Una newtoniana en los estados papales

Laura María Catharina Bassi en un grabado de
Domenico Maria Fratta del siglo XVIII.

A principios del siglo XVIII la revolución científica había llegado a su culminación. Ya nada volvería a ser igual en el conocimiento, en la relación misma del ser humano con el universo. La revolución había comenzado en 1543, con la publicación de las ideas de Nicolás Copérnico y se cerraba en 1687 con el libro donde Newton desentrañaba las leyes del movimiento y de la gravitación. En menos de siglo y medio en el cual se había replanteado, cuestionado y reevaluado todo cuanto el ser humano había creído saber en toda su historia.

Pero faltaba que las nuevas ideas fueran aceptadas por quienes manejaban el poder a todos los niveles, incluidos los científicos. Eran necesarios nuevos revolucionarios que contaran la historia y que construyeran sobre las bases fijadas por los creadores de lo que hoy llamamos ciencia.

Una de las consolidadoras de la revolución científica y heraldo de la revolución social y política que la seguiría, la Ilustración, Laura María Caterina Bassi, nació el 31 de octubre de 1711 en Bolonia, por entonces parte de los Estados Papales. Hija de un abogado, llegaba a la todavía nueva élite de los profesionistas liberales con dinero pero sin título nobiliario. Su padre decidió educarla en casa; a los cinco años empezó a estudiar latín, francés y matemáticas, y a los trece, el médico familiar y profesor de la Universidad de Bolonia, Gaetano Tacconi empezó a enseñarle filosofía, metafísica, lógica y eso que por entonces se llamaba “filosofía natural”... ciencia.

La joven tenía dotes intelectuales notables y un interés profundo por el universo a su alrededor, especialmente por la física, y en los años siguientes sería conocida por su capacidad intelectual tanto en su ciudad como internacionalmente. Su entorno (que incluía a Próspero Lambertini, después Benedicto XIV) le animó a buscar un puesto académico y con apenas 20 años fue admitida en la Academia de Ciencias de Bolonia. Tres semanas después, el 17 de abril de 1732, defendió 49 tesis en la Universidad de Bolonia, con tal éxito que le mereció ser doctorada el 12 de mayo.

Buena parte de las tesis que defendía se referían a la física, la biología y la anatomía, y entre ellas defendía la posición de Newton respecto de la ciencia, a contracorriente de la preferencia de los académicos de la época por el pensamiento de Descartes.

El filósofo francés René Descartes afirmaba que la forma correcta de descubrir la verdad es por medio de la razón y sólo la razón, mientras que Newton afirmaba que la razón podía plantear hipótesis, pero se necesitaba la experimentación y la observación para confirmarlas o rechazarlas. La visión de Newton afirmaba que la naturaleza obedece a leyes que se pueden cuantificar y predecir, no a fuerzas sobrenaturales. Laura Bassi, atraída por la experimentación y fascinada por sus resultados, oponía a ellos la posición del físico inglés con tanta claridad que llegó a ser conocida como “la mujer que entendía a Newton”, y durante 28 años enseñó, entre otros temas, la física newtoniana que sustentaba las ideas del genio británico.

Su brillante exposición llevó a que la universidad la nombrara profesora a fines de 1732 y, al año siguiente, el 17 de abril, le otorgó una cátedra. En poco tiempo, Laura Bassi se había convertido en la segunda mujer que recibía un título universitario en Italia, además de ser la primera profesora universitaria de la historia y la primera científica profesional, dedicada a explorar problemas de mecánica, hidrometría, elasticidad, propiedades de los gases y la recién descubierta electricidad. Alessandro Volta, uno de los pioneros de la electricidad, solía enviarle sus artículos para obtener su opinión. Tenía también correspondencia con personajes como Voltaire, a quien ayudó para que fuera admitido en la Academia de las Ciencias de Bolonia.

En 1738 se casó con el médico y físico Giuseppe Veratti, que compartía su pasión por la ciencia. En los siguientes años, además de dar clases en la universidad y, frecuentemente, en su casa, donde la pareja hacía sus experimentos, se dieron tiempo para tener y educar a una docena de hijos. En 1745 fue admitida en el selecto grupo de científicos, la Academia Benedictina, convocada precisamente por el papa Benedicto XIV, su antiguo amigo. Allí, desde 1746 y hasta su muerte, Bassi dio una conferencia anual detallando sus experimentos y hallazgos.

Laura Bassi enfrentó la oposición de algunos que no consideraban correcto que una mujer discutiera de asuntos de la naturaleza y el universo, además de que se veía impropio que impartiera clases a grupos de alumnos masculinos, y el arzobispo de Bolonia dio la orden de que sólo impartiera clases públicas ocasionalmente y con permiso del Senado de Bolonia. Bassi decidió que su carrera científica no dependía ni de la universidad ni del arzobispo, y no tenía la perspectiva de ser una mera curiosidad, sino de realizar sus propias aportaciones al conocimiento, al método y a la filosofía de la ciencia. En 1749, inauguró un laboratorio privado que pronto se hizo famoso en toda Europa, y donde confirmó que era, además, la mejor profesora de física de su época.

La culminación de su carrera se dio en 1776, cuando el Senado de Bolonia le confirió la cátedra de física experimental en el Instituto de las Ciencias de Bolonia, llevando a su marido como asistente.

Una de las razones por las cuales Bassi es poco conocida actualmente es que sus aportaciones se anunciaban en conferencias y conversaciones, en particular las que impartió anualmente desde 1746 en la Academia Benedictina, y sólo publicó cuatro obras científicas, una sobre la compresión del aire, otra sobre las burbujas en líquidos en flujo libre, la tercera sobre burbujas de aire que escapan de los líquidos y otra sobre problemas mecánicos e hidrométricos.

Laura Bassi falleció el 20 de febrero de 1778. La Ilustración llevaba a cabo su propia revolución y el puente entre las viejas ideas y el nuevo método, la ciencia, había sido transitado, en parte gracias a la labor experimental, docente e innovadora de Laura Bassi, “la mujer que entendía a Newton”.

Laura Bassi, hoy Aunque poco conocida por el público en general, la contribución de Laura Bassi es reconocida por diversos medios. Llevan su nombre un liceo y una calle de su ciudad natal, Bolonia, y otro liceo en Sant’Antimo, además de ocho centros de especialización en Austria y un cráter de Venus. Adicionalmente, la Universidad Técnica de Munich ofrece anualmente el premio Laura Bassi, que consta de una mensualidad para apoyar a científicas destacadas. En 2016, serán 1.200 euros mensuales para candidatas al doctorado y 2.000 euros mensuales para estudiantes de postdoctorado, más un apoyo adicional para guardería, en caso de que las científicas tengan hijos.

El casi inexistente neutrino

Llenado de agua del gigantesco observatorio Kamiokande en 2006. Cada semiesfera
plateada es un fotomultiplicador-detector de neutrinos.
(© Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo)

Miles de millones nos atraviesan a cada segundo sin que lo notemos, sin que lo podamos notar, pues los neutrinos son la más extraña de las partículas elementales (el zoo de partículas) que componen nuestro universo. Los neutrinos son la partícula con masa más abundante del universo, sólo por debajo de los fotones, que componen la luz y que no tienen masa. Se producen en las reacciones nucleares, tanto de fusión como de fisión (la mayor fuente de neutrinos que tenemos al alcance es nuestro propio sol) y en las supernovas cuando estallan.

Los neutrinos tienen masa. Muy pequeña. Tanto que hasta 1998 se pensaba que no la tenía, que era una especie de partícula fantasma. Estas partículas no tienen carga eléctrica, viajan casi a la velocidad de la luz y son tan pequeños. Hacen falta diez millones de ellos para tener la masa de un electrón. Esas características han hecho tan difícil su estudio, ya que los neutrinos prácticamente no interactúan con el resto de la materia. Los neutrinos no son afectados así por dos de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, la electromagnética y la fuerza nuclear fuerte. Sí les afecta la fuerza nuclear débil, pero ésa sólo tiene efectos en distancias muy cortas, y sí les afecta la gravedad mínimamente, en relación a su masa. Así que no suelen afectar a otras partículas ni, a su vez, verse afectados por ellas. Casi todos los neutrinos que llegan a la Tierra pueden atravesarla de lado a lado sin interactuar con ninguna otra partícula a su paso, como una nave viajando en el espacio no podría encontrarse al azar con casi ningún cuerpo estelar. Vale la pena recordar aquí que lo que nos parece materia sólida (y líquida) en realidad está formada principalmente por espacio vacío.

Pero, pese a ser tan pequeño y tan etéreo, el neutrino es fundamental para entender el universo a nuestro alrededor. Por poner sólo un ejemplo, si podemos determinar el origen de los neutrinos que llegan a la Tierra, quizá podríamos determinar de dónde proceden los rayos cósmicos que nos bombardean incesantemente, rayos de una enorme energía, tanta que no la hemos podido reproducir en nuestros laboratorios.

La existencia de lo que hoy llamamos neutrino fue propuesta en 1931 por el físico teórico Wolfgang Pauli, uno de los pioneros de la física cuántica y Premio Nobel en 1945. En sus cálculos, determinó que la energía no parecía conservarse en la desintegración radiactiva llamada “beta”, donde un neutrón del núcleo de un átomo radiactivo se convierte en un protón y un electrón. En el proceso radiactivo se había perdido algo de energía. Y como la energía ni se crea ni se destruye, Pauli pensó que podría haber sido tomada por una partícula neutral en aquellos años indetectable. Tres años después, otro físico, Enrico Fermi, le dio a esa partícula el nombre de “neutrino”, es decir, “el pequeño neutral”, que era fundamental para explicar la desintegración radiactiva tal como se observaba en los experimentos realizados por entonces.

Pero fue necesario esperar hasta 1956 para que Clyde Cowan y Frederick Reines consiguieran demostrar la existencia de dichas partículas utilizando un reactor nuclear como fuente de neutrinos. El descubrimiento de los llamados “neutrinos electrones” le valió a Reines el premio Nobel de física por su parte en el descubrimiento. Desafortunadamente, como ha ocurrido en otros casos, la muerte prematura de Cowan le impidió ser galardonado con el premio, ya que no se otorga post mortem.

Los neutrinos también se pueden encontrar en otras formas o “sabores”, el neutrino muón (hallado en 1961 por Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger, en el CERN, hoy famoso por su acelerador de partículas, el LHC), y el neutrino tau, extremadamente escaso y de vida muy corta, que no pudo observarse sino hasta el año 2000 también en el CERN.

La característica más peculiar de los neutrinos es que, a diferencia de las demás partículas elementales, están “oscilando” continuamente, es decir, cambiando de sabor. Y, además, pueden tener una mezcla de sabores, es decir, pueden tener parte de neutrino electrón y parte de neutrino muónico.

Decíamos que casi todos los neutrinos que llegan a nuestro planeta lo atraviesan sin interactuar con ninguna partícula. Para percibir a algunos de los pocos que sí interactúan, sin embargo, necesitamos sistemas enormes que estén aislados de otras formas de radiación. Para ello, los observatorios de neutrinos se ubican a gran profundidad en la tierra, donde no pueden llegar los rayos cósmicos y otras partículas.

Uno de los observatorios de neutrinos más impresionantes que existen es el Super Kamiokande, aunque no se parece a nada de lo que solemos llamar observatorio. Se trata de un tanque cilíndrico de acero inoxidable de 40 por 41 metros situado a mil metros de profundidad, en la antigua mina de Mozumi, que contiene 50.000 toneladas de agua ultrapura. El tanque está rodeado por más de 11.000 tubos capaces de multiplicar cualquier pequeñísimo destello de luz decenas de millones de veces. El funcionamiento del observatorio es el siguiente: cuando ocurren eventos como la desintegración de un protón o que una partícula colisione con un electrón o el núcleo de un átomo del agua, éstos provocan un cono de luz. El fenómeno, llamado “radiación de Cherenkov”, es percibido como un tenue anillo de luz por los tubos detectores. los datos de los distintos tubos que registran la luz permiten saber qué partícula los ha provocado. Estos detectores, por ejemplo, consiguieron registrar, en 1987, 11 neutrinos provenientes de la explosión de una supernova.

¿Qué relación tienen los neutrinos con las partículas a las que están asociados (electrón, muón, tau)? ¿Por qué y cómo oscilan o cambian de uno a otro mientras recorren el universo a velocidades tan enormes? ¿Tienen que ver los neutrinos, como algunos físicos sospechan, con la materia oscura y la energía oscura que forman el 95% de nuestro universo y que aún no hemos podido detectar? Éstas son algunas de las preguntas que animan la investigación de los neutrinos. Enormes, costosos, delicadísimos aparatos a cargo de mujeres y hombres altamente preparados que investigan unas partículas casi inexistentes.

En la cultura popular En 1959, el poeta estadounidense John Updike escribió un poema sobre los neutrinos que ya decía que para ellos “la tierra sólo es una bola sin sentido”. En 1976, la banda canadiense de rock progresivo Klaatu grabó la canción El pequeño neutrino, de Dee Long, que desafiantemente dice “Yo mismo me niego a ser / soy alguien a quien nunca conocerás / Soy el pequeño neutrino / Y ahora estoy atravesando / Al que se conoce como tú / Y sin embargo nunca sabrás que lo hago”. Visto así, no deja de ser levemente inquietante.

La marquesa que preguntaba

Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil, marquesa de Châtelet
(Imagen D.P. de pintor anónimo vía Wikimedia Commons)

Libre, fuerte, independiente, apasionada, rebelde, extremadamente inteligente y llena de preguntas. Es un resumen, si bien insuficiente, al menos básico para conocer a Emilie du Châtelet, una de las figuras relevantes de la Ilustración francesa: matemática, física, filósofa, lingüista y feminista.

Vista con una mirada simplemente frívola, lo más destacado de su vida fue una serie de aventuras amorosas que disfrutó con la complacencia o al menos la simulada ignorancia de su marido. Los años que fue amante de Voltaire bastarían para darle un lugar en la historia de esos años en los que el pensamiento se iba liberando de antiguas ataduras. Pero ella misma se rebeló contra esa fácil visión cuando le escribió a Federico el Grande de Prusia: “Juzgadme por mis propios méritos, o por la falta de ellos, pero no me veáis como un simple apéndice de este gran general o ese gran sabio, esta estrella que brilla en la corte de Francia o ese autor famoso. Soy, por mi propio derecho, una persona completa, responsable sólo ante mí por todo lo que soy, todo lo que digo, todo lo que hago”.

El camino que llevó a esa postura comenzó con el nacimiento de la hija del Barón de Breteuil el 17 de diciembre de 1706, en medio de la turbulencia de la revolución científica y, con ella, del pensamiento ilustrado. Su nombre completo fue Émilie le Tonnelier de Breteuil. El barón, su padre, que ocupó un puesto en la corte de Luis XIV, observó que su hija era extremadamente inquieta, interesada en cuanto le rodeaba y una fuente incesante de preguntas. La educó en latín, italiano, griego, alemán e inglés, y ella aprovechó a los amigos de la familia para expresar y desarrollar de modo autodidacta su pasión por las matemáticas.

La libertad que anhelaba pasaba por un buen matrimonio con un caballero que no le pusiera fronteras a sus intereses y gustos, y encontró al candidato ideal en el Marqués Florent-Claude de Châtelet-Lomont, con el que se casó en 1725 convirtiéndose así en marquesa. Ella tenía 19 años y él 34, y los diversos lugares donde vivieron, especialmente París, influyeron en los gustos estéticos y las pasiones intelectuales de la joven esposa. Tuvieron dos hijos en rápida sucesión y un tercero poco después que vivió apenas un año. Era 1734 y Emilie, además de cumplir con sus obligaciones como marquesa de Châtelet, había tenido una agitada vida sentimental por la que habían pasado al menos tres amantes, asunto por lo demás común en esa época para la gente de su posición social. Pero, además, había contratado a diversos sabios de la época para que le enseñaran matemáticas, y frecuentaba reuniones de intelectuales, matemáticos y físicos, como las llevadas a cabo en el café de Gradot que, sin embargo, tenía prohibida la entrada a mujeres. Emilie optó por vestirse como hombre y, aunque todos sabían quién era y no engañaba a nadie, le franquearon la entrada convirtiéndola en habitual de las reuniones, porque sus aportaciones siempre eran bienvenidas.

En 1733 había conocido a uno de los personajes fundamentales del pensamiento de la Ilustración, con el que inició una relación amorosa y con quien reanimóa sus intereses intelectuales y científicos, Voltaire, que se refirió a ella como “la mujer que en toda Francia tiene la mayor disposición para todas las ciencias”. Emilie y Voltaire se instalaron en una casa en Cirey, propiedad del marido de Emilie, quien aceptó la situación de buen grado, y se ocuparon de estudios científicos, especialmente las propuestas de Newton sobre la gravedad, que no eran aceptadas en la Francia que prefería a Descartes, quien rechazaba la existencia del espacio vacío y explicaba la atracción gravitacional como vórtices en el éter que todo lo llena. Voltaire y Emilie consideraban que la evidencia se inclinaba hacia la explicación de Newton, y dedicaron largo tiempo a estudiar el asunto. Ambos participarían independientemente (ella sin hacérselo saber a su amante) en un premio de la Academia de Ciencias sobre el fuego y su propagación, que finalmente fue ganado por el matemático Euler.

En 1738 se publicaban sus Elementos de la filosofía de Newton, una obra de divulgación de las ideas de Newton que pese a ser firmada sólo por Voltaire éste aclaraba en el prólogo que era una obra a cuatro manos con Emilie de Châtelet. Por entonces también se publicaba la traducción al francés de La fábula de las abejas, obra sobre moral de Mandeville donde la científica aprovechaba también el prólogo para establecer su reivindicación: “Siento todo el peso del prejuicio que nos excluye de manera tan universal de las ciencias; es una de las contradicciones de la vida que siempre me ha asombrado, viendo que la ley nos permite determinar el destino de grandes naciones, pero no hay un lugar donde se nos enseñe a pensar…”

Dos años después, Emilie du Châtelet publicaba su obra personal principal, Fundamentos de la física donde hace la defensa de la posición newtoniana con apoyo en Descartes y Leibniz. En ese libro, sin embargo, no sólo se dedica a asuntos eminentemente científicos, sino que presenta su propia visión sobre Dios, la metafísica y el método científico, junto con las reflexiones producto de su trabajo en el laboratorio que había instalado en Cirey, y donde también se situaba como una innovadora en cuanto a la defensa de las hipótesis como bases para el trabajo científico.

Por esos años se daría tiempo además para escribir su Discurso sobre la felicidad, una reflexión autobiográfica y moral sobre la naturaleza de la felicidad, especialmente de las mujeres.

Hacia 1747, Emilie había dejado su romance con Voltaire, pero no su amistad con él. Se había enamorado del Marqués de Saint-Lambert e intensificó el trabajo en un proyecto que le había ocupado muchos años: una detallada traducción al francés de la obra magna de Newton, los Principia mathematica, acompañada de abundantes comentarios algebraicos clarificadores de la propia traductora.

Nunca lo vería publicado. En 1749 quedó embarazada de su nuevo amante, aunque Voltaire la ayudó a convencer a su marido legítimo que él era el padre del futuro bebé. A los pocos días de nacer su cuarto hijo, Emilie du Châtelet murió inesperadamente el 10 de septiembre de 1749, con apenas 43 años de edad.

Voltaire escribió a un amigo, relatando el acontecimiento: “No he perdido a una amante, sino a la mitad de mí mismo, un alma para la cual parece haber sido hecha la mía.”

Diez años después se publicaba al fin la traducción de Emilie, que es hasta hoy la única traducción al francés de la obra cumbre de Newton. No ha hecho falta otra.

Si fuera rey… “Si fuera rey”, escribió Emilie du Châtelet, “repararía un abuso que recorta, por así decirlo, a la mitad de la humanidad. Haría que las mujeres participaran en todos los derechos humanos, especialmente los de la mente.”

Schrödinger y su omnipresente gato

Pocas metáforas científicas están más difundidas que el “gato de Schrödinger” que, nos dicen, no está ni vivo ni muerto. Pero, ¿qué significa realmente?

Erwin Schrödinger, físico.
(Imagen de Robertson, copyright de la Smithsonian Institution,
via Wikimedia Commons)

A principios del siglo XX, la idea que teníamos de la física era muy incompleta. No se conocían los protones, la estructura del átomo era sujeto de especulación y muchos aspectos apenas empezaban a estudiarse.

Esto representó una explosión del conocimiento en la física que, entre otras cosas, vino a confirmar que nuestro sentido común no es buena herramienta para entender la realidad. Por sentido común podemos pensar, que los cielos giran alrededor de nuestro planeta, sin importar las pruebas de Copérnico, Kepler y Galileo. La ciencia a veces exige rechazar lo que sugiere nuestra intuición.

Así, en la revolución del siglo XX supimos que el tiempo no es constante, sino variable, que el movimiento no es absoluto, sino relativo, que la única constante universal es la velocidad de la luz... conclusiones de la teoría de la relatividad de Einstein para explicar el mundo macroscópico. Pero Einstein viajó también al mundo subatómico donde nuestra intuición es, si posible, aún más inútil.

En 1900, el físico Max Planck había postulado que la radiación (las ondas de radio, la luz visible, los rayos X, todas las formas que adopta el espectro electromagnético) no ocurría en un flujo continuo, sino que se emitía en paquetes, uno tras otro, como los vagones de un tren. Llamó a estos paquetes de energía “cuantos”. Cinco años después, Einstein desarrolló las ideas de Planck y propuso la existencia de un “cuanto” de luz, el fotón, su unidad menor e indivisible. Esto no era grave, podíamos percibir la luz como un continuo sin que lo fuera, del mismo modo en que percibimos una película como movimiento continuo sin ver que está formada por 24 fotogramas cada segundo.

Pero los cálculos de Einstein demostraron algo más: los fotones no eran ni ondas ni partículas o, desde nuestro punto de vista, a veces se comportan como ondas y a veces se comportan como partículas, cuando para la física clásica sólo existían ondas o partículas como fenómenos diferentes. ¿Cómo puede ser eso? La explicación, por supuesto, es que así ocurre y nuestro sentido común se equivoca al pensar que una manifestación física tiene que ser “onda o partícula” tanto como se equivocaba al creer que el universo giraba a nuestro alrededor. Esto dio origen a toda una rama de la física dedicada a estudiar el mundo subatómico, las leyes que rigen a las partículas elementales, la “mecánica cuántica”.

Los descubrimientos en la cuántica se sucedieron rápidamente pintando un panorama extraño, casi daliniano. En 1913, Niels Bohr desarrolla el primer modelo de cómo es un átomo que refleja con razonable precisión la realidad.  Y en 1926 entra en escena el físico austríaco Erwin Schrödinger, de sólo 39 años, que con tres artículos brillantes, el primero de los cuales describe cómo cambia el estado cuántico de un sistema físico al paso del tiempo, el equivalente de las leyes de Newton en el mundo a escala macroscópica. Si aplicamos la ecuación del movimiento de Newton a un objeto podemos saber dónde estará en el futuro en función de su aceleración . Para saber cómo evolucionará un sistema en la pequeñísima escala cuántica, se aplica la ecuación de Schrödinger.

Pero la ecuación de Schrödinger sólo nos da una probabilidad estadística de cómo evolucionará ese sistema. Un electrón puede tener probabilidad de estar en varios lugares... se diría que sus “funciones de onda” (su descripción matemática) están “superpuestas”, lo que quiere decir que ninguna se ha vuelto realidad. Pero cuando observamos el electrón (o lo registramos con un aparato, no es necesario que lo veamos con los ojos, lo cual además es imposible dado su diminuto tamaño) se dice que la “función de onda” del electrón, que incluye todas las probabilidades de dónde puede estar, se “colapsa” en una sola probabilidad del 100% y el electrón sólo está donde lo hemos observado. Esto significaría que el hecho mismo de observar un fenómeno cuántico (y es importante recordar que esto sólo ocurre a esala cuántica, es decir, a nivel microscópico) “provocaría” que tenga una u otra posición.

Poner esto en palabras, por supuesto, ha sido pretexto para que numerosos charlatanes y simuladores hablen como si supieran de cuántica y traten de extrapolar estos asombrosos acontecimientos a la realidad macroscópica, donde las cosas, claro, no ocurren así.

Incluso es posible que aún no tengamos completa la explicación. Como sea, el propio Erwin Schrödinger se sentía enormemente incómodo con estas paradojas, contradicciones y desafíos al sentido común que presenta la mecánica cuántica y las interpretaciones que daban sus colegas físicos, y en 1935 diseñó un experimento mental para ilustrar lo que a él le parecía un absurdo de las conclusiones que mencionamos.

En su experimento, hay un gato encerrado en una caja hermética y opaca con un dispositivo venenoso que se puede activar o no activar dependiendo de un fenómeno cuántico, como sería que un elemento radiactivo emita o no una partícula en un tiempo determinado. Si la probabilidad de que lo emita o no es del 50%, la conclusión sería que el gato no estaría ni vivo ni muerto (o su estado de vivo y muerto estarían “superpuestos”) porque mientras el sistema no sea observado no se hará 100% la probabilidad de que la partícula se emita o no. Al abrir la caja y ver si se ha emitido o no la partícula, su función de onda se colapsará y el veneno se habrá liberado o no, de modo que el gato estará o vivo o muerto.

Como es imposible que un gato esté a la vez vivo y muerto, según Schrödinger señaló, su experimento mental subrayaba que nuestra comprensión del mundo cuántico no es completa aún. Desde entonces, numerosas interpretaciones han intentado conciliar esta aparente paradoja, sin lograrlo.

Pero el experiento del mítico “gato de Schrödinger” en todo caso no tiene por objeto concluir que el pobre felino está realmente vivo y muerto al mismo tiempo, al contrario. Cosa que no tienen claro muchos que, de distintas formas, pretenden usar esta metáfora como aparente explicación de cuestiones que no tienen nada que ver con la física.

Los cuentos del gato Son literalmente cientos los escritores y cineastas que han utilizado al gato de Schrödinger, ya sea como elemento de una historia, para ofrecer interpretaciones originales que resuelvan la paradoja o, simplemente, por su nombre. Douglas Adams, autor de El autoestopista galáctico, lo es de otra novela, Dirk Gently: agencia de investigaciones holísticas, donde el detective que le da nombre es contratado porque en vez de estar vivo o muerto, el gato simplemente ha desaparecido, harto de ser sometido una y otra vez al mismo experimento.

Lise Meitner

Lise Meitner venció los prejuicios de la Europa de principios del siglo XX para convertirse en una de las grandes figuras de la física nuclear. Pero los prejuicios del XXI aún la mantienen en una injusta oscuridad.

Lise Meitner en Viena alrededor
de 1906. (Foto D.P. vía
Wikimedia Commons)

El 11 de febrero de 1939, Lise Meitner publicaba en la revista Nature, junto con su sobrino, el físico Otto Frisch, el estudio “Desintegración del uranio por neutrones: un nuevo tipo de reacción nuclear”. Explicaba por qué un átomo de uranio golpeado por un neutrón no lo absorbía, transmutándose en un elemento más pesado (los elementos se identifican por su número de protones, que le dan sus características únicas). Por el contrario, el resultado eran elementos más ligeros como el bario y el kriptón.

Meitner y Frisch proponían que el choque del neutrón dividía, rompía, al átomo de uranio en dos átomos más ligeros. Parte de la masa original del uranio se convertía en energía según la ecuación de Einstein E=mc^2, que dice que la energía en la que se puede convertir la materia es igual a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.

El artículo llamó a este nuevo tipo de reacción “fisión nuclear”, y es la fuente de la energía nuclear, ya sea usada en bombas atómicas o para la paz en aplicaciones médicas, científicas, tecnológicas, nucleoeléctricas, etc.

Los resultados que desentrañaba Lise Meitner procedían de experimentos que había diseñado con Otto Hahn y que había llevado a cabo este químico junto con Fritz Strassman.

El descubrimiento de la fisión nuclear era uno de los más importantes en la súbita expansión que tuvo la física nuclear en las primeras décadas del siglo XX. Tanto que en 1944 se le concedió el premio Nobel a Otto Hahn “por su descubrimiento de la fisión de los núcleos pesados”. Ni la Academia ni Hahn hicieron mención a Lise Meitner, que había sido, cuando menos, tan importante como Hahn en toda la investigación. Una omisión que, junto con su ausencia durante muchos años de los relatos de la historia de la física atómica, es de las grandes –y frecuentes– injusticias contra las mujeres de la ciencia.

De Viena a Cambridge, por Copenhague

Lise Meitner nació en 1878 en Viena, hija de una familia de raíces judías, pero no practicante de la religión.

Su poco común historia educativa se debió a la revolucionaria convicción de su padre Philipp de que sus ocho hijos debían recibir la misma educación fueran varones o mujeres. Lise exhibió pronto facilidad y gusto por las matemáticas, y su padre se encargó de que la desarrollara con profesores privados, ya que las chicas no podían estudiar en los bachilleratos para chicos. Con esas bases, en 1901 Lise consiguió convertirse en la primera mujer en ser admitida a las clases de física y laboratorios de la Universidad de Viena, donde estudió con algunos de los grandes nombres de la física de entonces, como Anton Lampa y Ludwig Boltzmann.

En 1906 fue la segunda mujer que obtenía un doctorado en física de esa universidad. Aunque era un logro, vale la pena tener presente que tres de sus hermanas eventualmente obtendrían también doctorados. Sin embargo, una cosa era tener el título y otra conseguir un puesto en la investigación. En 1907, Max Planck la invitó a que fuera a Berlín para hacer su postdoctorado. Pero la única forma de hacerlo fue como investigadora sin sueldo que, además, no podía entrar a los laboratorios de química del instituto donde trabajaba, pues se temía que el cabello de las mujeres se incendiara.

A su llegada conoció a Otto Hahn, con quien colaboraría durante las siguientes tres décadas. Su trabajo acerca de los procesos radiactivos se desarrollaba en la frontera entre la química y la física, la primera disciplina a cargo de Hahn y la segunda de Meitner. En su trabajo conjunto descubrieron el elemento protactinio en 1917 y desarrollaron nuevos métodos de investigación de la desintegración radiactiva.

Pero no fue sino hasta 1912 cuando el grupo de investigación fue trasladado al Instituto Kaiser Wilhelm, donde Otto Hahn fue nombrado director del instituto de la radioactividad y, finalmente, con el apoyo y admiración de colegas como Max Planck, Lise Meitner fue reconocida en 1918, gracias a su trabajo en la radiactividad, como directora del departamento de física del institituto. En 1923 descubrió un efecto en el cual, si se arranca un electrón de una órbita inferior en un átomo, es reemplazado por uno de una órbita superior, emitiendo en el proceso un fotón u otro electrón. Este mismo efecto fue descrito poco después de modo independiente por Pierre Auger, pero injustamente hoy se le conoce como “efecto Auger”. Por sus logros, en 1926 fue la primera mujer nombrada profesora de física en la Universidad de Berlín.

Para 1930, había publicado más de 80 investigaciones y había sido nominada ocho veces al Nobel junto con Hahn entre 1924 y 1934, además de obtener el Premio Leibniz y el AAAWS, conocido como el “Nobel para Mujeres”.

Pese a haber adoptado la fe evangélica y trabajar como enfermera del ejército austriaco durante la Primera Guerra Mundial, para cuando Alemania se anexó Austria en marzo de 1938 tuvo que huir a Suecia, donde el Nobel de Física de 1924, Manne Siegbahn, la recibió. Pero el científico no era partidario de que las mujeres trabajaran en ciencia, de modo que le escatimó los recursos necesarios para investigar.

En noviembre de ese año, Hahn y Meitner se reunieron clandestinamente en Copenhague para planificar el experimento que llevaría al descubrimiento de la fisión nuclear. Lise Meitner, además, previó la posibilidad de una reacción en cadena que podría provocar la súbita liberación de una cantidad colosal de energía: la bomba atómica. Tanto Estados Unidos como Alemania emprendieron proyectos para crear esa arma, que Meitner lamentaría que hubiera tenido que existir.

Ignorada por la Academia Sueca y por Otto Hahn en el Nobel de Química de 1944, en los años posteriores a la guerra trabajó en la aplicación de la energía nuclear para la paz, participando en la creación del primer reactor nuclear sueco en 1947.

Lise Meitner no volvió a Austria o Alemania. Al jubilarse como investigadora en Suecia se mudó al Reino Unido con algunos familiares como su sobrino Otto Frisch. Murió en Cambridge el 27 de octubre de 1968. Su epitafio, compuesto por Frisch, dice: “Lise Meitner: una física que nunca perdió su humanidad”.

A falta del Nobel A partir de 1946 Lise Meitner recibió una gran cantidad de reconocimientos, doctorados honoris causa, la Medalla Max Planck de la Sociedad Alemana de Física, la inclusión en la Real Academia Sueca de Ciencias y en la Royal Society de Londres, entre otras muchas academias, y el Premio Enrico Fermi. Además, su nombre se ha dado a asteroides y cráteres tanto de la Luna como de Venus y, en 1997, el elemento 109 recibió el nombre de meitnerium, en su honor.

Los muchos padres del bosón de Higgs

La ciencia no es un emprendimiento individual, ni en el pasado ni en la actualidad, aunque a veces el crédito se lo lleve sólo una persona.

Los codescubridores del campo y bosón de Higgs. De izq. a der.:
Tom Kibble, Gerald Guralnik, Carl Hagen, François Englert y
Robert Brout. (Foto DP de Timm Roetger, vía Wikimedia Commons)

Si uno le pregunta a Peter Higgs, lo llama el “bosón escalar”, y hay otras propuestas para cambiar el nombre de la partícula que varios físicos teóricos postularon en 1964 y que fue hallada, o al menos muy probablemente hallada, en el acelerador de partículas LHC del CERN en la frontera franco-suiza, y anunciada en julio de 2012.

Una de las propuestas es llamarlo “bosón BEHGHK”, que se pronunciaría como “berk” con “r” francesa... o “begk”. Aunque menos eufónico que “bosón de Higgs”, este nombre daría crédito incluyendo las iniciales de los apellidos de todos los científicos que participaron en la descripción de la partícula: Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble. Hagen, por su parte, favorece el nombre “bosón escalar SM” por “standard model” o “modelo estándar”.

El problema es que la costumbre del comité del premio nobel es no dar el premio a más de tres personas, y que los galardonados aún vivan al momento de anunciarse el galardón. Esto ha significado que en muchas ocasiones se han pasado por alto colaboraciones o aportaciones de gran importancia y se han consagrado en la memoria sólo algunos nombres.

En este caso, Englert y Brout fueron los primeros en hacer su aportación teórica en la revista Physical Review Letters en agosto de 1964. En octubre de ese mismo año, y en la misma publicación, aparecía el trabajo teórico de Peter Higgs, más completo y con ecuaciones precisas sobre el mecanismo mediante el cual podía romperse la simetría que según los físicos es una característica esencial de los sistemas físicos. Finalmente, el mes siguiente la misma revista publicaba el artículo de Guralnik, Hagen y Kibble, el más completo de los tres. Todos los artículos demostraban teóricamente la forma en que algunas partículas adquieren masa, una idea que fue consolidándose con el trabajo teórico y experimental de los años siguientes de muchos otros científicos.

La teoría más completa y coherente que tenemos hoy para explicar todos los fenómenos físicos del universo es el llamado “Modelo estándar”, que describe las relaciones entre las distintas partículas elementales y las tres fuerzas que conocemos: la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y una fuerza que es al mismo tiempo la electromagnética y la fuerza nuclear débil, conocida como “electrodébil”. Pero para que todo tenga sentido, debía existir una determinada partícula con características precisas responsable de impartir masa a otras partículas, el bosón de Higgs. Su búsqueda desembocó en el diseño, construcción y operación del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

La altamente probable confirmación de la existencia del bosón de Higgs realizada experimentalmente por el LHC claramente era materia de Premio Nobel de Física. Sin embargo, como lo esperaba Carl Hagen, cabeza del tercer grupo de físicos implicados, el comité del Nobel prefirió atenerse a sus reglas y en vez de dar el premio a los cinco científicos supervivientes (Brout murió en 2011) eligió dárselo únicamente a Englert y a Higgs, dejando alguna amargura entre los tres miembros del otro equipo codescubridor.

Descubrimientos simultáneos y nombres olvidados

La ciencia no es un emprendimiento totalmente individual, sino un flujo de conocimientos que van acumulándose e impulsando nuevos hallazgos a veces en direcciones previsibles. Como señaló Newton, los que ven muy lejos lo consiguen a hombros de gigantes. Pero a veces dos son capaces de ver lo mismo simultáneamente, a veces con consecuencias ásperas.

Un ejemplo involucró al propio Isaac Newton, que desarrolló el cálculo prácticamente al mismo tiempo que el matemático alemán Gottfried Leibniz. La controversia sobre si Leibniz había trabajado independientemente del inglés o simplemente había plagiado su trabajo con otra notación matemática amargó los últimos años del alemán. Y aún hoy en día hay quienes lo debaten.

Menos controvertido fue el descubrimiento de la evolución por medio de la selección natural realizado por Alfred Russell Wallace quien mandó sus conclusiones a Darwin antes de que se publicaran los estudios de éste. Darwin promovió la publicación de Wallace y siempre consideró que la nueva teoría era trabajo de ambos, pese a que su confirmación científica de la selección natural era mucho más sólida que las que había alcanzado Russell. Ambos defendieron juntos la idea hasta el final.

Durante 43 años hubo un debate sobre el invento de la tecnología subyacente a la radio. Nikola Tesla había demostrado la transmisión de radio a fines del siglo XIX (aunque su explicación de su funcionamiento era errónea, creyendo que ocurría por la tierra, no por aire) y había obtenido dos patentes clave en 1900 poco antes de Marconi. No fue sino hasta 1943 cuando el Tribunal Supremo de los Estados Unidos reconoció que esas patentes eran las prioritarias, convirtiendo de hecho a Tesla en el inventor teórico de la radio, aunque Marconi fuera quien la desarrolló en la práctica.

Finalmente, aunque quedarían muchos ejemplos en el tintero, está el caso de Rosalind Franklin, la cristalógrafa cuya fotografía por difracción de rayos X de una molécula de ADN fue fundamental para que Francis Crick y James Watson terminaran su modelo de la estructura de doble hélice del ADN en 1953. El Premio Nobel de 1962 por este revolucionario descubrimiento fue para estos dos investigadores, y también para Maurice Wilkins, el otro cristalógrafo que había realizado diversas imágenes del ADN. Rosalind Franklin había muerto en 1958 y su aportación al conocimiento de nuestra genética fue temporalmente opacada. Ahora que se ha rescatado su figura, queda en el relativo olvido su compañero y ocasional rival, Maurice Wilkins.

Estos casos, junto con el de los seis físicos que son padres comunes del bosón de Higgs, nos recuerdan que más allá de los titulares, de los grandes premios y de los tresminutos de fama del informativo televisual, hay muchos otros investigadores sin los cuales no tendríamos el mundo, la esperanza de vida y el conocimiento que distingue a nuestra etapa histórica como la otra cara de la moneda de nuestras dificultades, crisis y problemas.

Si se premiara al LHC El presidente de la Sociedad Física Estadounidense, Michael Turner, explicaba al Washington Post cuando se anunció el Nobel a Higgs y Englert: “Cada vez más los descubrimientos involucran a una comunidad. Fueron necesarias 10.000 personas y 10 mil millones de dólares para construir el instrumento que hizo este descubrimiento, y sería muy difícil reducir ese grupo incluso a 100 personas, ya no digamos a tres”. Quizá el comité del Nobel tenga que replantearse su regla.

Ver el sonido para estudiarlo

El oído es probablemente el segundo sentido más importante después de la vista. La comprensión del sonido, sin embargo, se desarrolló casi cien años después de los descubrimientos de Newton sobre la luz y la óptica.

Figuras de Chladni en la tapa trasera de una guitarra.
(Foto GFDL de Mrspokito, vía Wikimedia Commons

Era 1500, en los inicios de la revolución científica, cuando Leonardo Da Vinci observó que no había sonido cuando no había movimiento o percusión del aire.

La fascinación de Leonardo por las ondas en el agua y los remolinos de agua y aire es dominante en sus libros de notas, y fue por ello que, viendo las olas que se generaban en la superficie del agua al arrojar una piedra sobre ésta, descubrió que el sonido se comportaba de forma similar, es decir, que se transmitía por el aire en círculos concéntricos sin que éste se moviera, igual que las olas en el agua.

Como con muchos otros aspectos de la realidad, los filósofos griegos se ocuparon de tratar de entender la música y, por extensión, el sonido. En el siglo VI antes de nuestra era, Pitágoras fue el primero en observar que un cuerpo vibratorio genera un movimiento igualmente vibratorio en el aire, que se puede oír y sentir. Describió matemáticamente las armonías que conocemos como intervalos de quinta y de cuarta, y descubrió la relación inversa entre la longitud de una cuerda y su tono, es decir, mientras más corta es una cuerda (y en general la fuente productora de sonido), más aguda es la nota.

El filósofo estoico del siglo III a.n.e., Crisipo de Solos, se aproximó a lo que descubriría Leonardo 800 años después proponiendo que el sonido viaja por el aire del mismo modo en el que la energía viaja a través del agua.

Pero los griegos se interesaron más en las leyes que regían los aspectos prácticos del sonido. Así, su amor por el teatro llevó al diseño de teatros con propiedades acústicas tales que todo el público pudiera escuchar a los actores. Como ejemplo, en Epidauro todavía podemos ver uno de los teatros mejor conservados de la antigüedad, construido en el 350 a.n.e. y cuyo diseño semicircular, una pared detrás del escenario y un graderío con gran inclinación tiene propiedades acústicas que aún nos sorprenden.

El sonido, finalmente, es tan sólo una onda que se difunde por un medio a partir de un objeto que vibra, como nuestras propias cuerdas vocales. Al moverse hacia adelante, el objeto comprime las moléculas del aire frente a él y, al moverse hacia atrás, las expande. La onda resultante, se transmite así por cualquier medio líquido, sólido o gaseoso, aunque nosotros nos interesamos más por la propagación del sonido a través del aire, que es como más usualmente lo percibimos.

La acústica científica

El estudio del sonido encontró a su Cristóbal Colón en el alemán Ernst Florens Friedrich Chladni, nacido en 1756 en Wittenberg. Desde muy joven, Ernst mostró interés por la música y por la ciencia, dos disciplinas que no eran bien vistas en modo alguno por su padre, Ernst Martin Chladni, profesor de leyes en la universidad de la misma ciudad, quien optó por obligar a su hijo a estudiar leyes.

Chladni obtuvo su título de leyes en 1782 en la Universidad de Leipzig, el mismo año que murió su padre, por lo cual no practicó nunca como abogado sino que se dedicó a sus pasiones originales.

Como músico aficionado, Chladni inventó dos instrumentos derivados de la armónica de vidrio, en la que una serie de piezas de cristal giratorias son pulsadas con los dedos humedecidos para provocar su vibración, el mismo principio utilizado por quienes interpretan melodías con copas de vidrio afinadas según la cantidad de líquido en su interior.

Pero su interés en la ciencia del sonido lo llevó de vuelta a las primeras observaciones de Pitágoras. Si un cuerpo que vibra provoca el sonido, ¿qué pasa cuando hacemos vibrar un cuerpo determinado?

Para averiguarlo, Chladni utilizó placas metálicas y de vidrio recubiertas de arena que hizo vibrar pasando por sus bordes un arco de violín. El asombroso resultado es que las vibraciones provocan que la arena se acumule en patrones simétricos, conocidos como “figuras de Chlandi”, que permiten ver las vibraciones de las ondas sonoras en un cuerpo sólido. Publicó los resultados de sus experimentos en 1787 atrayendo la atención de la sociedad europea de su época. Aprovechó este interés para empezar una serie de viajes por Europa en los que se presentaba en público para interpretar música en sus instrumentos y a demostrar las figuras de Chladni.

Como él mismo lo hacía notar, aunque desde tiempos de los griegos se había llegado a una sólida comprensión de cómo una cuerda que vibra produce sonido, no se sabía prácticamente nada de cómo lo producían las placas sólidas.

Al vibrar una placa, desplaza la arena en su superficie, que se acumula en las zonas donde no hay movimiento, llamadas “curvas nodales”. Las curvas varían en función del material del que está construida la placa y de la forma de ésta.

Chladni también estudió las vobraciones de varillas cilíndricas y en forma de distintos prismas. El análisis d el tono de varillas de distintas longitudes le permitió deducir la velocidad del sonido en los sólidos. Después experimentó llenando instrumentos de viento con distintos gases y utilizando los tonos que producían para determinar la velocidad del sonido en dichos gases. Sus estudios ampliados se publicaron en el libro Die Akustik (la acústica) de 1802.

Chladni era, además, un excelente experto en relaciones públicas. Sus viajes le permitieron conocer a grandes personajes de la europa del siglo XIX como Goethe o el matemático Laplace, mientras que sus demostraciones ante Napoleón en 1808 hicieron que éste ordenara que se realizara la traducción al francés de Die Akustik.

El trabajo de este pionero no fue solamente valioso para la ciencia. Hoy en día es común que durante la fabricación de instrumentos con caja de resonancia como los violines o las guitarras acústicas las tapas se sometan a vibraciones para determinar sus propiedades acústicas según las figuras de Chladni que forman. Las características de muchos instrumentos que nos deleitan proceden así del trabajo del hombre que no quiso ser abogado.

“Vienen del cielo” Ernst Chladni fue también un entusiasta y coleccionista de meteoritos. Consultando diversos documentos, postuló que las bolas de fuego que se podían ver en el cielo y los meteoritos que se podían encontrar en tierra eran lo mismo. Aunque la opinión de los más racionales se inclinaba por creer que los meteoritos eran objetos lanzados por volcanes u otros fenómenos terrestres, en un folleto de 1794 Chladni propuso que, dada la velocidad de las bolas de fuego, debían provenir del espacio exterior. Pasaron 10 años para que, gracias a los estudios de otros científicos, se aceptara generalmente el origen extraterrestre de los meteoritos.

Medir y entender el tiempo

Dijo Baltasar Gracián: "Todo lo que realmente nos pertenece es el tiempo; incluso el que no tiene nada más, lo posee". Pero aún no sabemos qué es exactamente esa materia extraña que poseemos.

El reloj de la torre de Berna, Suiza, que inspiró
a Einstein sus ideas sobre la relatividad.
(Foto GFDL de Yann and Lupo, vía
Wikimedia Commons

"El tiempo es lo que impide que todo ocurra a la vez", dijo John Archibald Wheeler, uno de los más importantes físicos teóricos estadounidenses del siglo XX y recordado por su concepto del "agujero de gusano" como un túnel teórico a través del tiempo y el espacio.

Era un intento de explicar, con buen humor, uno de los más grandes misterios que el universo sigue ofreciéndonos como estímulo para la investigación. Porque aunque conocemos algunas de sus características esenciales, no sabemos exactamente qué es el tiempo.

El tiempo se desarrolla en un solo sentido, eso es lo más notable que podemos decir de él. Es decir, pese a afirmaciones y especulaciones en contrario, no podemos retroceder en el tiempo. Por ello los físicos hablan de la "flecha del tiempo" que sólo avanza en una dirección, del pasado al futuro.

También sabemos algo con lo que nos hemos reconciliado en las últimas décadas pero que en su momento fue todo un desafío a eso que llamamos, con cierta arrogancia inexplicable, "el sentido común": el tiempo es relativo.

Hasta 1905, se consideraba que el tiempo era constante, como lo proponía Newton. Pero según la teoría de la relatividad publicada ese año por Einstein, el tiempo es relativo, según el marco de referencia. El ejemplo clásico es el de un hombre que viaja al espacio cerca de la velocidad de la luz y su gemelo se queda en la Tierra. Para el viajero, el tiempo transcurrirá más lentamente o se "dilatará", y al volver será mucho más joven que su gemelo. Además, el tiempo también se dilata en presencia de la gravedad, a mayor atracción gravitacional, más lento transcurre.

La primera prueba de que lo predicho por las matemáticas de Einstein era real se realizó en 1971 utilizando dos relojes atómicos con precisión de milmillonésimas de segundo. Uno de ellos se quedó en tierra mientras que el otro se envió a dar la vuelta al mundo en un avión a 900 km por hora. Cuando el reloj del avión volvió a tierra, se demostró que había una diferencia entre ambos, una diferencia minúscula, de algunas milmillonésimas de segundo, pero coherente con la teoría.

Medir lo que no sabemos qué es

Mucho antes de siquiera plantearse definir el tiempo, o estudiarlo, el hombre enfrentó la necesidad de contarlo. Los períodos de tiempo más largos que un día tenían referentes claros: el propio ciclo del día y la noche, el de la luna, el del sol y los de distintos cuerpos celestes que le resultaron interesantes a distintas culturas, como Venus a los mayas y Probablemente Sirio a los egipcios.

Pero, sobre todo después de que los grupos humanos dejaron de ser nómadas, se hizo necesario dividir el día se dividiera en fragmentos medibles e iguales para todos, con objeto de coordinar las actividades del grupo.

Para ello se emplearon varios procesos repetitivos capaces de indicar incrementos de tiempo iguales: velas marcadas con líneas, relojes de arena, relojes de agua (clepsidras), tiras de incienso que se quemaban a un ritmo regular, y otros mecanismos. Los egipcios que trabajaban bajo tierra, como en las tumbas reales, recibían lámparas de aceite con una cantidad determinada. Al acabarse el aceite de sus lámparas, sabían que era hora de comer, o el fin de su jornada de trabajo.

Los egipcios fueron también los primeros en utilizar el sol, o, más precisamente, la sombra, para dividir el día en fragmentos. Los obeliscos eran relojes de sol que primero sólo marcaban la hora antes y después de mediodía, y luego se añadieron otras subdivisiones, las horas. Hace alrededor de 3.500 años, los egipcios crearon los primeros relojes de sol. Para ellos, los días tenían diez horas, más dos horas de crepúsculo y amanecer, y la noche tenía también 12 horas, determinadas mediante la aparición sucesiva en el horizonte de una serie de estrellas.

¿Por qué tiene 12 horas el día? Los sistemas decimales o vigesimales son los más comunes. pero el antiguo Egipto heredó su sistema numérico sexagesimal de los babilonios, que a su vez lo obtuvieron de la cultura sumeria.

Y los sumerios usaban un sistema duodecimal (de 12 unidades). Aunque no sabemos exactamente por qué lo eligieron, los matemáticos han notado que 12 tiene tres divisores (2, 3 y 4), lo cual simplifica bastante muchos cálculos realizados con esa base. Y al multiplicarlo también por 5 obtenemos 60. Otros creen que este sistema se origina en los 12 ciclos lunares de cada año, que han devenido en los doce meses del año. Los babilonios fraccionaron las horas en 60 minutos iguales y, al menos teóricamente, las horas en 60 segundos. La medición precisa del segundo, sin embargo, no fue viable sino hasta la invención del reloj en la edad media.

Por cierto, en esta práctica sumeria están divisiones como la venta de artículos por docenas o los doce signos del zodiaco (que omiten a dos porque no entran en el número "mágico", Cetus y Ofiuco).

Por supuesto, para medir lapsos de tiempo menores a un segundo no hemos seguido el sistema sexagesimal sumerio, sino que utilizamos décimas, centésimas, milésimas, etc. siguiendo el sistema decimal.

Pero, ¿existe el tiempo como existe la materia? Según algunos físicos y filósofos, el pasado y el futuro son creaciones de nuestra conciencia, pero no tienen una realidad física. Lo único que existe es un presente continuo, cuyos acontecimientos pueden dejar huella, como recuerdos, construcciones, ideas u obras de arte... pero sólo existen en el instante presente. Detectamos su paso sólo porque las cosas se mueven o cambian. E imaginamos el futuro especulando sobre los movimientos o cambios que pueden ocurrir.

En todo caso, el presente sigue siendo un acertijo, que se ha complicado con algunas teorías propuestas de gravedad cuántica según las cuales el tiempo no es un flujo continuo, sino que está formado por diminutas unidades discretas, paquetes de tiempo, llamados "cronones" que se suceden incesantemente, como los fotones se suceden para crear un rayo de luz que creímos continuo hasta que apareció la mecánica cuántica.

Quizá el problema que tenemos para entender el tiempo se ejemplifica con un pequeño ejercicio que todos podemos hacer: intente definir la palabra "tiempo" sin usar ni la palabra "tiempo" ni ningún concepto que implique el tiempo (como "duración" o "lapso").

Los límites de la medida La menor unidad de tiempo que podríamos medir, teóricamente, es el "tiempo de Planck", propuesto por el físico Max Planck a fines del siglo XIX y que sería el tiempo necesario para que un fotón viajando a la velocidad de la luz recorra una distancia igual a una "longitud de Planck" (una medida 100 billones de veces menor que el diámetro de un protón).

Los asombrosos rayos inexistentes

Una de las bases del método científico es que sus experimentos son reproducibles, que cualquiera puede llegar a los mismos resultados a partir del mismo método. Cuando esto no ocurre, suenan las alarmas.

Robert Williams Wood, el
desenmascarador de los "rayos N"
(fotografía del Dominio Público)

El descubrimiento de los rayos X realizado por Wilhelm Conrad Roentgen en 1895 sacudió al mundo más allá de los espacios donde los científicos trabajaban en los inicios de la gran revolución de la física de fines del siglo XIX y principios del XX.

Esto se debió no sólo al descubrimiento en sí, sino a la difusión de una fotografía tomada unos días después con rayos X por Roentgen, donde la mano de su esposa mostraba con claridad sus huesos y la alianza matrimonial. Por primera vez que se podía ver así el interior del cuerpo humano y el público se unió en su fascinación a los científicos.

Uno de los entusiastas del trabajo subsecuente con los rayos X fue el notable científico francés René Prosper Blondlot, que ya había alcanzado notoriedad al medir la velocidad de las ondas de radio de distintas frecuencias, demostrando que era igual a la velocidad de la luz y confirmando así experimentalmente la visión de James Clerk Maxwell de que luz, magnetismo y electricidad eran manifestaciones de la misma fuerza: la electromagnética.

Habiendo además recibido tres premios de la Academia de Ciencias de Francia, Blondlot empezó a trabajar con rayos X. Mientras intentaba someterlos a polarización, en 1903 reportó haber descubierto otros rayos totalmente diferentes, a los que llamó "N" en honor de su ciudad natal, Nancy, en cuya universidad además trabajaba.

En poco tiempo, muchos otros científicos estaban estudiando los rayos N siguiendo las afirmaciones de Blondlot.

Los rayos X se habían detectado mediante mediciones y sus efectos eran espectaculares, como lo demostraba la fotografía de Anna Bertha Roentgen, eso que hoy llamamos una "radiografía". Pero los rayos N no se detectaban así. Era necesario ver un objeto en condiciones de oscuridad casi total y entonces, al surgir los rayos N, se veía mejor. Por ejemplo, una pequeña chispa producida por dos electrodos, cuya intensidad aparentemente aumentaba en presencia de los rayos N.

Irving Langmuir, ganador del Premio Nobel de Química, mencionaba otro procedimiento para producir rayos N: se calentaba un alambre en un tubo de hierro que tuviera una abertura y se ponía sobre ésta un trozo de aluminio de unos 3 milímetros de espesor, y los rayos N saldrían atravesando el aluminio. Al caer sobre un objeto tenuemente iluminado, éste podía verse mejor... según Blondlot y sus seguidores.

Dicho de otro modo, la presencia o ausencia de los rayos N se detectaba sólo subjetivamente, de acuerdo a la percepción del experimentador.

Y, sobre esta base, en poco tiempo se desató una verdadera locura de los rayos N, con cada vez más afirmaciones cada vez más extravagantes. Blondlot afirmaba que los rayos N atravesaban una hoja de platino de 4 mm de espesor, pero no la sal de roca, que podían almacenarse en algunos materiales, que una lima de acero templado sostenida cerca de los ojos permitía que se vieran mejor las superficies y contornos "iluminados" por los rayos N. Y afirmó haber descubierto los rayos N1, que en lugar de aumentar la luminosidad, la disminuían. Sus experiencias implicaban prismas y lentes hechos de materiales no ópticos, que usaba para refractar y difractar los rayos N.

Un biofísico, Augustin Charpentier, produjo una abundante serie de estudios sobre los rayos N, llegando a publicar siete artículos científicos en un solo mes. Entre sus descubrimientos, que los conejos y las ranas emitían rayos N, y que éstos aumentaban la sensibilidad de la vista, olor, sabor y audición en los humanos. Se afirmó que tenían propiedades terapéuticas, e incluso que los rayos N emitidos por la materia viviente eran distintos de alguna manera y se bautizaron como "rayos fisiológicos".

Pero no todo era entusiasmo.

Apenas un mes después de la publicación original aparecieron informes de científicos que no podían replicar o reproducir los experimentos de Blondlot, algo que fue más frecuente mientras más extravagante se volvía la ola de afirmaciones respecto de estos rayos que, pese a todo, seguían siendo detectados únicamente mediante la vista como variaciones de la luminosidad.

Uno de los científicos que no pudo replicar los resultados de Blondlot fue Robert W. Wood, autor de grandes aportaciones en el terreno de la óptica y la radiación ultravioleta e infrarroja, quien decidió ir a Francia a visitar a Blondlot.

Según el relato de Langmuir, Blondlot le mostró a Wood las fotografías de la variación en luminosidad de un objeto supuestamente por causa de los rayos N. pero Wood pudo determinar que las condiciones en que se habían tomado las fotografías eran poco fiables. Luego le mostró cómo un prisma de aluminio refractaba los rayos N permitiendo ver los componentes de dichos rayos. En un momento de la demostración, en la habitación oscura, Wood quitó el prisma de aluminio del aparato, pese a lo cual Blondlot afirmaba seguir viendo el espectro de rayos N.

Wood quedó convencido de que los rayos N eran un fenómeno ilusorio, un error de percepción que no tenía una contraparte medible real. Wood publicó sus resultados en la revista Nature en 1904 y su artículo fue un balde de agua fría para quienes trabajaban en los rayos N. Hubo intentos adicionales de medirlos con criterios objetivos, detectores y sensores, pero en un año habían desaparecido del panorama científico. Incluso Blondlot dejó de trabajar con ellos aunque, hasta su muerte en 1930, siguió creyendo que eran reales.

Para Irving Langmuir, el caso de los rayos N es ejemplo de lo que llamó, en una conferencia de 1953, "ciencia patológica", aquélla en que "no hay implicada falta de honradez, pero en la cual la gente se ve engañada para aceptar resultados falsos por una falta de comprensión acerca de lo que los seres humanos pueden hacerse a sí mismos para desorientarse por efectos subjetivos, deseos ilusorios o interacciones límite".

Un relato útil para que tanto científicos como público en general seamos cautos ante afirmaciones extraordinarias, aunque provengan de científicos respetados que, como todo ser humano, pueden equivocarse.

Más ciencia patológica En 1989, los físicos Stanley Pons y Martin Fleischmann afirmaron haber conseguido un proceso de fusión en frío para obtener energía. Nadie pudo reproducir sus resultados, y ambos optaron por abandonar la comunidad científica para seguir trabajando en espacios pseudocientíficos donde nunca pudieron tampoco reproducir sus resultados. Lo mismo ocurrió con la supuesta demostración de Jacques Benveniste de que el agua tenía memoria de los materiales que había tenido disueltos. Pese a todo, hay gente que sigue creyendo en la fusión fría, la memoria del agua... y los rayos N.

El hombre detrás del bosón

Peter Higgs, el físico que quizás nos ha obsequiado con la explicación de por qué el universo se mantiene unido.

Peter W. Higgs
(Foto CC-BY-SA-2.0-de de Andrew A. Ranicki
vía Wikimedia Commons)

Un jubilado de 81 años, de escaso cabello blanco y gafas, solía caminar las calles de Edimburgo sin llamar apenas la atención, ir a conciertos de madrigales y hacer algo de senderismo. Si uno hubiera preguntado, quizá alguien sabía que este ciudadano, que vive en un sencillo piso de la capital escocesa, había sido profesor universitario, y poco más. Algunos acaso sabrían que era un profesional altamente reconocido por sus colegas, pero sería irrelevante. Los mejores contables reciben reconocimiento de otros contables, pero los desconocidos no les invitan a una cerveza.

El 4 de julio, en una reunión en Ginebra, Suiza, todo cambió. Peter Ware Higgs, se convirtió en el centro de la atención mundial y su fama trascendió hacia toda la sociedad desde el abstruso entorno de su trabajo: la física teórica. Como lo relataba Higgs a New Scientist, de pronto su buzón rebosaba peticiones para prestar su imagen a un juego de mesa "Higgs", invitaciones a inaugurar edificios e, incluso, la petición de una pequeña cervecería de Barcelona sobre su cerveza favorita para fabricar una similar con su nombre. Del lado más serio, su universidad, la de Edimburgo, se apresuró a fundar dos días después el Centro Higgs para la Física Teórica y la Cátedra Peter Higgs.

¿Qué hizo el profesor Higgs para que se hablara de él de pronto como fuerte candidato al Premio Nobel, y salir más veces en los medios que en toda su vida anterior? En 1964, estudiando la explicación que la ciencia da al comportamiento del universo, propuso la existencia de una partícula que se encarga de darle masa a las demás.

Algunas partículas elementales del universo tienen masa, como el electrón, y otras no lo tienen, como los fotones que forman la luz. ¿Por qué? Peter Higgs postuló que el responsable era un campo nuevo que producía otra partícula elemental, el "bosón de Higgs".

La idea era excelente, matemáticamente sólida y se ajustaba a la perfección a la visión que tienen los físicos de la interacción entre las partículas elementales, conocida como "modelo estándar". Era la pieza que faltaba en el rompecabezas del universo. Pero mientras no se demostrara su existencia era sólo una hipótesis. El 4 de julio en Ginebra, los científicos a cargo del gigantesco acelerador de partículas LHC del CERN anunciaron que habían descubierto una partícula que coincidía con el bosón de Higgs, y que las probabilidades de que realmente lo fuera eran elevadísimas: 99,9994%

Peter Higgs nació en Newcastle upon Tyne, en el Reino Unido, el 29 de mayo de 1929 y creció en las ciudades de Birmingham y Bristol. En su niñez y adolescencia, su educación no fue fácil. Los bombardeos alemanes de la Segunda Guerra Mundial afectaron a Bristol (el joven Higgs se rompió un brazo al caer en un cráter) y una serie de ataques de asma que se convirtieron en neumonía lo obligaron a hacer parte de sus estudios en casa, animado por su madre, hasta entrar al famoso King's College de Londres en 1947.

La inspiración de Higgs era otro físico teórico que había estudiado en la escuela primaria de Cotham, en Bristol, con más honores que ningún otro alumno: Paul Dirac, Premio Nobel de Física, uno de los padres de la mecánica cuántica y cuya más famosa ecuación predijo la existencia de la antimateria. Higgs recuerda que lo entusiasmaba la idea de entender el universo, y así emprendió una carrera académica estelar en la física teórica, doctorándose con honores (como siempre en sus estudios) a los 25 años de edad.

Todavía como estudiante, en 1949, asistió al festival cultural Fringe de Edimburgo como apasionado de la música clásica y, especialmente, de la música de Monteverdi. La ciudad lo conquistó, de modo que después de su graduación pasó a realizar tareas de investigación y docencia en la Universidad de Edimburgo, ciudad donde aún hoy vive.

Después de volver temporalmente a Londres a tareas universitarias, se instaló definitivamente en su ciudad de ensueño en 1960, como profesor de física matemática e investigador, algo que en física teórica significa básicamente pensar sobre el universo, estudiar las ecuaciones que explican ciertos fenómenos y expresar nuevas ideas en ecuaciones originales o mediante la programación de modelos sobre dichos fenómenos.

Fue en 1964 cuando Higgs propuso una solución a la pregunta de por qué los objetos tienen masa. Una solución que sus colegas llamaron "elegante": la masa se debe a la existencia de un campo que rodea a las partículas. Algunas partículas se unen al campo más que otras y por tanto tienen más masa. Y este campo transmite la masa a través de esa escurridiza partícula que es el bosón de Higgs, y que fue postulado al mismo tiempo, de modo independiente, por los belgas Robert Brout y François Englebert, que publicaron sus resultados algunas semanas después que Higgs y se consideran codescubridores.

Su idea no fue recibida inmediatamente como una revolución y Higgs continuó con su vida académica y sus pasiones musicales y como senderista, con la que después se convertiría en su esposa, la lingüista estadounidense Jody Williamson.

Mientras era ascendido a una cátedra personal en física teórica en 1980, otros físicos empezaron a diseñar el experimento necesario para detectar una partícula de diminuta incluso a nivel subatómico y que existía apenas una milmillonésima de una milmillonésima de segundo antes de destruirse: un acelerador de partículas enorme con detectores con una precisión nunca antes lograda.

El resultado fue el LHC, que desde la década de 1980 pasó por los mecanismos de aprobación y su lenta construcción, aún no iniciada cuando Higgs se jubiló en la universidad en 1996. El acelerador empezó a funcionar en 2009 y consiguió las observaciones que prácticamente confirman el bosón de Higgs (o, quizá, los bosones de Higgs) en 2011.

Ahora, mientras Higgs espera un premio Nobel que quizá no le sea concedido dadas las reglas y tendencias del comité encargado de concederlo, disfruta de la fama. Aunque modestamente. Como relató él mismo, su única celebración por el descubrimiento anunciado el 4 de julio fue una botella de cerveza en el vuelo de vuelta de Ginebra a Londres.

Nada que ver con un dios Peter Higgs no habla del "bosón de Higgs", sino del "bosón escalar", y explica pacientemente que el nombre "la partícula Dios" es simplemente una broma de Leon Lederman, de su libro de 1993 del mismo título y que él rechaza el nombre. Lederman quería señalar que el bosón de Higgs era la partícula que podía explicar por qué el universo se mantiene unido, pero de modo ligero y sin ninguna connotación teológica, como no hay idea teológica al decir, como ocurre con frecuencia, que Leonel Messi o Bruce Springsteen "son dios".

El láser, solución en busca de un problema

El láser es uno de los desarrollos más versátiles del siglo XX, con una cantidad de usos que crece día a día, pero que nadie pudo prever cuando se emitió el primer rayo.

El primer láser de rubí de 1960 y su inventor,
Theodore Maiman
(Foto D.P. de Daderot, vía Wikimedia Commons)

La luz que vemos habitualmente, la que emite el sol, la del fuego, la de nuestras bombillas y la que nos llega del universo es un caos que contiene ondas de distintas longitudes, amplitudes y fases, la luz “incoherente”.

Si en un estanque tranquilo arrojáramos una serie de guijarros de distinto tamaño y peso, desde distinta altura y con ciertas diferencias de tiempo. Las ondas que se producirían serían caóticas: las características cada guijarro producirían una onda de distinta frecuencia y amplitud que las de los otros guijarros, y donde sus crestas (la parte más alta de la onda) y valles (la parte más baja) tampoco coincidirían.

Así es la luz del sol que vemos como blanca y que contiene todos los colores del espectro visible. Si hacemos pasar la luz blanca por un prisma, como hizo Newton en su clásico experimento, la longitud de onda de cada color se difracta en un ángulo distinto al salir del prisma permitiéndonos ver la composición que tiene el rayo de luz original.

Por contraposición, la luz coherente sería aquélla en la que todos sus componentes van ordenados, con la misma longitud y amplitud de onda, y con crestas y valles coincidentes (en fase).

Para verla, hubo que esperar el genio de Albert Einstein.

En 1917, Einstein propuso una forma de estimular la emisión de la radiación electromagnética. Cuando se aplica energía a cualquier colección de átomos, éstos emiten fotones al azar. Es lo que pasa cuando aplicamos electricidad al gas de una bombilla fluorescente o de neón, al filamiento de una bombilla tradicional o al diodo de una bombilla LED).

Einstein propuso que se podía estimular a los átomos para que emitieran luz coherente. Según su teoría, si se dispara al átomo un fotón de cierta longitud de onda, provocará que el átomo emita un fotón en la misma dirección, con la misma frecuencia y en fase con el primero. Este efecto se multiplica al viajar los fotones coherentes por los átomos cercanos, provocando que se emitan más fotones coherentes que se pueden emitir como un haz de radiación electromagnética.

Si la luz incoherente es como una multitud caminando cada quién a su ritmo y paso, en la luz coherente todos los miembros de la multitud caminarían al mismo ritmo y con pasos iguales, como en un desfile.

Pasaron 37 años antes de que lo que Einstein había propuesto teóricamente se llevara a la práctica. En 1954, Charles Townes y Arthur Schawlow crearon en la Universidad de Columbia un aparato que estimulaba la emisión de microondas, con objeto de tener una fuente de microondas coherentes que se utilizaban en el estudio de la estructura de moléculas, átomos y núcleos atómicos. Llamaron a su procedimiento “amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de radiación”, o MASER según sus siglas en inglés.

Estros mismos científicos plantearon hacer lo mismo con luz visible y publicaron artículos científicos al respecto, pero nunca lo hicieron en la práctica. El desafío no tuvo que esperar mucho para hacerse realidad y para desatar la polémica.

En 1958, Gordon Gould, también en la Universidad de Columbia, construyó el primer aparato capaz de emitir luz mediante la emisión estimulada de radiación. Siguiendo la pauta del “MASER”, cambió la primera letra, referente a las microondas, y la sustituyó por la L de luz (light), para crear la palabra “LASER”. El problema es que no presentó la solicitud de patente hasta 1959, se le denegó y tuvo que luchar hasta 1977 para que se le reconociera su calidad de pionero.

Mientras tanto, Theodore Maiman consiguió reconocimiento con la invención del láser de rubí, que nos presentó al “rayo láser” con un característico color rojo, simplemente porque el material empleado emitía los fotones de su haz de luz coherente en la longitud de onda del rojo, aunque el rayo puede ser de cualquier color dependiendo de los materiales y procedimientos usados para generarlo.

El láser era impresionante, se parecía al “rayo de la muerte” que dibujaban los ilustradores de las revistas “pulp” de ciencia ficción, tenía propiedades físicas asombrosas… pero no parecía tener aplicaciones prácticas. De hecho se le llamó “una solución en busca de un problema”.

Pero mientras multitud de científicos desarrollaban otros tipos de láser que necesitaban menos energía, más eficientes y de diversas longitudes de onda, las aplicaciones prácticas empezaron a desarrollarse. En 1969, la misión a la Luna del Apolo 11 dejó sobre la superficie de nuestro satélite, entre otros instrumentos, un reflector láser. Lanzando un rayo láser desde un observatorio y midiendo el tiempo que tarda en volver, se puede medir la distancia que nos separa con una tolerancia de 3 centímetros.

Esto ilustra una de las principales características de la luz coherente: al no dispersarse en ángulo como la luz de una linterna doméstica, sino mantenerse como un rayo recto, es posible proyectar un láser a gran distancia, como lo ilustran por desgracia los punteros láser, creados para auxiliar en presentaciones y en el aula, pero utilizados para molestar a deportistas y otras personas a distancia.

Hoy la lista de aplicaciones de las numerosas formas del láser es no sólo extensa, sino que crece día con día. Se usa por igual para leer códigos de barras en el supermercado o los CD y DVD de nuestros ordenadores y equipos de vídeo que para alinear puentes, como cinta de medir o como nivel para los profesionales de la construcción y hasta para los aficionados al bricolaje, para estudiar la atmósfera, como auxiliares en telescopios de última generación; para cortar, soldar doblar, grabar, marcar o limpiar metales; en diversas aplicaciones quirúrgicas y estéticas, desde la cirugía ocular hasta la eliminación de tatuajes y cicatrices y en la cirugía general, creando toda la especialidad de la medicina láser; como mira para distintas armas, en las impresoras de nuestros documentos y, por supuesto, en espectáculos como los que acompañan los macroconciertos de rock. Es importante señalar que la luz que viaja por la fibra óptica que ha revolucionado las telecomunicaciones y nos permite tener Internet de alta velocidad es luz láser.

Al final, el láser, la luz coherente que imaginó Einstein, ha resultado ser una solución para una multitud de problemas en las áreas más diversas de la experiencia humana.

Estrellas láser Los cuásares o fuentes cuasi estelares de ondas de radio descubiertos en 1950 se han revelado como objetos que emiten naturalmente rayos láser. El telescopio Hubble ha descubierto además una estrella inestable en nuestra propia galaxia, Eta Carinae, millones de veces mayor que nuestro sol y que emite luz láser ultravioleta.

El acertijo de la luz

El intento por comprender la luz fue la clave, al paso de 2500 años, para permitir al ser humano comprender el universo en el que vive.

Fuegos artificiales, una de las formas en que
los seres humanos nos divertimos con la luz.
(Fotografía ©Mauricio-José Schwarz)

Pensándolo atentamente, la luz es en sí un fenómeno misterioso. Para nosotros, seres eminentemente visuales, es el principal medio por el cual conocemos el universo a nuestro alrededor, y sin embargo no es tan evidente por sí misma como lo pueden ser otros elementos de nuestra realidad.

Seguramente los seres humanos se hicieron preguntas sobre la luz mucho antes, pero la primera teoría que conocemos acerca de la luz fue la que propuso Empédocles de Acragas (actual Agrigento) en el siglo V antes de la Era Común. Después de proponer la teoría de que todo el universo está formado por cuatro elementos (que dominó el pensamiento hasta el Renacimiento), sugirió que la luz era un fuego que no quemaba y que que fluía del ojo hacia los objetos, chocaba con ellos y provocaba que se formara su imagen en nuestra mente. Filósofos como Platón o Ptolomeo, se adhirieron a la teoría de Empédocles, mientras que otros como Pitágoras pensaban que la luz era emanada de los objetos luminosos y caía en el ojo produciendo la visión.

Pero éstas eran sólo especulaciones sin bases experimentales.

Los primeros experimentos con la luz que conocemos fueron los de Euclides en el siglo III aEC, con espejos planos y cóncavos, y cuyos resultados están en su libro “Catóptrica”. Cuatrocientos años después, en Alejandría, Claudio Ptolomeo desarrollaría el trabajo de Euclides con datos experimentales adicionales para escribir su libro “Óptica”. Este trabajo fue desarrollado en el siglo XI por el sabio Alhazén, originario de Basora, en lo que hoy es Iraq. También llamado al-Haytam, uno de los padres del método científico, realizó experimentos demostrando que la visión se producía cuando el ojo recibía la luz, ya fuera reflejada por los objetos o emitida por ellos, y que la luz viaja en línea recta. Su “Libro de la óptica” fue la base teórica de la invención de las lentes para ver, gafas o anteojos, doscientos años después en Europa.

Parece, pero no es

Los avances en la óptica nos permitieron comprender el comportamiento de la luz, pero no nos dieron información sobre qué era ese fenómeno, cómo era esa fuerza que se comportaba de modo tan predecible. Se entendía cómo se reflejaba o difractaba la luz y ese conocimiento permitió la creación de lentes cada vez más perfectos, a su vez indispensables para la invención del microscopio y del telescopio, pero su composición seguía siendo motivo de debate.

Las observaciones de Isaac Newton, el genio que revolucionó la física y las matemáticas en el siglo XVII, lo llevaron a pensar que la luz estaba formada por partículas físicas que se reflejaban al golpear una superficie del mismo modo en que una pelota rebota al chocar con una superficie dura. En parte concluyó esto al observar que los rayos de luz no interferían unos con otros, el fenómeno llamado difracción, que sí ocurre cuando las ondas que se propagan en un medio interfieren entre sí.

Sin embarto, el físico holandés Christian Huygens, contemporáneo de Newton, con buenos argumentos y otros datos, sostenía que la luz se emitía en una serie de ondas que se extendían en todas direcciones como pasa con las ondas de un estanque cuando cae una piedra en él, y que no eran afectadas por la gravedad.

Sin embargo, el enorme prestigio de Newton ayudó a que su hipótesis fuera generalmente aceptada hasta que un experimento en el siglo XIX revivió la hipótesis de las ondas demostrando que la luz sí podía difractarse. La luz que Newton había observado era la luz del sol, que incluye una amplia gama de frecuencias y su amplitud varía rápidamente, por lo que no se puede observar la difracción. Al usar una luz con frecuencias coherentes, Thomas Young demostró que sí se difractaba. El conocimiento volvía al principio.

A fines del siglo XIX, James Clerk Maxwell desarrolló cuatro ecuaciones que describían las ondas magnéticas y eléctricas, y siguiendo esas ecuaciones no sólo se obtenía la velocidad de la luz, sino que tanto la luz visible como las demás ondas electromagnéticas no eran hechos distintos, sino el mismo fenómeno pero con diferentes frecuencias. La luz era una forma de energía electromagnética cuya única característica especial es que, debido a la historia evolutiva de nuestra especie, podemos verla. Algunos otros animales, como ciertos reptiles, pueden detectar la radiación infrarroja, mientras que otros como las abejas y algunas aves, pueden ver la luz ultravioleta, de frecuencia un poco más alta que la luz visible.

Fue necesario que se desarrollara una aproximación completamente nueva de la física para resolver el dilema. En 1901, el físico alemán Max Planck determinó que la radiación electromagnética sólo se podía emitir en paquetes de energía con un valor determinado que llamó “cuantos”, y al estudiar el efecto fotoeléctrico, Einstein determinó que la luz se emitía en cuantos. Al fin sabíamos lo que era.

La luz, y toda la radiación electromagnética, tienen propiedades que nos pueden parecer contradictorias, pero que en realidad no lo son. Decimos que toda la realidad exhibe una “dualidad onda-partícula” que se descubrió primero en la luz y hoy sabemos que es una propiedad de toda la materia. Pero esto se debe a que se habían usado ejemplos (como pelotas chocando u ondas en un estanque) que no se aplicaban a la realidad de la materia pero parecían de sentido común. También era de sentido común la creencia de Aristóteles de que un objeto diez veces más pesado que otro cae diez veces más rápido. La demostración de Galileo de que la velocidad de caída no dependía del peso fue, en su momento, también opuesta al sentido común.

Con su teoría de la relatividad, Albert Einstein determinó que la velocidad de la luz en el vacío es el único hecho independiente del marco de observación en un universo donde todos los fenómenos son relativos. La velocidad de la luz nos permite comprender el sorprendente hecho de que la materia y la energía son intercambiables.

Al conseguir finalmente entender la luz y su comportamiento a nivel cuántico, encontramos la clave para comprender el universo en toda su grandeza, la llave que abrió espacios de conocimiento y preguntas que seguramente habrían entusiasmado a Empédocles, Pitágoras y Euclides.

La radiación electromagnética La radiación electromagnética es una forma de energía que emiten y absorben las partículas cargadas, y puede tener desde frecuencias muy bajas hasta muy altas formando un espectro o continuo. De menor a mayor frecuencia, el espectro electromagnético tiene las ondas largas, las que utilizamos para transmitir radio y televisión, las microondas, la luz infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

Cómo hundir un barco

No fue, por mucho, el más trágico hundimiento hasta entonces (el vapor SS Sultana se hundió en el río Mississippi el 27 de abril de 1865 matando a 1.800 de sus 2.400 pasajeros), y desde su hundimiento, otros desastres han superado con mucho a las 1.523 víctimas mortales del Titanic. Sin embargo, el hundimiento del enorme transatlántico ha cautivado la atención del público y los medios durante cien años.

El Titanic en el muelle de Southampton
(foto D.P. de autor anónimo vía Wikimedia Commons)

Buena parte de la fascinación, hasta donde sabemos, se basa en la idea de que el Titanic había sido anunciado ampliamente como un barco “imposible de hundir” (“unsinkable” en inglés) y que el accidente que lo llevó al fondo del mar había sido una especie de golpe del destino o de los poderes divinos contra la arrogancia de los constructores, idea promovida por el obispo de Winchester en una prédica poco después del hundimiento.

Pero tal afirmación es, al menos, imprecisa. En un folleto de la línea White Star durante la construcción de los barcos gemelos Olympic y el Titanic (el segundo apenas un poco más grande), se afirmaba que “en la medida en que es posible hacerlo, estas dos maravillosas naves están diseñadas para ser imposibles de hundir”, mientras que otro folleto, distribuido en Estados Unidos, explicaba el sistema de compuertas estancas del Titanic afirmando que “prácticamente hacían a la nave imposible de hundir”.

Estas afirmaciones publicitarias son cercanas a las que escuchamos sobre productos milagrosos que “podrían ayudar a combatir el envejecimiento” o “podrían combatir” tal o cual afección (y, queda implícito, podrían no hacerlo). Es decir, se han redactado para dar una impresión determinada pero que no pueda ser un compromiso exigible si algo fallara. La línea dueña de las embarcaciones, pues, se cubrió las espaldas.

Pero el público en general, la prensa e incluso el capitán del Titanic, dejaron de lado las precauciones para asegurar categóricamente que el barco era imposible de hundir. Algo absurdo considerando cómo flotan y cómo se hunden los barcos.

Arquímedes y la flotación

Evidentemente, las embarcaciones flotaban miles y miles de años antes de que supiéramos por qué. Aunque las embarcaciones más antiguas halladas hasta hoy por los arqueólogos son de hace un máximo de 10.000 años, la evidencia de las migraciones humanas nos sugiere que el hombre las utiliza desde hace más de 100.000 años y con ellas realizó el poblamiento de tierras aisladas como Australia, hace 40.000 años.

La fabricación de embarcaciones fue, por tanto, un arte basado en experiencias empíricas hasta que Arquímedes, en el siglo III antes de la Era Común describió en su libro “Sobre los cuerpos flotantes” que un cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido que desplaza. Esto quiere decir que un cuerpo puede flotar si desplaza una cantidad de agua que pese menos que ellos, para lo cual le damos una forma tal que tenga una cantidad suficiente de aire en su interior, y así pueda desplazar su peso en agua sin que el agua llegue a entrar en él. Un barco de acero como el Titanic, de 46.000 toneladas, está diseñado para desplazar más de 46.000 toneladas de agua marina.

Por ello mismo, hay materiales que flotan por sí mismos sin importar su forma, porque su densidad intrínseca es menor a la densidad del agua. O, dicho de otro modo, un determinado volumen de ellos pesa menos que el mismo volumen de agua.

Al entrar agua en una embarcación, el aire se sustituye por agua y la densidad total del barco aumenta hasta que se hunde.

Esto permite entender cómo se diseñó el Titanic para evitar que una perforación del casco provocara la inundación de todo el barco. Por debajo de la línea de flotación, el barco estaba dividido en 16 compartimientos estancos que podían cerrarse rápidamente. Si había una perforación, se sellaba el compartimiento de modo que, aunque se inundara, la nave seguiría a flote. De hecho, se calcula que el Titanic se podría haber mantenido a flote incluso si cinco de los compartimientos se inundaran.

Y sin embargo, se hundió.

Fallos en cascada

El estudio de los restos del Titanic ha permitido determinar cuáles fueron los factores que incidieron en el desastre.

En primer lugar, el acero de la nave y el hierro los remaches utilizados para armar el casco de la nave sucumbieron a un fenómeno llamado “fractura frágil”, en la que un metal se rompe sin sufrir previamente una deformación. Este tipo de fractura ocurre cuando se presentan tres factores, mismos que se dieron en el Titanic esa noche: que el metal tenga un alto contenido de azufre, que esté a muy baja temperatura y que el impacto que sufra sea muy fuerte. Esto fue demostrado con muestras del Titanic en 1994 y 1995.

Pero además el barco chocó lateralmente contra el iceberg, no de frente, de modo que éste provocó 6 largas heridas en el casco que inundaron los seis compartimientos delanteros. Las compuertas se cerraron inmediatamente después de la colisión, pero el daño era demasiado. Se calcula que el Titanic podría haber soportado incluso la inundación de cinco compartimientos, uno menos de los dañados.

Esto explica además por qué el hundimiento fue tan rápido y la forma en que se dio, con toda la proa inundada, haciendo que el barco se inclinara para después partirse en dos. Incluso se ha hecho notar que si no se hubieran cerrado las compuertas, el agua se habría extendido por todo el casco haciendo más lento el hundimiento, lo que habría permitido que se utilizaran mejor los botes salvavidas y que el Carpathia, el barco de pasajeros que se apresuró a llegar al lugar del hundimiento, rescatara a muchos más supervivientes.

La explicación de la fascinación pública sobre el Titanic será, sin duda, mucho más difícil de desentrañar que los fallos de diseño y de materiales que provocaron su hundimiento. Pero el legado más importante de la tragedia, vale tenerlo presente, fue una intensa mejora en los diseños y métodos de construcción de barcos, en la seguridad y en la legislación sobre botes salvavidas, que han salvado, con certeza, muchas más vidas de las que se perdieron esa madrugada en el Mar del Norte.

La búsqueda del Titanic Durante 73 años, distintos grupos se ocuparon de buscar los restos del Titanic. La creencia de que se había hundido en una sola pieza alimentó todo tipo de especulaciones, como la que llevó al escritor estadounidense Clive Cussler a escribir la novela “¡Rescaten al Titanic!”, un thriller en el que se utiliza aire comprimido para reflotar el pecio y rescatar un supuesto mineral que transportaba. La novela fue llevada al cine con poco éxito en 1980. El 1º de septiembre de 1985, una expedición francoestadounidense encontró finalmente los restos del famoso barco.