El frisbee taquiónico

Quizá la mayoría aún recuerde aquellos “platillos” de plástico llamados Frisbee con que nos divertíamos hace años al lanzarlos entre dos (o más) personas, y que actualmente casi han desaparecido completamente.

Pues hoy vamos a rememorar dichos lanzamientos, pero con un frisbee algo especial: el nuestro no irá a una velocidad “razonable”, sino que viajará más rápido que la luz (a más de 300.000 km/s).

La física subyacente

Antes de divertirnos con el frisbee, conviene comentar dos cosas.
Primero, que a poca física que conozcamos, sabemos que nada puede viajar a más velocidad que la luz. Y si es un objeto que tiene masa, ni siquiera podrá llegar a igualar esta velocidad (la luz no tiene masa, por lo que sí viaja a dicha velocidad).
Por esta razón ya podemos eliminar la ilusión o teorías conspiradoras de que un objeto así haya sido o vaya a poder ser construido algún día (qué dura es la vida…).

Y segundo, os preguntaréis por qué le he llamado “frisbee taquiónico” en el título. Esto se debe a que en la Teoría de Cuerdas, de la que la mayoría ya, al menos, habrá oído hablar alguna vez (y seguramente que de una forma horrorosa que no transmite absolutamente nada de cierto, que es lo que suele pasar en los documentales o programas donde se habla de estos temas), tal y como se formuló inicialmente, traía varias inconsistencias que hacían que fuera una teoría sin sentido.
Siendo una de las predicciones que hacía, la existencia de una partícula, el taquión, que viajaba a más velocidad que la luz (lo que implicaba a su vez un gran número de comportamientos “raros”).
Y por semejanza, esta es la razón por la que le nombramos como frisbee taquiónico.

Lanzamiento del frisbee y ¡oh sorpresa!

Después de esta introducción, llega la hora de lanzar nuestro frisbee para que le reciba nuestro incauto amigo que está delante nuestro.
Olvidando los detalles de cómo nuestro brazo puede acelerar (o recibir) el frisbee hasta una velocidad mayor que la vel. de la luz, lanzamos el frisbee sin mayor problema, observando cómo se aleja con una dirección directa a la mano de nuestro amigo, que le recoge sin ningún problema, aunque con una expresión rara en su cara… En definitiva, buen lanzamiento.

Sin embargo, la imagen que ve nuestro amigo es bien distinta, lo que explica su cara.
Suponiendo que antes de nuestro lanzamiento ya está con la “pose” de recibir el frisbee y la mano semiabierta para recogerlo, analicemos detalladamente lo que observa:

Primero, verá cómo nos preparamos para lanzarlo, pero justo en ese momento, antes de que todavía le hayamos soltado de las manos, él nota algo duro en su mano (y no penséis mal…), y al mirar lo ve: ¡¡¡el frisbee!!!.
Ha llegado a su mano antes de que (según él) saliera de nuestras manos!.

A continuación lo que ve es, si cabe, aún más extraño: ve cómo, a pesar de que sigue teniendo el frisbee en su mano en todo momento, éste (o su “doble”, como podría llegar a pensar) se aleja hasta llegar a nuestras manos, momento en el que observa nuestro lanzamiento.

Explicación

Sin duda, todo lo observado podría conducir a nuestro amigo directamente al manicomio, aunque, como siempre, hay una explicación “sencilla” a lo que ha visto (y que no requiere de OVNI’s o abducciones).

Para comenzar, es necesario repasar la idea de por qué vemos al frisbee (o cualquier objeto) con nuestros ojos. Realmente, lo que vemos es la luz que emite (refleja, más correctamente) el frisbee. Y esta luz, viaja a unos 300.000km/s (algo más lento si estamos en un medio más denso, como el agua o similar, pero para el caso no nos incumbe) hasta llegar a nuestros ojos, que es cuando decimos que “hemos visto el frisbee”.

Por supuesto, debido a la velocidad tan grande a la que viaja la luz, en una distancia como la que nos separa de nuestro amigo podemos decir que dicha velocidad es prácticamente infinita. Es decir, la luz llega instantáneamente a nuestros ojos.
Pero esto no se puede aplicar en el caso de estar jugando con un frisbee que va a mayor velocidad que ésta…

En este caso, mientras el frisbee está en el aire, emitirá su luz tanto hacia atrás como hacia delante. Pero la que emite hacia nuestro amigo (delante), se ve superada por el propio frisbee un instante después, debido a que va más rápido.

Así, esta luz, emitida por el frisbee cuando fue lanzado (rayo 1 en el dibujo de abajo) llegará más tarde que el propio frisbee a la mano de nuestro amigo. Así que para él, sucede antes la llegada del frisbee que su lanzamiento (ya que el lanzamiento para él es vernos a nosotros lanzarlo).

A su vez, podemos ver que el primer rayo de luz que verá del frisbee será el emitido justo antes de cogerlo con la mano (3 en el dibujo), y a continuación llegarán los rayos de cuando el frisbee estaba a mitad de camino (2) y el lanzamiento (1).

Por esa razón, lo que vería es cómo el frisbee (o mejor dicho su luz, o imagen) parte de su mano hasta ser lanzado, en orden inverso a lo “habitual”.
Claro que debido a lo rápido que viaja la luz, esta diferencia entre la llegada de (3) y de (1) es inapreciable para él, por lo que verá prácticamente todo el recorrido del frisbee a la vez.

Aunque por supuesto, el lanzamiento “real” ha tenido lugar antes que la llegada del frisbee a su mano (esto también se puede entender debido a que por muy rápido que haya viajado, el frisbee siempre tarda algo de tiempo en llegar a su destino), pese a que para nuestro amigo haya sucedido al revés.
Y tampoco es que esté equivocado o vea mal, la experiencia que nos cuenta es totalmente cierta y coherente con lo que vemos nosotros (solo que hay que tener en cuenta la velocidad a la que ha ido el frisbee…).

Así que superada la sorpresa y entendido el efecto… ya estamos preparados para realizar más lanzamientos. Eso sí, cuidado de no lanzar a la cara porque nuestro compañero no lo verá venir…

Idea original vista hace un tiempo en GenCiencia.

Péndulo doble

Desde hace bastantes años se conocen los sistemas caóticos, esos donde por muy bien que conozcamos el sistema y cómo está ahora mismo, no podemos predecir cómo va a estar en un instante futuro suficientemente lejano, como sucede por ejemplo con las predicciones del tiempo.

Esto se debe a que algunos sistemas son muy sensibles a las condiciones iniciales (por ejemplo cómo están en un momento dado), por lo que un valor ligeramente diferente de éstas (tan pequeño que no sea ni apreciable al medirlo) conlleva que con el paso del tiempo el sistema se comporte de una forma totalmente diferente a lo que se predijo.

El ejemplo más usado suele ser las predicciones del tiempo, donde si se mejoran los datos que obtenemos de la atmósfera, las predicciones para el día siguiente se cumplirán mejor, pero a más de una semana la fiabilidad de cualquier predicción no tiene más de un 50% de garantía. Y por mucho que vayamos mejorando cómo obtener estos datos, siempre nos encontraremos con una fecha a partir de la cual la garantía cae enormemente.

Pero también hay otro ejemplo, menos conocido, pero bastante visual: el péndulo doble. Éste son dos péndulos acoplados, es decir un péndulo unido al extremo de otro péndulo.

Cuando se trata de uno solo, el movimiento es bastante simple, pero cuando son dos los que oscilan, se vuelve bastante impredecible (caótico).

Esto se ve todavía mejor si, como ha hecho el Ingeniero en Sistemas Complejos y Caóticos Yanamo junto al Dr. Ippei Shimada, construyes el doble péndulo de forma que tenga el mínimo rozamiento posible, por lo que oscila durante un largo rato prácticamente sin perder energía, como podemos ver en el vídeo de arriba.

Más información:

Una buena simulación interactiva y explicación en MyPhysicsLab. Podemos ver cómo para oscilaciones pequeñas se comporta de una forma predecible, pero si hacemos que tenga oscilaciones más amplias, el comportamiento es ya caótico.

Aquí podemos ver en la segunda animación cómo, para dos osciladores que comienzan prácticamente igual, al cabo de un tiempo experimentan movimientos distintos (hasta el segundo 7 no se “desdobla” el movimiento de los dos).

Visto en Microsiervos.

Más información sobre el péndulo doble en Wikipedia.

I Carnaval de la física

Como iniciativa creada por Gravedad Cero para conmemorar el Año Internacional de la Astronomía, hoy se organiza la primera edición del Carnaval de la Física.

Este cosiste en juntar a un gran número de blogs (de lengua castellana en su mayoría, aunque no se limita ésta, teniendo su contrapartida italiana desde Gravità Zero) que comparten el interés por divulgar cosas sobre física, que durante estas semanas han ido escribiendo algún artículo relacionado con ésta, y que hoy se muestran en el blog de Gravedad Cero y en bastantes medios que se han ido sumando a la campaña.

Desde aquí, nos unimos con el artículos de Agujeros negros, y esperemos que esta sea la primera de las ediciones próximas, donde se vayan uniendo cada vez más blogs.

Echad un ojo a la entrada escrita por los organizadores.

Canal que se ha creado para ir poniendo comentarios

Explicación sobre el LHC

Ahora que volvemos a tener el LHC en activo, no está de más ver este vídeo divulgativo que han traducido desde rtfm.es sobre cómo funciona este acelerador y cómo los haz de protones que se mandan van recorriendo los diferentes anillos de los que consta el LHC hasta llegar al anillo principal de 27 km, en donde los haces alcanzan su máxima energía (de hasta 7 TeV) y se hacen colisionar, produciendo así un racimo de partículas que son captadas por los diferentes detectores que hay en diferentes puntos del anillo.

Al final, ya veremos si se consigue detectar el bosón de Higgs, alguna de las partículas supersimétricas que predicen otras teorías y que deberían verse de cumplirse, o alguna otra cosa inexperada.

Vídeo traducido de rtfm.es.

Vídeo original publicado por el CERN.

LHC de nuevo en operativo

Después de más de un año desde que se inaugurase por primera vez, y hubiera que pararlo a la semana debido a una fuga de helio, lo que trajo un retraso, en principio, de unos 6 meses, pero que después fue sufriendo diversos aplazamientos…
El último hace varias semanas cuando, en una de las noticias más.. ¿increíbles/impensables? se encontró que varios de los imanes del complejo (que deben trabajar a 2K, unos -271ºC) se habían calentado ligeramente, lo que impedía que se pusiera de nuevo en funcionamiento el colisionador.

Pero tras toda esta odisea, y para consuelo de los más de 10.000 investigadores que trabajan con él, anoche el LHC volvió a la vida, con un haz de protones (a baja energía eso sí) que recorrió más de 500 veces todo el anillo primero, y después con un segundo haz que le siguió los pasos.

Durante el “paseillo”, los detectores CMS y ALICE del complejo estuvieron en funcionamiento, teniendo ya los resultados del experimento CMS. Y por lo que parece, todo ha funcionado perfectamente.

Así que en una semana se producirán las primeras colisiones del LHC, aunque para alcanzar su plena potencia se esperará un tiempo, por lo que de momento se trabajará a energías “más bajas” (aunque aún así son más altas que las que pueden conseguir los colisionadores ya en funcionamiento).

Más información:

Visto en Francis thEmule Science’s news.

Más información en Microsiervos.

Sobre los experimentos CMS y ALICE (y los demás) del LHC.

Comentarios del equipo del CMS.

TV del CMS, para ver en tiempo real lo que ocurre por ese detector.

Agujeros negros

De la página de Sixty Symbols que ya comenté hace un tiempo aquí tenemos este vídeo donde se explica de una forma sencilla algunas características de los agujeros negros, como es su radio de Schwarzschild.

Qué es un agujero negro

Un agujero negro no es más que un objeto que tiene una densidad tan alta que la gravedad que produce no deja escapar ni la luz (y por ende, nada, ya que la luz es lo que más rápido viaja en el Universo).

Con esta definición, tan simple, ya podemos eliminar tantos prejuicios o misterios que normalmente se les suele achacar a estos cuerpos.

Cómo se producen

Ahora bien, ¿cómo un objeto puede llegar a convertirse en agujero negro?… o, ¿”nacen” ya siendo agujeros negros?.
Aquí es donde podemos descartar la mayoría de “teorías” que se pueden ver en películas o leer en artículos y libros… ya que los agujeros negros no se producen tan fácilmente como podemos ver a veces.
Lo más habitual, es durante la muerte de una estrella muy masiva. Cuando ésta llega al final de su vida, su núcleo comienza a no producir suficiente energía como para aguantar todo el peso que soporta (todo el gas del resto de la estrella), por lo que toda la estrella “cae” hacia su centro.

Aquí, normalmente los átomos (o lo que queda de ellos, que básicamente son los núcleos de los átomos) consiguen aguantar todo el peso de la estrella por lo que este gas cae hacia el centro hasta un punto dado, momento en el cual rebota y sale a gran velocidad hacia el espacio. Es entonces cuando se produce una supernova, la estrella acaba de explotar como consecuencia de la rápida compresión que acababa de sufrir.

Sin embargo, si la estrella es lo suficientemente masiva, su núcleo no es capaz de soportar todo el peso de la propia estrella, por lo que todo se comprime indefinidamente. Es entonces cuando se produce un agujero negro.
Lo que queda es un cuerpo extremadamente compacto, tan denso que la velocidad que necesita cualquier objeto para escapar de su superficie (como en la Tierra, la velocidad que necesita una nave para escapar al espacio es de unos 11 km/s) es superior a la velocidad de la luz, por lo que ni ésta puede escapar de su superficie.

Por esta razón no le podemos “ver” como tal ya que no emite ningún tipo de luz. (Realmente, alrededor del agujero negro se generará un disco de polvo, y éste sí emite luz, que es lo que nos sirve para “ver” los agujeros negros, aunque realmente lo que vemos es este disco).

Cuestión de tamaños

Ahora bien, ¿hasta qué punto hay que comprimir un objeto para que se convierta en un agujero negro?. Para verlo más fácilmente, supongamos que queremos convertir la Tierra en uno de estos cuerpos.
“Sólo” tendríamos que comprimirla en una bola de unos 8 mm (sí, milímetros) de radio, así que ya podemos imaginar las condiciones tan maravillosas que se deben de producir en una estrella gigante para que acabe siendo un agujero negro.

En cambio para el Sol, debido a su gran masa, sería suficiente con apretujarle hasta tener el tamaño de una montaña para que pasase a ser un agujero negro. Aunque esto es algo que no ocurrirá ni al final de su vida, ya que es demasiado pequeño para que pudiera colapsar tanto. Y aunque ocurriese, podemos estar seguros que la Tierra seguiría su órbita alrededor del Sol in inmutarse, ya que la gravedad con que nos atrae cualquier cuerpo (ya sea una agujero negro o una estrella o un boli) es proporcional a su masa, y dicho agujero negro tendría la misma masa que el Sol. Solo notaríamos un “pequeño” descenso de la luz (o dicho de otra forma, nos quedaríamos totalmente a oscuras).

Los agujeros negros en el Universo

Desde hace más de medio siglo, cuando se comenzó con la descripción matemática de estos cuerpos, hasta hoy, se ha avanzado mucho en la comprensión y conocimiento de estos cuerpos. Hasta tal punto que conocemos que en el centro de prácticamente cualquier galaxia hay, al menos, un agujero negro.
Y no de una masa similar a la de una estrella, sino a la de miles o millones de estrellas.

Además de otros tantos agujeros más “normalitos” que hay en cada galaxia, varios de ellos formando sistemas dobles en los que orbitan conjuntamente con una estrella (ambos giran entre sí).

Visto en Microsiervos.

¿Por qué flotan los barcos?

He aquí otra de esas cosas que vemos todos los días y que suelen tener una no muy difícil explicación, aunque pocas veces nos paramos a pensar en por qué ocurren.

Estamos acostumbrados a ver cómo los barcos se mantienen flotando sobre el agua, incluso algunos tan pesados que parecen desafiar la intuición de que se mantengan a flote.

En principio, se podría pensar que esto se debe a los materiales de los que están hechos los barcos (idea quizá más probable cuando todavía eran de madera la mayoría), pero en cuanto vemos que éstos están hechos de hierro y acero, elementos más densos que el agua y por tanto que no flotan sobre ésta, este argumento falla.

Sin embargo, a pesar de que el metal es más denso que el agua, se da una característica crucial para que el barco flote: dado que éste no contiene únicamente metal, sino que una gran parte del interior del casco es aire (ya que éste no es macizo por dentro, fundamentalmente debido a que a parte de que flote, se suele querer utilizarle para transportar cosas en su interior), la densidad total media del barco es inferior a la del agua.

Claro que únicamente con ser menos denso que el agua no es suficiente, ya que si pesase mucho, este peso no llegaría a ser compensado por este empuje que ejerce el agua sobre él debido a su menor densidad y nuestro barco se hundiría.

Pero para ver esto, hace falta entender por qué el agua ejerce dicho empuje sobre el barco y cuánto es este.

El empuje

Al sumergirse una parte del barco bajo el agua, éste está ocupando un volumen que de no estar él sería rellenado por el agua del mar. Ahora bien, al desalojar dicho volumen de agua, ésta ejerce una fuerza contra el casco del barco para sacarle del agua y poder volver a ocupar dicho volumen de agua. Esto causaría que el barco “rebotase” y fuese lanzado hacia el aire, pero esto no ocurre debido al peso que tiene el barco.

Así que el barco se sumergirá hasta la profundidad en la que el empuje del agua y su peso peso se igualen. Y esto ocurre cuando el volumen que ha desalojado, si lo llenásemos entero de agua, pesa exactamente lo mismo que el barco.

Y por lo tanto, bastaría conocer la masa del barco para calcular el volumen de éste que debe sumergirse para mantenerlo a flote, ya que su masa tiene que ser igual a la densidad del agua (o del líquido sobre el que se encuentre) por el volumen desalojado.

Si el barco tiene una densidad media superior a la del líquido, irremediablemente se hundirá en ese líquido.

Estabilidad

Por último, hay un detalle muy importante para que los barcos no se hundan, y es la estabilidad que tendrán cuando empiecen a oscilar debido a las olas o el viento.
Aquí es donde hay que observar un detalle: el empuje que crea el agua se puede considerar como si únicamente actuase sobre el centro de gravedad de la parte del barco sumergida, mientras que el peso del barco actuaría sobre el centro de gravedad de éste (realmente, cada trozo del barco experimenta un peso, pero al promediar todos los trozos del barco, es como si éste solo actuase globalmente sobre el centro de gravedad).

Debido a esto, podemos obtener dos resultados: que el punto sobre el que actúa el empuje (E a partir de ahora) esté por encima del centro de gravedad del barco (G) o por debajo.

En E, la fuerza va hacia arriba ya que el agua intenta “elevar” el barco, mientras que en G la fuerza va hacia abajo ya que la gravedad intenta hundirle más.
Y debido a esto, si E está por debajo de G, tendríamos una situación inestable ya que el punto más bajo trata de subir mientras el más alto trata de caer, por lo que a un ligero movimiento lateral que tuviera el barco (por ejemplo cuando le golpea una ola), éste se daría la vuelta poniéndose boca abajo inmediatamente. Es decir, el barco terminaría con el casco en la superficie y la cubierta bajo el agua. Esto sería semejante a si se tiene un péndulo levantado, con la masa encima. A poco desplazamiento que experimente, la masa caerá hasta ponerse lo más bajo posible, en la situación normal que solemos verlo.

Sin embargo, si G está por debajo de E, el punto que está más alto trata de subir más y el más bajo trata de bajar más, por lo que ambos movimientos se compensan y el barco guardará esa posición con un gran equilibrio. Únicamente comenzará a oscilar debido a la acción de las olas, pero, salvo que venga un huracán claro, no se dará media vuelta.

Más información en Ciencias Galilei.

Caer con estilo…

Prácticamente todo el mundo ha visto alguna vez cómo un gato ha caído desde una gran altura (como un 2º o 3er piso…) y después de tocar suelo sale andando como si nada hubiera ocurrido. A veces incluso volviendo donde su desesperado dueño para recibir de nuevo el mismo tratamiento de choque antigatuno.

Y tras ver esta escena, siempre hay alguien que se pregunta de qué estarán hechos los gatos para poder tener una caída tan grande y salir sin un rasguño, cuando si fuéramos nosotros (o un perro también) los que somos arrojados por la misma ventana sufriríamos, en el mejor de los casos, un par de huesos rotos.

Llegados a este punto, si en vez de contemplar este evento y comentar los superpoderes que tienen los gatos, nos quedamos observando repetidas veces sus caídas (por ejemplo tirando repetidamente al gato por la ventana), podremos observar cómo, independientemente de la forma en que se tire al gato, éste siempre cae “de pie”, nunca cae de costado o boca abajo, y concretamente, siempre lo hace con el cuerpo encogido y las patas estiradas.
Así que ya podemos inferir que los gatos “saben” cómo prepararse durante la caída para no hacerse daño cuando toque suelo.

Las acrobacias en el aire

El siguiente paso que podríamos dar para conocer los misterios de los gatos sería grabarles en vídeo la caída, para así poder ver a cámara lenta los movimientos que ejercen en el aire, ya que hasta lo que hemos visto hay una cosa que nos puede chocar:
cuando uno está en el aire (donde no se puede agarrar ni impulsarse con nada) existe una cantidad, el momento angular, que no varía en todo tu movimiento. Y este momento angular es proporcional a la velocidad de giro que lleves y a tu masa y cómo está distribuida (i.e. la postura que tienes en ese momento).
Por ejemplo, si mantenemos la misma posición, seguiremos girando a la misma velocidad todo el rato, pero si pegamos los brazos al cuerpo, comenzaremos a girar más rápidamente (y si nos estiramos, giraremos más lentamente). Esto es habitual verlo en patinaje artístico o saltos de trampolín, donde los deportistas utilizan precisamente este hecho para acelerar o frenar su giro.

Entonces, por lo dicho anteriormente, podríamos ver difícil cómo el gato, independientemente de cómo le lancemos, acaba siempre de pie, ya que en algunos lanzamientos parece que debe cambiar su momento angular inicial para girarse, lo cual es imposible.

Sin embargo, el secreto está en saberse retorcer y encoger “con estilo”, al igual que un contorsionista, para acabar girando para acabar en la posición deseada (con los pies abajo). Para ello, el gato comienza a girar las patas delanteras hacia abajo mientras que las traseras las “retuerce” hacia atrás para compensar el movimiento, y a continuación realiza otros movimientos con los que acaba con las patas traseras abajo también.

Tocando tierra

Una vez obtiene la posición buena, falta prepararse para el golpe. Para ello, el gato estira las cuatro patas a la vez que encoge el cuerpo. De esta forma, cuando toque tierra utiliza todo su cuerpo para amortiguar el golpe y no sufrir ningún daño.

Así que, por lo que podemos ver, el gato está lejos de tener “habilidades especiales” para evitar hacerse daño, y hasta nosotros podríamos evitar de la misma forma rompernos las piernas al caer de un 2º piso, solo nos falta conocer cómo debemos ponernos para amortiguar el golpe, con la diferencia de que esto para nosotros debería ser algo que tendríamos que aprender (y mejor no intentar aprenderlo por el método de prueba y error) mientras que el gato lo conoce instintivamente desde que nace.

Las alturas límite

Por último una peculiaridad muy interesante y que no suele ser conocida. En un principio podríamos suponer que cuanto más alto se deje caer al gato, más probabilidad de que sufra algún daño tiene. Sin embargo, esto choca con las estadísticas donde se puede comprobar que los gatos sufren más daños si caen de un 1º piso que de un 2º o 3º, y que si caen de un 4º o 5º muere un mayor porcentaje de gatos que si caen de un piso mayor al 6º.

¿Alguna explicación para esto?

Bien, hemos visto cómo el gato adopta su posición para compensar la caída. Pero si le dejamos caer desde un 1º piso por ejemplo, el gato toca tierra tan rápidamente que no ha tenido tiempo de posicionarse adecuadamente, por lo que no está todavía preparado para caer y puede sufrir daños.

Este era el caso fácil. Lo más inesperado es la razón por la que para alturas del orden del 5º piso se hace más daño que a más altura.

Y es que aquí hay que apelar al instinto del gato: ¿cómo sabe éste cuándo está cayendo para ponerse en posición “defensiva”? observando el comportamiento de los gatos, se ha podido comprobar que el gato se pone en esta postura siempre que nota que lleva un movimiento acelerado, es decir, en caída libre.

Pero ah!, un cuerpo no está acelerando todo el rato durante su caída, ya que debido al rozamiento que presenta frente al aire de la atmósfera, llega un momento que éste contrarresta la acción de la gravedad y por tanto la velocidad a la que cae el objeto (en este caso nuestro gato) pasa a ser constante, luego no hay aceleración. Esto, para un cuero como el de un gato estándar, ocurre aproximadamente a esas alturas.

Y al no sentir aceleración, el gato se relaja, por lo que deja de estar preparado para aterrizar, y el número de lesiones que sufre aumenta considerablemente.
Ahora, si tiene tiempo suficiente (es decir, cae de mayor altura), al relajarse adopta una postura con el cuerpo más estirado, lo que hace que el rozamiento que experimenta contra el aire sea mayor y por tanto la velocidad límite que alcanza es menor.
Y esta es la razón por la que para alturas de más de 6 pisos sufre algo menos de daño: el gato, simplemente, cae con menos velocidad que antes!.

Más información:

Explicación más en detalle del estudio. (en inglés)

Los gatos y la velocidad límite (CienciaNet).

Las ondas de televisión por el espacio

Tanto las ondas de la radio, como las de la televisión o el móvil, hasta la luz “visible”, que podemos ver con los ojos, o los rayos X, son exactamente el mismo fenómeno físico: todas ellas son lo que se denominan ondas electromagnéticas.

Sin embargo, a pesar que son “la misma cosa”, queda patente que cada una interacciona de una forma u otra con la materia, ya que por ejemplo las ondas de radio no las vemos, mientras que los rayos X consiguen atravesar nuestra piel… y ninguno de ambos fenómenos ocurren con la luz visible.

Esto radica en que aunque todas ellas son radiaciones que pertenecen al espectro electromagnético, cada una tiene una frecuencia (o longitud de onda) diferente, lo que hace que cada onda lleve una energía diferente (proporcional a su frecuencia).
Así, las ondas de radio, que tienen una frecuencia muy inferior (de unos 10KHz), tienen una energía mucho menor que las ondas de luz visible (con una frecuencia de unos 10¹⁵Hz), y estas son, a su vez, mucho menos energéticas que los rayos X, por ejemplo.
Esta es la principal razón por la que si inciden sobre nosotros ondas de radio ni nos enteramos, pero si incide luz visible sí que lo notamos, así como con los ultravioleta, que ya nos ponen la piel tostadita, o los rayos X, con los que no podríamos tener una exposición prolongada ya que estos nos causarían daños en nuestro cuerpo.

A pesar de estas diferencias, por tener todas estas ondas la misma naturaleza, tienen varias cosas en común, en especial que pueden viajar sin ningún medio, es decir, que pueden propagarse por el vacío (por eso podemos ver la luz de las estrellas o comunicarnos con las sondas que enviamos a Marte), y que todas ellas viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/s.

Y debido a esta segunda propiedad, obtenemos que éstas necesitan su tiempo para llegar de un punto a otro, lo cual es relevante cuando estamos hablando de distancias muy grandes, ya que tienen una velocidad muy elevada y para distancias cortas ni se nota: por ejemplo una onda que mandásemos a la Luna tardaría poco más de 1 segundo en llegar a ella, pero este tiempo aumenta a unos 7 minutos para llegar al Sol ó 20 min para llegar a Marte, o varios años para las estrellas más cercanas.

Ahora, como hemos visto esto es extrapolable a las ondas de radio que emiten nuestras radios o televisores… por lo que si sabemos cuándo se emitió una transmisión en concreto, podemos “conocer” a qué estrellas (o distancia) está llegando actualmente.
Por supuesto, estamos olvidándonos que la potencia de dicha transmisión decaerá con la distancia… por lo que a partir de una distancia dada no se podrá escuchar por ser muy débil, pero de momento no nos interesa esto.

Así, comparando las distancias a varias estrellas importantes y tomando varias emisiones “interesantes”, podemos observar por dónde van éstas ya. Y esto mismo es lo que hicieron los chicos de Abstruse Goose en la imagen de más abajo, donde podemos contemplar cómo los habitantes cercanos a la estrella Aldebarán (si es que existiesen), estarían contemplando “en directo” las imagenes de la 2ª Guerra Mundial, o los de Zeta Reticuli habrían quedado maravillados hace poco con las imágenes del Apollo 11 llegando a la Luna.

Por supuesto, las emisiones más recientes no se han alejado mucho de la Tierra ya que todavía no han tenido tiempo de viajar más, pero con los años irán alejándose como sus predecesoras.

Para terminar, cabe destacar que este es uno de los puntos que argumentan los del proyecto SETI de búsqueda de vida inteligente extraterrestre: si existiese una civilización medianamente avanzada (similar a la nuestra actualmente), ésta emitiría señales al espacio al igual que lo estamos haciendo nosotros, las cuales si fueran lo suficientemente potentes (o si estamos cerca de ellos), se podrían detectar. Aunque por el momento no han tenido el más mínimo éxito…

Más información:

Primera imagen y más información sobre el espectro electromagnético en Wikipedia.

Visto en Microsiervos.

La ciencia en España no necesita tijeras…

Con motivo del anuncio del increíble recorte que el Gobierno piensa dar al sector científico en España, en principio de hasta un 37% en el Ministerio de Ciencia, que finalizó en caídas medias de un 15% en los fondos de investigación (ambos obviamente suficientemente camuflados en la nota oficial de prensa), ha venido la obligación de este post, que forma parte de la campaña ideada originalmente por la Aldea Irreducible a la que ya formamos parte más de 700 blogs y más de 3.000 miembros, todo ello organizado en menos de 4 días.

Este debe de ser el colofón al anuncio de hace unas semanas de la Ministra de Ciencia de que España ya era un país de ciencia, que genera el 3% de la ciencia mundial, así que, habrán pensado, ya no necesitamos tanta inversión como hasta ahora…

Claro que se olvidó destacar que ese 3% se refiere, salvo en una gran minoría, a científicos españoles que han tenido que huir de dicho país para poder tener ese nivel en investigación, y que la inmensa mayoría (aprox. 999 de cada 1000) no puede volver aquí por no haber unas condiciones y nivel de investigación y trabajo suficientes.

Eso sí, no dudan en anunciar (en la nota de prensa del Ministerio, por supuesto) que “España es el 4º país europeo en capacidad de atracción y retención de talento investigador”.
Menos mal que tenemos tanto atractivo, porque si aún con él se tienen que ir la mayoría de científicos españoles…
Aunque falta por ver si dicho atractivo lo determinó los mismos que sostienen la alta calidad de la enseñanza española. Claro que teniendo en cuenta los sueldos ridículos, comparados a los de nuestros vecinos, que tiene un investigador, y la notable ausencia de proyectos importantes ó relevantes, es incomprensible por qué no se lanza media Europa a investigar en nuestro país…

Así que en lugar de realizar una inversión en I+D+i (Investigación + Desarrollo + innovación) para poder tener un nivel equiparable (ya no se pide el mismo nivel, pero sí que al menos se pueda comparar) al de Europa, que además traería una potenciación de la competitividad de cara al exterior y facilitaría nuevas inversiones en el país (esa es la principal razón por la que los países desarrollados, o racionales, aumentan aún más la inversión en I+D en épocas de crisis), aquí nos gusta más ir contra corriente y meter tijerezados a la ciencia en España.

Eso sí, las ayudas al cine no cesan y siguen aumentando, algo indispensable aunque no podamos verlo reflejado en las pantallas…

• Porque la inversión en España para la ciencia e investigación es ridículo, recordando que con el presupuesto del 2010 se vuelve a como estábamos en 2006, donde una empresa privada como es Ford invertía más en investigación que todo el gobierno español (datos de Unctad de hace varios años).
• Para que no se tengan que exiliar la mayoría de científicos españoles al extranjero.
• Para que los científicos españoles no tengan un sueldo ridículo comparado con el resto.
• Porque sin investigación y desarrollo no avanza ningún país.
• Porque es una de las pocas cosas donde sí se debe aumentar el presupuesto en épocas de crisis.
• Para poder tener competitividad a nivel internacional alguna vez.
• Y un largo etcétera…

Por todo ello:
NO! al tijeretazo y recorte del presupuesto en I+D en España

Algunas noticias en otros blogs:

En la Aldea Irreducible, junto a la propuesta de la iniciativa y el artículo delespejismo de la ciencia en España.

Poned el título de esta entrada en Google… veréis multitud de artículos sobre este tema, desde multitud de puntos de vista.

ACTUALIZACIÓN:
algunos de los artículos de lectura obligada (podéis encontrar la mayoría de blog subscritos al final de este artículo)

el de La ciencia de la Mula Francis

el de Maikelnai’s blog.

El futuro (en clave de humor, esperemos) que nos espera en mi mesa cojea.

Agujero al centro de la Tierra

Imaginemos que hiciéramos un túnel en línea recta hacia abajo, atravesando el centro de la Tierra y saliendo exactamente por el extremo opuesto.
Con este túnel, cabe preguntarse qué pasaría si nos tirásemos por él. Pero para ello, hay que barajar dos posibilidades que traen resultados diferentes: si dentro del túnel hay aire o no.

Con el túnel sin aire

Si no hay aire dentro del túnel, entonces no hay rozamiento durante la caída, por lo que la persona que se tire comenzará a ganar rápidamente velocidad a medida que desciende por el túnel.
Cuando vaya acercándose al centro de la Tierra, podrá observar cómo la aceleración que sufre va disminuyendo, aunque sin dejar de ganar velocidad. Esto ocurre debido a que la gravedad con que nos atrae la Tierra es proporcional a la masa de ésta, pero al estar en su interior, la gravedad con que nos atrae se debe únicamente a la masa que está más interna a nosotros, no afectando para nada la masa que hemos dejado “arriba”.
Este es uno de los resultados más bonitos (a título personal) que hay, y para el que quiera más detalles sobre por qué ocurre esto, tiene este enlace.

Debido a lo anterior, justo cuando esté en el centro, no notará ninguna gravedad, por lo que flotará como cualquier astronauta en el espacio (aunque en este caso sí es porque no hay gravedad, y no como les sucede a los astronautas que aunque tienen gravedad no la sienten debido a su movimiento).

Después de pasar el centro, comenzará a frenarse ya que ahora la gravedad le atrae hacia atrás, aunque no conseguirá pararlo hasta que llegue a la salida del túnel, donde podrá sujetarse par salir por dicha salida, en el otro lado del planeta.

Al final, tardará unos 42 min en llegar al otro extremo, pasando por el centro con una velocidad de unos 28.000 km/h (cálculos realizados utilizando una aproximación de densidad uniforme en la Tierra).

Con aire dentro del túnel

Ahora comentemos el caso más “probable” (es es que la idea de hacer un túnel así fuera posible), donde hay aire dentro del túnel.
En este caso, nuestro valiente intrépido sufrirá la fuerza del viento a medida que gana velocidad, lo que hace que tenga una velocidad límite (máxima), que para nuestra atmósfera (en la superficie) y para una persona, es de unos 200 km/h.
Por lo tanto, cuando llegue a esta velocidad no acelerará más, continuando su caída a velocidad constante. Esto hace que cuando pase el centro de la Tierra, se frene rápidamente, por lo que volverá hacia atrás antes de llegar al otro extremo, y realizará cada vez desplazamientos más pequeños respecto al centro, por lo que al final acabará detenido en el centro de la Tierra, de donde no podrá salir.

Problemas olvidados: interior de la Tierra

Hasta aquí, hemos visto cómo sería el movimiento de alguien que cayese a un agujero que atravesase la Tierra. Sin embargo, hay dos puntos que no se han tenido en cuenta. El primero de ellos, el interior de la Tierra.
Toda la “roca” o parte sólida que conocemos está en la corteza de la Tierra, la cual es una fina capa que está en el exterior del planeta, de no más de unos 70 km de espesor (en comparación, si la Tierra fuera una manzana, nuestra corteza sería más fina que la cáscara de dicha manzana).

Más adentro de la corteza, está el manto, fundido en su mayor parte, y en el interior el núcleo, de hierro líquido y sólido (en su parte central). Aquí se tiene una temperatura de hasta 5.000 ºC y una presión de unos 350 GPa (más de 3 millones de veces la presión de la atmósfera), por lo que cualquiera que pudiera encontrarse allí quedaría automáticamente desintegrado.

Problemas olvidados: la rotación de la Tierra

El otro gran problema es la rotación de la Tierra. Todos los puntos de la Tierra (aproximadamente) dan una vuelta al cabo de un día. Sin embargo, dado que la corteza se encuentra a una distancia mayor al centro que el manto, ésta tiene que moverse a una velocidad mayor para que en el mismo tiempo (un día) haya dado una vuelta completa.
Esto es importante ya que el que se lance por el túnel, llevará una velocidad igual a la de la corteza (aquí solo estamos teniendo en cuenta la componente de la velocidad perpendicular a la del túnel, y no la que tiene dirección hacia el centro de la Tierra). Así que al caer, verá como el túnel para que se queda atrás y él se va acercando hacia una de las paredes de éste.
Por esto, el aventurero no tendría tampoco una caída limpia siempre por el centro del túnel, sino que iría chocándose continuamente con las paredes de éste, haciendo el viaje aún más complicado.

Más información:

Artículo en Maikelnai’s Blog.

Tunel por el interior de la Tierra, fundamentos físico-matemáticos.

Estructura interna de la Tierra, en Wikipedia.

Fotones y la invarianza de Lorentz

En los últimos días ha aparecido un nuevo artículo que ha causado una gran atención y revuelo por parte de la física teórica, ya que se ha dado un paso más en la comprobación de la constancia de la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s) para todas las frecuencias (colores), lo cual puede ser un resultado que refuta varias de las teorías candidatas a unificar la física actual (la Relatividad General con la Cuántica básicamente).

El descubrimiento

Este artículo se basa en una observación reciente de un GRB (estallido de rayos gamma, o Gamma Ray Burst por sus siglas en inglés), los cuales son las explosiones más potentes que se conocen en el Universo, y que además duran un tiempo increíblemente corto: desde unos pocos milisegundos hasta unas pocas horas (según sean GRB de corta duración, menor a dos segundos, o de larga).
Que se libere esa enorme energía en tan poco tiempo significa que estos procesos que ocurren son extremadamente violentos, aunque por desgracia, todavía no se sabe muy bien qué los causa o qué son, aunque se cree que algunos son debidos a algún tipo especial de supernovas (debidas a estrellas extremadamente masivas) o colisiones entre estrellas con gran masa (entre dos estrellas de neutrones, por ejemplo).

Una de las cualidades de que sean tan energéticos es que emiten fotones (luz) de todas las frecuencias, desde luz visible hasta rayos gamma muy energéticos. Y aquí es donde vino este estallido en concreto, observado el 10 de mayo pasado con el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, donde se detectó el fotón más energético detectado hasta ahora, con una energía de 31 GeV (un fotón de luz visible tiene sobre 10 MeV, o 0.01 GeV, unas 3.000 veces menos energía).

Además de detectar dicho fotón con esa energía, éste llegó durante el primer segundo de la explosión (al mismo tiempo que otros fotones de energías más normales), que es el otro hecho que ha contribuido a que tenga tanta relevancia.

Las consecuencias

Una vez conocido lo que se ha medido, vienen las consecuencias de esto. Por una parte, con la física establecida de la Relatividad General tenemos la predicción de que todos los fotones (luz) viajan a la misma velocidad, esta es, la velocidad de la luz: 300.000 km/s (a esto se conoce como el invariante Lorentz).
Esta predicción permanece en la Teoría de Cuerdas (aunque algunas desviaciones de ésta predicen otras cosas también), pero en la Teoría Cuántica de Bucles, la otra gran teoría que está intentando unificar la Relatividad y la Cuántica, y otras teorías de gravedad cuántica, no predicen esto, sino que advierte de pequeñas desviaciones para fotones de gran energía, esto es, no todos los fotones viajarían a esa misma velocidad, y esto sería detectable para fotones de tan alta energía.

A pesar de que se predice esta desviación, no se sabe la forma de esta dependencia, por lo que podría ser lineal, cuadrática o de otra forma, pero con esta observación se rechaza que la dependencia sea lineal, ya que de ser así, y dada la lejanía de las fuentes de rayos gamma, estos fotones de tanta energía llegarían con horas o semanas de retraso.
Por supuesto, esto es un duro golpe contra la validez de las teorías de gravedad cuántica actuales, ya que este era uno de las predicciones principales que hacían y de los que se esperaba con mayor impaciencia.
A pesar de ello, todavía no sirve para descartarlas aún, ya que una dependencia cuadrática, por ejemplo, sería posible (este hecho es el no mencionado desde el lado de cuerdas).

De lo que si podemos estar seguros es que esto consiste en una prueba más de que las predicciones de la Teoría de la Relatividad son válidas, incluso a tan altas energías, ya que la velocidad a la que viajan dichos fotones y los de menos energía tiene que ser igual o mucho más cercana de lo que apuntaban algunas teorías (aunque nunca podemos estar seguros de que sea la misma, lo fundamental es ir poniendo límites a esta posible diferencia de velocidades).

Parece que la rivalidad entre ambas teorías seguirá por un tiempo al menos, como mostró de una forma acertada el capítulo de Big Bang Theory, usado precisamente este argumento para defender la cuántica de bucles (lo siento pero no encuentro un vídeo subtitulado):

Más información:

Artículo original, publicado en ArXiv.

Información suplementaria del artículo.

Buenas explicación en el blog de La ciencia de la Mula Francis (Francis thEmule science’s news)

Explicación en Back Reaction (blog en inglés de dos físicos teóricos)

Explicación en The Reference Frame (blog en inglés de un físico de cuerdas, un poco radical eso sí)

Estallidos de Rayos Gamma (GRB) en la Wikipedia inglesa.

Dios, el Universo y todo lo demás

Aquí tenemos un gran debate que se produjo hace unos 20 años en televisión (por supuesto no la española…) en el que participaron tres grandes científicos de dichos años: Carl Sagan, Stephen Hawking y Arthur C. Clarke. El primero conocido por la mayoría de la gente por sus documentales Cosmos, en los que trataba de una forma sencilla y con mucho éxito la astronomía y física, a la vez de ser un gran astrofísico planetario. El segundo, aún de actualidad de vez en cuando todavía hoy, físico teórico que realizó el siglo pasado varias contribuciones, a pesar de verse postrado en una silla y habiendo perdido el habla. Y el tercero, quizá algo menos conocido, fue un científico y escritor de ciencia ficción, que entre otras cosas nos dejó la obra 2001 Una odisea en el espacio. También realizó contribuciones al uso de satélites geoestacionarios para las telecomunicaciones y, al parecer (según entiendo del vídeo, aunque no tengo más datos), a la representación de los conjuntos de Mandelbrot, uno de los conjuntos fractales que se conocen.

En el debate, titulado Dios, el Universo y todo lo demás (“God, the Universe and everything else”) y de una hora más o menos, se van tratando diversos temas de actualidad (recordemos que fue emitido en los 80, por lo que algunas cosas no coinciden con lo que ya sabemos hoy), como la teoría del Big Bang y qué nos depararía en el futuro (todavía no se conocía el problema de la energía oscura), sobre la buscada teoría unificadora, posible vida extraterrestre, y sus ideas acerca de la idea de Dios, por ejemplo.

Un gran debate, de los que escasean demasiado, que está dividido en 5 vídeos de unos 10 min (al acabar uno salta automáticamente al siguiente).

ACTUALIZACIÓN: frente al fracaso de insertar el vídeo aquí para poder ver seguidos las 5 partes, os dejo aquí el enlace para verlo.

Visto en Cerebros no lavados.

El espejo en la Luna (Apollo 11)

Después de hablar sobre la llegada del Apollo 11 a la Luna, toca describir uno de los instrumentos que dejaron en la Luna, el único que aún hoy está en funcionamiento, y del que siempre me ha intrigado su funcionamiento, aunque como resultó ser, se basa en algo muy simple.

A unos 30 metros del módulo de descenso del Apollo 11, se puede observar que hay un pequeño cacharro de aproximadamente medio metro de ancho: un panel que consta de 100 espejos que apunta a la Tierra.
Con esto, mandando un pulso láser con cualquier radiotelescopio terrestre, se puede calcular fácilmente la distancia de la Luna a nosotros con una gran precisión (del orden de centímetros).

Esto es posible midiendo el tiempo que tarda la onda en llegar a la Luna y volver, ya que como ésta viaja a una velocidad constante (la velocidad de la luz: 300.000 km/s), este tiempo nos dice automáticamente la distancia que ha recorrido, que será igual al doble de la distancia Tierra-Luna (ya que medimos la ida y la vuelta).

Ahora bien, para que todo esto funcione bien, se necesita que dicho espejo devuelva el rayo incidente exactamente por el mismo camino por el que ha llegado éste (así dicho rayo volverá a la Tierra).

Sin embargo, esto ya crea un problema a cualquiera que sepa un poco sobre cómo se refleja la luz (y básicamente cualquier objeto al chocar sobre una superficie dada), ya que si esta incide con un ángulo a sobre dicha superficie, saldrá con un ángulo a, pero siguiendo hacia delante (ver imagen de la derecha), lo que provocaría que dicho rayo no volvería a la Tierra sino que se perdería por el espacio.

Así que.. ¿cómo solucionar esto?

Una de las soluciones que podríamos pensar es en orientar perfectamente el espejo apuntando hacia la Tierra, lo cual provocaría que el rayo volviese exactamente por donde ha venido.
Sin embargo, esto no es posible ya que (olvidando que se ha colocado en la Luna, por astronautas con un gran traje que no les permite excesivos movimientos y no se podría conseguir alinear con esa precisión el panel) aunque la Luna siempre nos enseña la misma “cara”, esto es, siempre vemos la misma mitad de ésta.

Aunque esto es cierto, lo es hasta cierto punto, ya que si bien “aproximadamente” vemos siempre la misma parte de la Luna, como consecuencia de varios movimientos que tiene esta (además de la rotación sobre su eje y la traslación en torno a la Tierra, están las libraciones como consecuencia de la excentricidad de la órbita de la Luna, que son movimientos análogos a un “cabeceo” de la Luna), causa que no veamos solo el 50% de la superficie lunar, sino que a veces vemos un poco más de algún costado y otras veces de otro… llegando a poder ver desde la Tierra casi el 60% de la superficie lunar (por supuesto no simultáneamente).

Esto hace que aunque apuntemos nuestro espejo muy bien hacia la Tierra, en unos días ya no estará apuntando hacia nosotros sino que se habrá desviado (debido a este “cabeceo” que presenta la Luna).

Ahora bien, hay una forma bastante simple que se les ocurrió a los miembros de la NASA sobre cómo hacer un espejo que refleje el rayo en la misma dirección en que le ha recibido. Y esta forma es poner prismas cúbicos (aquí, en vez de hacer uno, se construyó una red de 100 “espejos” para aumentar el rayo que se refleja), o también conocidos por retroreflectores.

Estos prismas trabajan de una forma análoga a lo que vemos en la imagen de la izquierda, donde vemos que al llegar un rayo con una inclinación dada (da igual la que sea, siempre que se mantenga dentro de un rango válido como para que el rayo realice un par de reflexiones en los espejos), éste se refleja en los dos lados del prisma, para terminar saliendo de éste con la misma dirección que la que traía inicialmente.
Así, conseguimos que dicho rayo retorne fácilmente a la Tierra y podamos medir el tiempo que ha tardado en regresar.

Conclusiones

De las medidas obtenidas durante estos años, se han podido obtener comprobaciones de la Teoría de la Relatividad (cualquier experimento que se propone se le suele aplicar para verificar dicha teoría), la constancia de la Constante de la Gravitación Universal introducida por Newton, o ver que la Luna se aleja de la Tierra a un ritmo de algo menos de 4 cm por año, lo cual es consecuencia de las fuerzas de marea que se ejercen mutuamente la Luna y la Tierra.
También de estas medidas se ha podido deducir que la Luna probablemente tiene un núcleo líquido que ocupa hasta un 20% de su radio.

El único problema que se esperaba de dichos espejos es que fueran cubriéndose de polvo lunar o que pudieran ser impactados por meteoritos que les destruyese. Sin embargo, ninguno de estos efectos han hecho que los espejos existentes (tanto por la misión Apollo 11 como por las posteriores misiones que también dejaron otros espejos en otros puntos de la Luna) dejen de estar operativos, por lo que parece que todavía seguirán siéndonos útiles durante mucho tiempo.

Por último, decir que aunque el proceso de medida parece fácil, tiene bastante más complicación ya que del pulso enviado, que cuenta con un gran número de fotones, solo unos pocos consiguen regresar a la Tierra, ya que una parte son absorbidos por la atmósfera terrestre, y otros se pierden en otras reflexiones sobre la Luna.

Para más información:

AstroSeti.

Imagen de los retroreflectores y de los diferentes paneles que hay colocados en la Luna. (en inglés)

Imagen en más detalle del panel que colocó, en esta ocasión, el Apollo 15 en la Wikipedia.

Artículo publicado en NewScientist. (en inglés)

Artículo que expone el núcleo líquido de la Luna. (en inglés)

Levitación magnética – superconductores

Aquí tenemos un vídeo donde podemos observar cómo conseguir que un objeto levite sin usar ningún truco y solo con el poder de nuestra mente, lo que lo convertiría en un buen número para cualquier mago, y que como de costumbre, tiene una buena base física.

¿Qué es lo que vemos exactamente?

Primero, conviene conocer los elementos que entran en juego en el experimento: un simple imán (la pieza cilíndrica dorada), Nitrógeno líquido (ese líquido que vierte sobre el recipiente y que echa humo) y un trozo de otro material.

Así que el único “truco” está en elegir convenientemente este material, el cual debe de ser un superconductor a alta temperatura.

¿Y qué es un superconductor?

Hay materiales que se definen como conductores debido a que permiten que los electrones que hay en ellos (solo una parte, no todos los electrones) se muevan libremente por el material. Dado que los electrones son cargas eléctricas, esto causa que por el material pueda circular una corriente eléctrica, convirtiéndose en un candidato para utilizarlo como medio para transportar electricidad.

El caso más conocido es el del cobre, que por su bajo costo y su alta conductividad es el utilizado para guiar todas las comunicaciones de teléfono y electricidad a nuestros hogares.

Sin embargo, todos estos materiales son conducen perfectamente la electricidad, sino que poco a poco ésta sufre pérdidas que se transforman en calor (el clásico efecto Joule) que ocasionan el calentamiento del cobre. Claro que las pérdidas presentes en el cobre por ejemplo, no son significativas salvo que trabajemos con unas corrientes enormes.

Pero a comienzos del siglo XX se descubrió que ciertos materiales, a temperaturas muy bajas, de unos pocos kelvin ( 0 K (kelvin) = – 273.15 ºC ), se comportan como conductores perfectos, esto es, no presentan ninguna pérdida u oposición a la corriente que circula por ellos, lo cual les convierte en los materiales idóneos para conducir corrientes eléctricas.

El único problema que presentaban es que para que se comporten de esa forma era necesario que su temperatura fuera esa tan baja. Pero varios años después se fue descubriendo materiales que mantenían este comportamiento hasta temperaturas de unos 100 K ( – 173 ºC ), y actualmente se está consiguiendo construir materiales que son superconductores a temperaturas de unos -100ºC.
Por supuesto que una de las búsquedas más importantes actualmente es la de conseguir un superconductor a temperatura ambiente, lo cual acarrearía grandes avances tecnológicos.

Sus propiedades y nuestro experimento

¿Y por qué tenemos que poner un superconductor debajo del imán? podríamos (deberíamos) preguntarnos.
La razón es que una de las propiedades que tienen estos materiales es que si están en presencia de un campo magnético (en este caso el creado por el imán), éstos se oponen totalmente a dicho campo, creando uno de sentido opuesto e igual intensidad, actuando de forma análogo a como si fuera otro imán, pero orientado con los polos opuestos al imán “real”.
Esto causa que ambos campos se repelan, por lo que el imán sufre una fuerza repulsiva hacia arriba que contrarresta a la de la gravedad, obteniendo un imán flotante y bastante estable.

Por último, cabe destacar que el Nitrógeno líquido (que se encuentra a unos 77 K, -196ºC ), se usa para enfriar el material superconductor hasta dicha temperatura, ya que a temperatura ambiente, como podemos observar no se comporta como superconductor.
Una buena imagen son los últimos segundos del vídeo, donde observamos cómo al irse calentando el material, sus propiedades de superconductor van desapareciendo, y por tanto ya no se crea ese campo magnético que repele al imán y éste va descendiendo debido a que la gravedad sí sigue haciendo su efecto.

El rayo verde y el cielo azul

Con este nombre (El rayo verde), que recuerda al de la novela de Jules Verne, hablamos sobre un efecto óptico que se puede ver en el Sol al atardecer (y al amanecer), y en el que se basa el argumento de la novela.

Por un lado, todos los días observamos que el cielo tiene un color azulado (algunas personas detallarán con una mayor precisión qué tono es… pero con esto nos vale), lo cual a veces puede entrar en confusión con el hecho de que el Sol luce con un color amarillento.. lo que (podemos pensar) provocaría que el cielo fuese amarillento también.
A esto se podría achacar la idea de que será debido al nitrógeno de la atmósfera (recordemos que ésta está compuesta por un 70% de dicho gas), pero esta no es la razón básica de este efecto.

ACTUALIZADO: Como bien apuntan en los comentarios, este efecto se debe principalmente a la dispersión que sufren las distintas longitudes de onda al “chocar” con los átomos de la atmósfera, conocido como dispersión de Rayleigh, la cual tiene la propiedad de que dispersa mucho más las longitudes de onda cortas (azules) que las largas (rojas). Así, un rayo de color azul será más dispersado que uno de color rojo después de atravesar una masa de aire.

Este fenómeno se puede entender de una forma simple viendo que los fotones al incidir sobre los diferentes átomos, interactúan con las nubes de electrones de éstos, lo que hace que cedan parte de su energía a dichos electrones, lo que hace que éstos se pongan a vibrar.

Sin embargo, éstos pronto vuelven al equilibrio, emitiendo de nuevo dicha energía mediante otro fotón.
Esta interacción se produce con mayor frecuencia con longitudes de onda cortas (azules), lo que hace que sean éstas las que se dispersan más, ya que los rayos que no interactúan con dichos átomos seguirán su camino inicial.

FIN ACTUALIZACIÓN

¿Y en qué se traduce esto?

Bueno, el Sol emite en todas las longitudes de onda visibles: desde el rojo al azul, aunque donde más emite es en el verde-amarillo. Así que esto provoca que los rayos azules emitidos por él se dispersen más que los rojos.

Por lo tanto, estos últimos los seguiremos viendo venir desde donde está el Sol (pues no varían mucho su trayectoria), pero los rayos azules se dispersan por toda la atmósfera… así que son éstos los que predominan cuando miramos en otras direcciones: esa es la principal causa de que veamos el cielo azul.

¿Y el rayo verde?

Una vez relatado lo anterior, vamos a otro momento especial: las puestas de Sol (también extendible a las salidas). Aquí, el Sol está en el horizonte, luego es el momento en que su luz debe atravesar una capa mayor de aire.

Y por lo que hemos visto, los colores azules se dispersan más que los rojos. Si mezclamos estas dos cosas, ya podemos comprender por qué solemos verle de un colo más rojo que cuando está a mayor altura: su luz se dispersa más.. luego ya solamente quedan los colores más rojos en el disco.

Además, justo en el momento en el que se oculta por el horizonte (aquí es indispensable tener un horizonte marino o totalmente llano), podemos ver (con mucha suerte) durante un instante un rayo de color verde.

Esto se debe a lo anterior también: los rayos rojos se dispersan menos, luego cuando éstos se ocultan por el horizonte, aún hay rayos verdes, que se han dispersado más, y por tanto que todavía no se han ocultado. Y en ausencia de los rojos, éstos se hacen visibles.

También hay posibilidad de ver algún rayo azul, pero este es aún más débil que el verde, por lo que prácticamente nunca es posible verle.

Referencias:

Rayo verde y azul en Wikipedia.

Rayo verde en la Imagen Astronómica del Día (APOD, 10 de noviembre de 2002) realizada por Pekka Parviainen.

Más información sobre el rayo verde.

Imperfecciones en superficies: interferómetro de Twyman

En muchas ocasiones se necesita garantizar que una superficie sea enormemente lisa, sin apenas imperfecciones. Esto, que es fácil de comprobar cuando no necesitamos garantizar que la superficie no tenga imperfecciones de más de algunas décimas de milímetro de altura, requiere de otros métodos cuando se necesita alcanzar precisiones del orden de la longitud de onda del visible (aprox. 10^-7 m, algo menos de una millonésima de metro).

Para estos casos, existe un montaje simple con el cual se puede conseguir dicha precisión fácilmente, echando mano del carácter ondulatorio de la luz.

De forma similar al interferómetro de Michelson – Morley, que utilizaron en su famoso experimento, se tiene una lámina que divide un haz de luz en dos, los cuales se reflejan en dos espejos planos y vuelven a juntarse a la salida. Al igual que pasaba con Michelson, en función de la diferencia de camino que hayan recorrido ambos rayos, se observará que ambos rayos dan una zona de luz u oscuridad.

La novedad viene debido a que si la luz incidente no viene de un punto sino de un haz paralelo (el cual se consigue poniendo una lente después de la fuente de luz), todos los rayos recorren la misma distancia luego en la pantalla observaríamos la misma intensidad de luz (o sombra).
Ahora, si sustituimos uno de los espejos por nuestra superficie, los rayos ya no recorren el mismo camino porque esta superficie no es totalmente plana, así que observaremos cómo se van produciendo “anillos” irregulares en la pantalla.

Así que observando la forma de estos anillos y contando cuántos se producen, podemos saber cómo es la (o las) imperfecciones que tiene nuestra superficie y qué altura tienen, de forma análoga a cómo en un mapa podemos ver el desnivel del terreno por las curvas de nivel. Eso sí, con esto no podemos estar seguros de si se trata de una “montaña” o de un “valle” en nuestra superficie.

Por ejemplo en la anterior imagen podemos ver cómo se tiene una pequeña imperfección en el centro de la superficie, lo cual crea que el patrón de luz no sea uniforme sino que se formen “anillos” (curvas de nivel) en función de la altura de las imperfecciones que tiene la superficie.

Experimento de Michelson – Morley

Volvemos con uno de los experimentos que contribuyó a la gran evolución que se dio a comienzos del siglo XX en la física: el experimento de Michelson y Morley, el que además ha sido uno de los más importantes experimentos que ha habido en la historia de la física, y uno de mis favoritos.

Antecedentes

A finales del siglo XIX se conocía que la luz era una onda electromagnética, que se propagaba a velocidad c (unos 300.000 km/s).

Esto, sin embargo, tenía un matiz que traía de cabeza a todo el mundo: hasta ese momento todas las ondas conocidas necesitaban un medio por el que propagarse: las olas de un estanque necesitaban el agua, las ondas sísmicas necesitaban la tierra, y el sonido (que ya se conocía que era otra onda) necesitaba el aire para propagarse.

Ahora, si suponemos que entre las estrellas que vemos y nosotros (el espacio vamos) no hay nada, esto entra en contradicción directa con que veamos la luz que nos llega de dichas estrellas.
Por lo que había que pensar en otra alternativa: en el espacio debería existir algo, un medio, que permite que se propage la luz: al cual se denominó éter, del cual no sabíamos en un principio absolutamente nada, ni de qué estaba “formado”.

Ahora, si existiese de verdad dicho éter, deberíamos ser capaces de observarle de alguna forma, y esto fue lo que propusieron Michelson y Morley, un experimento para medir dicho éter.

Base del experimento

No se sabía si este éter estaría en reposo o la velocidad que tendría, pero dado que la Tierra gira en torno al Sol (en un año da una vuelta), la velocidad del éter respecto al de la Tierra cambiará a lo largo del año, y esto produciría ligeros cambios en la imagen que nos da la luz.

Para ello, se utilizó un interferómetro de Michelson, el cual divide la luz que emite un foco luminoso (un láser por ejemplo) en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a juntar. Dado que la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente que solo emite una longitud de onda (es decir, un color muy definido), al volver a juntarse, los dos haces interferirán produciendo máximos y mínimos de intensidad.

Que se forme uno u otro depende de la diferencia de caminos que hayan recorrido los dos haces, lo que normalmente se hace variando ligeramente la posición de uno de los espejos (las variaciones de la posición deberán de ser similares a la longitud de onda de la luz, lo cual lleva a que serán de unos cientos de nanómetros: una diez milésima de milímetro).
Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos.

Así que variando la orientación de los brazos se debería observar un cambio en el patrón obtenido.

Resultados

Finalmente, y usando un instrumento que tenía unos brazos de 11 metros de largo (imaginaos las dimensiones del aparatito) y colocado sobre una “piscina” de mercurio para minimizar los movimientos del aparato, ambos físicos realizaron medidas de lo que ocurría.

Los resultados obtenidos en todas ellas fueron nulos: en ningún momento hubo ningún dato que apuntase a que la velocidad de la luz hubiera variado, o lo que es lo mismo, que el éter no tenía ninguna velocidad apreciable.

Sin embargo, esto mismo fue lo que condujo a que fuera uno de los más importantes experimentos, ya que con estos resultados se comenzó a pensar que dicho éter podría no existir, y se planteó que la luz podría viajar en el vacío, sin ningún medio de por medio, lo cual derivó finalmente en la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, donde ya se impuso la no existencia de dicho éter.

90 Aniversario de la comprobación de la Relatividad General

Tal día como hoy, hace 90 años, se realizó la primera comprobación de la Teoría de la Relatividad General, enunciada por Albert Einstein en 1915.

La Teoría General de la Relatividad (TGR)

10 años después de que el joven desconocido A. Einstein publicase tres artículos que revolucionaron buena parte de la física (entre los que se encontraba la base de la Teoría de la Relatividad Especial), este físico publicó su quizá más importante trabajo.

Aquí, consiguió (después de muchos años y mucho trabajo) extender las ideas de la Relatividad Especial, principalmente:

• El principio de equivalencia, que describe cómo una aceleración y la gravedad son equivalentes (es decir, los efectos que causa uno u otro son análogos, por lo que se puede usar uno u otro para describir un mismo suceso).
• Curvatura del espacio-tiempo, uno de los mayores saltos (a mi entender) frente a la descripción Newtoniana de la gravedad, es que se pasa de entenderla como una fuerza más, a entenderla como el efecto que causa la curvatura del espacio-tiempo sobre el que nos encontramos. Es decir, en vez de entenderla como una fuerza que crea la masa de los objetos (recordemos que el concepto de fuerza a distancia no es para nada intuitivo), se interpreta como un resultado de la geometría del espacio-tiempo.
  Esto se entiende fácilmente imaginando que el espacio-tiempo es una cama elástica, y los planetas son bolas que circulan por esta… que se van moviendo según dónde la cama tenga hoyos y esquivando los montículos.

Las dos predicciones básicas (inicialmente)

Como toda teoría física, ésta, además de describir lo que hemos observado hasta ahora, debe de realizar predicciones comprobables, de forma que se pueda determinar si es plausible que la realidad se comporte así o no.

En este punto, la TRG traía rápidamente dos predicciones no hechas hasta ahora:

• La precesión del perihelio de Mercurio, algo que había sido observado desde hace muchos siglos, y que la ley de la Gravitación Universal de Newton no conseguía explicar: el por qué el perihelio de Mercurio (su distancia más corta al Sol) al cabo de los años iba moviéndose (desviándose) varios segundos de arco.
  La explicación de por qué la TRG lo explicaba se puede entender sabiendo que la gravitación de Newton es una aproximación de la TRG cuando la gravedad con que se trabaja es pequeña (por este hecho todavía se sigue utilizando para movimientos interplanetarios). Pero dado que Mercurio está muy cerca del Sol, aquí la gravitación comenzaba a diverger respecto de lo que se observa, debido a que predice una fuerza de la gravedad menor de lo que realmente es.
• Curvatura de la luz por la gravedad. Esta es la predicción básica con la que se comprobó dicha teoría.
  La TRG predice que la luz, al pasar cerca de un campo gravitatorio grande (por ejemplo cerca de una estrella), su trayectoria se curvará, al igual que sucede con un cuerpo que pasa cerca.
  Si bien esto también se consiguió explicar con la gravitación de Newton, los ángulo de desviación que se obtenían aquí eran la mitad de los que predecía la RTG.

Comprobación

Así que una vez conocido un fenómeno que es predicho, solo queda observarle.
Para ello, se debía comparar la posición de un objeto (una estrella) cuando la vemos sin ningún objeto masivo entre ella y nosotros, y cuando está cerca de uno.
Esto que en principio no parece muy complicado, solo se podría obtener observando una estrella (que podemos ver su posición una noche cualquiera) cuando iba a ser eclipsada por el Sol, un objeto con suficiente gravedad como para producir una desviación de la luz de la estrella apreciable.

Claro que la luz del Sol oculta la de la estrella… por lo que solo se podría medir en un momento concreto: cuando éste es eclipsado por la Luna (en un eclipse de Sol). Así que se buscó uno propicio, en el cual hubiese una estrella lo suficientemente brillante cercana al borde del Sol para poder verla durante el eclipse.

Para esto, se tuvo que esperar hasta el año 1919, en donde se envió dos expediciones inglesas para observar el eclipse total del 29 de mayo. Una de ellas fue hasta la Isla de Príncipe (Golfo de Guinea), dirigida por Sir Eddintong (que estuviera este gran físico ya nos dice lo importante que era esta medición); y otra que se instaló en Brasil, dirigida por Crommelin.

Como siempre en cualquier fenómeno astronómico, las nubes hicieron acto de presencia y dificultaron la toma de datos, impidiendo prácticamente que una de las expediciones pudiera tomar imágenes razonables, aunque la otra consiguió aprovechar varios claros, y medir un ángulo de desviación de acuerdo con lo predicho.
Para la estrella en cuestión, dada su distancia angular al Sol en el momento del eclipse, se predecía una desviación de 1.745″, mientras que las dos expediciones midieron ángulos de aproximadamente 1.6 y 1.9″.

Aunque pueda parecer que son diferentes, dados los errores en dichas medidas, el ángulo predicho era coherente con éstas (durante todo el siglo hubo medidas cada vez más precisas obviamente).

Así que con esto comenzó una nueva interpretación del Universo a sus escalas grandes, lo cual ha traído muchos nuevos descubrimientos y avances, y, por supuesto, muchas más preguntas.

NOTA: En la última imagen tenéis el negativo de una de las imágenes que sacó una de las expediciones originales, donde se ve el Sol eclipsado, su corona (visible durante el eclipse) y las estrellas marcadas que fueron tomadas para medir posiciones.

Enlaces relacionados:

Astrocosmos (confirmación de la TRG).

Wikipedia.

El triunfo de la ciencia

Aquí estoy otra vez de vuelta con otra entrada (a un ritmo muy bajo de una por semana más o menos, pero en un mes volveremos con más fuerza), esta vez explicando un poco el método científico.

Desde siempre se pueden ver críticas hacia la ciencia o el método de cómo trabaja (normalmente por parte de filósofos o gente de letras), culminando muchas veces en críticas donde se mete en el mismo saco a investigaciones científicas con investigaciones o trabajos filosóficos o religiosos (como en uno de los comentarios recientes).

Esto normalmente (casi siempre) se produce por un desconocimiento por parte del crítico de cómo se trabaja dentro de la ciencia, que es completamente diferente a cómo se trabaja en otros ámbitos.

Dentro de un ámbito científico, se pueden publicar teorías más o menos especulativas (como las que están actualmente intentando conjugar la Relatividad con la Cuántica), las cuales suelen dar mucho juego en documentales o artículos.

Sin embargo, y a diferencia de lo que ocurre en el terreno de letras, estas teorías han de pasar obligatoriamente por una comprobación experimental (que normalmente viene publicada junto con la propia teoría) la cual verificará si las predicciones que hace dicha teoría se cumplen o no.
Esto culmina siempre de dos formas: o bien el experimento ha confirmado la teoría y por lo tanto, esta teoría es válida para describir una parte de la Naturaleza; o el experimento refuta la teoría, por lo que ésta deja de tener cualquier interés y quedará olvidada como algo que no sirve.

Precisamente esto es lo que garantiza que las teorías actuales describen la realidad al menos hasta los límites donde se ha medido esta, lo cual ha dado lugar a que se haya podido avanzar enormemente durante los últimos siglos (desde que se impuso este método racional sobre el método filosófico que apoyaba al propio pensamiento sin necesidad de comprobación), y no suceda como en la época de Aristóteles, donde gracias al valor que se le daba a sus teorías, éstas no fueron comprobadas en siglos, lo cual introdujo unos pensamientos erróneos (en filosofía puede que fuera un gran hombre, pero de todos los temas científicos donde metió su cabeza, ni se acercó lo más mínimo a la realidad en ninguno de ellos (o prácticamente en ninguno)).

Por esta razón, aquí no valen los argumentos de poder o los “intuitivismos” (“porque es intuitivo…”), sino solo los resultados que lanzan los experimentos realizados, al igual que la Relatividad General necesitó del eclipse de Sol producido en 1919 para que fuera comprobadas sus predicciones (la cual describiré en una próxima entrada), o se desechara el modelo de Thomson de los átomos porque no encajaba con lo que se observó en el experimento de Rutherford.

Por esta razón, nunca se puede poner en la misma balanza el Creacionismo con la teoría del Big Bang, ya que mientras la primera solo nace del pensamiento de unos pocos (y que afortunadamente no defiende ni la Iglesia) sin ningún tipo de autocrítica o respaldo, la segunda nace a partir de las observaciones que tenemos actualmente del Universo, las cuales nos muestran que éste pasó por una época en la cual estuvo mucho más comprimido y caliente que actualmente. A su vez, esta propia teoría define sus limitaciones:
consigue explicar la evolución del Universo desde pocos tiempo después del Big Bang (considerando éste como el “estallido” que predice la teoría si ésta se cumpliera en ese instante) hasta ahora, pero en ese instante, la propia teoría fracasa, por lo que no puede realizar ninguna predicción de lo que ocurrió y hasta tener una teoría mejor no podemos saber qué es lo que verdaderamente ocurrió en dicho instante.

Un libro muy recomendable que recoge estos y otros temas relativos a la visión de la ciencia actual es La razón estrangulada, de Carlos Elías.