¿Relatividad?

enero 28, 2014

einstein-1894_approx-young-sizedSi avanzo 50 metros durante 10 segundos en dirección Oeste, decimos que llevo una “velocidad” de “5 metros por segundo.” En realidad deberíamos decir “5 metros entre segundo,” pero como que se acomoda mejor la lengua al decir “por.” Es más, para ser verdaderamente cuidadosos y precisos tendríamos que decir “5 metros entre segundo en dirección Oeste con respecto al árbol que se encuentra enfrente de mi casa,” en otras palabras, para hablar de “velocidad” se requiere lo siguiente: unidades –  en qué se mide la velocidad, que en nuestro ejemplo son “metros entre segundo” (podrían ser kilómetros entre hora, pulgadas entre minuto, etc.). Se requiere también especificar la dirección en la que se mueve y esto conlleva a tener que especificar un “sistema de referencia,” en nuestro caso el árbol enfrente de mi casa.

Claro que cuando no es importante ser tan precisos, solamente decimos – ayer regresé por carretera y venía como a 140 – todos entenderemos que se refiere a kilómetros entre hora (y diremos kilómetros por hora) y que la dirección era hacia nosotros, es decir hacia Colima. Para no hacernos bolas ni aburrirnos, utilizaremos esa descripción menos precisa en lo que resta de este escrito.

Si voy en un coche a 50 km/hr y me dirijo derechito al árbol que se encuentra plantado enfrente de mi casa, y no freno, seguramente tendré algunos problemas. Ignoremos las obvias consecuencias de dicho encontronazo y pensemos en lo siguiente: desde la perspectiva de un pasajero de nuestro coche, el árbol se acerca a 50 km/hr, en otras palabras es posible verlo de esa manera. Si le pregunto a un insecto parado en árbol, el insecto también puede decir que el coche va a 50 hacia él o que el árbol (junto con él) va a 50 hacia el coche. Es equivalente.

Un choque más emocionante: si en lugar de que nuestro coche vaya en una trayectoria hacia un árbol va hacia otro coche, que a su se mueve en la misma dirección, entonces la cosa es más emocionante (y peligrosa). Supongamos por ejemplo que con respecto a la banqueta nuestro coche va a 50 km/hr hacia la derecha y que el coche de nuestros desafortunados amigos va a 50 km/hr pero rumbo a la izquierda. Repitiendo el ejercicio de arriba, si deseamos podemos decir que el coche enemigo viene hacia nosotros a 100 km/hr y viceversa. La velocidad es precisamente relativa y depende del sistema o marco de referencia con respecto al cual se mida. Así, si yo mido la velocidad del coche enemigo con respecto al volante de mi coche, aquel se acerca hacia mi volante con una velocidad de 100 km/hr. Si la medimos con respecto a la banqueta, uno lleva 50 a la derecha y el otro 50 a la izquierda. Creo que la mayoría de nosotros estaremos de acuerdo con lo que acabo de decir, y es además es efectivamente correcto, bueno, a medias.

Resulta que hace un poco más de 100 años Albert Einstein llegó a la conclusión de que lo que acabamos de describir es verdad, o casi verdad, solo cuando las velocidades involucradas son pequeñas con respecto a la velocidad de la luz, la cual es de aproximadamente 300,000 km/seg. Una vez que las velocidades sean comparables a la de la luz, encontraremos fenómenos físicos muy diferentes a lo que nuestra intuición y experiencia nos dice. Claro está que en nuestra vida cotidiana esos efectos no son apreciables ya que nos movemos con velocidades extremadamente pequeñas (comparadas con la de la luz), sin embargo existen muchos fenómenos naturales, incluyendo algunos que nosotros generamos, en los que si se manifiestan los cambios.

Para describir un poco de qué se trata consideremos lo siguiente. Como vimos arriba, la velocidad está relacionada con un desplazamiento espacial (avanzar una cierta distancia) realizado durante un cierto intervalo de tiempo. Si voy a 10 m/s quiere decir que me desplacé de un lugar a otro, separado por 10 metros, y que lo hice durante un segundo. Si efectivamente confirmo ese enunciado quiere decir que pude medir (o alguien lo hizo por mi) una distancia (10 metros) y un intervalo temporal (un segundo). Pues bien, lo que Einstein descubrió es que la velocidad de la luz es siempre la misma y es independiente del estado de movimiento de quien la observe. ¿Qué quiere decir esto? Quiere decir que si yo enciendo una luz en cierta dirección, un observador registrará que la luz llega a 300,000 km/seg independientemente de si yo me muevo o no. No importa si yo voy en un coche que viaje a la mitad de la velocidad de la luz y luego le “aviente” la luz de una linterna, el observador no verá la luz a 450,000 km/seg, la verá exactamente a 300,000 km/seg. De hecho, si en el ejemplo de arriba los coches fueran a 200,000 km/seg (comparable a la de la luz) en lugar de 50 km/hr, no determinarían 400,000, sino algo menor a 300,000.

tdgraphformula1¿Cómo es posible? ¿Qué sucede que haga esto posible? La consecuencia de la constancia de la velocidad de la luz es que cuando viajamos a velocidades tan grandes, el espacio y el tiempo se distorsionan de tal forma que la luz, independientemente de cómo nos movamos, mantiene su velocidad. A esto se le conoce como la relatividad especial que descubrió Albert Einstein, y al contrario de lo que comúnmente se le atribuye (de que todo es relativo y no podemos determinar nada), la relatividad especial está fundamentada en dos postulados bastante no-relativos: i) Las leyes de la naturaleza son iguales en todos lados y ii) la velocidad de la luz es constante e independiente del sistema de referencia.


The NOvA Series | 2 Far Detector

enero 8, 2014

El experimento NOvA ( “NuMI Off-Axis electron-Neutrino Appearance Experiment” por sus siglas en inglés) es un experimento que sigue en construcción dentro de las instalaciones de Fermilab, a las afueras de Chicago. Se diseño es tal que al mismo tiempo ya esta recabando datos. Dicho proyecto buscará dar respuesta a algunas interrogantes sobre la naturaleza física de los neutrinos.

Neutrinos

Pensemos en los neutrinos como partículas subatómicas, tan ligeras que no se sabe a ciencia cierta cual es en realidad su masa -sólo existen cotas- y además de ligeras, neutras, por lo que no “sienten” la existencia de campos eléctricos y magnéticos.

platano

Un plátano.

Los neutrinos no forman parte del átomo -esas partículas se llaman neutrones- pero son producidos naturalmente mediante el decaimiento de un isótopo de potasio en el plátano, como productos de reacciones termonucleares en el Sol y también como productos en las explosiones de estrellas (Supernovas) por dar algunos ejemplos.

Científicos e ingenieros han creado mecanismos tales que la producción de neutrinos en condiciones especiales (o de laboratorio) han permitido su estudio sistemático. Tal es el papel que desempeña alguna de la gente que trabaja en Fermilab y razón por la cual dequitan su nada despreciable sueldo.

Los neutrinos tienen fama de ser las partículas más abundantes y ligeras del universo conocido. Como muestra: cada segundo 10 000 000 000 neutrinos pasan a través del área de la uña del dedo pulgar de tu mano aproximadamente; si un electrón pesara tanto como un elefante africano, un neutrino no sería más pesado que la mitad de una manzana.

Neutrino Mix

Neutrino Mix

Además de eso, los neutrinos tienen propiedades sorprendentes que han puesto a prueba teorías fundamentales en física como lo son la Mecánica Cuántica y la Relatividad Especial. Los neutrinos rara vez interactúan con otras partículas y además, oscilan de un estado de sabor a otro.

Pero no les comentaré hoy sobre los detalles de estas interesantes partículas, sino de NOvA.

Líneas arriba mencioné que el experimento NOvA era, para empezar, un “proyecto” y que además, en construcción. Si la idea de experimento se reduce a “dejar caer una pelotita para después tomar el tiempo que tarda en tocar el suelo” y la idea de estar en un laboratorio a “usar bata blanca dentro de un zótano o salón de clases”, creo que no nos hemos entendido.

NOvA

Me gustaría que pensáramos en NOvA como la obra en construcción de un edificio. De un rascacielos. De un proyecto de ingeniería que jamás se ha hecho antes y a Fermilab como a una empresa que proveé recursos esenciales como electricidad, agua y capital humano.

Pero también a NOvA lo forma gente: me atrevería a decir que alrededor 150 personas (científicos, ingenieros, técnicos, administrativos, estudiantes, posdocs) de quizá 30-35 instituciones alrededor del mundo y existe campo para muchas más. No hay instituciones Mexicanas asociadas al proyecto aún.

NOvA poseé dos detectores: NearDet (Detector Cercano) y FarDet (Detector Lejano) además de un prototipo (NDOS). Para fines prácticos, pensemos a los detectores como edificios. Tanto NearDet como NDOS estan ubicados dentro de las instalaciones de Fermilab, en el estado de Illinois.
El FarDet se ubica en una localidad llamada Ash River, en el estado de Minnesota muy cerca de la frontera con Canadá.

¿Por qué dos detectores y no 3? ¿o por qué no nada más uno? Tales preguntas serán explicadas en un futuro.

Por lo pronto sería bueno pensar lo siguiente. Si los detectores son como edificios -que para su tamaño realmente lo son- necesitarán de energía, de mano de obra, de mantenimiento. De alguien que vaya a vigilar y monitorear el estado de su construcción y de sus sistemas de refrigeración o de la electrónica, como todo edificio “normal”.

¿Será acaso que dichas tareas corren a cargo de algún ingeniero civil? ¿mandarán llamar a algún plomero si existe alguna fuga? Ciertamente no y la respuesta es: entrenar a estudiantes.

EXPERT TRAINING

FarDet Control Room

FarDet Control Room

A finales de Octubre del año pasado, parte del grupo de Iowa State participó en un curso intensivo sobre instrumentación y sistemas impartido en el sitio de construcción y ensamblaje del FarDet: Ash River, MN. El curso fue impartido por ingenieros y técnicos que estan laborando en el detector y los que atendimos proveníamos de diversas instituciones. El objetivo era convertir a los presentes en expertos o alguien que por definición, ayudara a resolver los múltiples problemas que han ido apareciendo conforme la construcción de semejante proyecto.

No se puede convertir en experto de un sistema tan complejo en 2 días, pero lo bailado nadie nos lo quita. Existieron 3 modulos:

  • APDs (Avalanche Photodetectors)
  • Dry Gas and Water Cycling Systems
  • Environmental Monitoring and Power Supplies

El primero trató sobre un dispositivo electrónico fundamental para el detector cuyo funcionamiento consiste en transformar señales luminosas en señal eléctricas. El segundo sobre sistemas de enfriamiento a base de agua y aire a presión. El tercero sobre la temperatura en diversas areas del detector y de cómo la energía eléctrica es distribuida entre sus componentes. Decidí atender el segundo módulo motivado quizá por un simple proceso de eliminación y porque ya había tenido cierta experiencia en meses pasados. Confío en no perder la pista a sus múltiples actualizaciones y pronto seguir subiendo en nivel de entendimiento.

La oportunidad de que a una temprana edad (como estudiante) tengas de aprender estas cosas en estas fases iniciales del proyecto son escasas. Sobra decir que somos afortunados.

ORR

Durante el curso, nos hospedamos en un poblado de alrededor 1000 habitantes segun el último censo. Pese a que era ya otoño, vientos bajo cero ya se dejaban sentir. A esas latitudes del mundo, el sol describe curvas muy pronunciadas en el horizonte y tanto la flora y fauna de ese lugar comienzan el paulatino proceso de preparación para la estación de invierno. Para evitar el tedio del camino entre nuestro hospedaje y el sitio donde se encuentra el FarDet, escuchábamos la radio. Para mi sorpresa, una de las 3 estaciones que aún se seguíamos recibiendo era Radio Québec, en francés. Canadá estaba tan cerca.

Era época de venados. Eran tantos que salía de arbustos hacia claros de bosque en un suspiro, atravesando la desolada carretera y con ello, aumentando el riesgo de un accidente infortunado. Por las noches no eran luciérnagas sino el reflejo de sus córneas debido a la luz de nuestro carro lo que nos mantenía viendo por la ventana a nuestro paso.

Hubo un par de aventuras con los amistosos locales, pero eso ya es otra historia.

Ash River, MN

Ash River, MN

THE FAR DETECTOR

Ver el FarDet estando desde su base para después levantar la mirada hasta su cúspide requiere que des un paso no previsto hacia atras, con la cara completamente viendo hacia el techo y sosteniéndote el casco de protección con la mano para que no se caiga. Y es que ese monstruo es enorme. Es difícil de creer al principio.

Corren rumores que cuando termine su construcción, será la estructura de plástico más grande jamás creada. O la piscina aceite mineral más grande (para detectar neutrinos, tanto el FarDet como el NearDet y NDOS usan líquido centellador diluido en aceite mineral. Describiré cómo funciona el mecanismo de detección con más detalle en una próxima entrega).

Expert Training 2013

Expert Training 2013

Tendré que dejar de escribir por el momento. Dentro de unas horas y con maletas listas viajaremos hacia Pasadena, CA. Será la primera Reunión de Colaboración del año y habrá que estar listos para las buenas y malas noticias relacionadas al experimento. Stay tuned!


¿Para qué sirven sus publicaciones? ¿Por qué mejor no se ponen a hacer algo que “de verdad” sirva?

enero 1, 2014

En el intento por describir  la importancia de la ciencia básica y su indispensable necesidad de ser financiada, la mayoría hemos escuchado y mencionado varios argumentos. Es típico decir que la investigación básica (teórica) ha generado una cantidad inmensa de conocimiento, que ha permitido inventar y generar tecnologías que utilizamos diariamente casi sin darnos cuenta. Esto no representa de ninguna manera la única aportación de la ciencia básica, pero siempre se menciona – y con razón: sin ciencia básica, no habría nada.

frase-el-cientifico-no-estudia-la-naturaleza-por-la-utilidad-que-le-pueda-reportar-la-estudia-por-el-henri-poincare-126291Algo que se nos olvida mencionar (a muchos), es que todos esos avances y repercusiones en el mundo tecnológico, han sucedido gracias a una sólida y organizada estructura de ciencia experimental básica y aplicada. Estructura que vive a la par de la ciencia básica teórica y que goza de la misma dignidad (si no es que más) y consideración. La ciencia de primer nivel se ha hecho en lugares donde existen las dos estructuras, ciencia teórica y ciencia experimental (por teóricca no me refiero a cuestiones de opinión ni de discurso, en la ciencia la palabra “teoría” significa el entendimiento comprobado y sustentado por medio de evidencias, que permite explicar y predecir).

Es fácil decirle a las autoridades que el sistema de posicionamiento global (GPS) no funcionaría sin la Relatividad General. Esto es una verdad absoluta, no se miente. Sin embargo dicho así no tiene ningún sentido. Para poder generarlo fueron necesarias tanto la Relatividad General como una enorme cantidad de desarrollo tecnológico, que va desde poder poner satélites en órbita, generar la electrónica adecuada, desarrollar materiales para los dispositivos, entro otros. Es fácil también decir que una gran cantidad de aparatitos electrónicos funcionan gracias a que se desarrolló la mecánica cuántica. Por supuesto que es verdad, y al igual que el GPS, para que vieran la luz, se requirió de investigación experimental – básica y aplicada – de primer orden y con muchas vertientes.

Creo que debemos de ser más honestos y cuidadosos cuando tratemos de explicar y justificar (porque además es nuestra obligación) la necesidad de que un país como el nuestro apoye la ciencia básica, teórica y experimental, lo cual estoy completamente convencido de que es imperante y urgente (bueno, si queremos mejorar, si no, no es necesario). Tenemos que tener cuidado cuando ponemos esos ejemplos simplones, ya que alguien mínimamente interesado podría preguntarnos qué contribuciones de ciencia básica hecha en México en los últimos 50 años, por ejemplo en física, han repercutido en algún aparatito.

Me parece conveniente que pensáramos cuidadosamente en emitir una explicación más fiel a nuestra realidad y que a la vez, pusiéramos un empeño decidido en impulsar, a través de todos los medios a nuestro alcance, el desarrollo de una ciencia más completa. Una ciencia que incluya todos los aspectos y que apoye todas las vertientes, de manera organizada y evaluando su relevancia de manera cuidadosa y honesta.

pasteurEn nuestro país existe un poco de ciencia básica teórica (poca y mal financiada, pero existe), muuuy poco de ciencia aplicada experimental (sin apoyo real ni decidido, casi siempre a medias y con exigencias de “impacto” inmediato y “visible”), pero casi nada de ciencia básica experimental. Para darnos una idea de lo que nos perdemos: es ahí, en la ciencia básica experimental, donde “se inventan” los nuevos aparatos y tecnologías que posteriormente permitirán a las demás disciplinas construir sus laboratorios. Antes de tener microscopios electrónicos, computadoras, equipos de resonancia magnética, etc.  (es decir, todo lo que se puede comprar ya construido), alguien tuvo que inventarlos. Alguien tuvo que necesitarlos. ¿Para qué? Seguramente para tratar de entender las propiedades más basicas de la materia, para investigar qué tipo de cosas nos llegan desde el Sol, para intentar “ver” y “explorar” la naturaleza donde nunca nadie lo haya hecho. Para ese tipo de cosas se ha tenido que inventar una gran cantidad de tecnología. Con lo que se descubre se entiende mejor a la naturaleza y eso nos permite a la vez seguir mejorando los inventos. Luego nos damos cuenta de que algunas de esas tecnologías pueden usarse con otros fines (estudiar la sangre, mejorar el concreto, los alimentos, etc.). Es un proceso rico y complejo en el que participan muchos actores. Mientras no contemos con una infraestructura robusta, que incorpore todos esos actores, será difícil contribuir de manera significativa como país.

También por eso es necesario pensar un poquito (ya con esta información) antes de decirle a los pocos investigadores de nuestro país: “Deberían ponerse a trabajar en proyectos que “de verdad” sirvan. Proyectos que “resuelvan” los problemas actuales, y no anden con sus abstracciones raras.” Como hemos visto, no se trata de que un científico decida o no dedicarse a tal o cual problema. Para tener un impacto “visible” se requiere de una infraestructura con todos los elementos, desde el más básico hasta el más aplicado. La razón por la cual en este momento tenemos un poco más desarrollada la ciencia básica teórica tiene una explicación muy sencilla: es la más barata. Es la que sí puede sobrevivir a pesar de politicas cambiantes y burocracias empedernidas. Es la que podemos hacer a pesar de la situación en la que nos encontramos. Necesitamos cambiar esa situación ya.