Un Recorrido por la Evolución de las Ideas Fundamentales en Física

1. El Concepto de Cosmovisión y Paradigma

La cosmovisión o paradigma se refiere a la forma particular de ver, interpretar y explicar el mundo que predomina en una determinada época histórica. Esta visión engloba un conjunto de creencias fundamentales, ideas científicas, filosóficas y religiosas que son compartidas por una comunidad. Un ejemplo clásico de cambio de paradigma es la transición del geocentrismo (la Tierra como centro del universo) al heliocentrismo (el Sol como centro), que transformó radicalmente la astronomía y la comprensión del cosmos.

2. El Postulado Fundamental sobre los Movimientos Celestes en la Antigüedad

Durante siglos, se intentó explicar el movimiento aparente, a veces desordenado, de los planetas sin renunciar a un postulado central: que los movimientos celestes debían ser circulares y perfectos (uniformes). Este postulado proviene fundamentalmente de las influyentes ideas filosóficas de Platón y Aristóteles, quienes consideraban el círculo como la forma geométrica perfecta, adecuada para los cuerpos celestes divinos e inmutables.

3. Diferencias entre el Mundo Sublunar y Supralunar según Aristóteles

Aristóteles dividió el cosmos en dos regiones distintas con propiedades radicalmente diferentes:

• Mundo sublunar: Es la región terrestre, situada por debajo de la Luna. Está compuesto por los cuatro elementos clásicos (agua, tierra, aire y fuego). Se caracteriza por el cambio constante, la generación y la corrupción, y por movimientos imperfectos (rectilíneos) y finitos.
• Mundo supralunar: Es la región celeste, que se extiende desde la Luna hacia arriba. Está compuesto por un quinto elemento, el éter o quintaesencia, perfecto e inmutable. Los cuerpos celestes (planetas y estrellas) son eternos y se mueven en órbitas circulares perfectas y uniformes.

4. Aristóteles: Conexión entre los Movimientos del Universo Físico y su Metafísica

Aristóteles conecta los movimientos observados en el universo físico con su teoría metafísica a través del concepto del «Primer Motor Inmóvil». Esta es una entidad trascendente, inmaterial y eterna que es la causa última de todo el movimiento en el cosmos. El Primer Motor Inmóvil mueve sin ser movido, actuando como un atractor final (causa final) que inspira el movimiento circular y perfecto de las esferas celestes. De esta manera, la física (estudio del movimiento) encuentra su fundamento último en la metafísica (estudio de las primeras causas y principios).

5. Mecánica Aristotélica del Mundo Sublunar: Movimiento Natural, Artificial y su Transmisión

En la mecánica del mundo sublunar de Aristóteles, se distinguen dos tipos principales de movimiento:

• Movimiento natural: Es el movimiento que un objeto realiza debido a su propia naturaleza o esencia, tendiendo a ocupar su lugar natural en el cosmos. Por ejemplo, una piedra (compuesta principalmente de tierra) cae naturalmente hacia el centro del universo (que para Aristóteles coincidía con el centro de la Tierra), mientras que el fuego asciende.
• Movimiento artificial (o violento): Es aquel impuesto a un objeto por una fuerza externa, contraria a su tendencia natural. Por ejemplo, lanzar una piedra hacia arriba.

Según Aristóteles, la transmisión del movimiento artificial requiere un contacto continuo entre el motor y el móvil; el movimiento se transmite mientras la fuerza externa actúa sobre el objeto. Si la fuerza cesa, el objeto tiende a detenerse o a retomar su movimiento natural.

6. La Teoría del Ímpetus como Precursora de la Inercia

La Teoría del Ímpetus, desarrollada por pensadores medievales como Juan Filópono (siglo VI) y posteriormente elaborada por Jean Buridán (siglo XIV), fue un intento de explicar el movimiento de los proyectiles una vez que pierden contacto con el agente que los impulsó. Postulaba que, al ser lanzado, un objeto adquiere una cualidad o fuerza interna motriz, denominada ímpetus, que es la responsable de mantenerlo en movimiento. Este ímpetus se iría consumiendo gradualmente debido a la resistencia del medio o a la tendencia natural del objeto. Aunque diferente del concepto moderno, la teoría del ímpetus se considera una importante precursora de la idea de inercia, que sería plenamente desarrollada por Galileo y Newton.

7. Correcciones de Ptolomeo al Sistema Aristotélico y la Realidad de sus Modelos

Claudio Ptolomeo, en el siglo II d.C., refinó y complejizó el sistema geocéntrico aristotélico para que se ajustara mejor a las observaciones astronómicas, especialmente al movimiento retrógrado de los planetas. Para ello, introdujo y sistematizó el uso de herramientas geométricas como:

• Epiciclos: Círculos menores cuyos centros se movían sobre otros círculos.
• Deferentes: Círculos mayores alrededor de la Tierra sobre los cuales se movían los centros de los epiciclos.
• Excéntricas: Órbitas circulares cuyo centro no coincidía con el centro de la Tierra.
• Ecuantes: Puntos alrededor de los cuales el centro del epiciclo parecía moverse a una velocidad angular constante.

No existe un consenso definitivo sobre si Ptolomeo consideraba estas construcciones (epiciclos, deferentes, etc.) como mecanismos físicos reales o simplemente como modelos matemáticos útiles para predecir las posiciones planetarias con precisión. Muchos historiadores sugieren que probablemente los veía más como herramientas de cálculo que como una descripción literal de la realidad física.

8. El Modelo Heliocéntrico de Nicolás Copérnico

El modelo heliocéntrico propuesto por Nicolás Copérnico en su obra De revolutionibus orbium coelestium (1543) representó un cambio fundamental en la astronomía. Este modelo sitúa al Sol en el centro del universo (o, más precisamente, cerca del centro de las órbitas planetarias), mientras que la Tierra es considerada un planeta más, girando alrededor del Sol anualmente y rotando sobre su propio eje diariamente. A pesar de esta revolucionaria propuesta, Copérnico aún conservó algunos elementos de la astronomía tradicional, como la idea de que las órbitas planetarias eran círculos perfectos y la existencia de una esfera de estrellas fijas delimitando el universo.

9. Ventajas del Heliocentrismo y la Perspectiva de Copérnico sobre su Realidad

El sistema heliocéntrico de Copérnico ofrecía varias ventajas sobre el modelo ptolemaico:

• Explicación más simple del movimiento retrógrado: El aparente retroceso de los planetas se explicaba de forma natural como una consecuencia de los diferentes periodos orbitales de la Tierra y los otros planetas alrededor del Sol, sin necesidad de epiciclos complejos para este fin específico.
• Determinación del orden y las distancias relativas de los planetas: Permitía establecer un orden coherente para los planetas y calcular sus distancias relativas al Sol.
• Mayor simplicidad y armonía matemática: Aunque todavía complejo, muchos consideraron que ofrecía una estructura más elegante y unificada del sistema solar.

Respecto a si Copérnico creía en la realidad física de su sistema, existe cierto debate. El prólogo anónimo (escrito por Andreas Osiander) a su obra la presentaba como una hipótesis matemática. Sin embargo, el cuerpo principal del texto y otras evidencias sugieren que Copérnico probablemente sí consideraba que su modelo describía la estructura real del universo, aunque fue cauteloso en sus afirmaciones debido a las implicaciones filosóficas y teológicas.

10. Conflictos del Heliocentrismo Copernicano con los Textos Bíblicos y la Física Aristotélica

El sistema heliocéntrico de Copérnico entraba en conflicto directo con dos pilares fundamentales del pensamiento de la época:

• Interpretaciones literales de los textos bíblicos: Varios pasajes de la Biblia (por ejemplo, Josué 10:12-13, donde Josué detiene el Sol) se interpretaban como una afirmación de la inmovilidad de la Tierra y el movimiento del Sol. Un universo con una Tierra en movimiento parecía contradecir estas interpretaciones.
• La física aristotélica: La física de Aristóteles, dominante durante siglos, se basaba en una Tierra inmóvil en el centro del universo. Argumentos físicos aristotélicos, como la caída de los cuerpos hacia el centro de la Tierra o la ausencia de fuertes vientos constantes, se usaban para refutar la idea del movimiento terrestre.

Copérnico, al proponer una Tierra en movimiento (tanto de rotación como de traslación), desafiaba profundamente estas concepciones arraigadas.

11. La Transición del Universo Cerrado al Abierto: Copérnico, Brahe y Digges

La idea de un universo finito y cerrado, heredada de la antigüedad, comenzó a cuestionarse gradualmente durante el Renacimiento y la Revolución Científica:

• Nicolás Copérnico: Aunque su modelo era heliocéntrico, todavía concebía un universo finito, delimitado por la esfera de las estrellas fijas.
• Tycho Brahe: Propuso un modelo geo-heliocéntrico mixto (el modelo Tychónico), en el que la Tierra permanecía inmóvil en el centro, el Sol y la Luna orbitaban la Tierra, y los demás planetas orbitaban el Sol. Aunque no era un universo infinito, su detallada observación de un cometa en 1577, que demostró que se movía más allá de la esfera de la Luna y a través de las supuestas esferas cristalinas planetarias, contribuyó a erosionar la idea de estas esferas sólidas.
• Thomas Digges: En 1576, Digges, un seguidor inglés de Copérnico, fue uno de los primeros en proponer explícitamente un universo infinito. En su traducción de parte de la obra de Copérnico, añadió un diagrama que mostraba las estrellas dispersas a distancias variables en un espacio ilimitado, más allá de la órbita de Saturno, rompiendo con la noción de una esfera estelar exterior.

12. Primera y Segunda Ley de Kepler sobre el Movimiento Planetario

Johannes Kepler, utilizando las precisas observaciones astronómicas de Tycho Brahe, formuló tres leyes que describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol. Las dos primeras son:

• Primera Ley (Ley de las Órbitas, 1609): Los planetas se mueven en órbitas elípticas, con el Sol situado en uno de los focos de la elipse. Esto rompió con la antigua creencia de que las órbitas celestes debían ser círculos perfectos.
• Segunda Ley (Ley de las Áreas, 1609): La línea imaginaria que une un planeta con el Sol (el radio vector) barre áreas iguales en tiempos iguales. Esto implica que un planeta se mueve más rápido cuando está más cerca del Sol (en el perihelio) y más lento cuando está más lejos del Sol (en el afelio).

13. El Carácter Platónico en las Leyes de Kepler pese a la Ruptura con la Circularidad

A pesar de que las leyes de Kepler rompieron con los supuestos clásicos de uniformidad y circularidad de los movimientos celestes (fundamentales en la tradición platónica y aristotélica), pueden considerarse platónicas en un sentido más profundo. Kepler estaba imbuido de una visión neoplatónica y pitagórica del cosmos, creyendo firmemente en una armonía matemática subyacente en la creación divina. Sus leyes, aunque describían órbitas elípticas y velocidades variables, revelaban un orden matemático preciso y elegante en el universo. Buscaba las proporciones armónicas y las relaciones geométricas que, según él, Dios había utilizado para diseñar el sistema solar (como intentó en su Mysterium Cosmographicum). En este sentido, su búsqueda de una estructura matemática inteligible del cosmos es profundamente platónica.

14. El Principio de Relatividad de Galileo Galilei

El principio de relatividad de Galileo, expuesto en su Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo (1632), establece que las leyes de la mecánica son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. Un sistema inercial es aquel que está en reposo o se mueve con velocidad constante en línea recta. Galileo ilustró este principio con el famoso ejemplo de realizar experimentos dentro de la cabina de un barco que se mueve suavemente a velocidad constante: observó que los fenómenos mecánicos (como la caída de un objeto o el vuelo de una mosca) ocurren de la misma manera que si el barco estuviera en reposo. Por lo tanto, sin una referencia externa, es imposible determinar mediante experimentos mecánicos si un sistema está en reposo absoluto o en movimiento rectilíneo uniforme.

15. Contradicción entre el Experimento de las Esferas de Galileo y la Física Aristotélica

El famoso experimento (ya sea realizado físicamente desde la Torre de Pisa, como cuenta la leyenda, o más probablemente como un experimento mental y mediante planos inclinados) de Galileo con dos esferas de diferente peso contradice directamente la física aristotélica de la caída de los cuerpos:

• Según Aristóteles: Los objetos más pesados caen más rápido que los objetos más ligeros, y su velocidad de caída es proporcional a su peso.
• Según Galileo (y la observación experimental cuidadosa): En ausencia (o minimizando) la resistencia del aire, todos los objetos, independientemente de su peso (pero con forma y densidad similares para minimizar efectos de resistencia del aire diferencial), caen con la misma aceleración. Por lo tanto, si se sueltan desde la misma altura al mismo tiempo, llegarían al suelo simultáneamente.

Este resultado experimental socavó una de las predicciones fundamentales de la física aristotélica del movimiento.

16. Deducción Galileana del Principio de Inercia a través de Planos Inclinados

Galileo llegó a formular el principio de la inercia a través de una serie de ingeniosos experimentos (reales y mentales), especialmente utilizando planos inclinados. Observó que:

• Una esfera rodando por un plano inclinado hacia abajo aumenta su velocidad (acelera).
• Una esfera rodando por un plano inclinado hacia arriba disminuye su velocidad (decelera) y eventualmente se detiene.

A partir de esto, razonó que si una esfera rodara sobre un plano perfectamente horizontal y sin ninguna fricción ni resistencia del aire, no tendría razón ni para acelerar ni para desacelerar. Por lo tanto, continuaría moviéndose indefinidamente a una velocidad constante. Esto lo llevó a concluir que, en ausencia de fuerzas externas, un cuerpo en movimiento tiende a permanecer en movimiento rectilíneo uniforme, y un cuerpo en reposo tiende a permanecer en reposo. Esta es la esencia del principio de inercia.

17. Diferencias Fundamentales entre el Principio de Inercia y la Física Aristotélica

La diferencia fundamental entre el principio de inercia (galileano-newtoniano) y la física aristotélica radica en la concepción de la causa del movimiento continuo:

• Física aristotélica: Sostenía que para mantener un objeto en movimiento (especialmente un movimiento artificial o violento) se requería la aplicación continua de una fuerza o motor. Si la fuerza cesaba, el movimiento también lo hacía, y el objeto tendía a su estado de reposo o a su movimiento natural.
• Principio de inercia: Postula que el movimiento rectilíneo uniforme (o el estado de reposo) es un estado natural de los cuerpos que no requiere ninguna causa o fuerza para mantenerse. Una fuerza externa neta solo es necesaria para cambiar el estado de movimiento de un cuerpo (es decir, para acelerarlo, desacelerarlo o cambiar su dirección).

18. El Principio de Inercia y la Resolución del Problema del Movimiento Terrestre

Una de las principales objeciones de los aristotélicos al movimiento de la Tierra era que, si la Tierra se moviera (por ejemplo, rotando sobre su eje), deberíamos experimentar efectos drásticos: un objeto lanzado verticalmente hacia arriba debería caer hacia el oeste, se sentiría un viento constante, etc. El principio de inercia resuelve estas objeciones al explicar que todo lo que está sobre la superficie de la Tierra (incluida la atmósfera, los objetos y nosotros mismos) comparte el movimiento de la Tierra.
Al igual que dentro de la cabina de un barco que se mueve suavemente, donde los objetos caen verticalmente respecto al barco porque comparten su movimiento horizontal, en la Tierra no percibimos su movimiento porque nos movemos junto con ella. Un objeto lanzado hacia arriba ya posee la velocidad horizontal de la Tierra (debido a la inercia) y la conserva durante su ascenso y descenso, por lo que vuelve a caer en el mismo lugar (ignorando la resistencia del aire). La Tierra, una vez en movimiento, continuaría moviéndose debido a la inercia, sin que sus habitantes noten directamente dicho movimiento en la mayoría de las circunstancias cotidianas.

19. El Principio del Isocronismo del Péndulo Descubierto por Galileo

Galileo Galilei descubrió el principio del isocronismo del péndulo (iso = igual, cronos = tiempo). Este principio establece que, para pequeñas amplitudes de oscilación, el período de un péndulo simple (el tiempo que tarda en completar una oscilación completa, de ida y vuelta) es independiente de la amplitud (el ángulo máximo de desplazamiento desde la vertical) y de la masa de la lenteja. El período depende principalmente de la longitud del péndulo (y ligeramente de la aceleración debida a la gravedad). Este descubrimiento fue crucial porque proporcionó la base teórica para la construcción de relojes de péndulo mucho más precisos que los existentes hasta entonces.

20. Vínculo entre los Estudios del Péndulo y los Planos Inclinados en Galileo

Tanto el estudio del péndulo como los experimentos con planos inclinados (rampas) fueron herramientas metodológicas clave para Galileo en su investigación del movimiento, y están conceptualmente vinculados:

• Ralentización del movimiento: Ambos sistemas permitían a Galileo estudiar el movimiento de caída de una manera ‘diluida’ o ralentizada. La caída libre directa era demasiado rápida para medirla con precisión con los instrumentos de la época. Los planos inclinados reducían la aceleración efectiva, y el péndulo transformaba el movimiento vertical en una oscilación observable.
• Observación de la regularidad matemática: A través de estos experimentos, Galileo pudo descubrir y cuantificar las regularidades matemáticas subyacentes en los fenómenos del movimiento. En los planos inclinados, encontró la relación entre la distancia recorrida y el cuadrado del tiempo (característica del movimiento uniformemente acelerado). En el péndulo, descubrió el isocronismo y la relación entre el período y la longitud.
• Desarrollo de conceptos clave: Estos estudios fueron fundamentales para que Galileo desarrollara sus conceptos sobre la aceleración constante (en la caída y los planos inclinados) y el movimiento periódico (en el péndulo), sentando las bases experimentales y conceptuales para una nueva física del movimiento que superaría a la aristotélica.

21. Newton: Unificación de la Mecánica Terrestre y Celeste y la Órbita Lunar

Isaac Newton logró una de las síntesis más importantes en la historia de la ciencia al unificar la mecánica terrestre (el estudio del movimiento de los objetos en la Tierra, como la caída de una manzana) y la mecánica celeste (el estudio del movimiento de los planetas y la Luna). Lo hizo a través de su Ley de la Gravitación Universal, que postula que cada partícula de materia en el universo atrae a cualquier otra partícula con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre sus centros.
Así, la misma fuerza de gravedad que hace caer una manzana de un árbol es la que mantiene a la Luna en su órbita alrededor de la Tierra y a los planetas en sus órbitas alrededor del Sol.
La órbita de la Luna se explica de la siguiente manera: la Luna está constantemente ‘cayendo’ hacia la Tierra debido a la atracción gravitatoria terrestre. Sin embargo, la Luna también posee una velocidad tangencial significativa (un movimiento ‘hacia adelante’ perpendicular a la dirección de la Tierra) debido a su inercia. La combinación de esta ‘caída’ continua hacia la Tierra y su movimiento lateral constante resulta en una trayectoria curva cerrada: su órbita elíptica (casi circular).

22. Aplicación Newtoniana de la Inercia Galileana a la Órbita Lunar

Newton aplicó de manera crucial el principio de inercia, previamente desarrollado por Galileo, para explicar la mecánica de las órbitas celestes, como la de la Luna alrededor de la Tierra. Según el principio de inercia:

• Si no actuara ninguna fuerza sobre la Luna, esta se movería en línea recta a velocidad constante a través del espacio.
• Sin embargo, la fuerza de gravedad ejercida por la Tierra actúa constantemente sobre la Luna, atrayéndola hacia el centro de la Tierra.

Esta fuerza gravitatoria es la que continuamente desvía a la Luna de su trayectoria rectilínea inercial, obligándola a seguir una trayectoria curva. El resultado de la tendencia inercial de la Luna a moverse en línea recta y la atracción gravitatoria constante de la Tierra es la órbita estable de la Luna alrededor de nuestro planeta.

23. Factores Determinantes de la Órbita Lunar según la Mecánica Newtoniana

Más que el resultado de dos fuerzas distintas en el sentido tradicional, Newton explica la órbita de la Luna como la consecuencia de la interacción entre su tendencia inercial y la fuerza de gravedad:

• Inercia: Es la tendencia de la Luna a continuar moviéndose en línea recta a una velocidad constante (específicamente, su velocidad tangencial o ‘lateral’ con respecto a la Tierra). Sin gravedad, la Luna se alejaría de la Tierra.
• Fuerza de Gravedad: Es la fuerza de atracción mutua entre la Tierra y la Luna, dirigida a lo largo de la línea que une sus centros. Esta fuerza es la que ‘tira’ de la Luna hacia la Tierra, impidiendo que escape.

La órbita es el equilibrio dinámico resultante: la Luna ‘cae’ continuamente hacia la Tierra debido a la gravedad, pero su velocidad tangencial inercial es tal que constantemente ‘falla’ en chocar contra la Tierra, describiendo en su lugar una trayectoria orbital.

24. El Concepto y Desafío de la ‘Acción a Distancia’ en la Gravitación Newtoniana

El problema de la ‘acción a distancia’ (actio in distans) se refiere a una característica conceptualmente difícil de la teoría de la gravitación de Newton. Según esta teoría, la fuerza de gravedad actúa instantáneamente entre dos cuerpos masivos (como el Sol y la Tierra) que están separados por un vasto espacio, aparentemente vacío, sin ningún medio material o mecanismo intermedio que transmita dicha fuerza.
Para Newton mismo y para muchos de sus contemporáneos y sucesores, esta idea de una fuerza que opera a través del vacío sin un agente de contacto era filosóficamente problemática y ‘misteriosa’. Newton describió matemáticamente cómo operaba la gravedad (con su ley de la inversa del cuadrado) pero admitió no conocer la causa o el mecanismo subyacente de esta acción (su famosa frase Hypotheses non fingo, ‘No finjo hipótesis’, se relaciona en parte con esto).
Posteriormente, el desarrollo del concepto de campo gravitatorio (sugerido por las ideas de campo de Faraday en electromagnetismo y formalizado mucho más tarde en la Teoría de la Relatividad General de Einstein) ofreció una manera de entender cómo la influencia gravitatoria se propaga a través del espacio, no instantáneamente, sino a la velocidad de la luz.

25. El Debate Newton-Huygens sobre la Naturaleza de la Luz: Corpúsculos vs. Ondas

El debate principal entre Sir Isaac Newton y Christiaan Huygens, dos gigantes de la ciencia del siglo XVII, se centró en la naturaleza fundamental de la luz:

• Isaac Newton: Defendía una teoría corpuscular de la luz. Proponía que la luz estaba compuesta por diminutas partículas o ‘corpúsculos’ emitidos a gran velocidad por las fuentes luminosas. Esta teoría explicaba bien fenómenos como la propagación rectilínea de la luz, la reflexión (como el rebote de pelotas) y, con ciertas adaptaciones, la refracción.
• Christiaan Huygens: Proponía una teoría ondulatoria de la luz. Sostenía que la luz era una perturbación ondulatoria que se propagaba a través de un medio hipotético que llenaba todo el espacio, llamado ‘éter luminífero’. Esta teoría explicaba de manera más natural fenómenos como la refracción (usando el principio de Huygens), la birrefringencia y, potencialmente, la difracción (aunque este último fenómeno no fue bien comprendido ni experimentalmente destacado hasta los trabajos de Fresnel y Young mucho después).

Durante el siglo XVIII, la autoridad de Newton hizo que la teoría corpuscular fuera la dominante. Sin embargo, en el siglo XIX, los experimentos sobre interferencia y difracción (especialmente el de Young) inclinaron la balanza decisivamente a favor de la teoría ondulatoria. Finalmente, la física moderna, a través de la mecánica cuántica, ha revelado que la luz exhibe una dualidad onda-partícula, comportándose como onda en algunos fenómenos y como partícula (fotones) en otros.

26. El Experimento de la Doble Rendija de Young y su Demostración de la Naturaleza Ondulatoria de la Luz

El experimento de la doble rendija, realizado por Thomas Young alrededor de 1801, es un experimento crucial en la historia de la física. En su forma más simple:

1. Se hace pasar un haz de luz (preferiblemente monocromática, es decir, de un solo color o longitud de onda) a través de una barrera opaca que tiene dos rendijas paralelas muy estrechas y cercanas entre sí.
2. Detrás de esta barrera, se coloca una pantalla de observación.

Si la luz estuviera compuesta únicamente por partículas que viajan en línea recta (como en la teoría corpuscular simple), se esperaría ver en la pantalla simplemente dos franjas iluminadas, correspondientes a las dos rendijas. Sin embargo, lo que Young observó fue un patrón de interferencia: una serie de franjas claras (constructivas) y oscuras (destructivas) alternadas.
Este patrón de interferencia es una característica distintiva del comportamiento ondulatorio. Se produce porque las ondas de luz que pasan por cada una de las rendijas se superponen e interfieren entre sí: donde las crestas de las ondas coinciden, se refuerzan (franja clara); donde una cresta coincide con un valle, se anulan (franja oscura).
El experimento de Young proporcionó una evidencia convincente y directa de la naturaleza ondulatoria de la luz, lo que llevó al resurgimiento y eventual aceptación de la teoría ondulatoria de Huygens durante el siglo XIX.

27. Principios de la Física Cartesiana: Teoría de los Vórtices y Cantidad de Movimiento

La física de René Descartes, expuesta principalmente en sus Principios de la Filosofía (1644), fue un ambicioso intento de construir un sistema completo del mundo basado en principios mecanicistas y geométricos. Sus ideas clave incluyen:

• Negación del vacío (Plenismo): Descartes sostenía que el universo estaba completamente lleno de materia; no existía el vacío. El espacio y la materia eran identificados (res extensa). Esta materia era divisible infinitamente y existía en diferentes grados de sutileza.
• Teoría de los vórtices: Para explicar el movimiento de los planetas y otros fenómenos celestes, Descartes propuso que el espacio estaba lleno de una materia sutil que se movía en grandes remolinos o vórtices. El Sol estaría en el centro de un gran vórtice que arrastraba a los planetas en sus órbitas. Los planetas, a su vez, podrían ser centros de vórtices más pequeños que arrastraban a sus satélites.
• Cantidad de movimiento: Descartes fue uno de los primeros en formular explícitamente el concepto de cantidad de movimiento, que definió como el producto de la ‘magnitud’ (masa o tamaño) de un cuerpo por su velocidad (mv). Postuló un principio de conservación de la cantidad total de movimiento en el universo, afirmando que Dios la había infundido en la materia en la creación y que esta cantidad permanecía constante en todas las interacciones.

La física cartesiana, aunque influyente, fue eventualmente reemplazada por la newtoniana, que ofrecía explicaciones matemáticas más precisas y predictivas.

28. Críticas de Leibniz a la Física de Descartes y la Propuesta de la ‘Vis Viva’

Gottfried Wilhelm Leibniz, contemporáneo de Newton y codescubridor del cálculo, fue un crítico importante de varios aspectos de la física cartesiana, aunque también compartía un enfoque racionalista:

• Insuficiencia de la teoría de los vórtices: Leibniz, al igual que Newton, consideraba que la teoría de los vórtices de Descartes era cualitativamente atractiva pero cuantitativamente inadecuada para explicar las leyes de Kepler sobre el movimiento planetario (órbitas elípticas, ley de las áreas) y otros detalles observados.
• Crítica a la conservación de la cantidad de movimiento (mv): Leibniz argumentó que la cantidad fundamental que se conservaba en muchos procesos mecánicos no era la ‘cantidad de movimiento’ (mv) de Descartes, sino una cantidad diferente que él denominó vis viva (fuerza viva). La vis viva la definió como el producto de la masa por el cuadrado de la velocidad (mv²). Este concepto es un precursor importante de la energía cinética. Leibniz demostró con ejemplos (como colisiones elásticas y la caída de los cuerpos) que mv² se conservaba donde mv (vectorialmente) no siempre lo hacía, o viceversa, dependiendo del sistema.
• Énfasis en principios dinámicos y metafísicos: Leibniz abogó por una física basada no solo en la geometría y el movimiento, sino también en principios dinámicos (relacionados con las fuerzas) y fundamentos metafísicos más profundos, como el principio de razón suficiente y el principio de continuidad. Introdujo el concepto de ‘fuerza’ de una manera más central que Descartes.

29. La Concepción Kantiana de la Materia: El Vacío y las Fuerzas de Atracción y Repulsión

Immanuel Kant, en sus escritos sobre filosofía natural, particularmente en su obra temprana Pensamientos sobre la verdadera estimación de las fuerzas vivas y más tarde en los Principios metafísicos de la ciencia natural (1786), desarrolló una concepción dinámica de la materia:

• Aceptación del vacío newtoniano: A diferencia de Descartes y en línea con Newton, Kant aceptó la posibilidad del vacío como espacio desprovisto de materia empírica, aunque lo llenó con su éter.
• Materia como producto de fuerzas fundamentales: Kant propuso que la materia no es simplemente una sustancia pasiva y extensa (como en Descartes), sino que se constituye y ocupa el espacio a través de la interacción de dos fuerzas fundamentales inherentes a ella:
  • Una fuerza de atracción (similar a la gravedad newtoniana a nivel macroscópico, pero concebida como una fuerza universal de cohesión a nivel fundamental).
  • Una fuerza de repulsión (responsable de la impenetrabilidad de la materia, su elasticidad y su capacidad para llenar el espacio, evitando que la materia se colapse sobre sí misma).
• Equilibrio dinámico: La materia, tal como la experimentamos, con sus propiedades de extensión, impenetrabilidad y cohesión, sería el resultado del equilibrio dinámico entre estas dos fuerzas opuestas y fundamentales. La densidad de un cuerpo dependería del grado relativo de estas fuerzas.

La concepción kantiana intentaba reconciliar la física newtoniana con principios metafísicos sobre la actividad inherente a la sustancia.

30. El Descubrimiento de Ørsted y su Impacto en la Unificación de Fuerzas (Electricidad y Magnetismo)

En 1820, el físico danés Hans Christian Ørsted realizó un descubrimiento trascendental que cambió fundamentalmente la comprensión de la electricidad y el magnetismo. Mientras realizaba una demostración en una clase, observó que una corriente eléctrica que fluía a través de un alambre conductor desviaba la aguja de una brújula (un imán) cercana. Cuando invertía la dirección de la corriente, la aguja se desviaba en la dirección opuesta.
Este hallazgo fue la primera demostración experimental de una conexión directa entre la electricidad y el magnetismo, dos fenómenos que hasta entonces se consideraban completamente separados e independientes. El descubrimiento de Ørsted implicaba que las corrientes eléctricas producen efectos magnéticos (o campos magnéticos).
Su impacto fue inmediato y profundo:

• Sugirió que la electricidad y el magnetismo no eran fuerzas aisladas, sino que estaban íntimamente relacionadas, siendo posiblemente manifestaciones de una fuerza fundamental más profunda.
• Abrió un nuevo y vasto campo de investigación, el electromagnetismo, e inspiró los trabajos de científicos como Ampère, Faraday y Maxwell, quienes desarrollaron las leyes y la teoría que unificaron estos fenómenos.
• Reforzó la idea de la unificación de las fuerzas de la naturaleza, un tema recurrente y fructífero en la historia de la física.

31. La Revolucionaria Concepción de ‘Campo’ según Michael Faraday

Michael Faraday, un experimentador extraordinario con una intuición física profunda, introdujo y desarrolló el concepto de campo para explicar las interacciones eléctricas y magnéticas, apartándose radicalmente de la idea de ‘acción a distancia’ newtoniana. Para Faraday:

• Los campos (eléctricos y magnéticos) no eran meras construcciones matemáticas o ficciones útiles, sino entidades físicas reales que llenaban el espacio alrededor de las cargas eléctricas, las corrientes y los imanes.
• Una carga eléctrica o un imán no actúa directamente a distancia sobre otro, sino que modifica las propiedades del espacio a su alrededor, creando un campo. Este campo, a su vez, ejerce una fuerza sobre otras cargas o imanes presentes en él.
• Faraday visualizó estos campos mediante líneas de fuerza (o líneas de campo). Estas líneas imaginarias indicaban la dirección de la fuerza que actuaría sobre una carga de prueba positiva (en el caso eléctrico) o un polo norte (en el caso magnético) y su densidad representaba la intensidad del campo (líneas más juntas significan un campo más fuerte).
• Consideraba que las interacciones eléctricas y magnéticas se propagaban a través de estos campos de un punto a otro, lo que implicaba que los efectos no eran necesariamente instantáneos.

La concepción de campo de Faraday fue inicialmente recibida con escepticismo por muchos físicos formados en la tradición newtoniana, pero resultó ser fundamental para el desarrollo posterior de la teoría electromagnética por Maxwell y para toda la física moderna.

32. Contribuciones de Faraday a la Unificación Electromagnética: Inducción y Campos

Michael Faraday realizó contribuciones experimentales y conceptuales cruciales para la unificación de la electricidad y el magnetismo, construyendo sobre el descubrimiento de Ørsted:

• Inducción electromagnética (1831): Su descubrimiento más famoso fue la ley de la inducción electromagnética. Demostró que no solo una corriente eléctrica produce un campo magnético, sino que, recíprocamente, un campo magnético variable en el tiempo puede inducir una corriente eléctrica en un conductor cercano. Esto podía lograrse moviendo un imán cerca de una bobina de alambre, moviendo la bobina cerca de un imán, o variando la corriente en una bobina cercana (que a su vez varía su campo magnético).
• Interrelación fundamental: Estos descubrimientos (junto con otros sobre la electrólisis, las propiedades dieléctricas, etc.) establecieron de forma concluyente que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos profundamente interconectados e interdependientes. No eran fuerzas separadas, sino dos aspectos o manifestaciones de una misma interacción fundamental: la interacción electromagnética.
• El papel del campo: Su concepto de campo y líneas de fuerza proporcionó el marco conceptual para entender cómo estas interacciones ocurrían y se propagaban a través del espacio, siendo el campo el mediador de la fuerza.

Los trabajos experimentales y las ideas de Faraday sentaron las bases indispensables para la síntesis matemática del electromagnetismo lograda por James Clerk Maxwell.

33. Comparativa Conceptual: La Física de Newton frente a la de Faraday

Existen diferencias conceptuales significativas entre el enfoque predominante en la física de Isaac Newton (especialmente en relación con la gravedad) y el de Michael Faraday (en relación con la electricidad y el magnetismo):

34. Propagación de los Campos Electromagnéticos como Ondas según James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell, basándose en los descubrimientos experimentales y las ideas conceptuales de Faraday, desarrolló un conjunto de cuatro ecuaciones diferenciales (conocidas como las ecuaciones de Maxwell) que describen de forma completa y unificada el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos y sus interrelaciones. Una de las predicciones más espectaculares y profundas de su teoría matemática fue que:

• Los campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo no permanecen localizados, sino que pueden generarse mutuamente y propagarse a través del espacio en forma de ondas: las ondas electromagnéticas. Un campo eléctrico variable induce un campo magnético variable, el cual a su vez induce un campo eléctrico variable, y así sucesivamente, permitiendo que la perturbación viaje.
• Estas ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse; pueden viajar a través del vacío. El campo electromagnético mismo actúa, en cierto sentido, como su propio medio de propagación.
• Maxwell calculó teóricamente la velocidad de propagación de estas ondas electromagnéticas en el vacío a partir de constantes eléctricas y magnéticas medibles en el laboratorio (la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío). El valor que obtuvo fue aproximadamente 3 x 10⁸ metros por segundo.
• Esta velocidad calculada era sorprendentemente igual a la velocidad de la luz, que ya había sido medida experimentalmente con una precisión razonable en esa época.

35. Identificación de la Luz como Onda Electromagnética en la Teoría de Maxwell

La coincidencia entre la velocidad calculada para las ondas electromagnéticas y la velocidad medida de la luz llevó a James Clerk Maxwell a una conclusión revolucionaria y unificadora:

• Una onda electromagnética, según su teoría, consiste en campos eléctricos (E) y magnéticos (B) oscilantes, que son mutuamente perpendiculares entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
• El descubrimiento crucial de Maxwell, derivado de sus ecuaciones, fue que la luz visible es, de hecho, una forma de onda electromagnética. La luz no era un fenómeno separado, sino una manifestación del electromagnetismo, ocupando una pequeña porción del espectro electromagnético.

Esta identificación de la luz como una onda electromagnética fue uno de los mayores triunfos de la física del siglo XIX. Unificó los campos de la óptica, la electricidad y el magnetismo en una única teoría coherente: la teoría electromagnética de la luz. Además, predijo la existencia de otras formas de radiación electromagnética con diferentes longitudes de onda y frecuencias (como las ondas de radio, que fueron descubiertas experimentalmente por Heinrich Hertz más tarde, confirmando la teoría de Maxwell).

36. El Conflicto entre la Relatividad Galileana y las Ecuaciones de Maxwell: Hacia una Nueva Física

A finales del siglo XIX, surgió un profundo conflicto conceptual entre dos pilares de la física clásica:

• El principio de relatividad de Galileo (y Newton): Este principio establece que las leyes de la mecánica son las mismas para todos los observadores que se mueven a velocidad constante en línea recta (observadores inerciales). Implica que las velocidades se suman de forma sencilla según las transformaciones de Galileo. Por ejemplo, si estás en un tren que se mueve a una velocidad v y lanzas una pelota hacia adelante con una velocidad u’ (relativa al tren), un observador en tierra medirá la velocidad de la pelota como u = v + u’.
• Las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo: Estas ecuaciones describen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos y predicen que la velocidad de las ondas electromagnéticas (incluida la luz) en el vacío es una constante universal, c (aproximadamente 3 x 10⁸ m/s), que no depende del movimiento de la fuente de luz ni del observador.

El conflicto radicaba en que, si las transformaciones de Galileo fueran universalmente válidas, la velocidad de la luz medida por diferentes observadores inerciales debería variar según su movimiento relativo, contradiciendo la predicción de Maxwell de que c es constante. Por otro lado, si las ecuaciones de Maxwell fueran correctas y la velocidad de la luz fuera constante, entonces el principio de relatividad de Galileo o las transformaciones de Galileo no podrían aplicarse a los fenómenos electromagnéticos.
Se intentaron diversas soluciones, como la hipótesis del ‘éter luminífero’ como un medio privilegiado para la propagación de la luz, pero experimentos como el de Michelson-Morley no lograron detectar el movimiento de la Tierra a través de este éter.
Este conflicto fue una de las principales crisis de la física clásica y una motivación fundamental para que Albert Einstein desarrollara la Teoría de la Relatividad Especial en 1905. Einstein resolvió la contradicción al postular que:

1. Las leyes de la física (incluidas las del electromagnetismo) son las mismas para todos los observadores inerciales.
2. La velocidad de la luz en el vacío (c) es la misma para todos los observadores inerciales, independientemente del movimiento de la fuente de luz.

Para que ambos postulados fueran compatibles, Einstein tuvo que modificar las concepciones tradicionales del espacio y el tiempo, reemplazando las transformaciones de Galileo por las transformaciones de Lorentz. Esto llevó a conceptos revolucionarios como la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud y la equivalencia entre masa y energía (E=mc²), salvando así la validez de las ecuaciones de Maxwell en todos los sistemas inerciales y sentando las bases para gran parte de la física del siglo XX.