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Presentación

“Hoy no voy a hablar de conceptos refinados, teoremas sofisticados y demostraciones complicadas. Hoy deseo ofrecerles algo muy modesto: yo mismo. Les ofrezco todo lo que sé, mi manera de pensar y mis sentimientos. Les pediré atención estricta, diligencia de hierro y tesón incansable. Pero olvídenme si no piensan darme lo que es más importante para mí: su confianza, su simpatía y su amor. Les pido, en una palabra, lo más grande que ustedes pueden dar: a sí mismos”

Ludwig Boltzmann se presentó así a sus alumnos el primer día que dio clase. Dicen más estas palabras sobre el arte de la pedagogía que una carrera y un máster.

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Llámalo energía, mejor todavía

El miedo es el efecto de la energía negativa, nos dice Iker Jiménez. Afortunadamente en la red existen manuales donde explican cómo bloquear energías o personas negativas. Porque además de las cosas que dan miedo, parece ser que la energía negativa puede venir de otras personas con las cuales interactuamos o puede provenir también de nuestros propios hábitos. La energía negativa se combate con energía positiva, que básicamente consiste en decir que todo es maravilloso aunque no lo sea. Llevar un cartel que ponga “abrazos gratis” e ir abrazando a desconocidos por la calle da bastante energía positiva. Pero, sin duda, lo que más recarga, energéticamente hablando, es el desinterés por los problemas ajenos. Las personas con problemas son fuente de energía negativa – y malas vibraciones – y por eso debemos mantenerlas alejadas, para mantener positivo nuestro saldo de energía. Los problemas no existen, es la energía negativa.

Famoso conejo símbolo de una marca de baterías que no patrocina el blog. Imagen extraída de "Museo de la publicidad"

Famoso conejo símbolo de una marca de baterías que no patrocina el blog. Imagen extraída de “Museo de la publicidad

La energía, como metáfora de no se sabe muy bien qué, se ha convertido es un concepto ubicuo que tanto sirve para un roto como para un descosido. Pero ¿qué es la energía desde el punto de vista físico? En realidad la respuesta no es fácil. Con frecuencia las definiciones de energía que se enseñan en la escuela son demasiado abstractas y difíciles de comprender. Por eso, supongo, el concepto se ha desvirtuado hasta parecer abarcarlo casi todo. Quizás la forma más sencilla de definir energía es decir que es la capacidad de realizar trabajo. Es una abstracción matemática de una propiedad que todos los sistemas físicos poseen en función de su posición, movimiento, composición química, masa… , una propiedad que solo se manifiesta en interacciones con otros sistemas. Claro, que en física el concepto de trabajo tiene un significado diferente al que usamos cotidianamente. Decimos que se realiza trabajo cuando al aplicar alguna fuerza sobre un sistema, éste se mueve o se deforma. Si las fuerzas ocasionan variaciones temporales microscópicas y desordenadas, se dice que hay transmisión de calor. En el colegio nos enseñaron que la energía no se crea ni se destruye sino que solamente se transforma. Y así es, se trata de una ley de la naturaleza que hasta donde sabemos se cumple siempre, en todos los fenómenos naturales conocidos. El principio de conservación de la energía se recoge en la primera ley de la termodinámica. Significa que cierta magnitud numérica que mide una propiedad de los sistemas físicos, a la que hemos llamado energía, no cambia cuando algo sucede en la naturaleza. No es la descripción de un mecanismo sino el extraño hecho de que si calculamos ese número antes y después de que haya producido cualquier fenómeno de la naturaleza, ese número va a ser el mismo. Richard Feynman lo explica bastante bien usando la siguiente analogía:

Imaginemos que una madre deja a su hijo en una habitación en la que hay 28 bloques absolutamente indestructibles. El niño juega con los bloques todo el día, y cuando la madre vuelve a la habitación comprueba que, efectivamente, continúa habiendo 28 bloques. Todo sigue igual durante varios días, hasta que un buen día la madre se encuentra al regresar con que solo hay 27 bloques; pero acaba descubriendo que el bloque que falta está al otro lado de la ventana, seguramente arrojado allí por el niño. Conviene, pues, tener claro de entrada que en las leyes de conservación hay que estar seguro de que lo que uno está observando no puede escurrirse por las ventanas o a través de las paredes. Lo mismo podría ocurrir en sentido inverso si un amigo viniera a jugar con nuestro niño trayendo consigo más bloques. Es obvio que estas son cuestiones que hay que tener en cuenta cuando se habla de leyes de conservación. Ahora supongamos que otro día la madre cuenta solo 25 bloques, pero sospecha que el niño ha escondido los tres que faltan en su caja de juguetes. La madre le dice al niño que va a abrir la caja, y el niño le contesta que no se puede abrir. Pero como la madre es muy lista, le dice al niño: «Sé que la caja vacía pesa 1600 gramos y, como cada bloque pesa 300 gramos, lo que voy a hacer es pesar la caja». Teniendo en cuenta el número de bloques que ha contado, hace el siguiente cálculo:

Nº de bloques contados+(Peso de la caja – 1600 gramos)/300 gramos

y obtiene 28. Durante un tiempo obtiene el resultado apetecido hasta que un día no le salen las cuentas. Sin embargo, comprueba que el nivel de agua sucia en la pila parece distinto. Sabe que la profundidad del agua es normalmente de 12 centímetros, y que al haber un bloque sumergido en ella el nivel subiría 0.5 centímetro. Así pies, añade otro término a su cálculo:

Nº de bloques vistos+(Peso de la caja – 1600 gramos)/300 gramos+(Altura del agua – 12 cm)/0.5 centímetros

y de nuevo obtiene 28. A medida que el niño idea cosas nuevas, la madre, igualmente ingeniosa, va añadiendo términos a su suma, todos los cuales representan bloques, aunque desde el punto de vista matemático se trata de cálculos abstractos, puesto que estos bloques no son visibles.

Quisiera concluir mi analogía indicando lo que tiene en común este ejemplo con la conservación de la energía y lo que no. En primer lugar, supongamos que en ninguna de las ecuaciones anteriores se ven los bloques. El término “Nº de bloques vistos” no aparece nunca, de manera que la madre estará siempre calculando una serie de expresiones como “bloques en la caja”, “bloques en el agua”, etc. Con respecto a la energía hay, sin embrago, algo distinto, y es que, según parece, no existen bloques. Además, a diferencia de nuestro ejemplo, los números correspondientes a la energía no tienen por qué ser enteros. Habría que suponer pues que la madre pudiera obtener un valor de 61/8 bloques para un término y 7/8 de bloque para otro, lo que sumado a los 21 restantes daría los 28 correspondientes. Esto es lo que ocurre con la energía.

Lo que hemos descubierto respecto a la energía es que poseemos un esquema con una sucesión de reglas. A partir de cada conjunto diferente de reglas podemos calcular un número para cada clase distinta de energía; y cuando sumamos todos estos números, cada uno correspondiente a una clase distinta de energía, siempre obtenemos el mismo total. Pero no parecen que existan unidades abstractas como pequeñas bolitas. Es un hecho abstracto, puramente matemático, el que exista un número tal que siempre que se calcula da el mismo resultado. No puedo interpretarlo de mejor manera.
Esta energía tiene multitud de formas: se presenta como bloques en la caja, como bloques en el agua, etc. Existe energía ligada al movimiento, llamada energía cinética, energía ligada a la gravedad, llamada energía potencial gravitatoria, energía térmica, energía eléctrica, energía luminosa, energía elástica en los muelles, energía química, energía nuclear y también una energía que cada partícula tiene por el mero hecho de existir y que depende directamente de su masa. Ésta es una aportación de Einstein como todos ustedes seguramente saben. E=mc2 es la famosa ecuación de la ley que estoy hablando.

Richard P. Feynman
“El carácter de la ley física”

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El tiempo que fue

El tiempo pasa imperceptiblemente. Crédito: Chris Tennant

El tiempo pasa imperceptiblemente. Crédito: Chris Tennant

¿Qué es, pues, el tiempo? Si no me lo preguntan, lo sé; pero si me lo preguntan, no sé explicarlo. Estas palabras de San Agustín expresan muy bien la perplejidad humana frente al misterio del tiempo. Vivimos en el tiempo y sin embargo es muy difícil explicar qué es. ¿Es el tiempo una propiedad del mundo físico, existe al margen de nosotros, o es más bien una sensación mental? San Agustín lo tenía claro: el tiempo es un movimiento psíquico y no de la naturaleza, escribió. Lo que parece seguro es que, desde el punto de vista psicológico, pasado y futuro son totalmente diferentes. Recordamos el pasado, ignoramos el futuro. El tiempo fluye en un solo sentido. Como la flecha lanzada, la palabra dicha y la oportunidad perdida no regresan jamás. Sentimos remordimientos y tenemos esperanza.

Recuerdo que cuando era pequeña un tío mío compró una cámara de vídeo y nos grabó a los niños comiendo helado. Habíamos disfrutado con el helado pero sin lugar a dudas la mayor fuente de placer fue pasar hacia atrás la película para ver como parecíamos regurgitar el helado sobre los cucuruchos mientras la bola crecía más y más, contra todo pronóstico. Aquello nos causaba mucha risa, porque claramente era absurdo por mucho que el niño más dado a la escatología intentara reproducir la escena, días más tarde con un nuevo cucurucho, sacando de la boca el helado que se había introducido previamente. Vano – y desagradable – intento: como todo el mundo sabe, el helado solo se saborea una vez. Comer es un proceso irreversible. Como esta, cualquier escena vista al revés nos hace gracia de puro absurda: una flecha yendo hacia atrás y tensando un arco, un edificio reconstruyéndose solo después de una voladura controlada… son cosas que nunca veremos en la vida real porque lo hecho, hecho está. No se puede ir hacia atrás en el tiempo. Lo curioso es que, aceptando una descripción materialista del mundo, todos los fenómenos serían el resultado de movimientos atómicos que obedecen a las leyes de la física y – esto es lo extraño -, las leyes de la física son reversibles. Por ejemplo, si mi tío hubiera grabado con su cámara un planeta orbitando al Sol por efecto de la gravedad y pasado la película hacia atrás, hubiéramos visto exactamente lo mismo pero con el planeta girando en el otro sentido. La órbita seguiría siendo elíptica, barrería áreas iguales en tiempos iguales y su período de revolución al cuadrado seguiría siendo proporcional al cubo del radio orbital. La gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles son – se cree -, reversibles. Entonces, ¿cómo pueden las leyes de la física explicar los procesos irreversibles? ¿Cómo pueden explicar el paso del tiempo?

La culpa la tiene el segundo principio de la termodinámica que recoge una de las reglas del mundo: siempre se pasa del orden al desorden, no al revés. Esto en palabras técnicas es lo mismo que decir que un sistema tiende a aumentar su entropía. La entropía mide la distribución aleatoria de un sistema de modo que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Un sistema en una configuración ordenada, o improbable, tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable, similar a una distribución al azar. En este proceso aumenta la entropía. Imaginemos que lanzamos al aire cuatro monedas. De las dieciséis configuraciones posibles solo dos son ordenadas (cuatro caras o cuatro cruces) por lo que será más probable encontrar las cuatro monedas en una configuración desordenada. Si tuviéramos miles de monedas sería altamente improbable – aunque no imposible – que todas fueran caras o todas fueran cruces.

Ahora imaginemos un suceso cotidiano como echar un chorro de leche en una taza de café. El resultado será un café con leche de color marrón, más claro cuanta más leche hayamos echado, pero uniformemente marrón. Desde luego sería rarísimo encontrar la mitad de la taza blanca y la otra negra, o a cuadros negros sobre fondo blanco. También parece imposible volver a separar los dos líquidos. El proceso de hacer el café con leche fue sencillísimo, pero deshacerlo requeriría una serie de manipulaciones en un laboratorio, no sé exactamente cuáles pero imagino que complicadas. ¿Por qué? Supongamos por simplificar que las moléculas de café son negras y las de la leche son blancas. Estas moléculas se moverán sin parar chocando unas con otras, más rápido cuanto más calientes sean los líquidos. Si nos fijamos en cualquier colisión concreta entre moléculas, veremos que se acercan, chocan y rebotan en un proceso reversible. O sea, si pasáramos al revés una hipotética película en la que hubiéramos grabado los choques, seguiríamos viendo moléculas chocar de la misma forma. De hecho no podríamos distinguir cuando la película va en un sentido o en otro porque las colisiones moleculares son reversibles. Ahora bien, el sistema café con leche en su conjunto estará formado de millones de moléculas que se mueven al azar y es fácil comprender que la probabilidad de que estas se dispongan formando una cuadrícula es ridícula. O de que se queden las negras en un lado y las blancas en otro. Lo más probable es que se mezclen completamente dando lugar a un líquido de color café con leche. A relaxing cup of café con leche.

El universo y la taza de café tienen en común que ambos son – supuestamente – sistemas aislados. Conforme el universo evoluciona, su entropía también va aumentando. Un viaje atrás en el tiempo implicaría disminuir la entropía y ya vimos que esto no es posible. Para no violar la segunda ley de la termodinámica, el tiempo tendría que ir en un sentido y no en otro. La flecha del tiempo nunca regresa.

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El mecanismo del botijo

Siempre que escucho la expresión “es más simple que el mecanismo del botijo” pienso que el pobre botijo no merece esa consideración de paradigma de lo sencillo. El mecanismo del botijo es simple, sí, pero sobre todo es muy ingenioso.

Empecemos hablando del sudor. El sudor es básicamente agua segregada por unas glándulas, llamadas sudoríparas, que tienen los mamíferos en la piel. Como el agua necesita energía para pasar de estado líquido a gaseoso, o sea, para evaporarse, cuando el sudor de nuestra piel se evapora, extrae energía del cuerpo, en forma de calor, y nos refrescamos.  Gracias a este proceso de transpiración, conseguimos regular la temperatura corporal cuando hace calor o cuando realizamos alguna actividad física intensa. El único  mamífero que no tiene apenas glándulas sudoríparas es el cerdo y por esa razón necesita remojar su piel para refrescarse, recurriendo a los baños de barro cuando no le queda más remedio. Este hábito le ha dado al pobre guarro, puerco, cochino o gorrino fama de sucio.

Botijos

Un par de botijos (imagen extraída de la tienda virtual de la Alfarería La Fábrica, de Pereruela, Zamora)

Y volvamos ahora a los botijos. Los botijos están hechos de barro poroso por lo que parte del agua que contienen se filtra a través de sus paredes. Y entonces ocurre lo mismo que con el sudor: al evaporarse, el agua extrae calor lo que hace que el contenido del botijo se refresque. En definitiva, el botijo es una máquina frigorífica porque consigue extraer el calor de un foco más o menos frio (el agua) para cederlo a otro más caliente (el aire de un día de verano, por ejemplo). El sentido común – y la primera ley de la termodinámica – nos dice que este proceso es imposible a menos que haya un aporte adicional de energía. En el caso del botijo, esta energía la aporta el sol que evapora el agua de sus paredes.

En resumen, si queremos enfriar algo tenemos dos soluciones: ponerlo en contacto con algo más frio, por ejemplo de un bloque de hielo o nieve como se hacía en las neveras antiguas – de ahí el término ‘nevera’ -,  o aportar trabajo para hacer que el calor pase de un cuerpo a otro que está más caliente, que es lo que ocurre en el botijo o en las neveras modernas. Los modernos frigoríficos tienen un circuito cerrado por el que circula un líquido que se ve comprimiendo y expandiendo, evaporando y condensando, de tal manera que se va extrayendo calor del interior de la nevera. Para que esto ocurra, lógicamente, hace falta energía y por eso hay que enchufar las neveras a la corriente. ¿Y no se podría fabricar un frigorífico que funcionase con la energía del Sol, como los botijos?

Refrigerador construido usando dos vasijas y arena húmeda (imagen extraída de http://www.shtfmovement.com).

Al nigeriano Mohammed Bah Abba se le ocurrió la idea de meter una vasija de barro dentro de otra mayor y rellenar de arena el espacio entre ambas. La arena se moja y se procura que esté siempre húmeda de tal manera que el agua que se filtra a través de la pared de la vasija grande se evapora y enfría el interior de la vasija pequeña, al igual que ocurría en el botijo. El ingenio permite tener los alimentos refrigerados – y por tanto conservarlos mucho más tiempo – también en los lugares sin acceso a la electricidad.

Moraleja, no subestimemos el mecanismo del botijo.

Nota: yo al botijo siempre lo he llamado porrón pero por los visto un porrón es otra cosa.

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