sábado, 29 de marzo de 2008

Viajes en el tiempo y agujeros de gusano



El siguiente es un interesante experimento mental sacado del libro "El futuro del Espaciotiempo" por Stephen Hawking, Kip Thorne e Igor Novikov.

Supongamos que coloco dos relojes en los dos extremos de un agujero de gusano. Una de las bocas del agujero la aproximo a las cercanías de una estrella de neutrones (reloj A), donde el tiempo discurre más lentamente, pongamos tres veces más lentamente. Y la otra boca la coloco lejos, donde la influencia gravitatoria de la estrella no sea tan importante (reloj B). Cuando hayan pasado 5 minutos en el reloj A habrán pasado 15 minutos en el reloj B. Supongamos que inicialmente coloco los relojes sincronizados a las 12:00 en ambas bocas, pasados 5 minutos por el reloj A, éste marcara las 12:05 mientras que el reloj B marcará las 12:15.
Supongamos que a las 12:15 me siento a leer el periódico al lado del reloj B durante media hora y a las 12:45 decido levantarme y dirigirme hacia la boca A del agujero de gusano pero haciendo el camino largo, es decir, no atajando por el agujero de gusano. Al levantarme, mi reloj está sincronizado con el reloj B, de forma que mi reloj también marca las 12:45. Cuando llego al reloj A, pongamos por caso que mi reloj marca las 13:00 que es la misma hora que debe marcar el Reloj B. Sin embargo el reloj A está muy desfasado con respecto el reloj B y el mío, de hecho cuando mi reloj y el reloj B marcan las 13:00 el reloj A marca las 12:20.
Ahora estoy en la boca A del agujero de gusano junto al reloj A que marca las 12:20, mientras que mi reloj y el reloj B marcan las 13:00. Si en este momento cruzo por el agujero de gusano hacia el reloj B, llegaré allí casi al instante porque el agujero de gusano hace que dos regiones que están muy alejadas parezcan que están (y de hecho están) muy cerca. De hecho llegare allí a las 12:20, ¡cinco minutos después de sentarme a leer el periódico y 25 minutos antes de levantarme y dirigirme al reloj A!. En este momento estoy al lado de mí mismo leyendo el periódico, el reloj A marca las 12:20, el reloj B también marca las 12:20, el reloj de la versión de mí mismo sentado leyendo el periódico marca las 12:20, ¡pero mi reloj marca las 13:00!
En este ejemplo el lapso de tiempo es bastante pequeño, si en lugar de esperar sentado durante 30minutos, espero un año entero, por el reloj B habrápasado un año (365 días), pero por el reloj A habrán pasado 4 meses. Si pasado un año por el reloj B viajo por fuera del agujero de gusano hasta el reloj A y cruzo por el agujero de gusano regresando finalmente al reloj B habré viajado 8 meses atrás en el tiempo.

Aún no sabemos si es posible viajar a través de los agujeros de gusano, ni siquiera sabemos si es posible que eixistan los agujeros de gusano, pero sí sabemos que la Relatividad General permite que haya viajes en el tiempo.
Después de considerar esto vendrán los típicos dolores de cabeza sobre las paradojas temporales y sobre si puedo viajar al pasado y matar a mi abuela antes de que yo nazca. Es un tema que se resuelve de una forma ridículamente sencilla en el citado libro de los tres autores. Básicamente estamos cometiendo un error al plantear la paradoja ya que primero partimos de un único supuesto verdadero y luego extraemos conclusiones como si en verdad hubiésemos tomado otro supuesto.
En esto Hawking se muestra convencido (y muchos otros entre los que me incluyo) que si es posible viajar al pasado, tus actos estarán determinados por la historia pasada, que al regresar al pasado se ha convertido en tu historia futura, pero ya conocida por tí e inevitable. Es imposible que puedas alterar algo porque esa alteración no forma parte de tu historia pasada.
Bueno recomiento encarecidamente la lectura del citado libro: "El Futuro del Espaciotiempo" por Hawking, Thorne y Novikov. Es un libro fácil de leer y corto, por lo que no quitará mucho tiempo de vuestra vida ;-)

Con este, doy por terminada esta miniserie de fascículos sobre la Relatividad General y el EspacioTiempo de Einstein.

Forma del universo y distribución de la materia

La forma del universo nos da una idea de como está distribuida su masa (y al revés: la distribución de materia nos puede dar una idea de la geometría).

Bien, veamos una imagen sobre la distribución de materia en nuestro universo:

(foto tomada del Sloan Digital Sky Survey)
Esta imagen es un poco confusa. Hay que darse cuenta que si miramos cerca del borde del círculo, estamos viendo etapas antiguas del universo, en el que la materia estaba distribuida más uniformemente. A medida que pasa el tiempo la gravedad actúa y la materia se agrupa en grumos. Por ello debemos fijarnos más bien en la parte interior del círculo, la más centrada. A medida que nos aproximamos al centro (al presente) vemos que la materia forma una especie de filamentos. En la siguiente imagen vemos una reconstrucción del universo presente:

Cabe recordar que la mayoría de la materia-energía del universo es de una naturaleza desconocida y la denominamos comúnmente "materia oscura" o "energía oscura". Sin embargo, es lógico pensar que si la materia luminosa se agrupa debido a la fuerza de la gravedad, cualquier objeto dotado de masa estará también influenciado por los campos gravitatorios por lo que se agrupará junto con la materia luminosa.
Aún así falta por saber qué tendencia tomaría la energía oscura responsable de la expansión del espaciotiempo.

Imaginemos que el universo es una hiperesfera (una esfera pero en tres dimensiones, las esferas son superficies curvadas de dos dimensiones). Una hiperesfera que se expande uniformemente y presenta una distribución de materia uniforme tiene varios escenarios de evolución que dependen de la fuerza de la gravedad y el ritmo de expansión. Si la atracción gravitatoria entre la materia del universo supera la expansión del espacio entonces se empezará a formar grumos, que tendrán forma circular ya que la gravedad de la materia trata por igual todas las direcciones del espacio. Si la atracción se compensa con la expansión entonces la materia se queda igual de repartida que antes, de forma uniforme y sin grumos. Si la expansión supera a la gravedad la materia permanecerá distribuida uniformemente pero la densidad irá disminuyendo a medida que el universo se expande, tampoco se formarán grumos en este caso. Luego a resultas de estos tres escenarios deducimos que la materia puede agruparse, pero solo lo hará en forma de grumos esféricos (como las estrellas). Sin embargo la imagen expuesta anteriormente revela grumos que no tienen forma esférica sino filamentosa, y ya que la gravedad no trata de forma diferente las distintas direcciones espaciales debe haber otra explicación. La analogía del universo como un globo que se hincha puede ser bastante útil, pero no es correcta ya que no explica la presencia de grumos filamentosos como los de la imagen anterior.
Si los grumos de forma esférica de un universo con forma esférica (hiperesférica en realidad) se colapsan de forma indefinida por la acción de la gravedad se forma singularidades puntuales, como las de los agujeros negros producidos por un colapso estelar. Pero un grumo filamentoso que se colapsa inevitablemente no puede formar una singularidad puntual sino una singularidad con forma de cuerda, una especie de cuerda cósmica.
Imaginemos que nuestro universo bidimensional en lugar de ser como una esfera fuese como un toro como el de la imagen del post anterior. El agujero central del toro permite que la materia se agrupe siguiendo la línea circular central más interna del toro, de esta forma a medida que la materia se colapsa se forma una singularidad con forma de anillo que constriñe el agujero del toro. Un observador bidimensional que pudiese ver la singularidad, o el grumo de materia antes de que se forme la singularidad, observará que la materia se dispone en una especie de línea o cuerda; un filamento.
Aunque nuestro universo no es bidimensional, el experimento del toro sirve para darnos cuenta de que la presencia de filamentos en la distribución de materia de nuestro universo nos indica que la forma de este está lejos de parecerse a una hiperesfera en tres dimensiones, sino más bien parece una especie de queso de gruyere en el que los agujeros y los túneles permite que la materia se distribuya de una forma tan extraña como la hace nuestro universo.

viernes, 28 de marzo de 2008

EspacioTiempo curvo y agujeros de gusano

Seguimos con el 2º fascículo de esta serie de artículos dedicados a la Relatividad General.
Una figura curiosa y perfectamente válida en Relatividad General es lo que se conoce como agujero de gusano:



Aquí, un rayo de luz puede tomar dos caminos para viajar desde A hasta B: Puede ir por el espaciotiempo convencional llegando hasta el extremo del pliegue y seguir hasta B (trayectoria naranja) o puede atajar por el agujero de gusano acortando sensiblemente el viaje (trayectoria amarilla).
No sabemos todavía si es posible que los agujeros de gusano lleguen a formarse, pero una figura con la topología de la figura es posible en Relatividad General.

Hay que notar, que si un agujero de gusano es abierto por la presencia de materia, en ambos extremos del túnel hay que luchar contra la curvatura del espaciotiempo para poder escapar, ya que en ambas bocas existe una fuerza atractiva que te empuja hacia el fondo de la garganta. Una partícula en reposo que cae por el agujero estaría oscilando a medida que pasa de una boca hacia otra perdiendo cada vez más energía hasta que quedaría inmóvil justo a mitad de camino de las dos bocas (en medio del tunel).
También es importante notar, que si el agujero de gusano lo produce un objeto masivo, éste se desgarrará formando una singularidad de anillo que rodea y constriñe el espaciotiempo y que estaría situado justo en mitad del túnel, haciendo imposible que exista una trayectoria que pueda esquivar la singularidad. El horizonte de sucesos también se formaría en ambos extremos y el agujero de gusano sería completamente inútil para viajes espaciales o temporales.


Sin embargo, también es posible que los agujeros de gusano sean una característica innata de la topología del espaciotiempo. Recordemos que hay modelos de universo que proponen a la figura geométrica tridimensional conocida como toro o toroide como la topología de nuestro espaciotiempo (el universo con forma de rosquilla que tanto le gusta a Hommer). Un toro es una esfera con un agujero de gusano que lo cruza de norte a sur:




Nótese que esta figura no es muy diferente a la figura anterior, solo que en aquel caso, la "garganta" del agujero de gusano es más estrecha.
No obstante, hay que notar que no es posible que una esfera se deforme hasta dar una figura como un toro si no hay un "desgarro" que de lugar al agujero central, y, de momento, no sabemos si en el espaciotiempo pueden darse tales rasgados por lo que es más adecuado suponer que los agujeros de gusano del espacio-tiempo son innatos de la topología del universo y no pueden formarse por colapso gravitatorio, es decir, que el universo nace y muere con el mismo número de agujeros de gusano. En caso de un universo con forma de rosquilla, este nace y muere con un solo agujero de gusano, pero hay otros modelos topológicos que tienen muchos agujeros.

Más tarde se discutirá cómo la distribución de materia en el universo nos da pistas de cómo es su geometría y si puede tener o no agujeros de gusano.

jueves, 27 de marzo de 2008

Einstein y su EspacioTiempo curvo

Este es el primero de una serie de artículos que tengo previsto publicar acerca de la Relatividad General, la forma del espacio-tiempo y los tan famosos viajes a través del tiempo. En principio la idea era postear un solo artículo sobre viajes en el tiempo y esas cosas pero habiendo visto que es necesario extenderse mucho con conceptos más básicos de Relatividad General necesarios para comprender cómo puede permitir dicha teoría tales viajes, decidí repartir el texto en varios post, he aquí el primero.
Hay un par de libros muy interesantes que se pueden leer al respecto: "Agujeros negros y tiempo curvo" de un tal Kip Thorne y "El futuro del EspacioTiempo" del mismo Thorne con Stephen Hawking e Igor Novikov.

Empecemos.

Tal y como mencioné en mi artículo anterior sobre la fuerza en Relatividad General, el paso crucial de Einstein para comprender la naturaleza de la fuerza de la gravedad fue asumir que dicha fuerza no era sino el efecto que tenía la curvatura del propio espaciotiempo sobre los objetos de una determinada masa.
Einstein nos cuenta que los cuerpos dotados de masa curvan el espaciotiempo de forma que las trayectorias de los rayos de luz que pasan por la vecindad de dichos cuerpos ven torcidas sus trayectorias, hecho que quedó demostrado en el famoso eclipse de Sol en 1919.

El efecto de curvatura que la Tierra ejerce sobre el espaciotiempo aparece representado por la siguiente imagen:

Hay que notar, sin embargo, que esta representación no es del todo correcta ya que aquí se representa la curvatura que tendría un espacio de dos dimensiones, un plano, mientras que el nuestro es tridimensional (todavía!, mientras la teoría M siga sin pronunciarse), pero nos da una idea del efecto.

Bien, este efecto de curvatura del espaciotiempo tiene un efecto de arrastre en el que el tiempo discurre más lentamente cuanto mayor es la fuerza de la gravedad, esto es, en la superficie de la Tierra, por ejemplo, el tiempo discurre algo más lentamente que en la cima de una montaña, este hecho puede probarse (y de hecho fue probado) usando relojes atómicos (midiendo el tiempo que tarda un nucleo atómico en semidesintegrarse).
De modo que relojes que en un principio están sincronizados acaban dessincronizándose si se sitúan en zonas de diferente potencial gravitatorio. Naturalmente, en zonas como la Tierra este efecto no se nota apenas ya que la curvatura del espaciotiempo es suave, sin embargo, sí se hace apreciable en sitios donde la curvatura es más agresiva:



Una vez mas, hay que notar que esta imagen es una representación bidimensional de la curvatura del espaciotiempo provocada por un agujero negro. La imagen de un pozo por el que se puede uno caer es ilusorio, en tres dimensiones no hay ningún pozo, se hace la representación bidimensional para apreciar que existe el fenómeno de curvatura, nosotros como seres tridimensionales no podemos notar una curvatura de nuestro espacio tridimensional, de ahí que se suprima una dimensión espacial. Si hemos de vernos representados en el dibujo, nosotros no podríamos salirnos del plano, no podríamos "saltar" por encima del agujero, porque eso supondría saltar a una dimensión mayor.
Las líneas curvas del dibujo representan varias trayectorias prosibles de rayos de luz que pasan por la vecindad del agujero negro.
Una de las preguntas que nos podemos hacer es si el pozo del dibujo anterior tiene algún fondo tal y como lo tiene la curvatura provocada por la Tierra; bien, en Relatividad General no lo tiene puesto que, sin considerar los efectos cuánticos, la estrella que se comprime para formar un agujero negro no puede parar de comprimirse de forma que la singularidad (un objeto de tamaño cero y densidad infinita) no llega nunca a formarse. Cuando se consideren correctamente los efectos cúanticos se verá que la curvatura tiene fondo y que la singularidad ya no es tal porque se mantiene con un tamaño distinto de cero y densidad finita.

En la siguiente entrada dedicada al mundo de las curvaturas del espaciotiempo veremos la forma que toma el espaciotiempo cuando se produce un agujero de gusano.

lunes, 24 de marzo de 2008

Metano y Vapor de agua en un planeta extrasolar. Volvemos con HD 189733b.



Aunque ya publiqué una noticia referente al descubrimiento de moléculas orgánicas en un planeta extrasolar, no le dediqué el espacio justo que merece una noticia tan importante. No tanto por el descubrimiento en sí de dichas moléculas, que deben ser muy comunes en todos los sistemas planetarios, sino por el refinamiento de las técnicas experimentales que permiten realizar tales descubrimientos.

Aquí voy a hacer (o intentar) una traducción del artículo de la página spacetelescope.org:

19-Mar-2008: El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA ha detectado por primera vez la presencia de una molécula orgánica en la atmósfera de un planeta orbitando otra estrella.
Este paso es muy importante para la identificación de señales de vida en un planeta fuera de nuestro sistema solar.

Ha sido detectada por el telescopio espacial Hubble la presencia de moléculas de metano en la atmósfera de un planeta del tamaño aproximado de Júpiter denominado HD 189733b. El metano, bajo circunstancias apropiadas, puede jugar un papel clave en la química prebiótica, es decir, en las reacciones químicas necesarias para que se forme la vida tal y como la conocemos. A pesar de que el metano ya ha sido encontrado en la mayoría de los planetas de nuestro sistema solar, esta es la primera vez que se detecta en un mundo orbitando otra estrella.
Este descubrimiento demuestra que el telescopio Hubble y otros proyectos venideros como el James Webb Space Telescope de la NASA/ESA/CSA, pueden detectar moléculas orgánicas en planetas orbitando otras estrellas usando la espectroscopia, la cual separa la luz procedente de la estrella en sus componentes para revelar las trazas o huellas de varios elementos químicos.
Según Mark Swain, que lidera el equipo que realizó el descubrimiento en el NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) de Pasadena (USA): "Este es un paso crucial para caracterizar las moléculas prebióticas en planetas donde la vida podría existir".

Este decubrimiento nos llega con las amplias observaciones realizadas en el 2007 con la cámara NICMOS del Hubble (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer), y también confirma la presencia de moléculas de vapor de agua en la atmósfera del planeta, hecho descubierto originariamente por el telescopio espacial Spitzer de la NASA. "Con estas observaciones ya no cabe duda sobre la presencia de agua en este planeta", Dijo Swain.
El planeta, HD 189733b, conocido ahora por tener metano y vapor de agua en su atmósfera, está localizado a 63 años luz de distancia, en la constelación Vulpecula. HD 189733b es un planeta descrito como del tipo "Júpiter caliente", de masa y tamaño parecidos a Júpiter pero con una temperatura mucho más elevada debido a su proximidad a su estrella. De hecho, está tan próximo a su estrella que sólo le lleva algo más de dos días completar su órbita. Los planetas identificados como del tipo "Júpiter caliente" son del tamaño de Júpiter pero con una órbita más cerrada a su estrella incluso que la órbita de nuestro planeta Mercurio. La atmósfera de HD 189733b tiene una temperatura aproximada de 900 ºC. Lo suficiente como para derretir la plata.

Las observaciones son realizadas a medida que el planeta realiza lo que se conoce como "tránsito", esto es, el planeta pasa justo por delante de la estrella desde nuestra perspectiva haciendo que la luz procedente de su estrella varíe su espectro, ya que ésta tropieza primero con la atmósfera del planeta que lo está transitando antes de llegar hasta nosotros. De este modo los componetes químicos del planeta dejan su huella en el espectro de la luz de la estrella.
"El vapor de agua no puede explicar solamente los aspectos observados en el espectro de HD 189733. La presencia de Metano es necesaria para explicar los datos del Hubble" Dijo la co-autora Giovanna Tinetti del University College London y la ESA.

El metano, compuesto por carbono e hidrógeno, es uno de los componentes del gas natural (producto del petróleo). El la Tierra, el metano es producido por varias fuentes, entre ellas están los seres vivos, por lo que es probable que la presencia de metano en un planeta sea un indicio de la existencia de vida. Sin embargo Tinneti ha descartado rápidamente la tesis de que el metano en HD 189733b sea originado por la presencia de organismos vivos : "La atmósfera del planeta es demasiado caliente como para que incluso los organismos más resistentes puedan sobrevivir. Al menos considerando un tipo de vida tal y como lo conocemos aquí en la Tierra: ¡Es poco probable que las vacas puedan sobrevivir aqui!".

Los astrónomos están sorprendidos por encontrar que el planeta tiene más metano que el predicho por los modelos convencionales de planetas del tipo "Júpiter caliente". Este tipo de calurosos planetas deberían tener mucho más monóxido de carbono que metano, pero no es el caso de HD 189733b. Tinneti indica: "Una posible explicación es que las observaciones del Hubble son más sensibles al oscuro lado nocturno del planeta donde la atmósfera está ligeramente más fria y los procesos fotoquímicos responsables de la destrucción del metano son menos eficientes que en la cara diurna". Recordemos que este tipo de planetas están tan próximos a su estrella que sincronizan sun movimiento de rotación con el de traslación de modo que muestran siempre la misma cara a la estrella, al igual que ocurre con la Luna.

Aunque HD 189733b sea demasiado caliente como para albergar vida, según Swain: "Estas observaciones son una prueba de que la espectroscopia puede realizarse en planetas más frios, con un tamaño más parecido al de la Tierra y potencialmente habitables orbitando estrellas del tipo enana roja". La meta última de estudios como éste es identificar las huellas moleculares en las atmósferas de planetas situados en la "zona habitable" que tiene cada estrella (la zona donde el agua permanece en estado líquido). "Estas mediciones son un importante paso en nuestro objetivo de determinar condiciones como temperatura, presión, presencia de nubes, corrientes de aire, etc, y la química en planetas donde la vida podría existir. La espectroscopia de infrarrojos es la clave de estos estudios porque es el mejor mecanismo para detectar los elementos químicos", Dijo Swain.

viernes, 14 de marzo de 2008

¡La Fuerza está contigo, joven SkyWalker!



Bueno creo que ya ha quedado bastante evidenciado mi predilección por las películas de StarWars, aunque no es la saga que más me guste si es una de las que más me gustan.
Pero este post, tampoco va de la Guerra de las Galaxias, pero tiene que ver con el título.
Lo cierto es que la teoría de Qui-Gon Jinn sobre la fuerza y los midiclorianos me parece un poco chapucera y mancha la "magia" que inicialmente rodeaba a lo que se conocía como "La fuerza", de hecho Yoda en el episodio V, cuando entrena a Luke, no menciona nada sobre los midiclorianos (quizás sea porque se hicieron antes :P). Ya decía Yoda: "...Para mi, el aliado es la Fuerza, y es un poderoso aliado. La vida la crea y la hace crecer, su energía nos rodea y nos une, nosotros ¡seres luminosos somos! no esta materia bruta. Debes sentir la Fuerza a tu alrededor, aquí, entre tu y yo. El árbol, la roca, por todas partes...incluso entre la tierra y la nave."
Me quedó claro que la Fuerza era una cosa "mística" cuya naturaleza no se conocía y que bañaba todo el universo.

Gravedad
Hoy en día, en nuestro universo real, tenemos una cosa bastante parecida a la Fuerza de StarWars, casi "mística" y hasta hace poco, de naturaleza desconocida. La Gravedad. Bueno digo que era de naturaleza desconocida hasta hace poco, pero lo que hoy en día sabemos sobre su naturaleza son teorías que aún no están acabadas. Einstein hizo una aproximación macroscópica de la naturaleza de la Gravedad, pero a nivel cuántico, a nivel de las partículas subatómicas no se comprende bien lo que es.
Existen otras fuerzas aparte de la Gravedad. La fuerza Electromagnética, la fuerza Nuclear Débil y la fuerza Nuclear Fuerte. Todas ellas se describen en física mediante el concepto de campo. Pero no está claro qué narices es un campo. Se dice que un campo de fuerzas es una región del espacio a la que cada punto se le dota de una característica en particular, una fuerza, un objeto situado en dicho punto está sometido a una fuerza. Así, un campo gravitatorio es una región del espacio en la que cada punto tiene una tendencia determinada por una fuerza. Pero no se sabe porqué ese campo hace que un punto determinado adquiera esa tendencia.
Según Newton, una fuerza ocasiona una aceleración, por lo que la consecuencia más inmediata de la existencia de un campo sobre un objeto con una masa determinada, es que ese objeto adquiera una aceleración. Todos los campos operan de la misma forma, una masa se acelera en un campo gravitatorio de la misma manera en que una carga se acelera en un campo electromágnético.
Pero la cuestión es que no se sabe cúal es la naturaleza de esa fuerza ni cual es la causa de que exista un campo o qué es realmente un campo.

Espacio-Tiempo curvo
La clave de Einstein fue suponer que la naturaleza de la Gravedad debería estar ligada al propio espacio-tiempo. Que sin espacio-tiempo no debería existir la gravedad. Para Einstein, el espacio-tiempo se curva de tal modo que las trayectorias rectilíneas y uniformes de los objetos en un espacio plano euclídeo se tornan elípticas o circulares en un espacio deformado. La cantidad de aceleración que una masa adquiere en un campo gravitatorio queda determinada por el grado de curvatura del espacio-tiempo, el campo gravitatorio no es más que una zona curvada del espacio-tiempo. La fuerza gravitatoria queda reducida a una cuestión geométrica.
Einstein fue un poco más allá e investigó sobre fuerzas que no están causadas por un campo gravitarorio, por ejemplo, un coche acelera porque el motor de combustión genera un par de torsión, una fuerza, que hace que el coche acelere. Un cambio en la trayectoria de un objeto genera una fuerza. Einstein intuyó que las fuerzas que experimentamos diariamente, (sin incluir las fuerza gravitatorias o nucleares) son de la misma naturaleza que la fuerza gravitatoria. En cualquier caso es la geometría del espacio-tiempo lo que causa una aceleración. Cuando una nave espacial simula la gravedad girando sobre sí misma creando una fuerza centrífuga que te presiona sobre las paredes exteriores, se puede ajustar la velocidad de giro para que esa fuerza sea exacta a la fuerza de la gravedad en la Tierra simulando perfectamente la situación. Einstein nos dice que la gravedad terrestre y la artificial son indistinguibles.

Ralladura de olla
Esto me lleva a pensar que la fuerza que yo soy capaz de ejercer, por ejemplo el par de torsión que tuve que hacer el pasado martes para levantar el coche con el gato para cambiar una rueda pinchada, no es sino una consecuencia de algún oscuro mecanismo que curva el espacio y el tiempo.
Además, la curvatura del espacio-tiempo hace que el tiempo discurra más lentamente en la zona donde el espacio está más fuertemente curvado, así, en el lugar donde se produzca una mayor aceleración, mi mano y el agarre del gato, el tiempo discurrirá más lentamente (ligerísimamente).

Las ideas de Einstein proporcionan un marco maravilloso para explicar qué es una fuerza y qué es un campo. Resulta que el espacio-tiempo es una entidad maleable y deformable que se puede estirar y contraer, y una curvatura local del espacio-tiempo determina un campo gravitatorio. Es esa misma intuición brillante de Einstein de reducir las fuerzas a la geometría lo que impulsa a los físicos actuales a hacer lo mismo con el resto de fuerzas. Pronto la Fuerza dejará de ser algo "místico" o mágico tal y como lo es en el universo de StarWars.


martes, 4 de marzo de 2008

Hongos en las paredes de reactores nucleares



Wangiella dermatitidis (el de la foto) y Crytococcus neoformans son unos hongos que han sido expuestos a una alta dosis de radiación procedente del averiado pero altamente radioactivo reactor nuclear de Chernóbyl.
Lejos de morir por la intensa radiación los hongos han proliferado y se han extendido sorprendentemente utilizando dicha radiación para transformarla mediante la melanina de sus envolturas en alimento.
Resulta asombroso la capacidad de algunos organismos vivos para adaptarse a entornos hostiles. Aunque ya sabíamos de la existencia de organismos extremófilos, este hallazgo va un poco más lejos a la hora de enseñarnos que no importan cómo se vuelvan las condiciones del entorno (dentro de un margen razonable) para que los organismos vivos sigan desarrollándose y evolucionando.

Esta noticia es aún más interesante si consideramos que la melanina de los hongos del reactor no es químicamente diferente de la melanina que tenemos nosotros en nuestras pieles, solo que dichos hongos la tienen en dosis mucho mayores, por lo que en el mismo artículo se anuncia que podríamos usar la energía procedente de radiaciones solares como una especie de asistencia a la energía obtenida mediante la transformación química.
Ya hace tiempo que pensaba lo chulo que tendría que ser sembrar nuestras células de cloroplastos y convertirnos en seres autótrofos, eso de tener que trabajar para ganarse el pan pasaría a la historia, ya que el pan nos lo daría el sol. Pero no pensaba que la solución a ese problema pudiera estar tan cerca.

La noticia puede consultarse aquí.

lunes, 3 de marzo de 2008

Dios no pensó en la Termodinámica



No voy a tratar de ver los motivos por los que los científicos no entran a saco con el tema de Dios, pero sí voy a tratar porqué la Ciencia sí dice que Dios no puede existir aunque muchos digan que no lo dice, y la rama particular de la Ciencia encargada de tal blasfemia es la termodinámica y concretamente la famosa 2ª ley.

La 2ª ley de la termodinámica tiene varios enunciados; aunque a mi, particularmente, me gusta aquél en el que se introduce el concepto de entropía. La entropía es una magnitud física que nos indica el grado de desorden de un sistema. Este es el concepto físico de entropía, sin embargo es un concepto un poco más profundo que la idea general que tenemos cuando pensamos en el desorden.
Bien, el enunciado de la 2ª ley al que me refiero es: "En todo sistema físico aislado, la entropía de dicho sistema se mantiene estable o crece con el paso del tiempo, pero nunca disminuye". Bueno, este es el enunciado tal y como yo lo pronuncio, no será difícil de encontrar miles de versiones.
Un sistema complejo como puede ser un puzzle terminado o un avión está formado por muchas piezas que pueden ser dispuestas de muchas maneras. Cuanto mayor es el número de piezas mayor es la combinación que puedo hacer con ellas para formar un estado determinado del sistema. El puzzle al igual que el avión solo tienen una única disposición de sus piezas en el que el sistema forma el puzzle o el avión. Cualquier otra disposición de las piezas nos da lugar a una cosa que no es un puzzle (cuando me refiero al puzzle me refiero al puzzle terminado) o un avión.
Esto significa que el puzzle o el avión son sistemas que están ordenados, ya que esa determinada disposición de las piezas del puzzle o del avión es la única que se puede escoger entre muchas otras para formar un puzzle o un avión. Cualquier otra disposición de las piezas no nos dará el puzzle o el avión por lo que diremos que las piezas están desordenadas.
Lo que nos dice la 2ª ley con respecto al puzzle y al avión parece bastante trivial. "En un puzzle o en un avión el desorden de las piezas se mantendrá estable o aumentará con el paso del tiempo pero nunca disminuirá".
Cuando influimos directamente en un sistema para disminuir su orden, por ejemplo cuando realizamos el puzzle o montamos el avión parece que estamos violando la 2ª ley, pero esto no sucede porque entonces no estamos considerando un sistema aislado, si consideramos que el sistema formado por un puzzle o un avión incluye también a una persona (sistema puzzle-persona o avión-persona), la 2ª ley también se cumple aunque el desorden del puzzle disminuya (disminuye el desorden del puzzle pero no el desorden del sistema puzzle-persona), veámos cómo:
Para reducir el desorden del puzzle o del avión una persona debe gastar energía. A parte de la energía necesaria para cambiar la disposición de las piezas, hay una cierta cantidad de energía que se pierde en forma de calor (esta es otra consecuencia de la 2ª ley que no explicaré aqui). El calor es la forma de energía más desordenada que existe con lo que una persona que quema calorías para reducir el desorden de un sistema, está compensando el orden que pueda fabricar a costa de expeler energía de forma que el desorden total de sistema aumenta aunque el desorden del puzzle o del avión se reduzca. El sistema puzzle-persona o avión-persona cumple también la 2ª ley.

Un sistema de información o de comunicación funciona de la misma forma. El lenguaje humano está compuesto de caracteres (letras, signos de puntuación, etc), la disposición ordenada de los elementos del lenguaje permite construir mensajes, información. La información que se deduce de un sistema como el lenguage humano no es más que una determinada disposición de los elementos de dicho sistema. Cualquier otra disposición de los caracteres de un mensaje altera la información que contenía dicho mensaje. Como el número de estados posibles que puede adoptar un sistema formado por muchos elementos como el lenguaje es muy alto, un mensaje es una disposición de elementos con un alto orden, pero tal y como dice la 2ª ley, el orden en los sistemas no es algo que aparezca por sí solo, hace falta un agente ordenador que disponga los elementos del lenguaje de forma que adquieran significado, pero para que esto sea posible, el desorden del sistema debe aumentar, por lo que el orden inducido en el mensaje se debe compensar con desorden procedente de algún otro sitio para que el desorden del sistema que incluye el lenguaje y el agente ordenador permanezca constante o aumente. Una persona que ordene los elementos del lenguaje para escribir un mensaje debe emitir calor para que el sistema global cumpla la 2ª ley de la termodinámica.

En la famosa pintura de Miguel Ángel que muestro arriba, Dios crea a Adán. Adán es un sistema complejo caracterizado por poseer un alto grado de orden (como cualquier organismo vivo, no importa que Adán represente una persona o la primera bacteria), por lo que según la 2ª ley, no solo debe haber algo o alguien que induzca orden en un sistema determinado sino que también ese algo o alguien debe emitir energía en forma de calor (u otro tipo de energía). Como Dios creó a Adan (un sistema complejo de alto orden) de la tierra (un sistema complejo de alto desorden), Dios debe tener una temperatura para que se cumpla la 2ª ley.
Un ejemplo claro de esto lo tenemos por ejemplo los informáticos. Podemos crear programas complejos o incluso una IA (Inteligencia Artificial) con diferentes grados de complejidad, pero para hacer todo eso necesitamos ir diariamente a comer, puesto que necesitamos energía química para ordenar las palabras y las instrucciones delante de la pantalla, y parte de esa energía que obtenemos con los alimentos se pierde en forma de calor compensando todo el orden que podamos inducir en el sistema. Un agente creador, como por ejemplo un programador, necesita trasformar de algún modo los elementos circundantes para obtener energía, de la cual, una parte siempre se desaprovechará en forma de calor. Un agente creador debe transformar la energía para poder crear sistemas complejos ordenados. Adán es un sistema complejo altamente ordenado por lo tanto, Dios debe transformar la energía de su entorno para poder crear a Adán y parte de esa energía se desperdiciará en forma de calor. Dicho de otro modo, Dios debe formar parte de un sistema que lo incluya a él para poder reducir el desorden de un sistema menor.

Por otro lado, para realizar las acciones propias del intelecto, esto es razonar, retener conceptos, y usarlos, es necesario un sistema de información cuyos componentes debemos ordenar continuamente para poder ejercer esas labores propias del intelecto. Por lo tanto, ejercer dichas acciones requieren continuamente reducir localmente la entropía (desorden) de los sistemas correspondientes, pero para que la 2ª ley no resulte violada, dichas acciones deben estar acompañadas de una transformación de energía que aumente la entropía del sistema lo suficiente como para que se cumpla la 2ª ley, con la consecuente emisión de calor y la adquisición de una temperatura. Es por ello que cualquier ente que realice acciones intelectuales, cualquier ente que piense, razone o tenga memoria, debe tener una temperatura. Si a Dios le atribuimos características propias de los humanos como razonar, tener memoria, etc, entonces Dios debe coger energía de su entorno y transformarla (transformación que debe ser observable y medible) y debe tener una temperatura (con la consecuente emisión de fotones detectable y medible).

A todas luces la 2ª ley de la termodinámica nos indica que un ser creador como el Dios de la Biblia cristiana es imposible, puesto que no puede realizar labores propias del intelecto humano sin tener una temperatura. No puede ser creador de la vida en el universo y haber creado también el propio universo sin violar las leyes de la termodinámica (leyes que luego pusiera él mismo para el discurrir monótono de las cosas del mundo). No puede ser creador de un universo si no forma parte de un universo mayor cediendo así la pregunta original de quién o qué es el creador del universo a la ciclicidad conocida y sin fin del huevo y la gallina.

No pretendo comprender las razones por las que los físicos, que estudian termodinámica desde el primer curso de la licenciatura, no intenten convencernos de que los dioses, o entes de naturaleza divina están en conflicto con las leyes de la naturaleza, quizás, el poder contra el que hay que luchar sea demasiado fuerte y no merezca la pena intentarlo.
De cualquier modo la naturaleza está ahí delante, esperando que la descubramos, relegando las responsabilidades y autoridades de los dioses y otros elementos del misticismo a rincones oscuros cada vez más pequeños donde la luz de la ciencia aún no es capaz de alumbrar. Aún.

domingo, 2 de marzo de 2008

Terminada la construcción del supercolisionador LHC de Ginebra


Ya está practicamente terminado el nuevo SuperAcelerador de partículas del CERN y listo para empezar a usarse este mismo verano.
Este gigantesco anillo de unos 8 kilómetros de diámetro, será capaz de acerlear hadrones (partículas pesadas como el protón) hasta el orden de los Tev (Tera-electrón-voltios, 1Tev es 1 billón de ev, 1 ev es la energía que adquiere un electrón cuando es sometido a una diferencia de potencial electrostático de 1 voltio). Con semejante instrumental podremos dar respuestas a algunos de los interrogantes más esquivos que se vienen persiguiendo desde hace décadas. Por ejemplo la escurridiza partícula comocida como Bosón deHiggs que supondría la confirmación experimental del moderno modelo estándar de partículas, así como arrojar indicios sobre las modernas teorías sobre un universo de múltiples dimensiones que pretenden unificar en una sola las teorías básicas de la física moderna.
Tengo curiosidad al respecto de algunas críticas catastrofistas sobre la experimentación en esta supermáquina, como por ejemplo la que nos indica que del acelerador podrían generarse agujeros negros microscópicos o solitones magnéticos (los solitones son monopolos magnéticos; algo que no se encuentra fácilmente en la naturaleza ya que ésta tiende a ponerlos a pares de signos opuestos como en los imanes).
Esperaré ansioso a ver si me confirman finalmente que este universo es en realidad no de cuatro sino de once dimensiones

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