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Brian Cox: la relatividad especial de Einstein

Esta semana celebramos los 100 años de la publicación de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, una de las cumbres de la historia de la ciencia (que culminará con el evento organizado por la publicación de ciencia Materia en Madrid este próximo miércoles, 25 de noviembre).

Tras la entrada del pasado viernes, en la que Walter Isaacson, autor de la gran biografía de Einstein, nos introducía a la relatividad general, hoy nos remontamos a diez años antes, cuando, durante su annus mirabilis de 1905, Einstein presentó la teoría de la relatividad especial, de la que se deriva la que es probablemente la ecuación más famosa de toda la ciencia, E = mc².

Precisamente esa fórmula da título al libro de Brian Cox y Jeff Forshaw ¿Por qué E = mc²? (Debate, 2013), de cuya presentación se extrae este breve vídeo en el que Cox explica otro de los sorprendentes resultados derivados de la relatividad especial, la dilatación temporal, recurriendo a un ingenioso experimento mental ideado por el propio Einstein.

(Aprovechamos también para recordaros que aún estáis a tiempo, hasta este martes 24 de noviembre, de participar en el sorteo organizado por Materia y la editorial Debate de diez ejemplares de la biografía de Einstein escrita por Walter Isaacson entre quienes envíen un vídeo explicando la teoría de la relatividad en menos de un minuto a las cuentas de Twitter o Facebook de Materia con el hasthtag #Relatividad100.)

 

 
Transcripción

Quiero hablar un par de minutos sobre la relatividad, porque es una hermosa parte de la ciencia. Y está muy de actualidad, porque hace dos semanas se llevó a cabo un fantástico experimento —se publicaron los resultados del experimento, quiero decir— que confirmó por primera vez con una precisión elevadísima, la confirmación de mayor precisión que hemos tenido nunca, que Einstein no se equivocó.

Su teoría de la gravedad pasó la prueba del experimento más preciso que hemos sido capaces de llevar a cabo, y quería hablar brevemente sobre los resultados de ese experimento, que se publicaron hace solo dos semanas.

De hecho, el experimento se ideó en la década de los años sesenta, por lo que algunos de estos científicos han dedicado todas sus carreras, 50 años, a obtener estos resultados. Pero antes, la relatividad.

Hay una manera muy bella y sencilla de describir lo que es. Este es Albert Einstein. Einstein era un genio porque pensaba de manera muy sencilla, a menudo en imágenes, sobre el funcionamiento del mundo. Y lo que lo tenía fascinado a principios del siglo XX, alrededor de 1905, era un resultado obtenido por un físico escocés llamado James Clerk Maxwell, quien predijo —aunque no fue consciente de ello entonces— que la luz viaja a la misma velocidad con independencia de cómo la miremos.

Es una predicción un poco extraña. Básicamente, lo que estoy diciendo es que, si vuelo hacia ese foco a la velocidad de la luz, o, pongamos, a un 75% de la velocidad de la luz —salgo volando hacia el foco—, la luz me dará en la cara a la velocidad de la luz. No al doble, o 1,75 veces, de la velocidad de la luz, sino a la velocidad de la luz.

Es un predicción muy extraña, pero se deduce de la física teórica del siglo XIX, de experimentos sobre electricidad y magnetismo. Einstein fue la primera persona en tomársela verdaderamente en serio, y decir: ¿Qué implica esto? ¿Qué sucede si decimos que la naturaleza se comporta así, si, con independencia de cómo me mueva respecto a ti, ambos vemos la misma velocidad de la luz?

Para entender las consecuencias, ideó un precioso experimento mental que les puedo contar en un minuto y resume lo esencial de la relatividad.

Imaginó un objeto que llamó «reloj de luz». Supongamos que tengo un reloj muy extraño, compuesto solo por dos espejos, colocados así. Y mi péndulo es la luz, que rebota entre los dos espejos. Podemos imaginar un tic, dos tics; un segundo, dos, tres segundos… Funciona como un reloj de alta precisión.

Reloj de luz 1 (relatividad especial de Einstein) | Por amor a la ciencia

 

Pero recordemos que hemos quedado en que todos vemos la misma velocidad de la luz, con independencia de cómo nos estemos moviendo. ¿Qué sucede si subo, literalmente, el reloj al escenario, y lo llevo de un lado a otro? ¿Qué es lo que ven ustedes?

Reloj de luz 2 (relatividad especial de Einstein) | Por amor a la ciencia

Ven que el reloj marca el tiempo pero, como me estoy moviendo, ven algo que se parece más a esta otra imagen, porque partí desde allí y he caminado hasta aquí. La luz, desde su punto de vista, rebotó así, trazando un triángulo.

¿Qué implica eso? Si es realmente cierto que todos estamos de acuerdo en la velocidad de la luz, que todos vemos que es la misma, entonces ustedes verán que el reloj marca el tiempo más lentamente que yo.

¿Por qué? Porque la luz ha tenido que recorrer una distancia mayor para dar un tic que cuando el reloj estaba en reposo. Esa es la predicción. Una predicción muy extraña, según la cual los relojes en movimiento van más despacio, el tiempo se ralentiza si uno se mueve (desde su punto de vista, al ver cómo me muevo por el escenario).

Resulta que eso es correcto, que es cierto. De hecho, el factor por el que se ralentiza, que viene dado por esta ecuación de aquí, se puede calcular utilizando el teorema de Pitágoras.

factor_de_lorentz_2

Y la razón por la que les muestro la ecuación es para que lo vean —el cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de los catetos, como ya saben— para que puedan ver los cuadrados, las raíces cuadradas y todo eso… Ese el resultado que se obtiene al hacer los cálculos.

Es algo fascinante: esa ecuación se utiliza en los sistemas de navegación por satélite (GPS).

Cuando usted se monta en su coche, enciende el GPS y se pone en marcha, el GPS funciona, básicamente, midiendo diferencias temporales, entre relojes situados en satélites y otros que están sobre la superficie terrestre. Los satélites se mueven respecto a la superficie, y están muy arriba, por lo que la gravedad es ligeramente más débil. Resulta que eso significa que el tiempo pasa a una velocidad distinta.

¿Cuánta es la diferencia? Einstein predijo hace cien años que sería de unos 36.000 nanosegundos por día. (Un nanosegundo es una mil millonésima parte de un segundo.) No parece mucho, 36.000 nanosegundos, pero la luz recorre 30 centímetros en un nanosegundo, lo que significa que el GPS acumularía un error de 36.000 veces 30 centímetros en su medición de la posición. Que equivale a unos diez kilómetros.

De manera que la posición del GPS cambiaría en diez kilómetros al día si no tuviésemos en cuenta este efecto, que Einstein calculó en 1905 imaginando un reloj de luz con dos espejos. Una preciosa parte de la física que encontró aplicación un siglo después en la navegación por satélite.

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Más información sobre el libro de Cox y Forshaw:

¿Por qué E = mc²?  (primeras páginas).

Más sobre Einstein y la teoría de la relatividad:

Walter Isaacson: La teoría más hermosa de Albert Einstein | Por amor a la ciencia

 

Brian Cox: Cuatro cosas que debemos saber sobre la ciencia

Al ser entrevistado en el programa Today de la BBC Radio 4, Brian Cox, profesor en la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Manchester y autor de El universo cuánticoy ¿Por qué E = mc2?, afirmó que hay cuatro ideas fundamentales que todos deberíamos saber sobre la ciencia dada su importancia para nuestra cultura: Que el universo comenzó con un Big Bang; que todas las cosas están compuestas de átomos; que todos compartimos un antepasado común (la teoría de la evolución de Darwin); y la teoría de la gravedad.

A continuación, la transcripción completa de la entrevista:

Brian Cox: Creo que es importante por muchas razones. Una de ellas es que estos grandes descubrimientos que mencionas —la idea de que la vida en la Tierra apareció hace 4.000 millones de años y de que compartimos un antepasado común—, son afirmaciones de gran peso cultural.

La idea de que hemos medido la edad del univero, 13.820 millones de años (ese dos es importante), es interesante. La edad de la Tierra, 4.540 millones de años… Así pues, conocemos la historia del origen y la evolución del universo, y la del origen y la evolución de la vida en la Tierra. Creo que esta es información culturalmente relevante.

John Humphrys: A ver, dinos qué tres cosas crees que todos deberíamos saber sobre la ciencia. Esta que acabas de mencionar es una…

B. C. : Sabemos que el universo comenzó con un Big Bang hace 13.820 millones de años…

J. H. : Pero la mayoría de nosotros no tenemos ni idea de lo que ese Big Bang significó en realidad.

B. C. : No, y aún estamos tratando de comprender exactamente qué es lo que sucedió, y es posible que nunca lleguemos a entenderlo.

Otra cosa: el premio Nobel Richard Feynman, el famoso físico, dijo que, si se destruyese todo el conocimiento en la Tierra, el dato que querría que todo el mundo supiese es que todas las cosas están compuestas de átomos. Es decir, que existen determinados elementos fundamentales del universo, y que los hemos descubierto en el último siglo, más o menos.

J. H. : Esa es otra de las cosas que todos deberíamos saber.

B. C. : Como has dicho, son tres… Creo que la idea de que todos tenemos un antepasado común es extremadamente importante. Y de hecho, entender la teoría de la evolución mediante selección natural de Darwin, esencial para la biología. ¿Cómo llegamos hasta ahí? De nuevo, es algo relevante desde un punto de vista cultural. Y es algo que sabemos.

J. H. : Si tuviese que decidirlo yo, que soy físico de partículas, me inclinaría por el hecho de que existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza, de las cuales la gravedad es la más evidente pero también la más débil.

J. H. : ¿Y las otras tres [fuerzas]?

B. C. : El origen de la vida en la Tierra…

J. H. : Ah, las cosas que ya has comentado. Vale, entonces ¿por qué yo sentiría un bochorno terrible si no conociese Muerte en Venecia o Grandes esperanzas, o lo que sea, pero —iba a decir «yo»…— mucha gente está dispuesta a reconocer que saben muy poco sobre ciencia? ¿Por qué pasa esto?
Has usado varias veces la palabra «culturalmente». Has dicho: «es relevante desde un punto de vista cultural que sepamos…».

B. C. : Esta situación es temporal. Si nos remontamos unos pocos siglos atrás, la ciencia formaba parte sin duda de la cultura popular. Si nos remontamos a Shelley, por ejemplo, a Mary Shelley cuando escribió Frankenstein. Lo escribió porque asistía a conferencias en la Royal Institution y en otros sitios, porque vio a Humphry Davy hablar sobre los asuntos más importantes de la época… Había muchos polímatas. Creo que uno de los problemas actuales es que la ciencia se ha vuelto muy grande y complicada. Pero pienso que las ideas básicas son fáciles de compender, si somos ciudadanos interesados. Y esto es algo tremendamente importante, más importante, en cierto sentido, que conocer cuáles son los hechos. Lo que creo que es muy importante que se sepa sobre la ciencia es esto: es el marco dentro del cual comprendemos la naturaleza.

Y ahora, para ser atrevidos y causar controversia, hablemos de cambio climático.

J. H. : Pero muy brevemente…

B. C. : Hay una pregunta legítima que podemos hacernos: si seguimos quemando combustible fósil a este ritmo, ¿cómo será el clima en 2100? Es una buena pregunta. La única manera de tratar de darle respuesta pasa por emplear el marco científico. Así, hacemos mediciones, desarrollamos modelos, y tratamos de obtener una respuesta. Es fundamental comprender que en ciencia no hay verdades absolutas. Es la única disciplina en la que se puede demostrar que alguien está completamente equivocado. Pero es lo mejor que tenemos, habida cuenta de nuestro conocimiento actual. Esto es algo muy importante.

Ver transcripción en inglés
Brian Cox: It’s important, I think, for many reasons. One is because these great discoveries, as you mentioned –the idea that life on Earth began 4 billion years ago and we all share a common ancestor–, that’s a culturally important statement.
The idea that we’ve measured the age of the universe, 13.82 billion years (that two is important), that’s interesting. The age of the Earth, 4.54 billion years… So we know the story of the origin and evolution of the universe, and the origin and evolution of life on Earth. I think that’s culturally important information.

John Humphrys: But I think… I’ll tell you what, give us what you think are three things we all should know about science. That’s one, you’ve just said…

B. C. : We know that the universe began in a Big Bang 13.82 billion years ago…

J. H. : But we haven’t got a clue, most of us, what that Big Bang actually meant.

B. C. : No, and we’re still trying to understand exactly how that happened, and we may never understand that.
Also, the Nobel laureate Richard Feynman, famous physicist, said that, if all knowledge was destroyed on Earth, then the piece of knowledge he’ like everyone to know is that everything is made of atoms. So there are fundamental building blocks of the universe that we’ve discovered in the last century or so.

J. H. : So that’s one of the things we should all know.

B. C. : Well, as you said, there are three… I think the idea that we all share a common ancestor is extremely important. So, actually, understanding Darwin’s theory of evolution by natural selection, that’s central to biology. How did we come to be here? Again, that’s a culturally significant thing to know. And we know that.

J. H. : Right, and the other one?

B. C. : I think, if it were me, because I’m biased and a particle physicist, I’d say that there are four fundamental forces of nature, of which gravity is the most obvious but the weakest.

J. H. : And the other three?

B. C. : Origin of life on Earth…

J. H. : Oh, the things you’ve been talking about! Alright, why is it then that I would be utterly ashamed if I didn’t know [Mort à Venise] or Great Expectations, or whatever it was, but –I was going to say “I”…– many people are prepared to admit that they know very little about science? What is it?

You kept using the word “culturally”. You said “culturally important that we know…”

B. C. : This is temporary. If you go back a few hundred years, science was absolutely part of popular culture. If you back to Shelley, for example, Mary Shelley writing Frankenstein.

She wrote that because she was at lectures at the Royal Institution and other places, she saw Humphry Davy talk of the big issues of the day… People were in general polymaths.

I think one of the problems today is science has got very big and very complicated, and there’s a lot of it. But the simple ideas, I think, are easy to understand, if we’re just interested citizens. But it’s also extremely important, more important in a sense, than knowing the facts.
The thing that I think is very important is understanding what science is: it is the framework within which we understand nature.

So, if I go in with both feet, and cause controversy, political controversy, let’s talk about climate change.

J. H. : Very quickly…

B. C. : There’s a legitimate question that we must ask, which is, if we keep burning fossil fuels at this rate, what will the climate look like in 2100? It’s a good question.

The only way to try and answer that is a scientific framework. So we and we make measurements, we make models, and we try and give some answer.

The key thing to understand is that science is never right. It’s the one discipline where you can be absolutely wrong, you can be shown to be wrong. But it’s just the best we can do, given our current knowledge. That’s very important.

Fuente: BBC Radio 4.

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Brian Cox visita la mayor cámara de vacío del mundo

Brian Cox visita la Space Power Facility, de la NASA, donde se encuentra la mayor cámara de vacío del mundo, para llevar a cabo el famoso experimento de Galileo consistente en ver lo que sucede cuando se dejar caer libremente al mismo tiempo una pluma y un objeto pesado, como una bola de bolos:

Transcripción

Estoy en la Space Power Facility, en Cleveland, Ohio. Es la mayor cámara de vacío del mundo. En ella se prueban naves espaciales en las condiciones del espacio exterior, para lo cual se extraen las 30 toneladas de aire que hay en la cámara hasta dejar solo unos dos gramos.

Es una construcción curiosa, por razones históricas. Se contruyó en los años sesenta como una instalación donde probar sistemas nucleares de propulsión y eso implica que se construyó en aluminio, para que fuese más fácil gestionar la radiación. El aluminio no es lo mejor, no es el material más resistente para construir una cámara de vacío, por eso, se recubrió con una vasija de hormigón que atenúa la radiación y actúa también como resistencia frente a la presión externa, para que la instalación pueda soportar la fuerza que ejerce el exterior cuando se extrae el aire hasta alcanzar las condiciones del espacio exterior.

El experimento de Galileo es sencillo: tomó un objeto pesado y otro ligero y los lanzó a la vez para ver cuál caía más rápido.

En este caso, las plumas caen hacia el suelo a menos velocidad que la bola de bolos debido a la resistencia del aire. Para poder observar la verdadera naturaleza de la gravedad debemos extraer el aire. Se tarda tres horas en extraer los más de 22.000 metros cúbicos de aire de la cámara.

[Ha bajado dos militorrs en los últimos 30 minutos.]

Una vez que el proceso se ha completado el vacío en el interior es casi perfecto.

[Preparados para el lanzamiento.]

[10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, cámaras encendidas, 2, 1, lanzamiento.]

Han caído exactamente a la vez.

Exactamente. Es exactamente igual.

Isaac Newton explicaría que la bola y la pluma caen porque existen una fuerza que tira de ellos hacia abajo: la gravedad.

Einstein entendería la escena de una manera diferente. La idea más feliz de su vida fue esta: La razón por la que la bola y la pluma caen juntas es que no están cayendo, sino que están en reposo, ninguna fuerza actúa sobre ellas. Y razonaría que, si no pudiésemos ver el fondo,no habría manera de saber que la bola y las plumas se estaban acelerando hacia la Tierra. De lo cual Einstein dedujo que en realidad no lo estaban.

Fuente: Brian Cox visits the world’s biggest vacuum chamber – Human Universe: Episode 4 Preview – BBC Two

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Brian Cox vs. Doctor Who

Esta  semana se han celebrado los 50 años de la serie más longeva de la televisión mundial, la británica Doctor Who.

Brian Cox ha querido sumarse a los festejos a su manera, y el pasado viernes la BBC emitió un programa especial titulado La ciencia del Doctor Who, en el que el profesor Cox trata de dar respuesta a algunas de las preguntas que suscita la serie, como: ¿es realmente posible viajar en el tiempo?, ¿existe la vida extraterrestre en nuestra galaxia? o ¿cómo se podría construir algo tan fantástico como la TARDIS?

Por desgracia, el programa solo puede verse desde el Reino Unido, pero este breve teaser, en el que Cox pone en algún aprieto al Doctor, nos deja con la miel en los labios…

Transcripción

Dr. Who: ¡Eh, Cox! ¡Las manos quietas! Complicado…

Brian Cox: No tanto…

D.W.: ¿No tanto? ¡Ja! ¿Cómo que no tanto? Más allá de la comprensión humana, las coordenadas espaciales relativas internas difieren por completo de las dimansiones que se observan externamente. Así que no…

B.C.: Más grande en el interior que desde el exterior. No me parece tan complicado…

D.W.: No le escuches. Tápate los oídos. ¿Y dónde están exactamente tus oídos?

B.C.: Cómo propulsas algo como esto. La energía que necesita debe de ser enorme…

D.W.: Pues sí… Utilizo un agujero negro.

B.C.: ¿Un agujero negro?

D.W.: Un poco de ingeniería de los Señores del Tiempo. Extraer la energía para alimentar a esta cosa es muy fácil, facilímismo, fácil en n dimensiones.

B.C.: Deberías leer a Einstein. Las fuerzas que existirían si hubiese un agujero negro aquí dentro lo harían añicos…

D.W.: Sí, ya lo sé… Un tipo majo, Einstein, lleva pajarita. Siempre voto por él. Me encanta su pelo. Pero está anticuado, Coxy. ¿Quieres ver mi agujero negro? Lo tengo aquí abajo, en el sótano.

 

Por qué E=mc2, de Brian Cox y Jeff Forshaw, está editado por Debate.

Brian Cox: el papel de la ciencia en una democracia

A finales del año pasado, Brian Cox recibió la prestigiosa Medalla Presidencial que otorga el Institute of Physics, en reconocimiento a su labor de «promoción de la ciencia entre el gran público y de inspiración de la próxima generación de físicos», a través de sus libros, sus programas de radio y televisión, y sus apariciones públicas.

Su discurso en la ceremonia de entrega se centró en los riesgos de la proliferación de la “mala ciencia“, y en la necesidad de continuar invirtiendo en la formación científica de la sociedad. En este breve vídeo, Brandon Fibbs reúne los mejores momentos del alegato de Cox a favor de la ciencia como uno de los pilares fundamentales de la democracia:

Ver transcripción
Vivimos en una sociedad –como dijo siempre Carl Sagan, el gran físico y comunicador– que depende por completo de la ciencia. Que está basada en la ciencia y en la ingeniería.

Todas las grandes decisiones que nuestra democracia tendrá que tomar en las próximas décadas, y a lo largo del siglo XXI, dependen de la ciencia. Se basan en el método científico, en una noción de qué es la razón y la capacidad de llegar a conclusiones basadas en evidencias.

Y si la ciencia se presenta como una especie de Frankenstein, si se tergiversa lo que hacemos, si se venden engañosamente las maravillas de la exploración, entonces nuestras democracias tienen un problema, el mismo que tenemos si nuestra población carece de educación. Para que una democracia moderna y científica funcione como es debido, necesita que tantos ciudadanos como sea posible tengan al menos cierta idea del método científico, cuando no de los hechos en sí.

Cuando le preguntaron: “¿Por qué quiere continuar explorando?”, Humphry Davy respondió: “Nada es tan peligroso para el progreso de la mente humana como suponer que nuestras ideas científicas son definitivas, que nuestros triunfos son completos, que ya no quedan misterios en la naturaleza y que no existen nuevos mundos por conquistar.”

Fuente: Brian Cox on Why Science is Essential to Modern Democracy (Brainpickings)

Vídeo completo del discurso de Cox: “It is not acceptable to promote bad science” (Canal del Institute of Physics en YouTube)

Por qué E=mc2, de Brian Cox y Jeff Forshaw, está editado por Debate.

¿Por qué E = mc2?: nuestra entrevista con Jeff Forshaw

La semana pasada, el profesor Jeff Forshaw, coautor con Brian Cox de ¿Por qué E = mc²?, visitó Barcelona y tuvimos ocasión de hablar con él sobre su libro y muchas otras cosas, incluidas las cuestiones que nuestros lectores nos habían hecho llegar.

Jeff Forshaw y Brian Cox (BBC One Breakfast)
Jeff Forshaw y Brian Cox en BBC One Breakfast

Esto es lo que nos contó:

¿Cuándo supiste que querías ser científico?

Llegué a la física bastante tarde. En el instituto no tuve un buen profesor. Probablemente, esa sea una de las razones por la que me parece tan importante escribir libros. Sé lo que significa que tu profesor de física sea muy malo.

Hasta los dieciséis años no entendía de qué iba eso de la física. Me parecía aburridísima, y era probablemente la asignatura que peor se me daba. Tanto que mi padre, por recomendación de algún amigo suyo, hizo que me mandaran expresamente desde Londres un libro: «Understanding Physics», de Stephen Pople. Aún recuerdo su olor.

Así que me puse a estudiar por mi cuenta con el libro, y al hacerlo me di cuenta de pronto de que era interesante. No era el ejercicio sin sentido que hasta entonces me había parecido.

Entonces decidí que quería estudiar física en el nivel A (entre los dieciséis y dieciocho años, justo antes de la universidad). Y ahí sí que tuve un gran profesor. Esos dos años los hice en otro instituto, y la gente del sitio anterior me intentó convencer de que estudiase geografía en lugar de física, porque la física no se me daba bien. Así que estuve a punto de no estudiar física en el instituto.

Pero una vez que empecé, con ese profesor estupendo, mi curiosidad se despertó. Después fui a la universidad en Oxford, donde tuve profesores excelentes. Y, cuanto mejor entiendo la física, más interesante me parece.

Al principio uno no ve lo interesante que es. Hace falta un buen profesor. A mi primer profesor lo que le interesaba era la disciplina, le daba mucha importancia a que usásemos la regla para subrayar…

¿Y por qué física teórica en concreto?

Con los años, me ha ido interesando más la física experimental. Creo que es fácil dejarse  seducir por la física teórica, porque trata directamente con las grandes preguntas. Si de verdad quieres explicar las cosas, tienes que dedicarte a la física teórica.

Durante la carrera, la física experimental no me interesaba mucho. Pero con los años me he ido dando cuenta de que la física teórica no es nada sin los experimentos. Y he aprendido a apreciar el ingenio de los experimentalistas, y la belleza de sus experimentos.

¿Te interesan otros campos de la ciencia?

Me interesan todos los campos de la ciencia, pero a un nivel de divulgación, no profesional.

Una vez escribí un artículo sobre bioquímica, pero lo que hice fue ayudar a un bioquímico con los aspectos de computación. No sé mucho sobre proteínas, ni nada de eso.

Acabo de leer el libro de Watson sobre el descubrimiento del ADN, escrito en los años sesenta y que aún se sigue vendiendo, y es uno de los mejores libros que he leído para entender el entusiasmo y el caos que se vive en una investigación científica. La mayoría del tiempo no sabían lo que estaban haciendo.

Cosa que también sucede en la física teórica, y que otras disciplinas no ofrecen. Es una gran lección de humildad: la mayoría de las veces estás equivocado.

Me gusta mucho una frase del libro de Garry Kasparov Cómo la vida imita al ajedrez, que dice: «Por desgracia, hay muchas más maneras de equivocarse que de acertar».

¿Tienes algún referente, en física o en ciencia en general?

Mi héroe —y no es una expresión exagerada— es Richard Feynman. He leído todo el material que escribió para divulgación, y gran parte de sus artículos profesionales. Y sus clases de física siguen siendo extraordinarias, están llenas de joyas. The Quantum Universe  [el segundo libro que Cox y Forshaw han escrito juntos] está inspirado por su libro Electrodinámica cuántica: La extraña teoría de la luz y la materia.

¿Has leído el libro de Lawrence Krauss sobre Feynman?

Sí, me gustó mucho. Me gustan los libros de Krauss. A Universe From Nothing también está muy bien.

En un artículo que escribiste recientemente sobre ciencia y religión mencionas este libro de Krauss…

Sí. Creo que exagera un poco. Se lo he dicho a él cara a cara, porque coincidimos en una conferencia en Ginebra, con varios teólogos y filósofos. Es de lo que trataba el artículo al que te refieres.

Cuando Krauss habla de estas cosas, le brillan los ojos. Le gusta la pelea dialéctica, es su estilo. Le gusta hacer afirmaciones provocativas, pero lo cierto es que ayudan a que el debate progrese. Es necesario que haya gente que digas esas cosas, aunque no hay que tomarse al pie de la letra todo lo que dice…

Como su idea del «universo de la nada». De hecho, la «nada» a la que se refiere es el vacío, y creo que es mejor decirlo al revés: el vacío es prácticamente todo lo que hay, y el universo que percibimos es una cosita que existe sobre ese vacío, como la espuma sobre las olas. Así que no es «el universo de la nada», sino «el universo del vacío».

¿Crees entonces que la ciencia debe limitarse a estudiar el «cómo», pero que no puede dar respuesta al «por qué»?

La ciencia no es la panacea, no puede dar respuesta a todas nuestras preguntas. Funciona muy bien para mostrarnos cuáles son las leyes que rigen el mundo natural. Lo que hacemos es descubrir estas leyes, aprender sobre ellas y mejorarlas (en el sentido de hacer que una ley incluya muchas otras menos generales). Y cuando conseguimos algo así nos emocionamos. Pero eso es realmente lo que hacemos: entender las reglas del juego. No creo que sea imposible explicar a un determinado nivel el origen de las cosas, pero sí pienso que es imposible, desde un punto de vista lógico, obtener algo a partir de la nada absoluta, en el sentido de «no hay reglas, y de pronto sí que las hay».

Incluso la idea —sé que ya no está tan de moda pensar así—, en los primeros tiempos de la teoría de cuerdas, de que íbamos a encontrar una teoría del todo, en la que todas las reglas estuviesen determinadas. Pero esas restricciones que imponíamos no sabíamos decir de dónde procedían. El hecho de que el universo tenga que regirse por una lógica matemática no es nada evidente.

Creo que los científicos deberían contentarse con moverse en este terreno. No creo que tengan mucho que decir, en un sentido científico, sobre Dios.

Dios siempre puede estar por encima de todo lo que sabemos de manera científica…

…o incluso integrado con ello. John Polkinghorne, un físico teórico que fue alumno de Paul Dirac, ahora es el Reverendo Polkinghorne y, para él, la belleza de las leyes de la física es evidencia de la existencia de un Creador. Es una de las evidencias más potentes que se pueden invocar en favor de su existencia.

…aunque también se puede invocar en sentido contrario…

…sí, así que supongo que depende de cada cual.

¿Tienes conocimiento de la situación por la que atraviesa la ciencia en España, de los recortes?

Recortar la inversión en ciencia siempre es peligroso. Uno querría suponer que los políticos saben lo que hacen cuando toman esas decisiones. No me sé las cifras de memoria, pero sé que a Brian [Cox] este asunto le interesa mucho.

Una universidad del Reino Unido, ahora no recuerdo cuál, hizo un estudio en el que trataba de cuantificar el retorno que el gobierno obtiene de su inversión en ciencia y, aunque dicha inversión suponía mucho menos del uno por ciento del PIB, la proporción del PIB basada en la ciencia era muy significativa, varias decenas de puntos porcentuales. No recuerdo las cifras.

Lo natural sería plantearse: ¿y por qué no se dobla la inversión en ciencia? Especialmente en países donde la industria de fabricación no es particularmente potente, como España o Reino Unido, pero que sí poseen una experiencia intelectual que no debería perderse…

¿Tenéis este problema en el Reino Unido?

No tanto. Yo no noto que sea tan grave. Los recortes del gobierno en todos los ámbitos implican una congelación del gasto en ciencia, no su reducción.

Y hay áreas donde se realizan inversiones muy dirigidas. Por ejemplo, en la investigación del grafeno. Los investigadores que recibieron el premio Nobel por el descubrimiento del grafeno en 2010 trabajan en mi universidad, en Manchester, y el gobierno ha hecho una importante inversión en esa investigación.

No obstante, sí que existe el riesgo de no invertir en la ciencia más fundamental, porque no está claro cuál va a ser el retorno que se obtenga. Pero uno esperaría que ya hubiésemos aprendido la lección si recordamos, por ejemplo, que la Word Wide Web surgió del CERN, para optimizar la manera que tenían los científicos de compartir datos. Y eso no lo predijo nadie.

Y, por supuesto, las tecnologías que se utilizan en la física fundamental, en los aceleradores, también tienen aplicación en otros ámbitos. Por ejemplo, la terapia con protones, para el tratamiento del cáncer, o las mejoras en la representación de imágenes en medicina debidas al desarrollo de sensores en astrofísica y astronomía.

Además, la sociedad necesita que las personas curiosas puedan dedicarse a lo que hacen, sin impedimentos. Porque esa libertad creatividad inspira a otras personas a hacer cosas nuevas, y eso realimenta un círculo virtuoso. No se puede dirigir de forma estricta a gente así. Es un proceso creativo.

Hablando del CERN, ¿cuál es la importancia del descubrimiento del bosón de Higgs?

Es lo más emocionante que ha sucedido en todo el tiempo que llevo en la física, sin duda. Creo que casi todo el mundo diría lo mismo.

El descubrimiento de lo que muy probablemente sea el bosón de Higgs es un momento maravilloso. Su existencia se predijo en los años sesenta y llevamos buscándolo desde entonces, un montón de gente se puso de acuerdo para construir la máquina con la que encontrar la pieza que nos faltaba en el rompecabezas intelectual.

Ahora tenemos que confirmar que es la partícula que buscábamos. Es como si viésemos una vaca en un campo desde lejos, pero no estamos seguros de qué tipo de vaca es… Porque la teoría no dice únicamente que la partícula existe, sino que también la describe. Eso es lo que debemos comprobar.

Hasta ahora, los datos son compatibles con las predicciones, pero su precisión aún deja margen para que haya desviaciones. Y hay otras teorías que predicen desviaciones relativamente pequeñas respecto a las predicciones del Modelo Estándar. Lo más interesante sería que no fuese exactamente el Higgs que predice el Modelo Estándar. Si lo fuese, en cierto sentido ese campo de investigación se cerraría.

¿Qué esperas o deseas que encontremos más allá del Modelo Estándar?

La supersimetría es una simetría muy atractiva que podría estar presente. Y que predice una partícula de Higgs ligeramente distinta de la del Modelo Estándar. De forma que, si se observan pequeñas desviaciones, podríamos pensar que se trata de una versión supersimétrica del Higgs. Y la teoría de la supersimetría también predice de forma muy natural la existencia de partículas de materia oscura que se podrían detectar en el CERN. Así que aún sigue abierta la posibilidad de que la partícula de Higgs que hemos observado sea una partícula supersimétrica. Cuando dispongamos de más datos sabremos si es así o no. Y el LHC, una vez que se cierre para proceder a la mejora de sus equipos, podría ser capaz de producir esas partícula de materia oscura. Lo cual sería muy emocionante.

Tenemos algunas preguntas para ti de los lectores del blog.

¿Por qué en la equivalencia masa en reposo=energía esta asociada la velocidad c? ¿Por qué existe una constante de velocidad en un cuerpo en reposo? (por Ricardo Heras)

En realidad, la velocidad aparece para definir la energía, casi podríamos decir que por definición. Lo importante de eso que llamamos energía es que se conserva. Pero lo que se conserva en realidad es la masa multiplicada por γ (que se pronuncia «gamma» y es igual a 1/(1-(v/c)2)1/2. Podríamos referirnos a esta magnitud, γm, con otro nombre, como «masa relativista» o algo así, y no utilizar nunca la palabra energía. De hecho, si mc2 se conserva, también se lo hace mc3, o mc, o m.

Pero esa no es toda la historia. La c2 aparece ahí para establecer relación con lo que, en el mundo ordinario, conocemos como energía cinética (la que un objeto posee debido a su movimiento, que normalmente es igual a ½ mv2).

Esa cantidad, ½ mv2, aparece en la fórmula relativista. La fórmula para la energía de una partícula se escribe mejor como mc2 + ½ mv2, en lugar de ½ mv2. Así que, si comparamos la energía que la partícula posee en función de su masa con la que tiene debido a su movimiento, vemos que, para objetos  cotidianos, mc2 es mucho mayor ½ mv2. De manera que la energía almacenada en un objeto en forma de masa es mucho mayor que las energías cinéticas típicas, lo que significa que, si pudiésemos destruir la masa y extraer esa energía, seríamos capaces de hacer que los objetos se moviesen a toda velocidad.

Eso es importante, si queremos comparar la energía almacenada en la masa con la energía de los objetos cotidianos, pero a un nivel fundamental no es importante.

Si γm se conserva, también lo hace γmc2, porque c no es más que una constante. Teniendo en cuenta la simplificación anterior, γmc2 es aproximadamente igual a mc2 + ½ mv2.  Así, para velocidades pequeñas en comparación con c, hemos demostrado que la magnitud mc2 + ½ mv2 se conserva. Para ser más precisos, lo que se conserva es la magnitud γmc2, pero la primera ecuación es mucho más reveladora. Hemos descubierto que existe una cosa que se conserva que es igual a algo (mc2) más la energía cinética. Parece razonable referirse a ese «algo que se conserva» como la energía, pero ahora consta de dos partes. Una es ½ mv2 y la otra es mc2.

De acuerdo con lo que sé sobre el campo de Higgs, es algo así como un “éter” moderno, ello podría implicar que no podemos concebir ningún lugar del Universo en estado de “vacío” con el sentido propio del concepto; así pues, ¿podemos decir que NO existe el vacío propiamente dicho? Siendo así, si pensamos en la teoría del Big Bang, ¿dicho “éter” era ya necesario para concebir un desarrollo cosmológico tal y como lo pensamos hoy en día? De forma que aunque el espacio y el tiempo no se hubieran desarrollado; ¿este campo aparece para dotar de masa a la materia primigenia en el mismo “momento”? (por Joan Enrique Romero)

Así es. En realidad, no existe el espacio vacío. Pero para saberlo no nos hace falta el campo de Higgs. El hecho de que el espacio no esté vacío, y de que no sea vaciable, es una consecuencia directa de la mecánica cuántica. Por mucho que nos esforcemos por extraer todas las partículas de una región del espacio, cuando observemos su interior siempre encontraremos partículas. Las partículas pueden aparecer de la nada y volver a desaparecer en la nada. Una manera bastante correcta de describirlo es a través del principio de indeterminación de Heisenberg, que dice que podemos tomar prestada energía gratis por un instante, y que cuanto mayor sea dicha energía, antes hay que devolverla. De la relación entre masa y energía de Einstein, sabemos que, si disponemos de una cantidad de energía, podemos crear partículas, que desaparecerán un instante después. Así que el espacio vacío no emite partículas, no las podemos observar en directamente en un detector, pero sí podemos confirmar su breve existencia mediante varios experimentos (por ejemplo, la luz que emite un átomo de hidrógeno es sensible a estos efectos).

Desde hace mucho tiempo estoy convencido de que la materia y la energía son en sí la misma cosa, que se nos puede manifestar en diferentes estados, materia o energía. Y me apoyo en la dualidad onda/corpúsculo, en el principio de incertidumbre o en la teoría cuántica. ¿Qué piensa de todo esto? (por Ramón Pagán González)

Toda la materia posee energía, pero también está asociada con otras cosas. De forma que la materia es más que mera energía.

Pensemos en un electrón. Es una fuente de energía. Nos imaginamos un electrón como algo puntual, y es muy difícil definir con precisión la energía que posee un punto infinitesimal, por lo que aquí interviene el principio de indeterminación de Heisenberg. Pero el electrón también tiene momento angular, cuyo equivalente clásico es el de una bola en rotación. Y eso es algo más que energía.

Podemos describir los objetos fundamentales del universo en función de cosas como la energía, el momento angular, el momento lineal… Si puedes especificar todas esas propiedades, tendrás un descripción completa del estado del sistema.

Es decir, que para especificar por completo el estado del universo no basta con conocer la energía, sino que hay que especificar también otras magnitudes, como el momento angular, etcétera.

En resumen: la masa es energía, pero no es solo energía.

 

Por qué E=mc2, de Brian Cox y Jeff Forshaw, está editado por Debate.