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Estudiar Física de Bachillerato (1): ¿Qué es la física y por qué es importante?

1. INTRODUCCIÓN

1.1. ¿Qué es la física y por qué es importante?

Si estás cursando bachillerato y tienes que hacer frente a la asignatura de física quizás te estés preguntando por qué tienes que estudiar todo eso, qué interés tiene y cómo puede haber gente que se dedique voluntariamente al aburrido análisis de cuerpos cayendo por planos inclinados con rozamiento o sistemas de poleas. Quizás pienses incluso que mientras que la química es una parte interesante del temario porque con ella entiendes cosas como las propiedades de la materia o diversas reacciones cotidianas como la combustión, la física puede resultar poco más (o menos) que una clase de problemas de matemáticas.

En el caso de que pienses eso, seguramente seas una víctima más del sistema educativo. Yo mismo, cuando estaba cursando bachillerato, opinaba que todo lo que se enseñaba en física era en el fondo poco interesante y demasiado fácil.

Considero que el problema de estos prejuicios es que la física de la educación secundaria no es la física que engancha. Nadie (o poca gente) quiere ser físico por el análisis vectorial de las fuerzas, por el principio de Arquímedes o por los sistemas de palancas. Decidimos hacer frente a esa carrera más bien por cosas como “¿qué hay dentro de un agujero negro?”, “¿cómo comenzó el universo?”, “¿es posible el viaje en el tiempo?”, “¿qué hacen en el acelerador de partículas de Ginebra?”, “¿es posible el teletransporte?”, “¿qué es eso de que el universo es plano?”, “¿podremos viajar fuera del sistema solar?”… Todas estas cuestiones no aparecen en el currículo escolar por el sencillo motivo de que la respuesta técnica no se puede explicar particularmente rápido y sus matemáticas normalmente exceden el nivel. Algunas de ellas ni siquiera tienen respuesta firme a día de hoy. Yo mismo no las abordaré en esta serie de entradas, aunque lo he hecho en otras.

Considero que es imprescindible, no obstante, que en todas las aulas donde se vaya a impartir un curso de física se aclare que son ese tipo de cuestiones, entre otras muchas, las que pueden llegar a plantearse con la física “de verdad”, por llamarla de algún modo.

Si algo he visto durante y tras mi paso por facultades, es que los físicos tienen conocimientos que les permiten trabajar en la NASA, en el CERN, en climatología, en neurología, en radioterapia, en nucleares, en sistemas ópticos, en construcción, en economía, en electrónica, en materiales, en armamentística, y un largo etc. que nunca se acaba. Por poder, hasta pueden gobernar en Alemania.

La física es una rama muy fundamental y, de hecho, se la puede asociar a la pregunta “¿Por qué?” de forma muy profunda. Es muy fácil llegar a una pregunta fundamental en física preguntándose el por qué de casi cualquier cosa y, de hecho, desde un punto de vista reduccionista, todas nuestras experiencias diarias son en cierto modo consecuencia de leyes físicas.

Pensemos en el simple hecho de que por la mañana nos despierte el despertador. Para empezar, el despertador necesita disponer de un sistema físico (normalmente basado en mecánica clásica) que le permita medir el paso del tiempo. Además, necesita tener otro mecanismo que le permita generar sonido. Pero es que, además, necesita un motor eléctrico (pilas) que suministre energía.

Una vez que el sonido es producido a la hora adecuada, este necesita de las leyes físicas de la propagación de impulsos mecánicos por el aire para poder llegar hasta nuestras orejas. Dicha propagación, además, requiere comprender la teoría física de que el aire está hecho de moléculas, y que es la agitación de estas de forma ordenada la que transporta un sonido desde una fuente hasta nosotros.

Más aún, necesitamos de la teoría atómica para comprender que el sonido no son más que átomos absorbiendo y liberando de forma caótica cuantos de luz o fotones debido a la alteración previa que supone el sonido del despertador, el cual libera un montón de estos fotones a nivel subatómico. Vemos que la cosa tiene toda la profundidad que le queramos dar, y que podemos extender la cuestión a consideraciones relevantes como que los fotones se propagan a la velocidad de la luz, pero sus colisiones constantes hacen que la onda global en realidad se mueva solo a la velocidad del sonido.

También sería importante destacar cómo los receptores de nuestro oído tienen estructuras geométricas desarrolladas a través de millones de años de evolución para optimizar las frecuencias que es importante escuchar para nuestra supervivencia, y cómo distinguen tanto estas como la dirección desde la que nos ha llegado el sonido y la distancia aproximada a la que está.

Todo esto es física, y ni siquiera de la más interesante: solo el primer ejemplo que se me pasó por la cabeza al escribir.

Ser capaz de ver toda la física que hay tras cada cosa que experimentamos es una habilidad que no se aprende de un día para otro. Requiere práctica, estudio, enfrentarse a problemas (de lápiz y papel) y aprender todas esas cosas que en el bachillerato se enseñan y pueden parecer inútiles o insulsas.

Por otra parte, las matemáticas son el idioma en el que la naturaleza parece querer expresarse, y por tanto es necesario pagar el precio de llevarse bien con ellas y asimilarlas para poder obtener todos los beneficios de comprender el universo en cierta medida.

Durante esta serie de entradas intentaré dos cosas:

  • La primera es introducir los conceptos mínimos necesarios para adentrarse en el mundo de la física.
  • La segunda es no perder de vista en ningún momento qué interés tienen y por qué son importantes. Considero que las cosas se aprenden mejor si en todo momento se tienen en mente qué se quiere conseguir con ellas.

Los primeros capítulos estarán dedicados a la teoría de campos y sus implicaciones. Actualmente podemos explicar casi todos los fenómenos conocidos aludiendo a cuatro “campos” o “fuerzas” diferentes: la gravedad, el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuerte y débil. Si bien las dos últimas poseen una estructura matemática excesivamente compleja (hasta el punto de que su estudio es opcional en la carrera), en bachillerato es posible llevarse relativamente bien con las primeras.

Por comodidad, en aras de no complicarse la vida en exceso mientras no sea necesario,  habrá tres bloques de teoría de campos que irán aumentando su dificultad: el de una dimensión, el de dos dimensiones  y el de tres dimensiones.

  • Al trabajar con teorías de campos unidimensionales podremos familiarizarnos con los conceptos y analizar problemas sencillos como la caída libre, los muelles o el envío de cohetes al espacio.
  • Al subir a teorías de campos en dos dimensiones surgirá la posibilidad de que los cuerpos giren, y esto complicará un poco más las operaciones. Pero por el lado bueno, aprenderemos a analizar órbitas planetarias y los movimientos de los electrones alrededor del núcleo atómico en orbitales tipo “s”. De hecho, aprenderemos a calcular el tamaño de un átomo.
  • Por último, al subir a teorías de campos en tres dimensiones podremos analizar con completo detalle todo el electromagnetismo y comprender cuestiones como el funcionamiento de un motor basado en pilas. Este bloque será, con diferencia, el más tedioso, y en general me consta que es el más odiado. Intentaremos poner de manifiesto todas sus virtudes.
  • Los campos producen los fenómenos físicos, pero una vez que son producidos pueden requerir análisis detallados más allá, y por eso es necesario otro bloque dedicado al análisis de las ondas en general y la luz en particular. Gracias a una comprensión de cómo se propaga la luz podremos entender mejor el fenómeno de la visión, y también por qué suceden cosas como los espejismos o los arco iris.
  • Pero descubriremos también que la luz es muy traicionera y es, de hecho, incompatible con la teoría de campos clásica. Esto nos llevará a desarrollar la teoría de la relatividad especial, donde analizaremos cómo se descubrió que la luz es una onda electromagnética y que la velocidad a la que uno envejece depende de la velocidad a la que se mueva.
  • Ya para cerrar, nos adentraremos en el maravilloso mundo de los primeros fenómenos cuánticos que se descubrieron, donde explicaremos cuál es el mecanismo de las estrellas y cómo es posible datar la edad que tienen las momias con precisión, entre otras muchas cosas.

Estos temas no abarcarán, por supuesto, toda la física, sino aquella que es necesario saber al final de bachillerato. Importantes cuestiones como el destino del universo, el entrelazamiento cuántico, la relatividad general o la teoría de cuerdas van más allá de lo que se pretende. No obstante, son temas que ya forman parte de este blog en otras entradas.

Mañana hablaremos de la energía potencial, que es quizás el concepto más importante de toda la física clásica y, si la redefinimos para enmarcarla en ella, también de la física moderna.

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