La curiosidad y el universo.

LA CURIOSIDAD Y EL UNIVERSO LECCIÓN INAUGURAL DE LA E.T.S. DE INGENIERÍA DE EDIFICACIÓN UNIVERSIDAD DE SEVILLA Curso Académico 2010-2011 ADÁN CABELLO QUINTERO EDITORIAL UNIVERSIDAD DE SEVILLA Índice colección BiografÍa Adán Cabello Quintero Dr. en Ciencias Físicas Catedrático de Universidad Departamento de Física Aplicada II LA CURIOSIDAD Y EL UNIVERSO Lección Inaugural leída en la Apertura del Curso Académico 2010-2011 en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Edificación. Universidad de Sevilla Sevilla 2015 Portada Índice colección BiografÍa Colección: Textos Institucionales Núm.: 49 © EDITORIAL UNIVERSIDAD DE SEVILLA 2015 C/ Porvenir, 27 - 41013 Sevilla Tfnos.: 954 487 447; 954 487 451; Fax: 954 487 443 Correo electrónico: [email protected] Web: <http://www.editorial.us.es> © ADÁN CABELLO QUINTERO 2015 ISBNe: 978-84-472-1680-2 Edición digital: Dosgraphic, s. l. < www.dosgraphic.es > Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información y sistema de recuperación, sin permiso escrito de la Editorial Universidad de Sevilla. Edición digital de la primera edición impresa de 2010 Comité editorial: Antonio Caballos Rufino (Director de la Editorial Universidad de Sevilla) Eduardo Ferrer Albelda (Subdirector) Manuel Espejo y Lerdo de Tejada Juan José Iglesias Rodríguez Juan Jiménez-Castellanos Ballesteros Isabel López Calderón Juan Montero Delgado Lourdes Munduate Jaca Jaime Navarro Casas Mª del Pópulo Pablo-Romero Gil-Delgado Adoración Rueda Rueda Rosario Villegas Sánchez Portada Índice Señor Rector Magnífico de la Universidad de Sevilla, Señor Director de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Edificación de la Universidad de Sevilla, Señor Presidente del Consejo Andaluz de Colegios Oficiales de Aparejadores y Arquitectos Técnicos, Señor Presidente del Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Sevilla, Autoridades Académicas, Profesores, Personal de Administración y Servicios, Alumnos, Señoras y Señores 9 Portada Índice LA CURIOSIDAD El otro día, Carlos preguntó: “Papá, ¿por qué el cielo es azul?”. Lo sorprendente no es la pregunta, lo sorprendente es que Carlos tiene sólo tres años. Demócrito nació hacia el año 470 a.C. en la ciudad griega de Abdera. Su gran preocupación era saber hasta dónde se podía dividir una gota de agua. Uno podía ir obteniendo gotas cada vez más pequeñas hasta casi perderlas de vista. Pero ¿había algún límite? ¿Se llegaba alguna vez hasta un punto en que fuese imposible seguir dividiendo? Leucipo, maestro de Demócrito, había intuido que esa escisión tenía un límite. Demócrito hizo suya esta idea y anunció su convicción de que cualquier sustancia podía dividirse hasta allí y no más. El trozo más pequeño o partícula de cualquier clase de sustancia era indivisible, y a esa partícula mínima la llamó átomo, que en griego quiere decir “indivisible”. Según Demócrito, el universo estaba constituido por esos ladrillos diminutos e indivisibles. Y los habría de distintos tipos que, al combinarse de diferentes formas, darían lugar a las diversas sustancias. Sus contemporáneos se rieron de él. En cierta ocasión Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, reflexionando sobre si, por algún cataclismo, todo el conocimiento científico se destruyese, y sólo fuese posible legar 10 Portada Índice una frase a las siguientes generaciones, se planteó cuál sería la frase que contendría más información en menos palabras. No lo dudó: “Todas las cosas están hechas de átomos [pequeñas partículas]”. Ese conocimiento científico fundamental, que se sintetiza en una tabla de partículas elementales (ver la figura1), nace de la pregunta que se hizo Demócrito más de dos mil años antes de que se obtuviesen evidencias experimentales de que los átomos existen: “¿Hasta dónde se puede dividir una gota de agua?”. Hace no mucho, Luis, un niño de seis años, me preguntó: “¿Cuál es el trozo más pequeño que existe?”. Me acordé de Demócrito. A diferencia de lo que muchas veces se piensa, las niñas y los niños quieren entender el universo. No hay más que ver cómo Figura 1. Tabla de las partículas elementales según el modelo estándar de la física de partículas. La materia está hecha de seis quarks (con fondo violeta) y seis leptones (con fondo verde). Los bosones (con fondo rojo) son los mediadores de las interacciones (electromagnética –el fotón–, fuerte –el gluón– y débil –la partículas Z y las W–). Fuente: Wikipedia. 11 Portada Índice lo observan, cómo tienen siempre la antena puesta a las conversaciones de los mayores. Quieren saber más y no paran de hacer preguntas. Siempre preguntan el porqué de todo. Desgraciadamente, en la mayoría de los casos, esta cualidad desaparece con el paso del tiempo. Yo creo que es por varios motivos. El más importante de ellos es que no se les dan las respuestas que piden. Sus padres, sus amigos y sus profesores simplemente no saben las respuestas. Pero no reconocen que no las saben, ni les orientan sobre dónde encontrarlas. Hablan mucho pero no responden a las preguntas. Ello les lleva a dos conclusiones: que muchas de las preguntas que hacen no tienen respuestas, y que muchas de las preguntas que hacen no son importantes porque a los que les rodean parecen no importarles. Las instituciones educativas, incluyendo la universidad, promueven que los profesores transmitan el saber que les transmitieron. En una viñeta de El Roto, publicada en el periódico El País el 11 de septiembre de 1997, un niño le decía a su maestra: “Por favor, no nos enseñe lo que le enseñaron, enséñenos lo que averiguó”. ¿Cuánto de lo que enseñamos nos lo enseñaron y cuánto es cosecha nuestra? No hay nada más apasionante de enseñar que aquello que uno ha descubierto. Y para descubrir hay que hacerse preguntas, buscar respuestas, fallar, volver a fallar, reformular las preguntas y volver a fallar hasta que, mucho tiempo después, se hace la luz. Y esa luz es la que brilla en los ojos de los que enseñan lo que descubrieron. Pero hay muy poca de esa luz en nuestras universidades. Vivimos una época ya demasiado larga en la que se formulan y reformulan leyes, estructuras, títulos y planes de estudio, en la creencia de que en ellos reside la clave de la eficacia y la 12 Portada Índice excelencia educativa. Yo quisiera aprovechar esta solemne ocasión para defender otros valores clave como motores de la educación. El valor de la curiosidad, la que tienen los niños y que nunca deberían perder. El valor de la investigación científica, como método de saciar esa curiosidad. El valor de generar nuevos conocimientos como forma más eficaz para transmitir conocimiento. El valor de enseñar lo que uno ha descubierto y no sólo lo que a uno le han enseñado. El valor de saber decir: es una pregunta importante pero no sé la respuesta. El valor de tener el valor para ir a buscar respuestas allá donde las haya y de recabar la ayuda de los que también las buscan. El valor de descubrir las cosas por uno mismo. A mí me gustaría que Carlos, Luis y Rodrigo (que aparecerá más adelante) puedan hacer, dentro de muchos años, como ese señor mayor con anorak que un día se presentó en una charla informal sobre física y convirtió lo que iba a durar cuarenta y cinco minutos en tres horas de muchas preguntas y no tantas respuestas. Pero claro, ese señor mayor con anorak, acababa de recibir el premio Nobel de Física y se podía permitir un lujo que sólo los niños se pueden permitir: el lujo de preguntar. 13 Portada Índice AZUL, VIOLETA, ROJO, NEGRO Carlos quiere saber por qué el cielo es azul. Durante miles de años los seres humanos han vivido bajo un cielo azul (de día) sin saber la respuesta a esa pregunta. Los distintos colores del cielo se deben a la interacción de la luz del Sol con los átomos y moléculas que forman la atmósfera terrestre. La luz también está compuesta por partículas elementales, los fotones. Cada uno de ellos tiene una energía que depende de la longitud de onda del fotón. En el espectro visible, cada longitud de onda corresponde a un color. La luz solar contiene fotones de todas las longitudes de onda visibles: desde el violeta al rojo, pero no en las mismas proporciones. La suma de todos esos colores hace que la luz del Sol sea blanca. La atmósfera es una capa que cubre la superficie terrestre. Está compuesta por partículas “pequeñas” (de menor tamaño que las longitudes de onda visibles): átomos y moléculas de distintos gases (fundamentalmente nitrógeno y oxígeno), y por partículas “grandes” (de mayor tamaño que las longitudes de onda visibles): agua (en forma de pequeños cristales, gotas y vapor) y partículas de polvo, entre otras muchas cosas. Tiene un espesor de unas pocas decenas de kilómetros y su densidad disminuye gradualmente con la altura. 21 Portada Índice ¿DÓNDE ACABA EL CIELO? Rodrigo es sorprendente. Con cuatro años ya sabía que cuando mete un palo en el agua, parece que el palo se rompe. Y sabía que es porque la luz se propaga a velocidades distintas en el agua y en el aire. Ventajas de ser hijo y nieto de científicos e ingenieros. Rodrigo hace muchas preguntas. Por ejemplo: ¿Dónde acaba el cielo? Y no se refiere sólo al cielo que parece azul por el día por la difusión de la luz del Sol en la atmósfera. Se refiere también al cielo negro que ve por las noches, con planetas y estrellas. Nuestro conocimiento de la extensión, constitución y evolución del universo ha avanzado más en los últimos sesenta años que en los seis mil años anteriores. La respuesta a la pregunta de Rodrigo es que el cielo, nuestro universo, es finito pero no tiene fronteras. Igual que la superficie de un globo es finita pero no tiene bordes. El universo surgió de una gran explosión hace unos trece mil millones de años y se expande; igual que la superficie de un globo se expande cuando se hincha. Y se expande aceleradamente; es decir, que la velocidad de expansión del universo aumenta con el tiempo. ¿Por qué? No lo sabemos. Esa expansión implica que el vacío posee energía (al igual que los átomos no son indivisibles, el vacío no está vacío; en ciencia 22 Portada Índice muchos nombres pierden pronto su sentido original). El que el vacío tenga una densidad de energía no nula es algo perfectamente compatible con la Mecánica Cuántica (de la que tenemos que hablar). La energía de todo el vacío del universo es lo que se llama la “energía oscura”. No se sabe de dónde viene pero debe existir y su existencia es perfectamente compatible con las leyes fundamentales de la naturaleza que manejamos. El 75% del universo es energía oscura. El 25% es masa: un 4% es visible, pero el otro 21% no sabemos exactamente de qué se compone; es la llamada “materia oscura”. Sabemos mucho más que nuestros padres sobre el universo y sabemos que hay preguntas importantes por responder. 23 Portada Índice LO QUE AVERIGÜÉ La absorción y emisión de luz que explica el azul del cielo está gobernada por la Mecánica Cuántica, la expansión acelerada del universo sólo se explica si el vacío tiene energía y eso es compatible con la Mecánica Cuántica, pero ¿qué es la Mecánica Cuántica? La Mecánica Cuántica es como el código de la circulación: es un conjunto de reglas que todos los vehículos (en este caso los sistemas físicos: los átomos, los fotones, y todas las partículas conocidas y por descubrir) tienen que cumplir. No te dice cómo van a ser los coches que se fabriquen el año que viene, pero te dice cómo circularán: qué cosas podrán hacer y cuáles no. Este código de la circulación se fue descubriendo entre 1900 y 1927. Todas las fuerzas y partículas que se conocían antes y todas las que se han descubierto después se acomodan sin problemas en este marco (la gravedad es la única posible excepción). La Mecánica Cuántica ha servido para explicar el espectro de la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico, la estabilidad de los átomos (es decir, por qué los electrones forman capas con energías discretas en torno a los núcleos), la superconductividad, la superfluidez y otros muchos fenómenos. Ha llevado a multitud de aplicaciones prácticas, algunas de las cuales, 24 Portada Índice como el transistor y el láser, están en la base de las recientes revoluciones en informática y comunicaciones (se calcula que el 30% del producto interior bruto de Estados Unidos se debe a industrias cuya base es la Mecánica Cuántica). Sus reglas nos permiten atrapar y manipular átomos de uno en uno, ralentizar la velocidad aparente de la luz hasta hacerla similar a la de un ciclista. La Mecánica Cuántica nos promete comunicaciones eternamente seguras y cálculos exponencialmente más rápidos que los de cualquier ordenador actual. Llevamos casi 100 años usándola y nunca ha fallado. Conocemos todas sus reglas pero no sabemos de dónde vienen. La teoría de la relatividad se deduce de un supuesto teórico: que las leyes de la física son las mismas en distintos sistemas de referencia, Foto 3. Experimento de contextualidad cuántica con fotones realizado en la Universidad de Estocolmo en 2009. Foto: Elias Amselem y Magnus Rådmark, © Fysikum Stockholm University. 25 Portada Índice y de un hecho experimental: la constancia de la velocidad de propagación de la luz en esos sistemas de referencia. Las reglas de la Mecánica Cuántica no sabemos de dónde salen. Algunas de sus predicciones son sorprendentes: si no somos capaces de abandonar la idea de que los resultados de los experimentos revelan propiedades predeterminadas del universo, entonces la Mecánica Cuántica sólo es compatible con un universo en el que lo que pase aquí influye instantáneamente en todos los rincones del universo. La otra opción, más sensata, es renunciar a creer que los resultados de los experimentos Foto 4. Trampa para atrapar iones (átomos a los que se han quitado electrones) en la Universidad de Innsbruck (Austria). Foto: C. Lackner, © Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck. 26 Portada Índice están predeterminados y concluir que lo que indica la Mecánica Cuántica es que el universo es esencialmente indeterminista. ¿Por qué? Una razón sencilla es que los sistemas físicos sólo pueden contener una cantidad finita de información. Quizá la Mecánica Cuántica es como es por este motivo. Quizá no. Pero hay que hacer hipótesis, hacer experimentos, jugar con las mismas partículas de luz responsables del azul del cielo o del arco iris (foto 3), encerrar átomos en una caja y empezar a hacerles preguntas (foto 4). Nunca hay que dejar de hacer preguntas. Mi propósito hasta aquí ha sido hacer un breve recorrido por lo que conocemos del universo y por lo que a mí más me preocupa de lo que no conocemos del universo (pero podemos llegar a conocer si nos ponemos a ello), y defender la curiosidad, la investigación y la generación de nuevos conocimientos como valores fundamentales en la tarea de transmitir conocimiento. Muchas gracias por su atención. 27 ÍNDICE La curiosidad .............................................................................. 9 Azul, violeta, rojo, negro ............................................................ 13 El arco iris está en tu ojo ........................................................... 17 ¿Dónde acaba el cielo?................................................................. 21 Lo que averigüé .......................................................................... 23 Portada colección BiografÍa ADÁN CABELLO QUINTERO Adán Cabello Quintero nació en Madrid en 1968. Licenciado en Ciencias Físicas (1991) y doctor en Ciencias Físicas (1996) por la Universidad Complutense de Madrid, se trasladó en 1996 a la Universidad de Sevilla, de la cual es catedrático de Física Aplicada. El trabajo de Cabello se ha centrado, sobre todo, en el estudio de la no-localidad cuántica y la contextualidad cuántica, y de sus aplicaciones a la información cuántica y computación cuántica. Es autor de más de 90 artículos científicos sobre estos temas. Es colaborador habitual de varios grupos de física experimental de Alemania, Austria, China, Italia y Suecia, y presidente del Grupo Especializado de Información Cuántica de la Real Sociedad Española de Física. En 2002 obtuvo el Premio Andalucía de Jóvenes Investigadores. Portada Índice colección A favor del ingenio Curso Académico 2012-2013 Santiago Llorens Corraliza Iluminación y vigilancia de museos Curso Académico 2011-2012 M. Ángeles Garrido Vizuete La curiosidad y el universo Curso Académico 2010-2011 Adán Cabello Quintero Pasado, presente y futuro del ingeniero de edificación Curso Académico 2009-2010 Antonio Ramírez de Arellano Agudo La luz y el color de Sevilla Curso Académico 2008-2009 María Dolores Robador González Symboleion. Símbolos y ritos del construir Curso Académico 2007-2008 Amparo Graciani García LECCIONES INAUGURALES DE LA E.T.S. DE INGENIERÍA DE EDIFICACIÓN. UNIVERSIDAD DE SEVILLA Catálogo completo de nuestras publicaciones en la página web <http://www.editorial.us.es> Portada Índice BiografÍa