Física en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU

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¿QUÉ ES LA FÍSICA?

La Física estudia las leyes que rigen el comportamiento de la materia, desde sus constituyentes más pequeños hasta la evolución del Universo en su conjunto. Este ambicioso programa ha dado lugar a creaciones abstractas como la Relatividad y la Mecánica Cuántica, que han alterado profundamente nuestra imagen del mundo, y a conocimientos prácticos que nos permiten controlar la materia en formas cada vez más sutiles. De hecho, gran parte de la tecnología moderna: electrónica, láseres, nuevos materiales, energía nuclear, etc. es el resultado directo de la investigación llevada a cabo por físicos.

Orígenes

Se podría decir que la Física como ciencia comienza a existir hace unos cuatro siglos con Galileo, quien se ocupó de fenómenos tan cotidianos como el oscilar de una lámpara en una catedral o la caída de objetos desde una torre y por primera vez formuló las leyes correctas que los rigen. También fue el primero en observar la luna, los satélites de Júpiter y otros cuerpos celestes a través de un rudimentario telescopio.

Sin embargo, hemos de esperar cincuenta años más hasta que Isaac Newton descubre su ''ley de la gravitación universal'' y consigue explicar con ella el movimiento de los astros. Este es además el primer ejemplo de una "'unificación'' dentro de la Física: Newton se dio cuenta de que la fuerza que explica la caída de una manzana del árbol es la misma que hace girar la luna alrededor de la tierra y los planetas alrededor del sol. Hasta entonces, empezando por la mayoría de los filósofos griegos, se había pensado que nuestro corrupto ''mundo sublunar'' era esencialmente distinto del etéreo mundo perfecto de los astros, y las mejores mentes antes de Newton se habían dedicado a elucubrar complicadas teorías en las que torbellinos de gas giraban alrededor del sol, arrastrando así a los planetas en sus órbitas.

La Física Clásica

Con el paso de los siglos, se fueron abarcando y explicando cada vez más fenómenos. La Física de finales del siglo XIX, que hoy denominamos ''clásica'', se hallaba dividida en varias disciplinas: la Mecánica, que se ocupa del movimiento de los cuerpos, el Electromagnetismo, que describe y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos, la Óptica, iniciada por el mismo Newton y dedicada al estudio de la luz, y la Termodinámica, que estudia la conversión de calor en trabajo y describe el calor como una forma más de energía. Además, gracias a Maxwell, se sabía que la luz no era otra cosa que una onda electromagnética, con lo que, en cierto modo, la Óptica quedaba unificada con el Electromagnetismo. La belleza y perfección matemática de este edificio de la Física Clásica era tal que muchos pensaban que la Física como ciencia había llegado a su fin y que la única tarea que restaba al físico era la de medir cada vez con más precisión y englobar más fenómenos dentro del marco de las leyes ya definitivamente conocidas de la Física.

Esta ilusión (¿o pesadilla?) se desvaneció al empezar el siglo XX. Gradualmente se fue percibiendo que la Física Clásica estaba coja, y que su aplicabilidad al mundo real estaba limitada a cierto tipo de situaciones y fenómenos: velocidades pequeñas, con respecto a la de la luz, y objetos grandes, en comparación con el tamaño de los átomos. Las teorías que permitieron extender la Física más allá de su dominio clásico fueron la Relatividad y la Mecánica Cuántica.

La Relatividad

La Teoría de la Relatividad, desarrollada por Albert Einstein entre 1905 y 1915, nació a partir de una pregunta que él mismo se hizo ya de adolescente: ¿cómo aparecería una onda luminosa para un observador que cabalgase sobre ella a su misma velocidad? El responder a esta pregunta aparentemente inocente le llevó a consecuencias que aún hoy nos resultan sorprendentes: que la velocidad de la luz es una barrera absoluta imposible de franquear, que es posible convertir materia en energía y viceversa de acuerdo con su famosa ecuación E=mc2, y que el espacio y el tiempo son muy distintos a como siempre los habíamos imaginado. La duración, la simultaneidad, son conceptos relativos, dependientes de la velocidad del observador. La misma gravedad es una manifestación de la geometría espacio-temporal: un planeta, una estrella, ''curvan'' el espacio y el tiempo a su alrededor y hacen que la propia luz siga trayectorias curvas y que el tiempo transcurra más lentamente cerca de las grandes masas. En el caso extremo de un agujero negro, el tiempo se detiene al llegar a su ''horizonte de sucesos'', y una burbuja de espacio-tiempo queda por siempre atrapada y desconectada del resto del Universo en su interior.

Todo esto puede sonar ligeramente fantástico , casi increíble, pero es algo muy real: Las observaciones astronómicas confirman que en el centro de la mayoría de las galaxias (incluyendo nuestra Vía Láctea) existe un gigantesco agujero negro con una masa equivalente a la de millones de soles y, a nivel mucho más cotidiano, los sistemas de posicionamiento por satélite (GPS) de alta precisión tienen en cuenta que el tiempo sobre la superficie de la tierra transcurre algo más lentamente que en los satélites que la orbitan a cierta altura. Si estos GPSs no tuviesen en cuenta las correcciones predichas por la Relatividad General de Einstein no serían capaces de proporcionar posiciones de alta precisión.

La Mecánica Cuántica

Al contrario que la Relatividad, la Mecánica Cuántica fue desarrollada por varios físicos entre 1900 y 1926: Planck, el mismo Einstein, Bohr, De Broglie, Heisenberg y Schrödinger, entre otros. Sustituye las leyes de la mecánica clásica, que no son aplicables al mundo atómico y nuclear, por leyes completamente nuevas. De hecho, estas leyes son tan extrañas y contrarias a nuestra forma habitual de pensar que constituyen uno de los grandes problemas filosóficos de nuestro tiempo, pues nos obligan a repensar el concepto mismo de ''realidad''.

Por poner un ejemplo, si lanzamos una pelota al aire sabemos que en cada instante ésta ocupa una posición en el espacio, independientemente de que nosotros la observemos o no, la midamos o no. Si no miramos, no sabemos donde está la pelota, pero nadie duda de que está en alguna parte. Según la Mecánica Cuántica, esto no es cierto en el mundo atómico y subatómico: Un electrón en un átomo no ocupa ninguna posición concreta en el espacio, salvo que nosotros hagamos algo para medirla. Si medimos la posición, obtenemos un resultado y sabemos dónde está el electrón. Si no medimos, no es simplemente que no sepamos dónde está el electrón, sino que realmente éste no está en ninguna parte en concreto (¡pero existe!). Los objetos pueden existir sin ocupar una posición concreta en el espacio, la posición es el resultado de nuestra acción de medir. En cierto sentido, la realidad existe porque la observamos, se crea en el acto de la observación.

Podemos preguntarnos si realmente tenemos que aceptar proposiciones tan extrañas como ésta, leyes tan misteriosas como las de la Mecánica Cuántica. ¿No podemos intentar explicar el mundo usando las leyes de Newton, las leyes de la Física Clásica? La respuesta es que no: Si las leyes clásicas fuesen correctas, el mundo tal como lo conocemos no podría existir, pues los átomos durarían menos de una milmillonésima de segundo al caer los electrones sobre el núcleo. La Mecánica Cuántica, en cambio, no sólo explica la estabilidad de los átomos, sino que permite además calcular con gran precisión sus energías, sus enlaces químicos con otros átomos, y la estructura de la materia a nivel microscópico en general: átomos, núcleos, partículas elementales y quarks.

Más aún, gran parte de la tecnología moderna: electrónica, láseres, nuevos materiales, superconductores, energía nuclear, etc. es el resultado directo de la investigación llevada a cabo por físicos en su intento de comprender el mundo microscópico según las leyes cuánticas. Los transistores que componen los circuitos integrados de todos los aparatos electrónicos de hoy en día, el laser del DVD y el reactor nuclear que les proporciona energía funcionan de acuerdo con los extraños principios de la Mecánica Cuántica.

¿A QUÉ SE DEDICA UN FÍSICO?

La formación del físico le capacita para un amplio espectro de tareas, desde la ingeniería de desarrollo y el control de calidad, hasta la investigación básica, tanto en la empresa como en la universidad y centros de investigación y para la docencia en todos los niveles. Los físicos tienen una participación importante en empresas dedicadas al medio ambiente, nuevos materiales, producción de energía, electrónica, tecnología espacial y aeronáutica, protección radiológica y nuevas técnicas de la información.

En resumen, el físico es un profesional caracterizado por la capacidad para el razonamiento abstracto y matemático y por la versatilidad para abordar problemas complejos. El conocimiento profundo de las leyes físicas que sólo proporciona esta titulación le convierte en un protagonista imprescindible en cualquier programa de desarrollo e innovación tecnológica.

La creciente valoración del físico tanto por parte de las instituciones como de la empresa privada, hace que Licenciatura en Física figure entre las titulaciones universitarias con mejores índices de empleo y de satisfacción laboral.

La versatilidad del físico puede apreciarse en los testimonios de esta selección de ex-alumnos de la carrera.

¿QUÉ SE APRENDE DURANTE LA CARRERA?

Como se ha visto en el apartado anterior, la Física estudia las leyes que rigen el comportamiento de la materia desde sus constituyentes más pequeños hasta la misma evolución del Universo en su totalidad. Para abarcar un conjunto tan grande de fenómenos, el físico necesita de una sólida formación, no sólo en Física Clásica (Mecánica, Electromagnetismo, Óptica, Termodinámica) y Moderna (Relatividad y Mecánica Cuántica), sino tambien en Matemáticas, utilización de ordenadores y técnicas de laboratorio.

Las matemáticas son esenciales para el físico principalmente por dos razones: Por una parte, el físico no se limita a describir la realidad, sino que intenta predecir su comportamiento de acuerdo con ciertas leyes, y estas predicciones exigen la realización de cálculos, a menudo de gran complejidad. Por otra, algunas de las ideas manejadas por los físicos son tan abstractas (espacios curvos multidimensionales, electrones ''deslocalizados'' en redes cristalinas,...) que sólo pueden representarse apropiadamete mediante fórmulas y costrucciones matematicas. Por eso, los requisitos de matemáticas en la Titulación de Física son superiores a los de cualquier otra carrera científica (Bilología, Química, Geología,...) o tecnológica (Arquitectura, Ingenierías,...), salvo, claro está, los de la propia titulación de Matemáticas.

Muchos de los cálculos que tiene que realizar el físico sólo pueden llevarse a buen término con el auxilio de ordenadores. Por poner un ejemplo, la predicción del tiempo (la ''meteorología'', que ocupa a numerosos físicos) requiere el manejo de una cantidad enorme de variables y la resolución numérica de complicadas ecuaciones. Lo mismo es cierto del estudio de las propiedades de materiales especiales, de las soluciones de la Relatividad General que describen ''discos de acreción'' alrededor de agujeros negros, o de las colisiones de partículas en grandes aceleradores donde se crean nuevas formas de materia (De hecho, ''Internet'' se creó en el CERN, que es el principal laboratorio europeo de Física de Altas Energías). Por eso, a lo largo de toda la carrera, y ya desde primer curso en la asignatura ''Laboratorio de Matemáticas'', se procura familiarizar al estudiante con la programación y utilización de ordenadores.

Por último, la Física es una ciencia experimental: Las teorías se construyen a partir de datos obtenidos en los laboratorios (o a través de telescopios y radiotelescopios, en el caso de la Astrofísica), y las predicciones de las teorías se contrastan con la realidad mediante la realización de experimentos. Además , muchos físicos trabajan desarrollando nuevos productos o procesos en empresas (departamentos I+D). Por eso, a lo largo de la carrera se proporciona una formación básica en técnicas de laboratorio mediante la oferta de asignaturas esencialmete experimentales: Fundamentos de Técnicas Experimentales (primer curso), Técnicas Experimentales en Física I, II y III (segundo y tercer curso) y Métodos Experimentales I y II (en cuarto y quinto).

Todas las materias mencionadas son impartidas por profesores de varios departamentos de Física y por un departamento de Matemáticas de la Facultad de Ciencia y Tecnología. La Facultad cuenta con cuatro departamentos de Física, que agrupan a cerca de noventa profesores, muchos de los cuales están involucrados en investigación de primera línea en áreas tan diversas como la Física de Materiales, Partículas Elementales, Gravitación y Cosmología, Mecánica Cuántica y Electrónica. Gran parte de esta investigación se realiza en colaboración con otros centros nacionales y extranjeros. La excelente relación entre los números de profesores y alumnos facilita una atención individualizada. En particular, cada nuevo alumno cuenta con un profesor-tutor personal que le guía y aconseja a lo largo de todos sus estudios.

Este "corral cuántico" fue construido en el Centro de Investigación de IBM en San Jose, California, por M. Crommie y sus colaboradores. Usaron un microscopio de efecto túnel para colocar uno a uno átomos de hierro sobre una superficie de cobre.

¿CÓMO ESTÁN ORGANIZADOS LOS ESTUDIOS DE FÍSICA?

La Licenciatura de Física está dividida en un primer ciclo de tres años y un segundo ciclo de dos años. Existe además un tercer ciclo (opcional) para estudios de postgrado.

Estructura del Plan de Estudios y Programas de las Asignaturas

  • PRIMER CICLO: Ofrece una sólida formación en Física Clásica (Mecánica, Ondas, Electricidad, Termodinámica, Óptica) y Moderna (Relatividad y Mecánica Cuántica), así como en Matemáticas, técnicas básicas de laboratorio y utilización de ordenadores.

    Al terminar el primer ciclo de Física (tercer año) se puede elegir entre continuar dentro de la titulación o cursar varias ingenierías y licenciaturas de segundo ciclo: Ingeniería Electrónica, Ingeniería de Materiales, Licenciado en Ciencias del Mar, etc. La optatividad permite acomodar durante el tercer curso el estudio de los complementos de formación necesarios para el acceso a otras titulaciones de segundo ciclo.

  • SEGUNDO CICLO: Las materias obligatorias profundizan en todas las áreas fundamentales de la Física actual: Relatividad, Mecánica Cuántica, Física Estadística, Física Nuclear y de Partículas, Física del Estado Sólido, etc. Existe además una amplia oferta de asignaturas optativas: Gravitación y Cosmología, Astrofísica, Partículas Elementales, Física del Clima, Microscopía Electrónica, Materiales Magnéticos, Electrones en Sólidos, Radiaciones Ionizantes y Radioprotección, por citar unas pocas.

    Mediante la selección de las asignaturas optativas es posible obtener distintos grados de especialización en Física Teórica, Física de Materiales y varias áreas de Física Aplicada, incluyendo la Física del Clima (Meteorología) en la propia Facultad. Otras universidades ofrecen además Astrofísica, Optica, Biofísica, Geofísica, etc.

    La existencia de los programas Séneca y Sócrates permite que los mejores alumnos estudien parte del segundo ciclo en otras universidades nacionales y extranjeras, con financiación parcial por parte de las instituciones. Así es posible, por ejemplo, que un alumno curse las asignaturas obligatorias en nuestra Facultad, y elija otra universidad para lograr una especialización no ofertada aquí.

    Por último, el actual Plan de Estudios permite la amortización de créditos mediante la realización de prácticas en empresas, o la realización de trabajos académicamente dirigidos por miembros de los departamentos de Física. Esto permite que los alumnos que lo deseen tengan un primer contacto con la empresa y con la investigación antes de terminar la carrera.

  • TERCER CICLO: Introduce en el mundo de la investigación a los alumnos más motivados y capaces. La realización de una tesis doctoral conduce al título de "Doctor en Física".

Agradecimientos a:

  • Juan Luis Mañes por los apartados relativos a la Historia de la Física, la estructura de los estudios, y el perfil de trabajo de los titulados.
  • Aitor Bergara por recoger información sobre antiguos alumnos.
  • Juan Mari Aguirregabiria por aportar los enlaces a páginas externas sobre física.
  • Luis Elcoro por recoger los programas de las asignaturas.

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