jueves, 4 de abril de 2024

Descubriendo a Feynman un poco tarde - Pilar Sánchez Sánchez-Pastor

Capítulo 51

Descubriendo a Feynman un poco tarde.
(Por Pilar Sánchez Sánchez-Pastor)






Palabras como físico, genio, Nobel, diagramas, bongos resuenan con frecuencia junto al nombre de Richard Feynman. Es bien sabido que era un hombre con unas altas capacidades intelectuales cuyas aportaciones científicas han dejado una huella indeleble en la Física y han marcado la evolución de esta. Ganó el premio Nobel de Física en 1965 junto con Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga por su contribución en la electrodinámica cuántica (QED). Teoría que fusiona los principios de la electrodinámica (teoría que describe los campos eléctricos y magnéticos) con la cuántica (teoría que describe el comportamiento de las partículas subatómicas). La QED proporcionó así una descripción completa y cuantitativa de la interacción entre materia y radiación.

A pesar de su abrumadora complejidad, la QED se alza como la teoría más precisa jamás desarrollada por la humanidad. Esto significa que las predicciones teóricas y las observaciones empíricas se acercan más que en ninguna otra teoría planteada hasta el momento. En el libro Six Easy Pieces, Feynman resalta:

El experimento es el único juez de la verdad científica.

En el contexto de la QED, esta validación se realiza típicamente mediante la comparación de las predicciones teóricas con las observaciones experimentales del momento magnético anómalo del electrón.

Este momento magnético se califica como anómalo porque según la mecánica cuántica de Dirac, la establecida anteriormente a la QED, el momento magnético esperado era ligeramente distinto. Las diferentes interacciones que experimenta una partícula subatómica, en este caso un electrón, contribuyen a su momento magnético desviándolo del valor proveniente del modelo de Dirac. La relación del momento magnético con el momento angular de spin se hace a partir de una constante de proporcionalidad conocida como factor g. Según Dirac, g es igual a dos, según la QED, g es casi 2.

Por lo tanto, la validación experimental de la QED también se puede realizar midiento dicho factor g. Cabe destacar que los experimentos a veces se realizan con muones, siendo estos electrones de mayor masa. El cálculo teórico del momento magnético anómalo, o mismamente del factor g, implica considerar todas las posibles interacciones que estas partículas pueden experimentar, lo que conlleva un arduo y meticuloso trabajo. Aplicando teoría de perturbaciones, podemos descomponer el problema en una serie de términos relativamente sencillos que representan cada una de las posibles interacciones que puede sufrir una partícula. El primer término es una descripción básica y general del problema y los siguientes suponen correcciones a este, cada vez más pequeñas.

El primer término de la serie corresponde al resultado de aplicar la teoría de perturbaciones de orden cero. Este término describe la interacción eléctrica básica entre partículas cargadas, esencialmente reflejando la ley de Coulomb. El segundo término, correspondiente al primer orden de perturbaciones, representa una corrección que surge de los efectos cuánticos. En este nivel, las partículas interactúan a través de partículas mediadoras, las cuales son bosones. Esta corrección aborda fenómenos como la creación y aniquilación de pares partícula-antipartícula. El siguiente término considera la interacción de las partículas mediadoras entre sí. De esta forma, a medida que agregamos más términos, la descripción de las interacciones se vuelve más detallada y se mejora la precisión en el cálculo del factor g o momento magnético anómalo de la partícula en cuestión.

Estos términos pueden expresarse matemáticamente en función de una constante conocida como estructura fina, la cual se observó y definió teoricamente años antes. Experimentalmente, la estructura fina se evidencia en el desdoblamiento de los niveles de energía observados cuando se dispone de una buena resolución experimental. Este desdoblamiento procede del acoplamiento espín-órbita y de correcciones relativistas. Fue observado por primera vez por Albert A. Michelson y Edward W. Morley en 1887. Más adelante, Arnold Sommerfeld definió teóricamente esta constante, la cual es adimensional y tiene un valor aproximado de 1/137.

Para digerir mejor estos conceptos, consideremos la siguiente analogía. Imaginemos que un día haciendo limpieza en casa nos topamos con esos teléfonos móviles antiguos que nos da pena vender o reciclar, pero que ya no utilizamos. Movidos por la nostalgia, encendemos los móviles y nos proponemos jugar con sus cámaras tratando de fotografiar una inocente hormiga que pasea por el mueble. Con el móvil de hace 20 años, la hormiga apenas se distingue, apareciendo como un pequeño manchurrón en la superficie del mueble. Con el móvil de hace 10 años, es probable que podamos percibir que este manchurrón tiene una forma reconocible, con cuerpo y cabeza. Ahora, tomamos la misma fotografía con nuestro teléfono móvil actual, activamos la función macro y seguramente podamos distinguir incluso las patas y antenas de la hormiga. Si optamos por tomar muchas fotografías de la hormiga, podremos observar su movimiento, cómo interactúa con el entorno e incluso con otras hormigas. En resumen, una buena resolución en nuestro experimento nos permite apreciar la intrincada complejidad que conforma a este insecto, su estructura fina.

Volviendo al mundo cuántico, se han llevado a cabo numerosos experimentos a lo largo de la historia con el fin de obtener mediciones precisas del factor g (o análogamente del momento magnético anómalo). Estos experimentos se realizan en aceledarores de partículas de renombre internacional como el Fermilab en Estados Unidos o J-PARC en Japón. Estas mediciones también se pueden realizar con trampas atómicas, como la conocida trampa de Penning, donde se confinan partículas cargadas para su estudio en ambientes controlados y aislados del exterior. En las últimas décadas, la precisión de las medidas ha alcanzado niveles extraordinarios, del orden de 10-12, es decir, 0.000000000001.

Fig. 1 Experimento para medir el factor g del muon en el laboratorio Fermilab (Ilinois, EEUU). Fotographer: Reidar Hahn.


En este contexto, la gran aportación de Feynman fue desarrollar un sistema sencillo, visual y preciso para calcular los términos de la teoría de perturbaciones de la QED; los conocidos diagramas de Feynman. Estos fueron introducidos por primera vez en su artículo «Space-time approach to quantum electrodynamics» en 1949. Si bien su simplicidad y capacidad para representar conceptos complejos de manera visual fueron claves para su éxito, no hay que subestimar la brillantez inherente a estos diagramas. De hecho, es precisamente esta dualidad la que ha propiciado que los diagramas tuvieran un vasto impacto en la física teórica.

La verdadera comprensión de un concepto radica en la capacidad de transmitirlo de manera sencilla y adaptada al interlocutor. Se atribuye a menudo a Einstein una frase que resume esta idea: «No comprendes realmente algo a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela». Aunque no hay evidencia de que Einstein haya pronunciado estas palabras, muchos científicos comparten su perspectiva y han expresado ideas similares. La verdadera comprensión es esencial tanto para la creación como para la transmisión del conocimiento.

Aunque en lo que respecta a la transmisión del conocimiento, ser un excelente divulgador requiere más que habilidades técnicas. Se necesita carisma y una buena conexión con el mundo que nos rodea, características que Feynman poseía en abundancia. Su personalidad carismática, su sentido del humor y su aprecio por los aspectos no científicos de la vida lo hacían excepcionalmente capaz de conectar con su audiencia. Tanto es así que las clases que impartió a estudiantes de Física en Caltech tuvieron tal popularidad que se retransmitieron en la televisión pública de Estados Unidos en varias ocasiones.

Las clases impartidas por Feynman fueron compiladas y publicadas en forma de libro bajo el título The Feynman Lectures on Physics cuyas versiones resumidas son Six Easy Pieces y Six Not-So-Easy Pieces. Six Easy Pieces es una introducción amena a la Física que rebosa de ejemplos, curiosidades y deducciones lógicas. El libro aborda una amplia gama de temas de manera didáctica y explicativa, evitando ecuaciones y desarrollos matemáticos complicados. Esta característica hace que la obra sea accesible a un amplio público y no sólo sea útil a los estudiantes de la carrera. Six Easy Pieces ha alcanzado un estatus de bestseller y se encuentra entre los libros de Física más vendidos de la historia, junto con obras icónicas como «Cosmos» de Carl Sagan y «Breve historia del tiempo» de Stephen Hawking. Lo más sorprendente es que Six Easy Pieces es una transcripción de las clases universitarias de Feynman, y no un libro escrito específicamente con fines de divulgación científica.

Un hecho curioso es que sus clases tenían un público dinámico, lo que en un principio se pensó y diseñó para los estudiantes, estos con el paso del tiempo iban dejando de asistir. Por otro lado, compañeros de departamento y otros investigadores acudían más a las clases. El propio Feynman comenta en el prefacio del libro que las clases estaban pensadas para incentivar el entusiasmo de los estudiantes y que este perdurara en el tiempo. Quería impartir las clases de forma diferente y que los estudiantes salieran con una base sólida de conceptos. Las clases teóricas eran complementadas con clases de problemas y de laboratorio que impartían otros profesores. Pero entonces, ¿por qué a los estudiantes les dejó de interesar?

En mi propia experiencia, los estudiantes de primero de Física se sienten muy abrumados por la cantidad de materia nueva que aprender y, además, aprenderla de una forma muy diferente a la que se viene haciendo en la escuela. Viendo las clases de Feynman, puedo imaginarme la disonancia que había entre las clases teóricas y las de problemas. De hecho, como él mismo comenta, tan sólo un 10% de los estudiantes acababa con un buen entendemiento de la materia, resolvía bien los problemas de los exámenes y trabajaba activamente con el material que se les proporcionaba. Este resultado llevó a Feynman a cuestionarse la utilidad de sus clases, quizá ni a ese pequeño porcentaje, ni al restante, les hacía falta este experimento de enseñanza alternativa.

Sin embargo, es innegable el impacto positivo que las clases de Feynman y su enfoque pedagógico tuvieron en sus oyentes, a pesar de que este impacto no se viera reflejado en el porcentaje de alumnos que obtuvieron calificaciones sobresalientes en la asignatura. Y es que un profesor tiene el poder de influir considerablemente en la vida de sus estudiantes, tanto de manera positiva como negativa. Es probable que muchos de los lectores de estas líneas recuerden experiencias negativas en la escuela debido a profesores que les generaron incluso aversión hacia ciertas asignaturas. Este problema también es común en la universidad, donde un alto porcentaje de profesores carece de vocación por la enseñanza. Esto hace que la dificultad para aprender una asignatura se multiplique por un factor que no me atrevo a cuantificar.

Del mismo modo, en el entorno laboral, una persona que posee cualidades como el carisma, el respeto y la inteligencia es fácil de seguir y puede formar un equipo altamente competente de individuos motivados por alcanzar un objetivo común. Es lo que podemos denominar como un líder. Por otro lado, un jefe, no siempre se gana el respeto de sus empleados, y estos lo siguen sin motivación ni confianza en sus ideas, simplemente porque necesitan un salario a fin de mes. Richard Feynman fue un líder en el verdadero sentido de la palabra. Un claro ejemplo de esto se evidenció en el famoso Proyecto Manhattan, donde su habilidad para innovar, enseñar, y dirigir fue fundamental. Gracias a su excepcional capacidad de razonamiento alternativo e innovación, Feynman encontró su lugar en el mundo académico, trabajando en las mejores universidades de Estados Unidos y consolidando su reputación como uno de los físicos más influyentes de la historia.

Además de los logros científicos de Feynman, es importante recordar que también era una persona común, con sus propios problemas y desafíos de la vida cotidiana. A una edad temprana, Feynman se enamoró profundamente de Arline Greenbaum. Alirne fue diagnosticada de tuberculosis muy joven. Aun así, decidieron formalizar su amor en matrimonio. Durante su tiempo en Los Álamos, donde trabajaba incansablemente en el proyecto Manhattan, Arline se mudó a Albuquerque, una localidad más cercana al recinto, para que pudieran pasar más tiempo juntos los fines de semana. Pero la enfermedad no les dio tregua, y trágicamente falleció en Albuquerque.

Este trágico suceso, combinado con el profundo debate moral que le supuso su participación en el proyecto, tuvo un impacto devastador en Feynman. Durante su proceso de duelo, recibió una oferta de trabajo de la Universidad de Cornell, en Nueva York. Consciente de que la oferta se basaba en su renombrada reputación y en las grandes expectativas que se tenían de él, Feynman experimentó una fuerte presión que llegó a hacerle cuestionar si merecía el puesto. En una entrevista para la BBC, admitió que en esos momentos pensó: No he hecho nada importante y nunca voy a hacerlo.

Sin embargo, también se recordó a sí mismo: Yo solía disfrutar la Física y las Matemáticas, y porque solía jugar con ellas, nunca lo vi como algo muy importante. Así que decidí que iba a hacer cosas sólo por el disfrute de ellas. Feynman encontró una lección valiosa en esta experiencia: la importancia de encontrar un propósito más allá de la presión por el éxito y el reconocimiento externo. Para él, este propósito radicaba en el simple disfrute de hacer ciencia. Esta perspectiva le permitió liberarse de la presión tanto interna como externa y enfocarse en lo que realmente le importaba, el placer intrínseco de la exploración científica y el descubrimiento.

Y es por esto mismo por lo que yo también estudié Física, por el placer de conocer, aprender e investigar. Aunque tengo que admitir que he descubierto a Feynman un poco tarde. Opté por la rama experimental de la carrera y poco me hablaron de él. Sabía lo típico, básicamente los adjetivos que he enumerado al principio del texto. Pero informándome para realizar este escrito es cuando de verdad le he descubierto. En mi opinión, se disfruta mucho viendo las clases que impartió en Caltech y se las recomiendo a todo aquél a quién le interese la Física. Pero también creo que se saca más jugo tanto a las clases como al libro Six Easy Pieces cuando sabes de lo que habla. Creo que, habiendo estudiado la carrera, o estando en ello, es cuando realmente puedes disfrutar de su genuina forma de explicar.

Eso es lo que más me ha maravillado de Feynman, su capacidad para enseñar, divulgar y presentar conceptos complejos de forma sencilla y accesible. Si bien este proceso conlleva una pérdida de rigurosidad de forma inherente, también es cierto que acerca las ciencias a la sociedad. Pero el impacto de saber divulgar va más allá de eso. Presentar de forma entendible nuestro trabajo nos ayuda a conectar con otras personas, ya sea con la audiencia en un congreso, con entrevistadores en un proceso de selección laboral o con los colegas en un bar. Para una reflexión más profunda sobre este tema, recomiendo el capítulo «Feynman y la tensión entre la rigurosidad y la pedagogía» de Tomás Sánchez.

Para terminar, me gustaría admitir que tengo sentimientos encontrados al leer (y escribir) este tipo de textos sobre los grandes científicos de la historia. Aquí resaltamos y ensalzamos las aptitudes del científico en cuestión y puede parecer que sólo los genios pueden estudiar Física, pueden hacer ciencia y pueden realmente hacer contribuciones a esta. Pero esto no es cierto. Tampoco creo que todo el mundo pueda dedicarse a este negocio. Sin embargo, es importante remarcar que la ciencia se construye gracias a la colaboración de muchas personas con diferentes aptitudes.

Sin ir más lejos, en el proyecto Manhattan, el cual hemos mencionado antes, es innegable la importancia de los físicos más brillantes que participaron en él. Sin embargo, sería injusto no reconocer la contribución de cientos de personas que también desempeñaron roles fundamentales. Desde los conocidos como ordenadores humanos, en su mayoría mujeres, hasta los ingenieros que montaron la bomba en sí. Sin olvidar a los informáticos que desarrollaron los primeros ordenadores. Esta lista apenas rasca la superficie de las numerosas contribuciones que hicieron posible el éxito del proyecto.

Este fenómeno no es exclusivo del pasado; de hecho, se observa con frecuencia en la ciencia contemporánea. El director de un centro de investigación o el jefe de un departamento son las figuras más visibles, pero son los técnicos, estudiantes de doctorado y postdoctorados quienes llevan a cabo la mayor parte del trabajo científico. Aun así, su contribución es menos reconocida y suelen enfrentarse a condiciones laborales precarias.

Y acabo resaltando una idea. A menudo nos centramos únicamente en los logros académicos de una persona, pero es importante reconocer que la capacidad para liderar y trabajar en equipo también es fundamental. En el mundo científico, la brillantez individual es indudablemente valiosa, pero la habilidad para comunicar y transmitir ese conocimiento es igualmente crucial. Sin las aptitudes necesarias para compartir y difundir un trabajo, las contribuciones pueden quedar perdidas entre los miles de artículos científicos que se publican al año. Me pregunto si Feynman hubiera alcanzado el mismo nivel de éxito si hubiera carecido de empatía y habilidades sociales. Quizá sus famosos diagramas hubieran caído en el olvido. O quizá sólo los físicos teóricos sabrían de su existencia. Tal vez ni yo estaría escribiendo ahora sobre Richard Feynman, ni tú leyendo sobre él. No sé, ¿Tú qué opinas?




Pilar Sánchez Sánchez-Pastor.
Doctora en Ciencias de la Tierra.
Geociencias Barcelona (GEO3BCN), CSIC.


Créditos Música:
261 2.06
Warm Memories - Emotional Inspiring Piano by Keys of Moon | https://soundcloud.com/keysofmoon
Creative Commons / Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/


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