Física de lo imposible (3 page)

El fallecido Ted Taylor, diseñador de ojivas nucleares de Estados Unidos

Freeman Dyson, Instituto de Estudios Avanzados, Princeton

John Horgan, Instituto de Tecnología de Stevens, autor de
El fin de la ciencia

El fallecido Carl Sagan, Universidad de Cornell, autor de
Cosmos

Ann Druyan, viuda de Carl Sagan, Cosmos Studios

Peter Schwarz, futurólogo, fundador de Global Business Network

Alvin Toffler, futurólogo, autor de
La tercera ola

David Goodstein, profesor del Caltech

Seth Lloyd, MIT, autor de
Programming the Universe

Fred Watson, astrónomo, autor de
Star Gazer

Simon Singh, autor de
The Big Bang

Seth Shostak, Instituto SETI

George Johnson, periodista científico de
The New York Times

Jeffrey Hoffman, MIT, astronauta de la NASA

Tom Jones, astronauta de la NASA Alan Lightman, MIT, autor de
Einstein's Dreams
Robert Zubrin, fundador de la Sociedad de Marte Donna Shirley, programa Marte de la NASA John Pike, GlobalSecurity.org  Paul Saffo, futurólogo, Instituto para el Futuro Louis Friedman, cofundador de la Sociedad Planetaria Daniel Werthheimer,SETI@home, Universidad de California en Berkeley

Robert Zimmerman, autor de
Eeaving Earth
Marcia Bartusiak, autora de
Einstein's Unfinished Symphony
Michael H. Salamon, programa Más Allá de Einstein de la NASA Geoff Andersen, Academia de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, autor de
The Telescope

También quiero expresar mi agradecimiento a mi agente, Stuart Krichevsky, que ha estado a mi lado a lo largo de estos años orientándome en todos mis libros, y a mi editor, Roger Scholl, que con mano firme, sólido juicio y experiencia editorial ha sido un referente en muchos de mis libros. Asimismo deseo dar las gracias a mis colegas del City College y el Gradúate Center de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, en especial a V. P. Nair y Dan Greenberger, que generosamente me dedicaron su tiempo en fecundos debates.

I. Cuando un científico distinguido pero anciano afirma que algo es posible, es casi seguro que tiene razón. Cuando afirma que algo es imposible, es muy probable que esté equivocado.

II. La única manera de descubrir los límites de lo posible es aventurarse un poco más allá de ellos en lo imposible.

III. Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia.

L
AS TRES LEYES DE
A
RTHUR
C. C
LARK

«¡E
SCUDOS ARRIBA
!»

En innumerables episodios de
Star Trek
esta es la primera orden que el capitán Kirk da a la tripulación: elevar los campos de fuerza para proteger del fuego enemigo a la nave espacial
Enterprise.

Tan vitales son los campos de fuerza en
Star Trek
que la marcha de la batalla puede medirse por cómo está resistiendo el campo de fuerza. Cuando se resta potencia a los campos de fuerza, la
Enterprise
sufre más impactos dañinos en su casco, hasta que finalmente la rendición se hace inevitable.

Pero ¿qué es un campo de fuerza? En la ciencia ficción es engañosamente simple: una barrera delgada e invisible, pero impenetrable, capaz de desviar tanto haces láser como cohetes. A primera vista un campo de fuerza parece tan fácil que su creación como escudo en el campo de batalla parece inminente. Uno espera que cualquier día un inventor emprendedor anunciará el descubrimiento de un campo de fuerza defensivo. Pero la verdad es mucho más complicada.

De la misma forma que la bombilla de Edison revolucionó la civilización moderna, un campo de fuerza podría afectar profundamente a cada aspecto de nuestra vida. El ejército podría utilizar campos de fuerza para crear un escudo impenetrable contra misiles y balas enemigos, y hacerse así invulnerable. En teoría, podrían construirse puentes, superautopistas y carreteras con solo presionar un botón. Ciudades enteras podrían brotar instantáneamente en el desierto, con rascacielos hechos enteramente de campos de fuerza. Campos de fuerza erigidos sobre ciudades permitirían a sus habitantes modificar a voluntad los efectos del clima: vientos fuertes, huracanes, tornados. Podrían construirse ciudades bajo los océanos dentro de la segura cúpula de un campo de fuerza. Podrían reemplazar por completo al vidrio, el acero y el hormigón.

Pero, por extraño que parezca, un campo de fuerza es quizá uno de los dispositivos más difíciles de crear en el laboratorio. De hecho, algunos físicos creen que podría ser realmente imposible, a menos que se modifiquen sus propiedades.

El concepto de campos de fuerza tiene su origen en la obra del gran científico británico del siglo XIX Michael Faraday.

Faraday nació en el seno de una familia de clase trabajadora (su padre era herrero) y llevó una vida difícil como aprendiz de encuadernador en los primeros años del siglo. El joven Faraday estaba fascinado por los enormes avances a que dio lugar el descubrimiento de las misteriosas propiedades de dos nuevas fuerzas: la electricidad y el magnetismo. Faraday devoró todo lo que pudo acerca de estos temas y asistió a las conferencias que impartía el profesor Humphrey Davy de la Royal Institution en Londres.

Un día, el profesor Davy sufrió una grave lesión en los ojos a causa de un accidente químico y contrató a Faraday como secretario. Faraday se ganó poco a poco la confianza de los científicos de la Royal Institution, que le permitieron realizar importantes experimentos por su cuenta, aunque a veces era ninguneado. Con los años, el profesor Davy llegó a estar cada vez más celoso del brillo que mostraba su joven ayudante, una estrella ascendente en los círculos experimentales hasta el punto de eclipsar la fama del propio Davy. Tras la muerte de Davy en 1829, Faraday se vio libre para hacer una serie de descubrimientos trascendentales que llevaron a la creación de generadores que alimentarían ciudades enteras y cambiarían el curso de la civilización mundial.

La clave de los grandes descubrimientos de Faraday estaba en sus «campos de fuerza». Si se colocan limaduras de hierro por encima de un imán, las limaduras forman una figura parecida a una telaraña que llena todo el espacio. Estas son las líneas de fuerza de Faraday, que muestran gráficamente cómo los campos de fuerza de la electricidad y el magnetismo llenan el espacio. Si se representa gráficamente el campo magnético de la Tierra, por ejemplo, se encuentra que las líneas emanan de la región polar norte y luego vuelven a entrar en la Tierra por la región polar sur. Del mismo modo, si representáramos las líneas del campo eléctrico de un pararrayos durante una tormenta, encontraríamos que las líneas de fuerza se concentran en la punta del pararrayos. Para Faraday, el espacio vacío no estaba vacío en absoluto, sino lleno de líneas de fuerza que podían mover objetos lejanos. (Debido a la pobre educación que había recibido en su infancia, Faraday no sabía matemáticas, y en consecuencia sus cuadernos no están llenos de ecuaciones, sino de diagramas de estas líneas de fuerza dibujados a mano. Resulta irónico que su falta de formación matemática le llevara a crear los bellos diagramas de líneas de fuerza que ahora pueden encontrarse en cualquier libro de texto de física. En ciencia, una imagen física es a veces más importante que las matemáticas utilizadas para describirla).

Los historiadores han especulado sobre cómo llegó Faraday a su descubrimiento de los campos de fuerza, uno de los conceptos más importantes de la ciencia. De hecho, toda la física moderna está escrita en el lenguaje de los campos de Faraday. En 1831 tuvo la idea clave sobre los campos de fuerza que iba a cambiar la civilización para siempre. Un día, estaba moviendo un imán sobre una bobina de cable metálico y advirtió que era capaz de generar una corriente eléctrica en el cable, sin siquiera tocarlo. Esto significaba que el campo invisible de un imán podía atravesar el espacio vacío y empujar a los electrones de un cable, lo que creaba una corriente.

Los «campos de fuerza» de Faraday, que inicialmente se consideraron pasatiempos inútiles, eran fuerzas materiales reales que podían mover objetos y generar potencia motriz. Hoy, la luz que usted utiliza para leer esta página probablemente está alimentada gracias al descubrimiento de Faraday sobre el electromagnetismo. Un imán giratorio crea un campo de fuerza que empuja a los electrones en un cable y les hace moverse en una corriente eléctrica. La electricidad en el cable puede utilizarse entonces para encender una bombilla. El mismo principio se utiliza para generar la electricidad que mueve las ciudades del mundo. El agua que fluye por una presa, por ejemplo, hace girar un enorme imán en una turbina, que a su vez empuja a los electrones en un cable, lo que crea una corriente eléctrica que es enviada a nuestros hogares a través de líneas de alto voltaje.

En otras palabras, los campos de fuerza de Michael Faraday son las fuerzas que impulsan la civilización moderna, desde los bulldozers eléctricos a los ordenadores, los iPods y la internet de hoy.

Los campos de fuerza de Faraday han servido de inspiración para los físicos durante siglo y medio. Einstein estaba tan inspirado por ellos que escribió su teoría de la gravedad en términos de campos de fuerza. También yo me inspiré en los campos de Faraday. Hace años conseguí escribir la teoría de cuerdas en términos de los campos de fuerza de Faraday, fundando así la teoría de campos de cuerdas. En física, decir de alguien que «piensa como una línea de fuerza», se toma como un gran cumplido.

Una de las mayores hazañas de la física en los últimos dos mil años ha sido el aislamiento y la identificación de las cuatro fuerzas que rigen el universo. Todas ellas pueden describirse en el lenguaje de los campos introducido por Faraday. Por desgracia, no obstante, ninguna de ellas tiene exactamente las propiedades de los campos de fuerza que se describen en la mayor parte de la literatura de ciencia ficción. Estas fuerzas son:

• 1.
  Gravedad
  .
  La fuerza silenciosa que mantiene nuestros pies en el suelo, impide que la Tierra y las estrellas se desintegren, y mantiene unidos el sistema solar y la galaxia. Sin la gravedad, la rotación de la Tierra nos haría salir despedidos del planeta hacia el espacio a una velocidad de 1.600 kilómetros por hora. El problema es que la gravedad tiene propiedades exactamente opuestas a las de los campos de fuerza que encontramos en la ciencia ficción. La gravedad es atractiva, no repulsiva; es extremadamente débil, en términos relativos; y actúa a distancias astronómicas. En otras palabras, es prácticamente lo contrario de la barrera plana, delgada e impenetrable que leemos en las historias de ciencia ficción o vemos en las películas de ciencia ficción. Por ejemplo, se necesita todo el planeta Tierra para atraer una pluma hacia el suelo, pero nos basta con un dedo para levantarla y contrarrestar la gravedad de la Tierra. La acción de nuestro dedo puede contrarrestar la gravedad de todo un planeta que pesa más de seis billones de billones de kilogramos.
  
• 2.
  Electromagnetismo
  (EM).
  La fuerza que ilumina nuestras ciudades. Los láseres, la radio, la televisión, los aparatos electrónicos modernos, los ordenadores, internet, la electricidad, el magnetismo... todos son consecuencias de la fuerza electromagnética. Es quizá la fuerza más útil que han llegado a dominar los seres humanos. A diferencia de la gravedad, puede ser tanto atractiva como repulsiva. Sin embargo, hay varias razones por las que no es apropiada como un campo de fuerza. En primer lugar, puede neutralizarse con facilidad. Los plásticos y otros aislantes, por ejemplo, pueden penetrar fácilmente en un potente campo eléctrico o magnético. Un trozo de plástico arrojado contra un campo magnético lo atravesaría directamente. En segundo lugar, el electromagnetismo actúa a distancias muy grandes y no puede concentrarse fácilmente en un plano. Las leyes de la fuerza EM se describen mediante las ecuaciones de Maxwell, y estas ecuaciones no parecen admitir campos de fuerzas como soluciones.
  
• 3 y 4.
  Las fuerzas nucleares débil y fuerte
  .
  La fuerza débil es la fuerza de la desintegración radiactiva. Es la fuerza que calienta el centro de la Tierra, que es radiactivo. Es la fuerza que hay detrás de los volcanes, los terremotos y la deriva de los continentes. La fuerza fuerte mantiene unido el núcleo del átomo. La energía del Sol y las estrellas tiene su origen en la fuerza nuclear, que es responsable de iluminar el universo. El problema es que la fuerza nuclear es una fuerza de corto alcance, que actúa principalmente a la distancia de un núcleo. Puesto que está tan ligada a las propiedades de los núcleos, es extraordinariamente difícil de manipular. Por el momento, las únicas formas que tenemos de manipular esta fuerza consisten en romper partículas subatómicas en colisionadores de partículas o detonar bombas atómicas.
  

Aunque los campos de fuerza utilizados en la ciencia ficción no parecen conformarse a las leyes de la física conocidas, hay todavía vías de escape que harían posible la creación de un campo de fuerza semejante. En primer lugar, podría haber una quinta fuerza, aún no vista en el laboratorio. Una fuerza semejante podría, por ejemplo, actuar a una distancia de solo unos pocos centímetros o decenas de centímetros, y no a distancias astronómicas. (Sin embargo, los intentos iniciales de medir la presencia de esa quinta fuerza han dado resultados negativos).

En segundo lugar, quizá sería posible utilizar un plasma para imitar algunas de las propiedades de un campo de fuerza. Un plasma es «el cuarto estado de la materia». Sólidos, líquidos y gases constituyen los tres estados de la materia familiares, pero la forma más común de materia en el universo es el plasma, un gas de átomos ionizados. Puesto que los átomos de un plasma están rotos, con los electrones desgajados del átomo, los átomos están cargados eléctricamente y pueden manipularse fácilmente mediante campos eléctricos y magnéticos.

Los plasmas son la forma más abundante de la materia visible en el universo, pues forman el Sol, las estrellas y el gas interestelar. Los plasmas no nos son familiares porque raramente se encuentran en la Tierra, pero podemos verlos en forma de descargas eléctricas, en el Sol y en el interior de los televisores de plasma.