El Can Cerbero de la Física: los 3 Principios

Créditos: Profesor en línea

A lo largo de la carrera de físicas hay una serie de conceptos o modelos que se estudian una y otra vez desde diferentes aspectos. En la UCM al menos, dos de los más recurrentes son el oscilador armónico (en formas tan variadas como péndulos, circuitos electrónicos o cristales) y la histéresis (magnética y mecánica, las más queridas entre el alumnado). Esto se debe a que la Naturaleza es recurrente en muchos casos.

Sin embargo, hay tres principios, las tres cabezas del can Cerbero, que no es que se correspondan con muchos procesos físicos, sino que "coartan" y limitan cualquier situación, intercambio, reacción o interacción que se pueda producir en CUALQUIER rama de la física (y la química, y las ingenierías, claro). ¿Estamos hablando de física clásica, relatividad o cuántica de campos? No importa, que los tres protagonistas de esta entrada llegarán para imponer su ley, su criterio, frente a cualquier otra consideración. 

Como muchos ya sabrán, me estoy refiriendo a los 3 Principios de la Termodinámica. No he conseguido encontrar la cita, pero creo recordar que un físico de los buenos*, un peso pesado, dijo que si tu teoría era bella, tenía muchas posibilidades de ser cierta, pero si contradecía los principios de la termodinámica, era errónea. Así que, en un arranque de vanidad, me lanzo a intentar explicar qué son y qué significan estos tres principios. Y lo más importante: qué consecuencias reales tienen. 

La 1º de tres cabezas

El primer principio de la termodinámica es el de conservación de la energía. Esa frase muy conocida que dice "la energía ni se crea ni se destruye; se transforma", que tanto han tergiversado los bufones de las pseudociencias y contactos con el más allá, es la síntesis total de este primer principio. Podemos verlo de una forma algo más precisa diciendo que establece que la variación de energía de un sistema durante cualquier transformación (cambio de volumen, temperatura, interacción entre partículas...) es igual a la cantidad de energía que el sistema intercambia con el entorno, siendo negativa si el sistema le da energía al entorno y positiva si es el entorno el que le cede energía.

En cuanto al "entorno" quiero decir un par de cosas. En termodinámica, cuando se habla del "sistema" y del "entorno" debe quedar claro a qué nos referimos. El sistema se refiere al sistema físico (gas, partículas, recipiente...) que nos interesa estudiar. Ya sea un pistón que presiona un gas o un recipiente aislante con un líquido en su interior; dos partículas que colisionan entre ellas o dos compuestos químicos reaccionando entre ellos, sólo nos interesa su energía y la forma en que evolucionan en el tiempo. Todo lo demás que les rodea, fuera del recipiente que contiene nuestro sistema, o fuera de los límites que lo enmarcan, es lo que llamamos entorno. Y el entorno puede ser el resto del universo (de una manera estricta, lo es), pero no nos interesa su evolución más allá de la forma en que intercambia energía con el sistema. Ya puede explotar una supernova o producirse una explosión nuclear, que en principio, sólo nos interesa qué cantidad de energía y de qué forma, se intercambia con nuestro experimento.

No hay una demostración formal de esta afirmación desde un punto de vista termodinámico. Eso sí, estos principios se basan en la observación de los fenómenos físicos y no son arbitrarios en ese sentido. Sin embargo, no hay fundamento matemático que demuestre que son ciertos ni que impida que no se cumplan. Los principios físicos son ideas que se han obtenido, como digo, de la observación y sobre los que se construye el resto de las teorías. Ocurre, sin embargo, que nunca se ha encontrado una situación en la que este principio se haya violado. Cuando se comenzaron a estudiar las partículas subatómicas, acaecían desintegraciones que aparentemente violaban este principio de conservación. En esta situación, los físicos debían o bien rechazar la conservación de la energía como un principio de la física, o encontrar "la fuga" de la energía sobrante. En este caso, hablo de la desintegración beta en la que un neutrón se desintegra en un electrón (o también un protón se desintegra en un positrón o anti-electrón). Resulta que esta desintegración tiene una falta de energía, ya que la energía inicial es mayor que la final. Así que Wolfgang Pauli predijo que debía existir una partícula con ciertas características y muy difícil de detectar que se llevase la energía que faltaba. Así fue como se postuló por primera vez el neutrino (más concretamente, el anti-neutrino).

La famosa desintegración beta. Créditos: Wikipedia

Por otro lado, la energía tiene una correspondencia con la masa, siendo dos aspectos de la misma cosa. Esto lo sabemos gracias a la relatividad de Einstein, de forma que la masa puede convertirse en energía y viceversa. Lo cual sólo es un añadido al principio de la termodinámica que, cuando se formuló, no tenía en cuenta efectos relativistas. Podemos decir, por tanto, que la energía-masa se conserva.  

Por muy grande que lo hagas, no funciona.
Créditos: El mundo de la física

Ahora viene lo bueno. Si uno navega por Internet podrá descubrir que este principio ha sido completamente destruido desde hace mucho tiempo. Esto es porque puede encontrar miles de vídeos en Youtube, páginas y blogs en los que mediante sencillos montajes con imanes, cables y espiras se obtienen máquinas de movimiento que generan energía de la nada. Son las llamados móviles perpetuos de primera especie, esto es, máquinas que son capaces de generar energía de la nada con sólo ponerlas en funcionamiento, pero que no han podido comercializarse debido a las grandes compañías petroleras y de energía que no quieren ver arruinado su negocio. Bien, animo a todo curioso que intente fabricar estos modelos, el que quiera, que descubrirá que el suyo no funciona. Resulta que son todos fraudes. Uno puede ver múltiples argumentos en los blogs, comentando que está pensando hacerlo más grande para que funcione, que al ser pequeño no lo hace, etc. El resultado será que nunca funcionarán, o si funcionan, que tienen algún truco (normalmente un motorcito con su pila). 

Tras ver la primera, veamos quién es la segunda cabeza del monstruo.

Enemiga de la eficiencia

En este apartado hablaremos del segundo principio de la termodinámica. Hemos visto que el primer principio establece la imposibilidad de que una máquina produzca energía (o la destruya), de manera que sólo permite que la energía se transforme. Pero, ¿puede transformarse de la manera que quiera? Ahí entra en juego el segundo principio, que limita la forma en que la energía se transforma. Algo que resulta muy útil para el diseño de máquinas eficientes (en el sentido que aprovechan bien la energía que se les proporciona para realizar un trabajo).

Esta segunda ley o principio ha sido un limitante muy grande en el desarrollo de la tecnología, motivo por el que ha sido desafiada durante muchísimos años con el fin de conseguir máquinas que realizasen trabajo a partir del calor recibido del entorno. Porque el segundo principio permite que todo el trabajo que se realiza contra un cuerpo se convierta en calor (por ejemplo, un trozo de metal al que friccionamos constantemente, termina aumentando su temperatura), pero impide que el calor se transforme íntegramente en trabajo. Definiendo esto, hay dos formulaciones equivalentes de este principio debidas a Lord Kelvin y a Clausius. El primero postuló el segundo principio como sigue:

Una transformación cuyo resultado final sea únicamente la transformación de trabajo del calor extraído de una fuente, estando todo a la misma temperatura, es imposible.

Comentemos el significado de estas dos líneas. Si tenemos dos objetos, uno de ellos una máquina y el otro lo llamamos fuente de calor, para conseguir que la máquina funcione, la fuente debe estar a una temperatura superior. Como ejemplo sencillo tendríamos la máquina de vapor: la caldera está a una temperatura mayor que el agua que hay en la máquina, de forma que consigue que esta evapore y mueva unas turbinas al salir de los conductos debido al aumento de presión que se produce al convertir en vapor el agua. Lo que dice el enunciado de Kelvin es que si la caldera estuviese a la misma temperatura que el resto de la máquina (incluyendo el agua en "resto de la máquina"), no conseguiremos obtener trabajo, ya que no conseguiremos evaporar el agua. Esto es sencillo si nos vamos a la física a nivel molecular o atómico. La temperatura de un cuerpo se puede ver como un índice que nos dice cómo de rápido se mueven las partículas de ese cuerpo. Es decir, nos ida una idea de cuánto vibran sus partículas: cuanto más temperatura, mayor será ese movimiento o vibración. Por tanto, imaginemos que ponemos dos cuerpos juntos, que están a la misma temperatura. Cuando choquen las partículas en la frontera entre los cuerpos, de media no se van a transferir energía, ya que tienen ambos el mismo grado de velocidad o vibración. Sin embargo, si uno de ellos está a gran temperatura respecto al otro, en cada choque, las partículas del primero se frenarán un poco mientras que las del segundo se acelerarán. Como cuando golpeamos una bola de billar con otra a gran velocidad. Eso es la transferencia de energía que llamamos conducción. Así que es fácil ver que si ambos cuerpos están a la misma temperatura, no se transferirá energía de uno a otro, por lo que no podremos hacer trabajo.

La forma en que describió Clausius este principio es como sigue:

Una transformación cuyo único resultado final sea la transferencia de calor desde un cuerpo a una temperatura dada a otro cuerpo a una temperatura superior a la anterior es imposible.

Vemos ahora el significado de esto. En primer lugar, si nos pasamos de nuevo a una visión microscópica, vemos que si un cuerpo está a temperatura inferior a otro no podrá pasarle energía por lo que hemos visto de las partículas chocando y transfiriéndose energía. Por tanto, el enunciado tiene sentido. En segundo lugar, comentar que ambos enunciados son equivalentes, pero no lo demostraremos (si alguien está interesado, ver Enrico Fermi, p. 30, "Thermodynamics").

En conclusión, el segundo principio nos dice cómo se puede transformar la energía, y descarta la posibilidad de que se pueda construir una máquina que realice un trabajo sin recibir energía de un foco a mayor temperatura (a nivel más prosaico: no puede funcionar una máquina sin recibir constantemente energía, ya sea por electricidad, combustible...).

La entropía, reversibilidad y la muerte térmica del Universo

La tercera cabeza del monstruo, según hemos ido construyendo el artículo, resultaría ser el tercer principio que sería el siguiente:

Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo constante.  (Wikipedia)

El señor Boltzmann, de la entropía. 
Créditos: Cuentos cuánticos

 Es decir, en el cero absoluto no habría vibración de átomos, ni reacciones químicas ni emisión de energía... Pero la utilidad de este principio es a un nivel matemático en el sentido de que permite establecer un origen para eso llamado entropía. Así que la verdadera cabeza del monstruo es más concretamente la entropía, una propiedad de los sistemas físicos que vamos a intentar explicar en los siguientes párrafos.

Para empezar hay que explicar primero qué es una transformación reversible y una irreversible. La primera sería una transformación de un sistema desde un estado a otro pasando siempre por estados intermedios de equilibrio. ¿Qué significa esto? Pues que si hacemos que un gas, por ejemplo, se expanda muy lentamente, de manera que no se produzcan turbulencias ni cosas parecidas, hasta un estado final en el que ocupa el doble de lo que ocupaba al principio, podemos conseguir revertir el sistema a su estado inicial de manera que el sistema ni ha ganado ni ha perdido energía. Sobra decir que en el mundo real no existen transformaciones reversibles: el rozamiento, el hecho de que no tenemos recipientes completamente aislados y siempre hay fugas de gas, calor, etc., hacen que sea imposible tal cosa.

La entropía es una magnitud física que, hablando pronto y mal, da idea del desorden del sistema. Un sistema ordenado, como una estructura cristalina, tendría menos entropía que en mismo cristal pero fundido, hecho líquido. En realidad, es más sutil que eso, y lo veremos un poco más adelante.

El caso es que la ecuación para la entropía es una desigualdad. La variación de entropía de un sistema es mayor o igual a la variación de calor partido por la temperatura. Resulta que cuando el sistema está aislado del entorno, la variación (o intercambio) de calor es cero, como es lógico. Por tanto, operando la ecuación que quedaría S(B)-S(A)>=0 obtenemos lo siguiente: S(B)>=S(A). Resumiendo esto, S(B) sería la entropía del sistema al final de una transformación cuando alcanza el estado B, y S(A) es la entropía del sistema al principio, antes de sufrir el cambio de estado. Por tanto, la entropía de un sistema aislado siempre aumenta o se mantiene constante.

Hay que decir que esa desigualdad que hemos visto, se correspondería con la formulación matemática del segundo principio o ley termodinámica. Sin embargo, he decidido comentarla aparte para hablar directamente de la entropía, que es una cantidad que merece por sí sola el calificativo de 3ª cabeza del monstruo.

Este resultado es algo confuso quizá, pero establece el hecho de que un sistema físico (un gas, por ejemplo) siempre va a ver como su entropía, que recordemos indicaba el "desorden" del sistema, se mantiene constante o aumenta. Se mantendrá constante cuando el proceso que cambia el sistema (aumento de volumen, por ejemplo)  se produzca de manera muy lenta y muy suave (lo que se llamaría proceso reversible) y aumentará cuando el proceso sea más "violento" o repentino. En este caso, el proceso sería irreversible.

¿Y este follón, que sentido tiene? Bueno, descubrámoslo aplicándolo al Universo entero. El Universo, si lo definimos como "todo lo que es", es un sistema aislado. Esto es porque como no existe nada más, aparte del Universo, no hay nada con lo que intercambiar energía. Si hubiese algo más aparte del Universo, automáticamente nuetro Universo incluiría eso nuevo (ya que Universo se define como todo lo que existe), y volveríamos al caso anterior. Así que estaríamos en el caso que acabamos de ver para la entropía: S(B) es mayor o igual a S(A). Así que si el Universo sólo contuviese procesos de los reversibles, que son suaves y lentos, podría mantener constante su entropía, o nivel de desorden.

Sin embargo, en el Universo ocurren cataclismos y reacciones que no son, desde luego, procesos suaves y lentos. Explosiones de supernova, agujeros negros absorbiendo materia, choques galácticos... en todos estos procesos la entropía del Universo aumenta llegando cada vez más a un estado estable de máxima entropía. Esto significa el mayor nivel de desorden posible, donde la energía está en su forma más degradada. Es la llamada muerte térmica del Universo.

¿Y qué limitación impone esto a la física? Pues en cierto modo, establece hacia donde apunta la flecha del tiempo. Expliquemos esto, a ver si consigo hacerlo entendible: en cierto sentido, la física es reversible. Es decir, sus ecuaciones son simétricas respecto al tiempo de tal forma que no importa en qué "dirección" temporal nos movamos, físicamente serían válidas. Por poner un ejemplo, si tenemos un billar y una bola blanca que golpea a las demás cuando están colocadas en un triángulo, sabemos que el "sentido correcto" sería en el que las bolas terminan desperdigadas por el tapete. Pero físicamente (al menos, según la física clásica), sería posible también una situación inversa en la que las bolas rebotan en sentido contrario hasta que llegan a situarse juntas en el tapete y la blanca en su sitio. El único motivo por el que el sistema no sería reversible es debido a la entropía. Antes comentábmos que indica el "grado de desorden" y ha llegado el momento de matizar esto.

A ver quién dibuja una flecha temporal...
Créditos: Francis th(E) Mule

Tenemos que imaginar un mapa, en el que hay regiones distintas. Estas regiones serían equivalentes a estados del sistema: por ejemplo, una región donde todas las bolas estarían colocadas en el triángulo. Cada punto de esta región representaría una posible configuración: por ejemplo, un punto sería el que representase las bolas colocadas de forma alterna y por orden numérico (color sólido, franja, color sólido, franja...); otro punto el que fuese como el anterior, pero la bola negra estuviese en otra posición distinta del centro. Ambos puntos representarían la situación de máximo órden en la mesa de billar, pero por otra parte, a nivel de las bolas en concreto (en un gas hablaríamos de nivel microscópico) serían distintos. Otra región sería aquella que representase todas las bolas desperdigadas por el tapete de una forma determinada: una bola cerca de una esquina, dos en el centro y otras agrupadas en el otro extremo, por ejemplo. Esa región contendría puntos que tendrían la misma posición de las bolas, pero cada punto representaría una combinación distinta de las bolas.

Bien, pues la entropía representaría en realidad, la probabilidad de estar en una de las regiones del mapa que hemos imaginado. Por tanto, cuantas más combinaciones posibles, cuantos más puntos en definitiva, tenga cada región, más probabilidad tendré, consecuentemente, más entropía. Esta idea se la debemos a Boltzman y es de gran utilidad. Hay que darse cuenta que, en general, para estados ordenados, tenemos menos puntos en la región, por lo tanto, tenemos menos probabilidad, por lo tanto, tenemos menos entropía. Y en sistemas desordenados, hay más variabilidad, más puntos, más probabilidad, más entropía. Tenemos ya una representación de la entropía en función de algo más entendible y no como una propiedad extraña de los sistemas que estudiemos.

Así que la entropía nos da una idea de cómo va a evolucionar un sistema físico: cuantos más puntos tenga una región, más probable es que el sistema termine en alguno de sus estados, así que la imagen que hemos usado del billar y las bolas será muy simétrica respecto al tiempo, pero la entropía nos indica que lo más probable es que termine muy desordenado según vamos jugando (y somos suficientemente malos como para no meter ninguna bola en su agujero, claro).

Lo cierto es que no supone un limitante tan grande como las anteriores "cabezas" que hemos visto, ya que el hecho de que un estado sea poco probable, no significa que no sea posible, pero es cierto que da mucha información a la hora de predecir un estado físico, qué ocurrirá y que no es probable que ocurra.

Conclusión

Los principios de la termodinámica son muy importantes en física, como hemos podido comprobar, y también tienen muchas implicaciones. En cualquier rama de la física más avanzada se tiene en cuenta estos principios de manera directa o indirecta, pero siempre están presentes. Por eso decidí hacer esta entrada. Espero haber conseguido acercar un poco las ideas de la termodinámica que tan importantes son y tan poco se han divulgado (que yo sepa), aunque me temo que algún párrafo no haya quedado todo lo claro que me hubiese gustado. No ha sido tartea fácil, pero confío en que habrá sido suficiente, al menos, para despertar el interés del público en la termodinámica. Personalmente, creo que la termodinámica es de las ramas más importantes de la física por su carácter tan general, precisamente. No en vano, es de las asignaturas más complejas y con más implicaciones de las que he tenido que estudiar, siendo difícil precisamente por esto. Sin embargo, el asombro que se siente al descubrir y entender sus principios es algo que quería compartir, así que espero haberlo conseguido.

Bibliografía

Aunque he consultado varios sitios, la bibliografía básica tanto para escribir el artículo como para estudiar estos temas, ha sido la siguiente:

• "Thermodynamics" Enrico Fermi
• "Curso de Termodinámica", José Aguilar

Actualización

*Según comentaron en Amazings (Purnelio fue el primero si no me equivoco) cuando publicaron esta entrada, la cita se debe a Sir Arthur Eddington y es bastante más bella que como yo la he expresado:

“The law that entropy always increases holds, I think, the supreme position among the laws of Nature. If someone points out to you that your pet theory of the universe is in disagreement with Maxwell’s equations — then so much the worse for Maxwell’s equations. If it is found to be contradicted by observation — well, these experimentalists do bungle things sometimes. But if your theory is found to be against the second law of thermodynamics I can give you no hope; there is nothing for it but to collapse in deepest humiliation."

Me gustaría agradecer también a César de Experientia Docet sus aportaciones para mejorar la precisión de este artículo. El que sea divulgativo no tiene porqué significar que se renuncie a la rigurosidad.

Ya estoy

Créditos: http://vistoenlaweb.wordpress.com

Ha sido una etapa dura que no me ha dejado tiempo para muchas cosas, entre ellas, este blog. Sin embargo, ha sido una etapa muy interesante en la que he aprendido cosas y he mejorado en muchos aspectos. Hablo de mi etapa por la televisión, montando experimentos y preparando acciones que saldrían a directo. El trabajo exigía mucha dedicación en horas, además de ser muy duro y de comportar mucha presión. Muchísima. Así es la tele.

Sin embargo, sentía que tenía que seguir adelante, que no me podía conformar con montar experimentos divulgativos porque la física me apasiona y no encontraba nada mejor a lo que dedicarme que a la ciencia y la tecnología. Así que, en plena crisis, decidí irme. Había muchos factores en contra de esta decisión, aparte de la crisis misma. El mundo de la tele es duro, pero es emocionante. Tener la posibilidad de conocer famosos, ver los entresijos del mundo del espectáculo, descubrir que la tele consiste en crear ilusión y magia para que todo parezca sorprendente. No siempre se consigue, claro, pero cuando después de mucho trabajo, sales a directo y ves que lo has conseguido, que los espectadores han sido deslumbrados por eso que has estado preparando tiempo. Cuando ves que has creado esa ilusión, se compensa el trabajo. Y esto hacía más difícil la decisión.

Sin embargo, soy un cabezota y sabía que tenía que intentarlo porque si no, siempre estaría pensando en qué hubiera pasado. Así que cuando terminó la temporada me fui otra vez a la cola del paro, la más larga que he visto nunca desde que comencé a trabajar hace mucho tiempo. Pero soy físico, y podemos hacer muchas cosas que poca gente sabe, de manera que a la semana estaba contratado en una academia universitaría de físicas. Ahí sigo, dando una asignatura de segundo. Vuelve a ser una prueba, porque no son clases como las que he dado de bachillerato y ESO. Esto es segundo de físicas, la carrera que estudié, y hay que dar las clases bien. El nivel tiene que estar por encima del exigido en la asignatura, ya que sólo así se puede enseñar algo. Conociéndolo.

Y no era mal plan, estar cobrando la hora mejor que en cualquier trabajo legal (mucho mejor, os lo aseguro) y con tiempo libre. Pero eso tampoco era trabajar de físico. No exactamente, porque no quiero repasar lo que ya me sé, quiero desarrollar cosas, tecnología, aprender cosas nuevas... Este afán de avanzar es insaciable a veces. La cosa es que ha salido bien. Muy bien. Tras echar una beca al INTA, como tantas otras que he echado tantas veces desde antes incluso de acabar, resulté seleccionado. Esta vez sí. Supongo que la cabezonería a veces tiene su recompensa.

Así que ahí estoy, en las puertas de lo que siempre he deseado desde que comencé la carrera. A trabajar en I+D. Serán dos años asegurados, algo genial, y luego ya veremos que pasa. Pero lo importante será que en mi curriculum ya pondrá que he trabajado en ciencia así que podré optar a todos esos puestos en los que exigen experiencia y demostrarles que sí, que yo valgo para eso.

También estoy aquí, volviendo al blog. Mi esperanza es que vuelva a escribir de manera regular, aunque me conozco y no puedo prometer nada. Pero cuando comience a meterme de nuevo en la ciencia, a leer y descubrir nuevas tecnologías o desarrollos que se han hecho por ahí, seguro que recupero las ganas de escribir sobre ello, sin tener que pensar un tema. Saldrá solo, como más o menos me salía cuando estaba en la carrera y empezaba en esto de la divulgación por internet. Además colaboro con Hablando de Ciencia y hemos hecho cosas muy interesantes en Tenerife este Julio (os recomiendo ver el resumen de los experimentillos que montamos), y eso hará que se me ocurran más temas y cosas sobre las que escribir.

Parece que se cumplen los objetivos que me propuse hará cosa de 4 años, cuando estaba encauzando y terminando la carrera, volviendo a casa en metro y pensando que tenía que acabar pronto y conseguir trabajar de aquello, que realmente me encantaba. Y me encanta. Veremos a ver cuánto tardo en volver a escribir. Mi idea es tardar menos de una semana, pero me conozco. Así que, quién sabe...

A vuelapluma: La masa

Peluche del bosón de Higgs. Créditos: The Particle Zoo

Ahora que está de moda el LHC, que recordad iba a destruir el mundo, y el bosón de Higgs, sale a la palestra el tema de la masa. Esa propiedad de la materia que todos damos por hecho, pero que, ¡oh sorpresa!, es un "enigma" para los científicos (concretamente para los físicos). Y la gente se preguntará extrañada ¿por qué es un enigma? La masa es... la masa. ¿O no? En realidad, ¿qué es la masa de un objeto? 

La masa es, básicamente, la cualidad de la materia de oponerse al cambio de su movimiento. Pero en las ecuaciones del Modelo Estándar la masa no surge de manera espontánea, sino que hay que meterla con calzador. Es decir, teníamos unas ecuaciones (un lagrangiano para los puristas) que nos describía qué partículas existían (las que conocíamos por los experimentos) y, además, detallaba cómo interaccionaban de manera correcta (de nuevo, comprobado por los experimentos). Sin embargo, existía un problema: la masa no aparecía en las ecuaciones. Y esto sí es grave, porque uno puede tener el modelo más bonito y precioso del mundo que si los resultados no concuerdan con las observaciones y experimentos, ya lo puedes tirar a la basura.


Así andaban las cosas. Tras muchos teoremas, trabajos y papers publicados y después del trabajo de muchos físicos, se realizó una modificación del Modelo Estándar (no se podía introducir un término de masa si no se rompe la simetría gauge electrodébil) que llevó a unas nuevas ecuaciones casi idénticas a las anteriores, salvo que contenían unos términos que se podían asimilar a la masa de las partículas. Pero como regalo a todo esto, aparecía también un término que no estaba antes y que tenía la forma (matemáticamente hablando) de una partícula de tipo bosón que intervenía en todos los términos nuevos que representaban la masa. Este es el llamado bosón de Higgs que tanto revuelo ha provocado. Como nota para entender lo que pretendo explicar en el párrafo siguiente, tengo que decir que en la física de partículas siempre que se habla de una partícula, se asume que hay un campo asociado a ella: como ejemplo más conocido el fotón, que tiene el campo electromagnético asociado a él.

¿Querías partículas? Pues toma dos tazas... Créditos: Revista Ciencia

El caso es que este bosón interaccionaría con todas las partículas y las dotaría de masa. Si recordamos la definición de masa del principio, es la propiedad de la materia de oponerse al cambio de movimiento. Intentando encajar esto con el Higgs, de forma visual y poco rigurosa sería como si el Higgs fuese un líquido viscoso (pensad en la miel) que inundase todo el espacio. Las partículas en su interior tendrían dificultad de cambiar de movimiento debido a su viscosidad y eso se correspondería con su masa. Cada partícula, dependiendo de la dificultad que tuviese para cambiar su estado de movimiento, tendría asociado un número que se correspondería con su masa.


NOTA A LECTORES NO-TÉCNICOS
Espero que esta pequeña entrada os provoque el interés por estos temas tanto como me pasa a mí. Os invito a bucear por los enlaces que he introducido para ir sabiendo más, aunque sea de una forma superficial. Lo cierto es que, a pesar de haber estudiado estas cosas en la carrera, aún se me escapa el tiempo entre los dedos cuando empiezo a saltar de página en página de la Wikipedia, leyendo todo lo que esté relacionado con estos temas. Los enlaces no son muy técnicos (ya digo, Wikipedia y otra fantástica página que he encontrado sobre estos temas que es Acercándonos al LHC), así que se pueden seguir sin tener grandes conocimientos en la mayoría de los casos.


NOTA A FÍSICOS
Esta entrada está escrita a "vuelapluma", ya que es un tema muy complicado que no domino en profundidad aún (estoy en ello). Por ello sé que aquellos que han estudiado electrodinámica cuántica y/o el modelo estándar, estarán horrorizados y con las manos en la cabeza. Sin embargo, creo que puede ser útil para gente que no sepa de estos temas, explicarlo de esta forma tan "horriblemente sencilla" y conseguir algo de interés por temas tan apasionantes. Es por esto que me he lanzado a la piscina de esta manera tan temeraria y por lo que pido "cuartel" de parte de aquellos que saben en profundidad y estudian estos temas.

Metáfora de la evolución

He encontrado este fantástico vídeo en el que se realiza una sencilla experiencia. Se pidió, de forma secuencial, a 500 personas, que trazasen una línea, poniéndoles la anterior (según he entendido). De esta forma, pequeñas desviaciones se van pronunciando, incluso llegando a separarse de la línea principal. Es una forma muy visual de entender cómo funciona la evolución: pequeños cambios seguidos de otros pequeños cambios; en alguna ocasión un cambio más brusco... 

En fin, como no soy un experto en biología evolutiva, dejo que el vídeo hable por mí.

Ecocar: vieja estafa pero nuevo formato

Ya hace tiempo que oí hablar de lo que llamaban economizadores de combustible. en esa ocasión se suponía que eran unos dispositivos magnéticos, si no recuerdo mal, que se colocaban en la manguera de entrada del carburador. El mecanismo consistía en que, según contaban, modificaba magnéticamente las propiedades del combustible, limpiándolo de campos electromagnéticos que hacían la combustión menos eficiente. En su momento se escribieron muchas líneas desmontando el fraude. Pero estas cosas vuelven.

Descubro por @silviaalcolado que existe el Ecocar, que también promete reducir el consumo de combustible de forma mágica.

¿Cómo dicen que funciona?

Según su web, el funcionamiento de Ecocar consiste en que "es un dispositivo compuesto de minerales que, al contacto con el combustible, actúa como inhibidor estático de los campos de influencia externa que afectan a fluidos, líquidos y gases combustibles".Además, Ecocar "mejora el proceso de combustión al disponer los electrones de manera que puedan mezclarse de forma óptima con el oxígeno. De esta forma consigue una combustión más eficiente del combustible" y "aumenta la potencia, las prestaciones y la vida útil de cualquier motor de combustión".

Por supuesto, Ecocar también "reduce de manera significativa las emisiones contaminantes de CO2 en todo tipo de vehículos, maquinaria y grupos electrógenos". No sólo eso, sino que "disminuye notablemente las partículas generadas por la combustión de los motores diesel, ayudando a controlar la contaminación en la atmósfera, consumiendo, a la vez, menos combustible y aumentando la eficiencia". Todo esto en el mismo cacharro es una ganga.

Por último, un detalle curioso, es que dice que no contiene productos químicos ni imanes. 


¿Tiene sentido?


Pues no. Para empezar, deberían explicar qué son esos campos de influencia externa; ¿son campos electromagnéticos? ¿o de qué tipo, de fuerza, de temperatura? Y deberían explicar a qué se refieren con eso de "influencia externa". Desde luego una jerga que no tiene el menor sentido, por muy pomposa que suene. Esto viene siendo común últimamente en los productos timo de este tipo. Se ponen a explicar que su invento elimina los efectos nocivos de los campos de influencia, sin explicar ni qué efectos nocivos son esos ni porqué ocurre, ni qué son esos campos misteriosos. Debe ser que la gente no se impresiona tanto cuando oye lo de campos electromagnéticos.

Respecto a la mayor disposición de los electrones para reaccionar con el oxígeno, nada menos, tampoco tiene ningún sentido. Veamos porqué. 

En una reacción química se intercambian electrones, cierto. Pero los electrones no necesitan estar dispuestos de ninguna manera más que en las capas electrónicas adecuadas, que es como están cuando entran en la cámara de combustión. No hay nada que les hagamos a los electrones que mejore su disposición reaccionar. 

Además, los electrones no es que "reaccionen con el oxígeno", en que los electrones del oxígeno se combinan con los electrones de los demás químicos presentes en la reacción. Así que eso ya me demuestra que los que venden el cacharro no tienen ni idea de química ni de física, por lo que difícilmente podrán venderme un cacharro que funcione. Y esto lo digo porque, aunque los vendedores no tienen que ser necesariamente los que han desarrollado el invento, no necesitarían inventarse nada de cómo funciona. sólo tendrían que preguntar a los que lo han inventado para que les expliquen qué poner en la web. Y nada de lo que pone tiene sentido.

Combustión del metano (CH4). Crédito: Gobierno de Canarias

 
Por otro lado, no se explica cómo consigue reducir el número de partículas contaminantes. Supongo que no tendrá que ver con los campos de influencia externos. Si tuviese que elegir entre los efectos que dicen que tiene Ecocar el más probable, creo que sería este ya que en la web explican que se instala en el manguito del combustible. ¡Pero no siempre! porque resulta que se instala en el manguito de retorno de combustible al depósito. No sé mucho de mecánica, pero entiendo que la gasolina que pasa por ahí va al depósito y no a la cámara de combustión, por lo que como filtro para evitar las partículas en los gases de la combustión, no parece muy inteligente colocarlo allí.


Por último, hablando de sus propiedades y beneficios, hay algo que me desconcierta. ¿Ahora también son peligrosos los imanes? Porque como remarcan que no contiene imanes de esa manera, interpreto que tener imanes en el aparato es malo. Además, si no contiene nada de eso, qué es en realidad ¿minerales? Si son minerales que no contienen productos químicos, entiendo que se refieren a que no está procesado. Entonces es una simple piedra la que produce este magnífico efecto, cosa que me parece tan inverosímil como que lo consiguiesen con imanes.

Me ha resultado curioso en la web, que ponen notas de prensa sobre los eventos en los que han participado, los que han subvencionado y las firmas con autoescuelas y demás. Sin embargo, para ser un producto tan beneficioso y de tecnología tan avanzada (porque si no, ya existirían miles de estos productos y los fabricantes de coches los incorporarían de serie), no pongan ningún enlace a publicaciones, premios o reconocimientos científicos ni hablen de las investigaciones que llevaron a cabo en maravillosos laboratorios. Y para rematar, entrando en la pestaña de Instituciones, hay un enlace que pone DGT. Reconozco que entré intrigado, pensando si la DGT había firmado algún convenio con esta empresa, cosa que no sería de extrañar en este país. Pero no, resulta que simplemente ponen un vídeo de la DGT sobre conducción económica e inteligente. Ni una mención a economizadores de combustible ni a Ecocar.

La conclusión que saco es que es otro producto milagro más, que se aprovecha de que la gente desconoce mucho sobre la ciencia y termina tragando con cualquier cosa.

Encuesta: ¿Para qué vale un físico?

Hace un tiempo enlacé una encuesta que había lanzado Emilio Otero en el grupo de LinkedIn "Físicos en la industria". Los resultados eran interesantes, pero el número de participantes era demasiado bajo como para poder sacar conclusiones. Aún a pesar de esto, se formó un debate en el grupo sobre cómo conseguir mayor difusión y mayor número de participantes para poder sacar alguna conclusión más certera, así que Emilio comenzó a contactar conmigo y con más bloggers y participantes para mejorar los resultados.

Tras un buen número de propuestas muy interesantes, se cogieron las ideas que parecían mejores y se ha creado una nueva encuesta que esperamos obtenga mejor número de participación. Así que aquí os dejo el enlace para que todo aquél físico que pase por aquí, haga la encuesta y la comparta, si quiere. La encuesta ha sido posible gracias a la gente de Beyond Physics, que la han diseñado en base a las ideas aportadas. Gracias por participar y dar difusión.

Encuesta: ¿A qué se dedica un físico?

Los "límites" de los problemas geométricos

Aún recuerdo perfectamente la primera vez que mi abuelo me explicó un problema geométrico, y cómo descubrí cierta fascinación con las matemáticas. Se trataba de una paradoja, que podría ser una versión de la paradoja de Aquiles y la Tortuga de Zenón, entre dos líneas rectas paralelas. La cuestión era la siguiente: las líneas rectas son infinitas y dos rectas paralelas no se cortarían jamás. Ahora trazamos una línea perpendicular a ambas, de forma que el ángulo comprendido entre cada recta y esta línea es de 90º. La siguiente línea que trazamos está inclinada, de manera que se forma un ángulo agudo entre la línea y una de las rectas paralelas, y un ángulo obtuso entre la línea y la otra recta. Como en el dibujo.

De esta forma, continuaba mi abuelo, el sentido común nos dice que la línea que une las paralelas llegaría a tener un ángulo de 0º con la paralela de abajo. Es decir, sería paralela también. Pero como la progresión nos dice que todas las líneas acaban cortando a la paralela superior en algún punto, la conclusión sería que las líneas paralelas se cortan en el infinito. 

Es una conclusión impactante, al menos a mí me lo pareció en su momento. Aunque no es cierta y vamos a ver porqué.Resulta que cuando Zenón planteó su paradoja, aún no se había desarrollado el concepto de límite. ¿Y qué es ese concepto? Copio y pego de la Wikipedia:

En matemática, el límite es un concepto que describe la tendencia de una sucesión o una función, a medida que los parámetros de esa sucesión o función se acercan a determinado valor.

¿Qué significa esto? Pues que miramos la función y vemos a qué tiende su incógnita (la x suele ser la letra más usada). Cuando hay varias x en la fórmula, hay una serie de pasos que permiten ir simplificando la ecuación para poder descubrir a qué valor tiende cuando la x tiende a infinito (en realidad, la x puede tender a cualquier valor y también calculamos su límite). Así que este problema se tiene que resolver sacando la ecuación que "corresponde" con el problema.

Para ello, basta con aplicar trigonometría en el dibujo anterior de manera que terminemos obteniendo una relación entre el ángulo que forma la línea con la perpendicular a las dos paralelas (que puede tomar valores desde 0º hasta 90º, que correspondería con el momento en el que es paralela a la recta de abajo) y la distancia desde nuestro origen en que corta a la paralela superior.

 

No voy a entrar en detalles, pero no es muy complicado. La ecuación final que obtenemos es 

x=5 tg(a) 

(en realidad obtenemos dos ecuaciones como la anterior, pero una de ellas tiene un signo menos delante y la descartamos porque nos interesan los valores positivos de la x). Ahora tenemos que ver cómo es la función tangente de un ángulo al que hemos llamado a en este caso. Para ello, vamos a ver la gráfica tal y como está en el enlace de la Wikipedia:

Créditos: http://www.acienciasgalilei.com

¿Qué nos dice esta gráfica? Bueno, sin entrar en mucho detalle, nos vamos a fijar en el punto del eje x (el horizontal) que pone 0,5 π. Este valor es igual a 90º pero en radianes, otra escala de medida de ángulos. En ese punto, la gráfica de la tangente desaparece hacia arriba. En concreto, tiende al infinito. Esto es porque la propia definición de la tangente es tan(a)=sen(a)/cos(a) y cuando a=90º=0,5 π resulta que tenemos tan(a)=1/0 que tiende a infinito. 

Bien, retomando nuestro problema, tendríamos que calcular el límite cuando el ángulo tiende a 90º, la tangente del ángulo tiende a infinito también. Esto significa que no existe límite. Es decir, que las rectas no se cortan en  infinito tal y como creía mi abuelo (en un espacio euclídeo, para los puristas). Pero al menos consiguió que me comenzase a interesar por estos problemas y por las matemáticas en general.

P.D.: He revisado varias veces el texto para evitar cualquier error tonto. Sin embargo, como he estado muy liado, no lo he hecho con la calma que merece. Por tanto, si detectáis alguna errata, decidmelo para corregirlo. Gracias.

Más vale tarde que nunca: No a la Ley Sinde

Es tarde, teniendo en cuenta que este manifiesto se distribuyó en torno al 2 de Diciembre, pero estoy totalmente de acuerdo con los puntos enunciados. Así que lo reproduzco.

Créditos de imágen

Ante la previsible aprobación de la polémica “Ley Sinde”, los periodistas, bloggers, usuarios, profesionales y creadores de Internet seguimos manifestando –como hicimos en el Manifiesto de 2 de Diciembre de 2009- nuestra firme oposición a una norma que incluye modificaciones legislativas que afectan al libre ejercicio de las libertades de expresión, información y el derecho de acceso a la cultura a través de Internet.

En principio no parece de recibo que un Gobierno en funciones adopte esta decisión en su último o uno de sus últimos Consejos de Ministros. Sería doblemente grave que se confirmaran las presiones ejercidas por EEUU, a través de su embajada en Madrid, como revelaron los cables de Wikileaks.

En todo caso insistimos en estos razonamientos:

1.- Los derechos de autor no pueden situarse por encima de los derechos fundamentales de los ciudadanos, como el derecho a la privacidad, a la seguridad, a la presunción de inocencia, a la tutela judicial efectiva y a la libertad de expresión.

2.- La suspensión de derechos fundamentales es y debe seguir siendo competencia exclusiva del poder judicial. Ni un cierre sin sentencia. Este anteproyecto, en contra de lo establecido en el artículo 20.5 de la Constitución, pone en manos de un órgano no judicial -un organismo dependiente del ministerio de Cultura-, la potestad de impedir a los ciudadanos españoles el acceso a cualquier página web.

3.- La nueva legislación creará inseguridad jurídica en todo el sector tecnológico español, perjudicando uno de los pocos campos de desarrollo y futuro de nuestra economía, entorpeciendo la creación de empresas, introduciendo trabas a la libre competencia y ralentizando su proyección internacional.

4.- La nueva legislación propuesta amenaza a los nuevos creadores y entorpece la creación cultural. Con Internet y los sucesivos avances tecnológicos se ha democratizado extraordinariamente la creación y emisión de contenidos de todo tipo, que ya no provienen prevalentemente de las industrias culturales tradicionales, sino de multitud de fuentes diferentes.

5.- Los autores, como todos los trabajadores, tienen derecho a vivir de su trabajo con nuevas ideas creativas, modelos de negocio y actividades asociadas a sus creaciones. Intentar sostener con cambios legislativos a una industria obsoleta que no sabe adaptarse a este nuevo entorno no es ni justo ni realista. Si su modelo de negocio se basaba en el control de las copias de las obras y en Internet no es posible sin vulnerar derechos fundamentales, deberían buscar otro modelo.

6.- Consideramos que las industrias culturales necesitan para sobrevivir alternativas modernas, eficaces, creíbles y asequibles y que se adecuen a los nuevos usos sociales, en lugar de limitaciones tan desproporcionadas como ineficaces para el fin que dicen perseguir.

7.- Internet debe funcionar de forma libre y sin interferencias políticas auspiciadas por sectores que pretenden perpetuar obsoletos modelos de negocio e imposibilitar que el saber humano siga siendo libre.

8.- Exigimos que el Gobierno garantice por ley la neutralidad de la Red en España, ante cualquier presión que pueda producirse, como marco para el desarrollo de una economía sostenible y realista de cara al futuro.

9.- Proponemos una verdadera reforma del derecho de propiedad intelectual orientada a su fin: devolver a la sociedad el conocimiento, promover el dominio público y limitar los abusos de las entidades gestoras.

10.- En democracia las leyes y sus modificaciones deben aprobarse tras el oportuno debate público y habiendo consultado previamente a todas las partes implicadas. No es de recibo que se realicen cambios legislativos que afectan a derechos fundamentales en una ley no orgánica y que versa sobre otra materia.