¿Por qué el cielo es azul?

No es que este artículo de la BBC lo explique con sencillez, entre otras cosas porque no es una explicación sencilla, pero me encantó encontrármelo y leerlo para conocer la historia detrás de este experimento de John Tyndall (1820-1893):

Cuando quiso saber por qué el cielo se ve azul en el día y rojo al atardecer, los instrumentos que usó fueron sencillos:

Armó un simple tubo de vidrio para simular el cielo y usó una luz blanca en un extremo para simular la luz del Sol.

Descubrió que cuando llenaba gradualmente el tubo de humo, el haz de luz parecía ser azul desde un costado pero rojo desde el otro extremo.

Se dio cuenta de que el color del cielo es el resultado de la luz del Sol dispersándose por las partículas en la atmósfera superior, en lo que ahora se conoce como el «efecto Tyndall».

Lo fascinante es que, con los conocimientos teóricos que tenían a mediados del siglo XIX fuese capaz de explicarlo, teniendo en cuenta que no conocían como hoy en día la naturaleza de la luz, ni tenían claro el concepto de molécula y ni hablar de su relación con la radiación electromagnética.

No obstante, ya había tímidos intentos de hacer comprensible (comprehensible) la materia, por parte de Bernoulli, de Dalton, de Avogadro… y otros pioneros del principios del S XIX.

Para mí, ha sido una obsesión permanente el comprender la naturaleza de la materia, la naturaleza del universo, de mí mismo… la naturaleza… y ¿todavía queda alguna duda de que la naturaleza es lo que más me importa en este mundo?

Estadísticas y la historia de la Ciencia

Esta es una fotografía de 1927 sobre una Conferencia sobre electrones y fotones en el 5º Congreso de Solvay, es decir, sobre el origen de la mecánica cuántica, en los albores de la comprensión profunda de la estructura de la materia.

Pero claro, hoy en día publicarla supone un reto a las estadísticas y las revisiones:

Hay una única mujer (la doblemente galardonada con el Premio Nobel, Marie Curie) en un grupo de 29 personalidades de la ciencia. Aproximadamente 3,5%.

Eran tiempos difíciles para la mujer en la ciencia, entre otras cosas. Siguen siéndolo y son importantes las reflexiones como la que está realizando la prima de Carmen de la Rosa: Mujeres Ingeniosas.

No obstante, también podemos destacar otros datos:

0% Personas negras.
0% Personas asiáticas.
0% Otros colectivos étnicos y/o geográficos

Hay un elevado número de personas carentes de pelo en la parte superior de la cabeza.

Hay un elevado número de personas con pelo en la cara, ya sea en la parte superior como en la inferior de la boca.

Hay un elevado número de personas vestidas con traje. Me atrevería a decir que la totalidad de las personas de sexo masculino.

Hay un elevado número de personas vestidas de colores oscuros (a pesar de que la fotografía no permite especificar mucho más, debido a que fue tomada en blanco y negro, como era habitual en la época).

Hay un elevado número de personas sentadas y lo habrían estado todas si no fuese por la necesidad o conveniencia de caber dentro de un enfoque bastante más cuadrado que horizontal.

Hay un elevado número de personas serias, no sonrientes, si bien sería algo habitual de la fecha en la que se tomó la instantánea pues no solía ser «instantánea» y era más fácil mantener la postura sin sonrisas.

Hay un elevado número de personas con zapatos, aunque no se adivinan los calzados de las personas que están en segundo o tercer plano.

Las estadísticas ponen acentos allá donde desean ponerlo y ese acto es tan poderoso como habitualmente ignorado.

Hoy, no quiero más que guardar esta fotografía de personas (un elevado número de ellas) a quienes he admirado (a su pensamiento y obra) muchísimo a lo largo de mi vida y por quienes hoy comprendo el mundo de una manera mucho más analítica y racional que si no se hubiesen reunido en este 1927 en un congreso sobre electrones y fotones en un lugar llamado Bruselas.

Ayer fue mi cumpleaños

Cumplir años es algo que me resulta
bastante indiferente
y algo
perturbador
pues no acabo de comprender
qué es eso
de los años
ni los días
según consideremos
años sidéreos
años de calendario
años de 365 días
y días…

¿Qué es un día?
¿Qué es un año?

Hace 14 días (¿días?)
cumplí
365 x 57

y no sé si he dado
57 vueltas al Sol
o he acompañado
en el periplo universal
al Sol
en unas espirales
que parecen atornillar
galaxias.

No obstante
no deja de ser
(basta de negaciones)
un símbolo más,
una palabra
ambigua:
cumple
años
que carece de un significado
científico
preciso
y sin embargo
embarga
la emoción
sentirse acompañado
por tantas personas
que
a mi alrededor
se han ido conformando
como un universo electo
de estrellas
de planetas
de asteroides
de materia
orbital

que
como en el problema de los tres cuerpos
no sólo gira
sobre mí
ni yo sobre tantos astros
sino que fabricamos
un enigmático
punto de gravedad intermedio
sobre el que nuestro momento angular
oscila
en mitad de un mundo mucho más grande
mucho más distante
pleno de materia oscura
de energía oscura
de agujeros negros
de nebulosas pardas

para
en última instancia
vibrar al son de unas cuerdas
inaccesibles*
(Plank mediante)

* me habría gustado mucho más terminar con innaccesibles

Fotografiar un holograma

Fotografiar un holograma es especialmente complicado, porque la luz juega con la luz para producir la imagen y para reflejarse en el soporte. Este doble juego convierte en otro juego el futil intento de captar en la bidimensionalidad de una fotografía la pseudo-tridimensionalidad de un holograma.

Como cada año, recibo con mucho orgullo este regalo postal que me hace mi admirado Pepe Buitrago y siempre queda pendiente enviarle algo que esté a la altura de su generosidad. No es ni siquiera posible económicamente, pero me quedan las ganas.

«Negro» literario

He recibido una propuesta laboral relacionada con encargos para escribir textos de los que no me siento especialmente orgulloso, pero que son acordes con el objetivo de quien desea contratar mis servicios.

El otro día, durante una amistosa conversación algo acalorada con mi familia con motivo del quincuagésimo sexto aniversario de boda de mis padres, me recomendaban que rentabilizase mi relación con ese cliente que podría acrecentar mi fama allende lo que yo puedo lograr por mis propios medios. Sin embargo, mi opinión era que no quería aparecer con mi propio nombre en esas publicaciones, pues no es un texto del que me sienta especialmente orgulloso (como ya dije).

Repentinamente fui consciente de que quizá esa expresión tan poco siglo XXI, como es la de «negro» literario, igual no tiene que ver con la explotación, sino con la invisibilidad. Incluso una invisibilidad deseada por el autor. Aunque de no ser así, de no ser deseada sino ocultación intencionada por la parte contratante, es una forma en la que la invisibilidad se tiñe de explotación. Quizá de ahí el paralelismo inapropiado con lo que vivieron los millones de seres humanos en la lamentable historia de la esclavitud y la trata de personas.

En absoluto es el caso del que se trata en mi posible contratación: Siento que no quiero ser visto, que deseo la mayor opacidad en cuanto a la autoría de mis textos para este fin destinados, o incluso la más pura transparencia, para que quede a manos de quien paga por el texto, sin quedarse la rúbrica de mi firma.

Vantablack
De Surrey NanoSystems – Surrey NanoSystems, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34139562

Quizá por ello recordé el material que pretende ser el más negro de los existentes, en el sentido de no reflejar absolutamente nada de radiación, limitándose a reflejar un 0,01% de emisión de la radiación recibida.

El Vantablack es una especie de «bosque» de nanotubos verticales que están en crecimiento. Cuando la luz alcanza el material, en lugar de reflejarla, queda atrapada siendo continuamente desviada entre los nanotubos de una forma alotrópica del carbono.

También me acordé del nombre no muy afortunado dado a la «materia oscura» o la «energía oscura», que deben su nombre, no tanto al anonimato, sino a su inexistente relación con la radiación electromagnética. Al menos que se haya observado hasta ahora.

Postulados de Bohr

Es un placer poder comunicar el asombro que sentí cuando descubrí que la realidad era aún más compleja que como me habían contado hasta el momento, a mis tiernitos 17 años.

Yo leí la Teoría de la Relatividad de Einstein cuando tenía 16, pero creo que no la comprendí, ni mucho menos la parte matemática de la misma. Leí el Principio de Incertidumbre de Heisemberg una semana santa sacándolo de la biblioteca del Instituto de Bachillerato Mixto de Colmenar Viejo. Me estalló la cabeza.

Quería comprender y no tenía a nadie cercano que pudiese explicarme lo que había leído.

Mi profesora de química, que no sabía nada de mecánica cuántica, me remitía a Ana Cañas, que era la profesora de física que no me daba clase. Pero que tenía a bien discutir conmigo sobre la viabilidad de la existencia de partículas elementales diferentes a las que conocíamos, esos protones, esos electrones, esos neutroncillos… e intentar justificar o hacerme entender que la singularidad en las ecuaciones de Lorentz que usaba Einstein en su Relatividad Especial no aplicaba a los fotones, pues su masa en reposo no tiene sentido.

Gracias a ella quizá terminé por estudiar Química Cuántica y ver todo lo que me faltaba por ver… que siempre será inabarcable. Conocí a gente estupenda, como mi queridísimo Xabi López Pestaña, con quienes compartimos conversaciones sobre mujeres y mecánica cuántica, sobre el mar, el urbanismo, la política y los grupos de simetría.

También a Alberto Luna, que me enseñó a valorar Dune y sus gusanos, o José Luis Sanz Vicario, a quien le regalé mi querida pieza del Principio de Incertidumbre.

Este sábado pasado tuve la suerte de poder dar una clase sobre la importancia teórico-filosófica de las revoluciones físicas de la Relatividad (Especial y General) y la Mecánica Cuántica. Hablé del debate Bohr-Einstein, de la dualidad onda-corpúsculo, de la deformación del espacio, de la concepción del espacio absoluto cartesiano… los ejercicios son sencillos, pero la comprensión de la repercusión de esta revolución del conocimiento es algo que engrandece la mente hasta lugares inimaginables.

En la imagen que sirve de cabecera a este artículo está mi demostración de cómo inferir desde los postulados de Bohr las explicaciones para la fórmula de Rydberg de los espectros electromagnéticos.

Los átomos son huecos

Quizá mi influencia por las matemáticas me ha llevado a pensar que lo más importante del descubrimiento de los elementos atómicos, de los tipos de átomos que existen, lo básico de la naturaleza de la materia, es el hecho de que se parecen al teorema fundamental de la aritmética aplicada al mundo físico:

Fascinado por el platonismo y cierta pasión por la teoría pura, cierto pitagorismo de siglo XXI, hay algo que me fascinaba en el hecho de que la totalidad del universo estuviese conformada por una serie de partículas elementales (no importa si ahora esas partículas se ha demostrado que son a su vez combinaciones de otras partículas subatómicas). Ladrillos elementales a partir de los cuales se construye el todo, como esos números primos que componen cualquier otro número racional, mediante la división de todo número entero entre otro número entero descomponibles ambos en sus correspondientes únicos productos de números primos.

No había atendido a la estructura atómica, aunque relacionada con la misma de forma unívoca, es decir, la estructura atómica define el elemento al que pertenece el mismo átomo. A lo que no había atendido era a la disposición de esas partes subatómicas en el átomo. Miraba la parte meramente material y no lo inmaterial:

Hoy, leyendo el libro de IDEAS del siglo XX, de Peter Watson, he vuelto a atender a los experimentos de Rutherford y lo más llamativo ha resultado ser el hecho de que en realidad los átomos son prácticamente vacíos. Es decir están conformados por cargas centrales y cargas deslocalizadas alrededor suyo pero esencialmente espacio vacío. ¡Espacio vacío! La materia es atravesable, sí: atravesable por otra materia, con lo que solemos entender como frontera por tanto carece absolutamente de sentido pues todo es interpenetrable por todo.

¿No resulta sorprendente o paradójico visualizar un universo de vacío y sin embargo sentir que todo está lleno de algo?

De mecánica cuántica, amor y entrelazamientos…

Leyendo una red social me encontré una imagen (de esas que contienen texto con frases mascaditas) con alusiones al entrelazamiento cuántico y el amor, así, ni más ni menos.

Estoy tan habituado a encontrar la palabra «cuántica», palabra que creo comprender con bastante precisión, en entornos tan disparatados como las terapias o mantras new age, que casi ya ni leo cada vez que veo algo así y no sea en un perfil de algún amigo de la carrera (estudié química cuántica, por si alguien no lo sabe).

Pero esta vez me sorprendió que no fuese la típica tontería. Lo dejo a modo de prueba:

¿Qué tiene que ver el entrelazamiento cuántico con el amor?

De acuerdo con la ciencia, poco o nada, en realidad. Sólo es una bonita metáfora que decidí aprovechar, haciendo alusión a las festividades mercadotécnicas de mediados de febrero. Aunque hay quienes van por el ciberespacio proclamando cosas como: «—¿Qué es el amor? —Un intento de crear un entrelazamiento cuántico entre dos o más seres sensibles macroscópicos». Cuestiones metafísicas aparte, vayamos ahora a lo realmente importante acerca de este ilógico efecto enmarcado en la física cuántica: qué es el entrelazamiento cuántico, por qué su descubrimiento forma parte de un hito en la historia de la física, qué pensaba Albert Einstein sobre él y para qué nos pueden servir el entender y el manipular dicho fenómeno.

De la física clásica a la física moderna

La física clásica rige el mundo de lo macroscópico, es decir, explica todo lo que alcanzamos a percibir a simple vista y sucede a nuestro alrededor día a día. El gran protagonista es Isaac Newton (a la física clásica también se le llama newtoniana), físico inglés de mediados del siglo XVII cuyas leyes siguen vigentes en la actualidad. Los principios físicos clásicos inaugurales aparecieron incluso antes de la Antigüedad y no fue sino hasta finales del siglo XIX que comenzaron a tener problemas para explicar algunos fenómenos observables gracias a nuevas tecnologías o metodologías. La clásica, es la física que nos permite comprender conceptos como masa, aceleración, velocidad, inercia, energía, trabajo, potencia, temperatura, unidades de medida… en fin, todo lo relativo a acústica, electricidad y magnetismo, mecánica (sólidos y fluidos en reposo o moviéndose a velocidades muy por debajo de la velocidad de la luz, es decir, a mucho menos de 299 792 458 metros por segundo), óptica y termodinámica.

Por su parte, la física moderna explica fenómenos que escapan de nuestra capacidad perceptiva: ocurren a niveles microscópicos, a velocidades cercanas a la de la luz o en planos cosmológicos. Surgió a través de dos teorías que buscaban superar algunas inconsistencias clásicas y explicar resultados experimentales novedosos que era imposible descifrar en su época: la Teoría de la Relatividad de Einstein y la Teoría de la Mecánica Cuántica de Werner Heisenberg, Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie, Erwing Scrhrödinger et alii. Entre las ramas físicas modernas encontramos: cosmología, «estudio de las estructuras y dinámicas del universo a escala mayor. Investiga sobre su origen, estructura, evolución y destino final»; mecánica cuántica, «estudia el comportamiento de la materia y de la luz, en la escala atómica y subatómica»; relatividad especial «que aplica a las partículas elementales y a sus interacciones —describiendo todos los fenómenos físicos excepto la gravedad—», y general, «que explica la ley de la gravitación y su relación con otras fuerzas de la naturaleza».

Esa «espeluznante acción a distancia».

Llamado «espeluznante acción a distancia» por Einstein, el entrelazamiento cuántico es una suerte de «sincronización» que une a dos partículas, sin importar la distancia que las separe; dicha unión consiste en que estas partículas, una vez que han entrado en contacto y se han entrelazado, comparten estados complementarios simultáneamente (es decir, el estado de una influencia a la otra). Cabe aquí recordar que, de acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas están en una superposición de estados (en varios estados a la vez), «su estado está dado por una función de onda con valor diferente de cero en los dos estados a la vez». ¿Te suena el experimento del gato de Scrhrödinger? Bueno —siguiendo la explicación de Javier Santaolalla—, supongamos que uno de esos estados es el color, que el estado de una partícula es azul y rojo a la vez; al ser medida u observada la partícula, la función de onda colapsa en un estado particular (rojo o azul). Cuando dos partículas se entrelazan, si la primera es azul, invariablemente la segunda será roja, de forma inmediata («en tiempo cero») y aunque las separe una distancia de años luz.

Ahora bien, Einstein le corrigió la plana a Newton respecto a la gravedad, el físico alemán nos heredó una visión del universo en el que la gravedad no es una fuerza instantánea sino una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. Y, entre otras muchas cosas, el nobel de física también estipuló que transmitir información en el vacío a velocidades ultralumínicas es imposible; de ahí su reticencia en torno a la posibilidad de que dos partículas fueran capaces de «sincronizarse» sin importar la distancia. En los años treinta del siglo XX, Einstein se negó a creer que las desconcertantes teorías de la mecánica cuántica pudieran corregirle a él su hermosa Teoría de la Relatividad, y murió sin darles crédito. Décadas más tarde, con base en el experimento mental conocido como la paradoja EPR (nombrada así por ser Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen sus autores), John Bell propuso sustento matemático y dedujo sus famosas desigualdades para confirmar lo propuesto por la mecánica cuántica, pero advirtiendo que: 1) se violaba el principio de localidad y 2) el entrelazamiento cuántico no podía usarse para enviar información de manera instantánea.

Sí, por lo tocante al entrelazamiento cuántico, Einstein se equivocó.

A la fecha, en repetidas ocasiones se ha comprobado la existencia del fenómeno (no obstante, el cómo logra este efecto funcionar, sigue siendo algo por comprender); y no sólo eso, además se han ido superando ciertas lagunas experimentales señaladas por los detractores del entrelazamiento cuántico (incluso se han usado fotones entrelazados emitidos por estrellas). Así, en 2015 se anunció el teletransporte cuántico de dos propiedades de un fotón, llevado a cabo por científicos chinos; en 2016, investigadores británicos demostraron matemáticamente que el entrelazamiento cuántico es necesario para todas las teorías físicas con un límite clásico; en 2017, científicos de la Universidad de Ginebra lograron el entrelazamiento cuántico de dieciséis millones de partículas; y, también el año pasado, un grupo de físicos chinos logró corroborar el entrelazamiento cuántico de partículas separadas por mil doscientos kilómetros de distancia.

¿Y a mí qué puede importarme el «amor» de las partículas?

Pues ciertamente debería importarnos a todos, porque —como toda buena ciencia que se precie de serlo— la física cuántica está aquí para mejorar nuestra calidad de vida o al menos hacerla más fácil. Los especialistas en entrelazamiento cuántico plantean la posibilidad de: crear una batería que aproveche la liberación de energía de algunos estados cuánticos; hacer posible la computación cuántica y desencadenar su potencial; desarrollar una red global de comunicaciones potencialmente inviolable… En suma, los científicos han comenzado a bosquejar las posibilidades tecnológicas inherentes al aprovechamiento de los principios de la física moderna.

Aunque aún falta mucho por descubrir antes de lograr concretar dichos avances tecnológicos. Otro pendiente que persiste es el de hermanar mecánica cuántica y relatividad; tal vez la Teoría de Cuerdas sea la que finalmente haga realidad los sueños de unidad que deseamos nos lleven a la anhelada Teoría del Todo. Y bueno… pensándolo bien, quizá amor y entrelazamiento cuántico sí compartan una que otra cosilla: no se ciñen a distancia, fecha o lógica alguna… Fuente: Belén Ruiz a través del Facebook de un tal Miguel Ángel Martínez Gómez (hoy, mirando información sobre él, he visto que era Físico Nuclear, y lo he entendido).

Por mi parte, sólo me limité a agradecer el texto dejando de manifiesto mi alegría por haber encontrado fondo y no únicamente tonterías con las palabritas de turno:

Maravilloso el texto. Por fin una explicación científica bien redactada y sin pretensiones de usar la palabrería científica para cualquier fin. Única crítica (que es más de rizar el rizo que otra cosa): las leyes científicas no son «vigentes» sino útiles en contextos determinados, es decir, no es que no se haya «derogado» la ley de Newton de la Gravitación Universal, sino que en contextos de cuerpos en los que sea despreciable tanto la relatividad (velocidades altas, masas/energía altas, tiempos minúsculos o distancias enormes) y la mecánica cuántica (moléculas (pequeñas) y todo lo subatómico), es decir, en la mayoría de las cosas que «vemos y olemos», podemos seguir usando la palabra «fuerza» como si existiese y no fuese una consecuencia de la deformación de un espacio no absoluto sino relativo a las masas que lo conforman.

Las ondas Hertzianas de Karlsruhe

Inevitable acordarme de mi amiga María en esta conclusión del libro IDEAS que he terminado de leer hoy, después de varios meses de lenta lectura.

Curioso encontrarme con esta pequeña aventura de un científico en la ciudad que ella habita ahora, pensando que las ondas hertzianas nos mantienen unidos en esta distancia que nos separa en la tridimensional pelota cuya superficie manchamos.

Pero este libro no termina nunca de ser leído. Según lo cerraba, me daba cuenta de cuántas páginas de futuros libros me ha abierto. Me resulta fascinante poder seguir aprendido de por vida.

Esto no es una broma