la frase del mes

"La física es como el sexo. Seguro que tiene una utilidad práctica, pero no es por eso que lo hacemos" Richard Feynman

De por qué los meteorólogos no dan una. El efecto mariposa

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El tiempo mañana quizá. Y pasadomañana, tal vez. Pero al tercero empezamos a desconfiar del parte meteorológico y nada nos asegura la infalibilidad de las predicciones. No es que los meteorólogos necesiten un repaso de los conocimientos supuestamente adquiridos, no tengan ni idea o no se esmeren lo suficiente con sus modelos; sencillamente, la predicción meteorológica es imposible por naturaleza propia. Y no penséis que el motivo radica en la cantidad de parámetros a tener en cuenta -dificultad nada desdeñable-: las ecuaciones que describen la dinámica atmosférica os sorprenderían por su simplicidad y no imaginaríais, al primer vistazo, que debajo de su aspecto manejable e inocente se esconde el segundo varapalo que el siglo XX ha propinado a la filosofía de la ciencia desde que ésta es ciencia.

El determinismo asesinado por el aleteo de una mariposa


La física se ha arrogado hasta el siglo pasado la pretenciosa capacidad de predecir con total exactitud cuanto fenómeno estudiara. Su mentalidad se habría resumido en algo así como:

"Mídame usted las condiciones iniciales del sistema, que con mis ecuaciones le predigo qué le sucederá dentro de un segundo o mil años si hace falta; y no dude que si cometo algún error es sólo porque usted no ha medido con total exactitud"*

La Física Cuántica reduce a términos de probabilidades el poder predictor de la física imponiendo restricciones sobre la precisión de medida de las magnitudes necesarias para predecir. Es decir, las ecuaciones cuánticas nos informan de qué es probable que suceda y en qué medida. Pero no aseguran nada con total determinación. PRIMER VARAPALO.

¡ Cracka !


Claro que la cuántica nace como física de las átomos, las partículas... lo muy pequeño. A nuestro tamaño, sus efectos se enmascaran y la probabilidad se convierte en seguridad. Parece que podemos seguir escribiendo fórmulas perfectas que predigan sin titubeos cuanto suceda a nuestro alrededor: la fórmula para el movimiento de un coche, la fórmula para el movimiento de un péndulo, la fórmula para esto, la fórmula para lo otro... pero resulta que algunas de ellas, no necesariamente difíciles, presentan un problema insalvable: caoticidad. SEGUNDO VARAPALO.


¡ Craka ! ¡ Craka !


Por caótico entendemos desordenado e impredecible. Matemáticamente, una de las características fundamentales del caos es la sensibilidad a condiciones iniciales. Seguro que alguna vez habéis jugado al billar y comprobado que hasta la tirada más sencilla, como darle directamente con la blanca a cualquier otra bola, puede terminar en una situación completamente distinta a la que deseabais a poco que os equivoquéis al darle. Cuando se os presente la ocasión, probad una tirada, cualquiera, la más simple e intentad repetirla exactamente: la mínima diferencia en la fuerza de tiro, el ángulo, el lugar en el que golpea el taco la bola, la posición que ocupa en reposo antes de que la golpee -es decir, lo que en el argot llamamos las condiciones iniciales-, producirá, si bien no en los primeros instantes, con el tiempo una considerable divergencia de la nueva trayectoria de la bola con respecto a la que intentéis reproducir, es decir, que la segunda tirada acabará por no parecerse en nada a lo que os hubiese hecho ganar la apuesta.

Algo así explica Jeff Goldblum en Jurassic Park del tito Spielberg, sólo que él recurre a la trayectoria de dos gotas de agua deslizándose sobre la mano de Laura Dern mientras intenta seducirla, método que no puedo emplear con mis compañeras de carrera porque seguramente sepan tanto o más que yo de caos, lo cual es fácil.

"Dios crea a los dinosaurios, dios destruye a los dinosaurios, dios crea al hombre,

el hombre destruye a dios, el hombre crea a los dinosaurios" Ian Malcolm


Edward Lorenz, físico meteorólogo, modelizó el clima mediante tres ecuaciones diferenciales no lineales que, al margen de detalles técnicos, encierran la esencia del caos, por lo que nuestro modelo del clima no nos permite predecir a tiempos largos. Imagínese que para predecir qué tiempo hará mañana necesitamos conocer la temperatura, la presión, la humedad, esto, lo otro... es decir, el conjunto de condiciones iniciales, y las introducimos en nuestras fórmulas, que generan una trayectoria, lo que significa que nos dirán el tiempo de mañana, de pasado, del otro... tenemos una predicción. Ahora bien, la medición jamás es exacta, se halla sometida a errores, fluctuaciones: los aparatos de medida son imperfectos y miden condiciones iniciales despreciablemente diferentes a las verdaderas. Pero ese despreciablemente es más que suficiente para un sistema caótico. Introducimos nuestras medidas en las expresiones y generan una nueva trayectoria, lo que significa que también nos dirán el tiempo de mañana, de pasado y del otro... sin embargo, dada la caoticidad del sistema, el tiempo predicho para cada día será diferente al real, porque el clima ha evolucionado a partir de unas condiciones iniciales diferentes a las que hemos medido, por muy bien que las hayamos medido.



Es como la mesa de billar. Intentad repetir una primera tirada, la que sea por simple que sea; quizá al principio se parezca mucho a la original, pero al primer, segundo o tercer rebote comenzará a ser totalemente diferente. Todo depende de cuánto difiera con respecto a la primera tirada la forma en que habéis golpeado la bola con el taco la segunda vez, cuanto más diferente, más temprano se hará patente que la trayectoria de la bola no es igual a la que siguió en la primera tirada. Es incontrolable por definición.


Igual sucede con el clima. Cuanto menores sean los errores en la medición de las condiciones iniciales, más se retrasa el caos en actuar, en separar la predicción de la realidad. Es por ello que las predicciones de los meteorólogos son tanto más fiables cuanto más inmediatas. El tiempo predicho para esta tarde, para mañana... se parecerán mucho al que finalmente tengamos; pero no les pidáis a los meteorólogos que nos aseguren sol para dentro de una semana porque es imposible. Es incontrolable por definición.


Las ecuaciones de Lorenz, no sólo aplicadas al clima, sino a cualquier sistema caótico, como por ejemplo láseres, dibujan el llamado Atractor de Lorenz. No me detendré aquí a explicar terminología de mecánica teórica y caos, pero os lo muestro porque posiblemente sea el origen del nombre popular dado al Efecto Mariposa. Que una mariposa bata las alas en Nueva York y en las antípodas se cree un huracán magnifica de forma amarillista la principal característica del caos, la sensibilidad a las condiciones iniciales: la evolución de un sistema -el clima, las bolas de billar o las gotas de agua recorriendo la piel de Laura Dern- se vuelve magníficamente impredecible y diferente por ínfimas que sean las modificaciones efectuadas sobre sus parámetros de inicio.

Además de la sensibilidad a condiciones iniciales, el caos se caracteriza por su aperiodicidad absoluta, lo que imposibilita la predicción incluso dentro de una misma trayectoria. Ningún conjunto de condiciones tienen que ver con las anteriores, ni con las siguientes. Otra forma de caracterizarlo es mediante la fractalidad en el espacio de fases -en el que se dibuja la mariposa de Lorenz. Pero el resgo de la sensibilidad a condiciones iniciales es más que suficiente para disculpar al hombre del tiempo.

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*Ejemplo: con la posición y la velocidad de un coche en un instante dado, podemos afirmar con total seguridad dónde estará dentro del tiempo que queramos.

¿Por qué se me pega el arroz?

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Uno de los resultados probables a la hora de preparar por ejemplo, una paella, es que se te acabe quemando el arroz. Como siempre, la experiencia es un factor a tener en cuenta pero si eres novato agradecerás cualquier explicación que te ayude a asegurar el éxito.

Veamos, lo que nosotros realizamos es una cocción del arroz por lo que llevamos el agua a su punto de ebullición y una vez ahí la temperatura se mantiene constante.

Como en cualquier cambio de estado (sólido-liquido-gas) la temperatura no variará hasta que consigamos que todas las moléculas se pasen de bando y esto es un proceso costoso. Calentar agua es algo que requiere un tiempo pero conseguir que el cazo se evapore ya es otro cantar. En realidad nos aprovechamos de este factor para poder cocinar los alimentos ya que mientras tenga agua el alimento las temperaturas no subirán mucho mas de 120ºC * y evitaremos que la temperatura se nos dispare con un trágico resultado.


Que mejor manera de ver esto, que en un video que os hemos preparado (niños, no hagáis esto en casa):




Por tanto, al preparar la paella el agua se empieza a evaporar y el arroz a cocerse, en este punto debemos regular la potencia o cantidad de gas ya que mientras se mantenga la ebullición
no conseguiremos aumentar la temperatura total** aunque trabajáramos con sopletes, lo único que lograríamos sería que se evaporara más rápido.

Según el tipo de arroz utilizado el tiempo variará junto con la proporción de arroz/agua, pero para evitar que se nos carbonice la parte inferior habrá que estar atentos a que siempre quede algo de agua en el fondo. Lo ideal es cortar el aporte de calor poco antes de que se avapore toda el agua ya que siempre hay una inercia térmica motivo por el cual se oye la frase de dejar al arroz reposar.

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*Las temperaturas son aproximadas, además no es lo mismo hervir con agua pura que con sal u otras sustancias ya que el punto de ebullición aumenta. Esto se relaciona con el antiguo post de Super-refrigeracion casera pero lo ampliaremos con más detalle en un futuro.

**Si aportamos mucho calor y las condiciones dificultan el movimiento natural de convección disipar ese calor será imposible y lo que este en contacto con el metal (sin agua de por medio) acabara qumándose. Por eso las lentejas también se pegan.

El termómetro que utilizamos en el video mide la temperatura gracias al sensor de infrarojos, cualquier cuerpo por estar a una temperatura emite una radiación de mayor o menor energía, es por ello que metales se ponen alrojo vivo ya que al aumentar mucho la energia su radiación entra dentro del espectro visible.

Si en vez de cocer estamos friendo, el cocinado es mas rápido ya que la Tª de ebullición del aceite suele estar en torno a los 200ºC.

Entre fantasmas

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Casi invisibles, entre nosotros y a través de nosotros, son difíciles de detectar, pero existen.

Los neutrinos burlan los sistemas de detección con una facilidad fantasmagórica. La posibilidad de que estas partículas elementales existieran nació de una incoherencia experimental en las desintegraciones nucleares. En otras palabras, no salían los cálculos. Pongamos un ejemplo: sea un núcleo de Z protones (carga positiva) y N neutrones (sin carga eléctrica). De repente, uno de esos neutrones se convierte en un protón escupiendo un electrón (si Feynman levantara la cabeza...). Resultado, el núcleo de Z protones y N neutrones se ha convertido en uno de Z+1 protones y N-1 protones y por añadidura un electrón exiliado, pululante por el universo. Hemos descrito aquí el proceso de desintegración beta menos. Si echamos cuentas, en el proceso básico de conversión

n -> p + e
la carga se conserva: carga neutra -> carga positiva + carga negativa

pero para cuadrar la teoría con la medida experimental de la energía de los electrones producidos* se hace necesario que la conversión del neutrón no resulte en sólo un protón y un electrón, sino en algo más: una partícula de masa ínfima que respete la conservación de la carga, es decir, neutra. Por razones obvias, se bautizó a esta partícula como neutrino.

¡¡¡ n -> p + e + neutrino !!!
carga neutra -> carga positiva + carga negativa + carga neutra

La hipótesis del neutrino, propuesta por Pauli en 1930, proporcionó una nueva misión a los físicos experimentales, la de su detección, que no iba a resultarles nada fácil, pues el neutrino es muy pequeño y ligero y no interacciona electromagnéticamente, lo que les permite viajar sin interaccionar, pasar desapercibidos, atravesar el vacío, nuestros detectores, nuestros cuerpos, el planeta entero, sin distinguir. Como fantasmas. ¿Cómo "cazarlos", entonces?

En 1950, el equipo de Reines y Cowan puso en marcha el proyecto Poltergeist para la caza de esta peculiar partícula, que se había ganado la fe de los científicos a pesar de su carácter enteléquico. Se les ocurrió constatar la existencia del neutrino indirectamente: no mediante su detección, sino mediante la detección de las partículas a las que daría lugar si protagonizara la reacción inversa a la arriba escrita, es decir:

p + neutrino -> n + e*
carga positiva + neutra -> neutra + carga positiva

en la que un neutrino reacciona con un protón nuclear para convertirlo en un neutrón y escupir un positrón (el e*, la antipartícula del electrón: un electrón cargado positivamente). La idea era aprovechar los neutrinos (teóricamente) provenientes de un reactor nuclear estable y esperar que la reacción tuviese lugar en un recinto monitorizado, un tanque de agua. Gran cantidad de neutrinos atravesaría contenedor y contenido sin interaccionar, pero quedaría probada su existencia si dicha reacción sucediera.

En tal caso, se generaría un positrón cuyo destino sería la aniquilación con un electrón del medio y consecuente emisión energética característica (antimateria+materia= energía detectable); y además un neutrón, a captar por una sustancia en suspensión que emitiría en consecuencia otra energía característica. Tanto la energía de la desintegración positrón-electrón como la de la desexcitación de la sustancia orgánica, imaginémoslas como rayos de luz -al fin y al cabo lo que son-, serían registradas por fotodetectores, ojos electrónicos, en las paredes del tanque de agua, con un aspecto parecido al de la imagen siguiente


yo también quiero mi cuarto decorado con fotodetectores

Expuesto de una manera muy sencilla: imaginaos observando un aljibe y que, de repente, os sorprende el destello de dos lucecitas en el agua, una roja y otra azul. Diríais, ha pasado un neutrino.

El "método del aljibe" dio resultado e inscribió sus nombres en la lista de los Nobel de Física, además de despejar toda duda sobre la existencia de las partículas fantasma, que hoy han de aparecer en cualquier tabla de partículas elementales que se precie, y ser la base conceptual de monumentales y bellísimos detectores de neutrinos modernos como el Ice Cube -en proyecto- y el Superkamiokande japonés.


los japos la tienen más grande que nadie

Os recomiendo el artículo que dedicó Fogonazos al Superkamiokande. Bellísimo. Escenario de ciencia ficción.

Igualando densidades.

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A veces, resulta sorprendente como con una simple combinación de propedades físicas e ingenio, se puede llegar a hacernos sorprender como niños:

La densidad de un cuerpo o su relación entre la cantidad de masa y volumen ,nos ayuda a comprender por qué una piedra no va a flotar en el lago y sin embargo un trozo de madera sí.

El agua es más densa que el aceite pero si la mezclamos con etanol en las proporciones adecuadas conseguiremos igualar las densidades y tener las gotas en suspensión formando esferas.

En realidad con este simple experimento podemos hablar de varias y curiosas propiedades de los líquidos como son la tensión superficial o solubilidad de sustancias según su naturaleza. Veámoslo en video mejor :)




Pero el objetivo de esta entrada no es otro que inaugurar una sección respecto a un tema que muchos olvidamos y es, la belleza de la ciencia.

Haciendo piña. La interacción fuerte.

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El siglo XIX fue testigo del descubrimiento de partículas subatómicas poco antes de expirar. Hasta entonces se había considerado que el constituyente último de la materia y de la realidad era el átomo. Si los experimentos de Thomson dieron a conocer al mundo la existencia del electrón, fueron los de Rutherford los que catapultaron al protón a los libros de texto. Ya en el siglo XX Chadwick se encargaría de añadir a la lista de partículas subatómicas el neutrón.
Hasta donde enseñan en el instituto, las partículas últimas constituyentes de la materia son electrón, protón y neutrón. La constatada existencia de los quarks incrementa la atomización de la materia, pero a día de hoy la gran variedad de partículas elementales que se producen en los aceleradores sugiere cautela a la hora de afirmar "hasta aquí se divide la materia, no hay más".
Por contra, la imagen del átomo constituido por un núcleo cargado positivamente envuelto en una nube de electrones no parece presentar más misterio; así como tampoco la interacción de los electrones con los protones que, junto con los neutrones, constituyen el núcleo. De todos es sabido que la carga del electrón es negativa, que la carga del protón es positiva y que el neutrón carece de ella. De todos es sabido que por interacción electromagnética, las cargas del mismo signo se repelen y las de signo opuesto se atraen. Esto suscita una pregunta sobre la estabilidad del núcleo de los átomos: ¿cómo narices consiguen los protones permanecer unidos en el núcleo? ¿qué les impide repelerse? ¿no deberían desperdigarse violentamente? Entra en juego un nuevo tipo de interacción fundamental: la interacción fuerte.
La idea de la interacción fuerte se asimila si comparamos primero la interacción gravitatoria con la electromagnética y posteriormente ésta con la fuerte. El movimiento de los astros parece regirse por la gravedad que generan. La gravitatoria es una interacción de muy largo alcance. La atracción ejercida por el sol afecta desde Mercurio hasta el cinturón de Kuiper y se deja notar más allá, de donde proceden los cometas. Aquí en la Tierra la tenemos muy presente cuando se nos cae algo de las manos, cuando nos asomamos con algo de vértigo a un balcón, cuando viajamos en avión, cuando vemos caer una manzana... Nos mantiene pegados al suelo. Menos presente tenemos la electromagnética, pero precisamente es la que nos impide "hundirnos" en él. Sabemos que existe, claro, sabemos eso de las cargas y sus signos que nos explicaron un día, que algo de eso hay cuando encendemos la luz o se nos eriza el vello al acercarlo a la ropa un día de viento; no obstante, se puede decir que pasa desapercibida aunque estamos seguros de que en las entrañas de la materia, donde nuestros ojos no pueden ver, la interacción electromagnética es reina y señora por encima de la gravitatoria. Ello es debido a que la interacción electromagnética es enormemente más intensa en la escala atómica. Por este motivo los electrones no se atraen como si de dos microplanetas se tratasen. Predomina la interacción electromagnética frente a la gravitatoria.

Para Schröedy la gravedad es una evidencia aplastante

Descendamos en escala un poco más. Olvidémonos de todos esos electrones pululantes. Como una cámara indiscreta penetramos en la nube electrónica para descubrir qué reviste. Y cuando la dejamos atrás, ajá, ahí está el núcleo: una sólida piñata de neutrones y protones que no se desintegra. ¿Por qué? ¿Existirá una interacción fundamental más importante que la electromagnética? ¿Una interacción tan tan intensa que la ridiculice de igual modo que a escalas microscópicas la electromagnética vence por goleada a la gravitatoria? ¿Una interacción atractiva que venza la repulsión electrostática entre los protones, al igual que la repulsión electromagnética entre electrones vence su nimia atracción gravitatoria? En efecto, existe. Es la llamada Fuerza Fuerte, y resulta que no distingue entre protones y neutrones, para la Fuerza Fuerte son casi lo mismo: los protones se atraen fuertemente... ¡los neutrones también!.
A decir verdad, la Fuerza Fuerte que confina los nucleones en el núcleo no es la Fuerza Fuerte propiamente. Se la suele llamar Fuerza Nuclear, y es un residuo de la verdadera Fuerza Fuerte: la que mantiene unidos los tres quarks que constituyen el protón, la que mantiene unidos los tres quarks que constituyen el neutrón. Curiosamente, los tres quarks no interaccionan: están juntitos porque no les queda más remedio, si se separaran tan solo un poco, interaccionarían fuertemente, experimentarían una atracción brutal que los llevaría a unirse, punto en que dejan de interaccionar.

La propiedad en virtud de la cual interaccionan las partículas vía fuerza fuerte se llama COLOR, y su mecánica se estudia en Cromodinámica Cuántica... de ahí que quizá hayáis oído hablar de quarks coloreados: verdes, azules, rojos... qué pintoresco...



hemos pillado al neutrón en cueros en el cuarto de baño y resulta que está constituido

por tres quarks (up, down y down) de color azul, verde y rojo, confinados por i. Fuerte

Ciclotrón

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Los aceleradores de partículas tienen la finalidad, como su pripio nombre indica, de acelerar las partículas, conferirles energía hasta un valor determinado. En esencia, tanto los modernos y más grandes aceleradores de partículas -como el famoso CERN en Ginebra- como los modelos más antiguos -el acelerador lineal de Walton de 1932, con el que se produjo la primera reacción nuclear artificial- consiguen suministrar energía a las partículas mediante la aplicación de campos eléctricos que aceleran las cargas; en muy grandes líneas, de un modo parecido a la aceleración que experimentan los cuerpos en caída libre por acción del campo gravitatorio. Acelerar partículas, aumentar su energía, ofrece múltiples aplicaciones científicas, como por ejemplo la búsqueda de nuevas partículas subatómicas, el estudio de estructuras microscópicas -los aceleradores como gigantescos microscopios- , e industriales. Pero también encuentra aplicación médica en el tratamiento de tumores, en los que las partículas aceleradas con las que se bombardean depositan con buena precisión toda su energía destruyendo las células tumorales.


El ciclotrón -sobre estas líneas-, uno de tantos tipos de aceleradores, es habitualmente usado con este último fin y también ha sido utilizado en la investigación nuclear. Consiste en dos piezas con forma de D, enfrentadas y sepadaras una determinada distancia, que se sitúan entre dos imanes gigantescos, tal y como muestra la siguiente figura

Las Ds se hallan conectadas a terminales diferentes de una fuente de corriente alterna, lo que supone la aparición de un campo eléctrico en el espacio entre las Ds de orientación periódicamente variable. Para comprender su funcionamiento seguiremos la trayectoria de una partícula cargada desde su posición inicial hasta el blanco -target. Bajo estas líneas, una vista en planta y de perfil:



Las partículas que se desean acelerar son inyectadas en el centro del círculo que las Ds completan, en un punto del intersticio equidistante de sus caras enfrentadas. Dado que existe un campo eléctrico entre las Ds, las partículas son aceleradas -por ejemplo- hacia la D superior, como si la D superior las atrajera y la D inferior las repeliera. Su trayectoria se curva por la acción del campo magnético que aparece entre los imanes que emparedan las Ds -véase en la figura superior el dibujo de la derecha- que por añadidura restringe la circulación de las partículas al plano de las Ds. Así pues, debido a esta curvatura, la partícula que penetra en la D superior regresa al intersticio, donde para ser acelerada de nuevo debe ser atraída ahora por la D inferior y repelida por la D superior, en contra de lo que inicialmente sucede. Para que una segunda aceleración tenga lugar tal y como se ha explicado, el sentido del campo ha de cambiar, de ahí que la fuente de alimentación haya de ser de corriente alterna: ésta se ocupa de conmutar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula va a realizar el salto de una D a otra. Una vez ha penetrado en la D inferior, de nuevo su trayectoria se curva por la acción del campo magnético. Como el radio de las trayectorias circulares es proporcional a la velocidad de las partículas, en la D inferior -donde la partícula ha penetrado con más velocidad que con la que penetra por primera vez en la D superior- el radio de la trayectoria es mayor, y cada vez que realiza un salto -cada vez que gana velocidad- el radio se va haciendo mayor, de ahí que la trayectoria sea espiral saliente.

Así pues, las partículas pasan de una D a la otra acelerándose en el intersticio de manera continua gracias a la acción sincronizada de la fuente de alimentación, aumentando su radio de curvatura y describiendo una trayectoria espiral saliente hasta que son expulsados del aparato y proyectados hacia el blanco que se desea bombardear.

Una de las limitaciones de los ciclotrones viene impuesta por la fuente de alimentación. Ésta, como hemos señalado, ha de cambiar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula vaya a saltar de una a otra. Dado que las partículas describen trayectorias cada vez más abiertas y recorren más espacio, aunque viajen más rápido, el tiempo que tardan en pasar de una D a otra se mantiene constante, de manera que se puede fijar la frecuencia con que la fuente cambia su polaridad. Sin embargo, cuando las partículas adquieren energías muy altas, los efectos relativistas dan al traste con esta sincronización y se ha de modificar el diseño si se desea que alcancen dichas energías. De lo contrario, esto supone una limitación en la energía máxima que las partículas pueden adquirir; sin embargo, es suficiente para fines como la investigación nuclear y el tratamiento de tumores.










Superconductividad. Diamagnetismo perfecto.

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Las leyes de la Física Cuántica gobiernan el comportamiento del mundo microscópico y reproducen el del mundo macroscópico, con cuyos fenómenos estamos más familiriazados, por lo que se ajustan a previsiones meramente intuitivas. Sin embargo, en determinadas condiciones ciertos materiales exhiben un comportamiento macroscópico chocante abordable sólo desde la teoría cuántica, de modo que ésta no se puede desestimar en el estudio de la naturaleza amparados en la atenuación de sus efectos en el mundo macroscópico.

La superconductividad es una de estas manifestaciones y se ha conseguido explicar de una forma elegante y satisfactoria a lo largo del siglo XX, proporcionando más de un Premio Nobel y convirtiéndose en un terreno de estudio rico per se y por sus aplicaciones. No expondremos las teorías.

En un artículo anterior se expuso la teoría que Drude, a principios del siglo pasado, desarrolló para explicar la resistencia de los materiales al paso de corriente eléctrica. Insistimos en que sus hipótesis son incorrectas y en que la resistencia se entiende mediante teorías más sofisticadas que quizá comentemos en otro artículo, pues no nos interesan demasiado para señalar la propiedad más llamativa de los superconductores.

La resistencia, según Drude, se debe a la colisión de los electrones en movimiento con los iones fijos de la red que constituyen el material: un proceso repetitivo de ganancia y disipación de energía que resulta inherente a la materia*. A muy bajas temperaturas, algunos materiales muestran una resistencia nula al paso de corriente. Los electrones fluyen sin oposición alguna**. Es el estado superconductor.

La propiedad más conocida de la superconductividad es el diamagnetismo perfecto, esto es, su impermeabilidad a los campos magnéticos. El diamagnetismo es una de las respuestas de la materia al campo magnético. Un material diamagnético se imana oponiéndose al campo magnético externo: si acercamos un imán a un objeto diamagnético, sea por el polo que sea, lo repelerá. No por ello el campo magnético desaparece dentro del material, aunque se puede detectar un decremento de su valor debido a la imanación del material, que contrarresta el efecto del campo magnético***.

Los superconductores muestran un caso extremo de diamagnetismo, un diamagnetismo perfecto tal que contrarresta por completo el campo magnético aplicado, es decir, lo anula. Cuando un material alcanza el estado superconductor se vuelve diamagnético perfecto y si se hallaba en presencia de un campo magnético externo al comienzo del cambio de estado, éste es expulsado del material, que se vuelve inpermeable a los campos magnéticos.

A este fenómeno se le conoce con el nombre de efecto Meissner y es el origen de la levitación magnética. Si se toma un superconductor como base y se posa sobre él un imán cualquiera, la impenetrabilidad a los campos magnéticos del sc obliga al imán a desplazarse hacia una situación de equilibrio energético entre la gravedad y el campo magnético. De una manera gráfica se diría que el imán es levantado por el superconductor porque sus líneas de campo no tienen cabida en su volumen. El siguiente vídeo ilustra una interesante aplicación del efecto Meissner en... transportes:








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*en realidad, se puede demostrar que los electrones libres se desplazan SIN INTERACCIONAR con los iones de la red, como si a este efecto no existieran. La resistencia a temperaturas ordinarias no se debe, como defendía Drude, a las colisiones electrón-ión, sino a la interacción electrón-fonón, definiéndose el fonón como el cuanto de vibración de los iones de la red; en otras palabras, se debe a la interacción de los electrones con las vibraciones térmicas de los iones que conforman la red.


**a muy bajas temperaturas -hablamos del orden de -260º, -270 º- las únicas interacciones responsables de resistencia son las interacciones electrón-impurezas del material.


***básicamente, aunque quedaría mucho por matizar.

¿Por qué los perros se lamen las heridas?

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Algo propio e instintivo de los perros es lamerse sus heridas, siempre se ha dicho que es para desinfectarlas algo discutible dada la cantidad de gérmenes que se coleccionan en la boca. De hecho, es fácil ver a esos perros parabólicos tras las operaciones veterinarias, con sus embudos de plástico que evitan esto mismo.

Por otro lado, existe un motivo que explica este comportamiento y es que el ácido ascórbico de la saliva reacciona con los nitratos de la piel formando pequeñas concentración de NO que ayuda a la cicatrización de las heridas y su desinfección. Además la saliva posee ciertos agentes antibacteriales, no obstante y como decíamos, éstos vienen acompañados de otras bacterias que, inofensivas en la boca, pueden provocar serias infecciones en la herida.

Siendo el único recurso en su hábitat natural que tienen para limpiarse sus heridas, resulta útil para eliminar contaminantes mayores. Lo mismo nos ocurre con nosotros, introducir saliva humana en una herida abierta provoca una entrada masiva de bacterias indeseables que puedan provocar una infección y ponernos en riesgo a algo que se hubiera quedado en un disgusto puntual con agua y jabón. De hecho, se suele decir que suele ser más peligrosa la mordedura de un ser humano que de un perro (mientras no tenga la rabia).

El efecto Hutchison

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John Hutchison es un físico aficionado. Un señor inventor. Eso es, un señor inventor, con toda la excentricidad de que pueda salpicarse esta condición ostentada a lo largo de la historia por sabios, genios, visionarios, locos y, por supuesto, sinvergüenzas.

John Hutchison comparte con 877.000 personas la circunstancia de residir en Canadá, pero con ninguna de ellas la de lucir un balcón atestado de antenas y grisáceos aparatos imposibles de identificar. Es un hombre adelantado a su tiempo y por eso su casa no podía ser sino un laboratorio en el que los electrodomésticos se estiban atemorizados entre voluminosos dispositivos y osciloscopios caseros. El cableado podría alfombrar el piso pero por suerte, y por el bien del hombre acostumbrado a pocos cambios y en todo caso dosificados, el núcleo de su maquinaria científica se contiene en una especie de sótano impracticable en el que se dan cita los experimentos más increíbles imaginados por el hombre. John Hutchison no teme a las cámaras. No sería correcto calificarlo de showman pero acoge sin reparos a los reporteros para demostrarles que el arquetipo de calculín retraído no va con él. Pasen y vean.


Ni siquiera el propio John Hutchison sabe qué sorpresas depara su apartamento


Nuestro genio de hoy ha descubierto el secreto de la levitación. Si se le pregunta cómo, admite no saberlo. Su logro parece haber nacido de un destello de lucidez y algo de casualidad. Por así decirlo es una serendipia con algo de eureka, un eureka que de pura envidia haría al propio Arquímedes cortarse las venas en su miserable bañera. Mediante la manipulación de campos electromagnéticos generados en su sala de estar a la hora del té, John Hutchison es capaz de levantarlo todo. Es lo que se llama "efecto Hutchison".


Aquí lo tenemos fardando de equipo

De alguna manera, cualquier objeto presente en las regiones del espacio alcanzado por su cóctel electromagnético levita, cualquiera que sea su estructura y composición. Papel de plata, hielo, botellas de plástico, metal misteriosamente fundido, cd's, escobas, pinzas para el pelo, alicates, platos, tapaderas de tupper-ware...








El de arriba es un vídeo confeccionado por él a cámara fija. No sabemos el motivo por el cual no nos quiere mostrar qué hay por encima del borde superior del campo visual que abarca. Es celoso de su hallazgo y no le gustaría que le copiáramos el invento, aunque cuando ante las cámaras de televisión acepte realizar demostraciones en directo mostrando buena voluntad: Hutchison se pone manos a la obra, conecta algunos cables, enciende lucecitas por doquier y gira algunos selectores guiado por la intuición... entonces las cosas fallan...

Txé, quina mala foia. Antes iba, ¿eh?

No os preocupéis. A Hutchison podéis echarle en cara sus greñas, pero no falta de vídeos. El más espectacular sin duda alguna es éste en el que hace levitar un mini platillo volante, amigos de lo misterioso. La siguiente imagen es una captura del mismo. Sobre qué pinta el hilo en la parte superior izquierda, la comunidad científica no se ha pronunciado todavía.

Ay, Hutchison, Hutchison...

Y es que Hutchison es un apasionado de los Expedientes X y asegura haber dado con el principio de levitación de nuestros vecinos galácticos. Alternaba la lectura de clásicos del electromagnetismo como el Jackson con el visionado indiscriminado de las aventuras de Mulder y Scully. Esta actividad desarrolló en él una capacidad de retención tal que no necesita anotar ningún detalle sobre sus experiencias de modo que, como dice, no conserva información alguna que ayude a reproducir sus experiencias, una de las premisas de cualquier experimento científico.

A no pocos grandes de la historia de la ciencia el mundo ha tratado como a locos. Pero Hutchison, a diferencia de ellos, desconoce algo que tarda mucho en ganarse y se puede perder en lo que dura un vídeo de un ovni de juguete, esto es, la fiabilidad y la respetabilidad.

A pesar de lo dicho, quiero ser como Hutchison.

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*P.D.: La redacción de este artículo fue motivada por un documental emitido en la Sexta y al parecer producido por la National sobre el Triángulo de las Bermudas en el que aparecía este peculiar personaje. La web alberga abundante información sobre el efecto Hutchison, que parece ser tomado en serio. El tono, así como el contenido del presente artículo, sólo corresponden a la opinión personal de su autor. Disculpad la baja frecuencia con que publicamos. J. Salvador


Los objetos fractales

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La copa de un pino no es un cono. Una coliflor no es una esfera. Aproximar una vaca por una esfera sólo deja anchos a los físicos. Para que los objetos de la naturalezan adquirieran la suavidad de las formas geométricas clásicas, alguien debería armarse de paciencia y darles a todos un buen planchado. La realidad es rugosa y, si nos ponemos tan quisquillosos, indescriptible según la matemática que todo el mundo ha estudiado de integrales y derivadas.

Pero más allá de esto, si uno observa el pino o la coliflor que hemos mencionado durante un rato, no tarda en percatarse de que el crecimiento de ambos parece haberse gobernado por una sencilla ley de autorreplicación: de un tronco principal brotan varias ramas, de cada rama, otras ramas, de éstas últimas, otras ramitas... hasta llegar a la hoja donde los nervios se bifurcan de una manera similar. ¡¿Dónde está la autorreplicación?! ¡Salvo en concepto de crecimiento, la rama de un árbol no es réplica del árbol entero...! Cierto, quizá más convincente resulte el ejemplo de la coliflor. Tómese una coliflor entera. Pártase por la mitad y compárese con la primera, sin considerar el tamaño sino sólo la estructura ¿no podría pasar media coliflor por una entera?. Repítase el proceso, ¿no podría pasar un cuarto de coliflor por una entera? ¿Y si lo repetimos cien veces? En este punto ya nadie nos vende la fracción de coliflor como coliflor entera, pues la semejanza se empieza a perder.


Aunque la naturaleza nos falle al límite, la idea de la táctica de autorreplicación en el crecimiento no se nos escapa a nadie.

La segunda mitad del siglo XX alumbró la matemática fractal: la matemática de los objetos autosemejantes, esto es, figuras -dibujos- que se construyen siguiendo un proceso iterativo sobre sí mismas y el resultado de cada iteración, de modo que a cualquier escala, cualquier porción de dibujo es exactamente igual al dibujo completo.

Para comprender estas cuatro líneas recurrimos a un ejemplo clásico, el triángulo de Sierpinski*:

Dibújese un triángulo equilátero -etapa 1. Márquense los puntos medios de cada lado y sirvan éstos de vértices de un nuevo triángulo, que "se recorta" -etapa 2. En los tres triángulos que quedan se repite el proceso por separado y resulta la etapa 3 (obsérvese aquí ya la autosemejanza de los tres triángulos recortados con el total). Si se repite con los nueve triángulos el proceso se obtiene la etapa 4. Y así hasta cuando queramos. Esto es un objeto fractal.

Otro ejemplo clásico es el del fractal de Koch, del que adjuntamos el proceso de construcción y un gráfico que hace referencia a la autosemejanza.



La fractalidad parece un simple divertimento matemático, pero en su tratamiento más formal brinda la herramienta idónea para el tratamiento de objetos de dimensión compleja -esto es, cosas que no son puntos, líneas, planos, volúmenes lisos...- y empieza a abrirse camino en áreas como la de la salud o las finanzas.
Os dejamos un artístico viaje a las entrañas del famoso fractal de Mandelbrot, principal precursor de esta nueva matemática que quizá en un futuro no muy lejano tenga no poco que aportar. Bienvenidos al mundo de lo infinito.




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*imagen capturada de la Wikipedia
**Mandelbrot tiene publicados tres libros divulgativos al respecto. Según tengo entendido, no son, aun así, de lectura ligera.