Prefiero tener preguntas
que no puedan ser respondidas que respuestas que no puedan ser cuestionadas.
The Pleasure of Finding Things Out: The Best Short
Works of Richard P. Feynman
¡Qué difícil es no conmoverse con un texto, una
clase, una foto incluso, de Richard Feynman! Es difícil porque en cada
documento él nos transmite su propia
conmoción, su fascinación por lo que está diciendo o haciendo, su profunda
pasión.
Creo que la admiración que tenemos tantos y la
popularidad de la que gozó en vida, que se mantiene hasta hoy y sin duda para
siempre, es resultado no solo de su agudeza intelectual, sino de ese entusiasmo
inagotable y contagioso que la física generaba en él. Basta ver un video en
Youtube para notar lo que la disfrutaba. Hay uno en particular1 que
he visto infinidad de veces y no me canso de hacerlo, en el que explica “con
las manos”, sin recurrir a ningún término técnico, muchísimos fenómenos, como
el movimiento de los átomos y la transferencia de calor, el fuego, la
electricidad, el magnetismo, etc. Encuentro absolutamente cautivante su forma
de expresarse y su capacidad para explicar conceptos complejos de una manera
simple, pero, sobre todo, me resulta casi hipnotizante lo feliz que se nota que
está hablando de todo eso.
En mi adolescencia y hasta los 18 años
aproximadamente, quería ser astrónoma. Miraba el cielo, leía a Carl Sagan y
pensaba que no debía haber nada mejor que hacer en la vida, que dedicarse a
aprender sobre los astros del universo. Sin embargo, leyendo las noticias
diarias de la NASA durante los recreos en los últimos años del secundario, me
fui enterando de que la física era mucho más que el plano inclinado y el
movimiento rectilíneo uniforme que me estaban enseñando, y la astronomía tenía
muchísimo de física (hoy esta frase me resulta un tanto irrisoria, voy por la
vida al grito de “¡todo es física!” 😉). Así, al poco tiempo, esta revelación resultó en
un interés por la física teórica que me llevó progresivamente a comprar
muchísimos libros que leía con un entusiasmo irrefrenable, aun entendiendo muy
poco algunos de ellos. Pero no me importaba, al contrario. Mi dificultad de
compresión era un estímulo. Si bien mantenía mi gran curiosidad por los astros,
de a poco iba creciendo en mí un ansia de conocimiento cada vez más pronunciada
por temas como la mecánica cuántica, la relatividad general y la cosmología.
Terminé el colegio y decidí estudiar física: “quiero
saber cómo funciona todo”, pensaba. No es que quería ser científica, no sabía
qué era eso. Yo sólo quería saber, después vería qué me deparaba el futuro. No
me preocupaba en ese momento.
Realicé mi licenciatura en la Facultad de Ciencias
Exactas de la Universidad de Buenos Aires, en Argentina. Cuando cursaba el
segundo año de la carrera, un amigo, en ese momento ya graduado, me prestó los
célebres libros The Feynman Lectures on
Physics (“Los cursos de Física de Feynman”), tres volúmenes que abordan
algunas de las principales áreas de la física. Debo confesar que yo apenas los
había escuchado nombrar. Pues bien, así conocí a Richard Feynman. Toda mi
carrera académica y posterior recorrido profesional estuvieron profundamente
influenciados por su legado. De hecho, estudiando con sus Lectures más de una vez pensé: “Cuando sea grande quiero ser como
Feynman”.
Fig.1 Fotografía de los tres volúmenes de “The Feynman Lectures on Physics”.
Su
influencia en mi recorrido académico.
Durante mis estudios de grado, recurría a estos
volúmenes sistemáticamente como primera lectura obligatoria antes de meterme de
lleno en algún tema. Me servían como introducción y como motivación. No había
manera, después de leer sus capítulos, de no sentir que eso que me estaban
enseñando en la universidad e iba aprendiendo, era maravilloso.
Creo que estos libros son fundamentales en la
formación de cualquier estudiante porque, no solo enseñan y explican los
fenómenos físicos de una manera clara, accesible y, por supuesto, sólida, sino
que además Feynman nos cuenta, entre otras cosas, a qué darle importancia, cómo
encarar ciertos temas o qué significa entender realmente una ecuación. Son
mucho más que libros de texto o material académico. Siempre recuerdo una
sección del Volumen II de sus Lectures
que me gustó y sirvió particularmente. A mí me encantaba (¡y me encanta aún!)
el electromagnetismo, y Feynman dedica un apartado llamado “Understanding Physics” (Entendiendo la
Física) a explicar la diferencia entre saber o entender la matemática
involucrada en un fenómeno físico y tener una comprensión amplia de la física
en cuestión. Revisándola ahora encuentro que Feynman cita a Paul Dirac cuando
dijo: “I understand what an equation means
if I have a way of figuring out the characteristics of its solution without
actually solving it” (Entiendo lo que significa una ecuación si tengo una
forma de descubrir las características de su solución sin resolverla
realmente). Este tipo de menciones eran iluminadoras para mí, claves para
entender más íntegramente lo que estaba aprendiendo.
Fig. 2 Richard Feynman enseñando mecánica cuántica. Colección de imágenes de Caltech. Archivos del Instituto de Tecnología de California y Colecciones Especiales.
Los años pasaban, sus volúmenes seguían
acompañándome y llegué a la física de partículas, de la que me enamoré.
Recuerdo la emoción que sentía a medida que aprendía más y más sobre la
construcción del Modelo Estándar en materias como teoría cuántica de campos,
teoría de grupos o cromodinámica cuántica. La belleza matemática era
abrumadora.
Composición
del Universo y las fuerzas de la naturaleza.
La materia.
Cerca de un 5 % de lo que compone el cosmos es
materia que llamamos ordinaria, la cual nos es familiar y detectable
visualmente o con dispositivos. Las estrellas, los planetas, un árbol, nuestro
cuerpo; todos están formados por esta materia.
Desde la década de 1930, el avance en teorías y los
descubrimientos realizados por una amplia comunidad internacional de físicos
han revelado que esta materia está compuesta por partículas elementales,
llamadas así por no estar formadas por otras más pequeñas, y que la interacción
entre ellas está dada por cuatro fuerzas fundamentales. El entendimiento
detallado de sus interacciones ha culminado en el desarrollo del Modelo
Estándar de Partículas Elementales, una teoría cuántica que explica
prácticamente todas las observaciones experimentales con una precisión sin
precedentes, y que ha predicho una diversidad asombrosa de fenómenos.
Las partículas elementales se agrupan en dos grandes
categorías: fermiones y bosones. Los fermiones, a su vez,
se dividen en dos conjuntos: los quarks y los leptones. Existen seis quarks y
seis leptones distintos. Dentro de cada sexteto, el Modelo Estándar los agrupa
de a pares. Así, los quarks y los leptones se distribuyen en tres generaciones:
los quarks up y down, charm y strange, y top y bottom; y los
leptones son el electrón y neutrino de electrón, muón y neutrino de muón, y tau
y neutrino tau. Las primeras generaciones corresponden a pares de partículas
livianas y estables, mientras que las segundas y terceras contienen partículas
más pesadas e inestables, es decir, que decaen en partículas más livianas (con
excepción de los tres neutrinos que son partículas extremadamente poco
masivas).
Todo lo que nos rodea y conocemos indefectiblemente
debe estar formado por partículas estables, es decir, por los quarks y
fermiones de las primeras generaciones. Y así es, los núcleos de los átomos
están formados por los quarks up y down, y los electrones giran a su
alrededor.
Las fuerzas.
Gracias a que además de existir partículas existen
fuerzas que les permiten interactuar, es que el universo no es una sopa de
elementos indivisibles “sueltos”, sino que en él hay estructuras, galaxias,
objetos y seres vivos.
A nivel subatómico, las interacciones entre las
partículas son mediadas por los bosones, categoría en la que se
encuentran los fotones, gluones y las partículas W+, W- y
Z. Los fotones no tienen masa, se mueven a la velocidad de la luz en el vacío,
a 300.000 km/s, y transmiten la fuerza electromagnética entre partículas con
carga eléctrica. Entre muchísimas cosas, gracias a esta fuerza tenemos todo
tipo dispositivos electrónicos y no atravesamos paredes o pisos. Los fotones
asociados a las ondas electromagnéticas en el rango de frecuencias del visible,
son lo que denominamos “luz”. Los gluones, por su parte, transmiten la fuerza
fuerte, responsable de mantener a los protones y neutrones unidos en los
núcleos atómicos. La fuerza débil, mediada por los bosones W+, W-
y Z, hace posible los decaimientos radiactivos, como el alpha, el beta y el
gamma.
La fuerza electromagnética tiene un alcance
infinito, es decir, la influencia de esta fuerza se extiende distancias
arbitrariamente grandes. Por ejemplo, dadas dos partículas cargadas, la fuerza
electromagnética entre ellas nunca llega a ser cero, incluso si se las separa a
grandes distancias. Aunque la fuerza disminuye a medida que se alejan, nunca
desaparece por completo. En contraste, las fuerzas débil y fuerte solo son
efectivas en distancias muy cortas y predominan a nivel de partículas
subatómicas. La fuerza fuerte, tal como su nombre indica, es la más potente de
las tres, mientras que la fuerza débil es inferior en comparación con la fuerte
y la electromagnética.
El Modelo Estándar nos permite entender cómo actúan
estas fuerzas sobre todas las partículas de la materia. Sin embargo, la fuerza
más familiar en nuestra vida cotidiana, la que nos resulta más fácil de
comprender y que aprendemos en la escuela, no forma parte del Modelo: la
gravedad no tiene un lugar en este marco teórico. No tenemos ninguna evidencia
experimental ni tampoco predicción teórica sólida que nos permita asociarle a
la gravedad, una partícula transmisora de la fuerza. Incorporar la gravedad en
el mundo subatómico es un desafío enorme al que cientos de científicos le han
dedicado y le dedican hoy en día, su vida profesional.
El famoso bosón de Higgs.
Hemos descrito el Modelo Estándar de partículas
elementales, pero no hemos mencionado hasta ahora la única partícula que nos
falta incluir.
Las observaciones cosmológicas sugieren que, en el
universo primigenio, apenas una fracción ínfima de segundo luego de lo que
entendemos como el origen del cosmos, ninguna partícula tenía masa y, por lo
tanto, todas se movían a la velocidad de la luz. Todo lo que conocemos, desde
las estrellas a los seres vivos, existen gracias a que las partículas
elementales adquirieron su masa a partir de una partícula llamada bosón de
Higgs. El mecanismo a través del cual este bosón dota de masa a las demás
partículas había sido incorporado al Modelo Estándar en 1964, pero no había
ninguna evidencia experimental de la existencia de tal partícula hasta que en
2012 se descubrió en el CERN (Conseil
Européen pour la Recherche Nucléaire). El Higgs es el único bosón del
modelo que no transmite ninguna fuerza, pero tuvo la tarea de hacer que el
universo existiera como lo conocemos.
Fig.3 Modelo Estándar de Partículas Elementales. Crédito: BBC.
Los
diagramas de Feynman.
Aprender a hacer cálculos complejos de interacciones
entre partículas elementales fue una de las cosas que más disfruté durante mis
estudios. Casualmente, Richard Feynman tenía un gran protagonismo en esta
empresa. Los famosos diagramas de Feynman
que tantas veces se habían mencionado en aquellos libros que leía cuando era
más chica, eran claves para calcular las probabilidades de varios procesos que
involucran interacciones de partículas de una manera sistemática. Son una ayuda
visual extraordinaria que simplifica expresiones matemáticas complejas
relacionadas con estas interacciones, y una herramienta valiosísima, que
refleja claramente el entendimiento profundo que tenía Richard Feynman, su
creatividad y su afán por comprender y explicar las cosas en forma simple. If you can't explain it simply, you don't understand
it well enough (Si no puedes explicarlo de manera sencilla, es que
no lo entiendes lo suficientemente bien), es una popular frase suya.
Veamos un ejemplo para comprender la utilidad de
esta herramienta: en la figura a continuación tenemos el diagrama de Feynman
que representa una determinada interacción entre partículas elementales que
resulta en el principal proceso de producción de un bosón de Higgs. La figura 4
se debe “leer” de izquierda a derecha, y nos indica que las partículas que
interactúan inicialmente son dos gluones. Estos intercambian un quark top
virtual2, que produce un par virtual top-antitop quienes luego se
aniquilan produciendo un bosón de Higgs real. Este solo existe durante 10-22
segundos, por lo que no se puede detectar directamente, pero sí se pueden
observar los productos de su decaimiento. Por ejemplo, puede decaer en dos
bosones Z, uno de los cuales es virtual (Z*). Estos bosones a su vez se
desintegran en un par electrón-positrón y muon-antimuon. ¡Estas cuatro
partículas son detectadas y nos permiten reconstruir el bosón de Higgs!
Fig.4 Diagrama de Feynman que describe un proceso particular de producción de un bosón de Higgs. Fuente: https://atlas.cern . Pdf Atlas Cern .
Sus diagramas aparecen sistemáticamente en los
artículos científicos escritos por físicos de partículas, tanto teóricos como
experimentales. Son la manera que entendemos inmediatamente de qué interacción
estamos hablando.
Más
bibliografía.
Además de sus clases impartidas en Caltech, Feynman
ha publicado libros y hay también varios textos sobre él. Surely You're Joking, Mr. Feynman! (“¡Seguro que está bromeando,
Sr. Feynman!", 1985) es una colección maravillosa de anécdotas sobre su
vida, desde que era pequeño hasta su adultez. Está escrito con mucho sentido
del humor y en él se puede dilucidar cómo se convirtió en el científico que
luego fue, y el papel fundamental que jugó su padre en el desarrollo de su
curiosidad y su ímpetu por entender a fondo los fenómenos de la naturaleza.
What Do You Care What Other People Think? (“¿Qué te importa lo que piensen
los demás?", 1988) es otra obra excepcional. Aquí encontramos también
historias personales, experiencias y reflexiones sobre varios temas, desde su
trabajo en el Proyecto Manhattan hasta sus experiencias como baterista y
artista. Además, este libro incluye un relato fascinante sobre su participación
en la investigación del accidente del transbordador espacial Challenger en
1986. Feynman formó parte de la Comisión Rogers, encargada de investigar las
causas de este trágico siniestro que se cobró la vida de siete seres humanos,
incluida la primera ciudadana (una maestra de escuela) que viajaba al espacio.
El libro brinda información sobre el enfoque de Feynman en la investigación,
sus esfuerzos por descubrir la verdad y sus opiniones sobre los eventos que
llevaron al desastre del Challenger. Es realmente extraordinario el trabajo que
hizo este físico norteamericano cuya experticia era la física nuclear y de
partículas, y que sin embargo fue el responsable de desentrañar las causas del
fallo letal de un transbordador espacial. Lectura muy recomendada.
En 1995 se publica Six Easy Pieces (“Seis Piezas Fáciles”), un compilado de seis
capítulos de The Feynman Lectures on
Physics (“Los cursos de Física de Feynman”) que se enfoca en algunos de los
temas de los cursos de Caltech como, por ejemplo, la conservación de energía,
las leyes de Newton, la ley de Coulomb, la gravedad y la cuántica. Lindísimo
libro. Una hermosa manera de aprender física, sin ecuaciones, de la mano de un
grande.
También se han publicado cursos sobre
electrodinámica cuántica QED: The Strange
Theory of Light and Matter (“QED: La extraña teoría de la luz y la
materia”), Six Not So Easy Pieces,
(“Seis Piezas No Tan Fáciles”), que incluye una selección adicional de los
cursos de Caltech, y The Character of
Physical Law (“La naturaleza de las leyes físicas"), basado en cursos
que dio en la Universidad de Cornell.
Todos estos textos ofrecen una visión de la mente
curiosa de Feynman, su sentido del humor y su perspectiva única sobre la vida y
la ciencia.
Feynman
y la docencia.
Además de inspirarme, emocionarme y acompañarme en
mi recorrido académico, Richard Feynman fue y es clave en mi desarrollo como
docente y divulgadora científica. Al finalizar mi doctorado, realicé un
postdoctorado en la Universitá Federico
Secondo, en Nápoles, Italia, con una beca del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Este fue mi último
paso por el mundo académico, ya que luego me dediqué de lleno a la enseñanza y
la comunicación de la ciencia, en particular de la física. Durante mis estudios
de grado y posgrado fui docente en mi facultad y una vez fuera de la academia,
continué dando clases en aulas de universidades de Argentina y Estados Unidos,
en las que dejé muchas de las enseñanzas que recibí de Feynman.
Hay muchas enseñanzas que leí o escuché del propio
físico en videos, que llevo conmigo siempre, y que incorporé como docente y
también como autodidacta. Por ejemplo, Feynman dijo una vez que había aprendido
desde muy temprano la diferencia entre saber el nombre de algo y saber algo.
Siempre me acuerdo de esta reflexión porque a mí nunca me gustó tener que
acordarme de lo que estudiaba, tener que aprender algo de memoria. Quizás por
eso también la física me atrajo mucho; no hacía falta la memoria, solo
entender. Y esto es algo que siempre les transmito a mis alumnos, y lo aplico
en mis clases.
Otra de sus famosas declaraciones tiene que ver con
la importancia de la experimentación, algo que también es fundamental
transmitirles a los estudiantes. Feynman
dijo: It
doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you
are. If it doesn't agree with experiment, it's wrong (“No importa cuán hermosa sea tu teoría, no importa
cuán inteligente seas. Si no concuerda con el experimento, está
equivocada”). En cualquier área de las ciencias, la prueba última de la validez
de una teoría es su capacidad para ser respaldada por observaciones y
experimentos empíricos, independientemente de su elegancia o de la reputación
de la persona que la propone. La cita subraya el papel fundamental de la experimentación
para distinguir entre conceptos científicos válidos e inválidos, (¡y para
distinguir entre ciencia y pseudociencia también!).
Y
ahora que soy grande...
Hace casi dos años dirijo el Planetario de la Ciudad
de Buenos Aires Galileo Galilei. Allí, además de gestionar todas las
actividades y su funcionamiento general, doy cursos de astrofísica a niños,
niñas y adolescentes, y lidero junto con un equipo de mujeres con formación
científica, un club de jóvenes interesados en las ciencias espaciales. A ellos,
que están terminando la escuela secundaria y/o comenzando una carrera
universitaria, siempre les cito la frase de Feynman que a mí más me gusta y
conmueve, y que dice así: Fall in
love with some activity, and do it! Nobody ever figures out what life is all about, and
it doesn't matter. Explore the world. Nearly everything is really interesting
if you go into it deeply enough.
(“Enamórate de una actividad ¡y hazla! Nadie descubre realmente de qué se
trata la vida, y no importa. Explora el mundo. Casi todo es realmente
interesante si te sumerges lo suficiente en ello”).
Sin conocer su reflexión en su momento, yo hice eso,
exploré a fondo lo que más me gustaba: la física. Y fue lo mejor que podría
haber hecho en mi vida.
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