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domingo, 16 de octubre de 2011

"Vete a dormir, ya no pintas nada aquiii..."

Noticias frescas e interesantes (para mí). Desde hace dos semanas estoy trabajando en El Hormiguero, en El Equipo de Ciencias. Si habéis visto el programa, sabréis que es más ciencia-espectáculo que ciencia-divulgación, al menos en el sentido en el que se entiende divulgación en estos lares de la blogosfera. La ciencia del Hormiguero es más directa, tiene que ser muy visual, y con explicaciones sencillísimas. Así lo impone el formato del programa.

Mis aspiraciones serían poder hacer un programa de divulgación más hardcore, tipo Escépticos, donde se pudiese hablar de los neutrinos y de su última incursión más allá del límite de velocidad establecida (¿habrá Guardias Civiles Relativistas detrás para ponerles la correspondiente multa?), o meterme más de lleno en divulgar cosas sobre la física cuántica que me parecen apasionantes. Pero primero tengo que aprender del mundo de la tele, y probablemente, aprender más física de la que sé. 

Hace tiempo tenía en mente que la ciencia como la que se hace en el Hormiguero, la de  Cazadores de Mitos o en otros programas de corte similar, era ciencia facilona, por el espectáculo, y que tenía poco de divulgación. Pero de un tiempo a esta parte (antes incluso de trabajar donde trabajo, no creáis), me he dado cuenta de que sí, no es una divulgación muy exhaustiva de la ciencia ni del trabajo científico, no habla del método científico ni explica el modo de razonar de la ciencia... pero puede hacer que gente que no se ha acercado a estos temas nunca, se pueda llegar a sentir identificado. Es ciencia de fácil digestión, porque sencillamente, alguien que no esté interesado en ciencia en un primer momento, no se va a ver un capítulo de Wonders of the Universe, pero sí que va a ver un Cazadores de Mitos, o va a aceptar con ganas ver la pequeña sección que hay en El Hormiguero.

Y de eso se trata también: gente que no prestará atención a un programa sólo de ciencia, sí que prestará atención a estas secciones, a estos fragmentos más o menos divertidos o amenos en que se cuenta brevemente algo sobre química, física o tecnología. Y casi sin darse cuenta. No sé hasta que punto esas personas terminarán buscando más sobre lo que han visto en estos sitios, o si llegarán a sentirse cada vez más interesados en la ciencia de forma que terminen informándose. Puede que la mayoría no pase de verlo como una simple curiosidad a la hora de cenar. Pero puede, y sólo puede, que haya algunos que sí den un pasito más, que sí comiencen a ver con regularidad el programa para que les cuenten más sobre la ciencia, y que terminen viendo algunos de los geniales documentales que se han hecho y se hacen sobre ciencia. Quiero creer que esto es así. Y hasta que llegue el momento de mi fama mundial y de divulgar hardcore, creo que disfrutaré mucho haciendo esa sección, escribiendo las explicaciones para que pueda entenderlo la mayor cantidad de gente posible, y aprendiendo todo lo posible del mundo televisivo para que no me pille en bragas la fama mundial. ¡Saludos! 

viernes, 1 de octubre de 2010

Efecto Túnel o Cómo la Cuántica se Ríe de Tí

Entrada publicada originalmente en La Ciencia y sus Demonios.

El mundo cuántico está repleto de comportamientos y sucesos que escapan, no ya a la intuición, sino en gran medida a la comprensión de los mismos. Einstein renegó de ese mundo complejo y extraño, y dedicó muchos esfuerzos a intentar derrocar la teoría que él mismo contribuyó a crear (gracias al efecto fotoeléctrico). La paradoja EPR probablemente fuese uno de sus intentos más conocidos y casi exitosos para ello.

Pero lo cierto es que no lo consiguió. La mecánica cuántica se ha mantenido imbatible ante los ataques que ha sufrido, simplemente porque explica lo que ocurre en la realidad. El problema es interpretar esos resultados, entender qué significan realmente esos experimentos. En esta entrada hablaremos de uno de los efectos cuánticos más extraños, más útiles y peor explicados (a nivel divulgativo) de la física cuántica. El efecto túnel.

En pocas palabras, el efecto túnel permite que un electrón (o partícula cuántica) penetre en y atraviese una zona que, en principio, estaría prohibida. ¿Y a qué nos referimos con esto? Cuando decimos que la zona está prohibida para el electrón, nos referimos a que el electrón no tiene suficiente energía cinética (la que tiene debido a su velocidad, por hacer un análogo clásico) para atravesar esa zona, porque hay un potencial eléctrico, por ejemplo, que debería impedir su paso por ahí. Por poner un ejemplo más visual: supongamos que tenemos un cable conectado a una pila y una bombilla, formando un circuito, todo en el vacío, sin aire.
Imaginemos que la bombilla es una bombilla especial, de super-mega-bajo consumo, de tal manera que con que un solo electrón atraviese el filamento, ya se iluminaría. Entonces cortamos un trocito de cable, de forma que la bombilla se apaga. Si pusiésemos los dos trozos de cable muy cerca, pero sin tocarse, la física clásica nos diría que no pasarían electrones a través del vacío, de forma que la bombilla no se encendería.
Sin embargo, según las leyes de la mecánica cuántica, el electrón podría pasar a través del vacío, saltando de uno a otro y pasando por esa "zona prohibida" en la que no hay material conductor por el que moverse. Ese es precisamente el efecto túnel.¿Y podríamos ver que se enciende la bombilla? Bueno, pues realmente no por varios motivos. El primero es que el efecto túnel no se produce siempre: como en todos los efectos cuánticos, estamos trabajando con probabilidades, por lo tanto, podremos calcular la probabilidad de que el electrón atraviese el vacío, pero no ocurrirá con todos los electrones que pasen por el cable, así que no se llegaría a encender la bombilla de forma continua. 
Por otro lado, este efecto depende de manera crítica de la distancia que tiene que atravesar el electrón, del ancho de esa distancia prohibida. La dependencia es exponencial decreciente con la distancia, esto es, que en cuanto aumenta la distancia la probabilidad de que ocurra disminuye exponencialmente. 
Matemáticamente (y que nadie se asuste con la fórmula) se puede poner como e-2ks donde k esta relacionado con el momento del electrón (algo así como su velocidad) y S es la distancia que tiene que atravesar, es decir, el tamaño del espacio "prohibido" que debe superar. Este comportamiento exponencial hace que observar este efecto sea realmente difícil. 
Ahora uno se pregunta: ¿cuándo se produce, cómo se descubrió, cómo podemos observarlo?
Pues bien, se produce a nivel microscópico, lo que significa que no podemos observarlo de forma directa (el ejemplo anterior era una idealización, y no existen bombillas tan sensibles al paso de los electrones, ni siquiera en Ikea). De hecho, para observarlo (más exactamente, medirlo) experimentalmente, hubo que esperar al microscopio de efecto túnel en 1981.
En cuanto a cómo se descubrió, puedo decir que es una consecuencia de la ecuación de Schrödinger, y el primero que lo predijo fue Richard Feynman. Esta ecuación es la más básica que uno puede encontrar para predecir el comportamiento de un electrón, y su solución nos proporciona una fórmula para determinar la probabilidad de que una partícula se encuentre en un lugar determinado. Cuando uno la resuelve para el caso en el que hay una barrera de potencial, o zona prohibida para el electrón, entre dos zonas permitidas (el ejemplo del cable cortado), obtenemos una probabilidad distinta de cero de que atraviese de uno a otro. Es decir, el efecto túnel. No voy a entrar en detalles matemáticos, porque creo que sólo van a confundir más que ayudar, y aquél que quiera profundizar puede consultar la bibliografía.

Ahora bien, creo que puede ser difícil imaginar un ejemplo de una barrera de potencial. De hecho, este es uno de los motivos por los que creo que este efecto está mal explicado a nivel divulgativo. Generalmente, lo que suelen hacer los divulgadores (lo que yo he leído), es compararlo con el caso de una pelota y una colina. Veamos: suponen que lanzamos una pelota colina arriba. Si no le damos suficiente impulso, la pelota no tendrá energía para subir a lo alto de la misma, y luego bajar debido a la gravedad, así que nunca llegará al otro lado. Ahora bien, dicen, cuando tratamos el mundo cuántico, hay una probabilidad no nula de que la pelota pase "a través de la colina" y aparezca en el otro lado, aunque no tuviese energía suficiente.

El problema que le veo a esta explicación, es que conduce a un error que he visto que comete mucha gente, y que yo mismo cometí antes de estudiar la carrera. A saber: uno cree que la cuántica permite que la materia se atraviese, de tal forma que si pudiésemos producir ese efecto a nivel macroscópico, podríamos atravesar paredes y cosas así. ERROR.
En realidad la cuántica no dice que la materia pueda atravesarse. El símil no me parece correcto, porque una barrera de potencial no tiene masa. Sería más correcto decir que es un campo de fuerza que impediría que la partícula pasase por allí. Estoy seguro que el que propuso ese ejemplo (que no recuerdo en qué libro lo leí, lo siento), estaba pensando en el potencial gravitatorio que existe entre la parte baja y la alta de una colina, pero la gente que no está entrenada, fácilmente puede confundir la colina en sí y su materia o masa, con el potencial, que es lo único que nos interesaría en la explicación.

Pensándolo bien, podría hacerse un ejemplo con los Jedis. Podríamos imaginar que Han Solo, que no es Jedi, tiene la habilidad de sufrir efecto tunel en todo su cuerpo al mismo tiempo. Si un Jedi generase un campo de fuerza a su alrededor para "encarcelarle" (un Jedi del Lado Oscuro, claro), Han Solo, cuál electrón de 85 kg, podría atravesar el campo y salir, libre, al otro lado, gracias al efecto túnel. Eso es esencialmente lo que hacen los electrones en los microscopios de efecto túnel, y eso es lo que nos dice que deben hacer, la ecuación de Schrödinger.

Después de todo este rollo, alguien se puede preguntar que para que sirve esto, además de lo puramente académico. Como ya he ido comentando, existe un aparato que se llama Microscopio de Efecto Túnel, cuya invención les supuso el Nobel a Gerd Binning y Heini Rohrer. ¿Cómo funciona? Consiste en una punta metálica extremadamente pequeña, que se acerca al material que queremos observar hasta algo menos de 5 amstrongs. Entre la punta y el material, que debe ser conductor o semiconductor, se crea una pequeña diferencia de potencial (la barrera propiamente dicha) y se mide la microcorriente que se genera. Entonces, como sabemos de qué manera depende el efecto túnel de la distancia, podemos calcular esa distancia entre el último átomo de la punta, y la muestra. Así, haciendo que la punta se mueva por la superficie barriendola, obtenemos un mapa en relieve de la misma. Las imágenes tienen resoluciones atómicas. Además, la mayoría de STM permiten, cambiando la diferencia de potencial y haciéndola suficientemente fuerte, manipular átomos a nivel individual, tal y como hicieron en IBM. Pero en esto último, no interviene el efecto túnel.
     Primera imagen generada y obtenida con un microscopio de efecto túnel
     por los laboratorios de IBM.


Dejo algunos enlaces a otros blogs y páginas que hablan también de este sorprendente efecto, y que seguro que explican más cosas que yo no he hecho. Así que no os quedéis con la curiosidad sin satisfacer:

Microscopio de efecto túnel:

Efecto Túnel:
Aquí no queda más que poner algo de bibliografía más formal, por si alguien quiere consultarla:

Varios:

 

domingo, 30 de agosto de 2009

"¿Está usted de broma, Sr. Feynman?"


El título de este post es la traducción al español de la "autobiografía" del gran científico que fué Richard Feynman. Compre este libro en Londres, con el ánimo de aprender mejor inglés (objetivo cumplido) y sobretodo, teniendo en cuenta que valía unos 9 € y aquí sólo he encontrado ediciones de 25 euros para arriba. Así que, diccionario de bolsillo en mano, me he ido leyendo el libro poco a poco en los trayectos de metro.

Creo que es la mejor autobiografía que he leído nunca. Teniendo en cuenta que es, de hecho, la primera autobiografía que me he leído nunca. No parece, pues, tener mucho mérito que me haya gustado, así que no sé si se le daba bien escribir este tipo de libros. Lo que sí puedo decir es que es un gran "story-teller", es decir un "cuenta-historias" cojonudo. Comienza a contar cómo de pequeño, en la Gran Depresión estadounidense, se dedicaba a arreglar radios y electrodomésticos, "sólo pensando". O sea, que lo que hacía era observar qué le pasaba a la radio, y antes de abrirla, pensar qué podía estar mal. Así, cuando abría la radio, prácticamente sabía dónde buscar el problema. De la misma manera, estando en Los Álamos, se propuso evidenciar la falta de seguridad que existía en el sitio, supuestamente el más seguro de la Tierra: no paraba de abrir las cajas fuertes de los demás, incluyendo coroneles y jefazos. Cómo consiguió esto era bastante sencillo (aunque se te tiene que ocurrir): se puso a analizar el funcionamiento de los candados y cierres de seguridad de su oficina, y trasteando con ellos descubrió que con un poco de tacto, era capaz de descubrir qué números eran los que encajaban los engranajes y abrían las cajas y cajones de seguridad. Era un mecanismo sencillo, a un precio muy alto. Así que tras volver locos a todos los del departamento de seguridad (militares, ni más ni menos), éstos solucionaron el problema definitivamente: prohibieron la entrada a Feynman a los despachos de los coroneles y altos cargos. Una vez más, demostró que la irracionalidad en una mente cerrada es difícil de combatir.

A lo largo de todo el libro, va contando las anécdotas más curiosas, graciosas o importantes de su vida, y siempre parece que uno está hablando con el vecino de al lado, y no con un gran premio Nobel. Creo que eso era uno de sus rasgos característicos: era humilde.

Sin embargo, a lo largo del libro, uno descubre que tenía muchos motivos para creer que era un genio o un gran tipo: una mente abierta, despierta, dispuesto a intentar cualquier cosa que le interesase, desde tocar en una banda brasileña en los carnavales (¡Y encima gana, el tio!) hasta dibujar en todo tipo de técnicas (consiguió exponer en una galería importante de arte bajo un psedónimo y vender algún dibujo que otro), Feynman lo intenta con todas sus ganas, y con un empeño intenso. Algo que más me valía tener a mí a veces...

Hay dos cosas que me han sorprendido especialmente de su vida:

  • la primera es que tenía una mente preclara. Y no hablo de saber muchas matemáticas, o mucha física. Hablo de una capacidad de abstracción, de raciocinio increíbles. Y eso se ve a lo largo de toda su vida, en sus experimentos caseros con hormigas (llegó a darse cuenta cómo se comunican y cómo encuentran la comida él solo, jugueteando con ellas cuando se colaban en su casa), en sus conversaciones con gente de todos los ámbitos (matemáticos, biólogos, pintores y camareros, artistas...).

  • La otra cosa que me ha sorprendido es que, si algo le gustaba y no veía nada malo en ello, lo hacía y punto. No le importaba lo que pensara la gente. A esto pongo por ejemplo cuando contaba que se iba de bares (más bien, espectáculos de top-less) y luego le gustaba conocer a las chicas que bailaban y echarse unas risas. ¡Mira tu! un físico de primera línea, con habilidades de seducción, jeje. Además cuenta, que cuando el bar donde solía ir a pensar (esto también es increíble: a veces se iba a pensar y a trabajar en física a un bar de top-less. ¡Yo sería incapaz!) tuvo problemas con un grupo "pro-decencia" y fue denunciado por prostitución, fue el único que se presentó en el juicio para testificar a favor del dueño de ese bar, que tantos buenos momentos le había dado. El resto de los clientes, prefirió el bochornoso silencio, por el miedo al qué dirán.

Otro aspecto interesante del libro es durante la guerra. De hecho, cuando me decidí a leer este libro, mi interés se centraba en la parte donde habla del Proyecto Manhattan. Quería saber cómo un tipo aparentemente tan agradable y buena persona como Feynman (de otros libros saqué esta conclusión, aunque supongo que no estaba basada en nada objetivo), se había embarcado en la fabricación de la bomba nuclear, que tantos muertos iba a producir. Tenía en mente un juicio de valor, o un prejuicio, que me hacía irreconciliable la idea de ser buena persona con haber desarrollado la Bomba. Como siempre pasa en estos casos, el problema es de perspectivas: no puedo evaluar esa decisión de participar en semejante proyecto, si no me encuentro, como se encontraba Feynman, en una guerra mundial. Este es un error común en la gente, pensar que los valores actuales son buenos para cualquier situación y momento. Por eso me alegré de haber leído el libro, de haber salido de mi error. Su pensamiento en aquél momento era que, si no llegaban ellos a la bomba primero, serían los alemanes, con consecuencias inimaginables, pero aparentemente no muy buenas.

Por eso creo que este libro es de obligada lectura: no sólo da otra visión del que fue un genio en su época, sino que también enseña cómo debe ser la mente científica, y no ya científica, sino la mente crítica, escéptica. Y eso también me ha encantado. Porque Feynman no quería escribir acerca de la actitud escéptica, escribió de física, y de su vida. Sin embargo, en este libro se puede aprender mucho acerca de cómo afrontar los problemas y las incógnitas de la vida, sin caer en misticismos y errores absurdos, que sólo llevan a creencias sin base racional.

Lo único que escribió sobre el escepticismo y la racionalidad, a modo de genial y fantástico cierre, es el último capítulo. Aconseja y desea que el lector no se deje engañar, ni se deje llevar por espejismos. Que use la razón y sobretodo, que no tenga miedo a que sus ideas estén equivocadas. Al fin y al cabo, si algo está equivocado, si no funciona, será mejor cambiar. Y así, llega a hablar brevemente sobre lo que es ciencia, y lo que no. Dice que no debemos confundir la ciencia con lo que no lo es: "So we really ought to look into theories that don't work, and science that isn't science"

Vamos que, porque alguiencon título diga que algo es de una determinada manera; o mucha gente tenga una creencia firme sobre algún fenómeno, no significa que una pseudociencia funcione o sea verdad. Necesitamos comprobar las cosas, demostrar empíricamente que funcionan. Sólo eso es ciencia. Lo demás, charlatanería.

Galletas a todos!