La física raramente es objeto de atención mediática. La concesión anual de los premios Nobel, junto con algún descubrimiento ocasional, es el único evento que recuerda al público esa ciencia tan admirada como desconocida. Cuando esto sucede, la atención se centra en alguna cuestión particular: un nuevo estado de la materia, una nueva partícula elemental, un importante avance en cosmología o en nanotecnología. Al declarar 2005 Año Internacional de la Física, la UNESCO pretende llamar la atención de la sociedad, no sobre un descubrimiento concreto, sino sobre la física en su conjunto.
Es difícil exagerar la importancia de la contribución de la física a la humanidad. Sus descubrimientos han generado numerosos avances técnicos que han cambiado nuestras vidas. La física clásica dio lugar a la pila eléctrica, la turbina, la comunicación sin hilos, el motor de gasolina, la aeronáutica. La física del siglo XX ha generado la electrónica, el láser, la resonancia magnética, la telefonía móvil, Internet.
Una era dorada de la física
En muchos sentidos, la física es la primera y más fundamental de todas las ciencias. La biología se preocupa de la vida, la química de la diversidad de la composición de la materia, la matemática busca relaciones exactas entre conceptos ideales. La física es la única ciencia que tiene como objeto la descripción cuantitativa de toda la realidad material. Se ocupa de las propiedades íntimas del núcleo atómico y de la estructura global universo, de la comprensión de los sólidos, de los líquidos y los gases, de la evolución de las estrellas, de la electricidad y la electrónica, del calor, de la luz, de la atmósfera, de la tierra, del sistema solar, y de los procesos biológicos. Y aunque todas las aplicaciones prácticas son bienvenidas, no es el desarrollo técnico el principal objeto de la física. Su motor primero es la búsqueda del conocimiento. Cuando hay verdadero progreso científico, las aplicaciones técnicas llegan por sí solas.
En la actualidad, lejos de languidecer, la física parece estar viviendo una época de oro en la que no cesan de surgir horizontes nuevos. En conjunto, resulta asombrosa la comprensión cada vez más fina de las consecuencias de las leyes conocidas, así como la capacidad actual para manipular y diseñar la materia a escala atómica. La cosmología está todavía en sus comienzos, especialmente si recordamos que aún no se ha abierto la ventana de las ondas gravitacionales, cuya detección es uno de los máximos retos de la ciencia actual. La teoría de supercuerdas intenta unificar todas las fuerzas de la naturaleza. La meteorología pugna por la comprensión del cambio climático. La biofísica se nos presenta como virtualmente ilimitada. La nanociencia está sentando las bases de una nueva revolución tecnológica. El procesamiento de la información cuántica está revolucionando la criptografía y puede llevar a la creación de ordenadores con una capacidad ahora impensable.
Faltan vocaciones científicas
Tras la constatación de un escenario tan atractivo, cabría pensar que muchedumbres de estudiantes tendrían que estar llamando a las puertas de las facultades de física. Desgraciadamente, la realidad es otra. En todo el mundo occidental se percibe desde hace unos años una disminución del número de jóvenes que optan por la física. Siguen llegando estudiantes muy cualificados, pero en números demasiado reducidos. El fenómeno es común a otras ciencias, especialmente a la química y las matemáticas. ¿Por qué se produce esta tendencia?
Aunque la carrera de física desarrolla habilidades que son valoradas en muchos ámbitos de trabajo, la realidad es que su principal atractivo es la perspectiva de poder acceder al mundo de la investigación. Un alumno que disfruta con la física y las matemáticas pero que no se siente atraído por esa posibilidad, suele preferir los estudios de ingeniería. Esta elección se ve favorecida por una percepción generalizada de que la carrera investigadora es demasiado dura. Se necesitan muchos años de trabajo intenso para alcanzar unas metas de logro incierto. Pero merece la pena intentarlo, sabiendo que la formación adquirida es en sí misma gratificante y deja abiertas las puertas a otras trayectorias profesionales muy satisfactorias. Además, el libre desarrollo de una auténtica vocación creativa contribuye a la felicidad humana de un modo que no es evaluable en términos económicos.
Ciencia ignorada
Parte del problema es que nuestros jóvenes lo ignoran casi todo sobre el rumbo de la física actual. Los investigadores, en colaboración con los profesionales de la divulgación científica, deberíamos esforzamos más por darlo a conocer a la sociedad que financia nuestro trabajo.
Los planes de estudio de la enseñanza media ayudan poco. La física y las matemáticas se conciben como herramientas para ejercitar la inteligencia, pero no se dedica tiempo a que los alumnos aprendan a deleitarse en la armonía de la creación. Este planteamiento contrasta con el de otras asignaturas como el arte y la literatura, más enfocadas hacia la educación de la sensibilidad artística que hacia el desarrollo de habilidades concretas.
En este sentido, el primer contacto con la física no puede ser más desalentador: demasiados proyectiles siguiendo trayectorias parabólicas, trenes chocando y parejas de coches saliendo de Madrid y Barcelona para encontrarse en Medinaceli. Así es imposible competir con Internet o con los videojuegos. El imprescindible fomento de habilidades analíticas debería complementarse con una mínima exposición al panorama actual y a la historia tanto de la física como de las otras ciencias.
Ciencias y humanidades caminan juntas
Pero quizá la razón más profunda por la que en Occidente disminuye el número de vocaciones científicas es porque nuestra sociedad ha dejado de valorar el conocimiento por sí mismo. En la antigua Grecia, el amor a la sabiduría puso en marcha la reflexión racional del hombre sobre la naturaleza. La filosofía abrió paso a la ciencia y durante muchos siglos ambas caminaron juntas. Cuando la ciencia adquirió su definitiva fisonomía moderna después del Renacimiento, sus padres fundadores eran grandes humanistas.
Con el tiempo, una necesaria especialización de ambas ramas del saber llevó a un innecesario divorcio entre ellas. Así, alguien puede ser tenido como una persona culta ignorándolo todo sobre ciencia. Frente a esta arrogancia surge otra de signo opuesto que empieza por desestimar el conocimiento humanista para terminar ignorando el valor intrínseco de todo conocimiento, incluido el científico. En definitiva, los principales enemigos de la ciencia son el humanismo arrogante y el pragmatismo radical.
Amor al saber
Si a ese escaso aprecio por el saber añadimos un extendido hedonismo que valora mucho el bienestar material y poco el esfuerzo, no es de extrañar que los jóvenes esquiven no sólo las carreras de ciencias sino también otras opciones muy exigentes como -lo acabaremos viendo- los estudios de ingeniería o de medicina.
Nunca se resaltará lo suficiente que la ciencia básica es un engranaje esencial de ese círculo virtuoso sobre el que se asienta una civilización que progresa: La ciencia genera la técnica y ésta, junto con la economía y el derecho, crea la riqueza. El bienestar alcanzado permite el cultivo de la expresión artística y del pensamiento especulativo, que en su variante más analítica alimenta la ciencia. Cuando, por un pragmatismo miope o por una pedantería ilustrada, se abandona la ciencia fundamental -la que busca el conocimiento por sí mismo- se está minando el progreso económico y cultural de las generaciones futuras.
Debemos inculcar en nuestros jóvenes el amor al saber, la valoración del esfuerzo y el aprecio por una vida con metas altas.
El año de Einstein
La elección de 2005 como Año Internacional de la Física ha estado favorecida por la celebración del primer centenario del «annus mirabilis» de Albert Einstein, así como del quincuagésimo aniversario de su muerte, acaecida el 18 de abril de 1955.
Se habla de 1905 como el «año admirable», porque durante ese año Albert Einstein publicó cinco artículos de tal relevancia que cada uno de ellos por separado le habría asegurado un puesto de honor en la historia de la física. Semejante gesta la realizó con lápiz y papel, durante el tiempo libre que le dejaba su trabajo en una oficina de patentes, y con tan sólo 26 años de edad. Los artículos de 1905 tratan de tres temas diferentes: la explicación del efecto fotoeléctrico a través de la existencia del cuanto de luz (o fotón), la teoría del movimiento corpuscular aleatorio (o browniano) y la teoría de la relatividad especial (sin gravitación).
Einstein explicó el efecto fotoeléctrico proponiendo que la energía de un haz de luz no podía tomar cualquier valor sino que venía en paquetes discretos o cuantos de luz que hoy día llamamos fotones. En determinadas condiciones, cuando un sólido recibe luz, algunos electrones absorben esa mínima dosis de energía y son emitidos al exterior. Inspirado en la hipótesis que Max Planck formuló en 1900 para explicar la radiación de un cuerpo negro, el trabajo de Einstein supuso la confirmación definitiva de la existencia real del cuanto de luz. La era de la física cuántica había comenzado.
Ese mismo año publicó dos trabajos sobre el movimiento browniano, observado en 1827 por el botánico escocés Robert Brown en los granos de polen en disolución. Einstein se dio cuenta de que el movimiento errático de esos granos de polen de tamaño micrométrico, sólo observables mediante el microscopio, no era más que la ampliación de un movimiento aleatorio causado directamente por las colisiones con los átomos del líquido solvente.
La teoría atómica, confirmada
Desde su propuesta en la antigüedad por Demócrito a su formulación moderna por el químico Dalton y por los creadores de la teoría cinética de los gases, Boltzmann y Maxwell, el concepto de átomo había pasado de ser una mera especulación a una construcción mental considerada útil pero de dudosa realidad. Einstein investigó teóricamente la relación entre el movimiento browniano y el movimiento aleatorio de trillones de átomos. De este modo realizó la primera estimación del tamaño de los átomos, calculó de forma independiente el número de Avogadro (ese número gigante que equivale al número de moléculas de agua contenidas en una cucharada), y predijo una relación -luego comprobada experimentalmente- entre la difusión de los granos de polen y la viscosidad del solvente. Ante resultados tan contundentes, hasta los más escépticos se convencieron de la existencia real de los átomos. La teoría atómica de la materia había adquirido definitivamente carta de ciudadanía.
La tercera cuestión que Einstein afrontó en aquel año milagroso fue la formulación de la teoría de la relatividad especial, que ofrecía una visión completamente nueva del espacio y del tiempo en su relación con el movimiento de los cuerpos. Para explicar ciertos experimentos sobre la velocidad de la luz salvando las leyes del electromagnetismo que Maxwell había formulado medio siglo antes, Einstein postuló que la velocidad de un rayo de luz era la misma para todos los observadores con independencia de su estado de movimiento. Así llegó a concluir que la longitud de un objeto tiene un valor menor para un observador que se encuentra en movimiento con respecto a ese objeto, y que un reloj en movimiento mueve sus agujas más despacio que uno en reposo. Einstein no sabía que estos efectos habían sido predichos un año antes por otros científicos, principalmente por el físico holandés Hendrik Lorentz. Einstein fue más lejos y dedujo que la energía y la masa de un cuerpo estaban relacionadas a través de la expresión E=mc2, quizás la ecuación más famosa de la ciencia moderna.
El genio que cambió nuestras vidas
Los trabajos de Einstein de 1905 están en la base de muchos de los grandes avances científicos y tecnológicos del último siglo. La combinación de la teoría atómica y la física cuántica ha cambiado radicalmente nuestras vidas.
La teoría del movimiento browniano ha permitido ahondar en nuestra comprensión de la física estadística, las fluctuaciones y la irreversibilidad, con ramificaciones que van desde los motores moleculares que mantienen la vida hasta las oscilaciones erráticas del mercado de valores. La relación entre masa y energía ha permitido el desarrollo de la energía nuclear, con algunas consecuencias temibles pero también con aplicaciones pacíficas de las que nos beneficiamos a diario.
Asombrosamente, el trabajo más importante de Einstein, el que terminaría de coronarle como un icono de la ciencia sólo comparable a Isaac Newton, llegó unos años después, entre 1915 y 1917, con la formulación de la teoría de la relatividad general, que desvelaba la estructura del espacio-tiempo en presencia de gravitación. Se ha dicho a veces que los trabajos de 1905 estuvieron motivados por experimentos que preocupaban a muchos científicos. Sin Einstein, otros físicos habrían llegado a las mismas conclusiones, quizá con un retraso de unos diez años. Por el contrario, la relatividad general es fruto directo del genio individual de Einstein, quien se adelantó en varias décadas a su tiempo motivado únicamente por su creencia en la armonía de las leyes del universo. En 1919, una expedición germano-británica observó un eclipse total de sol y corroboró una de las predicciones más audaces: la desviación de la luz por efecto de la gravedad. Albert Einstein se convierte entonces en una celebridad mundial y en un mito para la historia.
Fernando Sols
Catedrático de Física
Universidad Complutense (Madrid)