"Divulgación científica" que confunde en The Conversation

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La sección española nació en 2018, y está dirigida por el periodista Rafael Sarralde (@rafasarralde). En su primer año de vida ha publicado más de 880 artículos que han superado los 10 millones de lecturas. Sale a una media de más de 10000 lecturas por artículo. He leído algunos de estos artículos y muchos son de calidad, aunque hay algunos bastante malos.

Hoy me he encontrado precisamente con uno que, además de no tener la calidad que debería caracterizar a este tipo de plataformas, considero que su lectura hace más mal que bien a los estudiantes universitarios y de bachillerato que todavía no dominan la física moderna. Se trata del artículo "La relatividad de Einstein también obliga a redefinir el concepto de masa" de Manuel D. Barriga-Carrasco, profesor del Área de Mecánica de Fluidos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales en la Universidad de Castilla-La Mancha, según esta misma plataforma.

El artículo, a pesar de ser corto, está plagado de párrafos que inducen a la confusión a los estudiantes, algunos de ellos rotundamente falsos. Voy a intentar explicar, punto por punto, por qué estos párrafos, que constituyen la mayor parte del artículo, no deberían formar parte de un artículo de divulgación científica.

¿Es el electromagnetismo de Maxwell una teoría clásica?

Ya el primer párrafo induce a confusión:

"Hasta el siglo XIX existía lo que conocemos como física clásica (como el electromagnetismo). Pero a finales de ese siglo y principios del siguiente tuvieron lugar una serie de experimentos que no podían explicarse mediante esa física clásica. Para explicarlos surgieron una serie de teorías (que no suposiciones) que se englobaron en lo que se llamó física moderna: la física cuántica y la teoría de la relatividad general."

En física, el término "física clásica" puede hacer referencia a dos cosas distintas. En su uso más habitual se utiliza para la física que no es cuántica. No obstante, por el contenido del párrafo se desprende que aquí el autor está usando el término "física clásica" para la física que, además de no ser cuántica, tampoco es relativista. Así, lo que un estudiante que lea esta primer párrafo "aprende" es que el electromagnetismo es una teoría que pertenece a la física que no es ni cuántica ni relativista. Después de todo, el electromagnetismo es una teoría que completó Maxwell en el siglo XIX, mientras que la relatividad y la mecánica cuántica datan de principios del siglo XX.

Sin embargo, es falso que el electromagnetismo sea una teoría clásica, en el sentido de no relativista. Las ecuaciones que gobiernan la teoría electromagnética de Maxwell no son invariantes ante las transformaciones de Galileo, sino ante las transformaciones de Lorentz. De hecho, este es el motivo por el que la física entró en una profunda crisis a finales del siglo XIX. Había una incompatibilidad entre las leyes del electromagnetismo, el principio de relatividad y la ley de suma de velocidades. El electromagnetismo de Maxwell sólo es consistente, es decir, sólo existe como teoría, en el contexto de la relatividad especial, es decir, si descartamos la ley de suma de velocidades y la sustituimos por el principio de localidad. Se trata de una teoría que no es cuántica, pero sí es relativista. Si queremos dar un ejemplo de una teoría que sea clásica, con el significado de "ni cuántica ni relativista", tenemos una que conoce casi todo el mundo: la física de Newton.

¿Estudia la física cuántica las propiedades ondulatorias de las partículas y las propiedades de discretización de las ondas?

El artículo continúa:

"La física cuántica está relacionada con el mundo de los objetos muy pequeños. Hablamos del mundo subatómico, donde suceden fenómenos que la física clásica no puede explicar. Para la física clásica hay dos grandes mundos: el de las partículas y el de las ondas. Ambos están separados, o te comportas como una partícula o como una onda. Para la física cuántica estos dos mundos son el mismo: las partículas se comportan como ondas y las ondas como partículas. Por eso se puede dividir la física cuántica en dos partes, una que estudia “las propiedades ondulatorias de las partículas” y otra que estudia “las propiedades corpusculares de las ondas”.

Claro, los trabajos de Planck y Einstein nos hicieron descubrir que la luz, que es una onda, tiene propiedades de partícula, porque está discretizada en fotones. Análogamente, después descubrimos que el electrón, que es una partícula, tiene propiedades de onda porque experimenta el fenómeno de la difracción.

Pues no. La física cuántica no "se puede dividir" en la parte que estudia "las propiedades ondulatorias de las partículas" y la que estudia "las propiedades corpusculares de las ondas". El mundo no está separado en "partículas", como por ejemplo el electrón, y "ondas", como por ejemplo, la luz, aunque digamos que esas "partículas" tienen propiedades de onda y esas "ondas" tienen propiedades de partículas. Tanto los electrones como los fotones que constituyen la luz son partículas cuánticas. No son ni partículas con propiedades de onda ni ondas con propiedades de partícula. Ambos son de la misma naturaleza. Son excitaciones de campos cuánticos. Ni siquiera podemos decir que el estudio de lo que se suelen llamar "cuasipartículas", como los fonones, sea una parte distinta de la física cuántica. Después de todo, sabemos que el Modelo Estándar, que tan bien explica el comportamiento de fotones, electrones y demás partículas elementales, es una teoría efectiva de baja energía, de la misma forma que el campo cuántico cuyas excitaciones son los fonones es un campo efectivo con otra región de validez.

¿Coincide la relatividad general con la física de Newton para velocidades pequeñas?

"La teoría de la relatividad general, publicada en 1915 por Albert Einstein, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana para objetos que se mueven a velocidades próximas a la velocidad de la luz. Coincide numéricamente con la newtoniana para velocidades pequeñas, a las que nosotros estamos acostumbrados en nuestra vida diaria."

La relatividad especial, en el límite de velocidades pequeñas (comparadas con la velocidad de la luz en el vacío) da predicciones numéricas que coinciden con las de la física de Newton. Esto es así porque, para velocidades bajas, las transformaciones de Lorentz se reducen a las transformaciones de Galileo, la cantidad de movimiento relativista se reduce a la de la física de Newton, y lo mismo le ocurre al trabajo relativista.

Sin embargo, la relatividad general es una teoría de la interacción gravitatoria que no se reduce a la gravitación de Newton en el límite de bajas velocidades. Como ejemplo sencillo, tenemos el de la dilatación temporal entre relojes en reposo situados a distintas profundidades de los pozos gravitatorios. Para obtener con la relatividad general predicciones numéricas que concuerden con las de la gravitación newtoniana es necesario, además de hacer el límite de bajas velocidades, hacer el límite en el que el campo gravitatorio sea débil. En este límite, por ejemplo, la componente $00$ del tensor métrico se puede escribir de la forma$$
g_{00}=1+\frac{2\phi}{c^2}
$$

¿Es condición necesaria para entender la relatividad especial entender previamente la física de Newton?

"Para entender la relatividad especial hay que conocer primero la clásica."

Parece evidente, ¿verdad? Todo el mundo aprende primero física de Newton y, una vez que entiende sus fundamentos, entonces ya puede ponerse a estudiar relatividad especial.

Pero esto, aunque es conveniente desde el punto de vista pedagógico en muchos cosas, no es una condición necesaria. La relatividad especial es una teoría completa que no necesita de la física de Newton, ni para ser formulada ni para ser enseñada. De hecho, he tenido estudiantes en 1º de Bachillerato a los que he enseñado por las tardes de forma voluntaria los fundamentos de la relatividad especial antes de que por la mañana aprendan los fundamentos de la física de Newton. Se puede ver aquí, en los vídeos del Curso de Relatividad para estudiantes de bachillerato que no es necesario conocer las leyes de Newton para seguir el curso. En la Licenciatura en Física de la Universidad de Córdoba que yo estudié, los fundamentos de la relatividad especial los estudiamos al principio de la asignatura de Física General, en el primer año, nada más entrar en al universidad.

Otro tema interesante es si esto mismo se puede aplicar a la mecánica cuántica. ¿Se puede aprender mecánica cuántica sin saber mecánica clásica? Como se dice en el primer capítulo del volumen 3 del Curso de Física Teórica de Landau y Lifshitz, al contrario de lo que ocurre con la relatividad especial  (que se puede construir sobre la base de sus propios principios fundamentales sin hacer uso de la mecánica newtoniana), en el caso de la mecánica cuántica es imposible formular sus conceptos fundamentales sin utilizar la mecánica clásica. Los aparatos de media que se utilizan para definir los observables mecanocuánticos son esencialmente sistemas físicos clásicos que miden sólo propiedades clásicas como la posición y el momento lineal. Para poder describir mediante la mecánica cuántica cualquier experimento hay que poner en algún sitio el denominado "corte de Heisenberg", el punto a partir del cual empezamos a describir el aparato de medida clásicamente.

Sin embargo, el sitio concreto donde poner el corte de Heisenberg no tiene significado físico, siempre que éste esté puesto más allá de la escala de decoherencia. El fenómeno de la decoherencia nos muestra que los estados del sistema macroscópico que constituye el aparato de medida, y cuyas probabilidades están bien definidas, son los autoestados de la matriz densidad y, por tanto, son exactamente aquellos que podemos identificar con los estados "clásicos" de un colectivo de la mecánica estadística. Los correspondientes autovalores con las probabilidades predichas por la mecánica cuántica para el resultado de la medición. Es decir, la decoherencia nos da la frontera a partir de la cual nos podemos olvidar de la mecánica cuántica, porque la descripción clásica es ahí equivalente, pero este corte de Heisenberg lo podemos poner donde queramos siempre que estemos más allá de esa frontera. El punto donde está el corte de Heisenberg no tiene significado físico, no es algo que esté en la naturaleza, sino en la mente de cad físico. Los aparatos de medida, en su totalidad, también son cuánticos, aunque necesitemos que tengan límite clásico y que estén en ese límite en el experimento para poder definir los observables de los demás sistemas cuánticos. Por eso, aunque en la práctica la construcción de la mecánica cuántica como teoría necesite de la clásica, la cuántica es la teoría que describe la naturaleza a nivel fundamental, y la mecánica clásica se obtiene como límite de la cuántica en determinadas condiciones. Todo en el universo es cuántico, pero sí es verdad que en la misma construcción de los observables cuánticos y en su forma de aprenderlos en clase necesitamos utilizar los conceptos de la mecánica clásica.

¿Son los sistemas inerciales aquellos que se mueven a velocidad constante uno respecto de otro?

"Los sistemas de referencia inerciales son aquellos sistemas que se mueven a velocidad constante uno con respecto a otro."

Si tomamos al pie de la letra esta definición, nos encontramos con que ser inercial no es una propiedad que puede o no tener cada sistema de referencia, sino cada par de sistemas de referencia. Cogemos dos sistemas de referencia. Si la velocidad entre ellos es constante, entonces ambos son inerciales, ¿verdad?

Pues esto tampoco es correcto. Si voy con mi coche a 100 km/h, y tengo detrás a un camion que marcha a 90 km/h, y ambos pegamos un frenazo de forma que frenamos con la misma aceleración, entonces la velocidad que tiene mi coche respecto del camión será siempre de 10 km/h. Como la velocidad relativa entre el coche y el camión es constante, entonces, de acuerdo con esta definición, ambos sistemas de referencia, tanto el del coche como el del camión, serán inerciales.

El problema es que ni el coche ni el camión en este ejemplo son sistemas de referencia inerciales. En el sistema de referencia del coche, mi teléfono móvil, que estaba inicialmente en reposo sobre el asiento del copiloto, empezó a acelerar hacia delante en el momento en que apreté el freno, y acabó estrellándose contra la guantera. Y lo mismo podemos decir del muñeco de Elvis que tenía el camionero en al cabina. Ni el coche ni el camión son sistemas inerciales porque en ellos el espacio no es isótropo. Hay una dirección privilegiada, hacia delante, hacia la que aceleran los cuerpos solos, sin que se aplique sobre ellos ninguna fuerza. Equivalentemente, podemos decir que ni el coche ni el camión son sistemas inerciales porque en ellos no se cumple la ley de inercia.

No sólo en este tipo de artículos malos de "divulgación" se pueden encontrar definiciones incorrectas de qué es un sistema inercial. En libros y apuntes de bachillerato también he visto definir sistema inercial como "Un sistema que se mueve a velocidad constante". A velocidad constante, ¿respecto de qué? Sin dar ese dato, esta frase no tiene sentido, ni siquiera en física de Newton, ya que la física de Newton también está basada en el principio de relatividad.
  

Al pasar de la física no relativista a la relativista, ¿Se conservan las leyes?

"Este fue el origen de la teoría de la relatividad especial, y a su vez de parte de la física moderna. Pero ¿cómo será la relatividad especial? ¿Cambiarán los conceptos clásicos como espacio, tiempo, masa y energía? ¿O cambiarán las leyes fundamentales de la física?

El Universo es tal como es ya que se cumplen las leyes de la física, por lo tanto es más lógico pensar que las leyes se conservan, mientras que tendremos que redefinir los conceptos clásicos de espacio, tiempo, masa, impulso, fuerza y energía para que estén de acuerdo con los nuevos postulados de Einstein.

Por ejemplo, en la relatividad clásica, si a una masa se le aplica una fuerza, esta masa experimentará una aceleración proporcional a esta fuerza e inversamente proporcional a su masa. Si se le sigue aplicando esa fuerza durante un tiempo suficientemente largo, la masa podría adquirir una velocidad mayor que la de la luz según la dinámica clásica, y esto no es posible según los postulados de Einstein.

Por tanto, se requerirá redefinir el concepto de masa y, del mismo modo, otros conceptos clásicos."

Este párrafo es ya la guinda del pastel envenenado. No voy a discutir que el "El Universo es tal como es ya que se cumplen las leyes de la Física". Pero esas leyes de la física que gobiernan el comportamiento del universo no son las leyes de la física no relativista y no cuántica. Cuando descubrimos que el mundo es relativista y cuántico, lo que aprendimos es precisamente que las leyes de la física con las que estábamos trabajando no sirven para describir el universo a nivel fundamental. Es una barbaridad decir que "las leyes se conservan" tras este descubrimiento. El hecho de que antes pensábamos que esas leyes obsoletas gobernaban el universo no significa que esas leyes han gobernado y siguen gobernando el universo. Ni valían antes ni valen ahora, sólo que ahora lo sabemos y antes no. Tanto la relatividad como la mecánica cuántica consisten precisamente en un cambio en los principios fundamentales de la física y, si cambian los principios fundamentales, también cambian las leyes que de ellos se derivan.

Es un error muy común pensar, por ejemplo, que en mecánica relativista se sigue cumpliendo la ley $\vec{F}=m\vec{a}$, sólo que en relatividad estamos obligados a meter en esta fórmula una masa que depende de la velocidad. Pero la relatividad no dice eso. La fuerza total $\vec{F}$ que se aplica sobre un cuerpo es igual a la derivada de su cantidad de movimiento con respecto del tiempo. Pero, como en relatividad la cantidad de movimiento ya no es $\vec{p}=m\vec{v}$, sino $\vec{p}=\gamma(v) m\vec{v}$, al derivar respecto del tiempo ya no se obtiene $\vec{F}=m\vec{a}$. Como se explica en cualquier libro de Física General de los que se usan en la universidad el primer año, en mecánica relativista la relación entre la fuerza aplicada y la aceleración del cuerpo es distinta para el caso en que la fuerza se aplique paralelamente o perpendicularmente a la velocidad. En un caso la constante de proporcionalidad es $\gamma^3(v) m$ y en el otro $\gamma(v) m$. Este es el motivo por el que, en cualquier libro serio de relatividad, se define la masa de un cuerpo como el invariante relativista $m$, y jamás se utiliza un concepto de masa dependiente de la velocidad, como explica Jose Luis Crespo en este vídeo:

Crespo es de los pocos youtubers a los que se les nota que sí se informa y se prepara bien los temas, consultando a expertos antes de hacer los vídeos.

Es cierto que la relatividad conlleva una redefinición de los conceptos de espacio, tiempo, masa, etc. Pero el motivo no es para que las leyes se conserven al introducir los nuevos postulados. Las leyes no se conservan. El motivo es bastante más sutil. Como explica Kuhn en La Estructura de las revoluciones científicas, "puesto que los nuevos paradigmas nacen de los antiguos, incorporan ordinariamente gran parte del vocabulario y de los aparatos, tanto conceptuales como de manipulación, que previamente empleó el paradigma tradicional. Pero es raro que empleen exactamente del modo tradicional a esos elementos que han tomado prestados. En el nuevo paradigma, los términos, los conceptos y los experimentos antiguos entran en relaciones diferentes unos con otros. El resultado inevitable es lo que debemos llamar, aunque el término no sea absolutamente correcto, un malentendido entre las dos escuelas en competencia. El profano que fruncía el ceño ante la teoría general de la relatividad de Einstein, debido a que el espacio no podía ser "curvo" —no era exactamente eso—, no estaba simplemente equivocado o engañado. Tampoco los matemáticos, los físicos y los filósofos que trataron de desarrollar una versión euclideana de la teoría de Einstein. Lo que anteriormente se entendía por espacio, era necesariamente plano, homogéneo, isotrópico y no afectado por la presencia de la materia. De no ser así, la física de Newton no hubiera dado resultado. Para llevar a cabo la transición al universo de Einstein, todo el conjunto conceptual cuyas ramificaciones son el espacio, el tiempo, la materia, la fuerza, etc., tenía que cambiarse y establecerse nuevamente sobre el conjunto de la naturaleza." En relatividad, el término "masa" entra en relaciones diferentes con la fuerza total aplicada, la interacción gravitatoria o la energía y por eso no es exactamente la misma "masa" que la que se usa en física de Newton. No obstante, en el límite no relativista, la $m$ que hemos puesto en las fórmulas se puede sustituir conceptualmente por la de la física de Newton de forma que las predicciones físicas que se obtienen son exactamente las mismas.

Conclusión

El artículo que se ha publicado en The Conversation no sólo está bastante lejos de lo que debe ser una divulgación científica útil y de calidad, sino que, además, supone un obstáculo para aquellos estudiantes universitarios y de bachillerato que están intentando entender los fundamentos de la relatividad y la mecánica cuántica. En mi opinión, el altavoz que supone poder utilizar una plataforma con la visibilidad y el prestigio que tiene The Conversation, conlleva la responsabilidad de no hacer a los lectores perder el tiempo con artículos así y, ni mucho menos, confundirlos con errores de concepto como los que acabamos de ver.

Es cierto que creo que, en general, no es conveniente entrar en ciertos detalles para "corregir" artículos de divulgación. Tanto en enseñanza como en divulgación es imposible ser completamente riguroso si pretendes que a los destinatarios les resulte significativo lo que estás contando. Este es el motivo por el que no suelo escribir entradas en este blog para denunciar incorrecciones en los artículos de divulgación que me voy encontrando.

Sin embargo, hay casos, como este artículo, algún que otro vídeo de Javier Santaolalla, o el articulo "El ocaso de la teoría de cuerdas" de Arturo Quirantes en la plataforma Cuaderno de Cultura Científica, en el que está claro que es necesario señalar que el autor está haciendo divulgación mala y, además, dañina, o como todos los artículos (que son muchos) en los que se dice la barbaridad de que el entrelazamiento cuántico implica no localidad. Es verdad que no merece la pena ponerte a denunciar cualquier chorrada que se publique (aunque algunos pseudoescépticos usan como estrategia el enfrentamiento con rivales débiles intelectualmente para parecer más sabios y adquirir así un prestigio y visibilidad que no merecen). Los casos que, en mi opinión, se deben mirar con lupa son aquellos en los que la divulgación que se hace no es de toda la calidad que se esperaría para la responsabilidad tan grande que supone tener tantos seguidores (como ocurre en la plataforma Naukas y en The Conversation). Un artículo malo, por desconocimiento, o por malas intenciones del autor para vender como "científicas" consignas políticas, además de hacer daño al lector perjudica a la imagen de todos aquellos divulgadores que sí hacen bien este trabajo y publican en estas plataformas. Ahí es importante fijar un nivel de tolerancia y contestar cuando corresponda (y cuando la apretada agenda que tenemos todos lo permita). Y eso es lo que acabo de hacer con esta entrada.