Yo quiero ser Física Experimental - Ángela Mediavilla Trabada

Y yo quiero ser...Física Experimental

(Por Ángela Mediavilla Trabada)

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La curiosidad

¿Qué es un físico? Si tuviésemos que responder a esta pregunta, sin duda diríamos que ante todo es un ser curioso.

Cuando somos niños, alrededor de los cuatro años de edad, sentimos un impulso que nos lleva a una explosión de porqués. “Mamá ¿por qué el cielo es azul?”. “Papá, ¿por qué flotan los barcos?”. Y así sucesivamente. Este elevado número de preguntas vuelve locos a nuestros padres y a todos los que nos rodean. Lamentablemente con los años esta curiosidad, esta sensación de maravilla y sorpresa ante el mundo, se extingue en algunas personas. Puede que, por la fuerza de la costumbre, nuestro entorno deje de impresionarnos y nos refugiemos en la excusa del “siempre ha sido así”. El hielo siempre ha flotado sobre el agua a pesar de ser sólido, el Sol siempre ha salido por el Este al amanecer, la lluvia siempre ha caído hacía abajo, mi café siempre se enfría si espero unos minutos… Pues bien, un físico no acepta el argumento del “siempre ha sido así”. Los científicos cuestionan cada uno de estos fenómenos y, lo que es más importante, intentan darles una explicación razonada, sin recurrir a mitos o leyendas.

El método científico

El método científico, es una aproximación al estudio de la realidad, a la búsqueda de respuestas a esos porqués, a través de un enfoque empírico y deductivo, es decir, mediante la experimentación. Todo experimento que se precie debe ser repetible y refutable. Repetible en el sentido de que cualquier persona, en cualquier lugar, pueda reproducirlo obteniendo resultados idénticos. Refutable en el sentido de que admita la posibilidad de que diferentes diseños en los que se tengan en cuenta parámetros distintos puedan matizar los resultados previos o incluso desmentirlos. Los físicos huyen de las verdades absolutas, dejando la puerta abierta a nuevos descubrimientos o enfoques, siempre que éstos estén razonados y sean demostrables. Ésta es una de las grandes fortalezas de la ciencia, que se revisa continuamente a sí misma, que no es pretenciosa ni absolutista, que no se cree en posesión de la verdad, sino que se aproxima a ella, actualizándose, dudando continuamente.

Las unidades

Siempre que hablamos de experimentar hablamos de medir, y medir es comparar. Cuando una persona dice que tiene una masa de 75 kilogramos, está comparando su masa con la de 1 kilogramo y diciendo que es 75 veces la de éste. Por eso muy pronto los seres humanos se dieron cuenta de que era muy importante tener unidades, cantidades estandarizadas con las que comparar cada magnitud física o propiedad medible. Imaginemos que tienes un amigo en Groenlandia con el que solo te comunicas por teléfono y queréis comparar vuestras alturas. Ninguno de los dos tiene una cinta métrica disponible, así que decidís usar las palmas de vuestras manos. Suluk te dice que su altura son 9 palmos y tú aseguras que la tuya son 10. ¿Significa eso que tú eres más alto? No tiene por qué. Ten en cuenta que nunca habéis comparado las palmas de vuestras manos y no sabéis si son iguales (requisito fundamental para usarlas como unidad de medida). Hagamos una pequeña cuenta, supongamos que la palma de tu mano mide 18 cm y la de Suluk 20 cm:

-Tu altura será: 10 palmos · 18 cm/palmo = 180 cm = 1,8 m

-La de Suluk será: 9 palmos · 20 cm/palmo = 180 cm =1,8 m

¡Suluk y tú tenéis la misma estatura!

Los científicos necesitaban poseer una referencia universal y única con la que comparar sus mediciones, por eso se crearon los sistemas de unidades. Actualmente usamos el Sistema Internacional, que está compuesto de siete unidades de medida básicas que sirven para medir siete magnitudes fundamentales [1].

El resto de magnitudes se denominan derivadas y pueden expresarse en función de las siete anteriores. Esto hace imprescindible definir de forma rigurosa cada una de las unidades fundamentales. Veamos cuáles son las definiciones de algunas de ellas.

El metro

Volviendo al problema de estatura con nuestro amigo Suluk, lo ideal sería usar ambos el metro como unidad de medida para comparar nuestras alturas, pero no tenemos cintas métricas a mano, debemos fabricarlas. Para fabricar un metro podemos usar una cinta de tela pero… no podemos hacerlo sin una referencia. El metro original fue definido en 1792 por la Academia de las Ciencias de Francia como la diezmillonésima parte de la distancia que separa el Polo Norte de la línea del ecuador, a través de la superficie terrestre. Como no resulta cómodo tender una cuerda desde el Polo hasta el ecuador y partirla en diez millones de fragmentos cada vez que se quiera fabricar una cinta métrica, en 1889 la Comisión Internacional de Pesos y Medidas creó una barra patrón de platino e iridio con dos muescas en su superficie que estaban separadas exactamente un metro. Esta medida debía tomarse como referencia en unas condiciones ambientales determinadas, (recordemos que los metales se dilatan cuando aumenta la temperatura). Tener que ir hasta la Oficina de Pesos y Medidas en Sèvres, a las afueras de París, cada vez que queramos fabricar un metro resulta poco práctico, además hay que tener en cuenta que la barra original envejece y se desvirtúa con el tiempo. Necesitamos algo que sea asequible, universal y que no varíe, para que cualquier científico en cualquier parte del mundo pueda reproducirlo. Por todo esto, desde 1983 el metro se define usando luz, que tiene una velocidad constante en el vacío como bien apuntó Albert Einstein y un reloj muy preciso. Un metro es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299792458 de segundo [1].

El kilogramo

Para la unidad fundamental de masa se conserva en la misma Oficina de Pesos y Medidas un patrón de forma cilíndrica, con altura y diámetro iguales (39 mm), formado por una aleación de platino e iridio cuya masa es de exactamente un kilogramo [1]. Existen varias reproducciones oficiales que se utilizan para calibrar todo tipo de básculas e instrumentos. Su cuidado exige que se almacene en unas condiciones ambientales estrictas y su limpieza y manipulación requieren un complicado protocolo para no desgastarlo o dañarlo. Actualmente es la única unidad fundamental que todavía se basa en un patrón y no en propiedades o características físicas fundamentales. Se está intentando cambiar esta definición para no depender de un objeto físico concreto [2].

El segundo

Desde el principio de los tiempos los seres humanos han usado los fenómenos astronómicos para medir el tiempo, buenos ejemplos de ello son el día y la noche o las estaciones. Anteriormente el segundo era definido como una fracción de tiempo del año solar medio, se usaba la cantidad de tiempo que la Tierra tarda en dar una vuelta completa alrededor del Sol y se dividía en muchas partes iguales llamadas segundos. Lamentablemente los ciclos astronómicos resultan no ser absolutamente precisos, y sus periodos cambian, aunque sea mínimamente, con el transcurso de los años. Como ya hemos visto, se necesita una definición muy exacta e invariable. Actualmente el segundo es la duración de 9192631770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133, en reposo y a una temperatura de 0 K [1]. Expliquemos esta obtusa definición, los átomos son los ladrillos que forman la materia y están compuestos a su vez de partículas más pequeñas, electrones, protones y neutrones. Los electrones se encuentran en niveles u orbitales, podríamos describirlos como “carriles” por los que se mueven dando vueltas alrededor de un núcleo en el que se encuentran los protones y neutrones. Dependiendo del carril u orbital por el que se muevan, los electrones tienen una energía determinada y a veces “saltan” de un carril a otro. Si el nuevo requiere menos energía que el anterior, el electrón libera la que le sobra en forma de radiación.  Esta radiación es una onda de una frecuencia muy precisa, lo que significa que los intervalos de tiempo entre sus oscilaciones (o periodos) son fijos, y puede usarse como reloj.

El mol

El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12 [1]. El concepto de mol se asemeja al de docena. Yo puedo comprar una docena de huevos (12 huevos) o una docena de coches (12 coches). Una docena son 12 unidades. Un mol es una cantidad algo mayor de unidades, concretamente 6,02214129 · 1023 unidades, o lo que es lo mismo, más de seiscientos dos mil trillones de unidades. Teniendo en cuenta que la población mundial cuenta con más de 7000 millones de personas [3], necesitaríamos multiplicarla por unos 100 billones para llegar a tener un mol de personas. Puede deducirse que esta cantidad tan grande es poco práctica para la vida cotidiana, pero muy útil cuando contamos átomos, moléculas o células, entidades minúsculas. Por poner un ejemplo, debido a su pequeño tamaño se estima que un ser humano puede estar compuesto de decenas de miles de billones de células [4].

Conclusiones

Con esta pequeña introducción al mundo de las unidades he intentado transmitir la idea de lo increíblemente laborioso y delicado que es el trabajo de un físico experimental. Debemos ser rigurosos a la hora de medir la realidad, de acercarnos al mundo. Es el deber de todo científico encontrar las respuestas a los interrogantes más básicos de la naturaleza. Puede parecer que este trabajo deriva simplemente en la satisfacción de una curiosidad innata en el ser humano, sin embargo, a raíz de los descubrimientos de la ciencia básica surgen infinidad de aplicaciones prácticas. Por ejemplo Wilhelm Roentgen en 1895, desarrollando una investigación con tubos catódicos, descubrió los rayos X [5]. A partir de ese momento fue posible observar el interior del cuerpo humano sin necesidad de causar un solo rasguño al paciente. Rudolf Ladenburg, en 1928, observó experimentalmente la primera evidencia de emisión estimulada de radiación, lo cual se quedó en una curiosidad de laboratorio [6]. Años más tarde usando este fenómeno se construyó el primer láser. Hoy sus aplicaciones son muy numerosas, desde lectores de DVD, hasta cirugía ocular, pasando por la holografía. Además, no debemos olvidar que aparte de las aplicaciones prácticas, las recompensas son infinitas, pues el saber, el conocer, el descubrir, aporta una dicha al ser humano que no es comparable a ninguna otra sensación.

¿Algún curioso en la sala?

Referencias:

[1] Oficina Internacional de Pesas y Medidas, “El Sistema Internacional de Unidades (SI)”. 8ª Edición 2006. Centro Español de Metrología.

[2] PTB mitteilungen, “Edición especial – Experimentos para el Nuevo SI, el Sistema Internacional de Unidades”. Berlin, E2016. 126, pp. 63–85. 2016.
[3] https://www.census.gov/popclock/

[4] Bianconi, E., Piovesan, A., Facchin, F., Beraudi, A., Casadei, R., Frabetti, F., .... “An estimation of the number of cells in the human body”. Annals of human biology, 40(6), 463-471. 2013.

[5] Kendall Haven. 100 greatest science discoveries of all time. Libraries Unlimited. 2007. ISBN: 9781591582656

[6] Mario Bertolotti. The History of the Laser. CRC Press. 2004. ISBN: 9780750309110

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Ángela Mediavilla Trabada

Licenciada en Física e Ingeniera de Telecomunicaciones.

Profesora en la Universidad de Burgos y del Colegio Liceo Castilla en Burgos.

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