Física de lo imposible (5 page)

El agua, por ejemplo, es diamagnética. Puesto que todos los seres vivos están hechos de agua, pueden levitar en presencia de un potente campo magnético. En un campo magnético de unos 15 teslas (30.000 veces el campo de la Tierra), los científicos han hecho levitar animales pequeños, tales como ranas. Pero si los superconductores a temperatura ambiente se hicieran una realidad, sería posible hacer levitar también grandes objetos no magnéticos gracias a su carácter diamagnético.

En conclusión, campos de fuerza como los descritos habitualmente en la ciencia ficción no encajan en la descripción de las cuatro fuerzas del universo. Pero quizá sea posible simular muchas propiedades de los campos de fuerza utilizando un escudo multicapa consistente en ventanas de plasma, cortinas láser, nanotubos de carbono y fotocromática. Pero el desarrollo de un escudo semejante podría tardar muchas décadas, o incluso un siglo. Y si llegaran a encontrarse superconductores a temperatura ambiente, seríamos capaces de utilizar potentes campos magnéticos para hacer levitar automóviles y trenes y elevarnos en el aire, como en las películas de ciencia ficción.

Dadas estas consideraciones, yo clasificaría los campos de fuerza como una imposibilidad de clase I; es decir, algo que es imposible con la tecnología de hoy, pero posible, en una forma modificada, dentro de un siglo más o menos.

Uno no puede depender de sus ojos
cuando su imaginación está desenfocada.

M
ARK
T
WAIN

En
Star Trek IV: El viaje a casa
, la tripulación del
Enterprise
se apropia de un crucero de batalla Klingon. A diferencia de las naves espaciales de la Flota Estelar de la Federación, las naves espaciales del imperio Klingon tienen un «dispositivo de ocultación» secreto que las hace invisibles a la luz o el radar, de modo que las naves de Klingon pueden deslizarse sin ser detectadas tras las naves espaciales de la Federación y tenderles emboscadas con impunidad. Este dispositivo de ocultación ha dado al imperio Klingon una ventaja estratégica sobre la Federación de Planetas.

¿Realmente es posible tal dispositivo? La invisibilidad ha sido siempre una de las maravillas de la ciencia ficción y de lo fantástico, desde las páginas de
El hombre invisible
al mágico manto de invisibilidad de los libros de Harry Potter, o el anillo en
El señor de los anillos
. Pero durante un siglo al menos, los físicos han descartado la posibilidad de mantos de invisibilidad, afirmando lisa y llanamente que son imposibles: violan las leyes de la óptica y no se adecúan a ninguna de las propiedades conocidas de la materia.

Pero hoy lo imposible puede hacerse posible. Nuevos avances en «metamateriales» están obligando a una revisión importante de los libros de texto de óptica. Se han construido en el laboratorio prototipos operativos de tales materiales que han despertado un gran interés en los medios de comunicación, la industria y el ejército al hacer que lo visible se haga invisible.

La invisibilidad es quizá una de las ideas más viejas en la mitología antigua. Desde el comienzo de la historia escrita, las personas que se han encontrado solas en una noche procelosa se han sentido aterrorizadas por los espíritus invisibles de los muertos, las almas de los que desaparecieron hace tiempo que acechan en la oscuridad. El héroe griego Perseo pudo acabar con la malvada Medusa armado con el yelmo de la invisibilidad. Los generales de los ejércitos han soñado con un dispositivo de invisibilidad. Siendo invisible, uno podría atravesar las líneas enemigas y capturar al enemigo por sorpresa. Los criminales podrían utilizar la invisibilidad para llevar a cabo robos espectaculares.

La invisibilidad desempeñaba un papel central en la teoría de Platón de la ética y la moralidad. En su principal obra filosófica, La República, Platón narra el mito del anillo de Giges.
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El pobre pero honrado pastor Giges de Lidia entra en una cueva oculta y encuentra una tumba que contiene un cadáver que lleva un anillo de oro. Giges descubre que ese anillo de oro tiene el poder mágico de hacerle invisible. Pronto este pobre pastor queda embriagado con el poder que le da este anillo. Después de introducirse subrepticiamente en el palacio del rey, Giges utiliza su poder para seducir a la reina y, con la ayuda de esta, asesinar al rey y convertirse en el próximo rey de Lidia.

La moraleja que deseaba extraer Platón es que ningún hombre puede resistir la tentación de poder robar y matar a voluntad. Todos los hombres son corruptibles. La moralidad es una construcción social impuesta desde fuera. Un hombre puede aparentar ser moral en público para mantener su reputación de integridad y honestidad, pero una vez que posee el poder de la invisibilidad, el uso de dicho poder sería irresistible. (Algunos creen que esta moraleja fue la inspiración para la trilogía de El señor de los anillos de J. R. R. Tolkien, en la que un anillo que garantiza la invisibilidad a quien lo lleva es también una fuente de mal).

La invisibilidad es asimismo un elemento habitual en la ciencia ficción. En la serie
Flash Gordon
de la década de 1950, Flash se hace invisible para escapar al pelotón de fusilamiento de Ming el Despiadado. En las novelas y las películas de Harry Potter, Harry lleva un manto especial que le permite moverse por el colegio Hogwarts sin ser detectado.

H.G. Wells dio forma concreta a esta mitología con su clásica novela
El hombre invisible
, en la que un estudiante de medicina descubre accidentalmente el poder de la cuarta dimensión y se hace invisible. Por desgracia, él utiliza este fantástico poder para su beneficio privado, empieza una oleada de crímenes menores, y al final muere tratando de huir desesperadamente de la policía.

Solo con la obra del físico escocés James Clerk Maxwell, uno de los gigantes de la física del siglo XIX, los físicos tuvieron una comprensión firme de las leyes de la óptica. Maxwell era, en cierto sentido, lo contrario de Michael Faraday. Mientras que Faraday tenía un soberbio instinto experimental pero ninguna educación formal, Maxwell, un contemporáneo de Faraday, era un maestro de las matemáticas avanzadas. Destacó como estudiante de física matemática en Cambridge, donde Isaac Newton había trabajado dos siglos antes.

Newton había inventado el cálculo infinitesimal, que se expresaba en el lenguaje de las «ecuaciones diferenciales», que describen cómo los objetos experimentan cambios infinitesimales en el espacio y el tiempo. El movimiento de las ondas oceánicas, los fluidos, los gases y las balas de cañón podían expresarse en el lenguaje de las ecuaciones diferenciales. Maxwell tenía un objetivo claro: expresar los revolucionarios hallazgos de Faraday y sus campos de fuerza mediante ecuaciones diferenciales precisas.

Maxwell partió del descubrimiento de Faraday de que los campos eléctricos podían convertirse en campos magnéticos, y viceversa. Asumió las representaciones de Faraday de los campos de fuerza y las reescribió en el lenguaje preciso de las ecuaciones diferenciales, lo que dio lugar a uno de los más importantes conjuntos de ecuaciones de la ciencia moderna. Constituyen un conjunto de ocho ecuaciones diferenciales de aspecto imponente. Cualquier físico e ingeniero del mundo tiene que jurar sobre ellas cuando llega a dominar el electromagnetismo en la facultad.

A continuación, Maxwell se hizo la pregunta decisiva: si los campos magnéticos pueden convertirse en campos eléctricos y viceversa, ¿qué sucede si se están convirtiendo continuamente unos en otros en una pauta inacabable? Maxwell encontró que estos campos electromagnéticos crearían una onda muy parecida a las olas en el mar. Calculó la velocidad de dichas ondas y, para su asombro, ¡descubrió que era igual a la velocidad de la luz! En 1864, tras descubrir este hecho, escribió proféticamente: «Esta velocidad es tan próxima a la de la luz que parece que tenemos una buena razón para concluir que la propia luz... es una perturbación electromagnética».

Fue quizá uno de los mayores descubrimientos de la historia humana. El secreto de la luz se revelaba por fin. Evidentemente, Maxwell se dio cuenta de que todas las cosas, el brillo del amanecer, el resplandor de la puesta de Sol, los extraordinarios colores del arco iris y el firmamento estrellado podían describirse mediante las ondas que garabateaba en una hoja de papel. Hoy entendemos que todo el espectro electromagnético —desde el radar a la televisión, la luz infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos X, las microondas y los rayos gamma— no es otra cosa que ondas de Maxwell, que a su vez son vibraciones de los campos de fuerza de Faraday.

Al comentar la importancia de las ecuaciones de Maxwell, Einstein escribió que son «las más profundas y fructíferas que ha experimentado la física desde la época de Newton».

(Por desgracia, Maxwell, uno de los más grandes físicos del siglo XIX, murió a la temprana edad de cuarenta y ocho años de un cáncer de estómago, probablemente la misma enfermedad de la que murió su madre a la misma edad. Si hubiera vivido más tiempo, podría haber descubierto que sus ecuaciones permitían distorsiones del espacio-tiempo que llevarían directamente a la teoría de la relatividad de Einstein. Es extraordinario darse cuenta de que si Maxwell hubiera vivido más tiempo, la relatividad podría haberse descubierto en la época de la guerra civil norteamericana).

La teoría de la luz de Maxwell y la teoría atómica dan explicaciones sencillas de la óptica y la invisibilidad. En un sólido, los átomos están fuertemente concentrados, mientras que en un líquido o en un gas las moléculas están mucho más espaciadas. La mayoría de los sólidos son opacos porque los rayos de luz no pueden atravesar la densa matriz de átomos en un sólido, que actúa como un muro de ladrillo. Por el contrario, muchos líquidos y gases son transparentes porque la luz pasa con más facilidad entre los grandes espacios entre sus átomos, un espacio que es mayor que la longitud de onda de la luz visible. Por ejemplo, el agua, el alcohol, el amoniaco, la acetona, el agua oxigenada, la gasolina y similares son transparentes, como lo son gases tales como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono, el metano y otros similares.

Existen excepciones importantes a esta regla. Muchos cristales son, además de sólidos, transparentes. Pero los átomos de un cristal están dispuestos en una estructura reticular precisa, ordenados en filas regulares, con un espaciado regular entre ellos. Así, un haz luminoso puede seguir muchas trayectorias a través de una red cristalina. Por consiguiente, aunque un cristal está tan fuertemente empaquetado como cualquier sólido, la luz puede abrirse camino a través del cristal.

Bajo ciertas condiciones, un objeto sólido puede hacerse transparente si los átomos se disponen al azar. Esto puede hacerse calentando ciertos materiales a alta temperatura y enfriándolos rápidamente. El vidrio, por ejemplo, es un sólido con muchas propiedades de un líquido debido a la disposición aleatoria de sus átomos. Algunos caramelos también pueden hacerse transparentes con este método.

Es evidente que la invisibilidad es una propiedad que surge en el nivel atómico, mediante las ecuaciones de Maxwell, y por ello sería extraordinariamente difícil, si no imposible, de reproducir utilizando métodos ordinarios. Para hacer invisible a Harry Potter habría que licuarlo, hervirlo para crear vapor, cristalizarlo, calentarlo de nuevo y luego enfriarlo, todo lo cual sería muy difícil de conseguir incluso para un mago.

El ejército, incapaz de crear aviones invisibles, ha intentado hacer lo que más se les parece: crear tecnología furtiva, que hace los aviones invisibles al radar. La tecnología furtiva se basa en las ecuaciones de Maxwell para conseguir una serie de trucos. Un caza a reacción furtivo es perfectamente visible al ojo humano, pero su imagen en la pantalla de un radar enemigo solo tiene el tamaño que correspondería a un pájaro grande. (La tecnología furtiva es en realidad una mezcla de trucos. Cambiando los materiales dentro del caza a reacción, reduciendo su contenido de acero y utilizando en su lugar plásticos y resinas, cambiando los ángulos de su fuselaje, reordenando sus toberas, y así sucesivamente, es posible hacer que los haces del radar enemigo que inciden en el aparato se dispersen en todas direcciones, de modo que nunca vuelven a la pantalla del radar enemigo. Incluso con tecnología furtiva, un caza a reacción no es del todo invisible; lo que hace es desviar y dispersar tantas ondas de radar como es técnicamente posible).

Pero quizá el más prometedor entre los nuevos desarrollos que implican invisibilidad es un nuevo material exótico llamado un «metamaterial», que tal vez un día haga los objetos verdaderamente invisibles. Resulta irónico que la creación de metamateriales se considerara en otro tiempo imposible porque violaban las leyes de la óptica. Pero en 2006, investigadores de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, y del Imperial College de Londres, desafiaron con éxito la sabiduría convencional y utilizaron metamateriales para hacer un objeto invisible a la radiación de microondas. Aunque hay aún muchos obstáculos que superar, ahora tenemos por primera vez en la historia un diseño para hacer invisibles objetos ordinarios. (La Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa [DARPA] del Pentágono financió esta investigación).

Según Nathan Myhrvold, antiguo jefe de tecnología en Microsoft, el potencial revolucionario de los metamateriales «cambiará por completo nuestro enfoque de la óptica y casi todos los aspectos de la electrónica. [...] Algunos de estos metamateriales pueden hacer realidad hazañas que habrían parecido milagrosas hace solo unas décadas».
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¿Qué son estos metamateriales? Son sustancias que tienen propiedades ópticas que no se encuentran en la naturaleza. Los metamateriales se crean insertando en una sustancia minúsculos implantes que obligan a las ondas electromagnéticas a curvarse de formas heterodoxas. En la Universidad de Duke los científicos insertaron en bandas de cobre minúsculos circuitos eléctricos dispuestos en círculos planos concéntricos (una forma que recuerda algo a las resistencias de un horno eléctrico). El resultado fue una mezcla sofisticada de cerámica, teflón, compuestos de fibra y componentes metálicos. Estos minúsculos implantes en el cobre hacen posible curvar y canalizar de una forma específica la trayectoria de la radiación de microondas. Pensemos en cómo fluye un río alrededor de una roca. Puesto que el agua rodea fácilmente la roca, la presencia de la roca no se deja sentir aguas abajo. Del mismo modo, los metamateriales pueden alterar y curvar continuamente la trayectoria de las microondas de manera que estas fluyan alrededor de un cilindro, por ejemplo, lo que haría esencialmente invisible a las microondas todo lo que hay dentro del cilindro. Si el material puede eliminar toda la reflexión y todas las sombras, entonces puede hacer un objeto totalmente invisible para dicha forma de radiación.