum. Complint amb les lleis de la mecànica quàntica, el raig de partícules es dividiria en dos, i els dolls més petits interferirien entre si, deixant el mateix patró de llum-foscor que es va obtenir amb l’experiment de llum. Les partícules actuarien com a ones. D’acord amb un article de la publicació “Physics World”, de l’editor de la revista Peter Rodgers, no va ser fins 1961 quan (Claus Jönsson de Tübingen) es va dur a terme l’experiment en el món real.

Aquí enllaço a una simulació i a una animació que l’explica de forma deliciosa:

2. Experiment de Galileu sobre caiguda d’objectes

A finals de 1500 tothom sabia que els objectes pesats queien més ràpid que els més lleugers. Després de tot, Aristòtil ho havia dit. Que els pupils de l’ancià Grec encara sostinguessin aquesta regla era un clar signe de tot el que havia decaigut la ciència durant les èpoques fosques.

Galileo Galilei, que posseïa una càtedra en Matemàtiques a la Universitat de Pisa, va ser prou descarat per qüestionar el saber comú. La història de la caiguda de dos pesos diferents des de dalt de la torre inclinada de Pisa s’ha convertit en part del folklore de la ciència: en l’imaginari popular Galileu té fama per haver llançat dos pesos diferents de la torre inclinada de la ciutat mostrant que aterraven al mateix temps. El seu repte a Aristòtil li va costar a Galileu molts mals de cap, però ell va mostrar la importància de considerar la natura, no l’autoritat humana, com a jutge final en matèria de ciència.

Aquí hi ha un enllaç a una simulació i, a sota, dos vídeos amb l’explicació i l’experiment de la caiguda lliure al buit ( de la sèrie El Universo Mecánico) i un altre fet pels astronàutes a la Lluna:

3. L’experiment de la gota d’oli de Millikan

L’experiment de la gota d’oli va ser la primera mesura directa i convincent de la càrrega elèctrica d’un únic electró. Va ser realitzat originalment el 1909 pel físic americà Robert A. Millikan. Usant un atomitzador de perfum, va ruixar amb minúscules gotes d’oli un recipient transparent. Amunt i avall havia discos metàl·lics connectats a una bateria, sent un positiu i l’altre negatiu. Com cada goteta adquireix una petita càrrega d’electricitat estàtica quan viatjava a través de l’aire, la velocitat del seu moviment podia ser controlada mitjançant el canvi del voltatge en els discos. Millikan va observar gota rera gota, canviant els valors del voltatge i prenent nota de l’efecte. Després de moltes repeticions va concloure que la càrrega només pot tenir certs valors fixos. La més petita d’aquestes porcions no va ser altra que la càrrega d’un únic electró.

Aquí hi ha un enllaç auna explicació amb una simulació del llibre de Física de Angel Franco i, a sota, dos vídeos amb l’explicació (de la sèrie El Universo Mecánico)  i un altre amb una animació de l’experiment:

4. Descomposició de la llum solar mitjançant un prisma de Newton

El saber comú sostenia que la llum blanca era la forma més pura (una altra vegada Aristòtil) i que la llum acolorida era llum blanca alterada d’alguna manera. Per refusar aquesta hipòtesi, Newton va dirigir un feix de llum solar a través d’un prisma de vidre i va mostrar que aquesta es descomponia en un fos espectral sobre la paret. La gent ja coneixia els arcs de Sant Martí, per descomptat, i que els prismes de vidre feien colors, però eren considerats només com precioses aberracions. En realitat, Newton va concloure, que eren aquests colors – vermell, taronja, groc, verd, blau, anyil, violeta i les graduacions intermèdies – els que eren fonamentals i que la seva composició donava la llum blanca. El que semblava simple en la seva superfície, un feix de llum blanca, era bellament complex si un s’ho mirava més detingudament.

Aquí hi ha un enllaç a una simulació i, a sota, dos vídeos on es mostra l’experiment del prisma de Newton:

5. Experiment de Young de la interferència de llum

Newton no va tenir sempre raó. Mitjançant diversos arguments, ell havia conduït a la comunitat científica cap a la convicció que la llum estava composta únicament per un feix de partícules (en comptes d’ones). En 1803, Thomas Young, un metge i físic anglès, va posar a prova la idea contrària, que la llum tenia naturalesa ondulatòria. Young va realitzar un forat en un obturador, el va cobrir amb una gruixuda peça de paper puntejada amb petits forats d’agulla i va usar un mirall per fer passar un prim feix de llum a través d’ell. Llavors va prendre un trosset d’una carta, al voltant de 0,8 mm de gruix, i el va mantenir de cant en el camí del feix, dividint-lo en dos. El resultat va ser una ombra que alterna bandes de claredat i foscor – un fenomen que pot explicar-se si els dos feixos interaccionen com ones. Les bandes brillants apareixen quan dues crestes es superposen, reforçant l’una a l’altra, les bandes fosques indiquen el lloc on un màxim coincideix amb un mínim, neutralitzant l’un a l’altre.

La demostració va ser repetida sovint al llarg dels anys utilitzant una carta amb dos forats que dividia el feix (en lloc de la carta de cant). Aquests experiments, anomenats de doble escletxa, es van convertir en l’estàndard per determinar la naturalesa ondulatòria d’un fenòmen.

No he trobat ni simulacions amb la llum difractada per una cartolina, però si per una o dues escletxes.  Si he trobat un vídeo en el que la llum és difractada per un cabell, que és un cas similar a l’original de Young.

6. L’experiment de la balança de torsió de Cavendish

L’experiment va ser realitzat en 1797-98 pel científic anglès Henry Cavendish. Va seguir un mètode prescrit, usant aparells construïts pel seu compatriota el geòleg John Michell, que havia morir el 1793. L’aparell emprat va ser una balança de torsió, essencialment un filferro estirat que suporta pesos esfèrics. L’atracció entre els parells de pesos provoca un petit gir en el filferro, el que permetre així calcular per primera vegada el valor de la constant gravitacional G. L’experiment es va conèixer popularment com la mesura del pes la Terra, perquè la determinació de G permetre el càlcul de la massa terrestre.

Aquí hi ha explicació teròrica amb una simulació de la balança del llibre de física en línia de Angel Franco i, a sota, un vídeo que mostra una reproducció feta pel professor Francisco Sotres de l’institut Gregorio Marañón de Madrid:

7. Mesura de la circumferència terrestre per Eratòstenes

En Syene (ara Aswan), a uns 800 km al sud-est d’Alexandria a Egipte, els raigs del sol cauen verticalment al migdia en el solstici d’estiu (arriben fins a baix d’un pou). Erastóstenes, que va néixer l’any 276 abans de Crist, va observar que a Alexandria, el mateix dia i a la mateixa hora, la llum solar formada un angle d’uns 7 º amb la vertical.

Va assumir que la distància al Sol era molt gran; seus raigs per tant són pràcticament paral·lels quan arriben a la Terra. Donades les distàncies estimades entre les dues ciutats, ell va ser capaç de calcular la circumferència de la Terra. La longitud exacta de les unitats (Stadia) que va fer servir són dubtoses, i la precisió dels seus resultats és per tant incerta. Eratòstenes podria haver variat entre un 0,5 i un 17 per cent del valor acceptat pels astrònoms moderns, però dins el seu ordre de magnitud.

Explicació de com Eratòstenes de Cirene, al segle III a.C., va calcular el perímetre de la Terra amb una increíble precisió, de la sèrie: “COSMOS” de Carl Sagan.

Instruccions per a realitzar la mesura del radi de la Terra des dels centres educatius, seguint el mètode de Eratòstenes per Pere Closas, de l’Agrupació astronòmica de Sabadell. Els vídeos es van fer amb motiu de l’Any Internacional de l’Astronomia 2009.

8. Experiment de Galileu amb boles que roden sobre plans inclinats

Galileu va continuar refinant les seves idees sobre els objectes en moviment. Va prendre un tauló d’uns 6 metres de llarg per 25 centímetres d’ample i va realitzar un solc tan dret i poc pronunciat com va ser possible, en el centre del tauló i de dalt a vall. Després va inclinar el pla i va fer rodar boles de llautó per ell, mesurant el seu descens amb un rellotge d’aigua (un gran recipient que es buida a través d’un prim tub en un got. Després de cada execució Galileu pesaria l’aigua que s’havia abocat) mesurant el temps transcorregut, i el va comparar amb la distància que la bola havia recorregut.

Aristòtil hauria predit que la velocitat d’una bola rodant seria constant: si dobleguem el temps de descens, doblarem la distància que recorre. Galileu va ser capaç de demostrar que la distància és en realitat proporcional al quadrat del temps: si el temps es f doble, la bola arribarà quatre vegades més lluny. La raó és que està constantment accelerada per la gravetat.

Aquí hi ha una simulació de la UB i un vídeo amb la reproducció de l’experiència del pla inclinat de Galileu amb mesura del temps per rellotge d’aigua inclòs:

9. El descobriment del nucli de l’àtom per Rutherford

Quan el 1911 Ernest Rutherford experimentava amb la radioactivitat a la Universitat de Manchester, generalment es creia que l’àtom estava format per una massa informe de càrrega elèctrica positiva amb els electrons encastats en ella (el model del “púding de panses”). Però quan Rutherford i el seu assistent van disparar diminuts projectils carregats positivament, anomenats partícules alfa, contra una fina làmina d’or, es van sorprendre al veure que un petit percentatge d’ells rebotaven. Això era com si bales de canó disparades sobre un paper de fumar haguessin rebotat.

Rutheford va pensar després de tot que en realitat els àtoms no eren una massa homogènia. La majoria de la massa havia d’estar concentrada en un petit nucli, ara anomenat així, amb els electrons flotant al seu voltant. Amb els ajustaments proporcionats per la teoria quàntica, aquesta imatge de l’àtom format per nucli i escorça, s’ha mantingut fins avui.

Aquí hi ha una explicació en vídeo de la sèrie El Universo Mecánico i una animació de l’experiment del bombardeig:

10. El pèndol de Foucault

Quan l’any 2001 els científics van muntar un pèndol sobre el Pol Sud i el van observar balancejar, estaven replicant una demostració realitzada a París el 1851. Usant un cable d’acer d’uns 67 metres de llarg, el científic francès Jean-Bernard-Léon Foucault va suspendre una bola d’uns 28 quilograms de ferro des de la cúpula del Panteó de Paris i la va posar en moviment, gronxant. Per a marcar el progrés del moviment, va enganxar una agulla a la bola i va col·locar sota el pèndol un anell de terra mullada a terra.

L’audiència va observar entusiasmada com el pèndol inexplicablement semblava rotar, deixant un traç lleugerament diferent en cada balanceig. En realitat era el sòl del Panteó el que estava lleugerament en moviment, i Foucault havia demostrat, d’una manera més convincent que mai, que la terra gira sobre el seu eix. A la latitud de París, el traç del pèndol completaria una rotació completa en el sentit horari cada 30 hores, en l’hemisferi sud rotaria en sentit antihorari, i en l’equador no rotaria res. Al Pol Sud, com han confirmat els científics de l’era moderna, el període de rotació és de 24 hores.

Aquí hi ha una explicació en vídeo, el moment en el que el pèndol de Foucault de la Ciudad de las Artes y las Ciencias de València tira una estaca i una simulació de l’experiment:

One comment

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s