jueves, 29 de agosto de 2013

El gato de Schrödinger (explicado a mis padres)

Con motivo de su 126 cumpleaños, Google  rindió el 12 de Agosto  homenaje a Schrödinger y su gato con el siguiente   "Doodle":
En esta entrada voy a intentar explicar la historia del famoso  gato de Schrodinger para que la puedan entender  los no expertos.  El gato es el protagonista de un experimento  imaginario  propuesto por el físico teórico Schrödinger, en 1935,  para poner de manifiesto los problemas en la interpretación de la "mecánica  cuántica" que él mismo había contribuido a desarrollar.   En dicho experimento imaginario,  se metía en una caja un gato,  un dispensador de veneno y un "sistema cuántico".  La activación del dispensador de veneno dependía del comportamiento del "sistema cuántico" lo que, como veremos ahora,  ponía   a los físicos ante una paradoja:  el gato tenía que estar vivo y muerto a la vez.

La teoría de los  "sistema cuánticos"  se parece a la de las  ruleta de casino:  de la misma manera que podemos decir que  hay un 50% de  probabilidad de que la bola caiga en las casillas rojas,  en el caso del "sistema  cuántico",  había un 50% de probabilidad de que se activase el dispensador de veneno (y otro 50% de que no se activase,  claro).   Pero, a diferencia del caso de la ruleta, los  "sistema cuánticos"  están a la vez  en los dos estados,  el que mata al gato y el que no lo hace.

Para entender por qué la "teoría cuántica" propone una visión de la naturaleza en la que debemos admitir que un sistema está en dos estados diferentes a la vez, debemos  retroceder   35 años  más en el tiempo, hasta 1900.  En aquel momento los físicos creían que la mecánica  de Newton,  que permitía entender las órbitas elípticas de los planetas, la caída de las manzanas, y en general el movimiento de los objetos que nos rodean, debería también explicar el movimiento de los componentes elementales de la materia, como por ejemplo los electrones,  descubiertos en 1897 por J. J. Thompson.  En la teoría clásica de Newton  el movimiento de un objeto, sea un planeta o una mosca,  se describe con conceptos que nos resultan intuitivos, como posición y velocidad, y como todo el mundo sabe,  un planeta  o una mosca  no pueden estar en dos sitios a la vez, o tener dos velocidades a la vez.

Por otro lado,  en 1900 la física de las ondas estaba completamente desarrollada y permitía describir fenómenos como la propagación del sonido o de la luz.  Al contrario que  moscas, manzanas y planetas,   una onda es un objeto que  puede estar en dos sitios a la vez.  Por ejemplo, las ondas sonoras de mi voz se escuchan a la vez en toda la habitación.      Así,  ondas y "corpúsculos", la horrible palabra que se usa para referirse  a  los objetos que, como los planetas o las manzanas,  están  gobernados por la teoría de Newton, eran entes  radicalmente diferentes.   Y aunque  la polémica sobre si la luz tenía naturaleza "corpuscular" u "ondulatoria", llevaba encima de la mesa más de dos siglos, dado que diferentes experimentos apoyaban ambas posibilidades,  no había ninguna duda de que planetas, manzanas y moscas eran corpúsculos.

En las dos primera décadas del siglo XX los experimentos empezaron a revelar la estructura de la materia a escala atómica. Así, se comprendió que todo, incluido nosotros, las manzanas, las moscas y los gatos, está hecho de átomos, de una cantidad extraordinariamente grande de átomos, dado que éstos son extraordinariamente pequeños.  Así, un virus está hecho de varios millones de átomos.  A su vez, se descubrió que en  cada uno de estos átomos los electrones se movían alrededor de un minúsculo núcleo, evocando la imagen del sistema solar, en las que los planetas se mueven alrededor del sol.   Aplicada a dimensiones tan minúsculas la teoría de Newton,  combinada con la teoría electromagnética desarrollada en el siglo XIX,    fallaba espectacularmente por dos motivos:

1)  Un electrón que se moviera  alrededor del núcleo emitiría ondas electromagnéticas,  como un teléfono móvil, perdiendo así su energía, lo cuál le llevaría al colapso, "cayendo" al núcleo en menos de un milisegundo. De hecho, el mecanismo  análogo haría que la tierra cayese sobre el sol, debido a la pérdida de energía por emisión de ondas gravitatorias, pero eso ocurririá en una escala de tiempo  de 10 billones de veces la edad del Universo y  para entonces  el sol habrá desaparecido.     Volviendo al hilo de lo que nos ocupa,  la teoría convencional de Newton y la teoría electromagnética nos dicen que los átomos no pueden ser estables.

2) Los experimentos indicaban que los electrones dentro de los átomos únicamente podían intercambiar energía con el resto del universo en cantidades discretas,   o "cuantos",   en contra de lo que se conocía sobre los corpúsculos, cuya energía podía ser variada en cantidades arbitrariamente pequeñas.  En cambio,   el comportamiento de la energía de los electrones en los átomos era matemáticamente igual al de las frecuencias de las ondas. Por ejemplo, en un xilofón cada tecla vibra a una conjunto discreto de frecuencias.

Así,  la teoría de Newton para los "corpúsculos" no podía explicar los resultados experimentales sobre el movimiento de los electrones dentro de los átomos, y estos tenían propiedades que recordaban matemáticamente a las ondas.  Este gran enigma,   y otros parecidos  que fueron emergiendo en las dos primeras décadas del siglo XX, se resolvieron cuando  varios físicos (Heisenberg, Dirac, Schrödinger) desarrollaron una teoría completamente nueva para describir el movimiento de los electrones, la teoría cuántica, cuya ecuación fundamental es la Ecuación de Schrödinger para describir el comportamiento de los corpúsculos, como los electrones, mediante una  "función de onda".

¿Qué es la función de onda y qué significa?.  Aquí es donde entra el casino cuántico en todo su esplendor. La "función de onda" nos informa sobre la probabilidad de encontrar  al electrón en un punto del espacio. El problema es que  el tamaño de las ondas podía ser realmente grande. Por ejemplo,  un electrón puede estar a la vez en todos los átomos de un cristal.  La teoría cuántica renunciaba así a asignar a los objetos una posición y una velocidad, y se limitaba a proporcionar una información probabilística que horrorizó a muchos físicos de aquella época, como Einstein y Schrödinger, que paradójicamente habían contribuido decisivamente a desarrollar la teoría. En este contexto histórico dijo Einstein una de sus frases más celebres: Dios no juega a los dados.

Lo cierto es que la teoría cuántica proporcionó una herramienta extraordinariamente eficaz para describir el comportamiento de los electrones y de las partículas fundamentales que se fueron descubriendo en las siguientes décadas. Estos éxitos, y las aplicaciones que se derivaron, como  el desarrollo de tecnologías como el transistor, los circuitos integrados,  la resonancia magnética y el laser, consiguieron que muchos se convirtieran en usuarios de la teoría sin entrar en el debate filosófico de qué diablos quiere decir que un electrón está en dos sitios a la vez, o que puede tener dos energías diferentes a la vez.

 Con su experimento imaginario, Schrödinger trataba de derribar la barrera psicológica que permitía a los físicos admitir que  los electrones y los átomos podían estar en dos estados a la vez, y los objetos "macroscópicos", como los  gatos, no.  Pero entonces,  ¿dónde está la barrera que separa el mundo clásico del cuántico?. El concepto de decoherencia responde a esa pregunta, pero esta historia la contaremos otro día.


jueves, 22 de agosto de 2013

Sepultados bajo una montaña de papeles

Recomiendo desde aquí la excelente y conmovedora  carta de "Despedida de una científica que está haciendo las maletas", escrita por la Doctora Amaya Moro-Martín,  investigadora del CSIC de brillante trayectoria que se va a trabajar a la NASA, tras terminar su contrato de 5 años de Ramón y Cajal, recibir la evaluación positiva del programa llamado I3  y no cumplir el Estado con los diversos compromisos contractuales,  plasmados en el BOE,  que deberían haber supuesto la convocatoria de una plaza con el perfil adecuado.

En su carta, dirigida a Rajoy pero que debería leer toda nuestra clase política,  la doctora Moro-Martín, le devuelve metafóricamente a Rajoy todos los certificados, BOES y documentos que había ido acumulando para incorporarse con un puesto permanente al sistema público de I+D.    Entre las 720 páginas de certificados, se incluye su doctorado en US, debídamente homologado, en un proceso del que puedo dar fe que requiere traducciones juradas, apostillas consulares y otros conceptos decimonónicos  que da vergüenza narrar.

Por supuesto,  lo esencial de todas esta historia es que España pierde talento, traiciona a gente brillante que envía como  emisarios  a informar al mundo de que no apostamos por la ciencia. Además, empeoramos nuestra "balanza cerebral" con los  EEUU, que  realiza  un fichaje excelente.   Pero es el asunto, quizá menor,  de los papeles el que me ha recordado una historia que quiero contar aquí.   Corría el año 2007 o 2008 y me presenté a una prueba de habilitación nacional. En aquellas pruebas, ahora substituidas por un trámite no presencial,  los candidatos nos sometíamos a un examen tipo oposición, con varias fases, ante un tribunal de 7 miembros. El ganador salía de allí con el derecho a presentarse a una plaza, pero para tan magro premio  el proceso tenía las trazas de una oposición de las de toda la vida.

Recuerdo viajar muy de madrugada desde Alicante a Madrid para el acto de entrega de los documentos. Recuerdo que me sentía ridículo portando una caja de cartón que contenía 7 carpetas archivadoras con   copias de decenas de  certificados de asistencia,   títulos,  artículos. Además, la caja contenía  una memoria de un proyecto docente y otra de un proyecto investigador.  Todo por septuplicado, porque había 7 miembros en el tribunal.  El pen-drive y los pdf habían sido inventados, pero la ley es la ley.  Me parecía ridícula mi  caja, que podía transportar en brazos sin problemas, pero al llegar a la sala donde se producía la entrega de documentos, vi que otros aspirantes portaban maletas de las que no caben en la cabina de un avión.

En el aula en cuestión,  estaban sentados los 7 miembros del tribunal, todos profesores de Universidad que habían sido elegidos por sorteo para evaluarnos. Eramos unos 10 o 15 candidatos, y únicamente 2 podían ganar el derecho a  presentarse a una plaza de verdad.  En los ojos de los miembros del tribunal se podía leer su entusiasmo: durante dos o tres semanas se pasarían horas  escuchando  a los candidatos contar su trayectoria académica, proyecto docente, y proyecto investigador, y tendrían que interrogarles al respecto.  Además,  deberían leerse las memorias de los proyectos docente e investigador, a 100 páginas por candidato, cosa que hicieron mientras los candidatos les dábamos la charla, literalmente.  

Comenzó el acto de entrega de documentación y los aspirantes fuimos llamados por orden alfabético.  Cajas de cartón y maletas fueron abiertas, y carpetas y archivadores empezaron a acumularse en 7 montones, uno delante de cada miembro del tribunal.  Recuerdo perféctamente que, al cabo de un rato, la catedrática de Málaga estaba literalmente oculta tras una montaña de papeles y aquello me pareció una metáfora excelente de lo  ridículo de nuestro sistema burocrático.   Afortunadamente el asunto de la habilitación que acabo de describir, y que fue un intento fracasado de acabar con el enchufismo en la contratación de profesores de Universidad,   ha sido simplificado notablemente. Desgraciadamente, seguimos homologando títulos de Princeton con apostillas de la Haya, y si algún premio Nobel se despista y quiere una cátedra en España, tendrá que pasar por la correspondiente acreditación antes de poder presentarse a una plaza, eso el día que vuelva a haber plazas.

Le deseo desde aquí lo mejor a Amaya Moro-Martín y a tantos otros que le han dado una oportunidad al I+D Español y les hemos fallado.

miércoles, 21 de agosto de 2013

WiTricity, adiós a los cables

Vuelvo de vacaciones y saco de la maleta un amasijo de  cables con los cargadores  del portátil, los móviles, la tablet, el Kindle y el cepillo de dientes.  Además de la incomodidad, hay algo inaceptable en el  anacronismo de  conectar  maravillas  tecnológicas del siglo XXI  a un triste cable.

Algo así debieron pensar los físicos de MIT que pusieron en marcha Witricity,  una empresa que está desarrollando la tecnología para permitir la transferencia de energía eléctrica sin cables.    Su aventura, que ya cabalga decididamente por la ruta que lleva de la I a la D, comenzó en 2006 cuando el físico teórico Marin Soljačić, con otros dos colegas,  retomó un problema que había escapado al genio de Tesla, hace más de 100 años: ¿se puede enviar, de forma eficiente,  energía eléctrica sin necesidad de usar cables?.   En pequeñas cantidades  es evidente que si, como comprobamos cada día al usar la radio, los teléfonos móviles  y los mandos a distancia, pero el proceso de   transmisión de ondas electromagnéticas  desde el emisor al receptor  apenas  transfiere energía y  además, es poco eficiente. Por ejemplo, si valoramos el rendimiento del sol en su tarea de enviar energía electromagnética a la tierra,  vemos que  el sol "derrocha"  una cantidad gigantesca de energía  irradiada en otras  direcciones.

  Por esto,  no es tecnológicamente viable  usar ondas electromagnéticas "viajeras" para transportar energía.   Por otro lado   cargas y corrientes generan  además otro tipo de campo electromagnético que, en lugar de viajar hasta el infinito a la velocidad de la luz,  apenas recorren una distancia comparable al tamaño del circuito que las genera y se conocen como campo cercano o modos evanescentes.

Soljačić  y colaboradores se  preguntaron si podría usarse el campo cercano  para transportar energía de un circuito a otro, sin necesidad de cables. Para responder a su pregunta,   aplicaron  un principio conocido desde los albores de la mecánica clásica y exportado después a todos los campos de la física: la resonancia.  Dos objetos que cuando están separados  oscilan con la misma frecuencia, intercambiarán energía de forma muy eficaz una vez que son acoplados, por débil que sea su interacción.  Como le enseñamos a nuestros alumnos en primero de carrera, una bobina de hilo  metálico se comporta como un oscilador con  una frecuencia natural de oscilación.  Por tanto, dos bobinas idénticas, débilmente acopladas,  intercambiarían fácilmente energía.   De acuerdo con las simulaciones de   Soljačić y colaboradores,  se podía transportar energía electromagnética de forma eficiente, sin cables, entre dos bobinas situadas a una distancia de hasta 8 veces su tamaño.

El equipo de Soljačić no se conformó con hacer la simulación  y decidieron hacer el experimento, que queda retratado en la imagen. La bobina de la izquierda está conectada a la red eléctrica.   La bobina de la derecha  está conectada a una bombilla de 60 Wattios.   Entre ambas, sin ningún cable que las conecte, posa el equipo de Soljacic que ilustra que la tramisión de energía no se ve afectada por su presencia y que además, no es perjudicial.

Soljačić (en el centro, con camisa a rayas) y colaboradores, y su  demostración de transmisión de energía eléctrica sin cables.  

La eficacia en el proceso de transmisión de energía en el experimento inicial, cercana a un 40% con bobinas separadas a 2 metros de distancia,  era un dato más que alentador para pensar en la aplicación masiva del principio  de transmisión de energía sin hilos a todos nuestros gadgets, y también a coches eléctricos.  Como ocurre casi siempre en el desarrollo de tecnología,  las aplicaciones se conciben post-facto. Por ejemplo,  con la tecnología de marcapasos actual, el cambio de las pilas requiere una intervención quirurjica que la recarga  inalámbrica  podría evitar.

Da vértigo pensar que en menos de dos años (2006-2007) Soljačić y sus colegas tuvieron tiempo de hacer las simulaciones,  el experimento y fundar la empresa WItricity. Con sede en Watertown (Massachusets), al lado de MIT y Harvard,  Witricity  cuenta ya con decenas de empleados, ha abierto una segunda sede en Utah, y ya está en números azules gracias a su "know-how" en el desarrollo de resonadores electromagnéticos, a pesar de que todavía no están comercializando a escala masiva  los cargadores inalámbricos que permitirán cargar móviles, portátiles, y hasta vehículos eléctricos.

De esta  historia yo saco varias lecciones.  Hay muchos problemas de física fascinantes que no tienen nada que ver con la nanoescala, las partículas subatómicas o la cosmología, es decir, los  campos de investigación de moda en física.   Es una buena idea intentar soluciones sencillas a esos problemas, incluso si gigantes como Tesla fracasaron en el empeño.  La solución a los problemas prácticos nace más a menudo del golpe  de inspiración de un individuo o un grupo pequeño de personas, que de las grandes estrategías de política científica definidas en planes quinqueniales o  buques insignia. Por último, la inversión que realiza la sociedad nortemericana en investigación, junto con acumulación de talento en universidades y centros de investigación,   continúa dándoles  resultados.

jueves, 1 de agosto de 2013

Dar pena o generar recursos propios.

Una persona sordo ciega con retraso mental severo requiere atenciones constantes y obviamente no puede ganarse la vida por si misma, es decir, no puede generar recursos propios.  Para estos casos hay previstas ayudas estatales, que se han visto reducidas, según se puede leer en la prensa y me confirma  un familiar que se gana la vida atendiendo un caso así.   Estas cosas dan pena.

La noche del martes 30 vi en las noticias la concentración de un grupo de "trabajadores del CSIC" ante el Ministerio de Economía  para hacer entrega de más de 235 mil firmas, incluída la mia,  para solicitar la liberación de fondos para evitar el colapso de la emblemática institución.  Yo vi la noticia en el canal de 24 horas de RTVE.  Mientras la voz en off del locutor informaba sobre el nuevo anuncio del ministro De Guindos de la inyección de los famosos 25 millones de euros,  las imágenes mostraban a un grupo de gente joven con el arrojo para concentrarse en la calle en pleno verano, con la que está cayendo.  

Es de suponer que entre los congregados estaban los impulsores de la recogida de firmas, que creo que cabe calificar como de éxito y a los que felicito desde aquí.   Sin embargo, durante 10 segundos en horario prime time,  se erigió como portavoz del I+D español un joven  que, entre otras cosas que perfectamente lógicas,  dijo una media verdad   que proyecta una imagen que no nos conviene. Lo que vino a decir es que el CSIC no podía conseguir recursos propios y por tanto necesitaba subvenciones públicas.  En este link se puede  ver el vídeo con la noticia (en la que no aparece la frase sobre la incapacidad para generar recursos propios).

Digamos que la idea  que proyectó el I+D español durante esos segundos en prime time me pareció más cercana a la de alguien que está dando pena que a alguien que puede valerse por si mismo y generar recursos propios.  Y no se trata de algo puntual.  Está muy extendida entre mis colegas la idea de que los científicos debemos hacer ciencia a un gran nivel  y no preocuparnos por las aplicaciones, ni por "generar recursos propios".  Un corolario de esta actitud es que nuestra financiación queda al pairo de la buena voluntad y disponibilidad financiera del gobierno de turno.

   ¿Puede el CSIC generar recursos propios?.  Desde el punto de vista legal si,  desde su conversión en Agencia Estatal en 2007.  Como reza el artículo 37, punto ,  del Real Decreto  de Creación de la Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas,  el CSIC se financiará, entre otros,   con
"a) Las transferencias consignadas en los Presupuestos Generales del Estado.
b) Los ingresos propios que perciba como contraprestación por las actividades que pueda realizar, en virtud de contratos, convenios o disposición legal, para otras entidades públicas, privadas o personas físicas."
Por otro lado,  desde el punto de vista práctico, el CSIC parece no estar consiguiendo suficientes fondos externos, a través de proyectos europeos o de contratos con empresas, por poner dos ejemplos específicos, como para  paliar  la causa primera de su calamitosa situación actual,  a saber, la reducción de la aportación estatal a través de los presupuestos.

Por tanto, es verdad a medias que el CSIC no puede generar recursos propios. Legalmente puede, pero en la práctica no lo consigue.   El problema se complica más aun porque incluso si se tiene la determinación de lograr "ingresos propios" ,  esto no se consigue en una escala de meses, que es el plazo de tiempo en el que se dirime el drama del CSIC.   Se tarda más de un año desde que se pone en marcha una petición de proyecto europeo hasta que se liberan los fondos. Además, estas convocatorias son extraordinariamente competitivas, y financian menos del  20% de las solicitudes.   Y la colaboración con empresas no es algo que se pueda improvisar en unos pocos meses, en especial porque no abundan las empresas españolas cuyo negocio sea la tecnología y requieran de asesoría y servicios por parte de los centros de investigación del CSIC.

Yo creo que sería deseable cambiar todo esto, pero para ello el primer paso no puede ser en ningún caso estrangular económicamente a una institución como el CSIC que, incluso si fuese percibida de forma errónea por parte de nuestros políticos como un centro de gasto sin beneficios tangibles, debería recibir el mismo tipo de protección que otras instituciones que encajan en la misma descripción y no están pasando el mismo calvario.   Creo que el gobierno debe dar un apoyo financiero claro y decidido al CSIC, entre otras cosas porque estamos hablando de cantidades de dinero que causan sonrojo, y para evitar hacer más daño a la marca España.  Por otro lado, y pensando en el medio plazo,  el CSIC debería hacerse mirar lo de los "ingresos propios".