En las lecturas de Feynman se ofrece una clase magistral sobre el funcionamiento del mundo. Es una visión del mundo de la física, un acercamiento a las leyes del universo.
Las notas están a medio camino entre el ensayo y el libro de texto, y combinan con maestría la descripción teórica con los ejemplos. Dentro de la descripción teórica, se describen las teorías, con rigurosidad matemática, pero sin entrar en una excesiva complejidad. Feynman intenta describir cada fórmula y expresar el sentido físico de la misma, explica el fenómeno, y a partir de él realiza la formulación matemática. Junto a descripción teórica se explican diferentes ejemplos que muestran las leyes físicas en acción, despertando la curiosidad y permitiendo interrelacionar los diferentes aspectos (mecánica, electromagnetismo, termodinámica) que rigen el comportamiento físico del universo.
En el primer tomo se hace un repaso general a la física clásica. Comenzando por una introducción, leyes del movimiento, mecánica newtoniana, relatividad especial, la radiación en sus diferentes versiones (geométrica, campos y cuántica), teoría cinética, termodinámica y ondas. Dejando electromagnetismo para el segundo volumen y la mecánica cuántica para el tercer volumen.
La forma de estructurar el libro es canónica, con capítulos con diferentes temas, y con pequeños apartados. Con bloques de capítulos dedicados a diferentes temas. Al principio de cada capítulo se resume el anterior y se da una visión general del mismo, y al final se recapitula lo expuesto. Los apartados son breves, discutiendo una fórmula, un aspecto físico o dando un ejemplo, si es necesario se recuerda algo expuesto en capítulos anteriores, se interconectan los diferentes fenómenos. Pero dentro de tener una estructura clásica los capítulos y apartados son magistrales, la estructura del libro es en si misma magistral.
Para alguien con estudios de física o ingeniería el nivel de dificultad no es elevado, y el libro se puede seguir de una manera amena. Las lecturas permiten recordar lo ya estudiado, aportando un punto de vista diferente, y la capacidad de conectar diferentes fenómenos. Así la analogía entre el oscilador mecánico y eleléctrico, la relación entre un oscilador y la radiación, y esta con la radiación de cuerpo negro, etc nos dan una visión completa de los fenómenos. Es un libro absolutamente magistral que ojala hubiese descubierto años antes!
INTRODUCTION (1-6)
La física serían las leyes que gobiernan el mundo. Esto es lo que pretendemos conocer, pero conocer las leyes no significa conocer el mundo, simplemente poder interpretarlo. La materia está hecha de átomos en continuo movimiento. Las leyes que nos rigen son aquellas de los átomos a gran escala. Así el movimiento de los átomos sería el calor o la temperatura, y explicaría la presión, disolución, difusión, evaporación, etc.
La física clásica sería la anterior a 1920 y la irrupción de la mecánica cuántica. En ella el universo se presentaría por partículas y fuerzas. Estaría compuesta por la mecánica newtoniana, electromagnetismo, óptica, química y relatividad especial. El electromagnetismo se presentaría como las ondas propiciadas por las cargas, similar a las ondas producidas en el agua por un objeto.
La llegada de la mecánica cuántica estableció la dualidad partícula onda o el principio de incertidumbre. El principio de incertidumbre es el responsable de la formación de los átomos, al dar niveles de energía a los electrones, e impedir que colapsen contra el núcleo.
La física proporciona el punto de partida para otras ciencias, es el equivalente moderno de la filosofía natural. La física moderna se podría considerar que comienza con Galileo, cuando intenta probar experimentalmente las teorías que había sobre movimiento. Gran parte de la física anterior se debía a los principios filosóficos de aristóteles o la escolástica y carecía de base experimental.
NEWTONIAN MECHANICS (7-14)
Kepler primero fórmulo las leyes de movimiento gravitatorio mediante sus tres leyes i) los planetas orbitan en elipses con el sol en uno de sus focos, ii) que los planetas barren áreas iguales en tiempos iguales, iii) que el cuadrado de los periodos es proporciona al cubo del semiaxes de la elipse. A su vez Galileo estudiaba el movimiento, y los sistemas inerciales. Posteriormente las leyes de Newton permitían derivar las leyes de Kepler.
Mediante las leyes de Newton y el cálculo diferencial es posible estudiar la órbita de los planetas o galaxias. También explicar las mareas, como la atracción de la luna y rotación terrestre, para ciclos de cuatro veces al día. Para estudiar la constante de gravitación universal se puede hacer estudiando la torsión de un cable, tal como hizo Cavendish.
Así se definen la velocidad o la aceleración y los conceptos de derivadas e integrales.. Hasta Galileo, y Newton, y el cálculo diferencial el movimiento era un misterio. Así están las paradojas de Zenón. Los griegos no comprendían que una infinitud de pasos infinitesimales puedan dar lugar a un resultado finito.
La primera ley de Newton es el principio de inercia de Galileo, la segunda que un cambio cambio de movimiento necesita una fuerza, la tercera que a toda acción equivale una reacción. Hay fuerzas fundamentales (gravedad, electromagneticmo) y hay fuerzas empíricas (fricción, dragging, fluidos). En las fórmulas empíricas se simplifican los diferentes efectos mediante fórmulas simples, sin embargo un análisis exhaustivo indica las limitaciones de estas fórmulas. Las fuerzas conservativas son aquellas en las que el trabajo en una curva cerrada es siempre cero, independientemente de la curva. En estos casos se puede definir una función potenial que indica la energía en cada punto.
RELATIVIDAD ESPECIAL (15-17)
Galileo con su teoría de la relatividad indicó que las leyes de la física son independientes del marco de referencia. Sin embargo, con la aparición de las leyes de Maxwell y la invariabilidad de la velocidad de la luz esto no estaba tan claro. Así pues, para mantener invariable la velocidad de la luz, habría que hacer el espacio y el tiempo relativos. Lo que llevaría también a una nueva formulación de masa y energía.
La relatividad de espacio y tiempo se puede demostrar con las transformaciones de Lorentz. El espacio se acorta en la dirección axial, mientras se mantiene en la dirección transversal.
Para las relaciones de momento y energía hay que incluir la masa relativista, de esta forma se conserva el momento. Y la energía sería la energía en reposo (masa) más el momento. Conforme aumenta el momento, aumenta la masa, y aumenta la inercia, tendiendo asintóticamente a c.
La variabilidad de la masa se puede demostrar por conservación de momento de dos partículas identicas en direcciones opuestas al chocar. Además cuando dos partículas con momento nulo chocan y se unen, la energía se ha de conservar, por lo que es necesario que la masa aumente.
Las relaciones entre momento y energía en dos sistemas de referencia son análogas a las transformaciones de Lorentz para espacio (momento) y tiempo (energía).
Ejemplos de la relatividad especial son el experimento de Michelson Morley, en el que no se observó variación c midiendo en las direcciones de movimiento y perpendiculares al movimiento terrestre. O la desintegración de una partícula en movimiento, e.g. un muón tendría un tiempo de vida muy corto en su sistema, pero al estar en movimiento a velocidades cercanas a c, para nosotros su tiempo de vida sería mucho mayor.
CLASSICAL MECHANICS (18-25)
En ausencia de fuerzas externas, el movimiento de un sólido rígido puede caracterizarse como el movimiento de su centro de masas más una rotación donde el eje pasa por el centro de masas. Un cuerpo en rotación experimenta la fuerza centrígua, y aceleración de coriolis. La conservación del momento angular da lugar al movimiento de los giroscopios.
Un oscilador armónico se estudia mediante ecuaciones diferenciales. Tenemos la rigidez, la inercia, y el rozamiento. Un oscilador sin rozamiento tiene una frecuencia característica, y con rozamiento tendrá una resonancia.
Es posible relacionar un oscilador mecánico con uno eléctrico. Donde el voltaje es la amplitud, la corriente la velocidad, R el término de rozamiento, C la rigidez y L la inercia rigidez del sistema. La computación analógica reproduciría sistemas mecánicos mediante el uso equivalente de circuitos eléctricos.
Las resonancias son típicas de sistemas lineales y están presentes en todos los aspectos de la naturaleza. Desde los péndulos, a las resonancias atómicas y nucleares. Los sistemas de ecuaciones diferenciales son fundamentales ya que la mayor parte de los problemas los podemos resolver con ellos (e.g. las ecuaciones de Maxwell, o oscilaciones alrededor de un punto).
ELECTROMAGNETIC RADIATION (26-38)
La radiación electromagnética se puede explicar de tres formas: óptica geométrica, campos electromagméticos o teoría cuántica. Así la luz tendría dualidad partícula (fotón) onda (electromagnética), caracterizada por la intensidad y longitud de onda. En función de longitud de onda tenemos las diferentes tipos de radiación (visible, ultravioleta, radio, rayos X etc).
La óptica geométrica se basa en el índice de refracción para el trazado rayos, y es válida cuando las longitudes del problema son mucho mayores que la longitud de onda. Así se establecen conceptos como la distancia focal (distancia a la que focaliza un haz paralelo), y se puede estudiar el diseño de lentes o espejos. Una versión más avanzada sería el principio de mínimo tiempo de Fermat. Según él la luz se movería según la trayectoria que minimiza el tiempo de propagación. Así la propagación de la luz en el agua sería similar a un socorrista que debe ir de la playa a un punto en el mar minimizando el tiempo total.
La teoría electromagnética fue desarrollada por Maxwell en 1860, y es un hito de la física al sintetizar la teoría eléctrica con la óptica. Otras síntesis serían el calor y la mecánica (teoría cinética de gases) o la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica.
El campo eléctrico es la suma del campo creado por una carga, que varía cuadráticamente con la distancia, más un término de retardo, más un término radiativo proporcional a la aceleración y que varía inversamente con la distancia.
En el caso de que la oscilación de la carga sea harmónica y menor que la longitud de onda tenemos un dipolo. Estos tienen radiación direccional. Si tenemos varias fuentes, se dan fenómenos de inferencia, que dependen de la distancia entre las fuentes y su desfase. Así es posible obtener patentes de interferencia, y emisiones más direccionales que sirven para estudiar la distancia entre los gratings, o lo que es lo mismo, la posición de los átomos.
El índice de refracción se produce por la excitación de los electrones de un material cuando es sometido a un campo (la luz). Las del material produce un campo adicional que induce un desfase con respecto a la fuente incidente, que originaría el índice de refracción. Si se considera un efecto de amortiguación en la resonancia de los electrones tenemos las frecuencias de resonancia, y la absorción de la luz.
El scattering de la luz depende de la longitud de onda. Al tener mayor dispersión el azul que el rojo, vemos el cielo azul, o los atardeceres rojos. La acumulación de partículas juntas hace que el scattering sea en fase, lo que hace que el scattering de gotas de agua sea mucho mayor que en moléculas sueltas. Es por ello que en las nubes, vemos desaparecer el azul.
La luz tiene el campo en el plano perpendicular a la propagación. Si la dirección tiene una forma esta esta polarizada. Los materiales pueden responder diferente a la polaridad de la luz. Por ejemplo si son critales o fibras alargados en una dirección responderán de manera no isotrópica, tratndo de manera diferente a la luz en una u otra dirección, materiales birefrigentes.
La reflexión también depende de la polarización. Si el haz incidente está polarizado en el plano de incidencia, y el haz reflejado y refractado forman 90º no habrá reflexión. De esta manera es posible conocer los coeficientes de reflexión y refracción en lo que serían las fórmulas de Fresnel.
La propagación del campo lleva una corrección temporal, el campo que observamos es el emitido en el tiempo -r/c. Esta corrección da lugar a un estrechamiento en el emitido por un oscilador con velocidad cercana a c, esto da lugar a picos de campo, y es el origen de la radiación sincrotrón.
El efecto Doppler se produciría por el corrimiento de frecuencia al observar un cuerpo en movimiento. Se da para la luz, pero también para el sonido.
La teoría cuántica nos dice que a nivel atómico el comportamiento es similar al de las ondas, siempre que no alteremos el comportamiento con una medida. Así electrones a través de una rendija tienen un patrón de onda, pero si se intenta observar visualmente se obtendría un patrón clásico, es decir los fotones de la medición visual habrían alterado la medida.
Una onda se puede definir como e^(i(ωt-kr)), en el caso de los fotones vector de onda (k) y frecuencia están relacionados por la velocidad de la luz, y en partículas generales por la longitud de onda de Broglie.
TEORÍA CINÉTICA GASES Y TERMODINÁMICA (39-46)
Mediante la combinación de la mecánica newtoniana con probabilidad se obtiene la teoría cinética de gases. Que explica el comportamiento asumiendo choques entre los atomos.
La ley de Boltzman indica la probabilidad de una partícula con una energía determinada es proporcional a exp(-E/kT). Lo que da la densidad de población para diferentes energías (potencial, cinética, vibracional).
La energía interna se incluye tanto la energía cinética cómo rotaciones y vibraciones, siendo PV=nRT=(γ-1)U. Por cada grado de libertad la energía promedio será E_x=1/2 kT. Para un gas monoatómico, U=3/2kT, para gas biatómicos la energía es U=7/2kT, siendo 3/2 la cinética, 2/2 de la rotacional, 1/2 la vibracional y 1/2 la potencial del oscilador.
El calor específico es la variación de energía interna con la temperatura. Aunque a bajas temperaturas varía ya que al haber niveles de energía cuantizados, la energía de vibración o la rotacional no llegan a aparecer.
En equilibrio térmico, se producen ruidos debido a las vibraciones. Así el ruido aporta tiene siempre una potencia al sistema, que proviene del equilibrio térmico. El equilibrio térmico también se da por radiación. Si se aplica teoría clásicas obtiene la ley de Raileigh, y da una energía de radiación infinita lo que era uno de los problemas fundamentales de la teoría cinética. Para solucionarlo es necesario asumir que la radiación sólo se emite en niveles discretos de energía. Así la energía promedio del oscilador no sería kT, si no ℏω/(e^(ℏω/kT)-1), obteniendo ley de radiación de Plank.
El movimiento browniano es similar al problema del caminante, con el cuadrado de la distancia variando con el tiempo. Así la teoría cinética se puede utilizar para estudiar el equilibrio y las tasas de cambio en fenómenos como evaporación, thermionic emision, ionización plasmas o reacciones químicas. En el caso de la radiación, Einstein estudió cual sería el equilibrio entre dos niveles excitados, asumió que se pasa de un estado a otro absorbiendo fotones, mediante emisión, y mediante emisión inducida. Al comparar con la ley de radiación de Planck obtiene que los fotones absorbidos tienen energía ΔE=ℏω. Es como si en el transitorio entre los dos niveles, el electrón entrara en resonancia y emitiese un fotón con frecuencia característica. La emisión inducida se da debido a que ayuda al electrón a entrar en resonancia.
Si en lugar de estudiar los fenómenos atómicos, se estudian las propiedades generales del sistema tenemos las leyes de la termodinámica. La primera lay es la conservación de energía. La segunda ley indica que la entropía del universo siempre aumenta. Definiendo la entropía como S=Q/T. Siendo la entropía una propiedad física de la sustancia. Así el calor debe ir de una temperatura caliente a una fría, o indica que para extraer trabajo en un ciclo es necesario que haya dos temperaturas, y se obtiene un rendimiento máximo(T2-T1)/T1. Y la tercera ley indicando que la entropía a temperatura cero es cero.
Mediante argumentos termomecánicos es posible obtener expresiones de manera equivalente a la teoría cinética, obteniendo la forma de la variación y no el valor exacto. Así es posible obtener la fórmula de ClasiusClapeiron para el equilibro vapor-liquido P=P_0 e^(-L/RT) , o que la radiación varía con la temperatura a la cuarta.
Feynman explica la imposibilidad de pasar calor de una fuente fría a una caliente con un experimento con un trinquete. Debido a las vibraciones térmicas hay intercambio en ambas direcciones y el trinquete funciona como un diodo, con una dirección preferencial, pero que funciona en las dos direcciones, llegando al equilibrio.
ONDAS (47-52)
El sonido se produce por variaciones adiabáticas de presión/densidad/desplazamiento en el sonido.
En el caso del transporte del sonido en ondas electromagnéticas, la onda se descompone en tres ondas, con la frecuencia de la onda portadora (ω_c), y con la distorsión en dos bandas ω_c+ω_m y ω_c-ω_m. Así se propaga la radio y la TV analógica.
Para la propagación de ondas hay que estudiar el efecto del tren de ondas. Así la velocidad de grupo, v_g=dω/dk, menor que la velocidad de propagación en el medio (luz o sonido), y la velocidad de fase (velocidad de cada cresta) v_p=ω/k, que puede ser mayor que la velocidad de luz o sonido.
Si una onda la confinamos en una caja, las soluciones son modos con k=πL/n. Cualquier solución es combinación de los modos. En cuántica los modos serían los posible estados.
Cuando un objeto va más rápido que la velocidad del sonido, se produce una onda de choque. Esto es así porque en la zona perturbadda la temperatura detrás es mayor, lo que da lugar a una velocidad del sonido mayor, acumulándose una presión en la onda de choque. El frente de la onda de choque es cónico, con un ángulo igual a la velocidad del objeto entre la velocidad del sonido. La onda de choque pasa con el sonido, o con la luz en medios con índice de refracción, y sería el origen de la radiación Cherenkov.
Las leyes de la física son simétricas (mecánica, electromagnetismo). La simetrías serían traslación en spacio y tiempo, rotación, sistema inercial (lorenzt), inversión tiempo o espacio, intercambio e partículas idénticas, fase cuánitca y cambio materia/antimateria. Un apartado donde no se descubrió simetría, es en la desitegración beta, donde los electrones tienen a tener spin en una dirección. Anque al estudiando en detalle, si se cambiase materia por antimateria, la simetría se seguiría dando.