Enorme chorro azul gigante

No es muy habitual poder ver una fotografía de un chorro gigante (gigantic jet) con esta claridad. Son básicamente rayos pero de un tamaño enorme, de entre 50 y 70 km de longitud, y contando de que este se ha formado en la cima de una nube debe de haber llegado a la parte baja de la ionosfera. Vía APOD. Clic para ampliar.

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Caída libre

Es un error muy común suponer que en la Estación Espacial Internacional (ISS), o en cualquier vehículo en órbita alrededor del planeta, hay ausencia de gravedad, pero en absoluto es así. Los 360 kilómetros de altura de su órbita no son suficientes para que la Tierra deje de ejercer su poderosa atracción. Pero en cambio en las imágenes que nos muestran de los astronautas y de las naves vemos perfectamente que hay ausencia de peso (microgravedad en termino técnico) ¿Cómo se aclara esto? La respuesta se llama caída libre, un termino que se usa como de pasada en el lenguaje periodístico actual sin aclarar mucho las cosas. Vamos a ver si lo remediamos.

Un objeto liberado cerca de la superficie de la Tierra caerá 4,9 metros en el primer segundo, es igual que pese un kilo que una tonelada. Y un objeto disparado horizontalmente también caerá los 4,9 metros no importa la velocidad que lleve, así una bala disparada podría recorrer en el primer segundo 700 metros horizontalmente pero seguiría cayendo los 4,9 metros. Pero ¿qué ocurriría si disparamos una bala a velocidad cada vez mayor? Si disparamos con velocidad suficiente, entonces después de haber recorrido los 4,9 metros puede estar precisamente a la misma altura del suelo que estaba antes. ¿Cómo puede ser eso? La bala sigue cayendo pero la Tierra se curva por debajo de modo que cae alrededor de ella, de ahí el termino empleado: caída libre y la velocidad necesaria para que suceda todo esto se denomina velocidad de escape que es unos 11 kilómetros por segundo. Esto es lo que pasa en los vehículos en órbita, “caen” todo el rato pero su gran velocidad hace que la curvatura de la Tierra sea apreciable y nunca llega a disminuir su altura. Técnicamente es lo mismo que un avión que realice un picado en la atmósfera, a nadie se le ocurriría decir que la gravedad a desaparecido, lo que ocurre es que el avión cae y da la sensación de que hay ingravidez.

Inspirado por Seis piezas fáciles de Richard P. Feynmam.

Higgs y Englert, Nobel de Física 2013 por su descubrimiento teórico del bosón

Los científicos François Englert y Peter W. Higgs han sido galardonados con el premio Nobel de Física 2013 por su descubrimiento teórico del bosón, una partícula clave para comprender el origen de la masa.

François Englert y Peter Higgs / CERN

La Real Academia Sueca de las Ciencias ha otorgado el premio Nobel de Física 2013 al científico belga François Englert (1932) y al británico Peter W. Higgs (1929) por su “descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a la comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas, y que  recientemente se confirmó a través del descubrimiento del la partícula fundamental predicha, en los experimentos ATLAS y CMS en el Centro Europeo de Física de Partículas (CERN)”.

“Estoy abrumado por recibir este premio y quiero agradecer a la Real Academia Sueca este galardón. También me gustaría felicitar a todos aquellos que han contribuido al descubrimiento de esta nueva partícula, y dar las gracias a mi familia, amigos y colegas por su apoyo. Espero que este reconocimiento de la ciencia fundamental sirva para ayudar a crear conciencia sobre el valor de la investigación”, ha destacado Peter Higgs en un breve comunicado publicado por la Universidad de Edimburgo, en Escocia.

Los trabajos pioneros de Higgs y de Englert –junto al físico Robert Brout, fallecido en 2011– establecieron en el año 1964 la base teórica de la existencia del bosón de Higgs, una partícula que los físicos trataron de encontrar durante décadas. Todos los esfuerzos fueron infructuosos debido a las enormes dificultades experimentales que conllevaba su detección precisa e inequívoca.

Sin embargo, en el año 2012, el bosón de Higgs fue finalmente identificado por los detectores ATLAS y CMS del CERN. Un hito histórico para toda la comunidad científica.

Esta partícula completa el modelo estándar, que describe los componentes fundamentales de la naturaleza. El bosón higgs es el responsable de que las partículas elementales posean masa.

“Estoy sorprendido porque el premio Nobel de este año haya ido para la física de partículas”,  ha declarado el director del CERN, Rolf Heuer. “El descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN en año pasado, que verifica el mecanismo Brout-Englert-Higgs, marca la culminación de décadas de esfuerzo intelectual de mucha gente de todo el mundo”.

Además este año 2013, François Englert y Peter W. Higgs, junto con el CERN, también han sido galardonados con el premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2013 por la formulación de la base teórica de la existencia del bosón de Higgs.

Los Premios Nobel de Física 2013

Peter Higgs (Newcastle upon Tyne-Reino Unido, 1929) estudió Física en el King’s College de la Universidad de Londres, donde se doctoró en 1954. Ese año se trasladó a la Universidad de Edimburgo, donde inició su labor docente e investigadora y, salvo un paréntesis de cuatro años en Londres, desarrolló toda su carrera, alcanzando la cátedra de Física Teórica en 1980. Desde 1996 es catedrático emérito de esta universidad. El estudio Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields, publicado en septiembre de 1964 en Physics Letters, junto al trabajo Broken Symmetries and the Masses of Gauge Boson que apareció un mes después en Physical Review Letters, son los artículos en los que Higgs expuso su teoría sobre la existencia del bosón escalar.

François Englert (Bruselas-Bélgica,1932) se licenció en Ciencias Físicas en la Universidad Libre de la capital belga en 1958 y se doctoró al año siguiente. Investigador asociado (1959-1960) y profesor asistente (1960-1961) en la Universidad de Cornell (EE.UU.), en 1961 empezó a enseñar en la Universidad Libre de Bruselas, donde también dirigió el Grupo de Física Teórica desde 1980. Desde 1998 es catedrático emérito y, en la actualidad, está vinculado con el Instituto de Estudios Cuánticos de la Universidad Chapman de California (EE UU). En agosto de 1964 publicó con Robert Brout el artículo Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons, en el que teorizaban el mecanismo de ruptura de simetría que implicaba la presencia de la partícula fundamental o bosón escalar.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

El LHC muestra en Barcelona los datos de sus tres primeros años de funcionamiento

Cerca de 1.750 billones de colisiones, unos 17 petabytes de información y el descubrimiento de un bosón de Higgs que cada vez se parece más al predicho por el modelo estándar de física de partículas. Son algunos de los resultados proporcionados por el LHC desde su puesta en marcha y que se acaban de presentar en la conferencia internacional LHCP 2013 en Barcelona.

Reconstrucción de un bosón de Higgs en el experimento CMS. / CERN

A medida que se analiza la nueva partícula elemental descubierta en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), más se parece al bosón de Higgs que predice la teoría. Esta es una de las principales conclusiones que se extraen de la Large Hadron Collider Physics Conference (LHCP 2013), un congreso internacional que reunió la semana pasada en Barcelona a 300 expertos mundiales en la física del mayor acelerador de partículas del mundo.

El congreso, que nace de la fusión de dos congresos con larga tradición, se establece como la conferencia de referencia para la física que se estudia en aceleradores de partículas como el LHC. Esta primera edición en Barcelona ha sido organizada por el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y contó con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN).

El LHC se encuentra actualmente en su primera parada técnica larga, sometido a operaciones de mantenimiento y actualización de algunos de sus componentes. En sus tres primeros años, el buen funcionamiento del acelerador del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) ha permitido a los experimentos ATLAS y CMS acumular gran cantidad de datos.

Los análisis presentados en esta conferencia han utilizado cuatro veces más datos que los utilizados para declarar el descubrimiento de la nueva partícula en julio de 2012, alrededor de 25 femtobarn inversos para cada uno de los grandes experimentos del LHC.

Las cifras acumuladas del LHC marean: de los 1.750 billones de eventos o colisiones producidos desde su inicio –marzo de 2010–, cada uno de los experimentos han seleccionado unos 17.000 millones de sucesos de interés para los científicos, lo que supone almacenar unos 17 petabytes en la red mundial de computación distribuida Grid para su posterior análisis.

En Barcelona se presentaron nuevos análisis de canales de desintegración del bosón de Higgs –modos en los que la partícula se desintegra en otras más estables–, importantes para reconstruir su producción en el LHC. Algunos de estos resultados fueron presentados por investigadores españoles presentes en las colaboraciones internacionales. Alrededor de 200 científicos de universidades y centros de investigación españoles participan en el LHC.

Estos análisis complementan a los mostrados en otras conferencias del área como la de Moriond el pasado mes de febrero. A medida que los científicos analizan mejor la nueva partícula descubierta, más se va pareciendo al bosón de Higgs que predice el Modelo Estándar de Física de Partículas, teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones.

Más allá del higgs

Pero el programa de investigación del LHC es mucho más que el bosón de Higgs. En la conferencia LHCP 2013 de Barcelona se presentaron nuevos resultados del programa de colisiones de iones pesados, que intenta recrear las condiciones de la materia instantes después del big bang, así como la búsqueda de nuevos territorios de la Física como partículas supersimétricas, la diferencia entre materia y antimateria o la física del quark top, el más pesado de los componentes del protón que los científicos utilizan como ‘pista’ para descubrir nueva física.

Para Mario Martínez, organizador de la LHCP 2013, “los resultados presentados han sido magníficos. El bosón de Higgs descubierto cada vez se parece más al del modelo estándar, aunque faltan más datos y tiempo para terminar su análisis. Seguimos buscando cualquier señal de nueva física que explique lo que queda por descubrir como, por ejemplo, si el Higgs viene solo, o cuál es la naturaleza de la materia oscura. Esperamos con mucho interés los datos que aportará el LHC en 2015 cuando doble la energía de las colisiones”.

El programa de la conferencia se completó con una charla pública  del profesor Tejinder Virdee, del Imperial College de Londres, en CosmoCaixa. Virdee conoció en Barcelona que ha sido uno de los galardonados con el premio del área de Física de Altas Energías y Física de Partículas de la European Physical Society (EPS), junto a Michel Della Negra y Peter Jenni, por su trabajo al liderar el comienzo de las colaboraciones ATLAS y CMS, merecedoras también del premio en esa categoría por el descubrimiento del bosón de Higgs.

El premio al físico joven experimental en física de partículas recayó en el español Diego Martinez Santos, por su papel en los análisis del experimento LHCb para hallar la primera evidencia de un tipo especial de desintegración de las partículas conocidas como mesones Bs.

La conferencia LHCP, que concluyó el sábado, “culmina un trabajo de casi dos años de preparativos”, señala Martínez, “y el que se haya organizado en Barcelona da una merecida visibilidad a la física de partículas en España”.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Un nuevo grafeno magnético puede revolucionar la electrónica

Investigadores del instituto Imdea-Nanociencia y las universidades Autónoma y Complutense de Madrid han logrado dotar al grafeno de propiedades magnéticas. El avance, que publica la revista Nature Physics, abre la puerta al desarrollo de dispositivos de grafeno espintrónicos, es decir, basados en el espín o giro del electrón, lo que puede transformar la industria electrónica.

Simulación computerizada de moléculas de TCNQ sobre la capa de grafeno, donde adquieren un orden magnético. / Imdea-Nanociencia

Los científicos ya sabían que el grafeno, un material increíble formado por una malla de hexágonos de carbono, presenta unas propiedades conductoras, mecánicas y ópticas extraordinarias. Ahora se le puede dotar de una más: el magnetismo, lo que supone todo un avance en electrónica.

Así lo demuestra el estudio que un equipo del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (Imdea-Nanociencia) y las universidades Autónoma y Complutense de Madrid acaba de publicar en la revista Nature Physics. Los investigadores han conseguido crear con este material una superficie híbrida que se comporta como un imán.

““A pesar del gran esfuerzo llevado a cabo hasta ahora por científicos de todo el mundo, no se encontraba la forma de añadir las funcionalidades magnéticas necesarias para el desarrollo de una espintrónica basada en grafeno, pero estos resultados abren la puerta a esa posibilidad”, destaca Rodolfo Miranda, director de Imdea-Nanociencia y responsable de la investigación.

La espintrónica se basa en la carga del electrón –como la electrónica tradicional– pero también en su espín. Este se puede imaginar como el sentido de giro de un electrón, lo que determina su momento magnético. Un material es magnético cuando la mayoría de sus electrones tienen el mismo espín.

Como el espín puede tomar dos valores, su uso añade dos estados más a la electrónica tradicional. De esta forma se multiplica tanto la velocidad de procesamiento de la información como la cantidad de datos que se pueden almacenar en los dispositivos electrónicos, con aplicaciones en campos  como las telecomunicaciones, la informática, la energía y la biomedicina.

Para poder desarrollar una espintrónica basada en grafeno, el reto era ‘hacer magnético’ a este material, y los investigadores madrileños han encontrado el camino al descender al mundo nanométrico y cuántico.

La técnica consiste en hacer crecer una capa de grafeno sobre un cristal metálico de rutenio dentro de una cámara de ultra alto vacío. Después, se evaporan encima moléculas orgánicas de tetraciano-p-quinodimetano (TCNQ), una sustancia gaseosa que actúa como un semiconductor a  bajas temperaturas.

Al observar los resultados con un potente microscopio de efecto túnel los científicos quedaron sorprendidos: las moléculas orgánicas se organizaban solas y se distribuían de forma periódica interactuando electrónicamente con el sustrato de grafeno-rutenio.

“Hemos comprobado experimentalmente que la estructura de moléculas de TCNQ adquiere sobre el grafeno un orden magnético de largo alcance –en toda la superficie– con electrones situados en diferentes bandas según su espín”, aclara Amadeo L. Vázquez de Parga, otro de los autores.

Gracias a estudios de modelización se ha comprobado que el grafeno favorece esa periodicidad magnética de las moléculas de TCNQ. Aunque no interactúa directamente con ellas, sí permite una transferencia de carga muy eficiente entre estas y el sustrato metálico.

El resultado es una nueva capa imantada basada en grafeno, lo que abre la posibilidad de crear dispositivos basados en el que ya se consideraba el material del futuro, pero que ahora, además, puede tener funcionalidades magnéticas.

Referencia bibliográfica:

Manuela Garnica, Daniele Stradi, Sara Barja, Fabian Calleja, Cristina Díaz, Manuel Alcamí, Nazario Martín, Amadeo L. Vázquez de Parga, Fernando Martín, Rodolfo Miranda. “Long-range magnetic order in a purely organic 2D layer adsorbed on epitaxial grapheme”. Nature Physics, 28 de abril de 2013. Doi:10.1038/nphys2610.

Manuela Garnica, autora principal de este artículo, está realizando su doctorado dentro del marco de colaboración entre Imdea-Nanociencia y la Universidad Autónoma de Madrid, uno de los pocos programas de postgrado del mundo enfocados al estudio del grafeno.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Richard P. Fleynman – Física basica (II)

La física antes de 1920

Es un poco difícil empezar de golpe con la visión actual, de modo que primero veremos como se veían las cosas alrededor de 1920 y luego sacaremos algunas cosas de dicha imagen. Antes de 1920, nuestra imagen del mundo era algo parecido a esto: el “escenario” en el que se representa el universo es el espacio tridimensional de la geometría, tal como es descrito por Euclides, y las cosas cambian en un medio llamado tiempo. Los elementos sobre el escenario son las partículas, por ejemplo los átomos, que tienen ciertas propiedades. En primer lugar, la propiedad de inercia: si una partícula se está moviendo continuara moviéndose en la misma dirección a menos que sobre ella actúen fuerzas. El segundo elemento, por lo tanto, son las fuerzas, que entonces se pensaba que eran de dos tipos: el primero, un enormemente complicado y detallado tipo de fuerza de interacción que mantenía los diferentes átomos en diferentes combinaciones de una forma complicada, que determinaba si la sal se disolvería más rápida o más lentamente cuando aumentamos la temperatura. La otra fuerza que se conocía era una interacción de largo alcance – una atracción suave y silenciosa – que variaba de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, y fue denominada gravitación esta ley era conocida y era muy simple. Lo que no se conocía, por supuesto, era por qué las cosas permanecen en movimiento cuando se están moviendo, o por qué existe una ley de gravitación.

Lo que aquí nos interesa es una descripción de la naturaleza. Desde este punto de vista, un gas, y en realidad toda la materia, es una infinidad de partículas en movimiento. Así, muchas de las cosas que vimos mientras permanecíamos de pie en la orilla del mar pueden ser relacionadas inmediatamente. Primero la presión: ésta procede de las colisiones de los átomos, si todos se están moviendo en una cierta dirección en promedio, es el viento; los movimientos aleatorios internos son el calor. Hay ondas de exceso de densidad, donde se han reunido demasiadas partículas y, por ello, cuando se separan precipitadamente empujan a montones de partículas situadas más lejos, y así sucesivamente. Esta onda en exceso de densidad es el sonido. Constituye un enorme logro que seamos capaces de comprender tanto. Algunas de estas cosas se describieron en el capitulo anterior.

¿Qué tipos de partículas existen? En esa época se consideraba que había 92: 92 tipos diferentes de átomos se descubrieron finalmente. Tenían nombres diferentes asociados a sus propiedades químicas.

La siguiente parte del problema era: ¿cuáles son la fuerzas de corto alcance? ¿Por qué el carbono atrae a un oxigeno o quizá dos oxígenos, pero no a tres oxígenos?¿ Cuál se el mecanismo de la interacción entre dos átomos? ¿Es la gravitación? La respuesta es no. La gravedad es demasiado débil. Pero imaginemos una fuerza análoga a la gravedad, que varíe de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, aunque enormemente más potente y con una diferencia: en la gravedad cada objeto atrae a todos los demás. Pero imaginemos ahora que existen dos tipos de “objetos”, y que esta nueva fuerza (que, por supuesto, es la fuerza eléctrica) tiene la propiedad de que los semejantes se repelen pero los diferentes se atraen. El “objeto” que porta esta interacción fuerte se denomina carga.

Entonces ¿qué es lo que tenemos? Supongamos que tenemos dos objetos diferentes que se atraen mutuamente, un más y un menos, y que están muy próximos. Supongamos que tenemos otra carga a cierta distancia ¿Sentiría alguna atracción? No sentiría prácticamente ninguna, porque si las dos primeras cargas tienen el mismo tamaño, la tracción de una y la repulsión de la otra se cancelan. Por lo tanto, hay una fuerza muy pequeña a distancias apreciables. Por el contrario, si nos acercamos mucho con la carga extra aparece una atracción, porque la repulsión de los iguales y la atracción de los diferentes hará que los diferentes se coloquen más próximos y los iguales se aparten. Entonces la repulsión será menor que la atracción. Esta es la razón de que los átomos, que están constituidos por cargas eléctricas más y menos, experimenten una fuerza muy pequeña (aparte de la gravedad) cuando están separados por una distancia apreciable. Cuando se acercan pueden “ver dentro” del otro y redistribuir sus cargas, con el resultado de que tienen una interacción muy fuerte. La base ultima de esta interacción entre átomos es eléctrica. Puesto que esta fuerza es tan enorme, todos lo más y todos los menos se unirán normalmente en una unión tan intima como sea posible. Todas las cosas, incluido nosotros mismos, tienen un granulado fino, con partes más y menos que interaccionan fuertemente, todas ellas globalmente compensadas. De cuando en cuando, por accidente, podemos robar algunos menos o algunos más (normalmente es más fácil robar menos), y en tales circunstancias encontramos la fuerza de la electricidad descompensada y podemos ver los efectos de estas atracciones eléctricas.

Para dar una idea de lo mucho más fuerte que es la electricidad respecto a la gravitación, consideremos dos granos de arena de un milímetro de diámetro, separados a una distancia de treinta metros. Si la fuerza entre ellos no estuviera compensada, si cualquier cosa atrajese a cualquier otra en lugar de repeler a los iguales, de modo que no hubiera cancelación, ¿qué intensidad tendría la fuerza? ¡Habría una fuerza de tres millones de toneladas entre los dos! Verán ustedes que basta con un exceso o un déficit muy pequeño del numero de cargas negativas o positivas para producir efectos eléctricos apreciables. Esta es, por supuesto, la razón de que ustedes no puedan ver la diferencia entre un objeto eléctricamente cargado y otro descargado: están implicadas tan pocas partículas que apenas supone diferencias en el peso o en el tamaño de objeto.

Con esta imagen, los átomos eran más fáciles de comprender. Se pensaba que los átomos tienen un “núcleo” en el centro, con carga eléctrica positiva y muy masivo, y el núcleo esta rodeado de cierto numero de “electrones”, que son muy ligeros y están cargados negativamente. Ahora avancemos un poco más en nuestra historia para comentar que en el propio núcleo se encontraron dos tipos de partículas, protones y neutrones, ambos muy pesados y casi de la misma masas. Los protones están eléctricamente cargados y los neutrones son neutros. Si tenemos un átomo con seis electrones (las partículas negativas en la materia ordinaria son todas electrones y son muy ligeras comparadas con los protones y los neutrones que constituyen los núcleos), seria el átomo numero seis en la tabla química, y se llama carbono. El átomo ocho se llama oxigeno, etc., porque las propiedades químicas dependen de los electrones en el exterior y, de hecho, solo de cuantos electrones hay. De este modo, las propiedades químicas de una sustancia dependen solo de un numero, el numero de electrones. (La lista entera de elementos químicos podría haber sido en realidad 1, 2, 3, 4, 5, etc. En lugar de decir “carbono”, podríamos decir “elemento seis”, entendiendo seis electrones, pero, por supuesto, cuando los elementos se descubrieron por primera vez no se sabia que podían ser numerados de esta forma y, además, hubiera hecho que todo pareciese muy complicado. Es mejor tener nombres y símbolos para estas cosas, más que llamar a todas las cosas por un numero.)

Muchas cosas se descubrieron acerca de la fuerza eléctrica. La interpretación natural de la interacción eléctrica es que dos objetos se atraen mutuamente: el más atrae al menos. Sin embargo, se descubrió que esta era una idea inadecuada para representarlo. Una representación más adecuada de la situación consiste en decir que la existencia de la carga positiva distorsiona o crea en cierto sentido una “condición” en el espacio, de modo que cuando en dicho espacio colocamos una carga, ésta siente una fuerza. Esta potencialidad para producir una fuerza se denomina campo eléctrico. Cuando colocamos un electrón en un campo eléctrico, decimos que es “atraído”. Tenemos entonces dos reglas: a) las cargas crean un campo, y b) las cargas situadas en los campos experimentan fuerzas y se mueven. La razón para esto se hará clara cuando discutamos los fenómenos siguientes: si cargamos eléctricamente un cuerpo, digamos un peine, y luego colocamos un pedazo de papel cargado a cierta distancia y movemos el peine de un lado a otro, el papel responderá apuntando siempre al peine. Si lo movemos más rápidamente, se verá que el papel se queda un poco rezagado, hay un retraso en la acción. (En la primera etapa, cuando movemos el peine lentamente, nos encontramos con una complicación que es el magnetismo. Las influencias magnéticas tienen que ver con cargas en movimiento relativo, de modo que las fuerzas eléctricas y las fuerzas magnéticas pueden atribuirse realmente a un mismo campo, como dos aspectos diferentes de exactamente la misma cosa. Un campo eléctrico variable no puede existir sin magnetismo.) Si alejamos más el papel cargado, el retraso es mayor. Entonces se observa algo interesante. Aunque las fuerzas entre dos objetos cargados deberían variar de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, cuando movemos una carga se encuentra que la influencia se extiende mucho más lejos de los podríamos conjeturar a primera vista. Esto es, el efecto decrece más lentamente que la inversa del cuadrado.

He aquí una analogía: si estamos en una piscina y existe un corcho flotando muy cerca, podemos moverlo “directamente” desplazando el agua con otro corcho. Si ustedes mirasen sólo los dos corchos, todo lo que verían seria que uno se movía inmediatamente en respuesta al movimiento del otro: hay algún tipo de “interacción” entre ellos. Por supuesto, lo que realmente hacemos es perturbar el “agua”; el agua perturba entonces el otro corcho. Podríamos construir una “ley” según la cual si ustedes desplazan el agua un poco, un objeto próximo en el agua se moverá. Si estuviese más lejos, por supuesto, el segundo corcho se movería menos, pues nosotros movemos el agua localmente. Por el contrario, si agitamos el corcho aparece un nuevo fenómeno: el movimiento del agua hace que se mueva el agua que hay más allá, etc., y se propagan ondas, de modo que, por agitación, hay una influencia mucho más lejana, una influencia oscilatoria, que no puede entenderse a partir de la interacción directa. Por consiguiente, la idea de interacción directa debe ser reemplazada por la existencia del agua, o en el caso eléctrico, por lo que denominamos el campo electromagnético.

Espectro electromagnético. Clic para ampliar

El campo electromagnético puede transportar ondas; algunas de estas ondas son luz, otras se utilizan en emisiones radiofónicas pero el nombre general es de ondas electromagnéticas. Estas ondas oscilantes pueden tener diversas frecuencias. La única cosa que es realmente diferente de una onda a otra es la frecuencia de oscilación. Si movemos una carga de un lado a otro cada vez con mayor rapidez y observamos los efectos, obtenemos toda una serie de tipos diferentes de efectos, todos los cuales quedan unificados al especificar solamente un numero, el numero de oscilaciones por segundo. La “toma de corriente” normal que sacamos de los circuitos eléctricos de las paredes de un edificio tiene una frecuencia del orden de 100 ciclos por segundo. Si aumentamos la frecuencia a 500 o 1.000 kilociclos (1 kilociclo = 1.000 ciclos) por segundo, estamos “en el aire”, pues este es el intervalo de frecuencias que se utiliza para las emisiones radiofónicas. (Por supuesto, ¡esto no tiene nada que ver con el aire! Podemos tener emisiones radiofónicas en ausencia de aire.) Si aumentamos de nuevo la frecuencia, entramos en el intervalo que se utiliza para FM y TV. Yendo aún más lejos, utilizamos ciertas ondas cortas, por ejemplo para radar. Aumentamos aún más la frecuencia y ya no necesitamos un instrumento para “ver” el material: podemos verlo con el ojo humano. En el rango de frecuencia entre 5 x 1014 y 5 x 1015 ciclos por segundo nuestros ojos vería la oscilación del peine cargado, si pudiéramos agitarlo con tanta rapidez, como luz roja, azul o violeta, dependiendo de la frecuencia. La frecuencias por debajo se denominan infrarrojas, y por encima del mismo, ultravioletas. El hecho de que podamos ver en un intervalo de frecuencias concreto no hace que esta parte del espectro electromagnético sea más impresionante que las otras partes desde el punto de vista de un físico, pero desde el punto de vista humano, por supuesto, sí es más interesante. Si subimos aún más alto en frecuencias, obtendremos rayos X. Los rayos X no son otra cosa que luz de frecuencia muy alta. Si vamos aún más arriba, obtenemos rayos gamma. Estos dos términos, rayos X y rayos gamma se utilizan casi como sinónimos. Normalmente los rayos electromagnéticos procedentes de los núcleos se denominan rayos gamma, mientras que aquellos de alta energía procedentes de átomos se denominan rayos X, pero a la misma frecuencia son físicamente indistinguibles, no importa cual sea su fuente. Si vamos a frecuencias aún más altas, digamos a 1024 ciclos por segundo, encontramos que podemos producir dichas ondas artificialmente, por ejemplo con el sincrotón que existe aquí en el Caltech. Podemos hallar ondas electromagnéticas con frecuencias enormemente altas – incluso con una oscilación mil veces más rápida – en las ondas encontradas en los rayos cósmicos. Estas ondas no pueden ser controladas por nosotros.

Richard P. Fleynman. Seis piezas fáciles. Originalmente publicado en 1963.

Más sobre el tema en Pasa la vida:

Richard P. Feynman – Física básica (I)

Richard Feynman (1918-1988)

Física básica

Las cosas que nos interesan en ciencia aparecen en múltiples formas y con muchos atributos. Por ejemplo, si estamos de pie en la costa y miramos el mar, vemos el agua, las olas, el aire, los vientos y las nubes, el sol, el cielo azul, y la luz; hay arena y hay roca de diversa dureza y permanencia, color y textura. Hay animales y algas, hambre y enfermedad, y el observador en la playa; incluso puede haber felicidad y pensamiento. Cualquier otro punto de la naturaleza presenta una variedad similar de cosas e influencias. Siempre hay la misma complejidad, independientemente de dónde esté. La curiosidad exige que planteemos preguntas, que tratemos de unir las cosas y de comprender esta multitud de aspectos como resultantes tal vez de la acción de un numero relativamente pequeño de cosas y fuerzas elementales que actúan en una infinita variedad de combinaciones.

Por ejemplo: ¿es la arena distinta de las rocas? Es decir, ¿es la arena algo más que un gran numero de piedras minúsculas? ¿Es la Luna una gran roca? Si entendiéramos las rocas, ¿entenderíamos también la arena y la Luna? ¿Es el viento el chapoteo del aire análogo al movimiento confuso y ruidoso del agua de mar? ¿Qué características comunes hay en movimientos diferentes? ¿Qué es común a los diferentes tipos de sonidos? ¿Cuántos colores diferentes existen? Y así sucesivamente. De esta forma tratamos de analizar poco a poco todas las cosas, unir cosas que a primera vista parecen diferentes, con la esperanza de que podamos ser capaces de reducir el numero de cosas diferentes y, por consiguiente, comprenderlas mejor.

Hace algunos cientos de años se concibió un método para encontrar respuestas parciales a tales preguntas. Observación, razonamiento y experimento constituyen lo que llamamos el método científico. Tendremos que limitarnos a una descripción desnuda de nuestra visión esencial de lo que a veces se denomina física fundamental, o las ideas fundamentales que han surgido de la aplicación del método científico.

¿Qué entendemos por “comprender” algo? Imaginemos que esta serie complicada de objetos en movimiento que constituyen “el mundo” es algo parecido a una gran partida de ajedrez jugada por dioses, y que nosotros somos observadores del juego. Nosotros no sabemos cuáles son las reglas del juego; todo lo que se nos permite hacer es observar las jugadas. Por supuesto, si observamos durante el tiempo suficiente podríamos llegar a captar finalmente algunas de las reglas. Las reglas del juego son lo que entendemos por física fundamental. No obstante, quizá ni siquiera conociendo todas las reglas seriamos capaces de entender por qué se ha hecho un movimiento particular en el juego, por la sencilla razón de que es demasiado complicado y nuestras mentes son limitadas. Si ustedes juegan al ajedrez sabrán que es fácil aprender todas las reglas y, pese a todo, es a menudo muy difícil seleccionar el mejor movimiento o entender por qué un jugador ha hecho la jugada que ha hecho. Así sucede en la naturaleza, solo que mucho más; pero al menos podemos ser capaces de encontrar todas las reglas. Realmente no tenemos ahora todas las reglas (De tanto en tanto sucede algo, como un enroque, que aún no entendemos) Aparte de no conocer todas las reglas, lo que realmente podemos explicar en términos de dichas reglas es muy limitado, porque casi todas las situaciones son tan enormemente complicadas que no podemos seguir las jugadas siguiendo las reglas y mucho menos decir lo que va a suceder a continuación debemos, por lo tanto limitarnos a la cuestión más básica de las reglas del juego. Si conocemos las reglas, consideramos que “entendemos” el mundo.

¿Cómo podemos decir que las reglas del juego que “conjeturamos” son realmente correctas si no podemos analizar muy bien el juego? Hablando en términos generales, hay tres maneras de hacerlo. Primero, puede haber situaciones donde la naturaleza se las ha arreglado, o nosotros hemos arreglado a la naturaleza, para ser simple y tener tan pocas partes que podamos predecir exactamente lo que va a suceder, y en consecuencia podamos comprobar como trabajan nuestras reglas. (En una esquina del tablero puede haber sólo algunas piezas de ajedrez en acción, y eso lo podemos entender perfectamente.)

Una buena segunda manera de comprobar las reglas es hacerlo a partir de reglas menos especificas derivadas de las primeras. Por ejemplo, la regla del movimiento del alfil en un tablero de ajedrez consiste en que se mueve solo en diagonal. Uno puede deducir, independientemente de cuantos movimientos puedan hacerse, que un alfil determinado estará siempre en la casilla blanca. De este modo, aun sin ser capaces de seguir todos los detalles, siempre podemos comprobar nuestra idea sobre el movimiento del alfil mirando si esta siempre en una casilla blanca. Por supuesto, lo estará durante mucho tiempo, hasta que de repente encontramos que está en una casilla negra (lo que sucedió, por supuesto, es que mientras tanto el alfil fue capturado, y además un peón coronó y se convirtió en alfil en una casilla negra). Esto mismo pasa en física. Durante mucho tiempo tendremos una regla que trabaja de forma excelente en general, incluso si no podemos seguir los detalles, y luego podemos descubrir en algún momento una nueva regla. Desde el punto de vista de la física básica, los fenómenos más interesantes están por supuesto en los nuevos lugares, los lugares donde las reglas no funcionan, ¡no en los lugares donde si funcionan! Así es como descubrimos nuevas reglas.

La tercera manera de decir si nuestras ideas son correctas es relativamente burda pero probablemente es la más poderosa de todas ellas: por aproximación. Aunque quizá no seamos capaces de decir por qué Alekhine mueve esta pieza concreta, quizá podamos comprender en un sentido muy amplio que esta reuniendo sus piezas alrededor del rey para protegerlo, más o menos, puesto que es lo más razonable que se puede hacer en las circunstancias dadas. De la misma forma, a veces podemos entender la naturaleza, más o menos, sin ser capaces de ver qué está haciendo cada pieza menor en términos de nuestra comprensión de juego.

Al principio, los fenómenos de la naturaleza fueron divididos de forma muy general en categorías como calor, electricidad, mecánica, magnetismo, propiedades de las sustancias, fenómenos químicos, luz u óptica, rayos X, física nuclear, gravitación, fenómenos mesónicos, etc. Sin embargo, el objetivo es ver toda la naturaleza como aspectos diferentes de un conjunto de fenómenos. Este es el problema con que se encuentra actualmente la física teórica básica: encontrar las leyes que hay tras el experimento; amalgamar estas categorías. Hasta ahora siempre hemos sido capaces de amalgamarlas pero con el paso del tiempo se encuentran cosas nuevas. Estábamos amalgamando muy bien cuando, de repente, se descubrieron los rayos X. Luego amalgamamos algo más, y se descubrieron los mesones. Por lo tanto, en cualquier fase del juego, éste siempre parece bastante confuso. Se ha amalgamado mucho, pero siempre hay muchos cables o hilos sueltos en todas direcciones. Esta es la situación actual que vamos a tratar de describir.

Algunos ejemplos históricos de amalgamación son los siguientes. Consideremos, en primer lugar, el calor y la mecánica. Cuando los átomos están en movimiento, cuanto mayor es el movimiento más calor contiene el sistema, y por ello el calor y todos los efectos de la temperatura pueden ser representados por las leyes de la mecánica. Otra amalgamación enorme fue el descubrimiento de la relación entre la electricidad, el magnetismo y la luz, que se demostraron como aspectos diferentes de un mismo objeto, que hoy llamamos el campo electromagnético. Otra amalgamación es la unificación de los fenómenos químicos, las diversas propiedades de las diversas sustancias y el comportamiento de las partículas atómicas, que se da en la mecánica cuántica de la química.

Por supuesto, la cuestión es: ¿será posible amalgamarlo todo y descubrir que este mundo representa aspectos diferentes de una cosa? Nadie lo sabe. Todo lo que sabemos es que a medida que seguimos adelante descubrimos que podemos amalgamar piezas, y luego encontramos algunas piezas que no encajan con las otras y seguimos tratando de componer el rompecabezas. La cuestión de si hay o no un numero finito de piezas, o incluso de si hay o no un limite para el rompecabezas, es por supuesto una incógnita. Nunca se sabrá hasta que terminemos el cuadro, si lo hacemos alguna vez. Lo que queremos hacer aquí es ver hasta qué punto se ha llegado en este proceso de unificación, y cuál es la situación actual en la comprensión de los fenómenos físicos en términos del menor conjunto de principios. Para expresarlo de un modo simple, ¿de que están hechas las cosas y cuantos elementos existen?

Richard P. Fleynman. Seis piezas fáciles. Originalmente publicado en 1963.