Creo que tal vez para el primer artículo debimos haber empezado con una cita elegante de algún poeta o científico, dicha hace mucho tiempo y que sea vigente aún. Pero no lo vamos a hacer. En lugar de eso, empecemos con un pequeño experimento. Llená una taza de algún líquido. No, no café. Ya sé que estabas pensando en eso. Es mejor algo más claro, más transparente. Tenés que poder ver a través del fluido. Necesitás también algo que flote homogéneamente en el líquido, como semillas de chía cuando se ponen suavecitas, o esa bebida de aloe que venden ahora en los supermercados. Ese último es lo mejor que he encontrado para este experimento.

Ahora, caminá alrededor de tu casa, o de la oficina, o el café. Donde querás, en realidad. Y observá esos pedacitos en tu taza. ¿Notás algo interesante? Qué pasa cuando girás en una esquina? Si lo hacés, podés verlos rotar todos juntos, ¿no? Si estuviéramos ahí, nosotros señalaríamos la taza y solemnemente te diríamos que eso es gracias a la Física de Muchos Cuerpos (Many Body Physics, en inglés). A la respuesta que obtendríamos sería probablemente: ¿QUÉ?

¿Qué es esta Física de Muchos Cuerpos de la que estamos hablando? ¿Y si hay un área de la física que involucra muchos cuerpos, debe haber otra que sea de pocos cuerpos, o un sólo cuerpo, no? Pues, sí. De hecho, esa parte probablemente la podés recordar de la escuela o el colegio. ¿Recordás aquellos compendios infinitos de problemas llenos de poleas y bloques resbalando por pendientes?. Esos son ejemplos de las parte de la física de pocos cuerpos, en la que tratás de entender las trayectorias y velocidades de cuerpos individuales. La misión de todo esto es intentar predecir su comportamiento en el futuro, basado en ciertos datos iniciales. Como un dato irrelevante, nosotros llamamos a este tipo de sistemas “Problemas de valor inicial”. Esto es jerga, sí, lo decimos porque así suena cool (sabemos que no es así).

Todos esos problemas del colegio suenan aburridos, simples y triviales, pero son los bloques fundamentales que han construido a la física. Y además tomó desde los griegos y egipcios hasta Kepler y Galileo para entenderlos bien. ¡Más de dos mil años de trabajo! Pero el tipo que se ganó el premio mayor en tomar todas estas ideas, simplificarla y explicarlas en forma simple y útil fue Sir Isaac Newton. Fue en sus Leyes del Movimiento que la física se basó completamente por doscientos años. La física newtoniana ayudó a la humanidad a desarrollar un buen entendimiento de la mecánica, a entender el efecto de las fuerzas. En general, todo lo que sabemos de ingeniería a nivel mecánico, tuvo sus inicios en estos descubrimientos.

Ahora, utilizando las leyes de Newton podemos a añadir a un sistema cuantos elementos queramos. Sin embargo, esto hace que resolverlos y predecir resultados sea bastante complicado. Y en aquellos tiempos, no habían computadoras para resolverlos numéricamente. Entonces Newton y sus sucesores decidieron dedicarse a sistemas más restringidos, por ejemplo, sistemas de dos partículas. Aquí una partícula puede ser un bloque, una bola de billar, un átomo, un planeta, una galaxia, básicamente cualquier cosa en que la interacción suceda a una distancia más grande que su propio tamaño. Por ejemplo, usando una interacción gravitacional y simplificando para tener sólo al sol y la Tierra, podemos calcular la dinámica de este sistema con un error súmamente pequeño (más adelante subiremos un artículo explicando por qué este error es pequeño y por qué podemos ignorar a los otros planetas y ser felices).

Pero, ¿qué pasa cuando esta separación no se puede hacer? Bueno, tenemos que cambiar nuestro esquema mental. Y este cambio en el imaginario de los físicos fue bastante simple, pero incendiario. ¿Nos debe importar una molécula de agua en la vastedad de un vaso de agua? La respuesta a esto, como te imaginarás, es no. Entonces, ¿qué nos debería importar?.

Como nota histórica, es curioso que esta transformación no sucedió exactamente como una revolución científica. En realidad estuvo todo el tiempo ahí, a la par de las ideas que discutíamos anteriormente. Y en realidad es muy antigua. Esta empezó con Arquímedes, quien, junto con sus discípulos, estaba sumamente interesado en entender la idea de un fluido, es decir, entender cómo se comporta el agua en un vaso. Especialmente, quería entender qué sucede cuando el agua se le genera presión. Ahora, ellos nunca necesitaron saber de átomos o moléculas para lograr entender las leyes fundamentales que rigen el agua. ¿Por qué así? A Arquímedes le interesaban las propiedades generales de este fenómeno, aquello que en la física contemporánea llamaríamos “propiedades macroscópicas” del agua.

Esta línea de pensamiento lo siguieron cientos de pensadores como da Vinci, Galileo, Torricelli y Bernoulli. Incluso Newton tuvo parte en esto. Es importante recordar que durante el tiempo de Sir Isaac, no se sabía que estos fenómenos emergen o son consecuencia de ideas como las leyes de newton. Además los átomos no se habían descubierto experimentalmente, y por ende, la teoría atómica no era más que especulación [2]. Por esta razón los intelectuales de esa época no lograron entender que ambos fenómenos son dos caras de la misma moneda.

Pero, es ahí cuando las cosas se pusieron realmente interesantes. En ese tiempo, se había creado un campo de investigación novedoso y popular, la electricidad. Para el inicio del siglo XIX, los conceptos de carga y corriente eléctrica estaban completamente establecidos. Para todos en el mundo moderno son conceptos intuitivos, pero para los estudiosos de aquellas épocas, no. Hay que verlo desde su perspectiva, habían descubierto la carga, una propiedad de la materia que creaba fuerzas invisibles entre cuerpos. Esta tenía tres estados, positivo, negativo y neutral, para cuando no había carga. Un poco más de estudio demostró luego que estas cargas se podían tratar con las Leyes Mecánicas de Newton y lo que es más interesante aún, que la Gravedad y las fuerzas creadas por las cargas se podían describir literalmente con las mismas fórmulas. Sólo hay que cambiar masa por carga. Entonces, esto es muy similar a física de pocos cuerpos, estos estudios están de este lado, ¿no? Pues la corriente eléctrica era otra historia. Parecía algo que fluye, que es dinámico y líquido. Conceptos como flujo fueron adoptados para explicar la corriente.

Corto tiempo después estos intelectuales descubrieron que moviendo y rotando estas cargas se podían generar los mismos efectos que con sus corrientes eléctricas provenientes de baterías. Así nació la Teoría del Electromagnetismo, que llegó a su clímax con las ideas de James Clerk Maxwell. El cambio ya estaba de camino. La idea en ese tiempo era que las partículas pueden generar flujos. Tal vez el agua y el aire son iguales. ¿Podemos calcular eso?

Sí, podemos.

Pero todavía los físicos necesitaban tener un cambio extra en su perspectiva. Y éste es el siguiente. No necesitamos saber las propiedades de las partículas individuales, sólo su comportamiento estadístico. Es decir, necesitamos saber las energías o las velocidades promedio para entender, por ejemplo, qué tan caliente está el fluido que estas partículas generan. Estas son las ideas fundamentales en Teoría Cinética, una parte vital del área de Física Estadística. Esta área es sumamente importante y nos ha ayudado a describir sistemas macroscópicos y a entender, por ejemplo, la Termodinámica. Esta área es la que estudia cómo es que se comportan los materiales cuando hay cambios de calor, etc. No hay ingeniería sin Termodinámica, es decir, no hay automóviles, computadoras, ni viajes al espacio sin entender todo esto.

Inicialmente, incorporar estas ideas en la física convencional creó una especie de choque entre dos mundos. Un choque que nos ayudó a entender cómo la totalidad de un fenómeno es afectado por las propiedades individuales de sus partes, pero de una forma inesperada, más emocionante. Nos enseñó que las propiedades de un colectivo emergen de los componentes individuales, pero éstos no son realmente afectados por ellas.

Desde entonces, hemos aprendido que estas propiedades emergentes se encuentran en todas partes. Los fluidos como los gases y los líquidos, que en condiciones especiales son simples, se hacen mucho más interesantes en su estado libre y salvaje. Ellos componen la atmósfera, que contiene al clima (relevante siempre, pero particularmente en estos días). Sin embargo, también estos fluidos son fundamentales en las estrellas y componen las nebulosas. Además, si observamos el Universo completo, ¡parece comportarse como un fluido! Pero esto no termina ahí, puesto que desde el descubrimiento y formulación de la Mecánica Cuántica [1], hemos aplicado la misma línea de pensamiento a nuevas preguntas. Con estas hemos conseguido ligar muchos fenómenos observados macroscópicamente, pero generados en niveles microscópicos. ¿Qué clase de fenómenos? El magnetismo es un muy buen ejemplo, el cual eventualmente cubriremos. También con este podemos entender muchas aspectos sobre la física de los núcleos en los átomos, y con este entendimiento, incluso meternos dentro de los núcleos estelares, y explicar qué sucede cuando una estrella siente presiones extremas gracias a la gravedad!

Es muy curioso que esta forma de pensar también fue aplicada también relativamente temprano en las ciencias de la vida. Particularmente un área de investigación que ahora se denomina dinámica poblacional. Esta se desarrolló primero para entender cómo las poblaciones de presas y depredadores cambiaban y evolucionaban en un sistema ecológico. Luego, se utilizó para entender cómo se desenvuelven las epidemias, pandemias y demás. Podemos también utilizar estas técnicas para entender los cambios evolutivos de las especies, y en el futuro lejano, ¿tal vez predecirlos? Todo esto a un nivel no de especies individuales, pero en la aparición, proliferación y extinción de grupos grandes de ellas. También podríamos entender cómo ciertos eventos, que no parecen ser tan catastróficos, podrían disparar extinciones masivas.

A todo esto, la física y la biología no son las únicas dos áreas afectadas por esta línea de pensamiento. En realidad, los métodos que hemos descrito aquí se pueden aplicar a básicamente todas las áreas en las cuales actores individuales forman un colectivo. Por ejemplo, podríamos intentar describir las aspectos interesantes de la sociedad, como los movimientos estadísticos de la bolsa de valores, movimientos ideológicos, disturbios. Estas técnicas son tan poderosas, que hace poco encontramos un artículo científico donde explicaban el flujo y movimiento de la gente en el centro de los conciertos de rock utilizando mecánica de fluidos y física estadística. Básicamente lo que queremos decir es que casi cualquier sistema se puede modelar, ¡sólo que hay que sentarse a pensar cómo modelarlo!

Así terminamos esta primera entrega, como una recopilación de nuevas y fascinantes áreas de investigación que necesitaremos como especie para entender mejor nuestro mundo, la vida, el universo, la sociedad y el clima. A partir de esto, podemos asegurarte que desde lo más puro a lo más aplicado, desde lo microscópico, hasta gigantes astrofísicos y considerando también tu taza de café, la Física de Muchos Cuerpos (Many Body Physics), es la física de todos nosotros.

Notas

[1] El próximo artículo es una breve explicación de la Mecánica Cuántica.
[2] De hecho, el atomismo no fue adoptado generalmente en la ciencia hasta mucho después, y uno podría decir que fue esta la idea que ayudó a unir las formas de pensamiento usados para entender la física de muchos y pocos cuerpos.