domingo, 31 de marzo de 2024

Cuando sea grande quiero ser como Feynman - Estefanía Coluccio Leskow

Capítulo 09

Cuando sea grande quiero ser como Feynman.
(Por Estefanía Coluccio Leskow)






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.




Notas:
2 En teoría cuántica de campos se distingue entre partículas “reales” y “virtuales”. A diferencia de las partículas reales, que siguen la relación energía-momento-masa de Einstein, las partículas virtuales solo pueden manifestarse entre dos vértices en un diagrama y nunca pueden ser observadas experimentalmente. Principalmente se emplean como herramientas de cálculo.



Estefanía Coluccio Leskow.
Doctora en Ciencias Físicas.
Gerente Operativa del Planetario Galileo Galilei de la Ciudad de Buenos Aires.


Créditos Música:
102 2.00
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