1. El descubrimiento del electrón

Aunque Demócrito anticipó que la materia estaba formada por átomos, no fue hasta el siglo XIX cuando Dalton resucitó esta idea mediante el método científico.

A finales de siglo JJ Thomson estableció que los rayos catódicos eran corpúsculos cargados negativamente. Stoney los llamó electrones. Posteriormente en el siglo XX Millikan determinó con precisión la carga del electrón.

2. El límite de Chandrasekhar

Teniendo en cuenta solamente la energía potencial gravitatoria del Sol es imposible explicar la energía liberada por éste. Eddington y Bethe establecieron que las estrellas obtienen su energía de las reacciones de fusión que tienen lugar en su interior. Se describen a continuación las estrellas tipo enana blanca. Estudiando este tipo de estrellas Chandrasekhar estableció que en las estrellas masivas la presión de degeneración no soportaría el colapso gravitatorio y no estarían en forma de enana blanca. El límite para que esto suceda es que la estrella tenga una masa superior a 1,4 veces la del Sol.

3. La constante cosmológica

Cuando Einstein resolvió las ecuaciones de campo de la Relatividad general encontró que el Universo estaba contrayéndose o expandiéndose. Como para él el Universo había de ser estático introdujo el término cosmológico en sus ecuaciones para que fuera así. Este término era como una especie de fuerza antigravitatoria.

Sin embargo Friedmann pensaba que este término era totalmente artificial y que el Universo era dinámico. Las observaciones experimentales de Hubble corroboraron que el Universo estaba en expansión. Einstein reconoció poco después que la introducción de la constante cosmológica era el mayor error de su carrera.

4. Ecuaciones de Maxwell

En la última mitad del siglo XIX Maxwell resumió las leyes conocidas de la electricidad y magnetismo en cuatro ecuaciones matemáticas. Se describen a continuación estas ecuaciones. La primera incorporaba la ley de Coulomb, la segunda establecía que las líneas de campo magnético son cerradas. La tercera incorporaba la inducción electromagnética de Faraday y Henry y la cuarta nos indica que las cargas eléctricas móviles generan un campo magnético. Además, en esta cuarta ecuación Maxwell introduce un nuevo término: un campo eléctrico variable que con el tiempo genera campo magnético.

La propagación de campos eléctricos y magnéticos en el espacio constituye las ondas electromagnéticas. Maxwell estableció que la luz era una onda electromagnética.

5. Neutrinos

Se describen los dos tipos de desintegraciones ß que tienen lugar en determinados núcleos atómicos. Al no haber electrones ni positrones en el núcleo se explica una desintegración de este tipo como conversión de neutrones en protones y viceversa. Para que en este tipo de procesos se conservase la energía y el momento angular Pauli estableció que se emitía una nueva partícula llamada neutrino.

Los neutrinos no tienen carga eléctrica y tienen una masa prácticamente nula, pertenecen a la familia de los leptones. Se describe cómo detectarlos y también la oscilación, es decir, el cambio del tipo de neutrino, que tiene lugar en su viaje del Sol a la Tierra.

6. Relatividad General

En 1929 Hubble estableció, de acuerdo con las observaciones experimentales, que la velocidad de recesión de una galaxia era directamente proporcional a la distancia a la que se encontraba de nosotros. La constante de proporcionalidad se denominó constante de Hubble. Él mismo la determinó, pero medidas actuales y, por lo tanto, más precisas la establecen alrededor de 70 km/s/Mpc. A partir de la constante de Hubble y haciendo su inversa se puede calcular la edad del Universo.

7. Materia oscura

Se describe el campo de Higgs como aquél que dota a las partículas de masa. Cada campo tiene asociada una partícula de intercambio. En el caso del campo de Higgs la partícula es el bosón de Higgs. A mayor interacción con el campo mayor masa adquiere la partícula. Todavía no se ha detectado, pero de existir se espera que el LHC dé con él.

8. Ecuación de Drake

La Relatividad general trata los sistemas de referencia acelerados. En esta teoría Einstein reemplaza la fuerza gravitatoria por una geométrica.

Se describen a continuación tres predicciones relativistas ampliamente verificadas de manera experimental: el cambio en la frecuencia de una señal luminosa al moverse en un campo gravitatorio; la desviación de los rayos de luz emitidos por estrellas, que son causados por objetos masivos como puede ser nuestro Sol; y la precesión del perihelio de Mercurio. Todo esto no podía explicarse utilizando la mecánica de Newton.

9. Big Bang

Zwicky estableció que la gravedad creada por estrellas y polvo galáctico no eran suficiente para agrupar galaxias, por lo que dedujo que tenía que existir una materia invisible que proporcionase suficiente gravedad. A esta materia se la llamó oscura.

Los cosmólogos y astrónomos han establecido dos candidatos de este tipo de materia: los MACHOS u objetos de tipo halo masivos compactos y los WIMPs o partículas masivas de interacción débil.

10. La ecuación de Schrödinger

Con el fin de buscar vida extraterrestre se utilizan los radiotelescopios, ya que las ondas de radio pueden viajar por el espacio sin degradarse de manera significativa por el gas y el polvo interestelar. Se describe la ecuación de Drake como una ecuación matemática que permite predecir el número de civilizaciones técnicamente avanzadas en nuestra galaxia. Se describe también el proyecto SETI y se definen las civilizaciones tipo I y tipo II.

11. El principio de incertidumbre

En 1931 Lemaître introdujo la teoría del átomo primigenio, que al explotar originó el Universo, lo que en 1948 se denominó Big Bang. Mediante este modelo se explican tres grandes observaciones: la abundancia de elementos ligeros, la expansión del Universo y la radiación de fondo de microondas. Esta última indica que la temperatura del Universo es de 2,7 K. La teoría del Big Bang describe la historia del Universo a partir de 10-43 s, antes de este tiempo las leyes de la física no tienen validez.

12. Experimento de los dos agujeros

A partir de la hipótesis de de Broglie, Schrödinger elaboró una ecuación de ondas que podía aplicarse a cualquier sistema físico. Esta ecuación, cuando se aplicaba al átomo de hidrógeno, daba una descripción completa en primera aproximación de las líneas espectrales de éste. Posteriormente Born explicó el significado de la función de onda que aparece en la ecuación. El cuadrado del valor absoluto de la función de onda es la probabilidad de encontrar a la partícula en una determinada región.

13. El gato de Schrödinger

Heisenberg estableció este principio fundamental en teoría cuántica. Nos dice que no podemos conocer a la vez la posición de una partícula y su cantidad de movimiento, es decir que si conocemos con total precisión la posición tendremos una incertidumbre en la cantidad de movimiento y viceversa.

Otra forma de establecer este principio es con otro par de variables conjugadas como son la energía y el tiempo. Así la incertidumbre en la energía por la incertidumbre temporal ha de ser mayor o igual a la constante de Planck. Esta segunda forma se aplica, entre otras, en el estudio de interacciones entre partículas y en el cálculo de la vida media de las partículas.

14. Agujeros negros

Los bosones son partículas de espín entero que pueden estar en el mismo estado energético. Einstein precisó que a bajas temperaturas algunos elementos y algunas moléculas pueden llegar a formar lo que se denomina un condensado.

Así el Helio-4 a bajas temperaturas forma un condensado de Bose-Einstein. La mecánica cuántica puede explicar las extrañas propiedades del Helio-4 a bajas temperaturas. Incluso el Helio-3, que inicialmente no se consideraba un superfluido cuántico, cuando se enfría a 0,002K se comporta como tal.

15. Forma y destino del Universo

El equilibrio térmico del Universo y el hecho de que parezca casi plano no se puede explicar solamente utilizando el modelo del Big Bang. Para solucionarlo, en 1981 Guth introdujo el modelo del Universo inflacionario. La inflación se produjo en un tiempo muy breve y el Universo aumentó de tamaño de forma exponencial y con un orden de magnitud de 1025. Empezó a los 10-35s y a los 10-32 s paró, continuando la expansión a un ritmo normal tal como el Big Bang predecía. l.

16. El LHC

Constituye el elemento básico de la mecánica cuántica. Si consideramos el experimento de forma macroscópica y utilizando ondas que se propagan en agua se obtiene una figura de interferencia, figura que se destruye al tapar cualquiera de los dos agujeros. Si utilizamos balines y los dos agujeros abiertos no hay interferencia.

Si pasamos al mundo microscópico y utilizamos fotones o electrones volvemos a tener interferencia cuando los dos agujeros están abiertos pero la interferencia desaparece cuando se tapa un agujero. ¿Cómo saben el fotón o el electrón si un agujero está abierto o cerrado?

Ahora queremos saber ¿por qué agujero pasa un electrón?

Si se observa por dónde pasa, se destruye la interferencia y los electrones se comportan como los balines aunque los dos agujeros estén abiertos.

En el momento en que se observa la onda dispersa del electrón se convierte en una partícula. Lo que quiere decir es que en mecánica cuántica el observador forma parte del experimento.

17. Ordenadores cuánticos

Con el fin de demostrar que la mecánica cuántica era una teoría incompleta, Schrödinger propuso un experimento mental conocido como el gato de Schrödinger.

Según la mecánica cuántica el gato que hay en el interior de la caja, si ésta no se abre, está en una superposición de estados, lo que quiere decir que no está vivo y muerto a la vez. Para Schrödinger es inimaginable que un objeto clásico pueda estar de esta forma.

Pero la mecánica cuántica establece que solo podemos saber si está muerto o vivo abriendo la caja. Es en este momento cuando la función de onda se colapsa, es decir la superposición de estados se destruye, y el gato está vivo o muerto. Antes de abrir la caja no tiene sentido preguntarse si está vivo o muerto, es en el momento de efectuar la medida cuando se adquiere el conocimiento.

18. Teletransporte cuántico

Ya en el siglo XVIII se pensó en estrellas donde la gravedad era tan intensa que ni la luz podía escapar. En el siglo XX Schwarzschild, aplicando la Relatividad general, calculó el radio y la masa que tendrían dichas estrellas.

Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría convertirse en agujero negro al sufrir un colapso gravitatorio.

Se conocen dos tipos de agujeros negros: los de Schwarzschild, que son estáticos, y los de Kerr, que son agujeros negros en rotación.

Los agujeros negros se pueden detectar por la cantidad de radiación, en forma de rayos X, que emite una estrella que es atrapada por un agujero negro.

En 1974 Hawking predijo que un agujero negro podía emitir radiación, llegando a incluso a evaporarse.