Juego de física

Esta es la otra cara de la moneda. El lado que muchas veces queda oculto al aprender física. Me refiero a que detrás de cada ecuación hay un escenario real cuya esencia es abstraída y codificada en una fórmula matemática. Y como muestra aquí esta Crayon Physics Deluxe. Un juego interactivo — que en esencia — no es más que una simulación por computadora que hace uso las ecuaciones de la mecánica clásica.

Un poco de humor

Como nunca falta alguien que le vea el lado divertido a las cosas, Abstruse Goose, una tira cómica basada en tópicos científicos; nos muestra una carta del CERN dirigida a la — ahora famosa — partícula de Higgs.

El último párrafo está basado en el guión de una película. ¿Reconoce alguien qué película es?

Aproximación a Galileo

El 12 de enero se inaguró en la ciudad de Guatemala, el Año Internacional de la Astronomía. Para la ocasión tuve el honor de ser invitado por los organizadores para dar la charla de apertura, charla que titulé: “10 Grandes Pasos en 400 Años de Astronomía” y que versó sobre 10 eventos que en mi opinión, luego de 1609,  contribuyeron a moldear la vision actual que tenemos del Universo en que vivimos.  Esos pasos empezaron, lentos y rudimentarios, con las primeras observaciones hechas por Galileo y otros astrónomos Europeos (por ejemplo Thomas Harriot y muchos otros cuyos nombres jamás llegaremos a saber) al final de la primer década de 1600.  Mediante tres pequeñas discusiones que he llamado “reflexiones”, deso ubicar las circunstancias históricas del hombre que observó y publicó sus hallazgos, -Galileo claro y comentar las implicaciones de algunos sucesos previos a sus descubrimientos.

La primera refelxión que deseo hacer es sobre la forma en que percibimos el Universo, y me refiero más explícitamente, a cómo el ser humano se percibe ante lo que le rodea más allá del alcance de sus sentidos. Y es que el concepto que tenemos del Universo ha cambiado a lo largo de la historia de la humanidad, de manera muy radical. Durante siglos de observaciones se pensó que nuestro Universo estaba constituído únicamente por la Tierra, La Luna, El Sol, 5 cuerpos con movimiento propio en el cielo, llamados planetas (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) y la esfera de las estrellas fijas; nosotros estábamos -naturalmente, en el centro.   Este modelo del Universo fué propuesto por Aristóteles (384 BC – 322 BC) y refinado por Ptolomeo (AD 83– c.168) muchos años después debido a que no podía explicar de manera precisa, los movimientos  de los planetas, movimientos que cada día era medidos con mayor precisión.  Este modelo prevaleció hasta que un día de Noviembre de 1572, un hecho aparentemente insignificante alteró las mentes pensadoras de la época:  la aparición de una estrella nueva en los cielos, una supernova. Esta estrella nueva y brillante era la explosión de una estrella mucho más grande que nuestro  Sol y su luz transportó a lo largo de cientos de años luz, un mensaje que fué adecuadamente interpretado por los científicos: los cielos no eran  inmutables. Los cielos cambian.

Las observaciones que se hicieron de esta supernova, conocida como la supernova de Tycho (1572), tuvieron implicaciones tremendas en los años que le siguieron. La implicación más importante para la humanidad, estriba en que debido a que esta era una estrella “que no estaba allí antes” y que por lo tanto, abrió la posibilidad a que quizás nuestro Universo estaría organizado de otra forma, dando lugar a formas alternativas de pensar. Esta supernova activó  en las mente de muchos científicos, reflexiones que conllevaron a la época del Renacimiento, poco tiempo después de 1572. Es esta la segunda reflexión que deseo hacer. ¿Puede usted imaginarse cómo fué botar un modelo del universo que duró mas de 1000 años en pocos años? ¿Puede usted imaginar el enfrentarse, como ser humano a la posibilidad, de que hay otras formas de explicar el mundo en que vivimos y que no somos el centro del Universo como lo afirmaba el modelo de la época? Es mas, que de hecho ¡Somos capaces de descifrar por nosotros mismos cómo es el mundo en que vivimos!

Por otro lado, las implicaciones más importantes para la astronomía fueron i) la creación de mapas estelares, puesto que era necesario e imprescindible contar con cartas celestes precisas para registrar futuros acontecimientos similares y ii) realizar observaciones del cielo de forma periódica para registrar las características de eventos similares que alteraran la harmonía de los cielos. Estos dos ingredientes más otra sopresa que estaba por aparecer pocos años después prepararon el terreno para recibir y dar su debida importancia, a las observaciones realizadas mediante telescopios años después.

La supernova de 1572 fue seguida por la supernova de 1604 conocida como la supernova de Kepler (SN 1604). Esta observación puso el punto final sobre la necesidad de realizar observaciones de manera sistemática y meticulosa y rebatió completamente la idea sobre la inmutabilidad de los cielos.  Esto preparó la receta perfecta para lo que estaba por venir, dígase por un lado, (i) la revolución Coperniciana, ya que debido a la contínua observacion todavía a simple vista, se demostró que el modelo de Ptolomeo no explicaba de manera simple el movimiento de los cuerpos y por otro, (ii) la necesidad tácita de realizar observaciones cada vez más precisas.

Es por eso, que cuando Galileo apunta su telescopio al cielo y publica sus resultados, sus observaciones fueron más que bienvenidas en los círculos académicos e intelectuales. La Luna resultó tener cráteres y montañas, Venus presentaba ‘fases’ como la Luna, Júpiter resultó estar rodeado de una cohorte de satélites naturales, Saturno presentaba dos protuberancias a lo largo de uno de sus ejes,  y la Vía Láctea -la nebulosa que adorna las noches claras y sin Luna, -resultó ser una nube gigantesca de estrellas. Esto y sus ideas acerca de realizar experimentos y verificar los resultados de los mismos bajo diferentes circunstancias abrió una nueva escuela de pensamiento. Las consecuencias de esto fueron claras, estos descubrimientos desataron las mentes de los científicos de la época y abrieron una ventana que cada día nos revela nuevas sorpresas sobre nuestra forma de entender y percibir el Universo.

Durante mas de 1000 años (más o menos ese tiempo duró la Edad Media), dormitamos en la oscuridad del conocimiento. Sin embargo, un día de 1572, la humanidad despertó con el destello de una supernova; gateó durante algunos años espabilándose de la pesadilla medieval para luego caminar con paso firme por las avenidas del pensamiento crítico, objetivo y científico gracias a las observacioines y experimentos de Galileo.   Es esta mi tercera y última reflexión.

Para Observar al Cometa Lulin

Copio una invitación enviada por Mercedes Wyss, secretaria del Nodo Nacional del Año Internacional de la Astronomía:

Que tal a todos, espero que se encuentren bien.

El motivo del presente es para invitarles a a la Inauguración del Proyecto Pilar del Año Internacional de la Astronomía “Descubriendo los Cielos Oscuros” a cargo de su servidora. Y que mejor que con una Fiesta de Estrellas (Observación Astronómica), estaremos aprovechando el paso del cometa Lulin, único en su genero, por ser de color verde, es una atracción celeste ya que es el único objeto en el universo de este color.

La actividad se llevara a cabo en el Observatorio Astronómico Cristopher Clavius de la Universidad Rafael Landivar, de 18:00 a 22:00 horas, es gratuito el evento y el parqueo en el Estacionamiento No. 4.

Cabe mencionar que la actividad es abierta al público, así que pueden invitar a quien ustedes quieran para que asistan.

Si alguien tiene telescopio, puede llevarlo, por mas pequeño que sea, si no sabe utilizarlo, pues le podemos explicar ese mismo día si esta dentro de nuestras posibilidades como se maneja, solo que me tendrían que avisar que lo van a llevar, así les puedo conseguir parque en el Estacionamiento No. 1, que queda justamente en frente del Tecnológico Universitario, donde esta el Observatorio, así no tienen que atravesar la Universidad con el equipo.

Bueno, me despido de ustedes, esperando contar con su grata presencia el día Lunes 23 de febrero.

Saludos,

Mercedes Wyss.

Invitación a la Fiesta de Estrellas, 23 de Febrero de 2008, de 18:00 a 22:00 en el observatorio de la Universidad Rafael Landívar

La falacia de la energía georotacional

Desde hace ya algún tiempo, me he venido enterando de la idea que impulsa del Ing. Fradique Lee: la energía georotacional. El Ing. Lee propone utilizar la energía de rotación de nuestro planeta para satisfacer la creciente demanda mundial. Suena muy bien. Sin embargo, al visitar el sitio web uno se da cuenta que tal idea no es más que sarta de disparates. La exposición de ideas no tiene secuencia lógica ni ofrece una deducción basada en principios fundamentales. No se menciona ni siquiera la ley de conservación de la energía. Se tiran argumentos al aire, se redefinen conceptos existentes y todo se conecta con lenguaje técnico de tal manera que quien lo escucha pensaría que la idea es un verdadero descubrimiento científico.

El Ing. Lee no es el primero ni el único con ideas exóticas. Pero cuando se trata de vender ideas pseudocientíficas en las universidades y otros ambientes académicos, dando como resultado que la gente crea en estas mentiras; uno no se puede ni debe quedarse callado.

Argumentos distorcionados

En el sitio se encuentran afirmaciones sin sentido como:

Prácticamente el huracán es un medio de conectar equipotencialmente diversas latitudes, las cuales al tener una diferencia en sus velocidades relativas, permite una ganancia o aceleración sumada a la fuerza centrífuga dirigida al ecuador, al efecto de Coriolis y al efecto Fradiquelee.

Efecto Coriolis: Es un efecto inercial, los cuerpos se oponen al cambio de estado en el que se encuentran.

Esa definición del efecto de Coriolis suena más bien a la primera ley de Newton. El efecto o fuerza de coriolis es similar en su naturaleza a la fuerza centrífuga. Sin ir muy lejos, la wikipedia ofrece algunos ejemplos de la misma.

Esencialmente, los errores que se cometen son:

1. Argumentación sin conexión lógica
2. Ignorancia del principio de conservación de la energía
3. Redefinición de conceptos ya establecidos
4. Análisis de situaciones con conceptos inadecuados
5. No existe un solo cálculo que demuestre la veracidad de las ideas

Alguien podría preguntar ¿por qué es necesario que se tenga que presentar cálculos y ecuaciones? La respuesta es: porque la mecánica clásica (y la física en general) es una ciencia exacta. Los conceptos físicos tales como fuerza, velocidad, energía, rotación, aceleración, etc. se rigen por principios representados por medio de ecuaciones matemáticas. Uno no puede simplemente tomar esos conceptos y hacer los malabares que nos vengan en gana, puesto que la Naturaleza no se comporta de la forma que a nosotros se nos antoje. Si aspiramos a crear nuevas tecnologías, tenemos que jugar con las reglas impuestas por la Naturaleza. Esas son las reglas del juego, las leyes de la física. Y si a alguien no le gustan o no le parecen, ¡pues que simplemente no juegue!

Falacias

Esta es una muestra de una idea falaz:

… si pusiéramos un tubo de Paris hacia Barcelona, la canica saldría para Barcelona, aumentando su velocidad. Pero imagínense meter miles de canicas en el tubo para que fuera continuo

El Ing. Lee obviamente se olvidó que después de que las canicas viajan de París a Barcelona, se necesita energía para mandarlas de regreso a París para que el ciclo continúe. Si en algún momento se ganó energía, ahora la vamos a perder al transportar las canicas de Barcelona a París, puesto que ahora hay que moverlas en el sentido contrario de la supuesta aceleración. Nada cambia si en lugar de canicas usamos agua. Esta idea es como querer construir una planta hidroeléctrica. Pero en lugar que utilizar una caída de agua natural (como una catarata) para impulsar las turbinas, utilizamos una bomba de agua para elevar el líquido a una cierta altura y dejarlo caer sobre los generadores. Simplemente no hay ganancia de energía porque la bomba de agua también requiere energía para su funcionamiento.

Este ejemplo no es más que la antigua fatamorgana de la máquina de movimiento perpetuo, esta vez vestida en el disfraz de la energía georotacional.

Enredado en su propia cuerda

A pesar de que no se ofrece ningún cálculo que avale la idea de la energía georotacional, la única fórmula que se muestra es errónea de varias maneras. Veamos el enunciado:

A través de la siguiente ecuación el Ing. Fradique Lee demuestra la existencia de esta energía y afirma que con esta herramienta se puede producir la cantidad de energía electrica que la humanidad desee.

<Mw>

He aquí los errores:

1. Una fórmula no es condición suficiente de que algo exista y mucho menos cuando no se presenta el razonamiento que conduce a la misma. Esto me recuerda a cuando calificaba los exámenes de física básica de algunos de mis alumnos (por cierto, esos alumnos perdieron el curso).
2. La fórmula sirve para calcular energía, ¡pero las unidades están en Mega watts! las cuales son unidades de potencia y no de energía.
3. Las unidades de las variables de la ecuación no dan como resultado ni energía ni potencia. La fórmula tiene unidades de distancia elevadas al exponente 7/2, que están muy lejos de ser unidades de energía o potencia.

Un hecho interesante es que esta idea de la energía georotacional no aguanta su propio peso, es decir, sucumbe ante sus propias predicciones. El sitio web dice:

1 bastón de 50km de largo y 30m de diámetro, produce 46,000 Mw

Eso suena increible. ¿Qué tal si aplicamos la fórmula anterior a un tubo de 10 metros de largo y 25 centímetros de diámetro? Pues resulta que este modesto tubo nos da casi 50 watts de potencia, ¡suficiente para una bombilla! Pero pongámonos a pensar. Supongamos que alguien puede tomar una manguera, sumergirla en el mar o en un lago y — como si nada — al momento de sumergirla, el agua empieza a fluir de un extremo a otro de la manguera. Esta es una conclusión absurda. Un ejemplo aun más revelador consiste en usar de nuevo la misma fórmula para un tubo de 1.6 metros de largo (la estatura de una persona) y 1 metro de diámetro. Este tubo también produce cerca de 50 watts. Lo que esto significa es que si tomamos un pedazo de tubo de concreto de los que se usan para canalizar aguas negras o un tonel abierto de ambos lados y los ponemos en el mar o en un lago, vamos a obtener una corriente de agua al momento de sumergir el tubo. De nuevo, una conclusión absurda.

De manera que no hace falta apuntar los errores de la idea del Ing. Lee, puesto que la misma ni siquiera es autoconsistente. Se puede demostrar que las predicciones de la supuesta teoría son falsas por reducción al absurdo.

Vergüenza y preocupación

En todas partes siempre hay gente que dice tener nuevas teorías. Lo vergonzoso es cuando estas personas deciden ignorar los conocimientos básicos y reemplazar conceptos conocidos con sus propias definiciones. Aun más penoso es que ni siquiera se toman la molestia de darle una leidita a la wikipedia y mucho menos de citar fuentes bibliográficas en su sitio web.

En inglés, la palabra para describir a estas personas es: crackpot, que es una persona excéntrica con ideas irreales y fanáticas. Es común encontrar este tipo de sitios en internet, donde los autores se esfuerzan por describir sus nuevas teorías del universo. John Baez, físico matemático de la Universidad de California en Riverside, ha escrito un crackpot index para clasificar ideas potencialmente revolucionarias. Es una desafortunada coincidencia que el sitio web de la energía georotacional cumpla con muchas de las características allí mencionadas.

Ya para terminar

No tengo nada en contra de la creatividad e imaginación de nadie. Lo que sí considero totalmente inapropiado y éticamente incorrecto es engañar a la gente, ya sea por ignorancia o premeditadamente. No hay nada peor que alguien que se quiera hacer el experto utilizando un lenguaje técnico y enredado que nadie entiende.

Si a alguna persona le quedaban dudas de la importancia de invertir en ciencias básicas, este caso demuestra que tal necesidad sí existe. Eso no significa que el número de crackpots vaya a disminuir. Sino más bien que va a haber personas que no se van a dejar engañar. Sobre todo aquellas personas en posiciones claves. ¿Se imaginan ustedes que se destinara dinero a un proyecto de este tipo, que carece de todo mérito científico?

Como si no tuvieramos suficiente con los problemas socio-económicos en Guatemala, ahora también hay que desenmascarar la pseudociencia.

¡Feliz cumpleaños Darwin!

Así es, hoy Charles Darwin está cumpliendo 200 años de haber nacido. Su contribución a la ciencia ha dejado una huella profunda. “El origen de la especies” es una muestra del método científico en acción. Su trabajo es relevante incluso al nivel de nuestra vida cotidiana ya que pone al género humano en los mismos términos que cualquier otro ser vivo que habita este planeta, introduciendo así el concepto de la evolución.

¿En qué puede trabajar un físico?

Ya que estamos hablando de la carrera de física en dos posts anteriores, es natural preguntarse ¿y dónde podría trabajar como físico? Durante mi años en la USAC, muchos de mis compañeros me lo preguntaban y siempre me quedaba corto de respuestas. En aquel entonces, lo que me importaba era aprender física y con un poco de suerte iba a poder encontrar un trabajo de profesor. En Guatemala probablemente esa es la ruta con mayor tráfico. Sin embargo, en países desarrollados las oportunidades son más abundantes.

Tratando de responder esa pregunta, llegué la página del American Institute of Physics, en donde se muestran estadísticas muy interesantes sobre empleo para físicos. Este estudio se llevó a cabo en EEUU con datos de 2005 y 2006. A nivel licenciatura, en cada año hubo alrededor de 5000 físicos graduados. El 57% encontró trabajo en el sector privado y el resto se fue a la educación e investigación entre otros. De la fracción contratada en el sector privado, casi dos terceras partes se concentran en ciencia y tecnología, como se ve en este gráfico.

Me parece que no hace falta mencionar el gran contraste con nuestro propio país. Entre las empresas estadounidenses que contratan físicos se encuentran: Goldman Sachs, IBM, Polo Ralph Lauren, Apple Computers, AT&T, Bank of America, Google, Intel, Jet Propulsion Laboratory, Medical Research Products, TiVo, Cargill, Texas Instruments, etc. La lista detallada esta aquí. Como se puede apreciar, hay toda una variedad de dónde escoger. ¡Y esto es a nivel licenciatura! Con un doctorado, las puertas se abren otro poco más, sobre todo para el área de investigación.

Así es que si alguien por allí pensaba que el destino de un físico era exclusivamente el aula de una universidad, no podría estar más equivocado. Que en Guatemala estas oportunidades no existan, es un tema totalmente diferente. Y mientras no existan seguirá habiendo “fuga de cerebros”, que no son sólo físicos, sino profesionales de otras ciencias y de ingeniería que podrían contribuir al desarrollo de nuestro país. A pesar de esto, el prospecto de una carrera en física es muy bueno, aunque muchas veces eso signifique emigrar al extranjero.

La carrera de física — el doctorado

En un post anterior, hablabamos sobre los temas que se estudian en una licenciatura en física. Ahora pasamos al siguiente nivel, lo que se estudia en un postgrado en física. Definitivamente, diferentes universidades alrededor del mundo tienen sus propios programas de estudio, su forma de hacer las cosas y también tendrán aspectos en común. Así que me voy a limitar al sistema de las universidades en EEUU — que para fines prácticos — nos debe dar una idea general.

Primeramente, existe la idea que para estudiar el doctorado primero que hay que estudiar una maestría. Esta es una práctica que va en desuso. Una vez que el estudiante es aceptado en un programa de postgrado, es cuestión de gustos el hacer una maestría o un doctorado o sacar la maestría en el camino del doctorado. La maestría dura unos dos años y consiste básicamente en profundizar en las áreas fundamentales que mencionamos en el post anterior. Para graduarse uno debe acumular cierto número de créditos y escribir una tesis. Incluso existe la opción de tomar más cursos en lugar de hacer una tesis.

El doctorado dura entre cuatro y siete años. Su principal objetivo es aprender a hacer investigación original y aportar conocimiento nuevo a la ciencia. Para lograrlo, los primeros dos años son dedicados a llevar cursos avanzados de física (los mismos de la maestría). Los cursos básicos y obligatorios son de nuevo en las mismas áreas fundamentales que ya habíamos mencionado: mecánica clásica, mecánica cuántica, electrodinámica y métodos matemáticos. Los cursos tienen los mismos nombres que los de pregrado, pero los contenidos son más profundos. En mecánica clásica se estudia el principio de mínima acción y la formulación generalizada de las ecuaciones de movimiento, que es el punto de partida para el estudio de teorías más sofisticadas. En mecánica cuántica se aprende la representación de Heisenberg y aspectos más formales y fundamentales de dicha teoría, así como aplicaciones a problemas de dispersión de partículas, teoría de perturbaciones y estados de spin. En electrodinámica se aprenden herramientas matemáticas más sofisticadas y poderosas para el análisis de campos electromagnéticos. Sobre todo, se profundiza sobre detalles que fueron obviados en cursos de pregrado. En este curso, mi impresión personal es que uno se detiene a analizar aquellos problemas que en los libros de pregrado llevaban el comentario: “…este tema está fuera del alcance de este libro”. Finalmente, métodos matemáticos… fue más que todo un buen repaso, pues el libro de texto era el mismo que el habíamos usado en la licenciatura.

Una vez completada la parte de cursos obligatorios, hay toda una amplia variedad de cursos optativos que uno puede llevar, dependiendo de lo que a uno más le gusta. Es allí en donde uno se empieza a especializar en una rama específica y también donde se aprenden las teorías más modernas de la física. Aquí se encuentran cursos como teoría cuántica de campos, relatividad general, formación estelar, mecánica celeste, materia condensada, mecánica estadística, partículas elementales, física de plasmas, física atómica, superconductividad, física del estado sólido, teoría de cuerdas, óptica cuántica, etc. Los cursos más avanzados dependen fuertemente de las áreas de investigación en las que los profesores trabajan. También es posible llevar cursos fuera del departamento de física. Opciones comunes son cursos impartidos por los departamentos de matemática, ciencia computacional, geología, química o biología. Todo depende del interés de cada quien.

Cuando se está por completar los cursos necesarios (allí por el segundo o tercer año), es buen momento para empezar a buscar un asesor de tesis y trabajar en un tema de investigación. Una vez que se llevan los cursos requeridos, el resto del doctorado (dos o tres años más aproximadamente) es dedicado al estudio de uno o varios problemas en la punta de lanza de la investigación. A partir de este punto, el asesor de tesis va a ser la persona que más influya en la formación académica. La relación estudiante-profesor es del tipo aprendiz-maestro, por lo cual la elección de asesor es un paso muy importante en el doctorado. Para poder hacer investigación, uno empieza a leer artículos y se mantiene al tanto de las últimas publicaciones. La idea es producir un resultado nuevo, una contribución original y que por tanto sea publicable en una revista científica. Esta es la mejor parte del doctorado. Es la parte donde se adquiere el conocimiento necesario para poder discutir con los expertos, en donde hay problemas abiertos esperando a ser resueltos ¡y en donde existe el riesgo de tomar caminos que no conduzcan a ningún lado! Todo es parte del quehacer científico. Por eso mismo el doctorado no tiene una duración definida. Obtener resultados puede tomar más tiempo de lo previsto, o el plan original de investigación puede encontrar obstáculos que no se esperaban. Lo importante al final de cuentas es lograr resolver los problemas y contribuir al conocimiento científico. El doctorado termina al escribir la disertación con los resultados de la investigación para su posterior defensa oral, que viene siendo el examen final de doctorado.

En lo personal, el doctorado es una aventura y un gran privilegio. Uno pasa varios años dedicado tiempo completo al estudio de los principios fundamentales que rigen el universo que nos rodea, llegando al punto en donde el conocimiento tiene sus límites. Poder llegar a extender ese límite, aunque sea solamente una pequeña fracción, es una oportunidad única en la vida.