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Porque 140 caracteres a veces no son suficientes

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Diez Malentendidos en Física

No solo aprender física es muy difícil.  Enseñarla lo es aún más.  Y es que 400 años de vida como una disciplina estructurada y dinámica, surcados por dos o tres revoluciones de grandes proporciones, han convertido a la física (desde el punto de vista conceptual) en una “colcha de retazos” en la que es difícil distinguir las ideas que están en la frontera de aquellas que definitivamente deberíamos jubilar.  Sin pretender ser exhaustivo (y ni siquiera objetivo) he aquí 10 cosas que considero son malentendidos bastante comunes en física.  Es posible que a nadie le cambie la vida si entiende un poco mejor algunos de estos conceptos, pero lo que es definitivo es que los maestros de física y en general los maestros de ciencias deberíamos evitar seguir repitiendo algunas de estas falacias en los salones de clase.

Esta entrada es particularmente extensa.  Sin embargo puede leerse como 10 entradas diferentes.  Para ir a cada malentendido use los siguientes enlaces: Malentendido 1: Teoría Cuántica, Malentendido 2: Energía y Masa, Malentendido 3: Entropía y Desorden, Malentendido 4: Fuerzas ficticias, Malentendido 5: Estados de la materia, Malentendido 6: Relatividad General, Malentendido 7: Masa y Velocidad, Malentendido 8: Leyes de Movimiento, Malentendido 9: Electricidad y Magnetismo, Malentendido 10: Masa y Higgs.

“#10MalentendidosFisica (1/10) La teoría cuántica solo funciona en el mundo microscópico. C/¿dónde está el límite entre lo micro y lo macro?
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-1

QuantumComo era de esperarse, la mayoría de los malentendidos en física tienen que ver con las ideas o conceptos de más reciente factura.  Bueno, si es que a una teoría de casi 100 años de antigüedad se le puede llamar reciente.

La teoría cuántica surgió a principios de los 1900s para resolver algunos problemas físicos “macroscópicos”: ¿por qué los cuerpos sólidos son del mismo color cuando están muy calientes mientras que los gases en las mismas condiciones son de colores tan diferentes? ¿por qué la luz puede producir chispas? ¿por qué existe la materia cuando las reglas de la electricidad y el magnetismo predicen que no debería?.  Es cierto que las respuestas a estas preguntas vinieron de describir los átomos y las partículas de luz (ambos microscópicos) pero no es cierto que las leyes que descubrieron los genios europeos mientras sus países estaban en guerra entre 1910 y 1950, son solo válidas o se manifiestan únicamente entre los átomos, los electrones o los fotones.

La teoría cuántica es una revolución completa acerca de nuestra manera de comprender y describir el mundo (microscópico y macroscópico).  Sobre lo que es importante y lo que no.  La teoría cuántica hizo del mecanismo de relojería que la ciencia clásica pensaba era el mundo, en un inmenso computador con reglas difusas en el que la relación entre las cosas va moldeando el curso de la historia.   Pero decir que las reglas de la teoría cuántica también aplican a escala macroscópica no significa que podamos usarlas igual para describir un electrón y una persona.  Esa otra confusión es el origen de algunas corrientes “filosóficas” oportunistas que buscan validar sus especulaciones en una teoría científica establecida y respetada.  La teoría cuántica funciona a todas las escalas pero las propiedades “emergentes” son diferentes.

Si todavía no esta convencido (no debería estarlo pues harían falta muchas entradas para explicar el profundo impacto de la teoría cuántica en el desarrollo de la física y la tecnología a todas las escalas) les ofrezco algunos ejemplos aquí de teoría cuántica en acción en niveles en los que creíamos que las ruedas dentadas del reloj newtoniano seguían siendo la regla.

¿Por qué el Oro es distinto del Mercurio?.  Los átomos de ambos elementos son casi idénticos.  Solo difieren en 1 electrón (que pesa menos de 1/100,000 que el átomo completo).  La respuesta esta en una propiedad cuántica de los electrones conocida como exclusión.  Según esta propiedad dos electrones en estados cuánticos completamente iguales se superpongan para producir ningún estado.  Es decir la situación esta prohibida.  El mismo fenómeno explica por qué respiramos oxígeno y nos envenena el Flúor o por qué el Cloro limpia y el Argón solo brilla.  En general toda la química es teoría cuántica en acción.

¿Han oído hablar de los diodos?.  Un pedazo de Silicio con dos mitades “contaminadas” de forma diferente.  Cuando se hace pasar electricidad por el bloque de silicio “bipolar”, la corriente solo va en una dirección. Pero ¿por qué? Pura teoría cuántica en acción. La cosa va aún más lejos.  El principio que hace funcionar a los diodos pone en funcionamiento los transistores de los que están hechos los chips de computadores, tabletas y celulares por igual.  En las piernas o en tu mano en este momento tienes un dispositivo cuántico.  No se trata solo de átomos y partículas de luz.

Para hacer las cosas más increíbles, especialmente para aquellos que todavía piensan que lo anterior no es teoría cuántica sino apenas unas propiedades emergentes lejanas a las extrañas reglas que caracterizan esta teoría, hay que recordar que el estado cuántico puro más grande fabricado por el hombre tiene ya unos 3 metros y en menos de lo que pensamos podría alcanzar un kilómetro (ver aquí una noticia relacionada).

“#10MalentendidosFisica (2/10) La energía y la masa son dos caras de la misma moneda. C/ Hay partículas sin masa que tienen energía ¿cuáles?
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-2

EnergiaMasa

Una representación simplificada del impulso en el espacio-tiempo. La proyección en el tiempo del impulso es la energía. La magnitud total del impulso es la masa. Masa y energía claramente no son lo mismo


No hay “fórmula” mas famosa e incomprendida en fisica como E=m c2
. De ella se dice de todo desde que explica las explosiones nucleares (o es causante de ellas) a que es la prueba que masa y energía son lo mismo. También se dice que se trata simplemente de una regla de cambio de unidades.  Lo cierto es que la bendita formulita esta llena de trampas. Empezando porque la E que aparece allí no es simplemente la energía.  Se trata en realidad de la denominada “energía propia” una propiedad fundamental de todas las partículas que puede ser cero o muy grande. En su lugar la energía en general nunca es cero, las partículas sin energía no existen.  Es por esto que la formula no parece aplicar a los fotones que tienen energía en general, pero cuya masa y por tanto energía propia es cero.

la energía no es masa, ni la masa energía.  Ambas propiedades en realidad son partes de una propiedad mas fundamental llamada el impulso.  Como su nombre lo indica el impulso mide que tan intenso es el movimiento de una partícula o un sistema. También esta relacionado con que tanta fuerza hay que hacer para cambiar ese movimiento.  En el mundo en el que vivimos las cosas se mueven en el espacio y en el tiempo y por lo tanto el impulso no puede medirse con un solo numero: en realidad necesita 4.   A esos cuatro números se los llama las componentes, partes o proyecciones del impulso.

Si usamos el mismo patrón para medir el tiempo y el espacio (segundos y segundos-luz) algo que es muy común por ejemplo en astronomía, la energía es la parte, la componente del impulso en la dirección del tiempo.  La energía es impulso en el tiempo.

Pero nada puede estar quieto en el tiempo: por eso nada puede existir sin energía.

¿Y la masa? en las mismas unidades mencionadas antes, la masa es una medida del impulso total en el espacio-tiempo, una medida que combina las partes espacial y temporal del impulso.  Es decir la masa es el impulso en todo el espacio-tiempo y la energía es solo el impulso en el tiempo.

¿Pero como puede ser cero el impulso en el espacio-tiempo (masa cero) mientras que no es cero el impulso en el tiempo? La clave es que en 4D las partes del impulso no se combinan de manera tan sencilla. Si un cuerpo tiene un impulso igual en el espacio que en el tiempo su impulso total es cero.  ¿Extraño? ¡claro! la educación nos ha mantenido, a punta de malentendidos, atrapados en el espacio mientras nos perdemos de la acción que ocurre en el espacio-tiempo.

“#10MalentendidosFisica (3/10) La entropía es una medida del desorden.C/¿Q’tiene más entropía un vaso de agua o una montaña d’cubos d’hielo?
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-3

EntropyMuchos de los malentendidos descritos aquí podrían resolverse tan solo definiendo mejor las palabras. ¿Pero puede ser un asunto de “semántica” tan importante para la física? ¡Pues sí! No hay que olvidar que quienes usan la fisica somos seres humanos para los que el lenguaje es muy importante.

¿Entonces? ¿qué les parece más desordenado? ¿Un vaso perfectamente cilíndrico con un litro de agua o 10 cubos de hielo que sumen el mismo litro, pero apilados al azar en el mismo vaso? La noticia es que el desordenada montón de cubos de hielo tienen una entropía menor. Ahora bien, ¿que tiene mas entropía? ¿un mazo de cartas ordenado o el mismo mazo con las cartas al azar? el resultado es otra vez contra intuitivo: los dos tienen exactamente la misma entropía.

El concepto de orden es complejo y pertenece mas al dominio del lenguaje cotidiano que al de la física. Usarlo para evaluar una cantidad física bien definida como la entropía (que compite en importancia con el de energía) es como usar la palabra “corpulencia” para referirse a una variable precisa como el “peso” o la “altura”.  Esto sin mencionar que el orden de un sistema es una propiedad “aparente” que difícilmente puede existir en todos los niveles de organización. Esa es precisamente la razón por la cuál el vaso de agua parece mas ordenado que los cubos de hielo. A nivel macroscópico el primero exhibe mas orden. Sin embargo a un nivel microscópico (imperceptible para nosotros) el agua líquida sería mas desordenada que el hielo porque allí las moléculas se disponen de forma organizada y predecible.

La entropía es en realidad una propiedad bastante mas compleja y muy difícil de evaluar “a ojo”. A nivel microscópico o fundamental una definición mas apropiada de entropía esta relacionada con el número de estados microscópicos posibles que son compatibles con un cierto estado macroscópico. A mayor número de estados microscópicos que pueden reproducir lo “que vemos” en un sistema, mayor es la entropía en él.  La entropía debería entonces considerarse una medida de la diversidad, de la multitud de posibilidades que un sistema encuentra en su evolución.

La segunda ley (que dice que la entropía de un sistema aislado a lo sumo debería ser constante pero en la mayoría de las ocasiones debería aumentar) es en realidad una forma sofisticada de un hecho intuitivo: los sistemas tienden espontáneamente a evolucionar hacia estados con mayores posibilidades, mas diversos. Al contrario, para reducir las posibilidades es necesario que alguien intervenga y “se la sude” (ganando para sí mismo la entropía que le quito al otro).

(Una discusión completa de este malentendido puede ser encontrada en este blog y en este artículo aún más completo)

“#10MalentendidosFisica (4/10) La fuerza centrífuga es ficticia. C/Defina “fuerza”, defina “ficticia”
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-4

Este malentendido nace en una subestimación de la realidad que perciben observadores diferentes.  En tiempos de Newton se reconocía la existencia de una espacio y un tiempo absoluto respecto al cuál las cosas se movían de forma imperfecta y relativa.  Einstein destronó esta idea y nos dejo en un Universo en el que cualquiera puede reclamar su derecho a ser el referente de los movimientos y a declarar que lo que observa es tan válido como lo que ven otros observadores.  Desde esta perspectiva no hay un observador privilegiado, uno que pueda declarar de forma definitiva como se mueven los demás.

Hablar de fuerzas ficticias es reconocer que existen observadores privilegiados que si detectan fuerzas verdaderas.  La fuerza centrífuga y la fuerza de coriolis (entre otras) son fuerzas tan verdaderas como las demás, aunque su origen no sean las interacciones.  Puede que esta aclaración tenga una naturaleza semántica más que física, pero cuando hablamos de conceptos las palabras pueden tener un profundo impacto en la comprensión.

Llamamos fuerza a cualquier cambio en el impulso de un cuerpo.  Esta es una definición y no una ley.  Ahora bien, las fuerzas (cambios en el impulso) pueden tener orígenes diferentes: pueden surgir de una interacción, pueden ser producto de la distorsión en el espacio-tiempo en el que se mueven (fuerza gravitacional) o ser producto de una definición inapropiada del sistema de referencia (poco cómoda).   A las fuerzas que resultan de este último efecto las llamamos “fuerzas inerciales” y no ficticias.

“#10MalentendidosFisica (5/10) Solo existen 3 estados de la materia. C/¿sabes en qué estado están las estrellas de neutrones?
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-5

Tabla periódica de los elementos superconductores

Tabla periódica de los elementos superconductores

El concepto de estado de la materia esta intimamente ligado con el de “cambio de fase”. El agua, líquida, incompresible y deformable, pasa espontáneamente a un estado no deformable (estado sólido) cuando la temperatura disminuye por debajo de un cierto umbral.

Los cambios de fase son “milagros” macroscópicos, fenómenos emergentes muy difíciles de explicar usando únicamente física fundamental ¿cómo saben por ejemplo las moléculas en un cristal de agua que sus débiles enlaces deben “romperse” cuando la temperatura (que es una propiedad macroscópica, estadística, con poca o ninguna relación con las propiedades microscópicas de cada enlace) sube por encima de un cierto nivel?.  Las formas de organización que emergen en esos “saltos” son lo que llamamos estados de la materia.

Hasta hace unas décadas solo se conocían tres de esos cambios: la ebullición/condensación (gas a líquido y viceversa), la congelación/fusión (solido a líquido y viceversa) y la sublimación (solido a gaseoso y viceversa). Estos cambios definen los 3 estados clásicos.

Pero desarrollos relativamente recientes han mostrado que en algunas formas materia pueden ocurrir otros cambios espontáneos, transiciones de fase, hacia estados de emergencia diferentes.

El mas popular es también el mas difuso. Se trata de aquel estado definido por el cambio que aparece cuando los átomos o moléculas de una sustancia pierden sus electrones. El sistema pasa de estar compuesto solo de átomos neutros a iones y electrones. Con la aparición de cargas libres hace su entrada gloriosa una fuerza nueva de largo alcance: la fuerza eléctrica. Con la llegada de la fuerza emergen comportamientos colectivos no presentes en gases o líquidos. La sustancia es ahora un plasma.

Cambios mas increíbles se producen en otras condiciones. Debajo de -266 grados, por ejemplo, los electrones del Plomo se unen en pares que se mueven por un “milagro” cuántico sin ningún impedimento entre átomos y otros electrones. Esta transición separa al Plomo conductor del Plomo superconductor, un nuevo estado de la materia.

En el interior de las estrellas otro milagro ocurre. Mientras el plasma domine la escena, un aumento en la temperatura produce también un aumento en la presión. Sin embargo cuando las partículas del plasma (iones, electrones o neutrones) están muy empaquetados el comportamiento cambia bruscamente: calentar el plasma en esta condición no produce un aumento en la presión. Este nuevo estado se le llama “degenerado” y es la clave que explica porque no todas las estrellas al morir colapsan hasta crear agujero negros.

Condensado de Bose-Einstein, Superfluido, etc. son otros estados condiciones que emergen en transiciones súbitas y que merecen llamarse con todo derecho, estados de la materia.  ¿Descubriremos otros en el futuro? No lo sabemos pero por ahora seguir hablando de solo 3 estados es imperdonable.

“#10MalentendidosFisica (6/10) La relatividad gral solo aplica a agujeros negros o al GPS. C/La caída libre es un fenómeno relativista
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-6

CurvedExiste la creencia, extendida entre educadores e incluso profesionales, de que una teoría física aproximada y conceptualmente incorrecta o incompleta (p.e. la teoría gravitacional de Newton) sigue siendo conceptualmente valida únicamente porque es capaz de predecir con precisión los fenómenos que describe. Con la teoría tolemaica también se podrían predecir los eclipses, pero hoy casi nadie cree que la Tierra este en el centro del Universo.

El poder descriptivo de una teoría no es razón para no darle “cristiana sepultura” cuando una teoría nueva con mayor poder explicativo emerge.

La teoría general de la relatividad ofrece la explicación mas completa y precisa sobre los fenómenos gravitacionales que conocemos en el momento. Aún así, casi exactamente 100 años después de su descubrimiento por Einstein, nadie habla de ella para referirse a fenómenos gravitacionales tan simples como la caída libre o el movimiento de los satélites. ¿Por qué?. La razón es el malentendido propagado por maestros e incluso profesionales de que cuando la intensidad de la gravedad es pequeña o la precisión con la que medimos el espacio y el tiempo no es muy grande, la teoría newtoniana es correcta. Lo correcto son los números de esa teoría pero no sus conceptos.

¿Por qué caen entonces las cosas? Según la “doctrina” newtoniana lo hacen porque son atraídos por una misteriosa fuerza hacia el centro de la Tierra. La razón en el marco de la relatividad es más fascinante: los objetos se mueven por inercia en el espacio-tiempo que cerca de la Tierra esta distorsionado haciendo que sus trayectorias no sean triviales.

Lejos de cualquier cuerpo astronómico, dos objetos en reposo relativo mantendrán su distancia (se verán quietos uno respecto de otro) aunque se muevan a toda velocidad en el tiempo. Cerca a la Tierra el espacio-tiempo se distorsiona y lo que era antes un camino recto en el espacio-tiempo (sin obstáculo hacia el futuro) pasa a ser un camino curvo (combinación de movimiento en el espacio y en el tiempo).  Si los cuerpos son la Tierra y una Manzana este efecto producirá con el pasar del tiempo que sus caminos en el espacio-tiempo terminan cruzándose por casualidad.

Esta explicación es cierta sea que la gravedad (distorsión del espacio-tiempo) tenga gran intensidad o no. El concepto de un espacio-tiempo curvo no desaparece en el límite de poca gravedad. La caída libre y el peso son fenómenos relativistas, en la superficie de la Tierra y cerca a un agujero negro.

“#10MalentendidosFisica (7/10) La masa aumenta con la velocidad. C/Eso sería como admitir que la masa es relativa ¡No lo es!
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-7

Al llegar a este punto hemos hablado tanto de relatividad que será mas fácil explicar por qué este es un malentendido.  Cuando aclarábamos antes la malentendida relación entre masa y energía explicábamos que la masa como la energía son parte de una propiedad mas fundamental: el impulso. La masa es, cuando se usan patrones iguales de tiempo y de distancia (segundos y segundos-luz), una medida del impulso total de una partícula o un cuerpo en el espacio-tiempo.

¿Qué diferencia hay en medir el impulso de una piedra en un camino cuando estas sentado al lado de ella o cuando la ves desde un automóvil?. Al estar al lado de ella su impulso estará dirigido unicamente en el tiempo. En el espacio, la piedra respecto de ti esta quieta y por lo tanto carece de impulso en esa dirección. Ahora bien, si miras a la piedra desde un vehículo en movimiento, su impulso tendrá ahora una componente temporal y una espacial. Pero ¿habrá cambiado su magnitud total? como la única operación que realizamos fue cambiar de punto de vista (de estar sentado al frente de ella a moverse en un vehículo) esperaríamos que su impulso total no cambiará en lo absoluto y tampoco lo hiciera por lo tanto su masa.

¿Hace alguna diferencia en la situación anterior que sea yo el que me haya pasado a un vehículo o que sea la piedra la que lo haya hecho? ¡No! Por lo tanto decir que la masa cambia con el movimiento sería como admitir que la altura de una iglesia o un edificio cambia al verla desde ángulos diferentes.

“#10MalentendidosFisica (8/10) Existen 3 leyes del movimiento (inercia,fuerza,acción-reacción). C/Solo hay una ley: conservación del impulso
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-8

Este es un malentendido cada vez menos común. Aún así, innumerables textos de física siguen recitando las consabidas 3 leyes de Newton, preservando el error.  La realidad es que todas ellas no son otra cosa que formas procesadas de una sola ley física: ante la ausencia de fuerzas (de interacción o inerciales – ver malentendido 4) el impulso que tiene un cuerpo es constante.

Esta ley es valida tanto en el espacio como en el tiempo. Inclusive, su validez en el tiempo explica otra conocida ley: la conservación de la energía. Como habíamos explicado antes la energía es el impulso en el tiempo. Si no hay fuerzas, el impulso no cambia y por ende tampoco la energía.

En el espacio la conservación del impulso conduce a las bien conocidas 3 leyes así:

– Si no hay fuerza, el impulso no cambia y por tanto los cuerpos seguirán su movimiento o se mantendrán quietos en el espacio (inercia)

– Si hay fuerza, cambia el impulso y con él la velocidad (aceleración) y la energía (trabajo) (“ley” de fuerza)

– Si el sistema esta hecho de dos partes que interactúan pero que no sienten fuerzas externas (p.e. dos bolas de billar en una mesa horizontal) los cambios en el impulso de una parte deberán estar compensados siempre por los cambios de la otra. De ese modo el cambio total es nulo. Pero el cambio de impulso es igual a la fuerza de modo que cuando choquen la fuerza que siente la una debe ser igual pero en sentido contrario a la que siente la otra (ley de acción y reacción).

“#10MalentendidosFisica (9/10) La electricidad y el magnetismo son 2 fenómenos muy relacionados.C/En 4D en realidad son el mismo fenómeno
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-9

La electricidad y el magnetismo están entre los fenómenos físicos más importantes y comunes en la vida cotidiana. Con la electricidad hacemos funcionar los dispositivos móviles, por ejemplo, cuando las cargas eléctricas en las baterías le aplican fuerza a los electrones en los dispositivos y los obligan a moverse en intrincados circuitos que interpretan los clicks de un mouse o que llevan la información de un lugar a otro. El magnetismo por su lado mantiene cerrada la puerta de la nevera y sostiene los souvenirs en su exterior. También le dice al celular hacia donde estas mirando poniendo en funcionamiento las aplicaciones de realidad aumentada mas increíbles.

Pero esos dos fenómenos, aparentemente diferentes, también funcionan juntos. Lo hacen cuando abres remotamente una puerta (con electroimanes) con solo presionar un botón (electricidad). O cuando enciendes las lámparas de tu bicicleta (electricidad) aprovechando el movimiento de un imán unido a las llantas (magnetismo).

Los físicos explican que la razón de este milagro es la relación que existe entre ambos fenómenos y que fue descubierta a través de ingeniosos experimentos en los 1700s y 1800s.  Lo que nunca no es explican y he aquí el malentendido, que mas bien debería considerarse una lamentable omisión, es que en realidad desde 1905 sabemos que la electricidad y el magnetismo son manifestaciones del mismo fenómeno en el espacio-tiempo.

Así que no es que estén relacionados, es que son el mismo fenómeno. Pero entonces ¿por qué los vemos tan diferentes? La razón es nuestra “miopía cuadridimensional”: percibimos el espacio-tiempo de 4 dimensiones parcializado.  Por eso precisamente no habíamos notado la relación entre la energía y la masa mediada por el impulso (ver malentendido 2).

Así mismo, la electricidad es la parte temporal del fenómeno en el espacio-tiempo y el magnetismo esta relacionado con la parte espacial de ese mismo fenómeno.

“#10MalentendidosFisica (10/10)  La masa en el Universo es producida por el Higgs  C/Menos de 0.02% de la masa es debida al Higgs
Junio 22 de 2014
http://bit.ly/trino-malentendidos-fisica-10

QuarksEste es el más reciente de los malentendidos pero también el más grande de todos en términos cuantitativos.  Después del descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, creería que no hay nadie hoy que no sepa de la relación que existe entre esa partícula y la masa de todas las demás partículas del Universo.  Según reza la explicación convencional, el campo de Higgs (la versión continua de la partícula con el mismo nombre) llena todo el espacio en el Universo.  Las partículas al moverse a través de ese campo experimentan una interacción con él que se manifiesta en la forma de su masa.   Si la interacción es intensa, la masa lo es también.  Si la interacción es muy tenue e incluso nula, la masa lo será en la misma proporción.

Pero la historia esta incompleta.  Existen partículas que aunque también interactúan con el campo de Higgs, lo hacen también intensamente con otras partículas.   Se trata de los quarks.  Contrario a la mayoría de las partículas, los quarks viven atrapados permanentemente en el interior de protones y neutrones, de los que están hechos.  Su mutua interacción supera en un factor de varios cientos, la interacción con el campo de Higgs.  Como resultado, la masa de protones y neutrones, en lugar de ser igual a la suma de la masa tradicional de los quarks, resulta ser cientos de veces superior.

El malentendido radica en que un protón o un neutrón pesan cerca de 1,800 veces más que un electrón.  Con esto la masa de un átomo de Hidrógeno es 99.94% masa producto de la interacción entre quarks y la masa de un átomo de Helio (el otro cuarto de la masa atómica del Universo) es 99.97% producto de esa misma interacción.

Así la mayor parte de la materia bariónica en el Universo, la que esta hecha de átomos y hace las cosas más interesantes y complejas del cosmos, tiene su origen en una inmensa proporción en la interacción de los quarks y no en la interacción con el campo de Higgs.


 

Si conocen otros malentendidos o creen que algunos de los malentendidos aquí, no lo son tanto, ¡no duden en escribirme!

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Asimetría Creativa

La busqueda de simetrías en el mundo es uno de los objetivos racionales y a veces irracionales de la mente humana.  Muy en nuestro interior existe la convicción de que los objetos o los fenómenos simétricos son la regla y no la excepción en la naturaleza y que hay que buscarlos o escogerlos a como de lugar.  Esta búsqueda esta intimamente relacionada con nuestra apreciación de la belleza, la perfección matemática del mundo o la regularidad de las leyes que creemos rigen el comportamiento de todo.  La ciencia moderna, sin embargo, ha terminado mostrándonos que el mundo fascinante y rico que vemos, es realmente producto de asimetrías emergentes, una fealdad inevitable sin la que no podría existir nada de lo que conocemos.  Los invito a reconocer lo “feo” de la naturaleza y a rendirle tributo por su impresionante capacidad creativa.

“Es la fealdad (asimetría) y no la belleza (simetría) lo que da a la naturaleza su atractivo”
Abril 27 de 2014
http://bit.ly/trino-asimetrias

En el arte la asimetría es motivo también de exploración y fuente de obras extrañamente ricas.

En el arte la asimetría es motivo también de exploración y fuente de obras extrañamente ricas.

A pesar de tener la mayor de las veces un origen “irracional”, metafísico si se quiere, la busqueda de simetrías nos lleva casi siempre a resultados exitosos.  Buscamos reproducirnos con personas que tengan rostros simétricos como una prueba de su calidad genética.  Al hacerlo garantizamos que nuestros genes se conserven en descendientes que pueden sobrevivir y estén equipados con sus propias copias de buenos genes.  La simetría hace que construyamos edificios y objetos de una belleza eterna.  Las simetrías nos han llevado a descubrir partículas elementales con las que solo podríamos soñar.  Las simetrías construyeron el edificio de la física moderna y parece que van a ser fundamentales en la construcción de la física del futuro ¡Larga vida para las simetrías!

Entendemos por simetría aquí la propiedad que hace que un cuerpo o un fenómeno sea exactamente el mismo o lo parezca ante distintas transformaciones.  Así por ejemplo, al mirarnos en un espejo nuestra apariencia no cambia mucho.  Nuestro lado izquierdo y el derecho son muy similares de modo que su inversion especular no nos hace otras personas. Otro tipo de simetría es la que existe en el Universo a gran escala: no importa en que Galaxia vivieras, descubrirías las mismas leyes de la expansión y evolución del Universo que descubrimos a principios del siglo XX desde la Vía Láctea.  No hay ninguna galaxia especial en el universo y al mismo tiempo todas lo son.  Cada segmento de algunos gusano es idéntico para una bacteria.  Sería difícil para la bacteria identificar en que segmento esta mirando qué estructura encuentra a su alrededor.  Si ves las aspas de un ventilador o una bandera que se mece en el viento en una película que fluye hacia adelante en el tiempo y en otra que fluye hacia atrás no reconocerías cuál es cuál.  Todos estos son ejemplos de simetrías bastante conocidas.

Pero hay asimetrías espontáneas en el mundo, asimetrías que surgen incluso a partir de la intervención de reglas intrínsecamente simétricas (asimetrías emergentes).  Estas asimetría son esencialmente las que le han dado forma al universo y a nuestro mundo inmediato y que en últimas hacen de él algo que vale la pena estudiar.  En otras palabras nuestro Universo parece regirse por principios simétricos pero es la asimetría emergente en algunos fenómenos lo que lo hace tan interesante.  Esas asimetrías además son responsables de que el mundo sea lo que es.  Si no fuera por ellas viviríamos en un simétrico pero muy triste Universo.

Les propongo que hagamos aquí un breve inventario de las asimetrías emergentes, la fealdad inevitable, si me lo permiten llamar de esa manera, que hacen de nuestro mundo un lugar exótico y bello para vivir.

¿Espacio o tiempo?: esa es la cuestión

FlechaTiempoResponder a la pregunta de qué es el tiempo parece ser uno de los rompecabezas mas difíciles que nos ha tocado resolver como especie inteligente.   Podríamos decir, sin temor a equivocarnos, que casi ningún filósofo entendió realmente lo que era hasta la invención de las maquinas que funcionan con calor en la revolución industrial.  Fue solo hasta que dependimos de la conversión del calor en trabajo que nos empezamos a dar cuenta que existía una diferencia fundamental, imposible de obviar, entre el pasado y el futuro.   Después de este origen tan mundano, la idea de que el “flujo del tiempo” es implacable se convirtió en una de las leyes mas importantes de la física.  Hoy se la conoce con el poco romántico nombre de “segunda ley de la termodinâmica” pero deberíamos llamarla en su lugar “la asimetría más fascinante del Universo”.

¿Habría algo bello en el mundo si todos los instantes del tiempo fueran iguales? El tiempo es el responsable de la íntima distinción entre lo vivo y lo no vivo.  Sin tiempo sería lo mismo tener estrellas a no tenerlas.  Todas las invenciones y actos creativos serían simple ruído en un simétrico fluir de eventos.  El tiempo y su implacable fluir es sin duda alguna el artifice del Universo.

Hasta allí todo estaría bien si no fuera por un increíble descubrimiento que hizo Einstein en 1905.  No se puede pensar en el tiempo sin pensar simultáneamente en el espacio.  Ambos coexisten en un matrimonio indisoluble.  Hablar de la duración de un fenómeno es inútil e incompleto sin hablar de su extensión en el espacio.  Creer que las cualidades espaciales existen independientente de las temporales es tan absurdo como creer que el tamaño de la sombra de un edificio es una propiedad independiente e intrínseca suya.

Pero el espacio, a diferencia del tiempo es bidireccional.  Se puede ir hacia adelante o hacia atrás en cualquiera de las 3 dimensiones del espacio.  No se puede hacer lo mismo en el tiempo.  Cualquier punto del espacio puede ser visitado cuantas veces se quiera pero no pasa lo mismo con su hermano gemelo, el tiempo.  Solo tuvimos una oportunidad de estar aquel 10 de junio de 1610, el día en el que Galileo miro por primera vez el cielo con una versión personal de un catalejo.  Solo nuestra imaginación nos puede llevar de nuevo hasta allá.

Pero ¿por qué es así? ¿por qué una de las 4 dimensiones en las que podemos movernos es tan distinta? Nadie lo sabe a ciencia cierta todavía pero creo que es una intuición generalizada entre muchos físicos el hecho de que intrínsecamente no es así.  Es decir, existe una simetría intrínseca entre el espacio y el tiempo de modo que la “fea” diferencia entre las 3 dimensiones espaciales y la cuarta dimensión es solo cuestión de emergencia.

A alguna escala espacial o temporal que desconocemos (seguramente muy pequeña o microscópica), las 4 dimensiones son indistinguibles.  No hay presente, ni pasado, ni futuro.  A esa escala desconocida, todos los puntos son un eterno aquí y un inmenso ahora.  ¿Pero por qué no lo vemos de esa manera en nuestra vida cotidiana? Entre esa escala y la nuestra, parece ocurrir un milagro (o un desastre desde el punto de vista de la simetría) en el que la identidad, la diferencia aparente entre el tiempo y el espacio emerge.  Algo se daña en el mundo cuando crece y por eso se vuelve temporal.  La “flecha del tiempo” como la llaman otros resulta de alguna manera de la interacción de todas las partes de un mundo muy complejo.  El tiempo y el espacio se divorcian en algún punto entre el reino de lo muy pequeño y de lo muy grande.

El tiempo a nuestra escala, no es entonces una característica intrínseca del Universo sino una asimetría emergente, un milagro inesperado.  De la misma manera que al enfriar un poco de agua la interacción de cuatrillones de moléculas independientes se convierte en un orden emergente, el hielo, el tiempo resultaría de algo así como la “cristalización” de un espacio de cuatro dimensiones atemporal y eterno.  Mas increíble aún resulta pensar que tal vez en otros universos no exista el tiempo.  O tal vez en algunos de ellos el tiempo tenga dos o tres dimensiones a su favor.  Nadie lo sabe todavía.

Masa o Luz

mqdefaultUna tercera parte de las partículas que forman la materia convencional en nuestro Universo, deberían moverse ligeras, exactamente a la misma velocidad que la luz.  Nos referimos, naturalmente a los electrones.  Siendo posiblemente las partículas elementales más mundanas del Universo, los electrones tienen todas las características requeridas para ser ligeras como los fotones, las partículas de luz.  Los electrones, como los fotones, son fundamentalmente elementales, es decir no están compuestas de otras, y aunque son atraídas por otras partículas lo hacen con una intensidad relativamente tan pequeña que les impide formar paquetes compactos como los que forman sus primos, los quarks.

Pero los electrones, que deberían ser infinitamente ligeros, no lo son completamente.  Al menos durante esta etapa de la vida del Universo.  Mientras que al nacer un fotón, lo hace inmediatamente a la velocidad de la luz, cuando un electrón hace su aparición en el mundo necesita de un buen impulso para alcanzar incluso velocidades mundanas.  

La relación entre el impulso que hay que darle a una partícula y la velocidad que alcanza esta relacionada con lo que los físicos conocen como la masa de la partícula.   En el caso de los electrones la masa alcanza un valor de 500,000 unidades (en el sistema usado por los físicos de partículas para medir la masa).  Los neutrinos, partículas exóticas producidas en la desintegración nuclear, por su lado, tienen menos de 1 unidad de masa y por la misma razón vuelan casi a la velocidad de la luz sin mucho esfuerzo.  Un protón, que esta compuesto de quarks que interactúan con mucha energía entre ellos, tiene una masa de casi mil millones de unidades.  En este caso sin embargo esa enorme masa se debe a la energía que une a los quarks que también se resiste a ser movida.

El hecho que los electrones tengan una masa, define de manera fundamental su interacción con protones y neutrones para formar los átomos.  Sin electrones masivos los átomos serían entidades fragiles que tendrían vidas tan breves como algunas de las partículas inestables que apenas conocemos.  En su lugar, los átomos que hacen a nuestro planeta y a nuestros cuerpos por igual, están hechos de electrones con masa, es decir, son duraderos.  Algunos átomos en mi cuerpo (posiblemente los mas importantes) han existido por ejemplo en su configuración actual por lo menos desde hace 6 o 7 mil millones de años.

Pero ¿qué hace que dos partículas que deberían ser igual de ligeras (por simetría, el electrón y el fotón), sean tan diferentes? ¿quién es el culpable de esta asimetría?

De nuevo se trata de una propiedad emergente, una propiedad inesperada del mundo.  

En condiciones “normales” (condiciones simétricas) tal y como las que existieron en el Universo primitivo o en las colisiones energéticas en el LHC, el espacio vacío esta lleno y al mismo tiempo desprovisto de cualquier partícula o campo.  Pero a la temperatura y densidad del universo presente, un campo de fuerza “milagroso” existe aún en el vacío mas profundo.  La razón por la que este campo existe hace parte de la “fealdad emergente” del mundo.  Los físicos llaman técnicamente al fenómeno “rompimiento espontáneo de la simetría”.  

Al campo que surge en estas condiciones se lo conoce hoy como el “campo de Higgs” en honor a uno de sus primeros proponentes.  Pues bien, el electrón a diferencia del fotón siente el campo de Higgs y es por eso que en una carrera donde a los dos se les da el mismo impulso, siempre gana el fotón, que no encuentra ninguna resistencia a moverse.

Así pues, una asimetría emergente del vacío, la existencia del campo de Higgs, es la responsable que los electrones se frenen y de que existan los átomos de los neurotransmisoras que me han mantenido escribiendo este texto  ¡Larga vida a esa asimetría!

Falso Vacío

multiverseUna asimetría similar a la que hace que el Campo de Higgs y no otros campos, existan en el vacío relativamente frío de nuestro Universo, fue precisamente la causante de que hubiera en primer lugar un mundo macroscópico y rico como aquel que nos engendró en primer lugar.

Según nuestra mejor “adivinanza” acerca de cómo nació el Universo, todo comenzó en una pequeña porción de espacio en la que el vacío era altamente simétrico.  En esas condiciones el Universo estaba lleno de una forma extraña de energía repulsiva.   La existencia de esta forma de energía infló aquella diminuta porción de espacio hasta que adoptó dimensiones colosales, astronómicas.  Este evento que llamamos hoy la inflación cosmológica marco el inició de nuestra rincón del multiverso (para leer más sobre este tema les recomiendo mi entrada los Biceps de la Inflación)

Pero si ese estado simétrico y repulsivo se hubiera mantenido por siempre (como creemos que se mantiene en otros lugares del Multiverso) no habría ocurrido nada mas.  Sin embargo, por razones también hoy desconocidas, una asimetría emergió en ese espacio. El cambio, hizo inestable la antes indestructible y repulsiva (en todo sentido) forma de energía que había iniciado la expansión.  De repente toda esa energía repulsiva se desintegro creando cantidades astronómicas de materia y energía más convencional que lo llenaron todo.  Fue tan violento el fenómeno que la temperatura y densidad de nuestro Universo se hizo tan grande como jamás vimos después.  A este momento de la historia del Universo la llamamos el Big-Bang.

Según este relato, que recientemente recibió una inesperada confirmación observacional, el Big-Bang fue el producto y no el principio, de una asimetría emergente, de una forma exótica de fealdad creativa.  Si por la simetría intrínseca de las leyes de la física fuera, nuestro universo sencillamente no existiría.

Materia o Antimateria

antimatterVivimos en un Universo hecho de luz.  Por cada electrón o quark en nuestro cuerpo existen en algun lugar del Universo un millardo de partículas de luz (fotones).  Si un visitante de otro Universo tuviera la oportunidad de mirar adentro del nuestro tendría todo el derecho a decir que este es un Universo de luz.

Pero no del todo.  La luz no es capaz de formar planetas, crear organismos vivos o escribir blogs.  La luz es fantástica pero lo que hace a nuestro universo un lugar rico e interesante es la materia, es decir esas otras formas de energía que si tienen masa y se frenan hasta crear entidades como protones, átomos y Galaxias.

Según un principio de simetría Universal el Universo debería estar hecho de un número exactamente igual de partículas de materia y antimateria.   Es bueno aclarar aquí que el nombre antimateria puede prestarse para confusiones.  La antimateria en realidad es tan convencional como la materia, solo que es extremadamente excasa.  Además siente una aversión “visceral” por la materia.  Cuando un positrón, por ejemplo atrae inocentemente a un electrón, el encuentro casual se convierte en el fin de su existencia (la de ambos)  En una fracción minúscula de tiempo la energía contenida en el electrón y el positrón es convertida en la energía de dos fotones.  La conversión es 100% eficiente y los desafortunados electrón y positrón dejan de existir.

Pero si la simetría materia-antimateria es tan real ¿por qué no vemos en el cielo galaxias de antimateria? pero mas importante aún ¿por qué no se ha destruído todavía toda la materia y la antimateria que debió crearse en el Big-Bang?  De hacerlo este universo solo estaría hecho de luz, la resultante de esta masiva aniquilación.   Pero eso es exactamente por donde comenzo esta historia: casi todo el universo esta hecho de luz lo que es una huella precisamente de este poderoso evento de autodestrucción cosmológica.  Pero aún así todavía hay materia y por montones.  ¿Será que la expansión nos aisló de otras partes del mundo llenas de una cantidad similar de antimateria? Muy difícil.

Toda la evidencia parece indicar que cuando el Universo tenía algo menos de 1 microsegundo una asimetría emergió en el devenir de las interacciones que hizo que existiera un poco mas de materia que de antimateria.  No sabemos todavía cuál es exactamente el origen de esa asimetría (y posiblemente no lo sepamos, esa es una característica fundamental de los fenómenos emergentes) pero así fue.  Nuestro Universo no es bello y por su fealdad existe la materia que hace galaxias, estrellas y planetas por igual.

La lista continuaría…

Espero que estos pocos pero cruciales ejemplos sirvan para demostrar mi tesis inicial, aquella según la cual el mundo es lo que es gracias a ciertas asimetrías que emergen de la compleja interacción entre partes que se rigen en principio por leyes regulares y simétricas.  Vivimos en un universo milagro.  No el milagro sobrenatural y perfecto, sino el milagro de la imperfección y la asimetría.

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