Los experimentos mentales que te ayudarán a comprender la física

La física es una de las asignaturas que más quebraderos de cabeza nos ha dado a todos en nuestros años de estudiantes.

Es una materia complicada, con teorías muy abstractas bastante difíciles de entender y que, para colmo, en muchos casos no se pueden comprobar a través de la experimentación.

Éste es el motivo por el que los físicos teóricos han tenido que diseñar a lo largo de todos los tiempos una herramienta muy interesante, conocida como experimentos mentales, que trata de introducir casos supuestos dentro de vivencias cotidianas con el fin de predecir qué pasará. Esto les sirve para enunciar sus teorías de modo que todo el mundo las entienda, pero también para comprenderlas ellos mismos.

El gato de Schrödinger, el más famoso de los experimentos mentales

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Gracias a viñetas, memes y todo tipo de chistes, el gato de Schrödinger se ha hecho con el paso de los años más famoso que el propio Schrödinger.

Hay que reconocer que el hecho de que un gato esté vivo y muerto a la vez resulta bastante complicado de entender, pero lo cierto es que es un ejercicio mental perfecto para entender algunos factores de la mecánica cuántica. ¿Pero en qué consiste el experimento?

La propuesta de Erwin Schrödinger consiste en introducir a un gato en el interior de una caja cerrada y opaca, que también contendrá un frasco de veneno y un dispositivo cargado con una partícula radiactiva cuya desintegración cursará con la liberación de un electrón que activará la rotura del frasco y, por lo tanto, el envenenamiento del animal.

La posibilidad de desintegración es del 50%; por lo que en un entorno clásico el gato tendría la misma probabilidad de morir que de sobrevivir.

En cambio, si fijamos la caja cerrada como un entorno cuántico, tendremos que tener en cuenta una cualidad de los electrones, conocida como superposición cuántica, según la cual pueden estar simultáneamente en todos sus estados teóricos, aunque al medirlo sólo se detecte uno. Por lo tanto, mientras la caja permanezca cerrada, el átomo experimentará su estado desintegrado y su estado original, por lo que el frasco se romperá y no se romperá y el gato estará vivo y muerto a la vez.

Sin embargo, en el momento que se abra la caja, se desestabilizará el entorno cuántico y el animal estará vivo o muerto, pero no ambas cosas.

El experimento de los gemelos, el truco de quiénes quieren comprender la relatividad espacial

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Albert Einstein era muy aficionado a estos experimentos mentales, a los que llamaba Gerdankenexperiments, en su alemán nativo.

Uno de los más conocidos de todos los que enunció a lo largo de su carrera es la paradoja de los gemelos, según la cual dos hermanos gemelos son separados justo después de nacer, subiendo a uno de ellos a una nave espacial, en la que pasará varios años viajando a velocidades cercanas a la de la luz, mientras que su hermano sigue haciendo vida normal en la Tierra.

Según la teoría especial de la relatividad, el que se queda en la Tierra envejecerá más deprisa, pues según ésta el tiempo se mueve más despacio cuanto más cerca se está de la velocidad de la luz.

Como resultado, cuando el hermano viajero volviese a la tierra podría estar aún comenzando la adolescencia, mientras que el otros ya estaría preparándose para la jubilación.

Todo parecería muy fácil si no fuese porque el nombre de paradoja le viene de que otros físicos usaron ese mismo experimento para describir un resultado contrario, en el que el hermano astronauta sería el que envejecería más rápido, despertando una interesante disputa protagonizada por intrincados cálculos que demuestran que en física todo depende del cristal con el que se mire.

El demonio de Maxwell, el monstruo de la termodinámica

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El demonio de Maxwell es una criatura imaginaria ideada por el físico James Clerk Maxwell para explicar una paradoja respecto a la segunda ley de la termondinámica.

Si recordáis los días de instituto, esta ley indica que el calor siempre pasará de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menos y que si se quisiera llevar a cabo el proceso contrario sería necesario realizar un trabajo. Además, también se tiene en cuenta que el desorden del sistema, también conocida como entropía, nunca disminuye, sino que todo se hace cada vez más desordenado y, si queremos ordenarlo, tendremos que invertir energía en ello, como si el sistema fuese el dormitorio de un adolescente.

Pues bien, el experimento consiste en un recipiente hermético en el que se encuentran dos gases, uno frío y otro caliente y, justo en medio,  una compuerta manipulada por un demonio que podrá abrirla cuando sea necesario para dejar a un lado el gas caliente y a otro el frío.

Para ello sólo usará sus conocimientos sobre la velocidad de movimiento de las partículas, que serán más rápidas cuanto mayor sea su temperatura, y en ningún momento las empujará ni nada por el estilo, sino que simplemente abrirá  la compuerta y las dejará fluir.

De ese modo, se puede decir que la criatura habrá disminuido el orden, organizando lo frío a un lado y lo caliente a otro, sin invertir energía en ello, por lo que se opondría a la segunda ley de la termodinámica.

Como veis, el primer paso para ser un buen científico es plantearse la veracidad de las teorías aceptadas y para eso no hay nada mejor que los experimentos mentales; que no hacen que la física sea sencilla, pero al menos ayudan a introducir nuevos factores dónde a nivel experimental sería imposible.