El calor específico mide la respuesta de un sistema al variar su temperatura; en particular mide cómo cambia la energía interna del sistema.

C = \displaystyle{\frac{\partial E}{\partial T}}

Hemos hablado antes de estos temas pero hoy quiero hacer un ejemplo simple e ilustrativo.

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En hombros de gigantes

enero 27, 2018

Nunca resultará exagerado repetir lo importante que fue Isaac Newton para la ciencia y lo novedoso de todas sus investigaciones, algunas de las más importantes publicadas en los Principia. Sabemos que las matemáticas que aparecen en ese libro (el cálculo infinitesimal) las creó Newton para poder resolver el problema de las órbitas planetarias. Realmente pocos de los contemporáneos de Newton pudieron comprender cabalmente la teoría y sus implicaciones; fueron los pensadores de la siguiente generación los que realmente desarrollaron todas sus ideas y llevaron a la mecánica a su punto más alto… pero eso es otro cuento.

Lo cierto es que en la entrada anterior te hablé un poquito de la constante de Newton y resulta que Newton nunca definió lo que hoy llamamos su constante. Para entender lo que hizo, recordemos que la segunda ley aplicada al movimiento de los planetas es

ma = G\;\displaystyle{\frac{mM}{R^2}}

Hay tantas sutilezas en esa expresión… El lado izquierdo es la segunda ley: Fuerza igual a Masa por Aceleración (todo un prodigio intelectual), el lado derecho es la fuerza de gravedad (sí, otro prodigio). Por haber escrito cualquiera de los lados de esta ecuación habría pasado a la historia, y él escribió los dos… épico!

Hay más sutilezas pero debo parar, la entrada no puede ser infinita.  G  es la constante de gravitación de Newton, al resolver el problema aparece el símbolo, pero no conocía su valor. Así que pensó en darle la vuelta al problema y que puede ser mejor que un problema… pues otro problema!!!

Para el problema de la órbita lunar escribió

m_{luna}a_{luna} = G\;\displaystyle{\frac{m_{luna}M_{tierra}}{R_{luna}^2}}

y al simplificar y acomodar queda

a_{luna}R_{luna}^2 = GM_{tierra}

Luego, el otro problema que se planteó fue el de la famosa manzana y la apuesta era que la fuerza que hacía caer a la manzana era la misma que hacía orbitar a la luna (como ves el Newton era bastante arriesgado). Así que

m_{manzana}a_{manzana} = G\displaystyle{\frac{m_{manzana}M_{tierra}}{R_{tierra}^2}}

Acá utilizó el radio de la Tierra porque, para todos los efectos, la manzana está en la superficie terrestre. Simplificando de la misma manera anterior tenemos

a_{manzana}R_{tierra}^2 = GM_{tierra}

Ahora de seguro ves hacia dónde se dirige esto. Pues sí. Notas que ambas expresiones son iguales a  GM_{tierra} ,  de manera que Newton las igualó

a_{luna}R_{luna}^2 = a_{manzana}R_{tierra}^2

Newton conocía el período orbital de la Luna y con eso calculó  a_{luna} .  También conocía la distancia de la Tierra a la Luna y el radio de la Tierra; es decir conocía  R_{tierra}  y  R_{luna}. Así que buscó hacer una predicción

a_{manzana} = a_{tierra}\left(\displaystyle{\frac{R_{luna}^2}{R_{tierra}^2}}\right)

Newton había calculado su predicción (sin conocer el valor de la constante) y sabía exactamente dónde ir a verificar. Sabía que un gigante antes que él había realizado cuidadosos experimentos con la caída de los cuerpos; sabía que Galileo tenía su respuesta.

Imagino a Newton corriendo a la biblioteca a revisar los libros de Galileo para verificar que sus cálculos tenían la respuesta correcta (era muy hermosa la teoría para no ser cierta). Imagino la felicidad que sintió. Muy pocos han sentido algo comparable. Newton, en su isla le hacía justicia a un hombre que fue humillado y casi asesinado por pensar distinto… o tal vez simplemente por pensar.

La historia no deja de repetirse… y sin embargo, se mueve.

La Acción

septiembre 28, 2015

life_path_integral

Sabemos que el movimiento puede ser descrito por números. En concreto, si tenemos el vector de posición  \vec{r}  y el vector velocidad  \vec{v}  estos seis números (o funciones porque en general dependen del tiempo) describen completamente el movimiento de una partícula. Podemos decir que estos números al describir el movimiento, describen entonces el cambio: el movimiento es un tipo de cambio.

Cómo medir el cambio es una pregunta importante para la física y está claro que no existe una manera única de hacerlo. Desde que Newton puso la piedra fundamental al publicar los Principia, pasaron casi dos siglos para que los físicos se pusieran de acuerdo en cómo medir el cambio en un sistema. El nombre que le dieron a la cantidad física que mide el cambio fue Acción. De manera que los físicos al hablar de la Acción, hablamos del cambio en un sistema. Pero veamos la Acción más de cerca.

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Economía física

septiembre 22, 2015

fig1

A ver, en esta entrada no vamos a hablar de cómo los físicos vemos el tema económico; cosa que ya es de por sí muy interesante y en el cual se han hecho muchos avances. Hablaremos más bien de cómo un principio económico influencia a la física en su desarrollo más fundamental.

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Hace algunos posts conversábamos sobre el teorema del virial. Hoy veremos un resultado curioso que se desprende de este teorema: ¡los sistemas gravitacionales tienen calor específico negativo!

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Teorema del virial

abril 1, 2012

Mencionamos en una entrada previa el teorema del virial. Este es uno de esos resultados esotéricos de la física clásica que sólo unos pocos iluminados saben cómo utilizar con inteligencia (no me incluyo en ese selecto grupo). Lo desarrollaremos en una subrama de la física como lo es la astrofísica.

Cuando pensamos en el problema de muchos cuerpos, inmediatamente recurrimos a la mecánica estadística. Sin embargo las ideas convencionales de la mecánica estadística no funcionan con el problema de muchos cuerpos gravitacional debido a que la mecánica estadística convencional asume que la energía es una propiedad extensiva: si divides un gas en dos porciones, la energía total (en una buena aproximación) será la suma de las energías de las dos porciones. Pero si divides un cluster estelar o una galaxia en dos partes, la energía total no es la suma de ambas partes; la interacción gravitacional entre ambas partes suma una contribución importante que no puede despreciarse.

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A ver, esta pregunta me resulta complicada y sólo voy a escribir hasta donde he podido entender el asunto. A primera vista pareciera que sí, veamos porqué. Supongamos una nube de gas uniformemente distribuida, si es suficientemente grande, la interacción gravitacional hará su trabajo y el gas tenderá a colapsar. Esto es, comenzamos en un estado desordenado y terminamos en un estado donde las partículas de gas están restringidas a cierto volumen debido a la interacción gravitatoria… pareciera que la entropía en efecto disminuye.

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Todos, de alguna manera, hemos visto la segunda ley de Newton; bien sea en el colegio, en la universidad o hasta en el lenguaje cotidiano cuando hablamos de inercia o acción y reacción. La mecánica es una teoría marco, es la manera en que creemos se comportan los entes físicos. Recordemos que la segunda ley de Newton se escribe

\mathbf{F} = m\mathbf{a} = m\dfrac{d^2 \mathbf{x}}{dt^2} = m\mathbf{\ddot{x}}

fuerza igual a masa por aceleración; podemos conocer la masa de la partícula que estudiamos y usualmente queremos saber la posición  x, pero para eso necesitamos conocer quién es la fuerza  F . La mecánica no nos dice nada de la fuerza; lo único que dice la mecánica es ‘si usted conoce la fuerza, métala en esta ecuación y resuelva para x. Un aspecto interesante es que existen otras formas de plantearse el problema de Newton con igual éxito e incluso mejor. Hoy veremos una de ellas que es conocida como formalismo Lagrangiano, desarrollado como ya intuirán por el físico y matemático francés J. L. Lagrange hacia finales del siglo XVIII.

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Revisando el libro Teoría Cuántica y el Cisma en Física  de Karl Popper me he encontrado argumentos muy sólidos a favor de la interpretación realista de la mecánica cuántica. Hemos ya escrito algo sobre las interpretaciones de la mecánica cuántica y en particular este post  toca el tema. Todo fue servido en las discusiones entre Bohr (defensor de la postura ortodoxa) y Einstein (defensor del realismo). Pero veamos (y recordemos) cómo va la cosa.

Bohr (y su partido ortodoxo) defiende la interpretación donde el sujeto, o más bien la conciencia del sujeto, toma un papel importante. Esto es debido al principio de incertidumbre que pone una cota a lo que podemos medir (es decir conocer). Por el otro lado Einstein (y el partido realista) ven a las teorías como un medio no sólo de obtener resultados medibles, sino también como instrumento para conocer el universo y entenderlo. La visión ortodoxa, con su imposibilidad de conocer todo, da pie a una visión instrumentalista donde las teorías sirven para manipular un formalismo y hacer predicciones pero no para comprender (esta visión junto con la ortodoxa es la que se enseña en las universidades); de la acalorada discusión entre ambas visiones, los instrumentalistas defienden una suerte de agnosticismo.

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