Tuesday, November 25, 2014
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Los secretos de la física

PRINCETON – Cada febrero comienzo mi curso de Introducción a la Electricidad y Magnetismo en la Universidad de Princeton diciendo a mis alumnos que el programa que vamos a ver durante el semestre es la base de la civilización moderna.

¿Quién podría objetar un argumento así de inocente? Sin los descubrimientos de los físicos del siglo XIX y sus sucesores, apenas podríamos imaginar el mundo de hoy; sin red de energía eléctrica, sin televisiones, sin satélites y sin iPads.

Los físicos están orgullosos, y con razón, de las muchas maneras en que sus logros han beneficiado a la humanidad. Sin embargo, fabricar un foco o un teléfono no significa que las personas entienden sus principios básicos (Thomas Edison y Alexander Bell sin duda no los entendían.) Por desgracia,  muchos de mis colegas –en particular los que escriben libros de texto- presentan la física como una basílica imponente y sin fisuras e ignoran las lagunas en nuestra mescolanza de modelos imperfectos. De hecho, lo que se presenta como una catedral reluciente a menudo se parece más a un barrio de casuchas.

Por ejemplo, tan solo se necesitan ecuaciones de primer semestre para describir razonablemente bien la conducta de un giroscopio; después los ingenieros pueden construir girocompases que guían a las aeronaves o misiles a su destino. Sin embargo, si usted simplemente pregunta, “¿Exactamente hacia qué se dirige el giroscopio?”, entonces usted se mete de lleno en una de las preguntas más profundas de la física, una que condujo a Einstein a desarrollar su teoría general de la relatividad –y que incluso ahora no tiene una respuesta definitiva. No conozco algún libro de texto que la aborde.

En un plano más evidente aunque menos elevado, la fuerza de la fricción hace su aparición en los primeros días de cualquier curso de primer año. Afirmamos, de forma inequívoca, que la fricción impide el movimiento entre dos cuerpos, y recurrimos a sofisticados modelos microscópicos que  muestran cómo las suelas de los tenis se unen a una pista.

Con todo, la fricción produce calor y por ende un incremento en la entropía -que mide la cantidad de energía que no se puede usar para realizar trabajo -y por consiguiente distingue el pasado del futuro. Un aumento en la entropía –la segunda ley de la termodinámica- es la única ley de la naturaleza que hace esta distinción fundamental.

Si la mecánica de Newton es la base de todo, entonces uno debe ser capaz de obtener la segunda ley de la termodinámica de la física newtoniana. Sin embargo, esto nunca se ha logrado satisfactoriamente: la incompatibilidad de la segunda ley con las otras leyes fundamentales es tal vez la paradoja más grande de toda la física.

Aún así, planteamos descaradamente y sin reparo este enigma en los primeros días del curso de primer año. Escribimos ecuaciones que muestran cómo la fricción frena el movimiento de objetos deslizantes o amortigua las vibraciones en los resortes, pero, en última instancia, las matemáticas reproducen meramente nuestras observaciones mientras que ocultan nuestra ignorancia sobre su naturaleza.

Durante décadas –de hecho siglos- los físicos han usado esos trucos y han olvidado que están modelando fenómenos, y no necesariamente revelando la verdad divina. Por ejemplo, podemos sacar fácilmente las ecuaciones de una pelota en un resorte elástico, pero si estiramos el resorte lo suficiente y golpeamos la pelota muy fuerte, entonces no podemos resolver esas ecuaciones. El movimiento se hace caótico y se vuelve imposible la solución matemática exacta.

Actualmente, con las computadoras, podemos estimar la trayectoria tan precisamente como queramos. Sin embargo, esa es la cuestión: la mayoría de los físicos y estudiantes han perdido el sentido de la distinción entre lo aproximado y lo exacto. Ciertamente, podemos aprender algo sobre los sistemas caóticos sin necesidad de resolver las ecuaciones, pero si un matemático anticuado pidiera a un estudiante que predijera la dirección de la pelota, el estudiante reprobaría inevitablemente.

Incluso algo tan fundamental como la ley de la gravedad de Newton es a final de cuentas una aproximación. Los autores de los libros de texto escriben debidamente la famosa ley sin señalar que fuerzas sin límite resultan cuando dos cuerpos que se atraen se juntan infinitamente. No importa que las fuerzas infinitas sean una señal contundente de que su teoría se ha esfumado: en la pila de libros de texto que están en mi escritorio nadie menciona la patología obvia.

En Princeton, nuestro libro de texto acepta el descuido y dice “estrictamente hablando” la ley de gravedad de Newton es válida solamente para partículas. Pues bien, es en el tema de las partículas donde Newton se equivoca –y no solamente en la física de primer semestre. La ecuación básica de la electricidad es la “ley de Coulomb” que rige la atracción eléctrica o la repulsión entre partículas cargadas y se ve igual que la ley de la gravedad de Newton. Ahora, siempre decimos a los estudiantes que imaginen los electrones como partículas puntuales, en cuyo caso realmente tienen que preocuparse por esas fuerzas infinitas.

Los problemas que surgen al modelar partículas como puntos extremadamente pequeños afectan todas las áreas avanzadas de la física. Un aspecto central de cualquier curso de mecánica cuántica es el concepto de electrón “spin” (espín), pero nunca ha quedado claro qué es exactamente “spinning”. Wolfang Pauli, uno de los creadores del concepto, al principio rechazó la idea, porque si el electrón tiene un radio finito, entonces la superficie estaría girando más rápido que la velocidad de la luz. Por otro lado, si se ve el electrón como una partícula puntual, ¿cómo imaginaría usted algo sin un radio giratorio?

Para remediar los problemas de la partícula puntual, los físicos inventaron teorías de campos modernas, con nombres impresionantes como la electrodinámica cuántica. Sin embargo, estas teorías resultaron estar repletas de infinitos al igual que sus antecesoras, y se crearon elaborados esquemas ad hoc para resolver nuevos problemas.

Y así, a pesar de lograr avances que acaparan los titulares, como la teoría de cuerdas, hasta la fecha sigue siendo igual. No se puede cuestionar el éxito anunciado de la física moderna, pero se debe recordar que se está describiendo la naturaleza, y no siempre entendiéndola.

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