¿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.


Estrellas

diciembre 3, 2013

sirius_La vida y todo lo que hay en este planeta es consecuencia de las estrellas. No solo en este planeta, pero como nos gusta sentir que somos privilegiados y que representamos – por alguna razón – lo más importante de la naturaleza, pues digámoslo así.  Cuando digo consecuencia me refiero a que sin las estrellas no existirían los materiales para formar los planetas, ni la energía necesaria para que hubiera vida en el nuestro. Aquí digo nuestro porque no hemos encontrado vida en ningún otro, aunque en caso de existir, sería la energía de alguna o algunas estrellas la que le hubiera permitido hacerlo.

¿Qué es una estrella? Una estrella es un constante “jaloneo” entre átomos de hidrógeno. Bueno, principalmente de hidrógeno, ya que con el tiempo las estrellas van produciendo otros elementos. En el “jaloneo” participan las cuatro fuerzas de la naturaleza que conocemos: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Ese “jaloneo” produce elementos químicos diferentes al hidrógeno y una cantidad inmensa de energía, parte de la cual recibimos como luz.

Veamos cómo está la cosa: El material más abundante en el universo, que no necesita de una estrella para existir, es el hidrógeno. Sus átomos son los más sencillos posibles: un protón y un electrón. El hidrógeno no está distribuido de manera uniforme en el universo y existen regiones con mucho y regiones con casi nada. En las regiones ricas en hidrógeno se forman “nubes” que poco a poco, gracias a la atracción gravitacional, se concentran en volúmenes cada vez más pequeños. Llega un momento en que son tan pequeñas que la repulsión entre los protones de los átomos ejercen una presión hacia afuera: la gravedad quiere hacer la nube más pequeña, pero la repulsión electromagnética se siente incómoda y quiere agrandarla. En ese estira y afloja ¡ganará quien pueda “jalar” más! Así muchas nubecitas se quedan nubecitas y otras tantas, que tienen una cantidad crítica de gas (masa), permiten a la gravedad ganar y la nube se sigue contrayendo. Notemos que en este proceso los átomos son sujetos de estiradas y jaladas en varias direcciones y por lo tanto están realizando movimientos rápidos y azarosos. El resultado de todo esto es que la temperatura de la nube, que no es otra cosa que el movimiento de los átomos, va aumentando conforme ésta se contrae.

Vencida la interacción electromagnética, los átomos se concentran cada vez más haciendo que sus protones se acerquen más y más aunque no quieran: la repulsión sigue estando ahí y pone resistencia, pero la gravedad de toda la nube gana y los sigue acercando. Eso sucede hasta que se logra llegar a un tamaño en el que las fuerzas nucleares “se despiertan”. Una vez que los protones casi se “tocan”, y la temperatura llega por ahí de los diez millones de grados centígrados, las fuerzas nucleares (débil y fuerte) empiezan a actuar: los protones en los núcleos de los átomos de hidrógeno (cuatro de ellos) se “fusionan” creando átomos de Helio y liberando en el proceso grandes cantidades de energía en forma de fotones, positrones y neutrinos. Los fotones liberados en ese proceso son reabsorbidos y rebotados por el gas de las capas exteriores durante cientos de miles (a veces millones) de años antes de “salir” de la estrella, para luego llegar a una de las fotoceldas solares que hemos construido, generando electricidad y así permitiéndonos presumir que usamos energía solar, que como vimos no es otra cosa que energía nuclear.

Tamaños-estrellasUna vez que se generan las reacciones nucleares tenemos una estrella. Las reacciones nucleares “detienen” el colapso gravitacional y el “estira y afloja” se compensa quedando una estrellita redondita que como dicen los cuentos y/o películas chafas: vivió feliz para siempre. Bueno, más o menos. En realidad no. El desenlace final de la pelea depende enormemente del tamaño inicial de la nube colapsada. Existen periodos en donde superficialmente pareciera que están en tregua y la estrellita brilla muy bonita y con un tamaño más o menos constante, pero eventualmente, conforme pierde cada vez más energía, la gravedad volverá a ganar y se colapsará un poco más, luego las fuerzas nucleares agarrarán un “segundo aire”, rebotará y volverá a encenderse creando elementos más pesados. Las fases y veces que esto puede ocurrir dependen crucialmente de la masa inicial de la estrella: la muerte de la estrella está dictaminada prácticamente desde el inicio. “Nuestro” Sol, por ejemplo, colapsará y tendrá un rebote que lo hará extenderse más allá de la órbita de Marte (y por supuesto ello hará que los planetas interiores, incluida “nuestra” preciosa Tierra, terminen pulverizados) para luego volver a contraerse finalmente en un objeto medianamente caliente, del tamaño aproximado de Júpiter y sin fusión nuclear. Otras estrellas son más presumidas y mueren en una tremenda explosión en la que generan una cantidad importante de elementos químicos pesados. Son estas muertes, llamadas supernovas, las que producen materiales que luego son utilizados para hacer los teclados de las computadoras en donde se escriben artículos sobre la muerte de las estrellas, entre otras cosas. Otra muerte estelar es la de convertirse en agujeros negros, pero eso ocurre solo para las estrellas obesas.


Señor Sol

noviembre 19, 2013

Si fuera necesario agradecer por la existencia de la vida tendríamos sin duda que agradecer al Sol, al menos por la vida en este planeta. De hecho vemos el Sol gracias al Sol, es decir, gracias a que produce luz que llega a nuestros ojos y por eso lo vemos. Bueno, en realidad vemos la superficie solar, ya que la luz que se genera en las reacciones nucleares en el interior del Sol no llega directamente a nosotros. No podemos ver el centro del Sol, al menos no a través de la luz.

sunEl Sol produce la energía que nos mantiene vivos a través de varios procesos nucleares en su interior. En esos procesos, elementos como el Hidrógeno, se transforman en otros más pesados liberando importantes cantidades de energía, parte de ella en forma de luz (fotones) que es lo que hace que “brille”. Esos fotones liberados en la parte central del Sol son reabsorbidos y reemitidos por el material solar muchas veces antes de “alcanzar” la superficie y salir en nuestra dirección. De hecho, se puede estimar el tiempo promedio que tarda un fotón producido en el centro del Sol en “salir” y se obtiene que es alrededor de un millón de años. En realidad los fotones que nos están llegando en este momento, y que permiten que leamos el periódico (entre otras cosas) salieron de la superficie del Sol hace unos ocho minutos, pero fueron producidos en el interior solar mucho tiempo antes.

Por lo tanto no podemos ver el interior del Sol, ¿o sí? Bueno, con nuestros ojos no. Para empezar, si utilizamos los ojos quemamos las retinas, así que no nos conviene. Pero ese no es el único problema, el otro más difícil de resolver es que para ver el interior del Sol necesitamos recibir fotones que salgan directamente de su interior. Como describimos antes, esto es imposible. Entonces, repitiendo, no podemos ver el interior con nuestros ojos. Nos conformamos con ver la superficie (y en fotografías porque no queremos quemar las retinas).

Somos necios. Queremos ver el interior y ni modo, tenemos que lograrlo. ¿Cómo le hacemos? Pues resulta que la energía liberada por el Sol no es liberada únicamente a través de la luz (fotones), también se liberan otras partículas y en particular (para que suene redundante) el Sol libera en sus reacciones nucleares inmensas cantidades de neutrinos. Los neutrinos tienen una masa muy muy muy, pero muy pequeña, y son eléctricamente neutros (¡por algo el creativo nombre de neutrinos!). Son partículas que prácticamente no interaccionan con nada. Al no interaccionar casi con nada, la gran mayoría de ellas salen del Sol sin ser molestadas por el material solar. A diferencia de los fotones que son absorbidos, reemitidos, reabsorbidos y luego re-reemitidos (y así por cientos de miles de años), los neutrinos salen directamente. El Sol es “transparente” para casi todos los neutrinos (habrá por ahí algunos cuantos que interacciones, pero en promedio casi ninguno). Esos neutrinos salen del Sol y algunos en justo la dirección adecuada para pasar por la Tierra, que por cierto, también es transparente para los neutrinos, y pasan a través del planeta (y de nosotros) sin interaccionar. Otra vez, habrá algunos que si interaccionen, pero la gran mayoría pasará sin que se enteren de que había alguien celebrando que los Red Sox ganaron la Serie Mundial. Para darnos una idea de cuántos neutrinos atraviesan la Tierra consideremos lo siguiente: cada segundo, por una superficie de un centímetro cuadrado (la superficie de una uña), pasan alrededor de cien mil millones de neutrinos producidos por el Sol.

¿Cómo sabemos todo eso? Pues aunque suene extraño e ilógico, lo sabemos gracias a que de repente, casi nunca, pero de repente, uno de esos neutrinos sí interacciona con material de la Tierra. Entonces diseñamos un laboratorio para tratar de ver el efecto de esas interacciones. ¿Cómo le hacemos? Muy sencillo. Necesitamos un tanque de algún material con el que el neutrino deberá interaccionar. Como casi no interaccionan, para tener al menos un poco probabilidad de suerte, necesitamos el tanque más grande posible. ¿Qué significa que interaccione? Significa que el neutrino, al pasar por el material contenido en nuestro tanque, chocará con alguno de los átomos de ese material y generará partículas cargadas (como electrones por ejemplo) que saldrán a una velocidad muy alta, mayor a la velocidad de la luz en ese medio (la luz en el agua, por ejemplo, viaja más lentamente que en el vacío). Cuando esto suceda, la partícula súper veloz emitirá una radiación (luz) muy específica que podremos ver con algún tipo de detector de luz (que obviamente tendremos que poner en las paredes de nuestro tanque). Así de sencillo. ¿Qué material utilizamos para llenar el tanque? Pues como necesitamos ver la luz que se generará de las posibles colisiones, utilizamos algo transparente. Agua. Ah, y para que no nos confundamos con colisiones de otras partículas que andan por ahí de metiches, construimos el laboratorio en el interior de una mina o una montaña, para que la misma Tierra sirva de filtro. Así, con suerte y con un tanque cilíndrico de 40 metros de diámetro en su base y 41 metros de altura, rellenado en sus paredes con 6000 detectores de luz, podremos ver unas decenas de neutrinos cada año. Si, decenas. Si, aunque cada segundo pasen cien mil por centímetro cuadrado.

neutrino_detector_super_kamiokandeConclusión: para ver el Sol necesitamos buscar un tenue destello de luz dentro de un tanque de agua en el interior de una mina. Si esto no es bello, no sé qué podría serlo.


Contemplando

octubre 29, 2013

La contemplación de la naturaleza representa una inmensa fuente de motivación para los seres humanos. Despierta en nosotros variadas sensaciones y en muchos casos nos incita incluso a actuar. La contemplación de la naturaleza es entonces buena y reconfortante. Sin embargo, si nos quedáramos solo en eso, en contemplar, nos perderíamos de la inmensa belleza que se encuentra en el entendimiento de los fenómenos naturales. Veríamos solo una pequeña parte, a veces la más insípida, de lo maravilloso que es la naturaleza y de la belleza que representa su posible entendimiento e interpretación por parte del cerebro humano. Hemos descubierto que cuando logramos dar un paso más allá de la simple contemplación, encontramos un universo extremadamente rico, interesante, misterioso y a veces comprensible.

Contemplando nuestros potenciales.Una cosa que me parece formidable es que prácticamente siempre que intentamos explorar un poco más sobre la naturaleza, ésta nos sorprende y nos muestra facetas que difícilmente hubieran podido si siquiera ser imaginadas. Aunque si hay veces que el cerebro humano logra vislumbrar posibilidades que efectivamente existen en la naturaleza y no se habían descubierto, algo que por cierto sucede muy pocas veces y siempre gracias a lo que ya se conoce (y no solo en la ciencia, que es donde más ocurre, sino también en los famosos casos de ficción y ciencia ficción), casi siempre es la naturaleza la que nos sorprende y nos muestra su impresionante creatividad. La mayoría de las veces andamos buscando algo y nos encontramos aspectos mucho más ricos e impresionantes de los que creíamos.

Claro que incluso en el caso en el que le “atinamos” es precisamente la naturaleza la que le atina, es decir, aunque a veces (o casi siempre) no seamos muy conscientes de ello, nosotros somos naturaleza. Todas las actividades del ser humano son manifestaciones de la naturaleza. Todas. Las que llamamos buenas y las que llamamos malas, las que trascienden y las que se olvidan, las que quieran o no, todas son manifestaciones de la naturaleza. Tratar de entender la naturaleza, en particular, ¡es entonces parte de la misma naturaleza!

Cuando intentamos describir o explicar algún fenómeno o situación es muy común que tendamos a pensar en la naturaleza como algo ajeno a nosotros. Pensamos en los fenómenos, sobre todo aquellos que involucran directamente a los seres humanos y sus actividades, como “aparte” de los fenómenos naturales, es decir, a veces, para poder investigar, es necesario hacer esa separación que sin embargo es ficticia y que en ocasiones, acostumbrados a hacerla de manera automática, puede olvidarse y podemos cometer el error de pensar que efectivamente son cosas distintas. Algo así como que el ser humano está en la naturaleza pero no forma parte de ella. Ejemplo: Una computadora, una bolsa de plástico y una poesía son todas manifestaciones de la naturaleza. Les llamamos artificiales para hacer claro el hecho de que fueron los seres humanos los que “las crearon”, y el término es adecuado y nos sirve para entendernos y comunicarnos, pero a veces olvidamos fácilmente que en realidad son “naturales”. Fueron formadas, ideadas, concebidas por la naturaleza. Si, efectivamente a través nuestro, pero naturales.

Por ende todo lo que puede pasar por la imaginación de todos los seres humanos es parte también de la naturaleza. Creo que a veces en nuestra inquietud por sentirnos privilegiados creemos, o queremos sentir, que cada uno de nosotros tiene una “realidad” y que por lo tanto existen varias realidades. No hay problema en pensar así, de hecho puede ser útil e inspirador. Lo que no debemos olvidar, al final, y que por cierto no es algo “malo” ni limitante, es que todas esas “realidades” son partes de una mucho más grande, que incluye muchas otras que nada tienen que ver con nosotros y que, algunas de ellas, gracias a la contemplación y a la exploración, hemos sido capaces de encontrarlas y apreciarlas.

Una cosa muy interesante es que desde que se inventó la actividad científica nos encontramos en una situación peculiar: cada día que pasa podemos decir que es el día en que la humanidad ha “sabido más” en toda su historia. Efectivamente son muchos los misterios y nuestro conocimiento de la naturaleza es muy pequeño, pero cada día sabemos un poquito más que antes. Afortunadamente la riqueza de la naturaleza nos tiene extremadamente entretenidos con muchos misterios aún sin resolver y seguramente muchos más aún por descubrir. El hecho de que aun considerando la complejidad y gran magnitud de fenómenos naturales seamos capaces de al menos comprender algunos de ellos es algo profundo y maravilloso. La naturaleza se contempla y se explora a sí misma. Como diría Sagan en algún momento (con mis palabras porque no me acuerdo de la cita textual) “el hidrógeno es el elemento más sencillo y más abundante del universo, pero no lo desestimen: denle unos cuantos miles de millones de años y empezará a preguntarse sobre su propia existencia”


Energía oscura

octubre 13, 2013

expanding_universePara poder acelerar se necesita una fuerza. Acelerar significa cambiar de velocidad – moverse más o menos rápido. Si lanzo una pelota al aire con mi mano, la empujo por un breve instante y proveo una aceleración que a su vez hace que empiece a moverse hacia arriba. En el momento en que deja mi mano, la única fuerza que sigue “sintiendo” es la de la gravedad, que la jala hacia abajo. Por eso la pelota sale disparada con la velocidad inicial que le dí hacia arriba, luego empieza a disminuir su velocidad (acelera negativamente) hasta detenerse y regresa incrementando de nuevo su velocidad (acelera positivamente), que esta vez es hacia abajo. Gracias a ésto, pudimos inventar el béisbol.

Si no existiera la gravedad, una vez que la pelota dejara mi mano, se movería con una velocidad constante y no regresaría. No aceleraría, ni para incrementar ni para disminuir su velocidad, simplemente seguiría su camino con la velocidad inicial que le haya podido brindar con mis músculos. Para acelerar, positiva o negativamente, necesitamos algo más, una fuerza. Si de repente me diera cuenta de que mi pelota avanza hacia arriba después de ser lanzada y que acelera incrementando su velocidad, supondría que la pelota llevaba un pequeño cohete que en vuelo se encendió y le dio la fuerza necesaria para lograr esa aceleración. Sin fuerza adicional, de cualquier naturaleza, no puede haber una aceleración. Newton fue el primero en darse cuenta de ésto hace alrededor de 350 años.

Otro posible desenlace de mi lanzamiento es que le diera suficiente velocidad inicial a la pelota como para que pudiera “escapar” de la atracción gravitacional pero sin acelerar. Se le llama velocidad de escape y para el caso de la Tierra, independientemente del tamaño de mi pelota, es de aproximadamente 11 km/seg (si, 11 kilómetros cada segundo, no me equivoqué). Esta situación corresponde al caso en que la velocidad inicial es lo suficientemente grande para justo vencer la barrera de la gravedad y mantenerse con una velocidad constante para siempre.

El universo está en expansión. Hemos observado que las galaxias en todas las posibles direcciones se alejan de nosotros y entre ellas. Este hecho es el que motivó a bautizar al Big Bang como “bang”, que traducimos como “explosión”. Si todas las galaxias se están separando, podemos imaginar que “regresando la película” todas se irán acercando. Si la película sigue indefinidamente veremos que todas las galaxias, y por ende todo el universo, surgieron de una región muy pequeña en la que todo estaba junto y muy denso. Luego ¡boom!, el universo empezó a crecer. Se formaron los primeros átomos de hidrógenos, poco después enormes grupos de estrellas, algunos con planetas. En al menos uno de ellos se formaron microbios que terminaron en dinosaurios y que después terminaron en gallinas y loros. También se formaron algunos mamíferos y telescopios, luego electrónica y satélites que sirvieron, entre otras cosas, para darse cuenta de todo eso. Obviamente también, en esa pequeña historia de alrededor de 14 mil millones de años, surgieron cosas importantes como el béisbol y los partidos políticos que todos adoramos. Ah, y el plástico.

Pues bien, el universo fue “iniciado” con un “Big Bang” que le permitió avanzar con una velocidad inicial, algo así como mi mano lanzando la pelota. Justo después del Big Bang existen al menos tres posibilidades lógicas: al igual que la pelota, la gravedad (en este caso la atracción entre toda la materia del universo) “frena” poco a poco la expansión y el universo se “regresa”. Otra opción es que la velocidad inicial haya sido la suficiente para “escapar” y permanecer en expansión de una manera constante, es decir a un ritmo que no cambia. Por último, es posible que la expansión del universo se haga de manera acelerada, es decir, que cada vez se expanda más rápido. Esta posibilidad, recordemos, requiere que haya algo que provea de esa aceleración. Si ese fuera el caso, tendríamos que determinar qué es lo que hace que el universo se expanda cada vez más rápido.

Lo más bonito de todo es que los mamíferos que inventaron el plástico (al menos ellos, obviamente es posible que haya otros, mamíferos o no, que lo hayan hecho o lo vayan a hacer) también son capaces de medir y determinar cuál de estas tres posibilidades es la que realmente sucede. Para no hacerla de mucha emoción: el universo se está expandiendo aceleradamente. Poquito, pero aceleradamente y por ende, existe algo que está acelerando la expansión.

El ritmo con el que se expande el universo depende de la cantidad de energía existente. Por ejemplo entre más materia exista, la atracción gravitacional que frena la expansión jugará un papel más importante. Los estudios y descubrimientos más recientes nos enseñan que el universo contiene tres tipos de materia/energía: la bariónica (aproximadamente 4%) que forma todo lo que vemos (estrellas, galaxias, nosotros y el plástico), la materia oscura (aproximadamente 27%) que no podemos ver porque no interacciona con la luz, pero que medimos gracias a sus interacción gravitacional y un 69% (aproximadamente) de “algo” que hace falta para poder explicar la expansión acelerada. No sabemos qué es, solo sabemos cómo se comporta – compite con la atracción gravitacional. ¡Es un problema abierto! Para ponerle emoción y darle un nombre “sexy” le llamamos “energía oscura”.


¿Dimensiones extras?

mayo 27, 2013

El resultado científico más impactante y trascendente del año pasado fue el descubrimiento del Higgs. Como platicamos hace algunas semanas el Higgs finalmente cayó en las redes y ahora sabemos que si existe. Se buscó durante alrededor de 40 años y para encontrarlo se tuvieron que diseñar y construir aceleradores, colisionadores y detectores de partículas. Esos laboratorios y equipos, sin embargo, no fueron construidos solo para buscar al Higgs, sino que fueron construidos para tratar de descubrir más cosas acerca de la naturaleza.

La búsqueda de conocimiento y el intento de entendimiento de la naturaleza (es decir, de todo) representan unas de las características intrínsecas del ser humano. Buscar y explorar es parte de la misma naturaleza, quien a través de nosotros, es decir, a través de sí misma, se auto-explora e investiga. Y luego resulta también que desde que hacemos ciencia nos hemos dado cuenta de que esas búsquedas casi siempre resultan en ideas y conocimientos que luego pueden ser aplicados en otras áreas y en particular en cuestiones de absoluta practicidad. Ejemplos concretos de ello, relacionados precisamente con los aceleradores, colisionadores y detectores son: el internet – inventado en el CERN – el tratamiento de cáncer con aceleradores de hadrones, el desarrollo de técnicas de imagen en 3D para explorar el cuerpo humano, y un largo etcétera.

accelerator2Una de las cosas interesantes de la forma en que ésto funciona es que, al contrario de lo que podríamos imaginar, las fases iniciales de desarrollo y planeación de este tipo de proyectos de investigación no contemplan la resolución de los problemas prácticos que eventualmente terminan resolviendo. Es decir, cuando se planeaba la construcción del LHC, por ejemplo, no se pensaba en cómo diseñarlo para que pudiera resolver el problema de matar tumores cancerígenos en el interior del cerebro humano. Resulta que la tecnología desarrollada para llevar a cabo el programa de exploración científica del LHC puede ser utilizada y aplicada a otras cosas que conforme avanza el tiempo van surgiendo: ¡es en realidad maravilloso! Y bueno, si no era eso lo que se buscaba, entonces ¿qué se buscaba? ¿A poco lo construyeron solo para buscar el Higgs?

No. El Higgs fue uno de los muchos motivos. Buscamos y esperamos muchas otras cosas que den pistas sobre aspectos muy profundos de la naturaleza. El Higgs ha permitido verificar que la idea que teníamos sobre cómo se genera la masa es correcta, sin embargo quedan aún muchas preguntas y misterios sin resolver sobre ese problema. Por ejemplo, sabemos que existen 12 partículas que conforman la materia que nos conforma a nosotros y todo lo visible en el universo. Una de ellas, quizás la más familiar es el electrón. Otra de ellas, de las últimas en ser descubiertas (1994) es una partícula con el nombre poco amigable de quark top. Al descubrir el Higgs hemos entendido cómo es que las partículas adquieren su masa – por ejemplo estas dos partículas – sin embargo la masa del electrón es una millonésima del tamaño de la masa del top y no tenemos ni idea del porqué (bueno, si tenemos ideas, pero aún no sabemos).

escherOtro problema muy interesante es el de la materia oscura: Existe materia en el universo que no interacciona con la luz y que por lo tanto no la podemos ver. La enorme capacidad lírica de los físicos hace que entonces le llamemos materia oscura. Esta materia interacciona gravitacionalmente y es probable, aunque todavía no sabemos, que interaccione también a través de la llamada fuerza nuclear débil. No sabemos de qué está hecha. Sabemos que no está hecha de las 12 partículas conocidas, pero eso es todo. ¿Ideas? Un montón, pero aún no sabemos cuál – si es que alguna – es la correcta. Otro problema cotorrón: el Big Bang es la teoría que nos describe el origen y evolución del universo. Uno de los descubrimientos más impactantes hecho por los seres humanos es que el universo se está expandiendo: cada vez es más grande – o si prefieren – cada vez fue más pequeño. Hubo un momento en que era tan pequeño que la densidad de energía (cantidad de energía contenida por unidad de volumen) y la temperatura eran inmensamente altas, con valores que nunca hemos experimentado aquí en la Tierra (hasta ahora con el LHC). Al no haber experimentado con esos valores, no podemos estar seguros de que nuestra teoría sea válida en esa etapa de la evolución. De hecho sabemos que a esas escalas de tiempo y tamaño de nuestro universo tenemos que mejorar nuestras teorías, ya que en este momento aún no sabemos cómo reconciliar la interacción gravitacional con las otras interacciones (electromagnética, nuclear débil y fuerte) a nivel cuántico.

fluxUna de las ideas más recientes – relacionada con el problema precisamente de entender a nivel microscópico a la gravedad – contempla la posibilidad de que existan más de las 4 dimensiones que hemos verificado. Obviamente si hay una teoría o modelo que sugiera la existencia de más de 4 dimensiones, la pregunta más interesante es: ¿Cómo lo verifico? ¿Cómo puedo verlas? ¿Cómo son?

El LHC tiene el potencial de explorar y descubrir aspectos de la naturaleza que quizás den pistas y/o confirmaciones sobre las ideas que hemos generado para tratar de dar solución a este tipo de problemas. Muy probablemente también (o más bien) nos enseñe que nuestras ideas y especulaciones actuales son cortas y que existen más fenómenos de los que nos hemos podido imaginar.


Cazando fantasmas

abril 15, 2013

Prácticamente no interaccionan con nada. Si llenáramos el espacio exterior con agua podrían atravesar, en promedio, una distancia aproximada de 7 años luz sin interaccionar con los protones y neutrones del agua. Esta situación representa un problema ya que para cazarlos se requiere que interaccionen con nuestras trampas.

ghostbusters-2-1-1024Bueno, en realidad no son fantasmas. A diferencia de éstos nuestros protagonistas si existen y – aunque difícil – hemos podido detectarlos y estudiarlos. Se les conoce como neutrinos y el primero fue descubierto en 1956. Desde entonces hemos descubierto que existen tres tipos distintos y de que, contrario a lo que se creía en un principio, tienen masa. Pequeña, pero tienen.

Algo muy interesante de los neutrinos es que a pesar de ser difíciles de detectar son las partículas más abundantes en el universo. Las estrellas funcionan gracias a la fusión nuclear que consiste en la unión de dos átomos en otro más pesado y energía. Esa energía se manifiesta en forma de fotones (luz) y neutrinos. Para darnos una idea del número de neutrinos producidos en una estrella les pido que observen la uña de uno de sus dedos, el que sea, no importa. Bien, pues cada segundo atraviesan su uña alrededor de cien mil millones de neutrinos producidos por el Sol.

¿Y entonces cómo los detectamos? Como dijimos antes, en promedio los neutrinos atraviesan todo sin interaccionar. En promedio significa que unos atraviesan más, otros menos, pero que la mayoría atraviesan alrededor de los 7 años luz. Obviamente para detectarlos necesitamos que al menos algunos de ellos interaccionen en una distancia mucho menor a 7 años luz. De hecho, si queremos detectar neutrinos que se produjeron en el Sol, necesitamos que interaccionen dentro de unos 8 minutos luz, es decir, dentro de la distancia entre el Sol y la Tierra. Peor, como no podemos llenar de agua el espacio entre el Sol y la Tierra, en realidad lo que necesitamos es que los neutrinos interaccionen dentro de algún recipiente con agua que podamos fabricar. Lo único que nos puede salvar y hacer posible la detección es precisamente el hecho de que el Sol produce una cantidad enorme de neutrinos. La mayoría – la gran mayoría – atravesará la Tierra y los detectores que construyamos sin dejar ningún rastro, pero es posible que algunos pocos si logren interaccionar y que seamos capaces de registrar esa interacción. ¡Es una locura!

La interacción: Lo que esperamos es que uno de ellos colisione con un protón del agua. Esta colisión hará que el intercambio de energía genere la creación de otras partículas. Una de ellas será un positrón, que debido a la gran cantidad de energía intercambiada se moverá con una rapidez superior a la de la luz en el agua (nada viaja más rápido que la luz en el vacío, pero la luz viaja más despacio en el agua, así que es posible que un positrón viaje más rápido que la luz en el agua) y ésto generará un tenue destello de luz muy específico que se puede buscar y registrar.

neutrino_detector_super_kamiokandeDetector: Necesitamos un tanque de agua lo más grande posible. Este tanque de agua deberá tener en sus paredes algo que sirva como receptor de luz para poder detectar los destellos generados por los rápidos positrones. Además, para estar seguros de que lo que le pegó a los protones del agua fueron los neutrinos y no alguna otra partícula metiche que anduviera viajando por ahí, necesitamos poner el tanque en el interior de una mina o una montaña para que la roca absorba cualquier otra partícula impostora. ¡Así se cazan los neutrinos!

¿De dónde vienen los neutrinos? Los neutrinos son producidos en cualquier tipo de reacción nuclear. Nosotros emitimos positrones y neutrinos a cada rato, debido al potasio inestable que tenemos en nuestro cuerpo. La Tierra produce radiación en su interior (eso es lo que calienta el material que sale del volcán) y por lo tanto emite neutrinos. Sin embargo para poder detectarlos necesitamos que se produzcan en cantidades inmensas. Hay tres fuentes principales que utilizamos. Una: el Sol. Otra es la atmósfera. En este caso son los rayos cósmicos (principalmente protones) que vienen del espacio exterior y colisionan con los gases de la atmósfera generando cantidades importantes de neutrinos. NeutrinosFinalmente la tercera fuente son los reactores nucleares construidos por nosotros mismos. Otra fuente interesante son las supernovas, estrellas que mueren en una gran explosión liberando cantidades inmensas de neutrinos. El problema con éstas es que necesitamos esperar a que estalle una para poder recibirlos, no representan una fuente constante de neutrinos (por eso no la cuento como parte de las 3 principales).

Un comentario final: el Sol produce fotones (la luz que nos llega y es responsable de la fotosíntesis y tu vida) y neutrinos. Un fotón producido en el interior del Sol colisiona con los protones y neutrones presentes en el medio solar y tarda en salir y llegar a nosotros alrededor de un millón de años. Los neutrinos no interaccionan y salen inmediatamente. Entonces, para poder ver el interior del Sol como es ahora, necesitamos ver los neutrinos, no la luz. Para ver el interior del Sol tenemos que ir a un tanque de agua situado en el interior de una mina a buscar un pequeño destello de luz producida por un positrón que a su vez fue producido por un neutrino solar. Maravilloso.

¿Y de qué sirve todo esto? ¿ideas?