Bitácora de Física y Química

La electrónica usa la carga eléctrica de los electrones como propiedad de referencia en el diseño de los diversos dispositivos. El simple control de la corriente eléctrica, la posibilidad de amplificación o el diseño de dispositivos que pueden actuar como interruptores de corriente, han provocado en pocos años un avance tecnológico que ha revolucionado nuestras vidas. En los últimos años, y teniendo como punto de partida el trabajo de Albert Fert y Peter Grünberg (a los que se ha otorgado el Premio Nobel de Física 2007), nuevos dispositivos de lectura y almacenaje de datos empiezan a dejar obsoletos los dispositivos electrónicos. Fert y Grünberg descubrieron en los 1980s el fenómeno de la Magnetorresistencia Gigante (Giant Magnetoresistance, GMR). Los electrones que se desplazan en el seno de un material conductor, que además esté magnetizado, no se mueven igual si mantienen su spin orientado paralelo al campo o antiparalelo a él. El material ofrece una menor resistencia al paso de los electrones con spin paralelo. Los que tienen spin antiparalelo son dispersados más frecuentemente por las impurezas o irregularidades del metal o en la interface que separa dos metales en contacto. Para que este efecto sea notable los electrones deben recorrer distancias no muy grandes, ya que sino el spin no se mantiene invariable. Es decir, se necesitaría disponer de láminas cuyo espesor sea del orden de 10^-9 m (1 nm). El desarrrollo de la nanotecnología hizo posible, por tanto, las aplicaciones tecnológicas del efecto descubierto por Fert y Grünberg y entre éstas se encuentra la posibilidad de construir cabezas lectoras de dimensiones muy pequeñas, capaces de extraer la información almacenada en los minúsculos discos duros usados en reproductores de música de bolsillo, por ejemplo. Los nuevos dispositivos usan (esto es lo verdaderamente novedoso) el momento magnético interno de los electrones (spin), y no su carga, para su funcionamiento. Por eso se asegura que la spintrónica está naciendo y con ella la posibilidad de leer discos duros cada vez más pequeños o crear memorias RAM permanentes (MRAM), más potentes y versátiles que las actuales y que serán especialmente útiles en sistemas informáticos de pequeño tamaño.La spintrónica puede considerarse una hija de la nanotecnología, ya que sin la posibilidad de manejar dimensiones tan ínfimas no hubiera podido desarrollarse. Curiosamente las posibilidades tecnológicas de la spintrónica están sirviendo de verdadero motor para el desarrollo de la nanotecnología.Mas información:Premio Nobel de Física 2007 (contiene documento Fundación Nobel traducido del inglés)

Hoy ha sido un gran día. Y es que la propia presidenta de la Sección Territorial de Asturias de la Real Sociedad Española de Química, Marta Elena Díaz, se acercó hasta nuestro instituto para hacernos entrega del Premio a la labor bien hecha “Operi bene peracto 2007″ por el trabajo Geometría molecular en 3º de ESO. El acto de entrega, breve y sencillo, contó con la entusiasta presencia de los alumnos/as que el año pasado tuvieron que estrujarse el cerebro para conseguir construir moléculas (nada sencillas) uniendo las bolas de plastilina, que representaban los átomos, con los palillos que desempeñaban el papel de enlaces covalentes.

Como colofón del acto una magistral conferencia a cargo de Amador Menéndez :”Viaje al nanocosmos: cruzando la barrera de lo invisible y lo manipulable”. Y es que aunque el título asusta un poco hay que decir que a todos (también había profes de letras) nos mantuvo pegados a los asientos, atentos a no perdernos nada en un viaje alucinante con parada en la difracción de rayos X, microscopios electrónicos de barrido y de efecto túnel, estructura del ADN, nanotubos, fulerenos y demás. Amador, increiblemente, hacía pasar ante nuestros ojos todo aquello de una manera perfectamente comprensible, haciendo posible que nos asomáramos a mundos desconocidos y fantásticos. Todos aprendimos más en esa conferencia que en muchas clases. Estoy seguro. Así que nuestro agradecimiento a Amador.

Por mi parte reiterar el agradecimiento a la RSEQ, no sólo por el premio, sino por el trabajo de acercamiento a la enseñanza secundaria que están realizando y que, a mi juicio, es todo un acierto. A mis compañeros de departamento, Juan Rosas Villarraso y Manuel Ángel Pérez Vega, sin cuya colaboración y apoyo nada de esto sería posible y a todos nuestros alumnos/as, verdadera fuente de inspiración de todas y cada una de las iniciativas que aquí se realizan.

La idea surgió de repente, no estaba preparado. Habíamos terminando el tema dedicado al estudio del movimiento rectilíneo y uniforme (4º de ESO) y se me ocurrió la idea de organizar un concurso : “El problema perfecto”. Se puede participar en grupo o individualmente y el premio un viaje a Ningún Sitio. Los participantes disponían de quince minutos (lo que quedaba hasta el final de la clase) para preparar un problema, plantearse dos cuestiones y resolverlas. Se presentaron diez trabajos y entre ellos se eligió el que se consideró el más original o con mayores posibilidades (didácticas). Las felices ganadoras Clara, Lucía y Ruth, accedieron a posar para este blog.

El problema (perfecto) planteado se puede ver aquí:

¿Cuánto tiempo tardan en encontrarse? ¿A qué distancia del origen se encuentran?

 Y la solución (también perfecta) aquí: mru_1.pdf

Además de la solución propuesta, el problema puede resolverse considerando signo positivo para los vectores que apuntan hacia la izquierda, lo que convierte las distancias en positivas.

El concurso también proporcionó una auténtica sorpresa, lo que después se denómino ¡la bomba!. Uno de los grupos propuso un problema en el que tres puntos se movían hacia el origen con distintas velocidades: 

Se preguntaba cuánto tardaban en pasar por el origen (estaba correctamente resuelto), pero la auténtica bomba era la segunda pregunta ¿cuánto tardan en encontrarse (los tres)?. Aunque se daba una solución era incorrecta, ya que daba el tiempo que tardaban en encontarse dos de ellos, pero no los tres. El triple encuentro no podía darse con los datos de velocidad del enunciado.

Se propuso entonces replantear el problema dejando como incógnita una de las velocidades y calcular cuál debería de ser su valor para que los tres se encontraran:

La solución, aquí: mru_2.pdf

“Existen dos pilares fundamentales en los que se apoya la física moderna. Uno es la relatividad general de A. Einstein, que proporciona un marco teórico para la comprensión del universo a escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo. El otro pilar es la mecánica cuántica, que ofrece un marco teórico para la comprensión del universo a escalas mínimas: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y los quarks. A lo largo de años de investigación, los físicos han confirmado  experimentalmente, con exactitud inimaginable, la práctica totalidad de las predicciones que hace cada una de estas teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos conducen a una conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ciertas a la vez“

El primer párrafo del libro de Brian Greene (físico experto en teoría de cuerdas) marca la estructura de la obra. Después de un capítulo que sirve de introducción-planteamiento del problema (Atado con cuerdas), la segunda parte (El dilema del espacio, el tiempo y los cuantos) hace un magistral repaso a la Teoría de la Relatividad (Especial y General) y a la Física Cuántica para llegar a la conclusión de que el Principio de Indeterminación hace inviable la  teoría einsteniana cuando observamos el universo a escalas ínfimas (10^{-35 m}, longitud de Planck) debido a las fluctuaciones cuánticas previstas por dicho principio. Uno, que innumerables veces había encontrado descrito el principal conflicto planteado a la física en la actualidad (la incompatibilidad entre relatividad y cuántica), ha de confesar que nunca había logrado entender el verdadero por qué de dicha incompatibilidad. Pues bien, creo que Brian Greene ha sido es capaz (siempre dentro de un orden) de lograrlo.

A partir de aquí el libro se convierte en una apasionada descripción de la teoría de cuerdas. De ella se ha dicho que puede ser la teoría del todo (theory of everything, T.O.E.). Es decir, La Teoría, la base de todas las demás, la que no admitiría una explicación más profunda. Y es que tratar de dar respuesta a preguntas tan básicas (y tan difíciles de contestar) como: ¿por qué los electrones, protones, neutrones… etc,  tienen las propiedades (masa, carga…) que tienen y no otras?, ¿por qué las fuerzas básicas de la naturaleza son así y no de otra forma? nos lleva a niveles de profundidad difíciles de imaginar. Además, resuelve la incompatibilidad entre relatividad y teoría cuántica.

Según la teoría de cuerdas los componentes básicos del universo no son partículas elementales, sino diminutos filamentos unidimensionales que vibran. Su longitud es tan pequeña (aproximadamente la longitud de Planck) que no pueden ser “vistas” cuando exploramos la materia a distancias “tan grandes” como 10^-15 m (tamaño de un núcleo atómico). A esa distancia parecen puntos. Igual que la pantalla del ordenador aparece como una superficie contínua si se mira desde cierta distancia, aunque realmente esté compuesta de cientos de pequeños puntos o pixeles, sólo visibles si la observamos a distancias suficientemente cortas.

Los posibles modos vibratorios de las cuerdas darían lugar a lo que “desde lejos” apreciamos como partículas con masa o carga determinada (electrones, protones, quarks…). Pero la cosa no queda aquí, ya que la propia teoría propone una revisión áun más drástica que la propuesta por A. Einstein de los conceptos de espacio y tiempo.

Kaluza y Klein plantearon (ya en el primer cuarto del siglo pasado) que nuestro universo podría tener no cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal), sino cinco. La quinta dimensión sería semejante a un bucle circular de tamaño ínfimo (longitud de Planck), razón por la que pasa desapercibida. Kaluza demostró que si se aplicaba el formalismo matemático de la relatividad general a ese mundo pentadimensional, junto con las ecuaciones “ordinarias” de Einstein, aparecen otras que no son sino las que Maxwell había desarrollado para describir la interacción electromagnética. Añadiendo una quinta dimensión, Kaluza había unido la gravedad de Einstein con la teoría electromagnética de Maxwell.

Pero, como no podía ser de otra forma, siempre hay gente más audaz que lo más audaces. Posteriores revisiones de la teoría de Kaluza-Klein fueron añadiendo más y más dimensiones arrolladas… ¡hasta diez! (nueve espaciales, seis de ellas arrolladas y tres extendidas, y una temporal) que dan lugar a geometrías espacio- temporales fantásticas (formas de Calabi-Yau). Las vibraciones de las cuerdas en este espacio-tiempo fantástico constituirían la última realidad de nuestro universo.

Así las cosas lo que parecía ser una teoría única y total terminó derivando en cinco versiones diferentes: teorías Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIB, Heterótica-O y Heterótica-E. Esto implicaba que realamente existían varias soluciones, correspondiendo cada solución a un universo dotado de diferentes propiedades. Desde 1995 la tendencia es a pensar que en realidad las cinco teorías forman parte de un único marco unificado o Teoría M cuyas características esenciales serían:

• Tiene once dimensiones (una dimensión espacial arrollada más)
• Además de cuerdas vibratorias incluye otros objetos: membranas vibratorias bidimensionales (bibranas) y burbujas tridimensionalse (tribranas)

¿Alucinante? ¿Pura invención matemática de físicos teóricos? En todo caso yo aconsejaría no perderse el libro. Si todo lo dicho parece excesivamente complicado, pensemos que quien esto escribe no tenía la menor idea antes de leerse el libro. Ahora, incluso puedo escribir un post sobre ello, seguro que lleno de inexactitudes, pero como aproximación no está mal. A lo mejor hemos de transmitir a nuestros alumnos/as que puede haber algo más allá de los electrones, protones y neutrones de toda la vida. Quien sabe. A lo mejor en ese pupitre, con quince años recién cumplidos, te escucha un nuevo Kaluza.

Más información:

Artículo de Brian Green sobre la teoría de cuerdas

Entrevista a B. Greene

Entrada en Wikipedia

The Official String Theory Web Site

Theoretical physics fun

Vídeos

Entrevista a  Juan Martín Maldacena, físico experto en teoría de cuerdas. Entrevista realizada para Cara a cara de CNN+. Tres vídeos de 10 min cada uno.  

Ver entrevista Maldacena

Los enigmas que oculta el universo. Programa Redes (La2). Tres vídeos de 10 min cada uno

Los enigmas que oculta el universo

The elegant universe. Colección de vídeos (24 episodios) de la producción de la BBC dedicada al libro (en inglés)

The elegant universe

A lo que parece, vivimos en la sociedad de la información y ésta fluye en todas las direcciones y sentidos, pero en nuestras aulas el sentido predominante es profesor-alumno. El flujo en sentido contrario es más bien escaso, sobre todo en lo que se refiere a la labor del profesor y a cómo se desarrollan los contenidos de las asignaturas. ¿Por qué no preguntar sobre lo que se estudia y cómo se estudia? Probablemente las respuestas nos den pistas de qué cosas van bien y cuáles hay que reformar. Si esto es un blog, y lo que se comente puede servir a otros profesores, ¿por qué no hacer públicos los resultados?

Abrimos nueva sección: Mi opinión, en ella los propios alumnos/as irán manifestando su parecer sobre las distintas unidades didácticas una vez completadas en clase. ¡A ver qué resulta!

La Real Sociedad Española de Química (RSEQ) acaba de convocar el I Concurso de Comics de Mendeléiev con el objetivo de difundir y promover la figura y obra del químico ruso en el centenario de su muerte. El concurso va dirigido a estudiantes de secundaria obligatoria, bachillerato y universidad y consta de un único premio de 300 € para cada una de las categorías, que se entregará en Madrid el 23 de noviembre. Quien quiera concursar deberá enviar su trabajo (formato papel o digital y antes del 19 de noviembre) a:

Lourdes Lozano

RSEQ. Facultad de Ciencias Químicas

Universidad Complutense de Madrid

Ciudad Universitaria s/n

28040. Madrid.

Más información: comicsmendeleiev.pdf