¿Qué se estudia en la carrera de física?

Recién salido del colegio, tenía la idea que iba ir a la universidad a estudiar ingeniería electrónica. Pero a fin de tomar una decisión informada, me conseguí los pensa de estudios de todas las carreras de ingeniería de la USAC. Electrónica y química eran mis primeras opciones. Pero eso cambió cuando le di un vistazo al pensum de licenciatura en física. Cursos con nombres que sonaban bonito, que inspiraban asombro y curiosidad. En aquellos tiempos pre-internet, mi fuente de información era un catálogo de estudios con una breve descripción de cada curso. No lo pensé más y me inscribí en la carrera de física, una de las mejores decisiones de mi vida.

Muchos se preguntarán, ¿qué tanta física hay para que se la pase uno cinco años estudiando sólo eso? Pues bien, en la carrera de física uno comparte la base de los cursos de física y matemática de una carrera de ingeniería. La especialización misma se compone, en términos generales, de ciertas áreas fundamentales como: (aquí me voy a basar levemente en el pensum de física de la USAC, pues es el que yo conozco y que además es una buena base.)

Mecánica Clásica, es el estudio del movimiento de los objetos a nivel macroscópico y velocidades mucho menores a la velocidad de la luz. Se estudian diferentes tipos de fuerzas y básicamente se utiliza la segunda ley del movimiento de Newton a una amplia variedad de problemas. Con una sencilla ecuación (fuerza igual a masa por aceleración), uno puede analizar prácticamente cualquier tipo de movimiento.

Mecánica Cuántica, es el estudio del movimiento a niveles microscópicos, en la escala de átomos y moléculas. Aquí uno aprende que las cantidades más pequeñas de energía vienen en paquetitos llamados cuantos y que es imposible medir la posición y velocidad de una partícula al mismo tiempo con precisión infinita. Al aplicar la mecánica cuántica para analizar el átomo de hidrógeno uno aprende de dónde salen aquellos números cuánticos ; mismos que en química eran dados sin mucha explicación para estudiar el llenado de electrones en los átomos.

Electrodinámica, es la parte que estudia todo fenómeno en donde intervienen campos eléctricos y magnéticos así como carga eléctrica. Se aprende cómo es que la carga eléctrica origina el campo eléctrico y que carga eléctrica en movimiento origina un campo magnético. Cuando estos campos varían en el tiempo dan origen a fenómenos tales como las ondas electromagnéticas.

Mecánica estadística, estudia las propiedades microscópicas de un sistema de muchas partículas y su relación con sus características macroscópicas observables. Uno aplica los conceptos estadísticos como valores medios, desviaciones, distribuciones de probablidad, etc. logrando recobrar los conceptos termodinámicos como presión, temperatura y entropía.

Adicionalmente, está el curso de métodos matemáticos en donde se aprende toda una plétora de matemáticas avanzadas aplicadas a problemas de física.

El pensum se completa con otros cursos de física que cubren temas tales como: física nuclear, materia condensada, relatividad, óptica, termodinámica, física moderna, laboratorios avanzados, astrofísica, astronomía y física de partículas, entre otros.

Con todos estos cursos, al final de los cinco años que dura la carrera, uno termina con una base sólida en física. Sin mencionar muchas otras habilidades adquiridas como: pérdida del miedo al ver ecuaciones matemáticas complicadas, una mentalidad diferente de cómo resolver problemas, agilidad para aplicar modelos matemáticos a diversas situaciones, un pensamiento sistemático para analizar problemas complejos. ¡Esto no es exageración ni alardeo! En EEUU hay muchas compañías que contratan físicos y matemáticos para trabajar en áreas que no tienen que ver con física o matemática propiamente dicha. El interés es debido a que estos científicos han demostrado que son buenos para resolver problemas, toda clase de problemas que requieran aplicar modelos matemáticos para estudiar o predecir el comportamiento de un sistema específico. Y no es sorpresa que resulte así, pues en toda la carrera lo que uno hace es precisamente eso, resolver problemas que requieren mucho análisis y mucha matemática. Así se pueden encontrar físicos en lugares poco usuales, haciendo finanzas en Wall Street, en compañías de software y en la industria de producción; sin mencionar los lugares obvios que son las universidades y laboratorios de investigación.

En conclusión, la carrera de física es una opción emocionante y competitiva. A nivel mundial las oportunidades de desarrollo son muy variadas e intelectualmente estimulantes. En Guatemala, el mercado laboral aún es muy pequeño; pero con las decisiones adecuadas eso puede cambiar.

Segunda parte: La carrera de física — el doctorado

Tercera parte: ¿En qué puede trabajar un físico?

SILAFAE

SILAFAE, Física de Altas Energías en Guatemala

La Física de Partículas o Física de Altas Energías usualmente es poco conocida sobretodo en el ámbito guatemalteco, aunque el año pasado a raíz de la puesta en marcha del LHC, el accidente sufrido por éste y la desinformación del posible peligro que representaba la creación de un agujero negro hizo que cobrara por algún tiempo un poco de notoriedad.

Pero al leer acerca del LHC, el cual se encuentra localizado entre Suiza y Francia y está a cargo del CERN, del cual son miembros: Alemania, Austria, Bélgica, Bulgaria, Dinamarca, Eslovaquia, España, Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Holanda, Noruega, Polonia, Portugal, República Checa, Reino Unido y Suiza. Además participan como países observadores Estados Unidos, India, Israel, Japón, Turquía y Rusia resulta casi natural que la gente piense que esto es algo interesante pero solo al alcance de los países ricos y desarrollados o al menos de los países del tercer mundo con un buen grado de desarrollo tecnológico y mucho interés por la ciencia.

Sin embargo América Latina se encuentra presente en el desarrollo de la Física de Altas Energías Teórica y Experimental, en el caso de la Física Teórica donde la inversión es mas baja lo ha estado haciendo desde hace mucho tiempo, aunque creo necesario aclarar que mas baja no significa costo cero, pues el mayor costo, que no se suele considerar en muchos países del tercer mundo, Guatemala incluida, es que se necesita suficiente tiempo y disponibilidad de información actualizada para poder desarrollar este trabajo.

Pero en este caso quiero realzar mas la parte experimental pues puede resultar sorpresivo saber que en el CERN han estado participando Argentina, Brasil, Chile, Colombia, Cuba y México en muchos experimentos y por supuesto incluirá la participación de éstos en el LHC. También se da la presencia de Físicos Latinoamericanos en Fermilab y otros laboratorios de Física de Altas Energías en el mundo; los físicos latinoamericanos a los que me he estado refiriendo y lo seguiré haciendo, no son los latinoamericanos que están trabajando en universidades y laboratorios del primer mundo, sino físicos que trabajan en universidades de países latinoamericanos, cuyos gobiernos y universidades han considerado conveniente invertir en el área de física de altas energías.

Pero el proyecto mas significativo donde los físicos latinoamericanos de altas energías están participando es en el Proyecto Auger que tiene varias cosas relevantes; como el hecho de que el Laboratorio está localizado cerca de la ciudad de Malargue en la Patagonia Argentina y en él están participando Argentina, Bolivia, Brasil y México  junto a varios países desarrollados que corren con la mayoría de los gastos que este proyecto genera. La física latinoamericana ha contribuído en el diseño y construcción de los detectores, los sistemas electrónicos de comunicación entre los detectores y el centro recolector de datos, los programas de simulación que sirven para calibrar adecuadamente los detectores, etc, en fin han estado haciendo tecnología nueva aparte de muchos cálculos y modelos teóricos necesarios para el buen funcionamiento del observatorio. Muchos de los resultados obtenidos por los físicos teóricos y experimentales se presentan en los SILAFAE, Simposio Latinoamericano de Física de Altas Energías que empezaron a realizarse desde 1996 y ya van 7, donde la participación de profesores y estudiantes ha ido en aumento y pese a que los países grandes Argentina, Brasil y México ha sido la mas importante hay cada vez mas países que fortalecen su participación en los mismos, pero desafortunadamente la participación de centroamérica ha sido prácticamente nula. Escribo este comentario pues a pesar de haber estado presente en el SILAFAE desde su fundación no hemos logrado en Guatemala que haya una participación adecuada de estudiantes debido a que tenemos desarrollada nada mas la carrera a nivel de Licenciatura y un programa de Maestría que apenas está tratando de despegar sin un programa de doctorado. Pues son los estudiantes de maestría y principalmente de doctorado quienes tienen el nivel adecuado para poder aprovechar estas reuniones. Pero Guatemala tendría la oportunidad de incorporarse rápidamente a esta colaboración que existe en América Latina, en forma interna y con el resto del mundo, gracias a la buena disposición de todos en colaborar para acrecentar la familia de física de altas energías en el mundo  y el SILAFAE sería uno de esos vehículos que podría acelerar esa integración pues como en ocasiones anteriores el Comité Científico ha mostrado su disposición de realizar en un futuro próximo una de estos Simposios en Guatemala, pese a que nuestra comunidad es pequeñísima, pues estos simposios suelen motivar el crecimiento del área en los países donde se han realizado y con ello llevar los beneficios, no tan obvios, que ésta disciplina deja en los países que invierten en ella. Pero por supuesto que la principal contribución para que eso sea posible debe venir de nuestras universidades y gobierno, dándonos el financiamiento necesario.

La Investigación Científica en América Latina

Motivado a raíz de un artículo que aparece en la página de internet de la BBC titulado “América Latina No Aprueba Ciencia” (http://www.bbc.co.uk/spanish/specials/635_datos_ciencia/index.shtml), decidí escribir esta pequeña contribución para el blog de GuateCiencia.

Y es que este artículo revela con cifras alarmantes la realidad de nuestro querido país en cuanto a ciencia e investigación. Una realidad compartida por casi todos los países de la región.

Por un lado con lo que escribo aquí no quiero negar la existencia de la investigación científica en Guatemala puesto que es admirable que con pocos recursos muchas instituciones logran producir y publicar investigación científica en diversas áreas del conocimiento. También es necesario tomar en cuenta en esta reflexión que escribo, el hecho que existen prioridades en nuestro país, prioridades como la necesidad de brindar educación mínima, salud y seguridad a la población guatemalteca; prioridades que relevan naturalmente, la inversión en investigación científica a un segundo plano.

De acuerdo al artículo en el que baso esta entrada, la inversión en ciencia y desarrollo, está repartida a nivel mudial de acuerdo a los datos que se muestran en la Tabla 1. Nos encontramos por encima de África en cuanto a lo que se invierte en ciencia y desarrollo. Esta estadística está basada en el porcentaje del Producto Interno Bruto (PBI) que cada país ha invertido en ciencia y tecnología. A nivel mundial estamos bastante bajos como región. Pero ahora planteo una pregunta ¿Cómo estamos individualmente? Al hacer un análisis de quienes son los países que aportan ese diminuto 2% mundial al dearrollo de ciencia y tecnología, ocurre que 1.6% de ese 2% (o sea el 80% de la investigación en ciencia y tecnología del total de América Latina) viene de DOS países, ¡Sí solamente DOS!: Brasil y México. El resto contribuye con un 0.4% y está dividido en las pequeñas contribuciones del resto de los países de la región. En la Tabla 2 se muestran, las posiciones individuales de cada país.

En el artículo que menciono arriba, se publican datos muy interesantes sobre los índices que permiten “medir” la investigación en América Latina. Estos índices representan cuantitativamente la situación de cada estado y consisten básicamente en tres aspectos: (1) Porcentaje del PBI destinado a Ciencia y Tecnología, que es un número que refleja la fracción del PBI invertida en éstas áreas por año. (2) El número de publicaciones en revistas científicas referidas y (3) el Coeficiente de Invención (#Solicitudes de Patentes / Población Total), es decir, el número de patentes solicitadas por habitante. Basados en estas cifras nuestro pais ocupa el puesto numero 13 dentro en la region en cuanto al porcentaje del PBI invertido en ciencia y tecnología. Los primeros tres lugares están ocupados por Brasil quien invierte US$ 9932 millones, seguido de México (US$ 2875 mi) y Argentina (US$ 964 mi) respectivamente. Guatemala invierte aproximadamente US$ 12 millones de dólares en investigación y tecnología anualmente, con fondos que provienen principalmente, del Gobierno y de los centros educativos superiores como universidades e institutos de investigación.

En cuanto a la lista de publicaciones, las primeras posiciones se mantienen encabezadas por Brasil con 18765 publicaciones anuales, México con 7541 y Argentina con 5700. Guatemala, vuelve a ocupar el puesto número 13 de la lista con apenas 96 publicaciones anuales. Por otro lado tenemos que de acuerdo al coeficiente de invención, la lista la encabezan Chile (3.52) seguido de Argentina (2.79) y Uruguay (2.79). Guatemala ocupa el puesto número 15 en esta lista con un coeficiente de invención de apenas 0.12 superando únicamente al Perú y a Nicaragua. En la Tabla 2 se muestra el perfil de inversión en ciencias, para los países de la América Latina que invierten en ciencia y tecnología.

Finalmente con esta intervención en el blog, deseo llamar la atención del estado de las cosas en el área de América Latina y hacer notar que esta situación aunque se presenta nebulosa, ofrece esperanzas de mejorar puesto que de alguna manera las políticas que se han empezado a aplicar luego del cese de todos los conflictos armados internos (a excepción de Colombia), ven en la inversión de ciencia y tecnología, una puerta para mejorar la calidad de vida de los ciudadanos de la región.

Tabla 1.

Tabla 2.

25 Años de la Macintosh

Apple Macintosh

El Super Bowl de 1984 presentó al mundo, en un anuncio en los entretiempos que costó US$1.5 millones, una pequeña maravilla tecnológica que tendría un impacto enorme en la forma en que todos trabajamos hoy en las computadoras.
Este mes se cumplen 25 años del lanzamiento al mercado de la computadora Apple Macintosh. Aunque no fue la primera computadora personal (tampoco la PC de IBM lo fue aunque habitualmente se le atribuye ese título) ni tampoco la primera en incluir un Mouse y proveer un interfaz gráfico, se lleva el honor de haber sido la primera que llevó los adelantos de la facilidad de uso, las operaciones intuitivas, y la computación amigable a las masas.

Apple Mac

Se convirtió rápidamente en un éxito comercial y en una especie de icono de culto entre los entusiastas de la computación, a pesar de su costo inicial: US$2,495.
No me imagino cómo sería la interacción humano-computador sin la “Mac”. Seguramente alguna otra habría ocupado su lugar y la forma en que utilizamos los programas sería ligeramente distinta, es por ello que tiene un lugar especial en la historia de la computación.
A veces es difícil reconocer la ciencia y la investigación que está por detrás de un gran éxito comercial como es el caso de la Apple Macintosh. El punto es que mucho antes de 1984, e incluso antes de que las primeras computadoras personales fueran una realidad, un campo emergente de las Ciencias de la Computación estaba dando sus primeros pasos: la Interacción Humano-Computador.
Se trata de un campo multidisciplinario que involucra a la psicología, las ciencias cognitivas, la ingeniería de software, ciencias de la computación, antropometría, ciencias sociales, entre otras. Su objeto de estudio es el ser humano en cuanto usuario de computadoras y otros dispositivos informáticos – como los teléfonos celulares inteligentes. También se le conoce como ciencia de los factores humanos aplicada a la computación o ergonomía de los entornos computacionales, y tiene sus propias leyes como la Ley de Fitts, que establece el tiempo que toma alcanzar un objetivo (como un botón o un enlace) dado el tamaño y la distancia al mismo, o la Ley de Hick que cuantifica el tiempo que toma realizar una decisión en función del número de opciones (como las de un menú en un programa).

Mac

Volviendo a la Mac y a su interfaz de usuario; se puede trazar sus antecedentes hasta Vannevar Bush quien en 1930 ideó una máquina con dos pantallas sensibles al toque, teclado y scanner, en la que los usuarios podrían buscar información por medio de enlaces de forma muy parecida a como actualmente lo hacemos con el Internet. Bush llamó a su diseño “Memex”.
Este trabajo inspiró a Douglas Engelbart que en 1968 trabajaba para el Instituto de Investigación Stanford, y gracias al financiamiento que le proveyó la fuerza aérea de Estados Unidos, diseñó y demostró el primer GUI (Graphical User Interface, o Interfaz Gráfico de Usuario) completo con Mouse, teclado, ventanas que se traslapan, conexiones en red, colaboración entre usuarios, etc., como su trabajo de tesis de doctorado.
Entre los asistentes a su demostración estaban varios ingenieros de Xerox que se basaron en esa demostración para crear diversos prototipos de computadoras personales y finalmente la que sería la primera en comercializarse con un GUI: la Xerox Alto. Esto fue en el año 1973.

Apple Mac

Xerox consideró este trabajo tan importante que creó un laboratorio completo para la investigación de la Interacción Humano-Computador y el diseño de sistemas interactivos: Palo Alto Research Center o Xerox PARC.
El éxito que Xerox no pudo conseguir en la comercialización de sus computadoras fue cosechado por Apple, por cierto no sin pasar por fracasos (como la Apple III o el Newton) y conquistas más bien moderadas.
Aprovecho para felicitar por este aniversario a la gran comunidad de entusiastas y usuarios de las Mac, de los iPods e iPhones, del MacOS y de todos los grandes productos que nos ha entregado Apple en su historia.
Y volviendo al Super Bowl. Si tiene oportunidad de verlo no deje de ver los comerciales, al fin y al cabo puede estar viendo en primicia ¡el próximo prodigio tecnológico!

Estímulo económico

El nuevo equipo de gobierno de EEUU dio a conocer el plan de estímulo económico de dos años. Uno de los puntos a invertir es “la transformación de la economía con ciencia y tecnología”. El paquete contempla $10 billones para instalaciones científicas, investigación e instrumentación; así como $ 6 billones para expandir internet de banda ancha para que negocios en áreas rurales o con poca covertura puedan conectarse a la economía global.

La cuenta va así: $3 billones para National Science Fundation, $2 billones para instituciones de investigación biomédica, $1.5 billones para centros de investigación universitarios, $462 millones para centros de prevención y control de enfermedades, $1.9 billones para el departamento de energía y la lista continúa.

Todavía me parece difícil de creer que un equipo de gobierno apueste de esta forma a la ciencia, tecnología y educación. Es un cambio más que bienvenido.

Astronomía, Exploración Espacial y Aniversarios

Coincidí con un buen amigo, el Ing. Federico Salazar, director de investigación de la Facultad de Ingeniería de la URL, en la conferencia inaugural del Año Internacional de Astronomía 2009, el pasado lunes 12 en el Instituto Italiano de Cultura.

La conferencia dictada por el estudiante de doctorado en Astronomía Eduardo Rubio (físico guatemalteco) titulada “10 grandes pasos en 400 años de Astronomía” estuvo interesantísima, sobre todo porque esos 10 grandes pasos, tal y como lo aclaró el mismo Eduardo, son los que a él en lo particular le llaman la atención en la historia. Así que no escuchamos una fría conferencia académica sino que nos contaron los hechos históricos que han maravillado a un guatemalteco y lo llevaron a convertirse en investigador en el Astronomical Institute “Anton Pannekoek” de Amsterdam, y cuyo trabajo ahora es buscar pulsares en regiones galácticas donde nadie los ha encontrado aún.

Al finalizar, disfrutando de una agradable copa de vino por invitación de nuestros anfitriones italianos, comentamos el tremendo éxito que supone para la NASA los 5 años que llevan funcionando los robots exploradores de Marte (Mars Rovers) especialmente porque las expectativas iniciales eran que no durarían más de 3 meses en servicio.

Se trata de los robots Spirit y Opportunity. El Spirit llegó a Marte el 3 de enero de 2004 y 21 días después le siguió el Opportunity. Ambos fueron construidos tomando en cuenta las condiciones extremas de la superficie marciana, sin embargo, como nadie ha estado ahí y lo que sabemos de ese planeta lo hemos aprendido sobre todo en los últimos 40 años, no era posible anticipar con exactitud a qué se iban a enfrentar estos robots y bajo qué condiciones debían ser capaces de operar.

Su misión principal es la exploración geológica, estudian rocas y suelo marciano en busca de agua (o huellas de presencia de agua en algún momento de la historia) y envían enormes cantidades de información a la tierra, que luego son estudiadas por cientos de científicos. El costo de construirlos y llevarlos hasta el planeta rojo fue de US$800 millones.

El ingeniero Salazar me llamaba la atención sobre un hecho particular de estos dos dispositivos: su eficiencia. Para llevarlos a Marte se gastó una enorme cantidad de energía inicialmente, pero luego recorrieron una distancia tan grande utilizando muy poca y el trabajo que realizan y que produce información que se envía en forma de energía, no utiliza más recursos terrestres, por lo que el sistema casi se puede considerar una mítica máquina de movimiento perpetuo.

El aniversario no es sólo una frívola celebración. Resulta que más o menos el 55% de las misiones de la NASA a Marte han terminado en fracaso. De hecho, misiones posteriores, como el Mars Phoenix Lander, que partió en agosto de 2007 y llegó a Marte en mayo de 2008 (el viaje duró 296 días) no han alcanzado el grado de éxito de estos dos robots que actualmente siguen funcionando a pesar de accidentes o mermas en funcionalidad.

En la sesión de preguntas de la conferencia le pregunté a Eduardo sobre la relación entre la Astronomía y la Exploración Espacial y él nos contestó contándonos sobre otro par de prodigios de ingeniería: los Voyager 1 y 2. Al igual que el Spirit y el Opportunity empezaron su misión con expectativas limitadas y las han excedido por mucho. La idea es que gracias a estos viajeros disponemos de fotografías y análisis de regiones del Sistema Solar que no habría sido posible conocer de otra forma, de manera que Astronomía y Exploración Espacial se complementan la una a la otra.

Por cierto, ambos viajeros están ya cruzando la esfera de influencia del Sol y por tanto saliendo de nuestra vecindad planetaria.

El 2009 es un año de aniversarios. El Año Internacional de la Astronomía celebra precisamente los 400 años de los descubrimientos de Galileo y su telescopio, en 1609, pero también se cumplen 40 años de la llegada del hombre a la Luna, y claro, 5 años de presencia de trabajo de Spirit y Opportunity en Marte.

Páginas de interés:

De la NASA:
Spirit y Opportunity: http://marsrovers.nasa.gov/home/index.html
Voyager: http://www.nasa.gov/mission_pages/voyager/
El 15 y 16 de Enero se transmitirán (webcast) conferencias sobre los robots exploradores y se pueden seguir en: http://www.jpl.nasa.gov/events/lectures.cfm?year=2009&month=1

En Español:
http://www.circuloastronomico.cl/planetas/marte/marte4.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Marte_(planeta)
http://es.wikipedia.org/wiki/Exploraci%C3%B3n_de_Marte

Edge: la pregunta para el 2009

Así como todo lo bueno se acaba, así terminaron mis vacaciones en Guatemala y empiezo un nuevo año con mucho optimismo. Para contribuir a ese optimismo científico, el sitio edge.com publica las respuestas de 151 científicos a la pregunta

¿Qué idea cambiaría todo?, ¿Qué ideas revolucionarias y desarrollos espera ver en el plazo de su vida?

Las repuestas son muy entretenidas e interesantes. Entre las que me llamaron la atención, dándole una pasada rápida a la lista, está la respuesta del físico Haim Harari quien dice que “por fin, la tecnología cambiará la educación”

El mundo de hoy, su economía, industria, medio ambiente, agricultura, energía, comida, poder militar, comunicaciones, lo que usted quiera; están todas basadas en conocimiento. La única manera de pelear contra la pobreza, el hambre, las enfermedades, las catástrofes naturales, el terrorismo, la guerra y cualquier otra maldad; es la creación y diseminación del conocimiento, es decir: investigación y educación.

Carlo Rovelli contempla la posibilidad de que no veamos ningún cambio durante nuestras vidas, siendo que los cambios tarden más en llegar. Lee Smolin propone que el cambio fundamental en la forma de pensar acerca de la naturaleza del tiempo, cambiaría todo. Lisa Randall enfatiza el papel del poder computacional en la investigación científica y Richard Dawkins imagina escenarios hipotéticos en donde se crean organismos cruzando diferentes especies animales en el laboratorio.

Estas y muchas otras ideas son las que — al criterio de los participantes — cambiarían todo lo que damos por sentado o por hecho.