¿Es verdad que sólo hay cuatro fuerzas de la naturaleza?

 En el universo que conocemos, todo lo que ocurre a nuestro alrededor está regido por fuerzas fundamentales que dan forma y sentido al cosmos. Es común escuchar que sólo existen cuatro fuerzas de la naturaleza, pero ¿es esto realmente cierto? En este post, exploraremos esta afirmación y desentrañaremos los misterios detrás de estas fuerzas.

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¿Cuál es la velocidad de la luz?

La luz es parte del espectro electromagnético, se encarga de iluminar las cosas y hacerlas visibles, la luz se compone de fotones que son la cantidad más pequeña (cuántica) de energía que puede transportarse. Pero ¿A qué velocidad se transportan?

En este vídeo podremos ve una comparación de la distancia que recorre la luz por el universo.

La luz viaja a una velocidad constante y finita de 299792458 m/s. Un viajero, moviéndose a la velocidad de la luz, circunvalaría el ecuador aproximadamente 7,5 veces en un segundo. En comparación, un viajero en un avión a reacción, moviéndose a una velocidad de 800 km/h, cruzaría los Estados Unidos una vez cada 4 horas.

Nota: ¡Un año luz mide la distancia, la distancia que la luz recorre en un año!

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¿Por qué todos los metales son magnéticos?

No todos los metales son magnéticos. En realidad, depende de lo que quieras decir con la palabra "magnético". Hay cuatro tipos básicos de magnetismo que puede tener un material: superconductor, diamagnético, paramagnético y, por último, ferromagnético. Los materiales superconductores se repelen fuertemente de los imanes permanentes. Los materiales diamagnéticos son repelidos débilmente por imanes permanentes. Los materiales paramagnéticos se sienten débilmente atraídos por los imanes permanentes. Por último, los materiales ferromagnéticos se sienten fuertemente atraídos por los imanes permanentes. Estas propiedades se resumen en la tabla a continuación.

Solo ciertos materiales a temperaturas muy frías son superconductores. Por otro lado, todos los materiales experimentan diamagnetismo, incluida la piel y las flores. Sin embargo, el diamagnetismo es un efecto muy débil, por lo que no lo notamos en la vida cotidiana. Muchos materiales son paramagnéticos, como el oxígeno y el tungsteno. Sin embargo, el paramagnetismo también es un efecto muy débil, por lo que normalmente no lo notamos en la vida cotidiana. Cuando se trata del ferromagnetismo, solo unos pocos elementos son ferromagnéticos, incluidos el hierro, el cobalto y el níquel.

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El descubrimiento del electromagnetismo

La relación entre electricidad y magnetismo se sospechó durante mucho tiempo. William Gilbert, quien experimentó con la electricidad a principios del siglo XVII, estaba motivado a hacerlo por el deseo de mejorar la navegación marítima utilizando brújulas magnéticas. Muchos de los experimentos de Benjamin Franklin tenían como objetivo comprender mejor la relación entre la electricidad y el magnetismo. Sin embargo, los avances más significativos en la comprensión de esta relación se produjeron en el siglo XIX, comenzando con el científico danés Hans Christian Ørsted. En 1820, Ørsted descubrió (por accidente) que un cable eléctrico haría que se moviera la aguja de una brújula. 

Bola de plasma (rolscience)

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En busca de la fórmula perdida

El físico y matemático André-Marie Ampère (1775-1836) fue uno de los creadores del electromagnetismo, el amperio o unidad de intensidad eléctrica se denomina así en recuerdo suyo. Era asimismo un ser un tanto olvidadizo, por lo que veremos a continuación respondía al prototipo de sabio despistado. Se cuenta que una vez libró una encarnizada discusión con un visitante del Collège de France sin apercibirse de que estaba argumentando acaloradamente con un señor para él desconocido, que respondía al nombre de Napoleón Bonaparte.

En cierta oportunidad a Ampère le acometió la inspiración viajando en un coche de caballos de alquiler y, ni corto ni perezoso, apuntó de inmediato el fugaz pensamiento para que no se le olvidara. Sin embargo, se le olvidó el lugar donde lo apuntó y no encontraba su inscripción por parte alguna, al final, y por eliminación, tuvo que rendirse a la evidencia, sus apuntes no los había hecho en ningún pedazo de papel, sino sobre el propio coche de alquiler, que circulaba por la ciudad transportando pasajeros y por completo ignorante de que, además, transportaba consigo, sobre su carrocería, los secretos más intrigados de la ciencia. No quedó más remedio que examinar los coches de caballos, uno por uno, hasta que Ampère encontró, por fortuna, la inscripción que buscaba, un graffiti con fundamento allí donde los haya.

Esta es la ley de Ampère generalizada:

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¿Qué es el electromagnetismo?

El electromagnetismo es la rama de la física que se ocupa de la electricidad y el magnetismo incluyendo la interacción entre ellos. Fue descubierto por primera vez en el siglo XIX y tiene una amplia aplicación en el mundo actual de la física, básicamente, el electromagnetismo es la unión de la electricidad y el magnetismo.

Un campo electromagnético es el campo producido por objetos que se cargan eléctricamente. Las ondas de radio, ondas infrarrojas, ondas ultravioletas y rayos X son campos electromagnéticos en un determinado rango de frecuencia. La electricidad es producida por el cambio de campo magnético. El fenómeno también se llama "inducción electromagnética". Del mismo modo el campo magnético es producido por el movimiento de cargas eléctricas.

Una combinación de la electricidad y el magnetismo es el electroimán que es un tipo de imán en el cual, el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo el magnetismo en cuanto cesa dicha corriente.

El electromagnetismo se puede considerar básicamente una fuerza, conocida como "fuerza electromagnética". Esta fuerza se puede ver cuando una carga eléctrica se está moviendo. Dicho movimiento produce magnetismo. Esta idea fue presentada por James Clerk Maxwell, quien publicó la teoría de la electricidad y el magnetismo en 1865.

La ley básica del electromagnetismo se conoce como "ley de inducción de Faraday". El fenómeno del electromagnetismo fue descubierto en el siglo XIX, y esto condujo al descubrimiento de la "teoría especial de la relatividad" por Albert Einstein. Según su teoría, los campos eléctricos y magnéticos se podrían convertir entre sí con un movimiento relativo. Este fenómeno y sus aplicaciones se descubrieron debido a las muchas contribuciones de grandes científicos y físicos como Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Oliver Heaviside y Heinrich Hertz. 

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Descubrimiento del electrón | Experimento de Thomson

El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897 cuando estaba estudiando las propiedades de los rayos catódicos.

Thomson ganó el Premio Nobel en 1906 por demostrar la existencia del electrón. Curiosamente, su hijo G.P. Thomson también ganó el Premio Nobel en 1937 por probar las propiedades de onda del electrón.

¿Cómo lo hizo?

Thomson construyó un tubo de vidrio que fue parcialmente evacuado, es decir, gran parte del aire fue bombeado fuera del tubo. Luego aplicó un alto voltaje eléctrico entre dos electrodos en cada extremo del tubo. Detectó que una corriente de partículas salían del electrodo cargado negativamente (cátodo) al electrodo cargado positivamente (ánodo), Con lo cual, Thomson dedujo que los rayos catódicos debían estar formados por una pequeña partícula, que eran los electrones pero que él en primer lugar denominó "corpúsculo". 

Conclusiones a las que llegó Thomson:

1. Los rayos catódicos, que son corrientes de electrones, viajan en línea recta.

2. Son independientes de la composición del material del cátodo.

3. La aplicación de campo eléctrico en la trayectoria del rayo catódico desvía el rayo hacia una placa cargada positivamente. Por lo tanto, el rayo catódico está formado por partículas cargadas negativamente.

JJ Thomson midió la relación de carga por masa (e/m) de las partículas de rayos catódicos utilizando la desviación en el campo eléctrico y magnético.

$\frac{e}{m}=-1.76\times {10}^8$ Coulomb por gramo

Resultó ser 2000 veces más liviana que el hidrógeno.

Aunque obtuvo la relación e/m para el electrón del experimento del tubo de rayos catódicos, todavía no se conocía carga exacta (e) para el electrón. El físico estadounidense Robert Millikan diseñó un experimento para medir el valor absoluto de la carga del electrón.

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Descubrimiento de los rayos X

A finales del siglo XIX, mientras estudiaba los efectos de pasar una corriente eléctrica a través de gases a baja presión, el físico alemán Wilhelm Röntgen, descubrió accidentalmente los rayos X, una radiación electromagnética altamente energética capaz de penetrar en la mayoría de los objetos sólidos. 

Su descubrimiento transformó la medicina casi de la noche a la mañana. Un año después, el primer departamento de radiología abrió en un hospital de Glasgow, y el jefe del departamento produjo las primeras imágenes de un cálculo renal y un centavo alojado en la garganta de un niño. Poco después, un fisiólogo estadounidense utilizó rayos X para rastrear los alimentos que se abrían paso a través del sistema digestivo.

¿Cómo se produjo el descubrimiento?

Primera máquina de rayos x

Aunque los registros de laboratorio de Röntgen se quemaron a petición propia cuando murió, muchas personas han especulado sobre la secuencia de eventos que llevaron a su descubrimiento. 

En noviembre de 1895, de acuerdo con un relato popular, Röntgen estaba experimentando con un tubo de descarga de electrones, que había cubierto con cartón negro para bloquear el brillo que distraía de los electrones al golpear las paredes de vidrio del tubo. Para su sorpresa, notó por el rabillo del ojo que una pantalla fluorescente a más de un metro de distancia también estaba brillando. Röntgen apodó estos rayos misteriosos capaces de pasar a través del vidrio "X" (por desconocidos) y, posteriormente, intentó bloquearlos con una variedad de materiales (aluminio, cobre, incluso las paredes de su laboratorio) en vano.

Cuando Röntgen sostuvo un trozo de plomo frente al tubo de descarga de electrones, bloqueó los rayos, pero se sorprendió al ver su propia carne brillando alrededor de sus huesos en la pantalla fluorescente detrás de su mano. Luego colocó una película fotográfica entre su mano y la pantalla capturando la primera imagen de rayos X del mundo. Seis semanas después, a finales de 1895, publicó sus observaciones y le envió a sus colegas una fotografía de los huesos de la mano de su esposa, mostrando su anillo de bodas en su cuarto dedo.

Primera radiografía médica de Wilhelm Röntgen de la mano de su esposa Anna Bertha Ludwig

Más de 100 años después de los primeros experimentos de rayos X de Röntgen, Gerrit Kemerink, físico médico del Centro Médico de la Universidad de Maastricht en los Países Bajos, descubrió una máquina de rayos X de la década de 1890 muy similar al original de Röntgen y la usó para rayos X a Espécimen de mano de su hospital. Descubrió que para adquirir la imagen, la mano recibió una dosis de radiación 1500 veces mayor que la dosis actual, lo que explica por qué muchas personas que recibieron rayos X o trabajaron con las máquinas originales sufrieron quemaduras por radiación y pérdida de cabello. También hubo una marcada diferencia en el tiempo de exposición requerido, a Kemerink le tomó 90 minutos fotografiar la mano usando la máquina del siglo XIX, en comparación con los 20 milisegundos que utilizan las modernas máquinas de rayos X. 

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¿Qué es la superconductividad?

Cuando los electrones circulan por un cable conductor, chocan entre sí, y con los átomos del cable, lo que se traduce en perdida de energía. Pero los conductores que no tienen esta resistencia eléctrica se llaman superconductores.

Cuando  determinados materiales conductores son enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, pierden su resistencia eléctrica, permitiendo que los electrones puedan circular por dicho materiales prácticamente indefinidamente. 

Pero aún estamos muy lejos de conseguir la superconductividad a temperatura ambiente, para no tener que enfriar el material, siendo una labor de gran coste. 

Encontrar estos superconductores a temperatura ambiente es uno de los mayores retos de los científicos, cuando sea posible, estaríamos hablando de una nueva revolución industrial, y lograríamos avances que hoy en día son historias de ciencia ficción.

Este post pertenece a la serie "Cosas que deberías saber", puedes ver todos los posts aquí. 

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¿Cuál es la velocidad de la electricidad?

La corriente eléctrica es el movimiento de electrones por un material conductor, en mayor proporción, los materiales conductores son los metálicos. Los electrones se desplazan lentamente, por que chocan con los átomos del material, y traduciéndose en un aumento de temperatura de dicho material.

Por un cable de cobre de un centímetro de radio y un amperio de intensidad, la velocidad de los electrones es de 8,4 cm/h, demasiado lento, pero por otro lado, su baja velocidad se ve compensada por la gran cantidad de electrones que se desplazan en un segundo, unos 10¹⁹ electrones. Se mueven muy despacio, pero son muchos los que se mueven.

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¿Existen los monopolos magnéticos?

Todos sabemos que un imán tiene dos polos, situados opuestamente, si partimos dicho imán en dos, obtenemos dos imanes con sus dos polos. Cada partícula magnética tiene dos polos, por eso, al romper un imán, las partículas de los dos trozos de imán se comportan como dos imanes independientes con sus dos polos.

Pero ¿Existen los imanes o partículas de un solo polo?

Einstein ya mencionó la posibilidad de la existencia de monopolos magnéticos, pero en 1931, Paul Dirac ya teorizó sobre su existencia.

Hoy en día no hemos podido encontrar ninguna partícula magnética con un solo polo, pero si hemos logrado crear monopolos magnéticos sintéticos.

Muchos científicos disienten de que dichos monopolos puedan existir en la naturaleza, por que de demostrar su existencia, las leyes del electromagnetismo tendrían que ser modificadas, como las ecuaciones de Maxwell.

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