jueves, 29 de febrero de 2024

Feynman y el ritmo del Cosmos - Emilio Nogales Díaz

Capítulo 42

Feynman y el ritmo del Cosmos.
(Por Emilio Nogales Díaz)






La vocación científica seguramente comience siempre pronto, en la niñez, aunque finalmente pudiera no dar lugar a una tarea profesional. Más que nada, porque es una continuación natural de la enorme curiosidad y capacidad de asombro de la etapa de la infancia. No tengo definido el día cero, el nacimiento de mi vocación como físico. Más bien fue uno de los muchos intereses que, como arroyos que surgen de diferentes manantiales del monte, van adquiriendo más cuerpo a lo largo de su recorrido gracias a los afluentes formados por la curiosidad y la experiencia de los años, hasta formar ríos de intereses y aficiones sólidos, bien definidos entre los miles de pensamientos diarios. Aunque no tengo claro el manantial, sí recuerdo varios de los afluentes: el placer con el que recuerdo ver y escuchar de niño algunos capítulos de la magnífica, monumental y ochentera, en el mejor de los sentidos, serie Cosmos de Carl Sagan; las clases de Ciencias Naturales en los años de educación primaria y secundaria, especialmente las de Isabel Hípola en 8º de EGB; y las revistas de ciencia de mi tío José María, profesor de Física en el Colegio San José de Villafranca de los Barros. Todos ellos nutrieron el arroyo científico, que se fue ensanchando hasta dar lugar al río que, durante los años de bachillerato, bebió de las clases sobre el tema y de las muchas conversaciones sobre filosofía y sobre física, especialmente con mis padres y con un gran amigo, Juan, mucho más capaz que yo en las ciencias. Fue natural que mis intereses fueran a desembocar en la bahía de la Licenciatura en Física, que cursé en la UCM.

Richard Phillips Feynman (RPF) está considerado uno de los físicos más brillantes e influyentes de la física del siglo XX (para algunos, incluso de los últimos siglos), no sólo por sus investigaciones en diversos campos de la Física - especialmente la electrodinámica cuántica, por la que obtuvo el Premio Nobel - sino también por la forma en que analizó y transmitió la Física como docente, investigador y divulgador. Este estatus fue muy temprano: Vera Rubin, la gran astrónoma que realizó las observaciones con que se evidenció la existencia de la materia oscura, contaba que las primeras palabras que dirigió al conocer a su futuro marido, estudiante en Cornell cuando RPF enseñaba allí, fue “¿Conoces a Richard Feynman?” [1]. Era la segunda mitad de los años 1940 y RPF aún no había cumplido 30 años.

En el primer curso de carrera llegó a mis manos el libro “¿Está usted de broma, Sr. Feynman?” que, a lo largo de un año, fue de mano en mano entre mis amigos de toda la vida (ninguno estudiaba Físicas salvo yo).  El fuerte impacto de su lectura en mi manera de plantear la Física fue inmediato: ya la disfrutaba antes, pero a partir de su lectura la percibí más lúdica, más divertida, más colorida. Me lo compré poco después y se lo presté a varios compañeros de la facultad durante los siguientes años.

Paul A. M. Dirac tenía una película favorita, “2001: a space odyssey”. Sin duda, el guion de Arthur C. Clarke y Stanley Kubrick y la dirección de este último, con una inédita y cuidadísima estética audiovisual, contribuyeron mucho a ello. También pudo contribuir el hecho de que en la película se desarrollan muy pocos diálogos, dada la ambiciosa historia que narra a lo largo de millones de años. La mayor parte está narrada con imágenes y sonido, no con palabras. Algunos conocidos del legendario físico acuñaron en broma la idea del “dirac”: el menor número de palabras que se pueden usar en una conversación. Se podría entender como una forma de expresar la mayor cantidad de información de la forma más sucinta posible. Sus conocidos asignaron al dirac el valor numérico de 1 palabra por hora. Desde la escuela, donde ya le impresionaron las relaciones entre los conocimientos que aprendía en matemáticas y en dibujo técnico, y después al estudiar para ser ingeniero eléctrico, donde siguió desarrollando esa faceta visual, adoptó una fuerte inclinación hacia la representación gráfica de las ideas matemáticas más abstractas. Esto le fue de gran utilidad en sus investigaciones cuando desarrolló su enorme potencial como matemático y físico. De hecho, él decía que era un visualizador [2].

Dirac era 16 años mayor e ídolo científico de Feynman. A pesar de ser claramente diferentes en cuanto al número de palabras que aportaban a una conversación, ambos tendían a pensar gráficamente en las ideas matemáticas más abstractas. Esto dio lugar al desarrollo de la contribución más conocida del joven Richard: los diagramas de Feynman. También influyó claramente en sus clases y en las “Lectures on physics”, los libros que resultaron de estas (Lecciones de Física de Feynman, en su edición actual traducida al español, “las Lectures” a partir de aquí).

Aprovechando que no tenía obligación de estudiar nada durante las vacaciones de verano tras terminar primero de carrera en la UCM, tomé prestado de la biblioteca el primer tomo de las Lectures para leer algunos capítulos y pasajes por puro disfrute. Recuerdo bien su fabuloso comienzo planteando la Física desde sus raíces más profundas, la Filosofía, el juego, el descubrimiento, ... De hecho, ese primer capítulo es tal cual la primera de las “Seis piezas fáciles” o “Six easy pieces que dan título a esta colección de textos a la que estoy contribuyendo. En ese primer capítulo plantea una retadora pregunta que parece un claro guiño a su ídolo, Dirac: si por algún tipo de cataclismo todo el conocimiento científico fuera destruido y sólo una frase pasara a las siguientes generaciones ¿qué afirmación contendría la mayor cantidad de información en el menor número de palabras? Tras su respuesta a esta pregunta, casi idéntica a la hipótesis atomista de los griegos clásicos Leucipo y Demócrito, subraya la que es para mí otra de las claves en la ciencia: el uso de la imaginación, cuya importancia en el desarrollo de la Física y la Ciencia en general no siempre es percibida por todo el mundo. Ese capítulo me parece un magistral comienzo para plantear el reto de estudiar la carrera de Física.

Las Lectures me ganaron con su profundidad y entusiasmo, con ese lenguaje poco habitual en los libros académicos, en general coloquial y en ciertos pasajes jovial, parecido al de “¿Está usted de broma…?”. Al cursar el tercer año de la licenciatura compré los tres volúmenes traducidos al español (edición 1982, en cuya portada morada se lee “Física” y después, en letras grandes “Feynman”). El segundo volumen fue el libro de texto que usé para estudiar Electromagnetismo. Ya en segundo curso, me encantó el capítulo 3 de ese volumen, con la explicación del cálculo integral vectorial combinando las matemáticas y las gráficas para indicar el significado matemático-físico de los teoremas de Gauss y de Stokes. Desde entonces he consultado las Lectures continuamente, primero como estudiante, después como investigador y, sobre todo, como docente. Siempre han sido para mí una fuente de aprendizaje que aporta una manera atractiva y heterodoxa de narrar ciertos aspectos de las asignaturas que estudio e imparto. Y, sobre todo, sigue siendo una fuente de disfrute.

El Profesor Antonio Fernández Rañada aportó a uno de los números de Quanto – la revista que fundaron en el año 1994 unos cuantos estudiantes en la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM y en la que escribí durante varios años – un estupendo artículo en el que comparaba a varios de los más insignes físicos, como Newton, Maxwell o Einstein, con igualmente insignes músicos, como Bach, Beethoven o Stravinski. Feynman le recordaba a Mozart por su enorme imaginación, creatividad y gusto por el juego.

Al terminar la carrera me adentré en las procelosas aguas de la ciencia. Comencé la tesis doctoral, sobre silicio nanocristalino y tierras raras, dirigida por los Profs. Javier Piqueras y Bianchi Méndez, en el Departamento de Física de Materiales de la UCM. En la estupenda biografía “Genius: Richard Feynman and modern physics” escrita por James Gleick, que leí durante la carrera, supe de la relación de Feynman con el tema en que se enmarcaba mi tesis: su legendaria y visionaria charla del año 1959 “There’s plenty of room at the bottom”, considerada el ilustre origen de la nanofísica. Hay suficiente espacio en la cabeza de un alfiler para poner toda la Encyclopaedia Britannica, retaba. En aquella charla mostró que las leyes de la Física permiten ese nivel de miniaturización, décadas antes de que la microscopía electrónica y las microscopías de campo próximo llegaran a hacerlo realidad. Aunque aún no se ha logrado grabar algo tan extenso como la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler.

 

Easy piece: ritmo en el Cosmos.

Es difícil para mí elegir lo que nos pide en su invitación Quintín Garrido para esta colección: un momento que me marcó y me llevó a dedicarme a la Física. Han sido bastantes las ocasiones en que alguien me ha explicado algo que ha resonado después en mi cabeza muchas veces, sirviendo de semilla desde la que cristalizan nuevos conocimientos. Elijo el siguiente.

Al terminar primer curso de Bachillerato atrapé al vuelo la oportunidad de asistir durante un mes, junto a mi padre y dos de mis primos, a un curso de alemán en Berlín organizado por la Universidad Humboldt y anunciado por la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), donde mi padre trabajaba como investigador de sociología. Era julio de 1990, un momento histórico en el que el aspecto de Berlín era muy distinto al actual. El Muro había caído hacía sólo unos meses, el 9 de noviembre de 1989, y eran evidentes muchas diferencias entre las dos partes de la ciudad, separadas durante décadas por aquella infausta obra arquitectónica cuya caída marcaba el fin de una era: la Guerra Fría. Un día paseamos por Alexanderplatz, dominada por la imponente torre soviética de telecomunicaciones Fernsehturm, la torre de televisión, considerada un símbolo comunitario y monumento de Berlín tras la reunificación de Alemania. En su base hay unos aleros triangulares inclinados, con aspecto de abanico medio abierto (ver figura 1). Recuerdo que al menos uno está suspendido en el aire: tiene uno de los vértices muy cercano al suelo, pero sin llegar a tocarlo. Observé su leve y lenta oscilación, como la de una barca mecida por suaves olas. El recuerdo quedó imborrable por lo que mi padre me explicó: toda esa enorme estructura triangular oscila a un ritmo definido y, si lo fuerzas a oscilar justo con ese ritmo, podrías conseguir que lo haga de forma cada vez más amplia ¡quizá hasta romperse! Puede que hasta mencionara la palabra “resonancia”, pero no lo recuerdo. Me impresionó comprender que una gran estructura como esa pudiera ser movida de manera tan sencilla por un adolescente delgaducho, si encuentra la cadencia adecuada.

Fig. 1 Fernsehturm, la torre de televisión de Berlín. En su base se pueden ver los aleros cuya punta no está (o al menos no estaba) apoyada en el suelo. https://es.wikipedia.org/wiki/Torre_de_televisi%C3%B3n_de_Berl%C3%ADn


Durante las excelentes clases de Física General que recibí del Prof. Juan Rojo en primer curso de la Licenciatura, explicó el fenómeno de los armónicos en cuerdas tensas y cómo éstas vibran sin necesidad de tocarlas al resonar con una onda sonora de la frecuencia adecuada. Acto seguido nos explicó – primera vez que se nos explicaba en la Licenciatura – cómo obtener cualquier forma de onda periódica como suma de funciones trigonométricas, de armónicos. Nos desveló unas de las herramientas matemáticas más utilizadas en Física: las series de Fourier.

Feynman fue músico, un buen percusionista según parece, faceta que quedó inmortalizada en la fotografía que aparece en el Prefacio de las Lectures, así como en su personaje interpretado por Jack Quaid, sin diálogo, pero con unos bongos, en la película “Oppenheimer”, uno de los fenómenos cinematográficos de 2023. Crear ritmos complejos, sincopados y polirritmos fueron para él, entre otras cosas, otra forma de aplicar las matemáticas. Hay un buen número de eminentes físicos que han desarrollado una faceta musical: el primer libro de Leonhard Euler trataba de música, a la que dedicaba la mayor parte de su tiempo libre [3], Albert Einstein fue violinista, Max Planck, Paul Ehrenfest y Werner Heisenberg pianistas, William Herschell oboísta, organista y director de orquesta antes de dedicarse por completo a la Astronomía [4]...

En los medios materiales – gases, líquidos, sólidos y plasmas – las partículas interaccionan entre sí, dando lugar a un equilibrio tenso pero estable: si algo perturba el medio en cierto lugar, se restituirá el equilibrio en ese sitio gracias a las fuerzas internas o externas que mantienen cercanas a las partículas vecinas. Pero esas mismas fuerzas crearán algo similar a un efecto dominó y la perturbación se propagará, alejándose del punto en que se originó: así se genera una onda mecánica. Cuando el medio tiene unas dimensiones finitas, con unos límites bien definidos – pensemos en el aire de una habitación grande cerrada, en la membrana tensa de un tambor, fijada a un aro robusto, o en la cuerda de un violín con sus extremos apoyados en puntos sólidos, la cejilla y el puente – las ondas se reflejarán en dichos límites, quedando confinadas el espacio. Las ondas se caracterizan porque interfieren entre sí: si varias se propagan por la misma región del espacio durante el mismo periodo de tiempo, dan lugar a una onda resultante que es la suma de las iniciales. Una onda reflejada en una pared o en el extremo de una cuerda tensa interfiere con la onda original que sigue llegando a dichos límites. Si hay dos extremos – o seis paredes – las ondas van y vienen continuamente, produciendo un marcado fenómeno de interferencia. En ciertos edificios con paredes muy lisas, como las iglesias, este fenómeno da lugar a la característica reverberación de los sonidos: un juego de reflexiones, de ecos repetidos muchas veces.

Cuando creamos una perturbación periódica, es decir, que se repite en el tiempo con una frecuencia – un ritmo, una cadencia – constante, la onda resultante propaga el mismo ritmo. Por ejemplo, cuando creamos un sonido golpeando un trocito de madera con una frecuencia f = 333 veces por segundo o hertzios (f = 333 Hz) entre golpecito y golpecito transcurren 1/333 = 0,003 segundos. Como la perturbación se propaga a cierta velocidad por el medio, las características de la onda se repetirán cada cierta distancia - la recorrida por la onda en el tiempo que transcurre entre golpecito y golpecito en el ejemplo anterior - llamada longitud de onda1. Si en este ejemplo suponemos una velocidad de las ondas en el aire de 333 metros por segundo, la longitud de onda es λ = 333 x 0,003 = 1 metro. Si aumentamos la frecuencia de los golpecitos, la longitud de onda resultante será menor y viceversa.

Mi madre, filóloga, editora, catalogadora, era además una estupenda cantante y pianista que me transmitió el disfrute de la música desde pequeño, escuchándola e interpretándola. Desde primer curso de Bachillerato, en el instituto comencé a estudiar guitarra, afición que he cultivado de forma irregular desde entonces, pero que nunca he abandonado.

Pensemos en las ondas confinadas en un medio material limitado, yendo y viniendo al reflejarse en los extremos o paredes. Para la inmensa mayoría de frecuencias, la interferencia es destructiva (la suma de las muchas reflexiones es cero o casi nula) y únicamente algunas frecuencias resultan en interferencias constructivas, en oscilaciones de gran amplitud. Ésas son las frecuencias propias de dicho sistema, sus frecuencias de resonancia. A grandes rasgos, se puede decir que estas frecuencias corresponden a las longitudes de onda que encajan exactamente entre los límites del espacio de confinamiento. Cuando se fuerza al sistema a oscilar con una de esas frecuencias, todas las partículas oscilan al unísono con dicha frecuencia y cada una lo hará con una amplitud constante en el tiempo (si despreciamos la disipación de energía), aunque unas oscilarán de forma más acusada, con más amplitud, que otras. En una cuerda tensada de longitud L = 1 metro y con los dos extremos fijos (como la de un piano, por ejemplo), las longitudes de onda que encajan exactamente son únicamente λ1 = 2L/1 = 2 metros, λ2 = 2L/2 = 1 m, λ3 = 2L/3 = 2/3 m, λ4 = 2L/4 = 0,5 m, y así sucesivamente. Si se tensa la cuerda de manera que la velocidad de propagación de las ondas en ella es 200 m/s, esas longitudes de onda corresponden a las siguientes frecuencias f1 =200/2 = 100 veces por segundo o Hz, f2 = 200/1 = 200 Hz, f3 = 200/(2/3) = 300 Hz, f4 = 200/0,5 = 400 Hz y así sucesivamente. Como podemos ver, las frecuencias son todas múltiplos enteros de la más baja, la llamada fundamental (f1 =100 Hz en este ejemplo). Estos son los armónicos de la cuerda y resulta que cualquier onda que generemos en ella tendrá que ser la suma de estos armónicos (esta es la base de la representación de cualquier onda periódica como su serie de Fourier).

Pitágoras construyó hace unos 2500 años su filosofía del Cosmos - él fue el primero en usar esta palabra para referirse al Universo, pero desde los años 80 a muchos nos viene a la mente Carl Sagan al leerla o escucharla - sobre el análisis de las notas musicales emitidas por pares de cuerdas de diferentes longitudes. Feynman indica en sus Lectures que con esa conclusión de sus experimentos, Pitágoras estableció el primer ejemplo, aparte de la geometría, de una relación numérica en la Naturaleza. Su influencia fue tan profunda que hasta unos 2000 años después el llamado quadrivium, estudiado en los centros de educación superior, incluía el estudio de la música junto a la geometría, la aritmética y la astronomía.

Hay programas que permiten obtener la transformada de Fourier de cualquier señal que llegue a un ordenador, pasando de representar la señal en función del tiempo a representarla en función de la frecuencia. Si se introduce la señal de una cuerda oscilante, se verá que aparecen picos que cumplen exactamente lo dicho acerca de los armónicos: una frecuencia fundamental y sus múltiplos enteros. Además, ésas son sus frecuencias de resonancia: si intentamos forzarla a oscilar con otra frecuencia diferente a las de sus armónicos, simplemente la cuerda no oscilará o lo hará muy poco. Pero cuando la forcemos a oscilar con una de las frecuencias de resonancia, puede llegar a vibrar fuertemente, creando un sonido perfectamente audible.

Cuando era profesor novel impartí clases en el Laboratorio de Mecánica y Ondas de la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM, que en ese momento coordinaba el excelente profesor Enrique Maciá (in memoriam). Con su ayuda desarrollé una variante del experimento de cuerda vibrante que ya existía, al incluir la obtención de los armónicos superiores mediante una técnica usada por los guitarristas: rozando ciertos puntos muy concretos de la cuerda para imponer que no se muevan (creando los nodos adecuados de los armónicos). Como siempre, para desarrollar la variación del guion de la práctica que hicimos entre el Prof. Maciá y yo, acudí a las Lectures de Feynman, donde explica en su excepcional estilo el concepto de armónicos y series de Fourier y mostrando con gráficas cómo obtener la forma de una onda viajera confinada, con forma arbitraria, como superposición de ondas estacionarias. Pocos cursos después, introdujimos en esa práctica la obtención en vivo de la transformada de Fourier a partir de la señal obtenida experimentalmente por los propios estudiantes.

Cuando consideramos una membrana tensa de dos dimensiones fijada a un aro - o un medio como el aire encerrado en las tres dimensiones - los cálculos son bastante más complicados, pero el resultado es esencialmente idéntico: aparecen una serie de frecuencias bien definidas para las que el sistema entra en resonancia. Son sus frecuencias propias. Si se le hace oscilar con una de ellas, todas las partículas vibrarán al unísono y con amplitudes constantes en el tiempo. Eso sí, en estos casos ya no se cumplirá la sencilla relación matemática entre ellas de multiplicar la frecuencia fundamental por números enteros, como los armónicos en la cuerda. Aquí dejaremos de llamarlos armónicos – caracterizados por esas relaciones de números enteros – pero podemos llamarlos estados estacionarios que, en esencia, físicamente hablando, se comportan de la misma forma.

Lo maravilloso de esta idea es que no se limita únicamente a las ondas mecánicas. La idea de armónicos y estados estacionarios se extiende a cualquier otro fenómeno ondulatorio, incluso los que no necesitan partículas, un medio material, para propagarse. Por ejemplo, las ondas electromagnéticas o las funciones de onda de la mecánica cuántica. Desde las cavidades ópticas resonantes utilizadas en la mayoría de los láseres hasta los orbitales atómicos en mecánica cuántica, desde las resonancias de Schumann en física de la atmósfera hasta los modos cuasi-normales en estrellas y agujeros negros.

A lo largo de los años me he divertido pensando y/o descubriendo en libros o artículos analogías de conceptos físicos con la música, básicamente por dar lugar a fenómenos con ritmo, por analizar sistemas que pueden describirse a partir de esos estados especiales con frecuencias propias. El repertorio incluye una gran cantidad de temas: las soluciones estacionarias de la ecuación de Schrödinger en mecánica cuántica, como los ya mencionados orbitales de electrones en átomos, pero también en nanoestructuras (premio Nobel en 2023), pasando por los fonones o los estados electrónicos y su distribución en forma de bandas de energía en la física del estado sólido; la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) en modo de fuerza dinámica, que se comporta de manera análoga al alero de la Fernsehturm, con sus frecuencias propias; las oscilaciones bariónicas acústicas, que se propagaban durante los primeros cientos de miles de años del universo y han dejado su impronta en la distribución de galaxias y en la radiación cósmica de fondo; las cavidades ópticas desarrolladas en fotónica, etc.

Fig. 2 Berliner Fernsehturm y sus “aleros resonantes“. Wikimedia Commons https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/Berlin_-_Berliner_Fernsehturm5.jpg


Con todo lo explicado, espero haber dejado claro que considero que conectar ideas de diferentes campos o áreas de conocimiento, creando analogías y metáforas, es muy importante para desarrollar la ciencia, permitiendo comprender fenómenos con mayor facilidad y/o extender las conclusiones a nuevos campos. Para ello, hace falta haber trabajado lo suficiente como para tener buena técnica y haber adquirido una buena base de conocimientos, estableciendo relaciones entre ellos mediante la reflexión y la creatividad. Y es necesario que la imaginación tenga un papel protagonista en todo ese proceso. Cuanto más nos acostumbremos y más disfrutemos usándola, mejor ciencia podremos hacer, ya que La máxima dificultad para la imaginación, no es, como en la ficción, imaginar cosas que no existen, sino simplemente comprender las cosas que sí existen. Richard Feynman dixit.

 



Notas:
1 Estrictamente hablando, para que la longitud de onda esté bien definida la onda debe ser armónica, es decir, el sonido debe crearlo un objeto que realice un movimiento armónico simple, descrito por una función trigonométrica [del tipo x = Asen(wt), donde w es la frecuencia angular], también periódica y que cambia con el tiempo de modo más suave que los golpecitos. En todo caso, como se explica en el texto, si la onda es periódica, se puede expresar como combinación lineal de armónicos (análisis de Fourier).



Referencias:
[1] Sara Gil Casanova, Revista Española de Física 33, 49 (2019).
[2] Documental para BBC, Everything and nothing, Jim Al Khalili (2011).
[3] Peter Pesic, Capítulo: Euler: The Mathematics of Musical Sadness, en el libro Music and the Making of Modern Science, The MIT Press (2014).
[4] Eli Maor, Music by the numbers, Princeton University Press (2018).



Emilio Nogales Díaz.
Doctor en Ciencias Físicas.
Catedrático de Física Aplicada.
Departamento de Física de Materiales.
Universidad Complutense de Madrid (UCM).


Créditos Música:
531 5.13
Winter by Alexander Nakarada ( www.creatorchords.com )
Creative Commons / Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/


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