¿Cómo hacer física cuando eres un manazas?

Esta entrada va dedicada a Leyre.

Leyre pregunta:

Estas preguntas son todo menos irrelevantes, nos las hacemos todos, desde todas las épocas y sus respuestas están llenas de buena ciencia. Recordemos que sabemos que los antiguos griegos postularon el concepto de átomo y ya les hubiera gustado “verlos”.

Voy a proponer dos maneras de ver lo pequeño.

1. Sólo no puedo, con amigos sí.

Si tengo un gran número de pequeñas unidades que “coordina” sus pequeñas propiedades microscópicas, estas pueden llegar a ser perceptibles macroscópicamente, mediante un efecto cooperativo.

Ejemplo sencillo en nuestra vida cotidiana: imagina que muchas personas se “alinean” para comprar en un tipo de establecimiento… o para dejar de hacerlo. Sus efectos se sentirán a gran escala.

Un ejemplo claro en la física son los imanes. En un pedazo de hierro sin imantar no es que no haya imanación. Hay pequeñas regiones que actúan como mini-imanes, pero cada uno apuntando en una dirección, así que no hay una imanación global. Pero cuando lo “imantamos” conseguimos alinear esos pequeños campos magnéticos de forma que producen un efecto macroscópico.

En la imagen puedes ver cómo se alinean según aumenta un campo magnético externo que les fuerza a colocarse en la misma dirección.

Fuente

2. Para ver lo pequeño… manda un pequeño mensajero

Nuestros ojos, nuestras manos, nuestras reglas y aparatos son… enormes, en comparación con estas cosas que queremos medir. Necesitamos ayuda de alguien muy pequeño.

Y ese “alguien”… puede ser, la luz.

La luz es una onda que se mueve a mucha velocidad (300.000 km/s) pero que además vibra muy rápido.

Piensa en que son dos cosas muy diferentes. Piensa en que vas andando y bailando. La velocidad con la que andas y la velocidad con la que bailas son diferentes. Podríamos menear las caderas muy rápidamente mientas avanzamos muy despacio y viceversa.

Como decía, el cambio de vibración es tan rápido, que podemos tener un cambio en una longitud de cientos de nanómetros, que sería como tomar un metro y hacerlo DIEZ MILLONES DE PARTES para tomar UNA, aproximadamente.

Al cambiar su vibración en un espacio tan pequeño, la luz resultará afectada por cosas así de pequeñas y podremos ver ese cambio.

Si enviamos luz contra un objeto que tenga agujeros, resaltes o estructuras del orden de ese tamaño, la luz será capaz de detectarlos y darnos esa información.

Te propongo un experimento.

Mira una luz lejana y poco intensa (para no hacernos daño) y cierra mucho los ojos, casi del todo. Vas a empezar a ver que salen como “rayos” de la luz. Eso es debido a los bordes irregulares del hueco tan pequeño que dejas en tu ojo pero que la luz es capaz de detectar.

Fuente

Así, viendo cómo cambia la luz, con qué forma “sale”, podemos llegar a deducir cuál es la forma de esa geometría micróscópica que queríamos conocer.

Pero los átomos son muy pequeños para esa “luz”, así que necesitamos algo que pueda detectar dimensiones menores aún.

La luz es una onda electromagnética, como las ondas de radio, las microondas, la luz ultravioleta, los rayos X o gamma, así que si queremos ver cosas más pequeñas, debemos usar ondas electromagnéticas que vibren en longitudes más pequeñas.

Fuente

Una técnica que nos ha permitido ver cómo se colocan los átomos en los sólidos se llama Difracción de rayos X y así hemos visto que pueden hacer formas tan bonitas como esta.

Animation of zincblende unit crystal cell.gif

Fuente

Un gran momento para la ciencia, fue usar esta técnica para averiguar qué forma tenía la molécula de ADN

Ahora sabemos que es una doble hélice de esta forma

Fuente

Pero esto se dedujo gracias a la foto que hizo Rosalind Franklin. La famosa “Foto 51”

File:Photo 51 x-ray diffraction image.jpg

Fuente

Watson y Crick recibieron el premio Nobel por haber dado con la geometría de la molécula y Rosalind quedó fuera del premio (un paso más en la dura historia de la mujer en la ciencia).

¿Cómo se puede deducir esa doble hélice a partir de esa fotografía de rayos X?

Esto es algo fascinante que sólo los que sabemos matemáticas podemos disfrutar. Con el tiempo, si sigues trabajando con ganas y teniendo buenos maestros como Andrés, tú también lo sabrás.

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