miércoles, 12 de agosto de 2009

CONTENIDO

PRESENTACIÓN
DESCRIPCIÓN
OBJETIVO
ACTIVIDADES DE AUTOAPRENDIZAJE

LECCIÓN 1.0 INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA
UNIDAD 1.1 HISTORIA DE LA FÍSICA
UNIDAD 1.2 HITOS EN LA HISTORIA DE LA FÍSICA MODERNA
UNIDAD 1.3 RAMAS DE LA FÍSICA
UNIDAD 1.4 APLICACIONES DE LA FÍSICA HOY

LECCIÓN 2.0 HERRAMIENTAS DE LA FÍSICA
UNIDAD 2.1 MÉTODO CIENTÍFICO
UNIDAD 2.2 CANTIDADES ESCALARES Y VECTORIALES
UNIDAD 2.3 NOTACIÓN CIENTÍFICA

LECCIÓN 3.0 MEDICIÓN
UNIDAD 3.1 SISTEMA DE MEDICIÓN
UNIDAD 3.2 FACTORES DE CONVERSIÓN

LECCIÓN 4.0 MOVIMIENTO
UNIDAD 4.1 PRIMERA LEY DE NEWTON
UNIDAD 4.2 SEGUNDA LEY DE NEWTON
UNIDAD 4.3 TERCERA LEY DE NEWTON
UNIDAD 4.4 QUÉ ES FUERZA CENTRIFUGA
UNIDAD 4.5 QUÉ ES FUERZA CENTRÍPETA

LECCIÓN 5.0 TRABAJO Y ENERGÍA
BIBLIOGRAFÍA

PRESENTACIÓN

Estimado Participante:

Bienvenido a este blog que no es más que una compilación de temas y recursos de implementación del curso virtual de Introducción a la Física, en el que se te brindan herramientas útiles para el estudio de la física, vídeos tutoriales y demostrativos, enlace a laboratorio virtual y, por supuesto, teoría y práctica sobre la historia de la física, cómo estudiar física y con qué herramientas.
También encontrarás los principales temas de la mecánica newtoniana.
Nos proponemos que el aprendizaje te resulte entretenido y lo más cercano a lo que sería un curso presencial, en cuanto a que tengas acceso tanto a la teoría como a la práctica.
Esperamos que el estudio contribuya a tu formación integral, te represente retos motivadores y te prepare para cursos posteriores en esta disciplina.

DESCRIPCIÓN DEL CURSO

Este curso se ofrece a los estudiantes del Nivel Superior que quieran ingresar a las carreras de Ciencias o Ingeniería, con el objetivo de actualizar y complementar los conocimientos adquiridos en las asignaturas precedentes de Física que no contienen los avances logrados en esta rama de la ciencia en el actual siglo; por ello, este curso contempla contenidos de física,tales como:

Fuerzas en el plano y en el espacio, Cantidades Escalares y Vectoriales, el cual establecen los límites de validez de la mecánica de Newton, a la vez que permitió el desarrollo de otras ramas de lafísica y de la propia mecánica para los estudios de Trabajo y Energía; así mismo, contiene los cambiosintroducidos en los modelos físicos de algunas teorías del pasado siglo, como es el la integación de nuevos Sistemas de Medidas.

El curso hace uso de las matemáticas; como herramienta importante.

El curso incluye Laboratorio Virtual, orientado al aprendizaje de metodología de trabajo experimental y tratamiento de datos mediante la realización de un conjunto de prácticas sencillas que complementan aspectos fenomenológicos fundamentales en Mecánica.

OBJETIVOS

OBJETIVOS DEL CURSO DE INTRODUCCIÓN A LA FISICA.

Presentar al estudiante los conceptos elementales de los vectores, equilibrantes de un sistema de vectores, Leyes de Newton y de Trabajo y Energía, de manera que:

a) Amplíe la visión del mundo que adquirió en las asignaturas de física precedentes.

b) Permita resolver problemas de Equilibrio, Conversiones y describir conceptualmente aspectos

cualitativos y Cuantitativos de factores de Conversión.

ACTIVIDADES DE AUTOAPRENDIZAJE

Se incluyen las herramientas virtuales que precisas para realizar con éxito estas actividades.

Objetivo 1: Dar significación propia a los conceptos de inercia, proporcionalidad y acción-reacción.

Actividad 1: Realizar experimentos de aplicación de los conceptos de inercia, proporcionalidad y acción-reacción en el laboratorio virtual de física.

Presentar informe de resultados según formato sugerido en el mismo software. (Se incluye el software como recurso en el mapa conceptual) (20%)

Esta es la dirección del laboaratorio de http://www.unalmed.edu.co/~daristiz/virtual/laboratoriovirtual.htm

Objetivo 2: Aplicar a situaciones de la vida real los conceptos implicados en las leyes de Newton.

Actividad 2: Resolver problemas de aplicación de las leyes de Newton mediante vídeos tutoriales que se le suministran como recursos en el mapa conceptual. (15%)

Objetivo 3: Utilizar el método científico como herramienta para el estudio de la física.

Actividad 3: Ver los tutoriales en la unidad correspondiente de este blog sobre pasos y aplicación del método científico y proponer mecanismos de solución para los casos planteados en el foro (en www.udecartagovirtual.com) usando lo aprendido. (15%)

Objetivo 4: Identificar el campo de estudio de las principales ramas de la física.

Actividad 4: Crear un mapa conceptual en línea, mediante la herramienta CmapTools en donde se presenten las principales ramas de la física y sus campos de estudio. Agregar un mínimo de cinco recursos enriquecedores, tales como: vídeos, presentaciones power point, imágenes y otros. (15%)

Objetivo 5: Realizar conversiones de unidades de medida entre sistemas.

Actividad 5: Resuelva los problemas de interconversiones de unidades propuestos en la unidad No. 3 mediante el apoyo de la teoría y tutoriales proporcionados en el blog. (15%)

Examen Final: (20%)

LECCIÓN 1.O INTRODUCCIÓN A LA FISICA

Los adelantos de la ciencia han provocado muchos cambios en el mundo. Por ejemplo, desde Aristóteles en el 350 AC y hasta hace 500 años se creía que laTierra era plana y que estaba en el centro del universo, hace 70 años no se conocía la televisión, los aviones jet ni la forma de prevenir las picaduras dentales, hace pocos años se descubrió la clonación de seres vivos, recientemente se descifró el código del genoma humano. El ser humano ha estado sobre la Tierra desde hace 100 mil años y desde entonces ha empezado a hacer ciencia. Por ejemplo en el comienzo se descubrieron las primeras regularidades y relaciones en la naturaleza.

Una de las regularidades era la forma de los patrones de las estrellas que aparecían en el cielo nocturno. Otra evidente era el ciclo del clima a lo largo del año, distinguiéndose claramente el comienzo de la temporada de lluvias o la de calor. La gente aprendió a usar estos ciclos para hacer predicciones y surgieron los primeros pronósticos del tiempo.

De este modo fueron aprendiendo más y más acerca del comportamiento de la naturaleza. Todos estos conocimientos forman parte de la ciencia, pero la parte principal esta formada por los métodos que se usan para adquirir esos conocimientos. La ciencia es una actividad humana, formada por un conjunto de conocimientos.

La ciencia es el equivalente contemporáneo de lo que se llamaba filosofía natural. La filosofía natural era el estudio de las preguntas acerca de la naturaleza que aún no tenían respuesta. A medida que se iban encontrando esas respuestas, pasaban a formar parte de lo que hoy llamamos ciencia. La ciencia hizo sus mayores progresos en el siglo XVI, cuando se descubrió que era posible describir la naturaleza por medio de las matemáticas.

Cuando se expresanlas ideas de la ciencia en términos matemáticos no hay ambigüedad, es mas fácil verificarlos o refutarlos por medio del experimento. La ciencia contemporánea se divide en el estudio de los seres vivos y en el estudio de los objetos sin vida, es decir, en ciencias de la vida y en ciencias físicas. Las ciencias de la vida se dividen en áreas como la biología, zoología y la botánica. Las ciencias físicas se dividen en áreas como la física, geología, astronomía y química.

La física es mas que una rama de las ciencias físicas: es la más fundamental de las ciencias. Estudia la naturaleza de realidades básicas como el movimiento, las fuerzas, energía, materia, calor, sonido, luz y el interior de los átomos. La química estudia la manera en que esta integrada la materia, la manera en que los átomos se combinan para formar moléculas y la manera en que las moléculas se combinan para formar los diversos tipos de materia que nos rodea.

La biología es aún mas compleja, pues trata de la materia viva. Así, tras la biología esta la química y tras la química esta la física. Las ideas de la física se extienden a estas ciencias mas complicadas, por eso la física es la mas fundamental de las ciencias. Podemos entender mejor la ciencia en general si antes entendemos algo de física ¡es lo que vamos a prender en este curso!

El entender la naturaleza se busca por diferentes formas: la ciencia, el arte, la religión, cuyas orígenes datan de miles de años. Estas formas son distintas, pero sus dominios se traslapan. La ciencia investiga los fenómenos naturales y el arte es la creación de los objetos o eventos que estimulan los sentidos, pero ambas son comparables debido a que son esfuerzos que muestran como son las cosas y cuales son posibles. Por otra parte, los objetivos de la ciencia y la religión son diferentes, ya que esta última se ocupa del propósito de la naturaleza.

Las creencias y ceremonias religiosas generan convivencia humana, sin ocuparse directamente de los métodos de la ciencia. En este sentido son diferentes, como las manzanas con las peras, pero no se contradicen, son complementarias, de manera que no es necesario elegir entre ambas, se pueden adoptar ambas, entendiendo que tratan aspectos distintos de la experiencia humana. Una persona realmente culta posee conocimientos tanto de la religión, como del arte y de la ciencia.

En este capítulo se da una breve explicación de algunas definiciones de conceptos usados en el curso. Se hace una descripción de los sistemas de unidades de medida, de las magnitudes físicas fundamentales y derivadas, se definen los múltiplos, submúltiplos y los prefijos. Se hace notar la necesidad de expresar los valores numéricos de las magnitudes en ciencias en notación científica, se explica como expresar los valores numéricos dando sólo su orden de magnitud o haciendo una estimación de su valor. Se dan reglas de análisis dimensional, lo que proporciona un método para determinar la forma funcional de las leyes físicas y permite verificar si está bien planteada. Se definen los sistemas de referencias y de coordenadas y finalmente se hace un breve repaso del álgebra vectorial y se presentan algunos ejemplos básicos.

Este es nuestro planeta, al que le estamos dando un muy mal trato, con todos los desperdicios y contaminantes que estamos arrojando a los ríos, lagos, océanos, tierra y atmósfera. No olvidemos que los recursos de nuestra Tierra son finitos y no renovables, por lo que a nosotros nos corresponde cuidar estos recursos, para dejarlos de la mejor forma a las futuras generaciones, que también querrán vivir en un ambiente limpio.

Las mediciones ya indican que la humanidad está consumiendo los recursos de la Tierra mas rápidamente de lo que esta es capaz de renovarlos, por lo que es clara la tendencia a que los recursos naturales se agoten. Lo peor de todo es que la distribución de los recursos no es equitativa, ya que una minoría de empresas y países mas ricos se enriquecen mas y la mayor parte de la población mundial se empobrece mas, incluyendo un importante porcentaje de la población que nada tiene. Lo más que podemos hacer nosotros como profesionales y habitantes de la Tierra, es crear conciencia para no seguir dañando nuestro ambiente, que nos permite la vida.

UNIDAD 1.1 HISTORIA DE LA FÍSICA

ÉPOCA DEL ESCLAVISMO: Se conoce que la mayoría de civilizaciones de la antigüedad trataron desde un principio de explicar el funcionamiento de su entorno, miraban las estrellas y pensaban como ellas podían regir su mundo. Ésto llevo a muchas interpretaciones de carácter mas filosófico que físico, no en vano en esos momentos la física se la llamaba filosofía natural. Muchos filósofos se encuentran en el desarrollo primigenio de la física, como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito, por ser los primeros en tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que los rodeaban.

¿De qué estamos hechos? Dame fuego (y aire y tierra y agua): la visión griega.
A pesar de que las teorías descriptivas del universo que dejaron estos pensadores eran erradas, éstas tuvieron validez por mucho tiempo, casi dos mil años, en parte por la aceptación de la iglesia católica de varios de sus preceptos como la teoría geocéntrica o las tesis de Aristóteles.
Aristóteles: fuerza para el movimiento.

ÉPOCA DEL FEUDALISMO: Esta etapa denominada oscurantismo en la ciencia termina cuando Nicolás Copérnico, considerado padre de la astronomía moderna, en 1543 recibe la primera copia de su De Revolutionibus Orbium Coelestium. A pesar de que Copérnico fue el primero en formular teorías plausibles, es otro personaje al cual se le considera el padre de la física como la conocemos ahora. Un catedrático de matemáticas de la Universidad de Pisa a finales del siglo XVI cambiaría la historia de la ciencia empleando por primera vez experimentos para comprobar sus aseveraciones, Galileo Galilei. Con la invención del telescopio y sus trabajos en planos inclinados, Galileo empleó por primera vez el método científico y llegó a conclusiones capaces de ser verificadas. A sus trabajos se le unieron grandes contribuciones por parte de otros científicos como Johannes Kepler, Blaise Pascal, Christian Huygens.

Galileo:relatividad,inerciaymétodocientífico. Posteriormente, en el siglo XVII, un científico inglés reúne las ideas de Galileo y Kepler en un solo trabajo, unifica las ideas del movimiento celeste y las de los movimientos en la tierra en lo que el llamó gravedad. En 1687, Sir Isaac Newton en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica formuló los tres principios del movimiento y una cuarta Ley de la gravitación universal que transformaron por completo el mundo físico, todos los fenómenos podían ser vistos de una manera mecánica. Parados sobre hombros de gigantes
El nacimiento de la física clásica La obra de Newton Los principia La manzana y la luna (o cómo caerse sin perder altura) La física determinista.

ÉPOCA DEL CAPITALISMO: El trabajo de Newton en el campo, perdura hasta la actualidad; todos los fenómenos macroscópicos pueden ser descritos de acuerdo a sus tres leyes. De ahí que durante el resto de ese siglo y el posterior siglo XVIII, todas las investigaciones se basaron en sus ideas. De ahí que otras disciplinas se desarrollaron, como la termodinámica, la óptica, la mecánica de fluidos y la mecánica estadística. Los conocidos trabajos de Daniel Bernoulli, Robert Boyle, Robert Hooke entre otros, pertenecen a esta época. Es en el siglo XIX donde se producen avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo principalmente de la mano de Charles-Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday y Georg Simon Ohm, que culminaron en el trabajo de James Clerk Maxwell de 1855 que logró la unificación de ambas ramas en el llamado electromagnetismo. Además, se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad y el descubrimiento del electrón por parte de Joseph John Thomson en 1897.

Una historia de unificaciones: el electromagnetismo Los precursores La primera señal: el experimento de Oersted La primera unificación La segunda unificación: la óptica también se rinde. Toda la física clásica en media página. Durante el Siglo XX, la Física se desarrolló plenamente. En 1904 se propuso el primer modelo del átomo. En 1905, Einstein formuló la Teoría de la Relatividad especial, la cual coincide con las Leyes de Newton cuando los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. En 1915 extendió la Teoría de la Relatividad especial, formulando la Teoría de la Relatividad general, la cual sustituye a la Ley de gravitación de Newton y la comprende en los casos de masas pequeñas.

Adiós a la física clásica I: La teoría de la relatividad M&M (Michelson y Morley) Los postulados de la relatividad especial Midiendo longitudes y tiempos: paradojas relativistas Masa y energía son equivalentes: E = m x c2 La Relatividad General y la expansión del universo.
Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros, desarrollaron la Teoría cuántica, a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos. En 1911, Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente, a partir de experiencias de dispersión de partículas. En 1925 Werner Heisenberg, y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac, formularon la Mecánica cuántica, la cual comprende las teorías cuánticas precedentes y suministra las herramientas teóricas para la Física de la materia condensada.

Adiós a la física clásica II: La mecánica cuántica Planck y la radiación de cuerpo negro El átomo de Bohr La luz y la materia: ¿ondas o partículas? Heisenberg, Schrödinger, Dirac, nace la mecánica cuántica ¡Incerteza: sólo sé que sólo sé calcular probabilidades! Einstein juega a los dados (Einstein vs. la mecánica cuántica) La unificación de dos teorías revolucionarias: la cuántica y la relativista.

Posteriormente se formuló la Teoría cuántica de campos, para extender la mecánica cuántica de manera consistente con la Teoría de la Relatividad especial, alcanzando su forma moderna a finales de los 40, gracias al trabajo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga y Freeman Dyson, quienes formularon la teoría de la electrodinámica cuántica. Asimismo, esta teoría suministró las bases para el desarrollo de la física de partículas. En 1954, Chen Ning Yang y Robert Mills desarrollaron las bases del modelo estándar. Este modelo se completó en los años 1970, y con él fue posible predecir las propiedades de partículas no observadas previamente, pero que fueron descubiertas sucesivamente, siendo la última de ellas el quark top.

Las partículas elementales de la materia Protones y neutrones, Energía nuclear, Esas raras partículas elementales, Quarks y leptones... Los intentos de unificar las cuatro interacciones fundamentales ha llevado a los físicos a nuevos campos impensables. Las dos teorías más aceptadas, la mecánica cuántica y la relatividad general, que son capaces de describir con gran exactitud el macro y el micromundo, parecen incompatibles cuando se las quiere ver desde un mismo punto de vista. Es por eso que nuevas teorías han visto la luz, como la supergravedad o la teoría de cuerdas, que es donde se centran las investigaciones a inicios del siglo XXI.
Y todo estaba hecho de átomos ¡Estamos hechos de nada!.

UNIDAD 1.2 HITOS EN LA HISTORIA DE LA FÍSICA MODERNA

1887 Albert Michelson y Edward Morley, usando un interferómetro, fallan en detectar el Eter.

1896 Henri Becquerel descubre la radioactividad natural.

1900 Max Planck introduce la teoría cuántica para explicar la radiación termal.

1905 Albert Einstein publica su famoso artículo sobre la teoría de la relatividad.

1905 Albert Einstein introduce el concepto de fotón para explicar el efecto fotoeléctrico.

1911 Heike Kamerlingh-Onnes descubre la superconductividad.

1911 Ernest Rutherford propone el núcleo atómico, basado en experimentos

de Hans Geiger y Ernest Marsden.

1913 Neils Bohr introduce la teoría de la estructura atómica.

Los cambios actuales.

1913 William H. Bragg and William L. Bragg (Padre e Hijo) estudianla difracción de rayos X por cristales.

1914 James Franck and Gustav Hertz muestran evidencia de energías cuantizadas en los átomos.

1914 Henry J. Moseley encuentran relación entre frecuencias de rayos X y número atómico.

1915 Albert Einstein propone la teoría general de la relatividad.

1916 Robert Millikan ejecuta cuidadosas medidas del efecto fotoeléctrico y confi

rma la teoría de los fotones de Einstein.

1919 Sir Arthur Eddington y otro astrónomo Británico miden efectos gravitacionales sobre la defl

ección de luz de las estrellas confi

rmando las predicciones de la teoría general de la relatividad de Einstein.

1921 Otto Stern y Walter Gerlach demuestran la cuantización espacial y muestran la necesidad de introducir el momento magnético intrínseco del electrón.

1923 Arthur Compton demuestran cambios en la longitud de onda de los rayos X en el scattering por electrones.

1924 Prince Louis de Broglie postula la conducta ondulatoria de las partículas.

1925 Wolfgang Pauli propone el principio de exclusión.

1925 Samuel Goudsmita y George Uhlenbeck introducen el concepto de momento angular intrínseco.

1926 Max Born establece la interpretación estadística de la función de onda de Schrödinger.

1927 Werner Heisenberg introduce el principio de incerteza.

1927 Clinton Davisson t Lester Germer demuestran la conducta ondulatoria de los electrones; George P. Thomson independientemente hace lo mismo.

Desarrollo del método científi

co.

1928 Paul A.M. Dirac propone la teoría relativística cuántica.

1929 Edwin Hubble reporta evidencia de la expansión del Universo.

1931 Carl Anderson descubre la antipartícula del electrón, el positrón.

1931 Wolfgang Pauli sugiere la existencia de una partícula neutra, el neutrino, emitido en el decaimiento beta.

1932 James Chadwick descubre el neutrón.

1932 John Cockroft y Ernest walton producen la primera reacción nuclear usando un acelerador de alto voltaje.

1934 Irène y Frédéric Joliot-Curie descubren radioactividad inducida artifi

cialmente.

1935 Hideki Yukawa propone la existencia de los mesones.

1938 Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner y Otto Frisch descubren la fi

sión nuclear.

1940 Edwin McMillan, Glenn Seaborg y colegas producen los primeros elementos sintéticos transuránicos.

1942 Enrico Fermi y colegas construyen el primer reactor de fi

sión nuclear.

1945 Explosión de la primera bomba atómica de fi

sión en el desierto de Nuevo México.

1946 George Gamow proponen el big-bang cosmológico.

1948 John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley muestran primer transistor.

1952 Explosión de la primera bomba de fusión nuclear en el atolón Eniwetok.

1956 Frederick Reines y Clyde Cowan presentan evidencia experimental sobre la existencia del neutrino.

Los cambios actuales.

1956 Lee Tsung-dao y Yang Chen-ying sugieren pérdida de simetría de paridad en el decaimiento beta.

1958 Rudolf L. Mössbauer demuestra emisión sin retroceso de rayos gama.

1960 Theodore Maiman construye el primer láser de ruby; Ali Javan construye el primer láser de helio-neón.

1964 Allan R. Sandage descubre el primer quasar.

1964 Murray Gell-Mann y George Zweig independientemente introducen el modelo de tres quarqs de las partículas elementales.

1965 Arno Penzias y Robert Wilson descubren la radiación de fondo de micro ondas.

1967 Jocelyn Bell y Anthony Hewish descubren el primer pulsar.

1967 Steven Weinberg y Abdus Salam proponen independientemente una teoría unifi

cada incluyendo las interacciones débiles y electromagnéticas.

1974 Burton Richter y Samuel Ting y colaboradores descubren independientemente evidencia de un cuarto quarq, llamado charm.

1974 Joseph Taylor y Russel Hulse descubren el primer pulsar binario.

1977 Leon Lederman y colegas descubren una nueva partícula que es evidencia de un quinto quarq, llamado bottom.

1981 Gerd Binnig y Heinrich Rohrer inventan el microscopio de efecto túnel.

1983 Carlo Rubbia y colaboradores en el CERN descubren las partículas

W , W+ y Z0

.

1986 J. Georg Bednorz y Karl Alex Müller producen el primer superconductor de alta temperatura.

1994 Investigators en el Fermilab descubren evidencia de un sexto quarq, llamado top.

UNIDAD 1.3 RAMAS DE LA FÍSICA

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UNIDAD 1.4 APLICACIONES DE LA FÍSICA HOY

La física actual tiene un sinfín de aplicaciones de las que quizá ni siquiera hayas oído hablar.
¿Quieres que te las expliquemos?

Descubre las últimas aplicaciones de la física de partículas elementales, la fotónica, la astrofísica, la nanotecnología y sus relaciones con el mundo del arte, la medicina y la protección medioambiental.

¿Cuál es la relación entre Física y Medioambiente?


Chimenea de una Central Térmica


Vamos a ver: la presencia de la Física en el medioambiente y en las técnicas de control y medición de contaminantes se centra en tres áreas: el Sol, la Atmósfera, alta y baja (estratósfera y tropósfera), y la Tierra.
Si consideramos la Atmósfera, nos adentramos en la Física de Fluidos. ¿Porqué?. Pues por que si hablamos de la contaminación atmosférica, esta se desplaza según la Dinámica de la propia Atmósfera.

 Hundimiento del Prestige


Un ejemplo lo tenemos en la catástrofe de Chernobil, que sucede en Rusia pero que a los pocos días se detecta en Escocia, como consecuencia de un movimiento de masas de aire. De modo que conocer la Dinámica de la baja atmósfera, aquella que va desde el suelo hasta los 10.000 m. de altura, es fundamental para entender y predecir accidentes en nuestro medioambiente.
Pero es que además, la contaminación atmosférica está "globalizada": puede existir un crecimiento del agujero de Ozono localizado en el centro de Europa (en el Hemisferio Sur es donde este fenómeno se manifiesta de manera más contundente) que, en pocas semanas, se desplace hasta el hemisferio Sur. Y para conocer la Mecánica de Fluidos tienes que conocer, a su vez, las bases fundamentales de la Física: las leyes de la Mecánica; de la Conservación de la Cantidad de movimiento, Momento angular, de la Energía así como otros procesos físicos como la propagación de Ondas sonoras y electromagnéticas, etc., etc.
Otro ejemplo: caso Prestige. Para conocer los desplazamientos de las corrientes marinas, que determinarán el desplazamiento a su vez de las manchas de petróleo, se emplean métodos físicos, de los que hablaremos después.

Dimensiones del agujero de la capa de ozono

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Si, la contaminación en el mar o en la atmósfera pertenece a la Física Troposférica. Pero si miramos la Estratósfera, nos encontramos con la capa de Ozono que, como sabéis, es un absorbente de la radiación ultravioleta. En este caso entonces estamos hablando de radiaciones electromagnéticas, del conocimiento de las ondas electromagnéticas, que representan el movimiento de los campos eléctricos y magnéticos.
De manera que, para conocer el daño que se está produciendo en la Capa de Ozono, usamos una gran variedad de procesos físicos: absorción, intensidad de la radiación, espectro electromagnético, etc. De nuevo, Física. Un problema más global: el calentamiento de la Tierra y por tanto el cambio climático. Ahí la Física está tan implicada que vale la pena hacer un poco de historia sobre las personas que, en su momento, señalaron el camino: En 1827, el matemático francés Fourier, observa, por primera vez, que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el “calor atmosférico”. Este fenómeno es similar al que él mismo ha visto en los invernaderos y por ello crea el termino "effet de serre". Desde entonces, el "efecto invernadero" ha sido el nombre utilizado para designar este fenómeno.
Tyndall, físico irlandés de finales del XIX, destacado por sus investigaciones sobre la dispersión de la luz a través de las suspensiones coloidales y de sus estudios sobre el deshielo, profundiza en el estudio del clima y observa que gases como el CO2 presentes en la atmósfera absorben la radiación infrarroja, que es aquella que emite la Tierra, y por tanto pueden afectar al equilibrio térmico de nuestro Planeta. Y el tercero, el que realmente organiza toda la teoría del efecto invernadero y del calentamiento planetario, es el Premio Nobel de 1903, el sueco Arrhenius, un físico que trabaja en electroquímica. De manera que fíjate si la Física tiene presencia en el conocimiento del medioambiente.

¿Cuál es la relación entre Arte y Física?

Secuencia de análisis arqueométrico de una obra pictórica

Desde que en 1827 el matemático francés Fourier observó (se supone que tijeras de podar en mano) que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el "calor atmosférico" dentro de los invernaderos o más tarde, el Premio Nobel de 1903, el físico sueco Arrhenius, construye la teoría general del efecto invernadero y del calentamiento planetario, la Física y el Medioambiente iniciaron, como pareja de hecho, una fructífera colaboración que dura hasta nuestros días.

Física y Arte que no el "arte de la física". En la actualidad es impensable imaginar un gran museo o un departamento de arqueología que no reclame periodicamente los servicios de físicos para tareas de datación, estudio y conservación de obras de arte. Las más sofisticadas tecnologías: aceleradores, fluorescencias con Rayos X, etc. al servicio de nuestro patrimonio artístico. Si Leonardo da Vinci levantara la cabeza....


"El arte, como toda manifestación humana que despierta en nosotros determinadas sensaciones, es demasiado general para asociarlo a la Física... "
En realidad, al relacionar la Física con el Arte, se habla de los métodos físicos para estudiar o caracterizar determinados soportes físicos vinculados al arte. El arte, como toda manifestación humana que despierta en nosotros determinadas sensaciones, es demasiado general para asociarlo a la Física... Sin embargo, no creas que no es posible vincular física y poesía: pensemos en unos versos impresos en un papel de un poeta antiguo. Por medios físicos podemos estudiar las características de la tinta, o del propio papel, de donde extraeremos información valiosa que después, expertos en arte, interpretarán para autentificar la obra, para estudiar técnicas y métodos empleados en la elaboración de la obra de arte, etc.

Imagino que habrá tipo de obras, o soportes como lo denomináis vosotros, más frecuentes que otros... Por citarte un ejemplo, se estudian con frecuencia objetos de bronce. Es decir, la aleación de cobre y estaño suele dar un montón de pistas relativas a la obra, la época, incluso la geografía. En esa aleación (el bronce), el elemento más importante es el estaño y a través del estudio de este material se puede deducir si había o no minas cercanas (con lo cual se situaría geográficamente la obra en una determinada zona), podemos saber si la extracción era difícil, lo cual se reflejaría en ahorro del material lo que sería causa de unas determinadas proporciones en la aleación, etc.

Son técnicas importantes para la detección de falsificaciones... Desde luego. En la pintura, por ejemplo, si estudiamos determinados pigmentos y los materiales de base que lo forman, esta información traducida por el experto en arte, situará la obra en una época determinada. Supongamos un cuadro atribuido a un determinado artista del Renacimiento y al analizarlo presenta materiales que sabemos no se usaban en aquella época. Estaremos, entonces, con bastante probabilidad, ante un caso de falsificación...

Es decir, que vuestro trabajo es eminentemente técnico, que no entráis en valoraciones artísticas... En efecto: el especialista en las técnicas analíticas aplicadas al arte colabora con el experto en arte o con el arqueólogo. La colaboración entre ambos especialistas es esencial.

Estas técnicas se utilizan, principalmente, para autenticar, es decir, aclarar si una obra pertenece o no a un determinado artista o época y para la datación o situación en el tiempo...

Autenticación-datación......Depende de las técnicas utilizadas. Hay técnicas específicas para la datación, como la termoluminiscencia o el carbono 14 (para las obras con presencia de carbono). Las técnicas para autenticar o descubrir procedencias, investigan la composición esencial de los materiales utilizados en la obra, como la composición isotópica. En el caso del plomo, la composición de isótopos, puede orientar sobre el lugar de extracción, y hay grupos que realizan este tipo de investigaciones. Quizá teníamos que haber empezado por el concepto de Arqueometría... "... la Arqueometría es el uso de cualquier técnica de análisis aplicada a una obra de arte u objeto arqueológico".

Bien, la Arqueometría es el uso de cualquier técnica de análisis aplicada a una obra de arte u objeto arqueológico. Dentro de ese amplio espectro de técnicas, yo destacaría los análisis con haces de iones. Para nosotros tienen el interés de que su aplicación en España es reciente. Son técnicas de análisis de la composición elemental de los materiales, es decir, qué tipos de átomos componen la muestra y en qué proporción. Destacaría especialmente una denominada PIXE (Particle Induced X-ray Emission), rayos X excitados por partículas, técnica cuyo fundamento físico es el mismo que la fluorescencia con rayos X o que EDAX (esta última consiste en analizar los rayos X producidos al bombardear la muestra con electrones en un microscopio electrónico de barrido (SEM)). La técnica PIXE es muy sensible para buscar elementos "traza".
¿Qué son los elementos traza?

Esculta de la diosa mesopotámica Ishtar.

Son elementos que existen en concentración muy baja en el material y que pueden resultar útiles para determinar su procedencia o alguna propiedad característica, podríamos decir que son las huellas dactilares del material. Dentro del campo del Arte, en el museo Louvre hay un acelerador de iones dedicado exclusivamente a analizar obras de arte. Por citar un ejemplo entre miles, hace algún tiempo hicieron el estudio de una estatuilla, una diosa Parta (creo que es la diosa Istar), que tenía unos rubíes en los ojos, la boca y el ombligo. Se trataba de descubrir, los Partos vivían por Mesopotamia, el origen de los rubíes. Pues bien: a través de esos elementos traza, se llegó a la conclusión de que los rubíes procedían de Birmania, el lugar del Mundo de donde proceden los rubíes más apreciados. Los elementos traza son algo así como las "impurezas" de un material, aquello que lo convierte en único.

La intervención de la Física en la autenticación de piezas artísticas significa también la posibilidad de realizar copias absolutamente idénticas, de tal manera que desaparezca el valor del propio original...

"La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física
Copiar, falsificar... En principio, copiar es más fácil que crear, eso está claro. Está el caso del oro tumbaga del antiguo Perú: mediante una ingeniosa técnica aleaban oro y cobre de forma que la superficie del objeto quedaba enriquecida en oro.
Las figuras de oro tumbaga son muy valiosas y hay falsificaciones que se han descubierto por estar realizadas con oro de una pureza muy superior. Claro, con las técnicas de que hablamos, este tipo de “errores” ya no se cometerían y, en ese sentido, parece que el principal afectado sería el mercado del arte.
¿Cuál es el mercado de estas técnicas? Porque imagino que deben ser caras...
Museos, Departamentos Universitarios de Arte y Arqueología, entidades públicas, empresas privadas relacionadas con el mundo del Arte como galerías o joyerías... En nuestro caso del acelerador del Campus de la UAM tenemos acuerdos de colaboración con entidades públicas y empresas y, desde luego, una relación especial con la UAM.
Antes hiciste referencia a lo novedoso de estas técnicas en España... ¿Es distinto en otros países?
"... Estas técnicas, aunque son muy recientes en España, vienen utilizándose en los laboratorios de los países industrializados desde los años 70".
Comparado con otros países industrializados ha sido diferente, de hecho valdría la pena realizar un estudio que dilucidara el porqué...Estas técnicas, aunque son muy recientes en España, vienen utilizándose en los laboratorios de los países industrializados desde los años 70, aunque ya antes se sabía de su potencial utilidad. Los primeros aceleradores, de los años 30, se utilizaban para estudiar las propiedades de los átomos y núcleos atómicos, fueron evolucionando siempre en la búsqueda de unas mayores energías para poder profundizar más en el núcleo atómico. A finales de los 60 y principios de los 70 muchos de los aceleradores que se habían quedado obsoletos en Física Nuclear, gracias al progreso de los detectores de partículas, se reciclaron hacia aplicaciones analíticas, menos exigentes en cuanto a energía máxima alcanzable.
Entre las varias disciplinas a las que se aplicó las técnicas analíticas con haces de iones estaba la arqueometría. A principios de los 80 se empezaron a construir ya aceleradores específicos, de baja energía, que es cuando surge la implantación iónica y otras técnicas basadas en aceleradores de interés industrial para la microelectrónica y ciencia de materiales. España en esa época, aun no dedicaba demasiado dinero para la investigación; mientras, en gran parte de Europa, Los Estados Unidos, Japón y otros países de prácticamente todos los continentes, los aceleradores se convertían en una tecnología bastante común.

He visto en vuestra web un "aparato" espectacular, imagino de esa generación de aceleradores específicos...

Acelerador Electrostático de Iones
El corazón del Centro de Micro-Análisis de Materiales, del CMAM, es un acelerador electrostático de iones de tipo tandem, es decir, de dos etapas, capaz de alcanzar una tensión de terminal de cinco millones de voltios. Es el segundo acelerador de esta clase que se instala en España. El otro está en Sevilla, un acelerador de tres millones de voltios que se puso en marcha en 1998. El nuestro está funcionando desde el 2002. Ambos son muy jóvenes. Recuerda que hace un momento mencioné que el principal interés de estas técnicas, de cara a nuestro desarrollo tecnológico, es su novedad en España. En líneas generales, el funcionamiento de un acelerador electrostático tandem del que venimos hablando, es muy sencillo. En una etapa previa, en una fuente de iones se crean iones negativos.
Éstos son preacelerados e inyectados en la entrada del tanque del acelerador en cuyo centro se encuentra el terminal de alto voltaje. En esta nueva etapa, llamémosle etapa uno, el terminal, con tensión positiva, atrae hacia si a los iones negativos. En su paso a través del terminal los iones pasan por un tubo que contiene gas de nitrógeno a baja presión de forma que los iones negativos, al interaccionar con las moléculas de gas pierden electrones y se convierten en iones positivos. Se inicia ahora la que podemos llamar etapa dos, en la que el terminal, con voltaje positivo, repele los iones hacia la salida del acelerador.

Centro de Micro-Análisis de Materiales

Este proceso de aceleración con dos etapas es lo que le confiere el nombre de acelerador tipo tandem. Ya una vez el haz de iones ha salido del acelerador, se conduce mediante lentes electrostáticas, imanes de conmutación y lentes electromagnéticas hacia una de las líneas con la cámara de experimentación donde está situada la muestra que queremos analizar. En el CMAM hay una línea dedicada a Arte y Arqueometría que tiene la peculiaridad de que el haz de iones se puede focalizar hasta alcanzar un tamaño de algunas decenas de micrómetros, y, además, se puede extraer al aire lo que evita tener que someter a vacío (bajas presiones ambientales) el eventual objeto de arte que se analice. Estas técnicas, ¿representan algún tipo de riesgo para el objeto?

Técnico manipulando el acelerador de iones de la U.A.M.

Es muy importante utilizar técnicas no destructivas para caracterizar obras de arte... No en un sentido microscópico, porque cualquier análisis sobre la obra, por muy inofensivo que parezca, repercute sobre la misma, sino en un sentido macroscópico, es decir, que la posible alteración no sea apreciable al ojo humano. En este sentido, y tomando las necesarias precauciones al hacer el análisis, se puede afirmar que las técnicas de análisis con haces de iones utilizadas en Arqueometría son no destructivas.

¿Estáis trabajando, ahora, en algún proyecto concreto?...

Tesoro visigodo de Torredongimeno (Jaén)


¡De hecho tenemos mucho trabajo acumulado!...Tenemos pendientes análisis con el depto. de Arqueología de esta universidad, con el Museo Arqueológico, con universidades europeas como Génova o Florencia. Hace poco estuvimos analizando la tinta de dibujos del Museo del Prado de pintores italianos del siglo XVI, en particular de Luca Cambiaso y su escuela, cerámicas del Museo de América y otros. En breve tenemos previsto estudiar el tesoro visigodo de Torrejimeno...
MUNDO CUÁNTICO


Vida de un quark


El término Mundo Cuántico es redundante, pues todo el mundo es cuántico en su naturaleza. Pero afortunadamente, en la mayoría de los casos, sus sutilezas sólo se manifiestan de forma patente a escala atómica. Y decimos afortunadamente porque la comprensión de ciertos fenómenos cuánticos representa un auténtico reto intelectual. Por si esto fuera poco, cada vez con mayor frecuencia estos fenómenos rompen su "barrera de escala" para sorprendernos con comportamientos de carácter macroscópico de gran utilidad práctica, como es el caso de la superconductividad, la criptografía cuántica o los condensados de Bose-Einstein.
Sistemas cristalinos, superconductividad, cristales líquidos, propiedades generales de los metales, estructura atómica, enlaces....Todo lo que somos, lo que nos rodea es materia. Parece que en esas cuestiones no se puede separar la Química de la Física, ¿es esto así? ¿qué aporta la Ciencia Física al conocimiento de la Estructura de la Materia? "...los físicos tratan de comprender en profundidad los sistemas más sencillos, mientras que los químicos se conforman con menos profundidad pero se atreven a investigar estructuras moleculares de enorme complejidad."
Una tendencia de las disciplinas científicas tradicionales es que cada vez tienen más puntos en común. Dentro de esa tendencia unificadora, lo que realmente distingue a un físico frente a los otros científicos no es tanto lo que estudia como su formación y el tipo de preguntas que se plantea. En cualquier caos, las fronteras no son drásticas. De hecho, hay temas de investigación donde concurren de forma natural científicos de diferentes disciplinas.

Un ejemplo claro es la Ciencia de Superficies, cuya revista científica más importante, Surface Science, tiene un título deliberadamente ambiguo, pues se ocupa tanto de la Química como de la Física de Superficies. Cuando estudiamos un átomo adsorbido en una superficie, la frontera entre la Física y la Química se hace borrosa: se plantean problemas de enlaces químicos y de propiedades del estado sólido que son de interés tanto para físicos como para químicos. Lo mismo sucede en Ciencia de Materiales, donde convergen físicos y químicos interesados en la comprensión y el diseño de materiales.

Si hubiera que establecer una separación dentro de este tipo de problemas, se podría decir que el estudio del estado sólido tiende a ser tarea de los físicos, mientras que las propiedades de las moléculas suelen ser investigadas por los químicos. Esta división obedece en buena medida a razones puramente históricas. Otra diferencia característica es que los físicos tratan de comprender en profundidad los sistemas más sencillos, mientras que los químicos se conforman quizás con menos profundidad pero se atreven a investigar estructuras moleculares de enorme complejidad.

Otro ejemplo reciente de intersección entre la Física y la Química es la Electrónica Molecular, donde se trata de diseñar dispositivos electrónicos cuyo comportamiento está dominado por las propiedades de unos pocos átomos o moléculas.

Sobre los puntos de encuentro entre la Física y la Biología podríamos hacer comentarios parecidos. Sólo cabe destacar que la Biofísica es una ciencia muy joven de la que se espera una gran expansión durante las próximas décadas. Digamos que el contacto entre Física y Biología es más reciente que el que existe entre Física y Química o Química y Biología (la Bioquímica).

¿De qué área o materias concretas se ocupa el que investiga la Estructura de la Materia?

Núcleo de un Átomo de Silicio (2U3381)

Desde un punto de vista muy básico, podríamos decir que la materia está organizada en diferentes escalas de longitud y energía, cada una de las cuales es relevante en un rango de temperaturas específico. La Teoría de la Estructura de la Materia se ocupa de la organización de la materia a escala microscópica, es decir, a escala molecular o más pequeña. En este sentido, se puede decir que cuando uno estudia un gas molecular, está investigando la Estructura de la Materia; pero también es Estructura de la Materia el estudio de las propiedades de un núcleo atómico o de los quarks. En realidad, el concepto de Estructura de la Materia es muy general, casi tanto como el de Física.
No tengo un especial problema para preguntar sobre asuntos de los que no tengo ni idea... ¡pero sobre tu especialidad me resulta especialmente difícil de “preguntar”! ¿Podrías recordarme dónde estás ubicado? ¿Cuál es tu área de trabajo? (¡ésta es una manera astuta de ganar tiempo!)

Yo soy físico teórico de la materia condensada. Aunque la Física es una ciencia experimental, hay físicos que nos especializamos en hacer cálculos con lápiz, papel y ordenador. Somos los llamados físicos teóricos y tenemos representación en casi todas las áreas de la Física. La Física de la Materia Condensada, incluyendo sus componentes experimental y teórica, abarca aproximadamente el 50% de toda lo que hoy en día entendemos por Física. Se dedica sobre todo a los sólidos pero también se ocupa de los líquidos, los polímeros y, en general, de todas las formas de la materia con las densidades típicas de los sólidos y líquidos, es decir, con átomos y moléculas en contacto cercano.

Esta disciplina aborda problemas muy distintos y tiene grandes repercusiones tecnológicas. ¡Sólo hay que pensar en las infinitas formas en las que átomos y moléculas pueden agruparse entre sí para presentar propiedades completamente diferentes! Estas dos razones, la gran variedad de problemas y el potencial interés tecnológico, hacen que seamos muchos los que nos dedicamos a la Física de la Materia Condensada.


Ejemplo de condensación Bose-Einstein del RB 87

Dentro de este campo tan amplio, yo me dedico al transporte de electrones en sistemas pequeños, que pueden ser nanoestructuras artificiales, o sistemas metálicos con algunas propiedades de interés. También me dedico a la Física de los Gases Cuánticos, que es un campo muy nuevo que presenta muchas analogías con la Física de Láseres. La idea es que, si un rayo láser es básicamente un montón de fotones en el mismo estado, un condensado de Bose-Einstein (que es el principal ejemplo de gas cuántico) está hecho de un montón de átomos en el mismo estado cuántico. Esto quiere decir que todos los átomos hacen exactamente lo mismo y, por la tanto, lo que normalmente haría un único átomo, ahora lo hacen todos de forma coordinada dando lugar a una amplificación a escala macroscópica. Podemos hablar entonces de Física Cuántica Macroscópica, un concepto sorprendente si tenemos en cuenta que tradicionalmente hemos asociado lo cuántico con lo muy pequeño. Me gustaría que hicieras algún comentario sobre la investigación y que destacaras, dentro de ella, algún campo que te interese particularmente.

Una de las principales tendencias de la investigación en los últimos años es el desarrollo de lo que podríamos llamar Ingeniería Cuántica, que consiste en la manipulación de la materia a escala muy pequeña con la finalidad de modificar sus propiedades cuánticas fundamentales. Dentro del campo de la Física de la Materia Condensada, se pueden diseñar estructuras con propiedades específicas si se controla su crecimiento a escalas de longitud por debajo de la micra. De esta forma se pueden crear materiales que actúan como "sólidos de diseño" hechos de átomos y moléculas artificiales. Estas estructuras presentan propiedades muy variadas, muchas de ellas imposibles de observar en materiales naturales.

También en la Física de Gases Cuánticos hay mucho de ingeniería cuántica. Los átomos se pueden perturbar y mover de uno en uno. Jugando con la sensibilidad de los átomos a la luz láser y a los campos magnéticos, se pueden diseñar a placer las fuerzas externas que actúan sobre estos átomos. Podemos tener "sólidos" en los que los átomos habituales son sustituidos por luz láser y los electrones por átomos móviles. Toda esta tecnología abre enormes posibilidades en el control de la materia. Se prevé que con estas técnicas podremos mejorar considerablemente la precisión de los relojes atómicos, las técnicas litográficas de crecimiento de estructuras cada vez más pequeñas, y los sistemas de interferometría atómica, necesarios para medir la aceleración de la gravedad (lo cual permite, entre otras cosas, buscar petróleo).

Otro de los grandes retos de la Física en los próximos años es el desarrollo de la Información Cuántica en sus dos vertientes principales: Computación Cuántica y Comunicación Cuántica. Esta última trata sobre todo de la "Criptografía Cuántica", que está generando un cambio cualitativo fundamental en la tecnología de la comunicación. Utilizando principios cuánticos, empieza a ser posible la transmisión codificada de información de forma ultrasegura, de modo que un mensaje no puede ser leído por nadie o, si alguien llega a leerlo, el destinatario se percata de ello. Este es un avance fundamental, pues en la comunicación clásica es posible leer un mensaje sin que nadie se de cuenta. ¿Cuál es la razón de esta diferencia tan importante? ¿Qué tiene la Mecánica Cuántica que permite codificar con tanta seguridad?

"Los fotones se pueden propagar por guías de onda convencionales y ya se están comercializando dispositivos de Comunicación Cuántica que conectan puntos a varios kilómetros de distancia."
La idea es que, en información cuántica, si uno lee un mensaje lo destruye necesariamente o al menos lo modifica considerablemente. Esto es debido a que en el mundo cuántico, si uno quiere observar algo, necesariamente lo modifica en alguna medida. Esto no es un problema en muchas situaciones pero sí es importante en el contexto de la Comunicación Cuántica.
Un punto esencial de la Información Cuántica es que se basa en la existencia de correlaciones sutiles entre dos o más partículas. Estas correlaciones pueden sobrevivir cuando las partículas se hallan muy distantes entre sí. Si hacemos una medida sobre una partícula, dicha operación puede alterar el estado de la partícula lejana, en el sentido de que sabemos mejor cómo responderá cuando se le mida una propiedad física. Lo sorprendente es que esta influencia a distancia es compatible con el hecho de que, localmente, la partícula lejana no se entera de que su "pareja" ha sido observada. En particular, no permite enviar señales a velocidad superior a la de la luz.

Esta idea de que al medir cambiamos el estado de las cosas no es relevante en el contexto de la Física clásica, pero en el mundo cuántico puede ser decisiva.

Concretando un poco, el sistema más utilizado es el de un par de fotones "enrededados", esto es fotones cuyo estado de polarización individual no está bien definido pero con seguridad es opuesto al del otro fotón. (La dirección de polarización de un fotón es perpendicular a la de propagación y puede ser vertical, horizontal, o una combinación de ambas.) Los fotones se pueden propagar por guías de onda convencionales y ya se están comercializando dispositivos de Comunicación Cuántica que conectan puntos a varios kilómetros de distancia.
Sé que esto de lo que hablas es importante... que tiene, o tendrá, multitud de aplicaciones en nuestro mundo “tangible”, etc... y por eso mismo pensaba: ¡qué necesaria es la divulgación!...
Ciertamente la divulgación de la Ciencia en general y de la Física en particular es una necesidad acuciante. Nuestra sociedad tiene que estar informada de lo que hacemos, entre otras razones porque no están garantizados de forma indefinida los niveles de apoyo que hemos tenido hasta ahora (que, por lo demás, en nuestro país todavía deberían aumentar bastante) si no explicamos a la sociedad lo que hacemos con su dinero. ¡Esto es algo de lo que empiezan a ser conscientes los físicos de todo el mundo! En la medida en que logremos transferir ese conocimiento y consigamos explicar tanto su interés intrínseco como su potencial tecnológico, la sociedad será más generosa con la Ciencia y, además, seremos capaces de atraer un mayor número de jóvenes hacia los estudios de ciencias, asegurando un flujo adecuado de futuros investigadores y docentes.

Un problema práctico es que la divulgación lleva tiempo y en el ámbito de la investigación es algo que todavía no se valora lo suficiente. Con frecuencia, la divulgación se ve como una actividad menor. Este es un error grave porque la divulgación debería ser una preocupación de todos los científicos. Además, divulgar no es fácil. Hay que tener muy claro el público a que nos dirigimos: éste puede variar desde niños o estudiantes de enseñanza media hasta las colegas científicos de otras especialidades. En cada caso se requiere una terminología y un nivel de profundización diferente. Lograr la combinación adecuada de claridad y rigor es difícil, porque la tendencia natural es a ser poco claro si uno quiere ser preciso y a ser poco preciso si uno quiere ser claro.

Desde el Instituto Nicolás Cabrera, hemos iniciado una serie de charlas por institutos y colegios de enseñanza media para divulgar la Física y promover los estudios de Física. Creemos que esta actividad es de interés incluso para aquellos estudiantes que no van a escoger la carrera de Física. Es muy positivo que un futuro ingeniero o economista conozcan los principales rasgos de la Física actual porque, desde su futuro trabajo, será más proclive a favorecer la investigación o incluso a realizarla él mismo en su propio ámbito. Nuestro país necesita más ingenieros interesados en la innovación tecnológica, que es su campo natural de investigación. Se trata, en definitiva, de fomentar una cultura en la que se valora tanto la investigación científica como la tecnológica, sin descuidar ninguna de las dos.

En mis tiempos mozos leí un libro de Isaac Asimov: “El electrón es zurdo” que me pareció fascinante, aunque solo entendiera una pequeña parte...


Isaac Asimov

El título del libro parece muy específico porque hace alusión a las propiedades de paridad de las partículas elementales, es decir, a cómo varía su comportamiento si consideramos su imagen especular, pero en realidad el libro trata de temas muy variados. El libro es excelente, un clásico de la divulgación científica. Aunque no es el caso de Asimov, que generalmente escribía sólo, una combinación muy eficaz es la de un físico investigador en colaboración con alguien que tiene una cierta formación científica pero que sobre todo se ha especializado en la divulgación científica. Hay que fomentar el periodismo científico, tanto de libro como de artículo periodístico o de revista. Otro gran libro de divulgación es el de Jame Gleick, "Caos: la creación de una nueva ciencia". Ambos libros han sido grandes éxitos editoriales, lo que demuestra que la divulgación científica de calidad no sólo es posible si no que, además, puede ser económicamente rentable.

Reproducción de instrumental láser que proyecta una holografía


La electrónica funciona con corrientes de electrones. Con electricidad, para entendernos. Pero la fotónica, funciona con corrientes de fotones....Con luz, en otras palabras. Aquella, forma parte de nuestra civilización de una manera tan profunda que solo cuando nos falta percibimos su valor. Las corrientes de partículas luminosas, los fotones, empiezan a hacerse hueco entre nosotros y algunas de sus aplicaciones ya son imprescindibles: los lectores de código de barras, las aplicaciones del láser en la medicina, la televisión digital....


La electrónica funciona con corrientes de electrones, y estamos muy acostumbrados a usar aparatos electrónicos como la radio, la televisión, el teléfono, el ordenador, etc. Por el contrario, la fotónica funciona con corrientes de partículas luminosas, los fotones. No estamos aún muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor. Así tenemos algunos aparatos clásicos como las cámaras fotográficas, telescopios y microscopios, y otros más recientes como los lectores de códigos de barras, los punteros láser, los láseres de las discotecas, etc. Casi todos estos aparatos combinan una parte electrónica y otra fotónica, como las pantallas de los ordenadores, los proyectores de video, las cámaras fotográficas digitales, y muchos otros.
Veo que lo de arrojar luz no iba muy descaminado…. De un tiempo a esta parte parece que estamos rodeados de láseres: impresoras láser, lectoras de CDs. ¿Podrías comentar algo sobre este aspecto?
Si, la luz láser posee unas propiedades muy especiales, que la hacen enormemente útil, y además cada vez se inventan nuevos láseres de colores distintos, y con tamaños cada vez más reducidos. La luz láser se dirige de forma muy precisa comparada con la luz de una bombilla, además es de color muy puro, y muy brillante. Estas son cualidades esenciales para multitud de aplicaciones (cirugía, industria, investigación). Cada día se encuentran nuevas aplicaciones para este tipo de luz.
Fibra óptica, comunicaciones ópticas ¿a la velocidad de la luz?

Fibra óptica

Si, cada día se requiere más movimiento de información. Internet, la televisión digital por cable … Se hace necesario un sistema de alta capacidad de transmisión. Los conductores eléctricos quedan saturados. Por las fibras ópticas podemos enviar la información en forma de luz láser a la velocidad de la luz. Además, la más moderna tecnología permite enviar muchas comunicaciones a la vez por la misma fibra, una enorme ventaja respecto a los cables eléctricos, simplemente usando luces de varios colores distintos. Cada color lleva una comunicación, ¡y no se mezclan en la fibra!.
A mí siempre me han sorprendido los hologramas ¿cómo funcionan?
Intentaré explicarlo de forma sencilla. En una fotografía normal la imagen está impresa en el papel. Es la imagen de intensidad de luz que tomó la cámara con su objetivo. Por el contrario, con el holograma conseguimos fabricar una copia de las ondas luminosas que venían desde el objeto. Es como si tuviésemos delante el mismo objeto (sólo ópticamente, ya que el objeto ahora no está). En su lugar está el holograma, que nos envía información de la intensidad de luz y del relieve del objeto, así que lo veremos en 3D.
¿Es realista pensar en una televisión 3D en un futuro cercano?.
Aquí hay que considerar dos aspectos, la cantidad de información que hay que transmitir para producir un holograma, y la resolución del elemento que forma la imagen. Para producir imágenes 3D en movimiento debemos realizar numerosos “fotogramas holográficos”. Cada fotograma holográfico constará de al menos 100 Megabytes, y por cada segundo de imágenes debemos formar 25 fotogramas. Esta es una cantidad de datos altísima, incluso para las comunicaciones ópticas actuales.

Por otra parte, las películas que permiten grabar hologramas son muy especiales, de muy alta resolución, con más de 25000 puntos por pulgada. Por el momento los proyectores de video tienen una resolución muy inferior, y tendremos que esperar a que esta mejore notablemente.

Parece que aún estamos algo lejos de esta aplicación fotónica, aunque la tecnología se desarrolla muy rápidamente en este campo. Aún se tardará unos años en que sea realidad la TV holográfica.

No me gustaría que nos centrásemos únicamente en los aspectos más mundanos, ¿podrías comentarnos cuales son los principales retos en este campo?
"Uno de los retos importantes de la fotónica es la computación óptica."

Uno de los retos importantes de la fotónica es la computación óptica. Los ordenadores personales actuales no pasan mucho más allá de los 3.000.000.000 de sencillas operaciones por segundo, y aún así a veces nos parecen lentos, pero estamos cerca del límite de velocidad con corrientes de electrones. Usando la luz podríamos aún aumentar mucho la velocidad de cálculo, tal vez hacerlos un millón de veces más rápidos.


¿Cómo se imagina un experto en fotónica el futuro? ¿Brillante?

Láser. Laboratorio de Investigación de Espectroscopía Ultrarrápida-UAM-

Cada día que pasa aparecen nuevas aplicaciones de la fotónica. La luz láser está cada vez más presente en nuestras casas. En el campo de la salud también avanzan rápidamente las aplicaciones fotónicas. Por ejemplo, dentro de muy poco las radiografías se harán con luz láser visible, que es mucho menos peligrosa que los rayos X. En la industria cada vez son más los procesos que están controlados mediante la luz y las imágenes. Realmente es un panorama muy brillante, y ya en otros países avanzados como Estados Unidos los expertos en tecnología fotónica están muy cotizados. Nosotros acabamos de inicia el Master en Tecnología Fotónica en la UAM para formar este tipo de profesionales en nuestro país.
¿Podrías comentar la interrelación de la fotónica con otros campos de la física?
La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica."
La luz interacciona con la materia, y por tanto es un instrumento eficaz para el estudio de los materiales, también se genera en la materia, de ahí su relación con la física atómica y molecular y con la física de sólidos.

La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica. Algunas de estas propiedades aún no han sido aplicadas, aunque parece que pueden tener mucho interés en campos como el de la computación óptica.

La luz también está relacionada con la relatividad y con la astrofísica. La información que recibimos de los objetos espaciales es principalmente en forma de radiación luminosa. Los efectos relativistas observados en la luz que nos llega de las estrellas permiten obtener datos sobre el origen del universo.

Como se puede apreciar, existe una gran relación con otros campos de la física, y en muchas ocasiones no está clara la frontera entre estos campos.