Einstein en contexto

Para celebrar mis 70 decidí matricular otro curso por Internet (Coursera), esta vez “Understanding Einstein: The Special Theory of Relativity”.

Un curso en línea de la Universidad de Stanford, con el profesor Larry Randles Lagerstrom.

Esta primera clase (video y “handout”) me pareció apropiada para compartir con quienes apreciamos el estudio de la Física en general y tenemos curiosidad por la Teoría Especial de la Relatividad.
Entonces dediqué las primeras horas de hoy 8  de abril a atender la clase y hacer esta traducción para ustedes y aquí les va. Recuerde que blogger permite traducirlo a muchos idiomas.

El texto original (en inglés) está en formato pdf y cuando lo copié y lo pegué en Word se me hizo pedazos, por eso tardé un poco para recomponerlo. Si alguien sabe cómo evitar ese problema le agradecería que me asesore. El cambio a español lo hace Word automáticamente, solo que hay que leerlo –con sentido y picardía física- e ir haciendo pequeños arreglos. Además como soy un educador de la ciencia, le agregué algunas ligas.

Si le sobra tiempo, puede visitar una entrada que había escrito en el 2009: Algunos físicos (científicos, filósofos naturales) y sus contribuciones. 

Física y Einstein circa 1900 (semana 1 video conferencia) 

Selección de eventos y tendencias de importancia en física y  campos afines, 1800-1900: el mundo científico y tecnológico en el que nació Albert Einstein.
Nota: Los intervalos de fechas a menudo son aproximados.

• 1800 (estrechamiento del ámbito): "Física", en el sentido de la ciencia de las propiedades de la materia y la energía es de 1715, aunque incluye a menudo fenómenos orgánicos e inorgánicos.
  "Físico" es acuñado por el erudito inglés Reverendo WilliamWhewell en 1840 para denotar un cultivador de la física (también acuña "científico" al mismo tiempo).
  
  Alrededor de 1800 "física" se restringe a fenómenos inorgánicos que podían ser investigados con instrumentos tales como bombas de aire (para vacíos), máquinas eléctricas, termómetros, balanzas, etc.
  Las principales áreas de investigación son la mecánica, óptica, electricidad, magnetismo, calor y neumática. 
• 1800-1830 (física en las universidades): Durante las primeras décadas del siglo XIX, la física tiene un lugar con las otras ciencias en el currículo de las universidades en el mundo occidental, aunque tiene un estatus secundario en comparación con el énfasis en la medicina, el derecho y los clásicos (literatura griega y latina).
  
  La Universidad de Yale en 1828 progresa cuando se "hizo hincapié en que una exigencia de una educación liberal era fomentar en los estudiantes un equilibrio adecuado de carácter, un equilibrio que puede lograrse sólo por exponerlos a las diferentes ramas de la ciencia así como la literatura." (DanielJ. Kevles, Los físicos: la historia de una comunidad científica en América moderna, p. 5). 
• 1800 (la batería): Invención de la batería por Alessandro Volta de Italia; electricidad es generada por el contacto de diferentes metales.
  (Como resultado de las investigaciones sobre la electricidad animal por Luigi Galvani, Volta y otros). Una consecuencia fundamental es la posibilidad de corrientes eléctricas sostenidas. 
• 1800-1807(teoría ondulatoria de la luz): La investigación de Thomas Young de Inglaterra sobre interferencia y otros efectos de luz lo lleva a desarrollar una teoría ondulatoria de la luz, atribuida a las vibraciones de un éter. (Lea en mi blog: “La luz, onda o partícula”). 
• 1810s-1820s (teoría atómica química): Desarrollo temprano de la teoría atómica química por Amedeo Avogadro, André Marie Ampère, William Prout y Jöns Jacob Berzelius, mediante un trabajo anterior por Antoine-Laurent Lavoisier, John Dalton y Joseph Louis Gay-Lussac. 
• 1820 (electromagnetismo): Hans Christian Oersted observa que un cable con corriente desvía la aguja de una brújula y, en parte inspirado por la afirmación "todas las fuerzas son una" de la filosofía natural, propone una conexión entre la electricidad y el magnetismo. Su trabajo es extendido casi inmediatamente y matematizado por André-Marie Ampère de Francia (por ejemplo, que dos cables de corriente se atraen o repelen). 
• 1820-1830 (el ferrocarril): Desarrollo de los primeros ferrocarriles basado en la energía del vapor en Gran Bretaña, Europa y los Estados Unidos. 
• 1827 (Movimiento browniano): El botánico inglés Robert Brown demuestra que pequeñas partículas (tanto orgánicas e inorgánicas) en suspensión líquida, se mueven en rutas al azar, tal vez debido a golpecitos por partículas mucho más pequeñas invisibles por todos lados. 
• 1831 (inducción electromagnética): Michael Faraday de Inglaterra muestra que un imán móvil, que crea un campo magnético cambiante en un punto en el espacio, puede generar una corriente eléctrica (por ejemplo, una barra de imán que se mueve a través de una bobina cerrada de alambre).
  1830s (el telégrafo): Desarrollo de telégrafos eléctricos por varios científicos, entre ellos Carl Friedrich Gauss y Wilhelm Weber en la Universidad de Gotinga (1833), William Fothergill Cooke y Charles Wheatstone en Gran Bretaña (1837), de trabajo y Samuel Morse y Alfred Vail en los Estados Unidos (1837). 
• 1840s (conservación de la energía): En 1842 Mayer, un médico alemán, propone el concepto de la conservación y la equivalencia de todas las formas de energía.
   Independientemente, experimentos de James Joule y análisis por William Thomson (posteriormente Lord Kelvin) en Inglaterra y el trabajo de Hermann von Helmholtz en Alemania a la cabeza de la década de 1840 a ideas similares.
• 1845 (el concepto de campo): Michael Faraday introduce el concepto de "campo" como una forma de explicar los fenómenos eléctricos y magnéticos.
  1850s-1870s (termodinámica): Desarrollo de la teoría cinética de gases, las leyes de la termodinámica, y la física estadística por Rudolf Clausius, William Thomson, James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann y otros. 
• 1851 (exposiciones mundiales): La gran exposición de las obras de industria de todas las naciones en Londres en el Palacio de Cristal se abre en 1851.
  Se inicia una tendencia de exposiciones mundiales populares, celebradas cada pocos años a lo largo de Europa y los Estados Unidos durante el siglo XIX y XX. Estas ferias y exposiciones, aunque impregnados con el nacionalismo, son a menudo la ocasión de conferencias internacionales sobre temas científicos, tecnológicos y otros. 
• 1860s (tabla periódica): Construida sobre el creciente aumento de acuerdo sobre pesos atómicos relativos y sobre variadas propuestas de periodicidad parcial de los elementos, Dimitri Mendeleiev construye la primera tabla periódica completa, dejando vacante lugares para elementos no descubiertos. 
• 1860-1870 (ecuaciones de Maxwell y naturaleza del EM de la luz): William Thomson y James Clerk Maxwell matematizan y extienden la noción de Faraday de un campo electromagnético, dando lugar a las leyes de Maxwell del electromagnetismo y la realización teórica de que luz era un fenómeno electromagnético (una onda). 
• 1860s-1870s (motor de combustión interna): Desarrollo de los primeros motores de combustión interna comercialmente viables por Nikolaus Otto, Gottlieb Daimler, Wilhelm Mayback, Dugald Clerk, Karl Benz y otros. 
• 1866 (cables de telégrafo): Primer cable telegráfico transatlántico acertado (fallidos intentos anteriores en 1857, 1858 y 1865). William Thomson es un participante clave. 
• 1869 (expansión de los ferrocarriles): Terminación del ferrocarril transcontinental en los Estados Unidos (símbolo de la gran expansión de los ferrocarriles por todo el mundo entre 1850 y 1900, que también impulsa esfuerzos para establecer zonas de tiempo uniformes.) 
• 1870s-1900s (reducción mecánica): Siguiendo el éxito de Maxwell, los físicos británicos intentan describir el campo electromagnético y fenómenos relacionados vía elaborados modelos mecánicos del éter.
  Este programa se convierte finalmente en un estilo único británico de hacer física; los franceses, que apreciaban la claridad de pensamiento, en comparación con el enfoque británico de una fea fábrica, aunque también practicaban métodos de reducir todos los fenómenos a fenómenos mecánicos o ecuaciones. 
• 1870s-1890s precisión y mediciones): Medidas precisas como la condición sine qua non de la física, como se ejemplifica en el desarrollo de un sistema de normas eléctricas y magnéticas (ohmios, voltios, amperios, etc.).
  Actitud de Albert Michelson es común: "las verdades futuras de las ciencias físicas deben ser buscadas en el sexto lugar de decimales" (1894). 
• 1870s-1890s (división del trabajo): Una división del trabajo en "físicos experimentales" y "físicos teóricos o matemáticos" empieza a ocurrir en la segunda mitad del siglo 19, aunque estos últimos generalmente tienen un estatus menor. 
• 1878-1882 (iluminación eléctrica): Desarrollo por Thomas Edison de la primera luz incandescente comercialmente viable y un sistema de distribución de energía eléctrica. 
• 1879 (nace Einstein): Albert Einstein nació el 14 de marzo de 1879 en Ulm, Alemania, sus padres Hermann y Pauline Einstein. 
• 1885-1889 (descubrimiento de las ondas de la EM y el efecto fotoeléctrico): Heinrich Hertz de Alemania demuestra experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas. En 1887 él también descubre el efecto fotoeléctrico. En los últimos años (antes de su muerte prematura en 1894 a la edad de 36 años) aclara las teorías y trabajos para desarrollar una física basada en el éter de Maxwell. 
• 1887 (Resultado nulo de Michelson-Morley): Usando una configuración que se aprovecharon de los efectos de interferencia de dos haces de luz (un interferómetro), Albert Michelson y Edward Morley anuncian que encontraron evidencia del efecto de un viento de éter en la velocidad de la luz. 
• 1889 (Contracción de FitzGerald): Basado en la teoría maxweliana, la obra de Oliver Heaviside en el campo eléctrico de una carga móvil de alta velocidad y la idea de que las fuerzas intermoleculares son electromagnéticas en naturaleza, George Francis FitzGerald propone que el movimiento de todos los cuerpos a través del éter causa una contracción a lo largo de la línea del movimiento, lo que explica el resultado nulo de Michelson y Morley. 
• 1890s (tracción eléctrica): Rápido desarrollo y despliegue de tranvías eléctricos para desplazamientos urbanos (previamente tirados por caballos). 
• 1890s (auge de la construcción física): Inicia la construcción y auge de laboratorios de física más grandes y mejor equipados, e institutos en universidades de Europa, Gran Bretaña y los Estados Unidos, principalmente debido al mayor número de estudiantes que desean seguir estudios técnicos.
  
  Las necesidades metrológicas de los gobiernos también estimulan la construcción de oficinas nacionales de estándares en Alemania (1887), Estados Unidos (1901) y Gran Bretaña (1905). Se establece una oficina internacional en Francia (1895). 
• 1890s (cosmovisión electromagnética): Algunos físicos, en particular Hendrik Antoon Lorentz, Henri Poincaré, Joseph Larmor y Walter Kaufmann, trabajan en la construcción de una teoría electromagnética de la materia que explicaría fenómenos mecánicos como electromagnéticos, basados en un éter electromagnético y electrones (ya sea como unidades fundamentales o partículas).
  
  La versión de Lorentz incluye el concepto de que las dimensiones de un electrón (una esfera cargada) se contrae a lo largo de la línea de su movimiento a altas velocidades (lo que explica el resultado nulo de Michelson-Morley). 
• 1895 (rayos-x): Experimentando con los rayos catódicos (originalmente descubiertos 1858), Wilhelm Conrad Röntgen descubre una radiación penetrante que él llama rayos-x. Publicación de fotografías de rayos-x causa una sensación. (Su identidad como radiación electromagnética en comparación con las partículas no se resolverá hasta 1912, cuando se demuestra que pueden ser difractados utilizando un enrejado cristalino.) 
• 1896 (radiactividad): Inspirado por una aparente conexión entre rayos x, fluorescencia y fosforescencia, Henri Becquerel descubre una sustancia que emite espontáneamente radiaciones.
  
  1902 Marie y Pierre Curie identifican el origen de las radiaciones como un nuevo elemento, el radio. Los tres reciben el segundo premio Nobel de física en 1903.
  (Marie Curie también recibe el Premio Nobel en química en 1911.) 
• 1897 (el electrón): La idea de un electrón había estado rondando en diversas formas por muchos años, como una unidad fundamental de carga (no necesariamente una partícula) que podría explicar varios fenómenos químicos y eléctricos (tales como las leyes de la electrolisis, las líneas espectrales y el efecto Zeeman, la separación magnética de las líneas espectrales, descubierta en 1896).
  
  Interés por la naturaleza de los rayos catódicos reapareció tras el descubrimiento de los rayos-x y el trabajo de cuatro hombres, Philipp Lenard, Emil Wiechert, Walter Kaufmann y Joseph John Thomson — finalmente demuestra que los rayos catódicos son corrientes de partículas con carga negativa, unos 2000 veces más ligeros que los átomos.
  Thomson propone que todos los átomos están construidos de estos "corpúsculos", que eventualmente llevan el nombre de "electrones" (primero propuestos en 1891 por George Johnstone Stoney). 
• 1896-1900 (Einstein en la Universidad): Einstein atiende al Politécnico Federal de Suiza en Zurich, Suiza, estudiando física. 
• 1900 (nubes en el horizonte): En sus conferencias de Baltimore de 1900, William Thomson señala que a pesar de los grandes avances en las últimas décadas hay dos nubes en el horizonte: la interacción de éter con la materia (por ejemplo, Michelson-Morley resultado nulo) y problemas con el concepto de la equipartición de la energía, especialmente su aplicación a la modelización de la distribución de energía en la luz irradiada por un sólido brillante ("radiación del cuerpo negro"). 
• 1900 (descripcionismo): los físicos de la vuelta del siglo vacilan en afirmar que la física tiene mucho que ver con la verdad absoluta, especialmente en foros públicos. En parte esto se debe al sentimiento anti-ciencia de los tiempos, que se relaciona con sentimientos que la tecnología está superando las capacidades humanas y que la civilización se encuentra en un estado de senescencia y declive, caracterizado por la degeneración física y espiritual. 
• 1900 (introducción de la cuántica): Max Planck construye una ley empírica correcta para la radiación del cuerpo negro y posteriormente es capaz de derivar utilizando un modelo estadístico del sólido como una población de osciladores eléctricos, además de la suposición de que el contenido de energía de un oscilador individual sólo puede ser un múltiplo integral de hf (un "quantum" de energía, donde f es la frecuencia de la vibración del oscilador y h es una constante). 
• 1900 (Demografía): Por 1900 hay aproximadamente 500-1000 académicos físicos en todo el mundo (el número es más alto si se cuentan asistentes y afiliados de investigación; si no, 500-600).
  De los 500-600, el Reino Unido, por ejemplo, tiene 76, extendido entre las 30 universidades y colegios; Francia tiene 53 entre 21 universidades/colegios; Alemania 77 en 21 universidades y otros 26 en Technische Hochschulen; y los Estados Unidos tiene 99 entre 21 universidades y colegios con programas importantes. (Pero tenga en cuenta que en estos números se omite otros haciendo principalmente física en otras posiciones académicas, tales como las matemáticas, mecánica, electrotécnica y físico-química).
  En cuanto a la población de estos países, son aproximadamente 3 físicos por millón de habitantes. (Hoy en los Estados Unidos, hay aproximadamente 9.000 físicos a tiempo completo facultades que proporcionan un grado, más probablemente un número más o menos similar de postdoctorados, más muchos más en universidades de dos años. Esto es  aproximadamente en el rango de 100 por millón de habitantes.)