La ciencia es cosa de chicas

Se ha armado un revuelo bastante gordo en torno al anuncio y a la web de la UE para promocionar las vocaciones científico técnicas entre las adolescentes. Algunos de mis blogs de referencia  (Amazings, Cuentos cuánticos,... ) han recogido duras y bien argumentadas criticas a la campaña. Por si no habéis visto el anuncio, aquí lo tenéis:

Vaya por delante que A MI el anuncio no me ha gustado y que comparto muchas de las críticas que he leído, pero voy a hacer de abogado del diablo.

Que no me guste no quiere decir que no funcione. El histórico anuncio de "¿y si le cambio su bote de Colón por dos de otra marca?" siempre me pareció estúpido, pero al parecer funcionaba. Hay que tener en cuenta que no somos el público objetivo del anuncio, lo son chicas adolescentes que tienen que decidir qué estudiar dentro de uno o dos años y, si bien es cierto que la imagen del anuncio no se ajusta a la realidad (ni creo que lo pretenda), tampoco se ajusta a la realidad la imagen que de la actividad científica tiene la sociedad que imagina muchas veces a los investigadores (mujeres y hombres) como inadaptados sin vida social que viven con un constante descuido de su apariencia física, de su alimentación e incluso de su familia.

En resumen, yo no habría hecho nunca ese anuncio, pero no creo que sea para tanto. Puede que el tomarnos a nosotros mismos y a nuestro trabajo tan en serio sea una de las razones por las que no "enganchamos" con el gran público. Siempre he creído que el mayor empujón para las vocaciones científicas sería una serie de éxito al estilo de "Anatomía de Grey" sobre un centro de investigación y sus movidas internas de todo tipo (no creo que nadie que conozca uno por dentro crea que no habría material, todos hemos visto cosas que el resto no creeríais...).

Asumo todas las críticas, pero sobre todo me interesarán las de chicas adolescentes interesadas en la ciencia.

Hoy no he hecho huelga

La verdad es que desconozco el contenido de la reforma laboral, aparte de las declaraciones apocalípticas de los sindicatos, tan habituales que tiendo a no hacerles demasiado caso. Personalmente otorgo a los sindicatos una credibilidad similar a los políticos, probablemente algo menor. No tengo que excusarme delante de nadie por no hacer huelga, pero si que quiero hacer una breve reflexión relacionada con la huelga y sus causas.

• Parece haber unanimidad en que la reforma supone un recorte de derechos adquiridos por los trabajadores. Mi pregunta es ¿cómo eran y como han quedado esos derechos comparados con el resto de Europa? Si estábamos por encima era esperable un recorte, si ahora hemos quedado por debajo tendríamos que preguntar por qué y si es coyuntural, para capear la crisis, o definitivo.
• Estoy cansado de oir que esta y otras reformas ponen en riesgo el estado de bienestar. A estas alturas a mi me ha quedado claro que el estado de bienestar era mentira porque no teníamos dinero con qué pagarlo. Se mantenía a base empufarnos con créditos, que es precisamente por lo que ahora estamos donde estamos. Tengo ganas de que los políticos lo digan de una vez alto y claro y nos pregunten qué es lo que queremos salvar de los recortes, porque me temo que no va a haber forma de salvarlo todo.
• Otra pregunta que me ronda desde hace tiempo es por qué los sindicatos o los políticos no han planteado todavía la posibilidad de compartir el trabajo como mecanismo de luchar contra el paro. Si no hay trabajo para todos creo que tiene sentido tratar, en la medida de lo posible, de compartir el que hay. Evidentemente compartir el trabajo significa compartir el sueldo, pero deja más tiempo para la conciliación, que era un derecho por desarrollar. ¿Por qué no aprovechar la buena coyuntura?
• Si el seguimiento de la huelga supera el 50% eso quiere decir que hay huelguistas que votaron al PP en las elecciones. ¿De verdad les ha sorprendido la reforma? Admito que se me puede acusar de la misma incongruencia, yo no les voté y hoy no he hecho huelga.

Vaya de nuevo en mi despedida mi más sincero desprecio por los sindicatos, a los que considero trasnochados, corruptos e inoperantes, que solo vociferan para mejorar la vida de los funcionarios y los trabajadores de las grandes plantillas que los financian con sus coutas sindicales. Espero que me perdonen los sindicalistas honestos, que seguro que los habrá.

Choques elásticos II

Como no he recibido millones de comentarios felicitándome por lo espectacular y exitoso de los experimentos, deduzco que el anterior mensaje no ha interesado a nadie. Pero eso no quita para que quiera explicarselo a todos los que no me leen hoy pero me leerán en el futuro.

Básicamente lo que hace rebotar a la pelota de tenis hasta bastante más arriba de la altura inicial es el choque contra el balón de baloncesto que, a diferencia del suelo, es un objeto en movimiento. Para simplificar la explicación vamos a suponer que la masa de la pelota de tenis es mucho más pequeña que la del balon de baloncesto (si queréis podeis repetir el experimento con una canica o un rodamiento, pero apartad la cara, que no quiero denuncias) y que los choques son elásticos, esto es, que no se pierde velocidad (energía en realidad) en los mismos. En ese caso, las condiciones antes y despues del choque son las de la siguiente figura.

 

Antes del choque (imagen de la izquierda) podemos suponer que el balon de balooncesto ya ha rebotado en el suelo con lo que está subiendo con velocidad v, igual a la que todavía cae la pelota si suponemos que el balón no pierde energía en el rebote con el suelo (falso) y que balón y pelota caían de la misma altura inicial (falso también). Diréis que si todo es falso no vale para nada lo que estoy contando. Nada más lejos de la realidad, en ciencia es mejor simplificar un problema quitando los detalles innecesarios para llegar a entender así el núcleo de los fenómenos. Si metemos todos los detalles podemos reproducir la realidad pero difícilmente llegaremos a entenderla (la frase no es mía, pero eso no la hace menos cierta).


Una vez entendida la imagen de la izquierda, a ver si puedo explicaros la de la derecha. Para ello, vamos a hacer otra cosa habitual en ciencia, cambiar el punto de observación (el sistema de referencia) para estudiar un mismo fenómeno. ¿Cómo ve el mismo choque el balón de baloncesto? Desde el punto de vista del balón de baloncesto durante el experimento solo se mueve la pelota según el siguiente gráfico.

El balón ve bajar la pelota a velocidad 2v (figura de la izquierda, recordad que el balón se mueve hacia arriba y por lo tanto le parece que la pelota viene al doble de velocidad) y, tras el choque elástico (figura de la derecha), la pelota rebotará hacia arriba con la misma velocidad, esto es, 2v respecto al balón o 3v respecto al suelo, como habíamos visto en la primera figura. Por lo tanto, tras el choque con el balón la pelota multiplica su velocidad por 3 lo que, en condiciones ideales, le permitiría subir a 9 veces la altura inicial (la altura escala con el cuadrado de la velocidad). En los experimentos nos quedaremos siempre muy lejos de ese factor 9 porque recordad que estamos despreciando la masa de la pelota y las perdidas de energía en los rebotes.


Conviene aclarar de dónde sale la energía extra de la pelota. Esa energía adicional para ganar velocidad y subir más alto se la roba al balón, lo que ocurre es que, si la masa del balón es mucho más grande que la de la pelota, la pérdida es inapreciable para el balón.


Este proceso, que puede parecer una curiosidad intrascendente, es el mismo que utilizaron las sondas Voyager para ganar velocidad e ir más allá de nuestro sistema solar. Se definió su trayectoria para que la sonda (pelota de tenis) llegara a cada planeta que visitaba (balón de baloncesto) con velocidad en sentido opuesto a la del planeta. Tras realizar una órbita alrededor del mismo (equivalente al choque) la sonda había añadido a su velocidad inicial 2 veces la velocidad del planeta en su órbita. Y el planeta, en su inmensidad inconsciente, ni se enteraba de que le estaban robando la cartera.

PS: El desconocimiento de este mecanismo tan sencillo fue el origen de una metedura de pata en mi entrevista para la beca de doctorado del GV. Quizá por eso me gusta tanto contarlo.

Choques elásticos

El otro día tuve la suerte de participar en el encuentro vidas científicas que se celebró en el Eureka! Zientzia Museoa de San Sebastián. En mi breve intervención de 5 minutos traté de mostrar que la ciencia es divertida y que la hace gente normal, no frikis inadaptados superinteligentes. Terminaba mi exposición con un sencillo experimento que pretendía demostrar que con la ciencia se puede llegar más alto que sin ella.

Os propongo realizar el experimento vosotros mismos. Necesitáis una pelota de tenis y un balon de baloncesto. El objetivo es hacerlos botar lo más alto posible soltándolos en reposo desde una altura dada. Debido a la perdida de energía en el choque contra el suelo, tanto el balón como la pelota rebotan hasta poco más de la mitad de la altura de la que se suelten. Sin embargo es posible superar sobradamente la altura inicial en el rebote. ¿Imposible? Compruébalo tú mismo.

Para ello deja caer a la vez la pelota de tenis y el balon, colocando la pelota de tenis apoyada en la parte superior del balón. Centradla bien y apartad la cara si no queréis sufrir un accidente. Probadlo que es digno de experimentarse.

En mi próximo mensaje explicaré cómo ocurre, demostraré que en condiciones óptimas la altura alcanzada sería 9 veces la inicial y cómo se utiliza el mismo principio para acelerar sondas espaciales.

Buen fin de semana.

Física cuántica sin operadores hermíticos (I)

Cuando uno menciona la física cuántica como explicación de algún fenómeno en general la audiencia responde con respetuoso interés y silencio. Y es que lo cuántico despierta interés, suena a frontera entre la ciencia y el más allá, a una puerta que enlaza el mundo normal con lo paranormal, a una ciencia que trasciende más allá de la realidad. Paparruchas.

Además, tiene una patina de dificultad que la hace admirable. Recuerdo que en mi libro de filosofía de tercero de BUP se decía que no todas las personas están capacitadas para entender la mecánica matricial en la que se basa la física cuántica (o algo así). Chorradas.

La física cuántica hace referencia a cosas tan reales como la física clásica, el problema es que la realidad no es como uno espera que sea. Así es la ciencia, los experimentos no tienen por qué seguir nuestros gustos y concepciones previas. Además, es relativamente fácil utilizar la física cuántica para hacer predicciones, lo difícil es, una vez más, encajar los resultados en nuestra manera de entender la realidad. Esa es la dificultad que le llevó a decir a Richard Feynman, premio Nobel de Física "Pienso que se puede afirmar tranquilamente que nadie entiende la mecánica cuántica". Probablemente no la entendemos, pero os aseguro que podemos hacer maravillas con ella.

En este post (y en otros posteriores) pretendo explicar algunos conceptos básicos de la física cuántica sin (demasiado) rigor pero tratando de transmitir de la forma más simple posible lo que yo he llegado a entender después de trabajar un poquito con ello. Hoy empezaremos haciendo un poco de historia para saber por qué fue necesario descubrir la física cuántica.

Los nubarrones de Lord Kelvin

A finales del siglo XIX la física se consideraba una rama del conocimiento a punto de cerrarse (¡ilusos!). Después de que Newton pusiera orden a la mecánica y Maxwell a la electricidad y al magnetismo parecía que poco quedaba por hacer aparte de repetir los cálculos con más cifras decimales.

En palabras de Lord Kelvin (el de los grados Kelvin) la física estaba completa salvo un par de nubarrones por despejar: el problema del éter y el del calor específico de los sólidos. Del problema del éter y su solución hablaré otro día si puedo y me atrevo. Baste decir que los solucionó Einstein con la teoría de la relatividad, con lo que el nubarrón resultó ser un huracán en toda regla que quitó la exclusiva a Galileo y a Newton . El problema del calor específico de los sólidos se solucionó gracias a la mecánica cuántica (vamos, que fue otro huracán), pero como es un poco más técnico voy a utilizar otro nubarrón que no menciono Kelvin pero que traía de cabeza a Planck: la radiación del cuerpo negro.

Analicemos la frase: "Radiación..."

Hay diferentes tipos de radiación que tienen en común, entre otras cosas, que la gente se asusta cuando las mencionas. De forma sencilla podríamos decir que son formas invisibles de transmitir energía. La que me interesa ahora es la radiación electromagnética.

Esta radiación en particular son olas (ondas) de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, como las de la radio pero de todas las frecuencias que podáis imaginar. Las ondas electromagnéticas de todas las frecuencias posibles forman lo que se conoce como el "espectro electromagnético" en el que, resumiendo, tenemos (ordenado de menor a mayor frecuencia):

•     Ondas de radio
•     Microondas
•     Infrarrojos
•     Luz visible (desde el rojo al violeta)
•     Ultravioleta
•     Rayos X
•     Rayos gamma

Hay que insistir en que todo es lo mismo, olas del campo electromagnético, la diferencia es que las olas para las ondas de radio llegan muy separadas y para los rayos gamma muy juntas. Por cierto, todas ellas viajan a la misma velocidad, la velocidad de la luz.

"... del cuerpo negro"

Un cuerpo negro, en física, es un objeto que no refleja nada de la radiación que le llega. Por esa razón podemos estar seguros que la radiación que nos llega procedente de él ha sido emitida por él mismo y no está contaminada por radiación reflejada que procede de otros objetos. Al atardecer todo parece rojizo porque los objetos reflejan luz con esa tonalidad procedente del sol. Si queremos estudiar cómo es la radiación que emite un cuerpo lo mejor es un cuerpo negro para estar seguros de que estamos midiendo lo correcto.

Todos los cuerpos emiten radiación

En efecto, si quieres un mundo libre de radiaciones, empieza por ti mismo querido lector y hazte desaparecer. Cualquier cuerpo con temperatura distinta del cero absoluto (aproximadamente -273 ºC) está emitiendo radiación electromagnética. A temperaturas habituales esa radiación es infrarroja e invisible, pero la podemos sentir cuando acercamos la mano a un objeto caliente o la podemos ver poniéndonos unas gafas de visión nocturna que hacen visible el infrarojo (¿os acordáis de la peli "Depredador"? El alienígena ve el infrarrojo, por eso Swartzenegger se cubre de barro frío para ocultar el calor de su cuerpo). Si calentamos más, podemos tener radiación de mayor frecuencia que se haga visible (al calentar mucho un metal se pone al "rojo vivo" y emite luz). Y el sol, como está realmente caliente (unos 6000 ºC en la superficie y 10 millones en el interior) emite incluso radiación ultravioleta de mucha mayor frecuencia.

A principios del siglo XX ya sabían esto y, además, sabían que la distribución de dicha radiación para un cuerpo negro dependía únicamente de la temperatura a la que estuviera el cuerpo en cuestión, no de la naturaleza del mismo o de su composición; se trataba de un patrón universal. Planck trataba de entender por qué ese patrón era como era. El caso es que usar la física conocida hasta entonces daba lugar a un "pequeño" problema: la física clásica predecía que, sumando todas las frecuencias posibles de radiación, cualquier cuerpo con temperatura diferente de cero tenía que emitir infinita energía . Planck sabía que no era así porque nadie ha muerto abrasado por la radiación emitida por un cubito de hielo o cualquier otro objeto tan frío como queráis imaginar. El problema era conocido como la "Catástrofe ultravioleta".

El origen "matemático" del problema era, más o menos, que como todas las radiaciones son posibles y son infinitas, aunque se emita muy poco en cada una, la radiación total emitida siempre saldrá infinita. (¿No os lo creéis? ¿Sabéis cuánto vale la suma de la serie armónica 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + 1/5 + ...? Pues el resultado es infinito, si no me creéis a mi, preguntádselo a Wikipedia).

Paquetes de energía o "cuantos"

En un acto de desesperación (como él mismo reconoció) a Planck se le ocurrió una solución. Si fuera imposible emitir la energía en cantidades infinitamente pequeñas, si hubiera que emitirla por paquetes de energía (a los que llamó cuantos de energía), entonces algunos tipos de radiación (los que requirieran paquetes más grandes) no se emitirían porque no habría energía suficiente para completar un paquete que pudiera ser emitido.

Si  f  era la frecuencia de la radiación, (el número de olas que pasan por segundo por un determinado punto) Planck no se complicó la vida y propuso que la energía de un paquete de radiación (cuanto) de esa frecuencia sería proporcional a dicha frecuencia

E=h f

donde h era una constante a la que conocemos ahora como constante de Planck. Según esta relación un cuanto de onda de radio tiene poca energía (es "barato" de emitir) porque la radiación es de baja frecuencia, mientras que un cuanto de rayos gamma tiene muchísima (es "caro" de emitir) porque tiene muy alta frecuencia.

Planck rehízo los cálculos con esa hipótesis... y clavó el resultado dando a h un valor de 6,63 10^-34 Julios segundo (para los curiosos). La predicción de la nueva teoría "cuántica" daba el resultado correcto para la radiación de los cuerpos negros. Había nacido la mecánica cuántica, aunque ni el propio Planck se creyera que esos paquetes de energía o cuantos existieran realmente. Después de todo, utilizando una comparación con las olas en el mar, si la energía depende de la altura de las olas y podemos imaginar olas tan pequeñas como queramos para cualquier frecuencia, ¿qué sentido tiene decir que hay una altura mínima para las olas? La existencia de los cuantos no parecía más que una argucia matemática para sacar el resultado correcto.

Y así hubiera sido si no fuera porque esos extraños paquetes de energía empezaron a aparecer por más sitios.