En el mundo de lo efímero son pocos los elementos que nos acompañan allá donde vayamos, todos los días de nuestra vida, en casi cualquier circunstancia. Algo en lo que apenas reparamos es nuestra sombra.

La sombra no es más que la ausencia de una luz que se esperaba, pero que no llega a su destino porque fue bloqueada por un objeto. Explicar qué es la luz no es tan fácil.

De manera simplificada podemos decir que está formada por fotones, unas partículas elementales sin masa pero con energía y con “momento”. Este “momento” es la capacidad que tienen los objetos físicos para empujarse unos a otros. Cuando los fotones que conforman un rayo de luz iluminan un objeto, lo empujan, ejerciendo una ligera presión sobre él que llamamos “presión de radiación”. Al ponernos al sol nuestro cuerpo siente esta presión, mientras que el área que ensombrecemos, a la que no llegan los fotones, no la siente.

Podemos cuantificar esta diferencia de presión con el peso, que es la fuerza que ejercemos sobre el suelo, o sobre una báscula. Cuando estamos iluminados ejercemos una fuerza mayor que cuando estamos a oscuras, ya que a la fuerza de nuestro cuerpo hay que sumarle el momento transferido por los fotones que chocan contra nosotros.

Así, podemos afirmar que un objeto pesa más cuando está iluminado que cuando no lo está.

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De la misma manera, la región donde se extiende nuestra sombra siente una presión de radiación inferior a la que sentiría si no estuviéramos allí, bloqueando la luz. En otras palabras, el exceso de peso que sentimos al ser iluminados se corresponde con un defecto de peso de nuestra sombra.

En el caso de una persona adulta de estatura media, situada bajo el sol a la latitud de Madrid, y asumiendo que las dimensiones de su sombra son las mismas que las de su cuerpo, ese defecto de peso en la sombra será equivalente al que ejercería una masa de unos 0,00000004 kilogramos.

Más allá de la luz blanca y los espejos

Esto no es todo: los fotones de luz de diferentes colores tienen distinto momento, con lo cual su energía y la presión que ejercen serán diferentes. Esto significa que si nos iluminamos con luz roja pesaremos menos que si lo hacemos con la misma cantidad de fotones de luz azul.

Por otro lado, que no veamos algo no significa que no exista. En lo relativo a la luz, la mayor parte de ella es invisible a los ojos humanos. Es el caso de los fotones ultravioletas, como los del Sol, que además de broncearnos son más energéticos que los visibles y, por lo tanto, someten a un mayor empuje a nuestros cuerpos.

De esta forma, la diferencia de peso con respecto al objeto iluminado es mayor para la sombra que no vemos que para la que sí. Curioso, ¿verdad?

¿Todos los objetos responden igual a la presión de radiación, independientemente de sus propiedades? Desde luego que no.

La capacidad de un objeto para absorber, transmitir o reflejar los fotones también afectará a su sombra: si es perfectamente transparente, entonces dejará pasar los fotones y, por lo tanto, no sentirá un exceso de peso.

En cambio, un objeto reflectante, un espejo, sentirá el doble de empuje que un objeto que absorba totalmente la radiación (cuerpo negro), al reflejar los fotones que le llegan.

De la báscula al Nobel (y al espacio)

Nuestros cálculos sobre el peso de la sombra y la luz son divertidos, pero ¿tienen alguna utilidad? La diferencia de peso entre un objeto iluminado y uno que no lo está es ínfima: una centésima parte del peso de un solo grano de azúcar. Como dieta milagro parece pobre.

Sin embargo, estas consideraciones fueron el motivo del premio Nobel de Física 2018 que recayó en Arthur Ashkin, Gérard Moureau y Donna Strickland, por el desarrollo de las “pinzas ópticas”, un método para atrapar y manipular objetos diminutos utilizando la presión de radiación de un láser.

Una fuente de luz láser, en la que los fotones se mueven de manera coherente, como si estuvieran coordinados, se puede emplear para desplazar objetos con una gran precisión.

Los primeros experimentos fueron realizados en los años 60 por el equipo de Ashkin en Bell Labs. Los investigadores iluminaron diminutas esferas parcialmente transparentes con un láser para moverlas y hacerlas levitar, contrarrestando su peso con la presión de radiación.

Además, al focalizar el haz con una lente en un punto lograron atrapar partículas, creando así las primeras pinzas ópticas. A lo largo de las siguientes décadas se perfeccionaron y permitieron observar, girar, cortar y empujar los objetos investigados sin tocarlos ni modificarlos. Por ello, resultan idóneas para estudiar procesos biológicos.

¿No le parece suficiente? Hay otro campo en el que se utiliza también la presión de radiación, pero a gran escala: la exploración espacial.

Como el empuje de los fotones depende del tamaño de la superficie en la que incidan, puede llegar a ser relevante cuando consideramos una región suficientemente extensa.

Así es como se diseñaron las “velas solares”: una revolucionaria forma de propulsar aeronaves en el espacio, consistentes tan sólo en una gran superficie que refleja la luz solar.

Al igual que las velas de un barco cuando sopla el viento, estas velas solares aprovechan la presión de radiación de los fotones que chocan con ellas para hacer que la aeronave se mueva.

Una de las grandes ventajas de este sistema de propulsión son las elevadas velocidades que pueden alcanzar las naves que lo usen. Además, al no tener que almacenar combustible para moverse, son más ligeras y pueden viajar durante periodos de tiempo mayores. Por ello, son una de las pocas tecnologías que podrían ser usadas para viajes interestelares.

Aunque estas ideas parezcan ciencia ficción, la primera aeronave que utiliza la luz del Sol para cambiar su órbita alrededor de la Tierra fue lanzada en junio de 2019 como parte de un proyecto aeroespacial llamado LightSail.

La NASA también planea experimentar con estas nuevas tecnologías de propulsión en el espacio con el lanzamiento en 2022 de ACS3, una nave espacial del tamaño de un tostador que se servirá de estas velas para cambios de órbita.

Ya sea por aplicaciones futuristas o por cuestiones fundamentales, lo que está claro es que si Peter Pan hubiera sido consciente de su relevancia, habría tenido mucho más cuidado antes de perder su sombra. Afortunadamente, nosotros aún no nos podemos librar de ella.

Celia González Sánchez, Estudiante de doctorado en Física de la Materia Condensada, Universidad Autónoma de Madrid y Javier Rodríguez Laguna, Profesor Titular del departamento de Física Fundamental, UNED – Universidad Nacional de Educación a Distancia

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

En otras palabras, la física alemana trabajó la mayor parte de su carrera en distintas universidades estadounidenses sin que le pagaran un sueldo.

Investigaba “solo por el placer de hacer física”, indica su biografía publicada por los premios Nobel.

Si bien en aquel entonces regían normas antinepotismo en Estados Unidos, lo cierto es que “ninguna universidad hubiese pensado en contratar a la esposa de un profesor”, explica la academia sueca.

Era su marido, el químico estadounidense Joseph Mayer, quien conseguía los puestos de profesor e investigador de tiempo completo, mientras ella recibía las sobras. Literalmente.

Una de las universidades donde la pareja trabajó, la prestigiosa Johns Hopkins University, cuenta: “Ella había visto una oficina vacía y preguntó si podía usarla; se la negaron y, en su lugar, le dieron un salón en el ático”.

Su historia, narrada en el marco del proyecto The Women of Hopkins, “es un ejemplo de determinación ante la presencia de obstáculos”, reconoce la universidad.

Cuando Goeppert Mayer finalmente se convirtió en profesora titular tenía 54 años.

Séptima generación

Goeppert Mayer nació el 28 de junio de 1906 en Katowice, una ciudad que entonces formaba parte de Alemania, pero que hoy pertenece a Polonia.

Su padre era la sexta generación de académicos, por lo que siempre asumió que su única hija iría a la universidad y seguiría el legado familiar.

“Mi padre me decía: ‘Cuando crezcas, no te conviertas en una mujer’, en el sentido de ama de casa”, contó Goeppert Mayer citada por los Nobel.

Si bien en un principio su intención era graduarse en matemáticas, decidió estudiar física tras participar de un seminario sobre mecánica cuántica dictado por Max Born, uno de los padres de lo que entonces era una incipiente rama de la ciencia.

Born se terminaría convirtiendo en el mentor de Goeppert Mayer a lo largo de sus años de estudio en la Universidad de Gotinga, en Alemania.

Pero tras completar su doctorado, la joven se casó y mudó a Estados Unidos, en parte buscando mejores oportunidades académicas, y en parte para alejarse del movimiento político que culminaría con el ascenso al poder de Adolf Hitler.

De hecho, durante la Segunda Guerra Mundial, Goeppert Mayer terminaría trabajando en el Proyecto Manhattan, el programa secreto del gobierno estadounidense que desarrolló la bomba atómica.

Manhattan Project

“La urgencia de la Segunda Guerra Mundial llevó al gobierno de Estados Unidos a tratar la capacidad de Goeppert Mayer con más respeto que el mostrado por sus universidades más importantes”, afirman los Nobel.

Ella incluso llegó a decir que, gracias al Proyecto Manhattan, por primera vez en su carrera logró “pararse” por sí misma como científica, sin “sostenerse” en su marido.

Sus biógrafos coinciden en que, aunque disfrutaba del respeto que recibió de sus colegas y de las responsabilidades que le fueron dando durante esos 3 años de trabajo, ella albergaba la esperanza de que el proyecto fracasara.

Según los Nobel, Goeppert Mayer era “vehementemente anti-Hitler, pero consciente de que el arma que estaba ayudando a crear podría usarse contra amigos y familiares que vivían en Alemania”.

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Y aunque la bomba sí fue desarrollada y usada sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki, matando a decenas de miles de personas, las investigaciones lideradas por ella efectivamente no tuvieron éxito.

“No encontramos nada y tuvimos suerte… escapamos de la punzante culpa que sienten hasta el día de hoy los responsables de la bomba”, reconocería luego, según los Nobel.

Los “números mágicos”

Fue después de la guerra cuando Goeppert Mayer comenzó a trabajar en física nuclear, la línea de trabajo que la llevaría a definir la estructura del núcleo atómico y ganar el Nobel.

Sin entrar en muchos tecnicismos, lo que la científica logró demostrar una y otra vez es que los núcleos más estables siempre tenían una determinada cantidad de neutrones o protones. Los “números mágicos” eran 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126.

Pero no se conformó con ello: ahora que sabía que eran números especiales, quería saber el por qué.

Fue así que comenzó a desarrollar lo que ahora es el famoso modelo de capas nucleares.

De acuerdo con un artículo de 2008 de la Sociedad Estadounidense de Física (APS), “el hecho de que los núcleos con cierto número de nucleones (neutrones y protones) eran especialmente estables ya había sido advertido antes, pero los físicos estaban seguros de que un modelo de capas no podía ser correcto”.

Es que en aquel entonces prevalecía otro modelo creado nada menos que por Niels Bohr, quien había ganado el Nobel por sus investigaciones sobre la estructura de los átomos.

Según la APS, Goeppert Mayer “tenía una formación menos formal en física nuclear, (entonces) estaba menos sesgada”.

Su colega y amigo Edward Teller lo resumiría de una forma más elocuente: “Se le ocurrió la idea absurda de oponerse al modelo del núcleo atómico de Bohr. Fui rotundo en mi crítica. Pero resultó ser que Maria tenía razón y, merecidamente, recibió el premio Nobel“.

Una de cuatro

Goeppert Mayer no fue la única capaz de pensar afuera de la caja respecto a la estructura del núcleo atómico.

Cuando estaba por enviar su investigación a la revista Physical Review se enteró de que otro equipo liderado por un tal Hans Jensen había llegado a la misma conclusión en su Alemania natal.

“Pidió que su artículo fuese retrasado para salir publicado en el mismo número que el de ellos, pero el de ella terminó siendo publicado en el número posterior al de ellos, en junio de 1949”, cuenta el citado artículo de la APS.

Tiempo después Goeppert Mayer y Jensen se conocieron, convirtiéndose en amigos y colaboradores. Publicaron juntos un libro sobre el modelo de capas nucleares y en 1963 compartieron el Nobel.

En ese entonces solo una mujer en la historia había recibido el Nobel de Física: Marie Curie, 60 años antes.

Tendrían que pasar otros 55 años para que otra mujer, Donna Strickland, lo volviese a ganar en 2018. La cuarta y última física en obtenerlo fue Andrea Ghez el año pasado.

El legado

En 1960, poco después de llegar a San Diego para empezar a desempeñarse en su primer trabajo como profesora titular en la Universidad de California, Goeppert Mayer sufrió un ataque cardíaco.

Su salud continuaría siendo delicada desde entonces hasta su muerte, en 1972, pero aún así no dejó de investigar y dictar clases.

“Es una de esas mujeres que pelearon por sus objetivos cuando la sociedad exigía que se quedaran en casa”, le dice a BBC Mundo la física Louise Giansante, autora principal del artículo “Mujeres en la física: pioneras que nos inspiran” publicado en 2018 en la revista de la Organización Internacional de Física Médica.

“Enfrentó una serie de desafíos en su vida profesional y personal”, continúa, “lo que incluyó guerras y muertes, pero también simplemente criar a sus hijos y ser esposa mientras intentaba continuar con sus investigaciones”.

“Sus descubrimientos y destacada contribución en gran medida se utilizan hasta el día de hoy. Creo que su historia necesita ser contada y puede servir de inspiración especialmente para las mujeres jóvenes, que todavía tienen que enfrentar numerosos desafíos”, concluye Giansante, sobre el legado de la física alemana.

Strickland es la primera mujer en ganar el Nobel de Física en 55 años.

La última mujer antes de Strickland que ganó el Nobel de Física fue la científica estadounidense nacida en Alemania Maria Goeppert-Mayer, quien fue galardonada en 1963 por sus descubrimientos sobre el núcleo de los átomos.

“Las invenciones premiadas este año revolucionaron la física de rayos láser”, señaló la Academia al anunciar el galardón que conlleva una compensación de nueve millones de coronas suecas, aproximadamente un millón de dólares.

Los descubrimientos en la física del láser han permitido el diseño de “instrumentos de precisión avanzados que abren la puerta a áreas nuevas de investigación y a una multitud de aplicaciones médicas e industriales”, agregó.

Millones de cirugías

Gerard Mourou nació en 1944 en Albertville, Francia, y Donna Strickland en 1959 en Guelph, Canadá.

Mourou trabaja actualmente en la Escuela Politécnica en Palaiseau, Francia, y la Universidad de Michigan, Ann Arbor. Strickland es investigadora de la Universidad de Waterloo, en Canadá.

El artículo revolucionario de ambos físicos fue publicado en 1985 y fue la base de la tesis doctoral de Strickland.

Usando un enfoque ingenioso, los científicos lograron crear pulsos de laser ultracortos y de alta intensidad.

Strickland y Mourou estiraron pulsos de láser en tiempo, los amplificaron y finalmente los comprimieron.

Si un pulso de luz es comprimido en tiempo y se acorta, entonces hay más luz concentrada en un espacio diminuto, y la intensidad del pulso aumenta en forma dramática, explicó la Academia en un comunicado.

La técnica inventada por Strickland y Mourou, llamada “amplificación de pulso gorjeado”, “chirped pulse amplification” o CPA, se transformó rápidamente en el método estándar para obtener rayos laser de alta intensidad.

Antes del trabajo pionero de Strickland y Mourou, el poder de los láser era limitado porque al aumentarse su intensidad destruían el material utilizado para amplificar el rayo.

El método es usado en millones de cirugías correctivas de la vista llevadas a cabo cada año en el mundo que requieren un láser ultra preciso.

“Lo primero que pensé es que esto es algo totalmente loco. Y siempre te preguntas si ocurrió de verdad”, dijo Strickland al enterarse del galardón.

“Y en cuanto a compartir el premio con Gerard, quien fue mi supervisor de tesis y mentor, creo que él ha llevado la técnica de CPA a alturas increíbles y definitivamente merece el premio”.

“También me alegro mucho por Art Ashkin, creo que ha hecho descubrimientos mucho antes que otros y es fantástico que finalmente sea reconocido”.

Pinzas ópticas

Arthur Ashkin nació en 1922 en Nueva York y obtuvo su doctorado en la Universidad de Cornell en 1952. El físico trabaja actualmente en los Laboratorios Bell en Holmdel, Nueva Jersey, Estados Unidos.

Las pinzas ópticas inventadas por Ashkin sujetan partículas, átomos, virus y otras células vivas con sus “dedos de rayos láser”.

Esta nueva herramienta permitió al científico cumplir un viejo sueño de la ciencia ficción, usar la presión de la radiación de la luz para mover objetos físicos.

Ashkin logró usar pulsos de luz para empujar pequeñas partículas hacia el centro de un rayo láser y mantenerlo en esa posición.

Uno de los mayores avances en sus investigaciones tuvo lugar en 1987, cuando Ashkin usó sus pinzas ópticas para capturar bacterias vivas sin dañarlas. Las pinzas creadas por el físico son utilizadas ampliamente en la actualidad para investigar la “maquinaria de la vida”, según la Academia.

La Academia señaló que “las innumerables áreas de aplicación de estos descubrimiento aún no han sido exploradas por completo. Pero estas invenciones coinciden con el espíritu de Alfred Nobel de reconocer avances con el mayor beneficio para la humanidad”.

Nobel de Medicina

Este lunes, el científico estadounidense James Allison y el japonés Tasuku Honjo recibieron el Premio Nobel de Medicina 2018 por sus descubrimientos revolucionarios sobre cómo emplear y manipular el sistema inmunológico para combatir el cáncer.

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El miércoles se anunciará el Nobel de Química, el viernes el de la Paz y el lunes próximo el de Economía.

El galardón de Literatura no será entregado este año, ya que el organismo que lo concede se vio sacudido por un escándalo sexual. Un tribunal sueco condenó el lunes a dos años de cárcel por violación a Jean-Claude Arnault en el marco de un escándalo que sacudió a la comisión que concede el Premio Nobel de Literatura.

“Sus descubrimientos han dado lugar a grandes avances en la comprensión teórica de los misterios de la materia y crearon nuevas perspectivas en el desarrollo de materiales innovadores”, indicó la Real Academia Sueca de Ciencias.

Los tres físicos teóricos, según la academia, recurrieron a sofisticadas herramientas matemáticas para explicar “fenómenos inusuales en fases o estados inusuales de la materia” en superconductores, superfluidos o delgadas capas magnéticas.

En los años setenta, Kosterlitz y Thouless lograron dejar atrás la teoría anterior a sus investigaciones según la cual la superconductividad no se daba en capas delgadas y mostraron que está si podía darse con bajas temperaturas.
Además, explicaron el mecanismo y la fase de transición en la que la superconductividad desaparece a temperaturas más altas.https://twitter.com/NobelPrize/status/783243367811547136

En los ochenta, Thouless logró explicar los resultados de un experimento previo con capas muy delgadas conductoras de electricidad.

Thouless, de 82 años, es profesor emérito de la Universidad de Washington. Haldane, de 65, es profesor de física en la Universidad de Princeton en New Jersey. Kosterlitz, de 73 años, es profesor de física en la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island.

En una intervención telefónica durante una conferencia de prensa en Estocolmo, Haldane dijo estar “muy sorprendido y muy satisfecho” por el premio.

Los tres premiados recurrieron a la topología, una rama de la matemática que sirve para describir cambios de propiedades paso a paso. Durante el anuncio de los ganadores, un miembro del comité de los Nobel empleó panes para explicar esta ciencia.

Member of the Nobel committee for physics explains topology using a cinnamon bun, a bagel and a pretzel https://t.co/gORO04UYam

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 4, 2016

Premios Nobel

Los anuncios de los premiados de este año comenzaron el lunes con el Nobel de Medicina, concedido al biólogo japonés Yoshinori Ohsumi por descubrimientos sobre la autofagia, el proceso en el que una célula descompone y recicla su contenido.

El miércoles se anunciará el ganador del premio en química. El viernes se sabrá quién ganó el Nobel de la Paz, mientras que los galardonados en las categorías de Economía y Literatura se conocerán la semana que viene.

Cada premio está valorado en 8 millones de coronas (US$930 mil). Los vencedores reciben además una medalla y un diploma en la ceremonia de entrega de galardones que se celebra el 10 de diciembre, en el aniversario de la muerte en 1896 del fundador de los reconocimientos, Alfred Nobel.