Los 4 Fantásticos y magnetismo básico

Seguimos un poco más con campos magnéticos, pero esta vez en otro medio muy diferente: el cómic. Ya he escrito aquí alguna vez sobre los 4 Fantásticos (^{[1] y [2]}). Esta vez, nos remontaremos a sus orígenes, hasta el número 20 de la colección, donde aparece por primera vez el Hombre Molécula, un supervillano con poder para controlar las moléculas (como su nombre indica), aunque dado que puede transmutar objetos, sería mejor decir que puede controlar átomos y partículas subatómicas también. Bueno, es un cómic de superhéroes, así que nos creemos que tiene ese superpoder, y ya está.

En el enfrentamiento con los 4F, nuestro villano «crea» unos imanes a partir de las moléculas de aire, con unas propiedades muy curiosas: se «pegan» a los brazos y piernas de Mister Fantástico, y se repelen con fuerza, estirando al pobre lider del famoso cuarteto. El discurso del Hombre Molécula, es el siguiente (las negritas son del original):

Todo lo que necesito es provocar que las moléculas del mismo aire cambien su forma...

...y así, a partir del aire, creo un par de potentes imanes...

Uno es positivo, el otro negativo. Cada uno se adherirá a tu propio cuerpo flexible, y entonces...

...debido al hecho de que se repelen mutuamente, vuelan en direcciones opuestas. Y así, elimino la amenaza de Mister Fantástico ¡para siempre!

Bueno, bueno, bueno. Vale que es un cómic de superhéroes. Nos creemos que hay personajes con poderes extraordinarios, que desafían la física. Nos creemos que se pueden fabricar imanes (ojo, no electroimanes) tan potentes como para seguir repeliéndose con fuerza a varios metros de distancia. Nos creemos incluso que se «pegan» de forma no explicada a las extremidades de Mister Fantástico. Pero lo que ya no cuela es que se repelan porque tienen polos opuestos. Si hay algún principio físico conocido por todo el mundo, incluso los que catearon la física del cole, es esa conocida frase de polos opuestos se atraen, polos iguales se repelen.

Hay otro detalle importante, y es que, por lo que cuenta, el Hombre Molécula ha creado dos monopolos magnéticos. ¿Cómo? Veamos, imaginemos que tenemos un iman en forma de barra, con su polo norte y su polo sur. Eso sería un dipolo magnético. Si partimos la barra por la mitad, uno puede pensar que hemos separado los polos, de forma que tendríamos dos imanes, cada uno con un sólo polo (norte o sur). Esto sería un monopolo magnético. Pero la realidad es muy diferente. Al partir la barra, en realidad obtenemos dos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur. Si partimos nuevamente uno de esos imanes, volvemos a obtener dos imanes «completos». Podríamos seguir y seguir, hasta llegar a nivel subatómico, y quedarnos sólo con un átomo, o incluso una partícula elemental. Y si aun tiene propiedades magnéticas, estaríamos ante un dipolo, nunca ante un monopolo.

Y es que una consecuencia de las Ecuaciones de Maxwell es que los monopolos magnéticos no pueden existir. Nos lo dice concretamente la segunda ecuación, que expresa la Ley de Gauss para el campo magnético. Según esta ley, el flujo neto magnético a través de cualquier superficie cerrada, es siempre cero, o lo que es lo mismo, las líneas de campo son siempre cerradas. ¿Ein? Bueno, para representar un campo magnético (o eléctrico, o gravitatorio, o cualquier campo vectorial), se utilizan las llamadas líneas de campo, que para no entrar en más formalidades, podemos pensar que nos indican las trayectorias que seguirían partículas virtuales (sin ningún tipo de inercia ni oposición) afectadas por la fuerza correspondiente al campo. Si representáramos el campo gravitatorio terrestre, tendríamos una serie de líneas que surgen del centro de nuestro planeta, atraviesan la superficie de forma perpendicular, y continúan hasta el ínfinito en línea recta. Si representamos el campo eléctrico de una carga aislada, tendríamos la misma distribución. Es evidente que cualquier superficie que envolviera la fuente del campo (una esfera concéntrica, por ejemplo) sería atravesada por estas líneas en una sóla dirección. Una superficie cerrada, que no envuelva la carga, sería atravesada dos veces por cada línea, de forma que el mísmo número de línas que entran, salen también, Es decir, el flujo neto es cero.

Pues bien, lo que ocurre con los campos magnéticos es que sus líneas de campo son siempre curvas cerradas, de forma que es imposible «envolver» un zona con flujo neto distinto de cero. Es decir, no existe nada parecido a una «carga magnética». Haciendo una analogía, podemos pensar que un campo eléctrico es como el flujo del agua en un recipiente, con fuentes y sumideros, de forma que hay agua que entra y agua que sale; mientras que un campo magnético sería como el flujo de agua en un recipiente cerrado.

Hay que decir que hay científicos que siguen buscando la posible existencia de monopolos magnéticos (lo que implicaría que las Ecuaciones de Maxwell no son del todo correctas), más que nada porque algunas teorías, como la Teoría de las Supercuerdas o la Teoría de la Gran Unificación, predicen o necesitan de su existencia. Pero aún no se ha conseguido observar ni obtener ninguno.

Cero Absoluto (y 3)

Hoy terminaré con la película Cero Absoluto, comentando algunos detalles más, relacionados con el campo magnético terrestre.

Comencemos: más o menos al principio, los protagonistas estudian muestras de la cueva esa de la Antártida (que menciono en el primer artículo) para averiguar cómo era el campo magnético en esa época. Bueno, aquí hay un poco de buena ciencia (que luego estropean). El campo magnético terrestre ha sufrido importantes variaciones a través de la historia de nuestro planeta. ¿Cómo lo podemos saberlo? Bueno, existen minerales con propiedades magnéticas interesantes (como el hierro). Esto es porque los átomos que lo componen se comportan como pequeños imanes (dipolos magnéticos). En presencia de un campo magnético exterior, estos dipolos magnéticos tienden a alinearse con él. El campo magnético terrestre no es una excepción, y así es como funcionan las brújulas, pero normalmente es demasiado débil como para cambiar la alineación de dipolos en un mineral a temperatura ambiente, o hacerlo rotar (en el caso de la brújula, la aguja es muy ligera, y está montada de forma que puede girar libremente). La cosa cambia a altas temperaturas. Cuando el magma del interior de nuestro planeta aflora a la superficie (como en los bordes de las placas tectónicas), los dipolos magnéticos se alinean fácilmente con el campo magnético terrestre. Una vez se enfría, esta alineación permanece, aunque el campo magnético terrestre cambie. Así, si estudiamos el magnetismo de una roca y conocemos en qué época se formó, podemos saber cómo era el campo magnético terrestre en aquella época.

Sigamos. En la película, los protas descubren que, según las muestras que tomaron, en esa época no había campo magnético, y se asombran enormemente, ya que dicen que eso es imposible. Bueno, pues no es imposible. El campo magnético terrestre, como he dicho, ha sufrido importantes variaciones a lo largo de su existencia. Estas variaciones incluyen inversiones polares (es decir, los polos norte y sur se intercambian), y fuertes aumentos y descensos en su intensidad, llegando incluso a casi desaparecer durante algunas temporadas. Así que el descubrir una desaparición del campo magnético terrestre en una época determinada, no debería causar ese asombro.

Este dato es además incoherente con el propio argumento. El prota deduce que en esa época, el clima estaba «invertido» como al final de la peli (es decir, clima cálido en los polos, y frío en los trópicos), pero la explicación que dan para eso es que el campo «rota» 90º (como ya comenté), de forma que los polos se trasladan al ecuador. Entonces, si la situación era la misma, la roca examinada debería mostrar precisamente eso: que había campo magnético, y los polos estaban en el ecuador.

Otra cosa que llama enormemente la atención es que tras examinar esa roca, el científico protagonista descubre que va a ocurrir lo mismo en muy poco tiempo. Incluso da un plazo de cuatro horas, iniciando una cuenta atrás tan exacta, que llega a cero en el momento justo en el que se alcanza la temperatura de 0 K. Y yo me pregunto ¿cómo? ¿Cómo únicamente a partir de una única muestra de hace mucho tiempo, el tío puede extrapolar perfectamente el comportamiento del campo magnético y dar una previsión tan exacta? Porque a día de hoy, no se ha encontrado ningún tipo de patrón entre las variaciones del campo magnético. Las inversiones parecen ocurrir al azar, con periodos que oscilan entre unos miles de años, y unos millones. Es como si alguien averigua que en una fecha concreta llovió, y entonces deduce que mañana lloverá también.

Es interesante también hacer notar que no se tiene constancia de que nunca haya ocurrido algo similar a un desplazamiento de 90º de los polos. ¿No? ¿Entonces cómo se invierten? Bueno, cuando a uno le mencionan lo de la inversión de los polos, supongo que es fácil imaginarse una especie de iman gigante dentro de la Tierra, que de vez en cuando se da la vuelta, girando 180º. Así que, en algun momento debe pasar por ese «medio camino» que supone tener los polos en el ecuador. Pero la realidad es muy diferente. No se sabe con certeza el mecanismo exacto que genera nuestro campo magnético planetario, pero sí se tiene bastante seguridad de que está producido por las corrientes internas del nucleo (que está formado en un 80% por hierro), y éstas son consecuencia, en parte, de la rotación terrestre. Cuando se produce una inversión, no es que el núcleo gire en sentido contrario (bien porque su eje haya rotado, bien porque el núcleo se haya detenido y comenzado a girar el revés), sino que las corrientes de magma se alteran de tal manera que las líneas del campo magnético adquieren un comportamiento caótico, y los polos terminan por invertirse. Como he dicho, no se sabe muy bien por qué, pero existen modelos y simulaciones informáticas que muestran que en determinadas circunstancias, el campo puede disminuir, invertirse, y aumentar nuevamente, manteniendo el mismo sentido de giro global.

Terminaré con un detalle que me hizo especial gracia. Cuando los protas están en el edificio ese con un aislante térmico tan fantástico, el grupo se ve obligaso a separarse. Unos se quedan cerca de una habitación con mejor aislamiento (y en la que se refugian cuando se llega a los 0 K), y otros se van a buscar... bueno, no recuerdo. Lo importante es que el científico es de los que se van, y les deja a los que se quedan una brújula. Al hacerlo les explica que cuando la aguja de la misma llegue a un punto (el este o el oeste), deben meterse en la habitación sin esperar a nadie (es el momento en el que el giro de 90º se completa, y se alcanza el cero absoluto). Pero simplemente les da una brújula y ninguna otra referencia. Veamos, una brújula consiste básicamente en una aguja imantada que se puede mover libremente, dentro de un soporte que tiene una circunferencia con una escala de grados (de circunferencia, claro), indicando diversos puntos cardinales. La aguja simplemente se alinea con el campo magnético, en la dirección norte-sur. Para utilizar la brújula, hay que girar el soporte de la aguja, hasta que el punto marcado como norte, coincida con la mitad de la aguja que apunta el norte (que debería estar diferenciada de la otra mitad, para distinguir el norte del sur). Así que de nada sirve que te digan que cuando la aguja llegue a la marca del este o el oeste, hay que refugiarse, porque dependiendo de cómo cojas la brújula, la circunferencia graduada estará orientada de forma diferente. Sin una referencia externa para saber donde está el norte geográfico, no podemos saber la desviación del campo magnético

De hecho, puesto que los polos magnéticos no coinciden con los geográficos, en las regiones polares hay una diferencia apreciable entre la dirección que indica la aguja, y el polo geográfico. Es lo que se conoce como declinación magnética (que también puede ocurrir por la presencia de campos magnéticos locales, naturales o artificiales, o la interferencia de minerales ferromagnéticos próximos). En estas zonas, hay que conocer de antemano dicha desviación, y orientar la circunferencia graduada de acuerdo con ella, de forma que en vez de hacer coincider la aguja con el norte, hay que situarla con la misma desviación en grados que la declinación magnética.

Cero Absoluto (2)

Como lo prometido es deuda, hoy seguiré con la película Cero Absoluto, comentando sobre todo lo que se dice sobre el campo magnético terrestre y el clima. Para los despistados, recordaré el argumento: un científico descubre que el campo magnético es la causa de las glaciaciones, y que va a cambiar, provocando que se alcance el cero absoluto en latitudes bajas, y climas tropicales en latitudes altas. El cambio del campo magnético se produce de la siguiente forma: los polos magnéticos se desplazan hasta situarse en el ecuador. Es decir, si imaginamos un enorme iman en forma de barra, sería como si rotase más o menos 90º y se pusiese «de través» (lo del más o menos es porque el «eje magnético» no está alineado con el eje de rotación.

Bueno, aquí hay un gigantesco error de concepto. En la peli se da a enteder que el campo magnético es la causa de la diferencia climática según la latitud. Así, cerca de los polos magnéticos hace frío, y lejos de ellos hace calor. Y eso es un disparate. La variación climática con la latitud no tiene absolutamente nada que ver con el campo magnético terrestre, sino con la geometría de nuestro planeta, y con el sol. Veamos, debido a la forma casi esférica de la Tierra (y de cualquier paneta), el sol incide de forma más o menos perpendicular en las regiones próximas al ecuador. A medida que nos alejamos de él, y nos acercamos a los polos, los rayos inciden de forma cada vez más oblicua y la energía debe repartirse por una superficie mayor, calentando así en menor medida (podemos experimentar con una linterna sobre una pared, y ver como la mancha de luz aumenta cuanto más oblicuo esté el haz). Además, desde nuestro punto de vista, el sol alcanza mayores elevaciones sobre el horizonte cuanto más cerca estemos del ecuador. Y cuánto más cerca esté el sol del horizonte, más cantidad de atmósfera debe atravesar su radiación hasta llegar a nosotros, y por tanto, también calienta menos.

Hay otro detalle fundamental que influye enormente en el clima: la inclinación del eje de rotación terrestre. Si el eje terrestre fuera perpendicular al plano de la órbita, el sol incidiría siempre de forma perpendicular en el ecuador, en el momento del mediodía solar. Pero nuestro eje de rotación forma un ángulo de 23° 26′ 21″ con la perpendicular, por lo que dependiendo de en qué punto de la órbita nos encontremos, el sol incidirá de forma diferente. Así, únicamente en los equinoccios el sol incide de forma perpendicular sobre el ecuador (en el momento del mediodía solar). El resto del año, la latitud donde el sol incide perpendicularmente al mediodía, va cambiando, llegando a su máximo alejamiento del ecuador en los solsticios, y lógicamente ocurre a la latitud de 23° 26′ 21″ (norte o sur, dependiendo del soslticio). Y justo en esta latitud es donde se encuentran los trópicos. Y es que la latitud de los trópicos no es un valor elegido al azar, sino que corresponde con la inclinación del eje terrestre.

Lo mismo sucede con los círculos polares. Estos se encuentran a 66° 33′ 39″ de latitud, que es precisamente el resultado de restar a 90º, la inclinación del eje terrestre. Es evidente ver que durante los solsticios, el sol incidirá de forma tangencial (es decir, lo vemos en el horizonte) justo en esa latitud. En el solsticio de verano, el sol nunca se llegará a ocultar (el famoso sol de medianoche), y en el de invierno, nunca llegará a salir. En los equinoccios, sin embargo, el sol incide de forma tangencial únicamente en los polos.

Por si fuera poco, además de la burrada de relacionar los tipos de clima con el campo magnético, la película ni siquiera es consistente consigo misma. Si el «eje magnético» gira 90º y se alinea con el ecuador, y si cerca de los polos magnéticos hace frío, y lejos de ellos calor; habrá lugares en el ecuador donde siga haciendo calor. Veamos, imaginemos que los polos magnéticos se desplazan a 0º de laltitud, y uno está a 90º de longitud oeste, y el otro a 90º este. Según esa idea (absurda), a 0º y º180º de longitud, debería seguir habiendo un clima cálido. Sin embargo, en la peli, toda la franja entre 30º N y 30º S se congela.

Otra idea totalmente errónea es el concepto de tienen de glaciación. Una glaciación es un enfriamiento global del planeta, en el que los hielos avanzan desde los polos hacia latitudes más bajas. Todo el planeta se enfría. En la peli, sin embargo, lo que describen es una «inversión climática», de forma que mientras las latitudes bajas se enfrían, los polos se calientan. De hecho, al final de la peli, aparece un noticiario en el que la presentadora dice que están emitiendo desde "el Trópico de Nueva York". Sin comentarios.

Bueno, podría comentar más cosas, pero creo que la burrada de hoy empequeñece cualquier otro error.

Cero Absoluto (1)

Tras unas merecidas (y cortas) vacaciones, aquí estoy de nuevo. Y el irme a pasarlas a la costa levantina, me ha permitido ver una película de esas a las que podría dedicar cientos de artículos. Se trata de Cero Absoluto, una cutrepelícula canadiense que pusieron hace un par de semanas en Canal 9, y que en su día pretendió aprovechar el tirón de El Día de Mañana, llegando incluso a plagiar la escena inicial. Como no es muy conocida, os comento el argumento: un científico, que previamente había logrado alcanzar en laboratorio la temperatura del cero absoluto, descubre en la Antártida unos restos arqueológicos (cuevas con restos humanos y pinturas rupestres) y concluye que la periódica inversión del campo magnético terrestre es la causa de las glaciaciones. Al investigar más, ya en Miami, descubre que en pocas horas el campo magnético terrestre cambiará su orientación, provocando una inversión climática en la que las latitudes altas tendrán climas calidos, y en las tropicales se llegará al cero absoluto. Como es típico en estas pelis, nadie le cree (salvo unos amigos), hasta que se desencadena la catástrofe.

Bueno, ¿por dónde empezar? supongo que lo primero es hablar del cero absoluto y de su imposibilidad de alcanzarlo. El cero absoluto es la mínima temperatura teórica posible, y corresponde a –273,15 ºC, o a 0 K. Precisamente por ser la mínima temperatura, es el origen de la escala Kelvin. No solamente no puede existir ningún cuerpo por debajo de dicha temperatura, sino que tampoco puede alcanzarse. Y no es por cuestiones técnicas, sino que es un límite físico, como la velocidad de la luz. Es una consecuencia de la Tercera Ley de la Termodinámica. Y «con la Termodinámica hemos topado». Recordaréis que en alguna ocasión he mencionado que las Leyes de la Termodinámica son las leyes más «leyes» de toda la física.

Uno puede intentar aproximarse lo más posible a la temperatura de 0 K, pero nunca alcanzarla. En la peli, sin embargo, se alcanza dicha temperatura en dos ocasiones. La primera en un laboratorio, al principio, para que veamos que el prota es muy listo. Y la segunda, en el climax de la peli, que ocurre de forma natural debido a las condiciones climáticas, y en toda la franja comprendida entre los 30º N y 30º S de latitud, en todo el planeta.

Por si eso tuviera poco delito, el descenso de temperatura desde, pongamos 35 ºC, a los –273,15 ºC, se produce en menos de 4 horas (que es el plazo que da el científico, cuando descubre lo que va a pasar). No voy a calcular cifras, pero intentad imaginar la enorme cantidad de calor que debe «evacuarse» en tan corto periodo de tiempo. Recordad que el calor es directamente proporcional a la temperatura y a la masa.

Otra cosa muy importante que los guionistas olvidan es que el aire se puede licuar y congelar, como cualquier gas. Mientras ocurre el brusco descenso de temperatura, los protas se refugian en un edificio (que vaya buen aislamiento que tiene, para que puedan sobrevivir cuando la temperatura exterior desciende tanto). Cerca del final, se ven obligados a salir al exterior para sortear un obstáculo y luego vuelven a entrar (protegidos por unos estupendos trajes, con un aislamiento térmico tan bueno como el del edificio). Cuando esto ocurre, nos muestran en repetidas ocasiones (para darle emoción a la cosa), una pantalla con la cuenta atrás hasta el 0 K, un diagrama con la orientación del campo magnético terrestre (consistente en una especie de brújula) y la temperatura en kelvins, grados Celsius y grados Fahrenheit. Se puede ver perfectamente como la temperatura es de unos pocos kelvins (menos de 20, creo recordar) y descendiendo. Pues bien, el nitrógeno (que supone un 78% de nuestra atmósfera) se licua a 77,35 K y se congela a 63,14 K. El oxígeno (un 21%) se licua a 90,18 K y se congela a 50,35 K. Es decir, por debajo de 50 K, nuestra atmósfera (al menos, el 99%) debería estar en estado sólido. Sin embargo, los personajes se mueven en una atmósfera perfectamente gaseosa. Incluso cuando se llega finalmente a 0 K, se nos muestra una panorámica de la ciudad y la playa cubiertas de hielo, con viento soplando y desplazando los copos de nieve que caen.

Es más, cuando eso sucede, dos de los personajes corren desesperadamente hacia un laboratorio especial (que debe tener aún mejor aislamiento) para protegerse, mientras detrás de ellos «el frío avanza», en una secuencia también plagiada de El Día de Mañana. Uno de ellos, se detiene a recojer unos papeles de contratos millonarios que se le han caído, y claro, el frío le alcanza, congelándose instantáneamente (en toda peli de este tipo, tiene que haber un personaje antipático y ambicioso, que muere víctima de su propia ambición), mientras el científico listo y protagonista, lo contempla impotente a pocos metros de distancia. Pero el pasillo sigue conteniendo aire gaseoso. Y además, el prota no parece tener frio, pese a que a poca distancia la temperatura ambiental es de 0 K.

Bueno, de momento, creo que está bien. En el siguiente artículo ¿qué tiene que ver el campo magnético con la diferencia de clima según la latitud?.