lunes, 1 de abril de 2024

Electromagnetismo clásico de la mano de un cuántico - Diego García Martín

Capítulo 20

Electromagnetismo clásico de la mano de un cuántico.
(Por Diego García Martín)






Las “Lectures on Physics” de Richard Feynman han sido y siguen siendo un referente para generaciones de físicos. La claridad y originalidad en la exposición de temas complejos, centradas en que el lector adquiera un entendimiento intuitivo de los fenómenos físicos, son la seña de identidad de este compendio de clases magistrales. Las Lectures versan sobre diversos temas de la física clásica pero también de la física moderna. El primer volumen está dedicado a la mecánica clásica, las ondas y la termodinámica; el segundo al electromagnetismo clásico; y el tercer volumen aborda la mecánica cuántica. Existe también un cuarto volumen, menos conocido y publicado al margen de los anteriores (no englobado dentro de las Lectures como tal en sentido estricto, pero con el mismo estilo y enfoque), dedicado a la ciencia de la computación.  La indudable fama y el carisma de un personaje como Richard Feynman (al menos entre aquellos que nos dedicamos a la Física) han contribuido de manera decisiva a la popularidad de estas Lectures, que han sido utilizadas por innumerables estudiantes. Las Lectures de Feynman no son libros de texto universitarios al uso. No desarrollan la teoría física en cuestión desde un enfoque puramente axiomático sobre el que se construye de manera matemática y rigurosa todo el andamiaje de la Física. Por el contrario, se enfocan en la comprensión de los fenómenos que conforman el mundo físico, en desarrollar la intuición y el entendimiento profundo de los mismos. En definitiva, en comprender y ser capaz de explicar con palabras sencillas la Física, sin necesidad de acudir a rimbombantes ecuaciones o complicados teoremas (obviamente esto no quiere decir que las Lectures estén exentas de ecuaciones matemáticas, al ser éstas inherentes al quehacer de los físicos). Tal vez por este motivo no suelen ser el texto de referencia para los cursos universitarios, sino que más bien son recomendadas por los docentes como material auxiliar. A pesar de ello, creo que su impacto ha sido, y aún lo es hoy en día, enorme. Pocos son los físicos que no han oído hablar de ellas, o no las han tenido entre sus manos en algún momento de su periplo. Me atrevería a decir que los dos primeros volúmenes son probablemente los más leídos, ya que el tercero, dedicado a la mecánica cuántica, presenta ésta desde la formulación de “integrales de camino”, que no es la formulación habitual en los cursos universitarios en los que se proporciona un primer acercamiento a esta fascinante teoría física.

Recuerdo acudir a las Lectures cuando quería comprender qué significaban ciertas ecuaciones, qué querían decir en términos físicos. Y recuerdo encontrar explicaciones satisfactorias en numerosas ocasiones. He de reconocer que el primer volumen no lo leí, y el tercero (y el cuarto) sólo lo ojeé aquí y allá. En cambio, el segundo volumen lo estudié en profundidad. Se convirtió en la principal referencia, casi en un libro de cabecera, cuando me enfrasqué en el estudio del electromagnetismo clásico, allá por el segundo curso de la carrera. Esta materia me interesó especialmente, y dediqué muchas horas a su análisis, disfrutando mucho y llevando a cabo grandes esfuerzos por comprender las sutilezas subyacentes a la electricidad y el magnetismo. Recuerdo también ser el único estudiante en mi clase que se presentó a la primera llamada para examinarse de esta materia.

Fig. 1 Portada del volumen 2 (Edición bilingüe).


Mi interés por la Física y las Matemáticas viene de lejos. Ya en el colegio y en el instituto me gustaban, me entretenían por su capacidad de estimular la mente y plantear retos concretos que había que resolver. La elegancia y la potencia del razonamiento deductivo matemático siempre me han fascinado, y la curiosidad e incluso necesidad de comprender el mundo que nos rodea y nos conforma han guiado de manera natural mi interés por la Física. Preguntas fundamentales como si el espacio es discreto o continuo, si el universo es finito o infinito, qué es el tiempo, o de qué está hecha realmente la materia, han estado presentes en mi mente desde temprana edad. Durante la época del instituto, mi madre, que era profesora de Física y Química, me ayudó mucho a digerir los conceptos que se introducían en clase. Las leyes de Newton, la cinemática, la óptica geométrica, la ley de Hooke, las ondas, la termodinámica… Siempre me daba un repaso completo el día anterior al examen. Gracias a esas clases improvisadas aprendí los conceptos básicos y senté las bases para un posterior estudio de las grandes teorías físicas.

Sin embargo, eso tuvo que esperar un tiempo, ya que después del instituto me metí a estudiar la carrera de Biología. Desde pequeñito siempre había querido dedicarme al mundo de los documentales de naturaleza, así que Biología era la opción natural para mí. Disfruté mucho la carrera e hice muy buenos amigos, pero finalmente no continué el camino para seguir mi vocación de la infancia, sino que decidí estudiar Física. Uno nunca sabe qué habría pasado, pero no me arrepiento en absoluto de esta decisión. No sería capaz de destacar un único motivo que me marcara para estudiar Física, algo como: “el día que fui consciente de la existencia de los agujeros negros, supe que tenía que estudiar Física”. Fue más bien un interés generalizado por la naturaleza del mundo que nos rodea, unido al placer que me proporcionaban los razonamientos matemáticos.

La carrera de Física la estudié en Tenerife, y fue una gran experiencia. Entré en contacto con las dos grandes teorías de la Física moderna, la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Estos dos hitos del pensamiento científico me interesaron enormemente, y las estudié con dedicación. Aprendí y disfruté a partes iguales. Hacia el final de la carrera realicé mi trabajo de fin de grado, que fue una revisión histórica sobre el debate en torno a si la mecánica cuántica es una teoría completa. Este trabajo me llevó a entrar en contacto con las ideas principales sobre los fundamentos de la mecánica cuántica, con preguntas acerca del significado profundo de la realidad que esta teoría nos ofrece. Fue un proceso que me permitió profundizar mi entendimiento de la cuántica, y me hizo darme cuenta de lo mucho que me gustaba. Le estoy muy agradecido a Rafael Sala Mayato, que fue mi director de este trabajo, por introducirme a un tema tan fascinante. Para mí fue una revelación descubrir que podía leer artículos científicos originales de figuras como Einstein o Schrödinger, y entenderlos.

Tras esto regresé a Madrid y estudié un máster de Física teórica. Fue muy exigente, y de nuevo un trabajo, el de fin de máster en este caso, jugó un papel importante en mi trayectoria. En esta ocasión fue Germán Sierra quien me introdujo al mundo de la computación cuántica, campo al que me dedico actualmente como postdoc en Los Alamos National Laboratory. Una vez finalizado el trabajo, comencé el doctorado con Germán. Fue una gran oportunidad. Debido a las dificultades existentes para los doctorandos en España en términos de encontrar financiación, trabajé un año y medio en mi doctorado sin remuneración, pluriempleándome para conseguir ingresos. Fue entonces cuando me llegó una oferta de ésas que no se pueden rechazar. Me fui a Barcelona a continuar mi doctorado con José Ignacio Latorre en el Barcelona Supercomputing Center. Fue una magnífica experiencia. He tenido mucha suerte con mis directores de tesis, lo cual es importantísimo para el desarrollo personal como investigador, y me siento muy agradecido. Actualmente estoy realizando un postdoc en el grupo de Marco Cerezo, aprendiendo y creciendo cada día. Todas las personas que he mencionado anteriormente, junto con otras, han jugado un papel decisivo en la constitución de mi yo científico. Me han enseñado, me han guiado y me han abierto las puertas al maravilloso empeño que es la investigación científica. No podría señalar una sola persona en concreto, todas han sido importantes en este viaje.

Sigo teniendo pendiente estudiar en detalle el volumen tres de las Lectures de Feynman, dedicado a la cuántica, así como el dedicado a la ciencia de la computación (incluyendo la computación cuántica). Acceder a la visión y el conocimiento que tenía sobre los temas que me dedico a investigar uno de los grandes genios del último siglo es un privilegio cuyo disfrute no debería posponer demasiado. No en vano, Feynman fue uno de los pioneros de la computación cuántica, demostrando su perfil visionario. Su originalidad en la forma de tratar los asuntos más complejos, y su perspicacia, hacen de su legado una valiosa fuente de sabiduría, y siento especial curiosidad acerca del contenido del volumen que aborda la mecánica cuántica.

Concluiré este texto relatando un momento “Eureka” en mi vida. El entendimiento del que para mí es el elemento clave de la teoría de la relatividad especial de Einstein. Esto es, el hecho de que el tiempo es una magnitud que sólo existe a nivel local. Es decir, que para dos personas que se mueven una con respecto a la otra el tiempo transcurre de manera diferente, a nivel físico. Uno tiende a pensar en el tiempo como algo global, igual para todos. Esto es, si aquí ha pasado media hora, allí también. Media hora es media hora, vayas montado en un tren que viaja muy rápido o te quedes sentado tomando un café, ¿no? (nótese que estoy hablando del tiempo físico, el medido por las manecillas de un reloj, y no de la percepción subjetiva del mismo). Me llevó mucho tiempo comprender que esto realmente no es así, que el tiempo efectivamente “corre” diferente si vas en tren, lo cual es tremendamente antiintuitivo. Naturalmente, estas diferencias de tiempo son muy pequeñas y completamente impercebtibles para un humano que viaja en tren, pero existen y se pueden medir. Con empeño y dedicación conseguí entender esto, y a su vez eventualmente lo conecté en mi cabeza con el electromagnetismo clásico que había descubierto en las páginas del segundo volumen de las Lectures de Feynman. Porque no es ni más ni menos que la relatividad de Einstein la que describe cómo los efectos eléctricos que experimenta un sistema físico (una persona, por ejemplo) se “transforman” en los efectos magnéticos experimentados por otra persona que se mueve con respecto a la primera. Dando un significado profundo a la interconexión entre electricidad y magnetismo, y aclarando muchas dudas que me habían surgido cuando estaba estudiando la inducción electromagnética. Cerrando un círculo y llevándome de vuelta a las Lectures de Feynman que nos ocupan, a las que está dedicado este pequeño homenaje.

 

 


Diego García Martín.
Doctor en Física Teórica.
Postdoc en Computación Cuántica.
Los Alamos National Laboratory.


Créditos Música:
226 3.18
Ozone 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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