1) El documento describe cuatro problemas no resueltos de la física clásica hacia 1900: el experimento de Michelson-Morley, las transformaciones de Lorentz-FitzGerald, el efecto fotoeléctrico y la catástrofe ultravioleta. 2) Estos descubrimientos llevaron a una reformulación completa de la física entre 1900 y 1930 con el desarrollo de la física moderna. 3) Los nuevos hallazgos cuestionaron nociones fundamentales como el espacio y tiempo absolutos y requirieron teorías revolucionarias

1. TREINTA AÑOS QUETREINTA AÑOS QUE
CONMOVIERON ALCONMOVIERON AL
MUNDOMUNDO

2. FÍSICA MODERNAFÍSICA MODERNA
ESTADODELACIENCIAANTESDEESTADODELACIENCIAANTESDE
18871887

3. Haciafines del siglo XIX, seconocíanoHaciafines del siglo XIX, seconocíano
dominabanlas siguientes ramas deladominabanlas siguientes ramas dela
ciencia:ciencia:
• Mecánica de Newton (Sir Isaac Newton,Mecánica de Newton (Sir Isaac Newton,
1687; Joseph-Louis Lagrange, 1788)1687; Joseph-Louis Lagrange, 1788)
• Teoría de Dalton sobre la naturalezaTeoría de Dalton sobre la naturaleza
atómica de la materia (John Dalton, 1802)atómica de la materia (John Dalton, 1802)

4. • Termodinámica clásica (Sir BenjaminTermodinámica clásica (Sir Benjamin
Thompson,Thompson, Conde de Rumford, 1798;Conde de Rumford, 1798;
Jean-Baptiste Joseph Fourier, 1822;Jean-Baptiste Joseph Fourier, 1822;
Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1824;Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1824;
James Prescott Joule, 1845;James Prescott Joule, 1845; HermannHermann
Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1847Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1847 ))
• Teoría cinética de los gases (RudolphTeoría cinética de los gases (Rudolph
Clausius, James Clerk Maxwell, LudwigClausius, James Clerk Maxwell, Ludwig
Boltzmann), 1858-1864Boltzmann), 1858-1864

5. • Teoría electromagnética de MaxwellTeoría electromagnética de Maxwell
(Charles Augustin de Coulomb, 1785;(Charles Augustin de Coulomb, 1785;
Hans Christian Ørsted, 1820; Jean-Hans Christian Ørsted, 1820; Jean-
Baptiste Biot y Felix Savart, 1826;Baptiste Biot y Felix Savart, 1826;
Michael Faraday, 1831;Michael Faraday, 1831; James ClerkJames Clerk
Maxwell, 1864-1873Maxwell, 1864-1873 ))
• Óptica (Pierre de Fermat, 1621; Sir IsaacÓptica (Pierre de Fermat, 1621; Sir Isaac
Newton, 1687; Hyppolite Fizeau, 1850;Newton, 1687; Hyppolite Fizeau, 1850;
Augustin Fresnel)Augustin Fresnel)
• Teoría deTeoría de lala evolución (Charles Darwin yevolución (Charles Darwin y
Alfred Russell Wallace, 1859)Alfred Russell Wallace, 1859)

6. Conceptualmente, en el núcleo deConceptualmente, en el núcleo de
todos los conocimientostodos los conocimientos
mencionados, se hallaban ciertasmencionados, se hallaban ciertas
nociones del sentido común,nociones del sentido común,
contenidas en lo que ahora secontenidas en lo que ahora se
conoce como laconoce como la mecánica clásicamecánica clásica oo
mecánica newtonianamecánica newtoniana..

7. Estas nociones eran las siguientes:Estas nociones eran las siguientes:
El espacio y el tiempo son absolutosEl espacio y el tiempo son absolutos
Es decir:Es decir:

8. 1.1. El intervalo de tiempoEl intervalo de tiempo
∆∆tt == tt2 –– tt11
tiene exactamente la
misma duración para dos
observadores diferentes
que se hallen en
movimiento uno con
respecto al otro, y

9. 2.2. La distanciaLa distancia
∆∆LL == LL2 –– LL11
tiene el mismo valor para
dos observadores diferentes
que se hallen en
movimiento uno con
respecto al otro.

10. DOS OBSERVADORES MOVIÉNDOSE EL
UNO CON RESPECTO AL OTRO

11. Joseph John Thomson descubrió laJoseph John Thomson descubrió la
primeraprimera partícula elementalpartícula elemental,, elel
electrón, en 1897.electrón, en 1897.

12. EL ALBA DE LA FÍSICAEL ALBA DE LA FÍSICA
MODERNAMODERNA
 Con estos impresionantes avances, los
hombres de ciencia de finales del siglo
XIX creían que ya conocían todo lo que
había que conocer de la física. Sin
embargo, esa sensación de
autocomplacencia se haría añicos antes
de que terminara el siglo; esto se debió
a la aparición de pequeñas fisuras en el
edificio de estos conocimientos, que
finalmente exigirían una reformulación
completa y radical de la física, lo cual
ocurrió desde el año de 1900 hasta
aproximadamente el año de 1930.

13. A partir del año de 1887 seA partir del año de 1887 se
llevaría a cabo una cantidad dellevaría a cabo una cantidad de
descubrimientos, tantodescubrimientos, tanto
experimentales como teóricos,experimentales como teóricos,
tan importantes, que en untan importantes, que en un
lapso de 30 años cambiaría porlapso de 30 años cambiaría por
completo la percepción del sercompleto la percepción del ser
humano sobre la Naturaleza yhumano sobre la Naturaleza y
el Universo.el Universo.

14. Los desarrollos teóricos a los que seLos desarrollos teóricos a los que se
ha hecho mención se debieron a laha hecho mención se debieron a la
necesidad de explicar cierto númeronecesidad de explicar cierto número
de resultados experimentales que node resultados experimentales que no
podían explicarse satisfactoriamentepodían explicarse satisfactoriamente
con base en la física existente en esecon base en la física existente en ese
momento (ahora llamadamomento (ahora llamada físicafísica
clásicaclásica))

15. Los mencionados
PROBLEMAS NO RESUELTOS
son los siguientes.

16. En 1887 Albert Abraham Michelson y EdwardEn 1887 Albert Abraham Michelson y Edward
Williams Morley, en Estados Unidos, tratandoWilliams Morley, en Estados Unidos, tratando
de medir la rapidez de la luz con respecto alde medir la rapidez de la luz con respecto al
éter luminífero, encontraron, para suéter luminífero, encontraron, para su
sorpresa, que la rapidez de la luz era lasorpresa, que la rapidez de la luz era la
misma para todos los observadores,misma para todos los observadores,
independientemente de su estado deindependientemente de su estado de
movimiento; esto contradecía la bienmovimiento; esto contradecía la bien
establecida ley de transformación deestablecida ley de transformación de
velocidades de Galileo, que tanto éxito habíavelocidades de Galileo, que tanto éxito había
tenido en la mecánica newtoniana.tenido en la mecánica newtoniana.
 La invariancia de la rapidez de la luz era un problema
no resuelto de la física clásica en 1900.
A) El experimento de Michelson-Morley

17. B) Transformaciones de Lorentz-FitzGerald
Al tratar de explicar el resultado nulo delAl tratar de explicar el resultado nulo del
experimento de Michelson-Morley, Hendrikexperimento de Michelson-Morley, Hendrik
Anton Lorentz, en Holanda, y de maneraAnton Lorentz, en Holanda, y de manera
independiente George FitzGerald, enindependiente George FitzGerald, en
Irlanda, encontraron en 1889 unasIrlanda, encontraron en 1889 unas
ecuaciones de transformaciónecuaciones de transformación para laspara las
ecuaciones de Maxwell que las hacíanecuaciones de Maxwell que las hacían
invariantes de un marco de referencia ainvariantes de un marco de referencia a
otro.otro.

18. EstasEstas ecuaciones de Lorentz-FitzGeraldecuaciones de Lorentz-FitzGerald, en, en
primer lugar, estaban en desacuerdo conprimer lugar, estaban en desacuerdo con
las ecuaciones de transformación delas ecuaciones de transformación de
Galileo, y en segundo lugar, curiosamenteGalileo, y en segundo lugar, curiosamente
predecían una contracción de la longitud depredecían una contracción de la longitud de
los objetos a lo largo de la dirección delos objetos a lo largo de la dirección de
movimiento,movimiento, lo cual desafiaba las ideas de
espacio y tiempo prevalecientes en ese
momento..
En 1900, las ecuaciones de transformación
entre marcos de referencia inerciales eran un
problema no resuelto de la física clásica.

19. Al realizar experimentos para verificar lasAl realizar experimentos para verificar las
ecuaciones de Maxwell, Heinrich Hertzecuaciones de Maxwell, Heinrich Hertz
descubrió en 1887 un extraño fenómeno,descubrió en 1887 un extraño fenómeno,
al que se llamóal que se llamó efecto fotoeléctrico,, queque
tenía las características siguientes.tenía las características siguientes.
C) El efecto fotoeléctrico

20. Al irradiar un metal en el vacío con luz ultravioleta,
se emitían unas partículas cargadas
eléctricamente, y:
 El lapso de tiempo entre la incidencia de laEl lapso de tiempo entre la incidencia de la
radiación y la emisión de una partícula era muyradiación y la emisión de una partícula era muy
pequeña, menos de un nanosegundo. Laspequeña, menos de un nanosegundo. Las
partículas era emitidas inmediatamente; segúnpartículas era emitidas inmediatamente; según
la física clásica, debería existir un tiempo dela física clásica, debería existir un tiempo de
retardo entre la llegada de la radiación y laretardo entre la llegada de la radiación y la
emisión de una partícula.emisión de una partícula.

21. Arreglo experimental del efecto
fotoeléctrico
Figura tomada del libro “Curso de Física Moderna”, de Acosta, Cowan y Graham.

22.  En los años posteriores al descubrimientoEn los años posteriores al descubrimiento
de Hertz, se descubrió también que lasde Hertz, se descubrió también que las
partículas emitidas al irradiar la superficiepartículas emitidas al irradiar la superficie
del metal con la luz ultravioleta eran dedel metal con la luz ultravioleta eran de
carga negativa. Philipp Eduard Anton voncarga negativa. Philipp Eduard Anton von
Lénárd (1862 – 1947), físico Húngaro-Lénárd (1862 – 1947), físico Húngaro-
Germano, descubrió en 1900 que esasGermano, descubrió en 1900 que esas
partículas negativas tenían una relaciónpartículas negativas tenían una relación
carga a masa (carga a masa ( q/mq/m) de la misma magnitud) de la misma magnitud
que aquella que había sido medida por elque aquella que había sido medida por el
físico británico Joseph John “J.J.” Thomsonfísico británico Joseph John “J.J.” Thomson
en 1897 para los rayos catódicos: esto es,en 1897 para los rayos catódicos: esto es,
las partículas emitidas por el cátodo al serlas partículas emitidas por el cátodo al ser
iluminado eraniluminado eran electroneselectrones..

23.  Para un metal y frecuencia de la radiaciónPara un metal y frecuencia de la radiación
incidente dados, la tasa a la cual losincidente dados, la tasa a la cual los
electrones son emitidos de la superficieelectrones son emitidos de la superficie
del metal es directamente proporcional adel metal es directamente proporcional a
la intensidad de la luz incidente. A más luzla intensidad de la luz incidente. A más luz
de la misma longitud de onda mayor es elde la misma longitud de onda mayor es el
número de electrones emitidos (la físicanúmero de electrones emitidos (la física
clásica predecía, por el contrario, que enclásica predecía, por el contrario, que en
vez de ser más electrones, debían servez de ser más electrones, debían ser
más energéticos).más energéticos).

24.  Para un metal dado, existe una cierta frecuencia mínimaPara un metal dado, existe una cierta frecuencia mínima
de la radiación incidente por debajo de la cual no hayde la radiación incidente por debajo de la cual no hay
emisión de electrones. Esta frecuencia es llamada por elloemisión de electrones. Esta frecuencia es llamada por ello
frecuencia umbral . De acuerdo con la física clásica, no. De acuerdo con la física clásica, no
debería existir esa frecuencia de umbral.debería existir esa frecuencia de umbral.
 Por encima de la frecuencia umbral, la máxima energíaPor encima de la frecuencia umbral, la máxima energía
cinética de los electrones emitidos es independiente de lacinética de los electrones emitidos es independiente de la
intensidad (intensidad (II ) de la luz incidente, pero es dependiente de) de la luz incidente, pero es dependiente de
la frecuencia de la luz incidente. Es decir al incrementarla frecuencia de la luz incidente. Es decir al incrementar
la intensidad de la luz, se incrementan el número dela intensidad de la luz, se incrementan el número de
electrones emitidos pero no su energía cinética máxima.electrones emitidos pero no su energía cinética máxima.
De acuerdo con la física clásica, no tendría por qué existirDe acuerdo con la física clásica, no tendría por qué existir
esa relación entre la frecuencia de la luz incidente y laesa relación entre la frecuencia de la luz incidente y la
energía de los electrones.energía de los electrones.

25. Figura tomada del libro “Curso de Física Moderna”, de Acosta, Cowan y Graham.

26.  La teoría clásica del electromagnetismoLa teoría clásica del electromagnetismo
era incapaz de dar cuenta de los hechosera incapaz de dar cuenta de los hechos
experimentales relativos al efectoexperimentales relativos al efecto
fotoeléctrico;fotoeléctrico; en 1900, por tanto, el efecto
fotoeléctrico era un problema no resuelto de
la física clásica.

27. D) La catástrofe ultravioleta (radiación delradiación del
cuerpo negrocuerpo negro))
 Al tratar de explicar el espectro de emisión deAl tratar de explicar el espectro de emisión de
un cuerpo ideal llamado “cuerpo negro”, la físicaun cuerpo ideal llamado “cuerpo negro”, la física
clásica, por medio de la fórmula de Rayleigh-clásica, por medio de la fórmula de Rayleigh-
Jeans, predecía cierto comportamiento; sinJeans, predecía cierto comportamiento; sin
embargo, al llevar a cabo las medicionesembargo, al llevar a cabo las mediciones
experimentales, se obtenía un resultado muyexperimentales, se obtenía un resultado muy
diferente a frecuencias muy altas,diferente a frecuencias muy altas,
principalmente en la región del ultravioleta (UV).principalmente en la región del ultravioleta (UV).
Por esta razón, a este comportamientoPor esta razón, a este comportamiento
“anómalo” se le denominó la“anómalo” se le denominó la catástrofecatástrofe
ultravioletaultravioleta..

28. Espectros de emisión del cuerpo negro
Figura tomada del artículo “Ultraviolet catastrophe”, de Wikipedia, the free Enciclopedia.

29.  A principios de 1900, la radiación del cuerpo
negro era un problema no resuelto de la
física clásica

30. E) Finalmente, la estructura interna del átomo
y el espectro de emisión del átomo de hidrógeno
A partir de sus estudios sobre el electrón,
J. J. Thomson propuso un modelo de
átomo, llamado “modelo de pudín con
pasas”, el cual consistía en imaginar el
átomo como una bola de masa de pastel, en
el cual estaban embutidos los electrones,
como si fuesen uvas pasas.

31. Modelo de “pudín con pasas” de Thomson para
el átomo

32. En este modelo, la carga eléctricaEn este modelo, la carga eléctrica
estaba uniformemente distribuidaestaba uniformemente distribuida
en todo el volumen de la esferaen todo el volumen de la esfera
que representaba al átomo,que representaba al átomo,
mientras que los electrones, comomientras que los electrones, como
ya se dijo, eran pequeñas uvasya se dijo, eran pequeñas uvas
puntuales distribuidas en el interiorpuntuales distribuidas en el interior
del átomo.del átomo.

33. Al llevar a cabo experimentos deAl llevar a cabo experimentos de
bombardeo de una hoja de oro conbombardeo de una hoja de oro con
partículaspartículas α, Ernest Rutherford, Ernest Rutherford
descubrió que el átomo no era comodescubrió que el átomo no era como
había propuesto J. J. Thomson en 1897,había propuesto J. J. Thomson en 1897,
por lo que, en lugar del modelo de pudínpor lo que, en lugar del modelo de pudín
de Thomson, propuso una estructurade Thomson, propuso una estructura
tipo “planetario”, con un núcleo positivotipo “planetario”, con un núcleo positivo
y muy masivo en el centro, y una cargay muy masivo en el centro, y una carga
negativa rodeándolo en el exterior. Sinnegativa rodeándolo en el exterior. Sin
embargo, al aplicar este nuevo modeloembargo, al aplicar este nuevo modelo
al átomo de hidrógeno se encontrabanal átomo de hidrógeno se encontraban
inconvenientes muy graves:inconvenientes muy graves:

34.  De acuerdo con el electromagnetismoDe acuerdo con el electromagnetismo
clásico, las cargas negativas alrededorclásico, las cargas negativas alrededor
del núcleo deberían estar radiandodel núcleo deberían estar radiando
energía electromagnética, lo cual lasenergía electromagnética, lo cual las
haría caer hacia el núcleo en menos deharía caer hacia el núcleo en menos de
un segundo, contrariamente a laun segundo, contrariamente a la
estabilidad que se observaba en losestabilidad que se observaba en los
átomos;átomos;

35.  El espectro continuo que predice la físicaEl espectro continuo que predice la física
clásica es un espectro continuo:clásica es un espectro continuo:

36. ESPECTRO VISIBLE CONTI NUO

37. ....PERO EXPERIMENTALMENTE LO QUE....PERO EXPERIMENTALMENTE LO QUE
SE OBSERVABA ERA UN ESPECTRO DESE OBSERVABA ERA UN ESPECTRO DE
RAYAS ORAYAS O DISCRETODISCRETO::

38.  La frecuencia de la radiación emitida,La frecuencia de la radiación emitida,
según la física clásica, debería ser igual asegún la física clásica, debería ser igual a
la frecuencia angular de rotación della frecuencia angular de rotación del
electrón alrededor del núcleo, lo cualelectrón alrededor del núcleo, lo cual
tampoco se cumplía.tampoco se cumplía.
A principios de 1911, el espectro de emisión
del átomo de hidrógeno era un problema no
resuelto de la física clásica.

39. DESPERTAR
1900 – 19281900 – 1928
 En resumen, a fines del sigloEn resumen, a fines del siglo
diecinueve y principios del siglodiecinueve y principios del siglo
veinte, la ciencia física encaraba unaveinte, la ciencia física encaraba una
de sus peores crisis desde los díasde sus peores crisis desde los días
de Newton; había demasiados y muyde Newton; había demasiados y muy
graves problemas no resueltos, y lagraves problemas no resueltos, y la
solución no parecía llegar de ningúnsolución no parecía llegar de ningún
lado.lado.

40.  Sin embargo, al cabo de un lapso deSin embargo, al cabo de un lapso de
tiempo de aproximadamente trestiempo de aproximadamente tres
décadas, la física entregó al mundo unadécadas, la física entregó al mundo una
visión enteramente nueva del Universo: lavisión enteramente nueva del Universo: la
física relativista y la física cuántica, quefísica relativista y la física cuántica, que
por obvias razones se denominaronpor obvias razones se denominaron físicafísica
modernamoderna. El mundo nunca volvería a ser lo. El mundo nunca volvería a ser lo
que había sido.que había sido.

41. UN NUEVO UNIVERSOUN NUEVO UNIVERSO
Cambios en el macrocosmos y enCambios en el macrocosmos y en
el microcosmosel microcosmos

42. En este curso veremos cuáles fueron esos
descubrimientos, esas nuevas teorías y esa nueva
visión de la naturaleza.