¿Qué tiene que ver
nuestra sociedad con la superconductividad?
(Por
Belén Valenzuela Requena)
Capítulo 44 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
Nuestra
sociedad y la superconductividad tienen en común que son dos estados emergentes. Como veremos hay
muchísimos ejemplos de estados emergentes.
Detrás del concepto de estados
emergentes está la idea ya expuesta por Aristóteles de que el todo es más que
la suma de las partes. Todos tenemos vivencias de esta reflexión. Sin embargo,
esta idea se opone a como tradicionalmente nos hemos acercado a entender la
Ciencia: estudiando los elementos que la constituyen. Claramente es difícil
entenderlo todo a la vez y es muy racional ir estudiando parte por parte. Este
método lo ideó Descartes, en su Discurso del Método. Descartes afirmaba que el
mundo era una gran máquina y para entenderlo tendríamos que entender sus
elementos constituyentes. En la búsqueda de los elementos constituyentes de la
materia fuimos al átomo, de ahí a los electrones, neutrones y protones y por
último a los quarks y al modelo estándar. [1]
Este pensamiento sigue influenciando
nuestro día a día y así cuando tenemos una dolencia seria vamos al médico
especialista. Si el diagnóstico no es claro nos pueden mandar al de digestivo y
luego al endocrino y luego al neurólogo y luego vuelta a empezar y en la sala
de espera nos preguntamos si no sería mucho más eficiente que hubiera una
comunicación fluida entre ellos. Nuestro cuerpo está claramente conectado.
Y es que aunque se han resuelto muchos
problemas con el método de Descartes, muchos fenómenos cercanos de nuestro día
a día no pueden ser entendidos reduciéndolos a sus elementos constituyentes.
Entendiendo un átomo de hierro no podemos entender el estado magnético,
entendiendo una molécula de ADN no podemos entender la vida, entendiendo una
neurona no podemos entender la consciencia y aún entendiendo a las personas no
podríamos entender la sociedad. El magnetismo, la vida, la consciencia y la
sociedad son estados emergentes que surgen debido a la interacción entre sus
elementos constituyentes (el hierro, las moléculas, las neuronas y las
personas) y la interacción con su entorno. El estado emergente es entonces una
propiedad que no existía en sus
elementos constituyentes y no se puede utilizar el método de Descartes para
entenderlo.
¿Cómo abordar entonces este tipo de
problemas? Mi campo de investigación es la física de la materia condensada que
estudia las fases líquidas y sólidas de la materia. Uno de los mayores héroes
de mi campo, Phil Anderson, premio Nobel de física, escribió en 1972 un
artículo provocativo con el título “More
is different“ donde explicaba el alcance y la potencia del concepto de
emergencia. En este artículo Anderson argumentaba que la habilidad de reducir
el todo a leyes fundamentales no implica la habilidad de empezar desde esas
leyes y reconstruir el universo. Estas ideas no eran nuevas en absoluto pero
todavía la aproximación de Descartes era la dominante a la hora de abordar un
problema en ciencia. Anderson argumentaba que en la física de la materia
condensada hay conceptos y herramientas que nos permiten atacar estos
problemas, en particular la teoría de las transiciones de fase.
La teoría de transiciones de fase no
se limita a la materia condensada, también se da en otras ramas de la física.
En general se da siempre que tengamos un sistema de partículas que
interaccionan entre ellas y/o con su entorno. El reconocido físico Lev Landau
contribuyó enormemente a construir esta teoría. Landau propuso que las
transiciones pasan de una fase ordenada a una fase desordenada y a la
transición la denominó zona crítica. El ejemplo típico de transiciones de fase
es el paso de líquido (fase desordenada) a sólido (fase ordenada) de un
material cuando disminuimos la temperatura. Si por ejemplo el material fuera la
sal las partículas constituyentes serían el sodio y el cloro. Cuando se pasa al
estado sólido las moléculas de la sal se ordenan de una forma cúbica. También
disminuyendo la temperatura podemos pasar de un material no magnético (fase
desordenada) a uno magnético (fase ordenada) a una cierta temperatura crítica.
Aquí, las partículas constituyentes son los electrones que poseen un pequeño
momento magnético denominado spin. En la fase ordenada del imán todos los
momentos magnéticos se alinean en la misma dirección creando un campo magnético
propio. Aunque a primera vista el magnetismo y las fases de la sal no tienen
nada que ver, la zona crítica de las transiciones se describe con las mismas ecuaciones. A este hecho se le
denomina “fenómeno de Universalidad”,
uno de los conceptos más bellos de la física. Lo más sobresaliente de la teoría
es que aunque la interacción entre átomos de la sal o la interacción entre los
electrones del material es de un alcance corto que involucra solo a los vecinos
más próximos, en la zona crítica todas
las partículas constituyentes están correlacionadas y sienten lo que hacen
desde sus vecinas más próximas a las más distantes. Es lo que se denomina un
fenómeno cooperativo. La zona crítica es invariante de escala con propiedades
similares en todas las longitudes y puede dar lugar a los bellos fractales.
Mi ejemplo favorito de transición de
fase en materia condensada es el paso de un material a un estado superconductor
cuando bajamos la temperatura. Los superconductores tienen propiedades
eléctricas y magnéticas muy exóticas. No presentan resistencia al paso de la corriente
eléctrica con lo que no pierden energía y además expulsan el campo magnético.
Esto último da lugar a la posibilidad de observar el divertido fenómeno de
levitación de o bien un imán sobre un superconductor o viceversa. Como es de
esperar las posibles aplicaciones de los superconductores son enormes: cables
no disipativos, imanes superpotentes, trenes que levitan... [2] La transición
de fase en la que se pasa de estado normal a estado superconductor se da a
temperaturas críticas muy bajas o recientemente a presiones muy altas [3] lo
que limita el alcance de las aplicaciones. Se está investigando muy
intensamente para conseguir temperaturas críticas más altas y optimizar estos
materiales. Además, todavía no se entiende porque algunos de los materiales son
superconductores. Esto hace que la superconductividad sea un fenómeno aún más
apasionante para los investigadores.
Igual que en el caso del magnetismo
los protagonistas de la transición de fase al estado superconductor son los
electrones. En un material los electrones que conducen la corriente eléctrica
son compensados por los iones que se encuentran formando una red cristalina. A
temperatura alta hay resistividad que se produce cuando estos electrones
interaccionan entre si y con las vibraciones de la red iónica. A baja
temperatura en la fase superconductora sin embargo, los electrones se emparejan
formando los denominados pares de Cooper y fluyen todos a una en una onda
colectiva siguiendo las reglas de la física cuántica. De nuevo se pasa de una
fase desordenada con resistencia a una fase ordenada que es una onda colectiva
al bajar la temperatura.
Cuando lo que queremos describir son
sistemas biológicos el problema es mucho más complejo. Una de las dificultades
es que estamos tratando con sistemas de no-equilibrio, es decir, que
evolucionan con el tiempo y tienen historia.
Pero la historia no solo existe en los seres vivos, también en el mundo
inanimado existen sistemas en no equilibrio. Como resultado de esa historia
obtenemos los bonitos y diversos copos de nieve. Curiosamente algunas bacterias
también se organizan en estructuras parecidas a copos de nieve. [4] ¡De nuevo
con las mismas ecuaciones! Hay además multitud de ejemplos en los que se pueden
utilizar conceptos de transición de fase en sistemas que evolucionan en el
tiempo: en manadas de mamíferos, bancos de peces, enjambres de abejas, colonias
de hormigas. En el siguiente artículo utilizan la teoría de Landau para
entender el movimiento de las bandadas de estorninos. [5] Así, algunos aspectos
de la física de equilibrio también son útiles en la física de no equilibrio.
En un rango completamente diferente
hay propuestas en neurociencia en las que se argumenta que en nuestro cerebro
los fenómenos cooperativos juegan un papel fundamental en determinar la
dinámica del cerebro. Nuestro cerebro parece estar en la zona de crítica en
medio del orden y el desorden. De esta forma puede conseguir la dualidad
esencial para que funcione: debe mantener algo de orden para asegurar un
funcionamiento coherente y reproducible y a la vez permitir un cierto grado de
desorden que permita flexibilidad. [6]
Como os estáis dando cuenta la lista
de problemas que se puede tratar con estas técnicas es enorme y solo he
escogido unos cuantos. ¿Y nuestra sociedad? ¿Tiene algo que decir la física en
como construimos las ciudades, nos movemos en espacios abiertos, votamos y
formamos alianzas y grupos? Efectivamente la física se puede usar para
comprender ciertos aspectos del mercado económico y para revelar estructuras
escondidas en redes sociales. En estos problemas se entiende cómo surge el
conflicto y la cooperación.[4]
Fuera del ámbito del estudio de la
socio-física la idea de emergencia ha calado como filosofía social. Por
ejemplo, en el ámbito de la empresa se denomina sinergia. Stephen R. Covey
argumenta en un influyente libro en EEUU [7] que las mejores empresas y
familias son las que las relaciones humanas no se basan en:
1) ni tú, ni yo (ni como ni dejo
comer)
2) tú o yo (típica competición)
3) yo te respeto y tú me respetas
(suma de las partes)
En
las mejores empresas se usa la cuarta solución:
4) más, más (el todo es más que la suma de las partes)
En el punto 4) la idea es que todos
contribuyan para producir una lluvia de ideas de la que surja al final algo
completamente nuevo y mejor.
Cuando escribí los agradecimientos de
mi tesis utilicé la analogía de comparar la transición a un estado
superconductor con la revolución en una sociedad. En vez de bajar la
temperatura hasta la temperatura crítica se tendría que pasar a la presión
social crítica en la que pasamos de un estado de personas individualistas a un
estado colectivo donde todos queremos conseguir lo mismo. Recientemente escuché
una charla TED [8] al hilo de esta idea. David Steindl-Rast argumentaba que lo
que queremos conseguir todos es ser felices y que la forma de hacerlo es ser
agradecidos localmente, con nuestra familia, nuestros vecinos, nuestros
compañeros, por las cosas que tenemos... Y según él habría un momento en el que
se produjera una transición a un estado en el que todos seríamos felices,
transición que será una verdadera revolución en la que no haya nadie por encima
de nadie pero todos conectados en una red. Es una utopía sugerente y no pude
evitar pensar en las transiciones de fase.
Notas:
[1]
Véase Capítulo 46
[2]
Véase por ejemplo: http://www.icmm.csic.es/superconductividad/
[3]
A.O. Drozdov,M.I. Eremets, I.A. Troyan, V. Ksenofontov y S.I. Shylin, Nature
525, 73 (2015)
[4] Philip Ball, Critical Mass, how one thing leads to
another. Editorial Arrow Books.
[5] Alessandro Attanasi et al. , Nature Physics DOI:
10.1038/NPHYS3035
[6] Dietmar Plenz, Critical Brain, Physics 6,
47 (2013)
[7]
Stephen R. Covey. Los siete hábitos de la gente altamente efectiva. Editorial
Paidós.
Belén
Valenzuela Requena
Doctora en Física.
Científico
Titular.
Instituto de Ciencias de
Materiales de Madrid ICMM CSIC.
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