Pérez Izquierdo Alberto T. Principios para principiantes:
UNA INICIACIÓN A LA FÍSICA

Autor

Alberto Pérez Izquierdo

El Puerto de Santa María, 1962. Se doctoró en física por la Universidad de Sevilla en 1989, obteniendo el Premio Extraordinario de Doctorado. Actualmente es Profesor Titular de Electromagnetismo en el Departamento de Electrónica y Electromagnetismo de dicha universidad. Es autor de numerosos trabajos científicos sobre electrohidrodinámica (la interacción entre fluidos y campos eléctricos), física del caos, materiales granulares cohesivos (polvos) y suspensiones coloidales. Ha investigado para el CNRS en Grenoble (Francia) y para Xerox Corporation en Webster, NY (USA).

Desde hace tiempo se interesa activamente por la divulgación científica dando conferencias sobre diversos temas de física en centros de enseñanza media y otros centros educativos.

Índice

Agradecimientos

Quiero dar las gracias a Francisco Pérez Bernal, Rocío Márquez, Antonio Castellanos y Antonio Ramos por sus sugerencias y comentarios referentes a este pequeño libro. Y también a Loluca, por haber accedido a ilustrarlo.

Introducción

Ciencia y sociedad

La ciencia y la técnica condicionan nuestras vidas. El estilo de vida moderno ha sido moldeado por los avances científicos y tecnológicos. La lista de objetos cotidianos que han sido creados gracias al progreso científico llenaría más páginas que este libro. Muchas de las cosas que hacemos habitualmente y que nos parecen naturales, como encender la televisión o poner la lavadora, eran impensables para nuestros abuelos. Y otras muchas, como la luz eléctrica, los automóviles, los aviones o el papel aluminio, no existían a mediados del pasado siglo.

Pero no sólo se ha alterado nuestra vida cotidiana. También las estructuras económicas y sociales han experimentado una gran transformación como consecuencia del desarrollo científico y tecnológico. Las industrias, la agricultura, la pesca, el comercio y la banca; ninguna estructura económica ha escapado a la revolución científica. Daré sólo dos ejemplos. En el año 1948 Shockley, Bardeen y Brattain inventaron el transistor y recibieron por ello el Premio Nobel. No me refiero al aparato de radio, al que, por extensión, también llamamos transistor, sino al dispositivo electrónico que es pieza esencial en los circuitos actuales. Pues bien, hoy día tiene usted a su alrededor cientos de transistores, en la misma habitación en la que lee en este momento, dentro de cuantos aparatos le rodean. Y toda la industria informática no existiría sin este elemento básico. El segundo ejemplo es la fisión nuclear controlada, conseguida en 1942 por Enrico Fermi. ?`Se imagina la política internacional de la segunda mitad de este siglo sin la amenaza nuclear?

Las grandes empresas multinacionales invierten gran parte de sus beneficios en la investigación. Los países poderosos dedican sumas astronómicas a la investigación científica, tanto fundamental como aplicada. Y, sin embargo, en nuestro país, y más especialmente en Andalucía, la ciencia no tiene relevancia cultural. Aquí se oye más a los adivinos, echadores de cartas y otros farsantes que salen por la tele y escriben en los periódicos, que a los científicos. Sentimos mucha admiración, y eso está bien, por nuestros escritores y pintores, pero casi nadie conoce ni comprende a nuestros mejores científicos.

En un mundo como el de hoy, en el que importantes decisiones políticas se toman a partir de estudios científicos, la incultura científica de la sociedad mina profundamente las estructuras democráticas. Sufrimos nuestra particular lista de conflictos que corroboran lo que digo: el cable de Tarifa, el vertedero de Nerva, la catástrofe de Aznalcóllar. ?`Quién puede formarse una opinión independiente sobre estos problemas? En todos los casos hay científicos y técnicos que trabajan para la compañía o la administración interesada. También hay políticos que utilizan demagógicamente estos problemas, y científicos que los apoyan. Y es que un científico es también un ser humano: con sus intereses más o menos elevados, su casita en la playa que amueblar, en algunos casos, y sus equivocaciones, en todos los casos.

No quiero decir con esto que debamos aspirar todos a ser científicos y poder realizar los estudios que nos interesen por nuestra cuenta: eso sería imposible. Pero sí me parece fundamental tener la suficiente formación e independencia de criterio como para saber o, al menos, intuir en cada caso quién tiene la razón y quién está falseando las cosas. Y esa formación e independencia de criterio sólo nos las darán la educación y el interés por la ciencia. Cuanto más culta sea nuestra sociedad, mejor sabrá librarse de los demagogos y de los incompetentes. Y muchas veces no es cuestión de tener un conocimiento profundo de las cosas: basta tener una idea de lo que puede y de lo que no puede ser. Si usted lee en el periódico que una manifestación de taxistas sevillanos congregó a 500.000, el corresponsal habrá perdido para usted todo el crédito, ya que en una ciudad de 700.000 habitantes no puede haber 500.000 taxistas.

Pero también hay otra consecuencia negativa del desinterés de nuestra sociedad por la ciencia, consecuencia que afecta la investigación científica. Los científicos realizamos la mayor parte de nuestras investigaciones gracias a las subvenciones que recibimos del estado y de organismos autonómicos como la Junta de Andalucía. Estas subvenciones están por debajo de lo que todos consideramos necesario, pero aún así representan grandes cantidades de dinero. Dinero que proviene de los impuestos de todos. Y sin embargo no hay control social sobre nuestras investigaciones. Los científicos nos gastamos esas subvenciones en lo que nos parece interesante, y nadie nos pide cuentas después. Bueno, esto no es exactamente así: existen unos comités que se encargan de evaluar los proyectos y decidir qué grupo merece ser subvencionado y en qué cuantía. Pero estos comités son comités de científicos, a su vez. Y, créame, abunda la gente honrada que trata de hacer una evaluación objetiva de los méritos de los investigadores y del interés de su investigación. Pero también hay camarillas, y grupos de amigos que se conocen entre ellos y se dan las ayudas unos a otros. No quiero con esto desprestigiar la investigación científica, sino todo lo contrario. En una sociedad moderna, la investigación es fundamental para el desarrollo económico y social de la comunidad. Pero la gente tiene que saber qué se investiga y en qué se gasta el dinero destinado a ello. Creo no equivocarme al decir que, si se conociera más a fondo la actividad investigadora de nuestras universidades e institutos científicos, y cómo se trabaja y se gasta el dinero disponible, tendríamos menos problemas para conseguir subvenciones. En definitiva, la investigación científica nos pertenece a todos y todos debemos conocer lo que cuesta y para qué sirve.

El lenguaje científico

Hace un par de años empecé a tener problemas de estómago. Preocupado, acudí a mi médico de cabecera y le dije: "últimamente noto como ardores en el estómago". Me hizo una serie de preguntas sobre mis hábitos, la frecuencia de los ardores, mis enfermedades anteriores y cosas por el estilo. Me sometió a una breve exploración y, finalmente, me dijo: "usted tiene pirosis". Y me recetó unas pastillas. Salí de la consulta confortado porque mi médico había dado con lo que tenía y, a juzgar por su semblante, era algo sin importancia. Cuando llegué a casa me fui derecho al diccionario para ver qué significaba aquella palabra. Y leí decepcionado: "pirosis: ardor de estómago".

Ya ve, el lenguaje científico a veces nos resulta extravagante e incomprensible, y muchas veces no es más que una manera rebuscada de decir las cosas. El origen de esta diferencia con el lenguaje no especializado está en que el lenguaje científico necesita ser preciso, y una cosa debe significar una cosa y solamente una. Eso ha llevado a crear un vocabulario especializado, que a la persona que no lo domina le parece inasequible. Los técnicos, médicos, abogados y científicos usan las palabras en un sentido muy concreto y determinado. Le pondré un ejemplo: en el habla cotidiana fuerza, energía y potencia son casi sinónimos. En física son conceptos perfectamente definidos y claramente diferenciados. Otras veces se usan palabras que en el habla cotidiana son muy poco corrientes. Pero el diccionario es una buena ayuda en esos casos. Muchas palabras que nos parecen raras tienen un significado simple y comprensible.

Muchas cosas se pueden explicar con sencillez, otras no. Hoy día hay cierta tendencia a creer que cuanto más incomprensible es un escrito o un discurso más profundo y sabio es. Eso no es cierto. A veces nos escondemos tras las palabras para ocultar nuestra ignorancia. En este libro he intentado escribir con claridad y no abusar de un lenguaje demasiado técnico. Pero si en algunos párrafos no lo he conseguido o me he excedido en tecnicismos, recurra al diccionario. Puede que descubra que pirosis no es más que ardor de estómago.

La física y las matemáticas

La física y las matemáticas son inseparables. Galileo decía que la naturaleza estaba escrita en lenguaje matemático. Los más grandes físicos de la historia han sido también grandes matemáticos. Sin embargo, muchos autores de divulgación de la física evitan escribir fórmulas en sus libros. Creo que es un error. Es muy difícil, por no decir imposible, entender los argumentos y razonamientos físicos sin hablar de números y sin hacer cuentas. Por eso no he renunciado a las fórmulas y a los números en este libro. La mayoría de las cuentas que en él propongo sólo requieren saber las cuatro operaciones básicas de la aritmética, pero aun sólo eso constituye una valiosa herramienta y nos proporciona muchas posibilidades.

En un mundo en el que los periódicos y la televisión nos abruman con cifras todos los días, tener una idea de qué números son razonables y qué números no lo son me parece imprescindible. He oído muchas veces en la radio a gente "importante" jactarse de que los números y las matemáticas no son lo suyo. Esas mismas personas se echarían las manos a la cabeza si yo dijera que fui una vez a la ópera y me aburrí. Pero, bromas a parte, no creo que sea para jactarse no entender de números hoy en día, aunque sólo sea para llevar las cuentas de la economía de la casa.

He dicho antes que algunos autores de divulgación intentan utilizar las matemáticas lo menos posible. Esto se debe a que piensan que si un lector potencial hojea el libro y ve fórmulas y cuentas lo dejará a un lado. Tratan entonces de escribir libros que se lean sin esfuerzo. Y voy a ser sincero: si quiere leer este libro tendrá que hacer esfuerzos. No serán enormes, pero serán esfuerzos al fin y al cabo. En uno de sus libros, el gran astrónomo del siglo XVII Johannes Kepler decía al lector que, si se aburría siguiendo sus cálculos, no podía imaginarse lo que se había aburrido él haciéndolos. En definitiva, los grandes hombres de ciencia, que nos han dejado como patrimonio todo su saber, hicieron grandes esfuerzos personales por desentrañar las leyes de la naturaleza. Es vano pensar que vamos a entenderles sin un esfuerzo por nuestra parte.

Este libro

En este libro he intentado explicar de forma asequible algunos de los principios fundamentales de la física. Por supuesto, no están todos los principios de la física, tal cosa escaparía a mis posibilidades. He elegido sólo algunos, en parte por ser importantes, en parte porque me atraen especialmente, en parte porque los puedo explicar con cierta facilidad. No es mi objetivo dar una visión conjunta de toda la física, sino introducir al lector en el tipo de razonamiento que se usa en la física, en el cómo se construyen las teorías y se desarrollan las ideas.

Creo que todo el libro puede ser comprendido y seguido por un estudiante de bachillerato. Si algunos párrafos le resultan incompresibles, le ruego que no dé todo el libro por perdido, quizás en otro capítulo o unas líneas más abajo encuentre algo que le interese. Pretendo más despertar la curiosidad por los problemas de la ciencia que proporcionar una información completa y acabada.

La física es una ciencia experimental. Por eso he incluido, cuando me ha parecido posible, pequeñas demostraciones experimentales de los principios que trato de explicar. También al final de cada capítulo propongo algunos problemas relacionados con los principios expuestos. Con estos problemas intento hacer reflexionar al lector sobre lo que ha leído. En el estudio de la física los problemas son una parte fundamental. Uno no puede decir que ha comprendido un principio o una teoría a menos que sea capaz de aplicarlos a casos prácticos concretos. Estos casos prácticos permiten la mayoría de las veces ver sutilezas que nos habían pasado desapercibidas. Los problemas son de dificultad diversa y los he clasificado en tres grupos: elementales (marcados con una E), difíciles (marcados con una D) y muy difíciles (marcados con MD). Digamos que los problemas muy difíciles son para los alumnos de COU aventajados. Creo que, en general, los problemas que propongo no son fáciles, así que no se deprima si no resuelve ninguno, !`pretendo hacerme millonario cuando publique el libro de las soluciones, y todos ustedes vayan impacientes a la librería a comprarlo!

Como toda obra humana, este pequeño libro puede contener errores. Y alguno, a pesar mío, puede ser conceptual o de cálculo. Si encuentra alguno de estos errores, le estaré muy agradecido si me lo hace saber. Tanto para hacerme llegar sus críticas, como si desea que le aclare algún problema, atenderé encantado sus cuestiones en la dirección electrónica alberto @us.es.

La ciencia es una obra colectiva. Estudiar y comprender las teorías científicas y cómo nos revelan los misterios de la naturaleza es, sobre todo, un placer intelectual. Espero que este pequeño libro le haga disfrutar.