Yo quiero ser Físico Teórico - Pedro Naranjo

Y yo quiero ser...Físico Teórico

(Por Pedro Naranjo)

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¿Por qué ser científico?

“¿Mamá, por qué veo la luz con tantos colores en ese espejo?” “¿Y por qué cuando salto siempre caigo al suelo?” Éstas son sólo dos de las cientos de preguntas que cualquier niño/a hace para saciar su curiosidad. Desafortunadamente, esta inocente curiosidad hacia los fenómenos naturales que nos rodean se va perdiendo a medida que crecemos. Pero no en el caso del científico.

En efecto, la característica esencial de un científico es su interés, en muchas ocasiones rozando la obsesión, sobre el funcionamiento de la Naturaleza. En algunos casos, tal interés se centra en una única rama de la ciencia (matemáticas, química, biología,…); en otros, por su parte, el científico cuestiona aspectos tan variados como las mareas, la fotosíntesis o la evolución de las especies. En los albores del pensamiento científico, allá en la época de los presocráticos hace unos veintiséis siglos, los pocos que se preocupaban por la Naturaleza, los filósofos, tenían un rango de intereses bastante amplio. Tras el letargo intelectual en que se sumió Europa durante unos diez siglos, el Renacimiento impulsó el desarrollo de la filosofía natural y la tecnología, culminando en la Revolución Industrial. A partir del s. XIX, la filosofía natural dejó paso a la ciencia moderna, que se especializó en diversas disciplinas debido a la acumulación del conocimiento científico.

Una de estas ramas de la ciencia, quizás la segunda más antigua por detrás de la astronomía, es la física. No es nada fácil definir qué estudia la física, ya que las teorías modernas han roto viejas fronteras entre distintas ciencias. A modo de ejemplo, ¡toda la química se explica mediante teorías físicas! Y la astronomía, en su día una ciencia independiente, no es más que la aplicación de la física a los cuerpos celestes. Incluso la biología, tradicionalmente totalmente separada de la física, es susceptible de modelos teóricos aproximados basados en los mismos conceptos de la propia física. Así, podemos decir que la física estudia… ¡todos los procesos naturales!

Física: experimental vs teórica.

Conviene aclarar la diferencia entre física experimental y física teórica. Para ello, es más útil comentar brevemente un par de ejemplos.

Astronomía.

Los orígenes de la astronomía se remontan a la época sumeria de la antigua Mesopotamia, hace unos cinco milenios, que figuran en los catálogos de estrellas de la antigua Babilonia, hace unos 3200 años. El objetivo era la ayuda en navegación y la confección de calendarios para organizar la retahíla de festividades religiosas. Su trabajo consistía en realizar observaciones, sin importarles la causa de los movimientos celestes. Sin apenas cambios significativos, las tablas astronómicas babilónicas llegaron a manos de Ptolomeo en el s. II, con las que creó su modelo geocéntrico del Universo (esto es, el Sol, los planetas desde Mercurio hasta Saturno y las estrellas fijas). Tuvieron que pasar unos catorce siglos hasta que Copérnico desarrollase su modelo heliocéntrico, el cual inspiró  a Kepler a hallar las leyes del movimiento planetario.

Kepler se basó en las modernas observaciones de Brahe, quien mejoró notablemente la precisión de los aparatos astronómicos. Gracias a ello, Kepler dispuso de una ingente cantidad de datos para tratar de encontrar la causa del movimiento celeste. Aquí es donde entra en escena su condición de teórico. Pasó varios años calculando cómo debían de ser las órbitas de los planetas para que concordasen con los datos de Brahe. En particular, se obsesionó con el díscolo Marte, cuya órbita exhibía un movimiento retrógrado del planeta. Al final, tras un esfuerzo mental extenuante, logró enunciar sus famosas leyes. Así, tenemos:

-Observacional: Las tablas astronómicas de los babilonios, primero, y de Brahe, después, que sólo se preocupaban por su uso, sin entrar en las causas de los movimientos observados.

-Teórico: Los modelos de Ptolomeo y Copérnico, primero, a partir de los datos babilónicos, y de Kepler, después, tomando las observaciones de Brahe. Los tres, Ptolomeo, Copérnico y Kepler sí tratan de explicar los movimientos celestes; otra cosa es que hoy día consideremos que el último, el modelo de Kepler, sea el mejor.

Electricidad, magnetismo y luz.

El segundo ejemplo sobre la diferencia entre experimentación y teoría tiene como temas la electricidad, el magnetismo y la luz. Antes de ello, conviene aclarar la diferencia entre observar y experimentar. Básicamente:

-La observación es un acto pasivo, donde la persona se limita a ver qué pasa con un proceso natural dado. El movimiento planetario es un ejemplo claro. No podemos cambiar las posiciones o velocidades de los cuerpos celestes para ver qué ocurriría si sus valores fuesen distintos. Son los que son.

-La experimentación, por su parte, es una tarea activa del experimentador. Él o ella tienen la libertad de establecer las condiciones iniciales del experimento y de jugar con ellas para analizar cómo influyen tales cambios en la evolución del fenómeno natural. Un ejemplo sencillo es jugar con un conjunto de lentes de diferente tamaño y curvatura, así como con la distancia entre ellas y el foco de luz. El experimentador controla las condiciones del proceso y puede obtener imágenes con distintas características (color, tamaño, derecha o invertida, etc.).

Volvamos a la historia de la electricidad, el magnetismo y la luz. A riesgo de trivializar en exceso el desarrollo histórico, nuestros protagonistas serán el inglés Michael Faraday y el escocés James Clerk Maxwell.

Durante el siglo XVIII y primera mitad del XIX, numerosos científicos, culminando con Faraday, habían realizado toda una serie de experimentos sobre electricidad y magnetismo que dejaban claro que existía alguna relación entre ambos fenómenos. Enfaticemos que estamos hablando de experimentar, no observar. Por tanto, estos científicos controlaban las condiciones de sus experimentos y las modificaban convenientemente para estudiar los cambios. Además, algo muy importante, estos físicos, al contrario que los astrónomos (babilonios o griegos), sí se interesaban por las causas de los procesos físicos. Faraday sabía perfectamente cuándo una corriente eléctrica generaba magnetismo o, al revés, cuándo un imán daba lugar a una corriente eléctrica. Lo que ignoraba era la relación exacta entre electricidad y magnetismo.

El reto era precisamente elucidar tal relación. Partiendo de un riguroso estudio de los descubrimientos de Faraday, Maxwell se propuso hallar una teoría que unificase la electricidad y el magnetismo, es decir, un conjunto de ecuaciones que describiesen todos los hallazgos experimentales sobre los procesos electromagnéticos. Al igual que Kepler, se sumergió en el problema durante varios años (en tres etapas, ¡eso sí!). El resultado, cuatro ecuaciones que, como el genial Einstein dijo, supusieron un antes y un después en la historia de la física. Porque estas ecuaciones no sólo unificaron la electricidad y el magnetismo: la luz, el objeto de estudio de la óptica durante los dos siglos anteriores, ¡resulta que no es más que una manifestación del electromagnetismo! Así, de una tacada, Maxwell logró explicar de manera unificada fenómenos tan dispares como los rayos, el funcionamiento de la brújula o el arcoíris.

Fig. 1. Las figuras muestran la teoría de Maxwell: arriba, el espectro electromagnético barriendo longitudes de onda y frecuencia/energía; abajo, las componentes eléctrica y magnética de una onda electromagnética genérica (la parte magnética no se ilustra arriba, pero iría perpendicular al plano de la pantalla, como se indica abajo).

Por tanto, podemos resumir la diferencia entre experimentación y teoría:

-El físico experimental se centra en realizar meticulosos experimentos para comprobar una hipótesis. Tales experimentos generan una enorme cantidad de datos a analizar. A continuación, propone modelos para obtener una explicación cualitativa de los resultados. Además, puede emplear sencillas ecuaciones para lograr una estimación cuantitativa de los datos. En general, los experimentos se refieren a un área concreta de la física (en el ejemplo, electricidad y magnetismo).

-El físico teórico, por su parte, explica resultados experimentales mediante modelos matemáticos más avanzados que los modelos usados por los experimentales, lo que le permite una mayor descripción cuantitativa. Y si es bueno, el teórico también unificará, en un mismo conjunto de ecuaciones, procesos que aparentemente no tienen una misma causa. En nuestro caso, Maxwell creó el electromagnetismo. Finalmente, una buena teoría debe predecir nuevos fenómenos que nadie haya contemplado antes (ya sean físicos experimentales o teóricos). Maxwell predijo que la luz no es sino una manifestación del electromagnetismo, algo que se verificó experimentalmente una década después de su muerte. Así, tres ramas de la física que inicialmente no guardaban conexión entre ellas, electricidad, magnetismo y óptica, se fusionaban en una sola.

Lo que me llevó a ser físico teórico.

El motivo por el que una persona decide (porque tiene la opción de elegir) ser científico/a es necesariamente una cuestión muy personal. En mi caso, me decanté por la física precisamente por el hecho que hemos comentado arriba, a saber, que sus ideas y métodos se pueden aplicar, en principio, a cualquier fenómeno natural. En otras palabras, la física es la ciencia más general de todas.

            

¿Y por qué físico teórico? Como hemos dicho, una teoría busca relacionar procesos aparentemente distintos. Esto requiere de abstracción, es decir, la capacidad de hallar patrones comunes en diferentes objetos (llamar ‘ ’ a peras, en un problema, y a monedas, en otro, nos permite usar las reglas de las ecuaciones en ambos casos). Esta abstracción exige matemáticas cada vez más avanzadas a medida que progresa la física. Y, bueno, ¡me encantan las mates! Así que, en resumen, soy físico teórico porque en ello convergen dos pasiones: i) unificar fenómenos naturales y ii) las matemáticas.

Para concluir, quisiera resaltar las dos cualidades más valiosas de todo científico: la honestidad y la pasión. Puede parecer algo sin mucha importancia. Permitidme contar una historia real que me ha servido de inspiración.

El físico inglés Julian Barbour es una persona peculiar. Tras su doctorado, se dio cuenta que, honestamente, no entendía qué era eso que la gente llamaba “tiempo”. Sabiendo que este tipo de cuestiones tan “filosóficas” no están de moda en los departamentos de física, decidió no seguir el camino normal de un investigador. Durante toda su vida, trabajando como traductor de artículos científicos del ruso al inglés, ha estado obsesionado con desarrollar una teoría física despojada del concepto de tiempo. Ésta es su gran pasión.

Tuve el privilegio, en mis años de doctorado, de pasar un fin de semana en su casa rural cerca de Oxford. Me di cuenta que mi situación era muy similar a la suya cuando tenía mi edad. Desde entonces, procuro seguir el camino por el que me conduce mi pasión, la gravitación cuántica, aunque ello signifique tener que buscar un trabajo no directamente relacionado, pero que, al menos, me permita la mayor libertad posible.

La ciencia es un largo viaje hacia la búsqueda de territorios inexplorados.

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Pedro Naranjo

Doctor en Física

GeometricEnergyCorporation, Calgary, Alberta, Canadá

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