miércoles, 27 de mayo de 2009

¿Qué es lo que mejor hace una estrella? I

En una de las muchas ocasiones en que los físicos hemos sido injustamente calificados de insensibles, fríos, secos, antirománticos y demás elogios similares se cuenta la ocasión en que en un cine se formuló (en medio de una película de lo más cursi) la pregunta "¿Qué es lo que mejor hace una estrella?" y la gente esperaba la respuesta "brillar" , y yo respondí "Helio" (aunque he de confesar que "neutrinos" sería mas correcto).

Y en realidad las estrellas son muy buenas haciendo Helio y neutrinos pues estos son los productos de "desecho" de su proceso de obtención de energía, es decir, de la cadena protón-protón (p-p). Para entender como funcionan las estrellas hay algo que es necesario entender primero, un efecto en la mecánica cuántica llamado "efecto túnel". Veamos si lo podemos explicar (sin matemáticas es un poco difícil, pero lo intentaré).


A diferencia de la física clásica, en física cuántica las partículas no tienen una posición definida, sino una distribución de probabilidad de lugares donde se le puede detectar. Esta distribución se determina como la función de onda.

En primer lugar recordemos algo; en física cuántica no existe el concepto de posición. Es decir, no tiene sentido preguntar si una partícula se encuentra a 3 o 5 metros de alguna referencia. Lo que se puede preguntar es "¿que tan probable es que la partícula esté a 3 o a 5 metros?" Ya que como cuánticamente no existen posiciones definidas, nos tenemos que limitar a decir donde es mas probable encontrar la partícula. Bien, entonces nos quedamos en que las partículas cuánticas tienen una distribución de probabilidad y alguna región donde es mas factible encontrarla.

Ahora pensemos en la energía potencial. Esta es la energía que tiene un objeto cuando se encuentra dentro del campo de alguna fuerza. Por ejemplo, digamos que el campo sea la gravedad de la Tierra (el campo gravitatorio) y la partícula es una esfera que sostengo con la mano. Como la intensidad del campo es mayor en regiones cercanas al centro del mismo que en regiones lejanas, la energía potencial es mayor según la distancia del centro del campo a la esfera. Es decir si mido la energía potencial con respecto a un punto, la calle por ejemplo, y sostengo la esfera con la mano, tendrá una energía potencial menor que si pongo la esfera en el techo de un edificio. Adicionalmente si suelto la esfera, esta energía potencial se transforma en energía cinética (energía que depende de la cantidad de masa y la velocidad). Por lo que al dejar caer la esfera desde arriba del edificio conseguiré que la esfera tenga mayor energía cinética al tocar el suelo que si la suelto desde mi mano. Y de igual manera, se puede transformar energía cinética en potencial.


De esta manera, a diferencia de los casos clásicos donde las barreras son impenetrables, en la cuántica existe una leve probabilidad de que se logre atravesar cualquier barrera, mientras más energía y en consecuencia mas grande sea la distribución de probabilidad de la partícula, mas fácil será atravesar la barrera.

Un ejemplo útil es imaginar que mandamos la esfera rodando por una calle que sube una colina. Al arrojar la esfera le damos una velocidad (energía cinética) y la esfera al subir la colina gana altura (energía potencial) mientras pierde velocidad (energía cinética), por lo tanto transforma energía cinética en potencial (por esta razón las cosas pierden velocidad al ir de subida y aceleran al bajar). Comprendemos pues que para hacer que la esfera llegue a la cima de la colina y pase al otro lado, tendremos que darle una velocidad adecuada para que suficiente energía cinética se transforme en potencial. Claro, mientras mayor la colina, mas energía necesita, es decir, mas velocidad.

Ok ya hablamos mucho de energías y de estar subiendo colinas, pero esto se relaciona con las estrellas por que esta es una forma de explicar el proceso de fusión nuclear. La función nuclear consiste en pegar dos núcleos de átomos de manera que se produzca uno mas grande. El principio es sencillo, hacer que los núcleos se muevan a altas velocidades (tengan mucha energía cinética) y de preferencia en lugares donde las colisiones sean frecuentes (por ejemplo donde la densidad es alta, como en el interior de las estrellas). Y el problema a vencer es que los núcleos de los átomos están todos cargados con partículas positivas (los protones) por lo que la tendencia será a repelerce (recuerden, cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen). Esta fuerza que hace a los núcleos repelerce es la fuerza electromagnética y como toda fuerza genera un campo y podemos tener energía potencial. Por lo que un núcleo en presencia de otro tendrá una energía potencial electromagnética.


En el interior de las estrellas, como el Sol, en núcleo es la región donde es mas probable encontrar las condiciones para el tunelaje cuántico.

Pero regresemos al caso de la calle con la colina y veamos que es la misma situación que en la fusión nuclear. El núcleo incidente es representado por la esfera y el campo de potencial por la colina que se debe subir. Entonces el problema de la fusión nuclear es el mismo que con la esfera subiendo la colina, darle suficiente energía cinética (velocidad) como para vencer la barrera de potencial. Y al igual que la colina, donde al alcanzar la cima, la pendiente nos hace permanecer de ese lado, en el caso de los núcleos atómicos también existe una distancia a la cuál la fuerza nuclear supera en intensidad a la electromagnética, por lo que el objetivo es acercar los núcleos a esa distancia (subir lo suficiente la colina).

Pero cuando se calculó la temperatura necesaria para que ocurra la fusión nuclear (recuerden, la temperatura no es mas que una manifestación de la velocidad de las partículas en un cuerpo) se vio que el centro del sol (la parte mas caliente) ¡no tenia la temperatura suficiente! Es decir, ¡los núcleos no se mueven lo suficientemente rápido como para permitir la fusión! Es como si aventáramos la esfera con un velocidad tan baja que no pueda llegar a la cima de la colina. Pero puesto que es evidente que el sol brilla, es también evidente que de alguna manera la fusión ocurre (las esferas no llegan a la cima de la colina, pero por alguna razón se amontonan del otro lado).


Condiciones dentro del sol, en el núcleo la densidad y temperatura aumentan, incrementando la viabilidad del tunelaje.

Aquí entra en juego el dichoso tunelaje cuántico. ¿Recuerdan que en cuántica no se tienen posiciones exactas, sino probabilidades de encontrar la partícula en tal o cuál lugar? Pues si las esferas antes mencionadas fueran cuánticas, entonces al acercarse a la cima (aunque no lleguen) tendrán cierta probabilidad de "aparecer" del otro lado. Esto es por que como una partícula no tiene mas que probabilidades de estar en algún lugar, no se viola ninguna ley física si la partícula de repente "desaparece" de donde está y "reaparece" en algún lado, aunque esto será mas probable si la diferencia de lugares es reducida, es decir cambia poco de posición. Este es el llamado "efecto túnel" que desde un punto de vista macroscópico se interpreta como un repentino cambio de posición de la partícula. Se llama "túnel" por que en el caso de la colina, es como si la esfera pasara por un túnel de manera que no tenga que llegar a la cima para alcanzar el otro lado. De igual manera algunos núcleos dentro del sol pueden "tunelear" atravesar el campo de repulsión electrostático y llegar a la zona donde domina la fuerza nuclear y lograr así fusionarse.

En la segunda parte veremos que papel juega el tunelaje cuántico en la cadena protón-protón.

lunes, 25 de mayo de 2009

Historia Mundial 2

Eón Hadeano, la era de la violencia.
De hace 4,567 millones hasta 3,800 millones de años.

Hace 4,567 millones de años, inició el eón Hadeano, para este entonces ya se habían formado de manera definitiva los cuerpos del sistema solar que serían los supervivientes hasta nuestros días y se habían eliminado casi todos los cuerpos en órbitas inestables. El inicio de este periodo fue una época en la que pasó a la siguiente etapa en la formación del sistema solar, ya con los cuerpos principales formados, solo quedaba llevarlos a su configuración actual.


Orfeo vs. Tierra 1, teórico impacto que inició la cadena de acontecimientos que nos dieron el planeta y Luna que tenemos hoy.

Según los modelos mas acertados (aunque no totalmente) sobre la formación de la Luna (se aclara que la palabra "luna" se refiere a un satélite natural cualquiera mientras que "Luna" se refiere al satélite natural de la Tierra) uno de los primeros eventos de relevancia fue el impacto entre la Tierra y otro planeta, un cuerpo del tamaño aproximado de Marte (algunos astrónomos gustan de llamar a este teórico planeta "Orfeo") que tenía una órbita poco estable que lo hacía acercase mucho a nuestro mundo. En aquel entonces, la Tierra, (llamémosla Tierra 1, y a la Tierra actual, Tierra 2) era un poco mas pequeña y la cantidad proporcionales de hierro que contenía era menor. Durante este impacto, sucedido hace unos 4,500 millones de años se dio una secuencia de eventos que definiría la historia de la Tierra.

Según se ha calculado, el impacto sucedió de forma casi lateral, y a diferencia de las películas de ciencia ficción donde le disparan a un planeta y este vuela en mil pedazos en fracciones de segundos, la colisión y subsecuente expulsión de los desechos duró varios días, debió ser el peor momento en la historia para visitar la Tierra. El primer resultado del impacto fue el derretimiento de la corteza de ambos mundos. La litosferas (corteza) de la Tierra apenas se encontraba en proceso de solidificación cuando sucedió el impacto, con la fuerza del cuál ambas litosferas (de Tierra 1 y Orfeo) salieron disparadas hacia la órbita y los dos núcleos se unieron para generar el enorme núcleo de hierro que tiene actualmente Tierra 2, la mayor parte de la masa se quedó en el nuevo planeta pero la parte que quedó en órbita se convirtió en un disco de polvo y piedras que luego se condensó en lo que hoy llamamos Luna.


Eon Hadeano medio. Los impactos continúan, aunque cada vez con menor frecuencia, el agua corre momentaneamente, la tierra apenas esta generando su atmósfera que eventualmente le dará la capacidad de mantener agua líquida permanentemente.

Pocos milenios después ya se tenía un sistema Tierra-Luna muy parecido al actual, aunque con algunas deferencias; la luna estaba mas cerca, y la Tierra no tenía ni atmósfera ni océanos.

Con el paso de los años, la litosfera se fue enfriando y solidificando de nuevo. Pero aún se presentaban colisiones de gran potencia que perturbaban la delgada corteza terrestre. Conforme se solidificaba la corteza, se generaron volcanes que lentamente fueron emitiendo gases que formarían la primer atmósfera de la Tierra. Esta primer atmósfera se componía de una mezcla de nitrógeno (N2) , bióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O). Al acumularse una cantidad alta de agua en la atmósfera se inicio el ciclo del agua con precipitaciones constantes en todo el planeta que llenaron los primeros océanos de la Tierra.


Eón Hadeano tardío. Casi se terminan los grandes impactos, pero los cometas continúan su asalto en el sistema solar interior. La Tierra ya tiene algunos mares de tamaño importante donde incontables combinaciones de amino-ácidos se generan y destruyen continuamente.

Así, hace unos 3,900 millones de años el sistema solar tomaba su forma actual. En lo que hoy es el sistema solar exterior, los planetas gigantes asumían sus órbitas actuales y terminaba el proceso de formación de sus satélites; mas cerca del Sol, los planetas Terráqueos asumían su configuración actual; mientras que en el sistema Tierra-Luna, la Luna continuaba su migración a órbitas mas altas y se terminaba de enfriar la mayor parte de su corteza (las partes que hoy se ven mas claras), y en la Tierra, dentro de los mares primitivos bombardeados por cometas (muchos de los cuales se formaron en tiempos de la nebulosa proto-solar y han estado vagando en la nube de Oort durante cientos de millones de años) los bloques constructores de proteínas, cargados por dichos cometas se han estado combinando en una infinidad de experimentos naturales, trillones de combinaciones posibles son generadas en cada metro cúbico de agua cada día, hasta que algunas de ellas fueron capaces de producir no solo mas proteínas, sino proteínas casi iguales a si mismas.


Con un planeta mas estable hace 3,900 millones de años, los amino-ácido importados en los cometas se combinaron formando proteínas que se alimentaron de substancias encontradas en los mares primitivos.

Estas antiguas, burdas, pequeñas e ineficientes moléculas fueron los primeros seres vivos en habitar el planeta. Su proceso de reproducción era muy imperfecto, muchas de las copias no fueron capaces de mantenerse estables y se degradaron rápidamente. Pero entre tantos experimentos, entre tantos éxitos y fracasos, aquellos que tenían alguna ventaja (una copia extra de algún segmento, enlaces mas estables, una mejor posición de sus átomos) fueron lentamente desplazando a los que no, y así la evolución inició.

Durante los siguientes 100 millones de años, aún se presentaban impactos de gran potencia, algunos capaces de reconfigurar la corteza y evaporar los océanos. En este caso la vida habría desaparecido por completo y reaparecido pocos años después en muchas ocasiones.

Pero hace 3,800 millones de años, los grandes impactos eran mucho mas aislados. Los grandes planetas, como Júpiter y Saturno habían limpiado (absorbido o desviado) casi todos los cuerpos amenazantes del sistema solar. Y finalmente las condiciones en la joven Tierra, fueron suficientemente estables como para permitir la existencia de formas de vida en todo el océano.


Ejemplos de microfósiles de hace 3,800 millones de años. Versiones primitivas de células y pequeñas colonias multicelulares.

Durante un breve momento a finales del Eón Hadeano, existió en la Tierra una primer biósfera, una biósfera donde los seres eran proteínas. Pero no pasó mucho tiempo antes de que algunas desarrollaron la capacidad (a cambio de un incremento en la complejidad) de secretar otras moléculas mas simples que generaban una pequeña burbuja orgánica dentro de la cuál las proteínas se protegían del exterior. Así la primer versión de una célula apareció y la competencia entre las especies adquirió una nueva dimensión.

Al principio del Eon Hadeano, la Tierra era un lugar donde los minerales se enfriaban lentamente para formar la litosfera, al final, el planeta se caracterizó por albergar toda una variedad de criaturas microscópicas que competían entre sí, algunas prosperaron y otras no, algunas se mudaron a nuevos territorios, nuevos métodos de alimentación se desarrollaron, se probaron variaciones en la cubierta protectora, en otras palabras, la evolución de la especies por medio de la selección natural iniciaba para no detenerse.


En la próxima entrada de la serie: Eón Archaeano, la vida coloniza el planeta.

martes, 19 de mayo de 2009

Marcos a la Medida

Muchos de los interesados en la astronomía y ramas de la física relacionadas, se entretienen bastante tratando de entender las múltiples paradojas relativistas. Y no se les puede culpar, pues estas resultan bastante entretenidas y su comprensión es un muy buen reto intelectual. Y a pesar de que la comprensión real de estas cuestiones requiere del manejo de matemáticas avanzadas intentaré explicarlo usando el mínimo de matemáticas posible. En particular hablaremos de la paradoja de los gemelos.


El tren en movimiento y el suelo (o el andén de alguna estación) son buenos ejemplos de marcos de referencia.

En primer lugar, debemos entender uno de los conceptos claves en la física cuando se habla de movimiento, el concepto de "marco de referencia inercial" lo que llamaremos simplemente marco de referencia. En pocas palabras, un marco de referencia es lo que tomaremos como referencia para medir posición y sus cantidades derivadas (velocidad y aceleración). Por ejemplo, para una persona sentada en un cuarto, el cuarto mismo puede ser el marco de referencia, ya que el puede medir su posición velocidad y aceleración con respecto al cuarto ( ejemplo, a 2 metros de tal esquina y a 1.4 km/h con respecto al suelo). En el caso de otra persona, digamos alguien en la calle, su marco de referencia sería la ciudad misma, o podría tomar algún marco mas pequeño como la calle misma donde se encuentra.

Sin embargo, consideremos el siguiente caso: dos personas, una en un tren en movimiento que pasa por una estación (A) y otra en el andén de la estación (B). En este caso, para la persona B su marco de referencia sería el anden, su posición, velocidad y aceleración se pueden medir con referencia al anden (tomando como punto de referencia, digamos, el borde norte del andén). Inclusive, si B lo desea, puede medir la posición, velocidad y aceleración de cualquier otro objeto con respecto al anden, es decir en su mismo marco de referencia. Por ejemplo, un gato moviéndose por el anden tiene una posición, velocidad y aceleración que se pueden medir, la persona B las puede interpretar fácilmente pues el gato se encuentra dentro del mismo marco de referencia, es decir, si se dice que el gato se encuentra 2 m del borde norte del andén, la persona B puede fácilmente saber donde esta el felino ya que él sabe donde se encuentra el borde norte del andén con respecto a él. De igual manera, si el gato se mueve a 2 km/h, la persona B sabe que si desea alcanzar al gato, no tiene más que moverse a más de 2km/h. Es decir, es como lo que nos pasa a todos nosotros, cuando vamos por la calle y vemos alguna otra persona moverse, su posición, velocidad y aceleración se pueden calcular de manera sencilla ya que ambos vamos por la calle.

Pero ¿Y que pasa con la persona A, la del tren? Pues digamos que A, en lugar de ver al gato en el anden, ve a un ratón parado (es decir, estacionario) que va en el mismo tren (de polizonte, claro), el punto es que para A, se tendrá la misma situación con respecto al ratón que B tiene con el gato. Así como B y el gato están en el mismo marco de referencia, el andén, A y el ratón también están en el mismo marco de referencia, el tren.


Representación matemática de dos marcos de referencia, uno sin primar (s) ,estático y otro primado (s'), en movimiento.

Pero (ya llegó el "pero") ¿Como ve A al gato? A se encuentra abordo del tren y el gato en el anden. Si A mide la posición, velocidad o aceleración del gato será desde su marco de referencia, es decir, desde el tren. Digamos que el tren se mueve a 20 km/h (esta pasando por la estación, no puede ir muy rápido) en la misma dirección que el gato, por decir algo, hacia el norte. Entonces si preguntamos a las dos personas A y B por la velocidad y dirección del gato, B nos dirá que los mismos 2 km/h que antes y que el gato se mueve hacia el norte, ¡Pero A dirá que el gato se mueve a 18 km/h (20-2=18) hacia el sur! Ya que desde el tren, ¡El gato se ve pasar hacia atras! Y si preguntamos por la velocidad y dirección del ratón. A nos dirá que el ratón no va a ningun lado, mientras que B nos dice que el ratón corre a 20 km/h hacia el norte. El lector que no se haya quedado dormido ya se habrá dado cuenta de que el problema radica en que cada observador A y B describe las cosas según él las ve, según su marco de referencia. En otras palabras, el movimiento es relativo al marco de referencia, está es la base de la relatividad, en particular, la relatividad galileana.

Galileo Galilei se percató de este fenómeno al considerar el movimiento de los objetos a bordo de barcos en el mar. Y la diferencia con la relatividad de Einstein, fue que la de Einstein contiene un par de elementos adicionales que la hace característica:

  1. Existe una velocidad máxima absoluta, sin importar el marco de referencia, y esta es la velocidad de la luz en el vacío, llamada c (aprox. 300,000 km/s)
  2. El tiempo y el espacio también se ven afectados por el cambio del marco de referencia.

Regresemos con los gemelos. Consideremos que A y B son dos personas nacidas el mismo día y con pocos minutos de diferencia (cosa que no fué de gracia a su madre, ni al padre que pagó por dos nacimientos en lugar de uno). Y subamos al gemelo A no a un tren sino a una nave espacial que viajará a velocidades cercanas a la de la luz mientras que B (y el gato) se quedan en Tierra.

Parte del genio de Einstein fué el darse cuenta de que en ese caso (con objetos que se mueven a velocidades comparables a la de la luz) obedecen las relaciones de Lorentz. Estas relaciones indican como se modifica el espacio y el tiempo para algún marco de referencia que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz con respecto a otro marco de referencia.


Factor de escala, en las ecuaciones de Lorentz es la parte que contiene la relación entre la velocidad del objeto en movimiento v y la velocidad de la luz c.

En particular tenemos algo muy interesante, el llamado factor de escala, en las ecuaciones lo Lorentz es el factor de la raíz cuadrada. Si nos fijamos bien, cuando la velocidad del cuerpo en movimiento v se acerca a la velocidad de la luz c, es factor se reduce, por lo que el tiempo se afecta, mas bien, se afecta el ritmo con el que pasa el tiempo. Si se hacen las matemáticas uno se da cuenta de que el tiempo pasará mas despacio en el marco de referencia de la nave según se ve desde el marco de referencia de la Tierra.


Ecuaciones de Lorentz. Dictan la forma en que se afecta el marco de referencia en movimiento s' con respecto al marco estático s.

Digamos que A y B se ponen de acuerdo en que A viajará de ida y vuelta a la estrella mas cercana (distancia 4.45 años-luz) a una velocidad de v=0.866 c (86.8% de la velocidad de la luz), viaje que durará 10.28 años. Según las ecuaciones de Lorentz, mientras que en la Tierra pasen esos 10.28 años en la nave habrán pasado únicamente 5.14 años. Por lo que el gemelo A envejeció 5.14 años mientras que B envejeció 10.28 años. Por lo tanto, a pesar de que el periodo de separación duró un tiempo determinado, los gemelos envejecieron a un ritmo distinto.

Por extraño que se oiga, esta dilatación temporal es un hecho, se ha medido en partículas subatómicas que se desintegran rápidamente, las partículas duran mucho más si están moviéndose a altas velocidades que a bajas. También en los satélites artificiales en órbita terrestre, a pesar de que su velocidad no es tan alta, el efecto relativista debe ser considerado para los satélites del sistema GPS de lo contrario dará datos incorrectos.

Para terminar me gustaría responder a otra pregunta, que me suelen hacer ¿nunca se han preguntado por que se dice que la velocidad de la luz es la velocidad máxima en el universo y que no se puede siquiera igualar? La demostración es un poco mas compleja, pero con lo visto en esta entrada podemos darnos cuenta de los mismo. Vean el factor de escala:

y las ecuaciones de Lorentz:


¿Que pasaría si la velocidad del objeto v fuera igual a c? el segundo término en el factor de escala sería igual a 1 y como saben 1-1=0 y la raíz cuadrada de cero es cero, pero de las ecuaciones de Lorentz vemos que el factor de escala está en el denominador (es decir abajo en las divisiones) y si recordamos lo que siempre nos dicen lo maestros de matemáticas en la secundaria; "no dividirás entre cero" tenemos que es matemáticamente imposible que v=c.

domingo, 17 de mayo de 2009

Historia Mundial 1

Esta es la primer parte en un serie de entradas que darán un resumen de la historia mundial, la verdadera historia mundial y no la versión minimizada de los libros de texto. Veremos los eventos mas relevantes en la historia de geológica y biológica del planeta. Por supuesto, que algunas entradas que no sean de esta serie se colaran de vez en cuando.

Eón Pre-Hadeano
Hasta hace 4,567 millones de años

La historia de la Tierra comienza en una nebulosa hoy desaparecida. Esta nebulosa, una condensación de gas y polvo del medio interestelar, esta compuesta del material que resultó expulsado de estrellas muertas hace millones de años, en su mayoría Hidrógeno y Helio, pero con un poco de elementos pesados (de Litio a Hierro). Esas estrellas, estuvieron transformando átomos de Hidrógeno en otros átomos durante toda su vida, y al morir los regresaron al espacio donde serían reciclados para formar mas estrellas. Entre estos átomos se encuentran algunos que son fundamentales en la Tierra actual, el Oxigeno y Nitrógeno de la atmósfera, el Calcio y Carbono en los seres vivos y el Silicio y Hierro en los minerales. Todo este material fue arrojado al espacio y grandes nubes de cientos de años-luz de extensión se formaron, estas son las nebulosas.



Imagen (derecha) y localización en el cielo (izquierda) de la nebulosa de Orión. La nebulosa proto-solar era una estructura de la misma naturaleza y probablemente muy parecida.

En los últimos milenios, la nebulosa proto-solar se ha estado desestabilizando, grupos de material mas denso están ejerciendo una atracción gravitacional en las zonas vecinas, de esta manera la masa de estos "grumos" aumenta y en consecuencia aumenta su temperatura y densidad.


Dentro de las nebulosas, como la de Orión, se han encontrado, muchos capullos y discos (los capullos ya colapsados) proto-estelares. Estos son algunos ejemplos.

La nebulosa proto-solar, a pasado los últimos siglos fragmentándose, dividiéndose en pequeños capullos proto-estelares, de cada uno de estos capullos saldrá una o dos estrellas. En cada uno, aparte de la estrella, se esta formando una zona en forma de disco de alta densidad y que esta girando en la misma dirección que la proto-estrella.


Animación del colapso de un capullo, formación del disco proto-planetario, y formación de planetas a partir del disco.

Relativamente poco tiempo pasa (astronómicamente hablando) desde la formación del capullo hasta que la proto-estrella finalmente acumula suficiente material como para llevar su temperatura y densidad a los valores adecuados para iniciar el proceso de fusión nuclear. En este momento la estrella nace, y su radiación empuja el gas circundante para limpiar una zona "libre de gas" que rodea a la estrella joven. En esta zona libre de gas, queda únicamente el polvo para formar cuerpos, por ejemplo planetas, y puesto a que en la nebulosa original existía mucho mas gas que polvo, lo que se formarán serán cuerpos pequeños. Mientras que fuera de esta zona de puro polvo se acumulo el gas original mas el gas removido, en consecuencia se dieron las condiciones para que se formaran planetas de gas, mucho mas grandes de sus vecinos interiores formados de polvo.

Secuencia completa de eventos en la formación del sistema solar. Todo ocurrió en el eón pre-hadeano.

Originalmente se formaron muchos planetas, pero la mayoría tenía órbitas inestables, que o los hacían escapar hacia el espacio o chocar contra sus vecinos o el Sol. En el periodo que siguió, los planetas que hoy conocemos se formaron y crecieron acumulando material pro medio de impactos.


División por zonas de la parte planetaria del sistema solar. Polvo rocoso en el interior y gas y hielo en el exterior.

Con el paso de los años el sistema solar se dividió en zonas, esta división jugaría un papel importante en la historia futura de los planetas, incluyendo al Tierra. En la parte mas interior, en encuentran los pequeños y sólidos planetas Terraqueos, luego los grandes y gaseosos planetas Jovianos, después una zona de cuerpos pequeños de hielo y polvo (cometas y planetas enanos) , el llamado Cinturón de Kuiper, y la última zona es la llamada Nube de Oort, donde se encuentran una gran cantidad de cometas inactivos y se extiende hasta medio camino a las estrellas mas cercanas.

Durante todo este tiempo, la joven Tierra se dedicaba a crecer, atrayendo y absorbiendo material que se encontraba en su órbita. Y dentro del planeta, también comenzó un proceso de diferenciación por zonas, el material mas denso se concentró en el núcleo mientras el más ligero flotó hacia al superficie. La última etapa del proceso de formación del sistema solar fue el llamado "periodo de bombardeo intenso" que se extendió hasta entrado el eón Hadeano.


Sistema solar a gran escala, la estructura esférica en la nube de Oort y el disco en el centro el cinturón de Kuiper. Todo esto rodea a la parte planetaria del sistema.

Continuará en Historia Mundial 2

martes, 12 de mayo de 2009

Callejón sin salida

Entre los muchos tipos de cuerpos celestes que se conocen en el universo, los hoyos negros son los que mas capturan la imaginación del público, probablemente por ser los mas extraños e incomparables con cualquier otra cosa a nuestra experiencia cotidiana.

Pero para entender lo que es un hoyo negro, comencemos hablando sobre la gravedad y su efecto sobre los cuerpos.


Disparos desde un lugar en la superficie de la Tierra. Mientras mayor sea la velocidad del proyectil, mayor será la distancia que puede viajar, en el caso de obtener velocidad de escape, el proyectil se alejará de la Tierra sin regresar, escapará a su gravedad.

Es muy conocido que todos los cuerpos tienen gravedad, y que mientras mas masivo sea, su gravedad será mayor también. Por ejemplo, la gravedad de una montaña será muy superior que la de un chicharo (en la superficie de la Tierra, la gravedad del planeta es tan superior a la de cualquier objeto que nada mas se considera a la hora de calcularla).


Sencilla forma de calcular la velocidad de escape con matemáticas de secundaria. G es la constante gravitacional de Newton, M la masa del planeta o cuerpo de donde se quiere escapar y r la distancia entre el centro del cuerpo y el objeto.

Pero entonces pensemos en lo que se necesita para escapar de un cuerpo, es decir, vencer su gravedad. Básicamente lo necesario es tener la energía suficiente, y esta energía ha de ser en forma de velocidad. La velocidad mínima necesaria para escapar de la gravedad de un cuerpo dado se llama "velocidad de escape" y depende de la masa del objeto de donde se quiere escapar y de la distancia entre el centro de dicho cuerpo y el punto donde se encuentra uno (en el caso de un objeto que escapa de la superficie de un planeta, esta distancia es equivalente al radio del planeta).

Entonces tenemos que para escapar desde la superficie de la Tierra, se necesitan 11.2 km/s mientras que para escapar de la Luna (con apenas 0.0123 veces la masa de la Tierra y 0.273 veces el radio de la Tierra) se requiere de apenas 2.373 km/s, y para el planeta gigante Júpiter (con 318 veces la masa de la Tierra y 11.2 veces su radio) se necesitan 59.572 km/s.


Conducta de los rayos de luz en la superficie de varios cuerpos de masa cada vez mayor. En el hoyo negro, no pueden escapar.

Bien, entonces tenemos que los cuerpos con mayor masa y menor radio (y por lo tanto gravedad) requieren de una velocidad mayor para poder escapar de su gravedad.

Ahora, por un momento, consideramos por otra parte la muerte de las estrellas. Las estrellas mueren cuando se agota su combustible nuclear (hidrógeno). El proceso de muerte estelar consiste en la pérdida de una gran parte de la masa, ya sea por una explosión de supernova o por la formación de una nebulosa planetaria. Y queda reducida a un cuerpo muy denso.

En el caso de una estrella de masa reducida, categoría en la cual se encuentran la mayoría de las estrellas, la masa resultante después de la muerte de la estrella se comprime hasta que los átomo están tan cerca de sus vecinos que el colapso se detiene. De esta manera se detiene el colapso al transformarse el cadáver de la estrella en un cuerpo llamado "enana blanca". Para entender la densidad de tal cuerpo, pensemos en que una enana blanca aproximadamente del tamaño de la Tierra tendría una masa comparable a la del Sol.


Vida y muerte de las estrellas, solo las mas masiva tiene el potencial de ser hoyos negros.

En el caso de una estrella mas masiva, el choque de un átomo con sus vecinos podría no ser suficiente para detener el colapso. En estos casos, la masa es tal que los átomos se "quiebran" resultado en una sopa de partículas subatómicas. Cuando esto pasa, los electrones y protones, antes contenidos en los átomos se combinarán para producir neutrones. Estos cuerpos son los llamados "estrellas de neutrones". Una estrella de neutrones con la masa del Sol, tendrá el tamaño no de la Tierra, sino de una ciudad. Como se puede ver, la densidad de la estrella de neutrones es mucho mayor que de la enana blanca. Y en consecuencia su gravedad es mayor (la mayor densidad implica mayor masa y menor radio).

Pero existen estrellas tan grandes que al morir, aun queda tanta masa que el colapso no se detiene, ni el choque de un átomo con otro, ni de un neutron con sus vecinos. Se llega a un límite de masa, en el cuál nada en el universo puede detener el colapso, en este caso, la densidad, la gravedad y la velocidad de escape aumentan continuamente.


Representación artística de un encuentro entre un estrella normal y un hoyo negro. Al acercarse demaciado la estrella sería atraida irremediablemente al hoyo negro. Al caer hacia el hoyo negro, la estrella sería despedazada por las intensas mareas gravitatorias.

Eventualmente, en estos cuerpos super-densos, la velocidad de escape se iguala a la velocidad de la luz, 300,000 km/s. Cuando esto pasa, se requiere una velocidad igual a la de la luz como velocidad de escape para poder vencer la gravedad. Pero puesto a que el colapso continúa la gravedad y la velocidad de escape siguen aumentando. En este momento el cuerpo se transforma en un hoyo negro.


Fotografía del centro de la galaxia NGC4261. Este disco de materia brilla debido al intenzo calor producido de la fricción de partículas de polvo al caer hacia el centro. Al calcular el tamaño del cuerpo central y la masa que debe tener para atraer tanto gas y polvo de esta manera, se concluye que dicho cuerpo es un hoyo negro.

Por definición el hoyo negro es un cuerpo o región de la cuál la velocidad de escape es superior a la velocidad de la luz. Y puesto a que esta la luz es lo más rápido en el universo, nada puede salir de un hoyo negro.

Entonces tenemos que la muerte de una estrella muy masiva puede generar un hoyo negro. Y ya que tiene una gravedad tan fuerte, al acumular mas materia el hoyo negro puede seguir creciendo, terminando, si tiene suerte como un hoyo negro supermasivo.

Otra pregunta muy frecuente es sobre que tan posible es que un hoyo negro se trague a la Tierra. La probabilidad es increíblemente baja. No hay suficientes estrellas con la masa adecuada como para que los hoyos negros sean tan comunes como para representar una amenaza. Sin embargo en el núcleo de las galaxias se suelen encontrar algunos hoyos negros supermasivos muy interesantes.


Imágen del centro de nuestra galaxia. La estrella en el centro muestra la posición del hoyo negro central de la Vía Lactea, los puntos de colores son estrellas que lo están orbitando.

Como siempre, espero sus dudas y comentarios.

domingo, 10 de mayo de 2009

La evolución de las "mamás", "papás" y la infancia.

Hace unos 125 millones de años se celebró el primer "día de las madres". Bueno, al menos desde entonces se tenían razones para celebrarlo ya que fue cuando aparecen las primeras "mamás" y "papás" en el sentido que solemos manejar.


Repenomamus, uno de los mamíferos primitivos, aún con algunas características de reptil, tal como la posición y estructura de las patas. Era uno de los pocos mamíferos de su época que comía dinosaurios.

El origen de lo que hoy entendemos como "maternidad" e "infancia" esta directamente relacionado con la evolución de los mamíferos, ya que lo que nosotros entendemos por familia con relaciones exclusivas de dichas criaturas. Mientras que todos los animales de reproducción sexual tienen, estrictamente hablando, padres, solo en los mamíferos, esto tiene implicaciones mas amplias que únicamente compartir genes.

Lo que hace a los mamíferos diferentes de reptiles, aves y cualquier otro animal, no es solo la cubierta de pelo y la habilidad de alimentarse de la madre (sin matarla, como en el caso de algunas arañas), sino la habilidad de aprender.


Eomaia Scansoria, "madre antigua", el primer mamífero moderno, de hace 125 millones de años. Con todas las características de un mamífero actual.

Los animales han evolucionado con diferentes grados y tipos de inteligencia. Por ejemplo, los insectos se basan en "programas" muy sencillos, algunos cuantos instintos básicos y control de movimiento. Los peces ya tienen algoritmos mas complejos y capaces de adaptaciones sencillas. Los reptiles, poseen una inteligencia muy interesante, ya que si bien es cierto que no son capaces de aprender muchas cosas nuevas con cuenta propia, pueden llevar sus respuestas instintivas a niveles de complejidad mucho mas avanzados que otras criaturas, ellos ya son capaces de actuar de manera rápida y eficientes en una variedad de situaciones para lograr un propósito específico.

Pero hace unos 210 millones de años, pequeños animales cubiertos de pelo y que se alimentaban del cuerpo de la madre, entraron en escena. Estos nuevos animales tenían una variedad de innovaciones:
  1. Dos juegos de dientes, uno salía después del otro. A diferencia de los reptiles a quienes se les pueden salir nuevos dientes bajo demanda durante toda la vida.
  2. Una cubierta de filamentos, es decir "pelo". Un buen aislante térmico.
  3. Salían del cuerpo de la madre ya vivos.
  4. Los adultos supervisaban a las crías durante las etapas iniciales.
  5. Tenían un periodo de aprendizaje rápido, donde las crías se entrenan por medio de la observación.
Las características 4 y 5 son la base de la conducta típica y característica de los mamíferos. La combinación de las propiedades mencionadas anteriormente es lo que da origen a una etapa en la vida que es particular de los mamíferos y que es probablemente la adaptación evolutiva mas importante en nuestra historia, la infancia.


Comparación entre el grado de complejidad y organización entre cerebros de diferentes especies, nótese los grandes y complejos cerebros de mamíferos.

La infancia es de suprema importancia en el desarrollo de la inteligencia. Por definición, la infancia es un periodo al inicio de la vida en la cual la cría de una especie aprende a sobrevivir siguiendo el ejemplo de sus padres y aprendiendo mediante la exploración de su medio ambiente.
Este tipo de aprendizaje es posible gracias a la estructura cerebral de los mamíferos, que les permite hacer algo que los ancestros reptiles no pudieron, aprender lo suficientemente rápido como para que un individuo se ajustara al lugar y momento que viviría.


De nuevo, comparación entre la estructura cerebral, ahora de grupos. La mayor complejidad del cerebro mamífero es evidente.

Este potencial de aprendizaje conlleva dos consecuencias; primero, las crías requieren protección mientras aprenden, y segundo, se adaptan mas rápido a cambios bruscos en el ambiente (en comparación con otros grupos tales como reptiles o aves). Pero esto implica la necesidad de tener a los adultos cerca de las crías durante el tiempo que dure la infancia, es al necesidad de formar una familia. Los adultos se encargarán de mantener vivas a las crías, mientras las crías se encargan de aprender y adaptarse al mundo en el que viven.

Esta estrategia es mas eficiente si se dividen las labores de los adultos, en particular se requiere que uno sea capas de alimentar a las indefensas crías que suelen nacer sin dentadura y musculaturas bien desarrolladas, esta es la razón de la evolución de la "mamá". Mientras que el otro adulto se puede especializar en otras tareas, tales como defensa y/o enseñanza de habilidades particulares.


Mujer de la especia Homo Sapiens Neanderthalis, una de las madres mas eficientes de la historia.

Esta estructura familiar permitió a los mamíferos sobrevivir a la extinción masiva de finales del periodo Cretáceo que terminó con los dinosaurios. El impacto que detonó la extinción, con el subsecuente bloqueo de la luz solar durante dos años y el colapso de la cadena alimenticia fue un cambio demasiado rápido, demasiado brusco, para los especializados dinosaurios y la mayoría de las especies de reptiles, pero no para los mas generalistas e inteligentes mamíferos. Durante el reinado de los dinosaurios, los mamíferos se limitaron a estar en la sombra de los gigantes y evitar ser casados (aunque de cuando en cuando un mamífero casaba algún dinosaurio). Pero durante los difíciles años de la extinción, los métodos ancestrales de los saurios dejaron de ser útiles, pero los pequeños y peludos mamíferos recién nacidos se enfrentaban al mismo mundo con actitud de exploración y mientras eran protegidos por sus madres aprendían a sobrevivir en su espacio y tiempo, no en el de sus abuelos. Pronto después inició el dominio mamífero de la Tierra, que continúa hasta la fecha.


A diferencia de algunos de sus ancestros, las mujeres Neandertales tenía caderas que facilitaban el parto de niños con grandes cerebros.

Mas adelante, hace 500,000 años, nuevos cambios evolutivos en la familia se presentaron. Nuestros antepasados Homo requerían un nuevo tipo de familia. Ahora mamá debía ser capaz de soportar partos de niños con cerebros cada vez mas grandes, y tanto mamá como papá debían de asociarse con otros para formar comunidades y proteger a las crías en conjunto. Esto requirió que los padres jugaran un papel mas marcado en la educación de los jóvenes (futuros cazadores y rastreadores) sino que también les debían de enseñar nuevas estrategias de supervivencia jamas antes usadas, como la cooperación deliberada, mientras que las madres ahora debían de preparar a sus hijos para sobrevivir dentro del grupo. La familia ahora tenía que enseñar lenguaje, normas de conducta, técnicas de supervivencia y trabajo de materiales, en general, debía de transmitir una cultura.

Una de las especies con familias mas avanzadas fueron los Neandertales (Homo Sapiens Neanderthalis), su estructura familiar y social fue tan eficiente que lograron colonizar Europa y gran parte de Asia usando una tecnología sorprendente y grupos sociales funcionales y duraderos. Sin embargo, la otra gran especie sapiens, nosotros (Homo Sapiens Sapiens), logró sobrevivir y desplazar a los Neandertales.


Muchos de los grandes logros de la especie han sido el resultado de las habilidades que evolucionaron entre con los mamíferos y después la familia Homo.

Se suelen dar muchas razones, superioridad tecnológica, flexibilidad social, mayor habilidad de abstracción, mejor dominio del lenguaje, pero nada de esto hubiera sido posible sin una adaptación en particular, infancias mas largas durante las cuales aprender todas esas habilidades.

sábado, 9 de mayo de 2009

Vida vs. Caos

Uno de los primeros y mas constantes problemas de la exobiología es definir que es "vida" es decir, como distinguimos lo "vivo" de lo "no vivo". Por esto uno suele proceder a buscar una definición de vida. Pero encontrar una definición adecuada no es sencillo, ya que muchas veces uno se debe ajustar a alguna situación particular o incluir excepciones.


Estructura básica de un cristal de celda exagonal. Los puntos representan partículas y su orden es repetido en todo el volumen del cuerpo.

Entre las múltiples definiciones de lo que es vida esta la siguiente, considerar "vivo" a:

"Todo sistema físico basado en carbón con la habilidad de absorber energía y materiales de su ambiente con el fin de crecer y reproducirse, generando descendientes que serán sometidos a un proceso de evolución Darwiniana."

Como siempre pasa con las definiciones, esta debe ser sometida a prueba con los ejemplos de sistemas que son considerados "vivos" o "no-vivos". Por ejemplo, los cristales podrían, en algunas situaciones parecer "vivos", ya que crecen tomando materiales y energía el ambiente, y un pequeño segmento puede servir como "semilla" para generar otro cristal similar. En cuanto a la evolución Darwiniana no se puede hacer mucho, salvo interpretar la "selección" de cristales similares ante la destrucción de cualquiera que sea diferente (algo similar a lo que pasa con las cucarachas, la razón por la que a lo largo de su historia no han cambiado) . Así vemos que materia claramente no-viva se puede acomodar en la definición.


Cristales exagonales macroscópicos, estas formaciones de roca se encuentran en una estructura similar a la imagen anterior.

Pero existe una característica propia de los cristales que los hace distintivos, su estructura ordenada. No son como cualquier sólido, sino que sus partículas constituyentes se encuentran en un orden fijo y repetitivo. Entonces, ya que un cristal claramente no es algo vivo, debemos de incluir algo en la definición que excluya a los cristales.


Vista superior de los cristales de la imagen anterior.

Una idea para hacerlo la dio Edwin Schrodinger (sí, el mismo que trabajó en mecánica cuántica, y padre de la famosa ecuación que lleva su nombre y es base de esa rama de la física) y a sido modificada en años recientes para ajustarla mejor, la propuesta es definir a algo vivo como un sistema que tenga la característica (aparte de las ya mencionadas) de reducir la entropía de manera que se almacena información.

Diferencia entre Orden y Caos. El diamante esta compuesto por átomos de carbono, tal como el carbón mineral. En el diamante se ordenan para formar un cristal, mientras que el carbón mineral es un sólido amorfo, sin estructura cristalina. Las partículas son las mismas y por lo tanto las propiedades química son muy parecidas (el diamante se quema tal como el carbón, no lo hagan en casa) pero las propiedades físicas de los cuerpos son muy diferentes.


Veamos que es esto.

En primer lugar ¿que es la entropía? En pocas y no-matemáticas palabras, la entropía es el "grado de desorden" (nunca me gustó eso de "grado de desorden", prefiero la definición matemática, pero sería muy largo tratarlo aquí) en un sistema dado. Imaginemos que nuestro sistema (ya que lo podemos definir como queramos) es un conjunto de cuerpos, digamos, piedras. Y a estas piedras las sometemos a un proceso cualquiera (moverlas, amontonarlas, quebrarlas, etc), un resultado curioso es que no importa lo que hagamos, la cantidad de orden en el sistema siempre se reducirá. Por orden entendemos cualquier patrón reconocible, mientras que por desorden, la perdida de ese patrón. Este resultado se enuncia en la segunda ley de la termodinámica:

"En un sistema cerrado, la cantidad de entropía siempre aumenta con el tiempo."

¿Pero es esto cierto?¿Somos físicamente incapaces de ordenar el universo? En el ejemplo del montón de piedras, digamos que el proceso al que se someten es el de acomodarlas en línea en secuencia de tamaño. ¿No es esto un "orden"? Si lo es, pero al ordenar esas piedras, causé mas desorden del que reparé. La segunda ley de la termodinámica dice "En un sistema cerrado,..." Entonces podemos ordenar un pedazo del universo. Digamos, las piedras, con el costo de causar mas desorden en el resto del universo.


"Sala de los gigantes" en la mina de Naica, Chihuahua. Los cristales son materia muy ordenada, pero el humano introduce entropía.

Entonces tenemos que el mismo proceso de ordenar algo causará mas desorden en el exterior del sistema(al final, el orden total del universo siempre disminuye, es decir, la entropía aumenta). Esto puede parecer muy extraño, pero hemos de tomar en cuenta que este desorden puede ser en forma de calor en el aire que rodea las piedras, turbulencias generadas, degradación en las piedras, aumento de temperatura en el cuerpo de la persona que las mueve, etc. El punto es que en la naturaleza, la entropía siempre aumenta, aunque se reduzca en un pequeño sistema.

ADN. Ejemplo de materia ordenada que codifica información. Dicha Información es para fabricar como un conjunto de sistemas de apoyo para su reproducción," sistemas reductores de entropía".

Ahora vemos por que los cristales son interesantes, son sistemas naturales que reducen la entropía (localmente) al repetir el mismo patrón una y otra vez (la llamada celda del cristal, la figura básica). Sin embargo, no se codifica información alguna.¿Entonces, que relación tiene eso de reducir la entropía y codificar la información con la vida? Que eso es justamente lo que hace el ADN.


Célula, muestra los primeros sistemas auxiliares del ADN.

El ADN no es un cristal, pero ordena materia, y lo hace codificando información para construir seres vivos. Así que no solo es el ADN lo que vive, sino todo el conjunto de sistemas de apoyo que tiene, en primer lugar, todos los organelos de la célula y luego, los diferentes sistemas de un organismo. Un animal o planta cualquiera ha evolucionado de manera que esa criatura como sistema funcione lo mejor posible (aunque diste de perfecto), y cada sub-sistema dentro de ese sistema hace lo mismo, así, hasta llegar a la célula, que tiene como propósito principal el mantener funcionando el ADN.

Así llegamos a que una propiedad característica de la vida es la habilidad de reducir la entropía mientras codifica información. Y los procesos de envejecimiento y muerte no son mas que la perdida de funcionalidad de los sistemas que reducen la entropía. Nuestras células pueden tolerar un cierto nivel de desorden, pero se llega a un punto en el que el desorden es tal que no se puede reparar. Así se pueden ver a los seres vivos como "sistemas reductores de entropía" para su conjunto particular de genes.

Por lo tanto, la vida no es mas que información y orden entre un caos de materia y datos sueltos.

Y mientras mas grandes y complejos los organismos, son mas frágiles al ser mas susceptibles al desorden. Una bacteria es mas "resistente" que un humano por que es mas sencilla, el humano es mas grande y complejo, requiere mas orden. Mientras que nosotros mismos somos ejemplos de materias con habilidades sorprendentes. Los humanos somos materia ordenada que produce mas materia ordenada. Ordenamos los componentes (antes caóticos) de la Tierra y construimos ciudades, ordenamos caracteres y generamos escritura. Inclusive, nos ordenamos a nosotros mismos y nuestras ideas para generar culturas y civilizaciones.


En la naturaleza existe el caos, las leyes de la física y química generan orden, la información codificada dentro de ese orden genera vida.


Ejemplo de "sistema reductor de entropía" en un nivel de organización mas elevado que una célula. El animal entero se organiza en sistemas, de sistemas de sistemas.

domingo, 3 de mayo de 2009

Como en los buenos tiempos

Cuando he llegado a dar conferencias sobre la vida y obra de los grandes científicos se me hacen toda clase de preguntas, incluyendo una que casi siempre esta presente: ¿Por que ya no hay científicos como los grandes del pasado: Eratóstenes, Aristarco, Galileo, Kepler o Huygens?
Y claro, no falta quien entra en la ciencia inspirado por y deseando ser como estos grandes.

La pregunta es muy válida ya que al menos de que uno este familiarizado con publicaciones científicas especializadas es raro que uno se entere de los nombres de los científicos relevantes de la actualidad. Y si consideramos la impresionante producción científica actual se vuelve mas intrigante la pregunta.


Dos de los telescopios de Galileo, diseñados, fabricados y usados por él mismo.

Esto se debe a que la forma de hacer ciencia ha cambiado. Y para entender esto, es necesario primero entender el propósito de la ciencia que es entender la naturaleza. Y la forma mas eficiente de lograrlo es entender cuales son los componentes de los sistemas que conforma la naturaleza y la relación entre ellos, esto nos daría noción de la forma en que trabajan los sistemas que componen el mundo.

La respuesta que viene a la mente es que en los tiempos de Aristarco o Galileo, muchos de los aspectos básicos de la naturaleza estaban todavía por descubrirse. Pero si consideramos la cantidad de campos de investigación que existen hoy y los temas dentro de esos campos, vemos que actualmente se tienen muchas mas interrogantes sobre la naturaleza que en cualquier otro momento de la historia. Lo que pasa en realidad es que debemos de entender como es que se realizan los avances científicos, lo que podemos agrupar en tres categorías:

  1. Estudio de fenómenos conocidos. Por ejemplo, el movimiento del Sol en el cielo. Este es un fenómeno conocido por todo el mundo, pero cuando alguien se decide a estudiarlo, interpretarlo y darle una explicación es cuando se obtiene un resultado de renombre. Por ejemplo; la formulación de los sistemas heliocéntrico o geocéntrico. Todo el mundo sabia que el Sol salía por las mañanas y se metía en el horizonte opuesto por las noches. Pero solo unos cuantos lo estudiaron y desarrollaron teorías y modelos.
  2. Uso de nueva tecnología. Por ejemplo, el telescopio. Galileo no inventó el telescopio, simplemente lo uso como no se le había usado hasta entonces. El telescopio era algo ya conocido, secreto de estado para unos y juguete para otros. Pero al usarlo Galileo para estudiar el cielo se percató de que las ideas existentes en su tiempo no concordaban con las observaciones nuevas.
  3. Cambio en la forma de pensar. Ejemplo, el trabajo de Kepler. Tal como se mencionó en la entrada anterior, el primer modelo del universo fue el geocéntrico, el cuál sufrió muchas modificaciones en su historia. Sin embargo es poco conocido que ya a finales de la edad antigua, este modelo tenia una complejidad matemática increíble e inclusive contenía algunos elementos matemáticos que lo hacían muy parecido al de Kepler. Pero durante mil años nadie termino el trabajo, nadie se dio cuenta del error fundamental. Hasta que Kepler considero que tal vez no existían las esferas.
Entonces conocemos las formas básicas en las que se logran avances científicos. Y reconocemos que los personajes de renombre son aquellos cuyo trabajo ha caído en una de estas categorías. Pero entonces ¿ya nadie trabaja de esta forma? claro que si, lo que pasa es que los temas de estudio han cambiado también.


Telescopio espacial Kepler, diseñado y construido por un equipo de cientos de personas.

Kepler trabajó tanto en astronomía como en óptica, matemáticas y anatomía (estudió el ojo), Galileo en astronomía, mecánica, acústica y física de fluidos. Mientras que los científicos mas actuales trabajan solo en cosas muy especializadas, ya no se cambian de una ciencia a otra como antes, por que simplemente, ya no se puede.


Aparato para el experimento de la gota, de Millikan. Todo estudiante de física ha realizado al menos una práctica de laboratorio con una versión modernizada del mismo.

Galileo, construyó y utilizó su telescopio por sí solo. El "experimento de la gota" de Millikan (con el que se obtuvo la relación carga/masa del electrón) realizado entre 1909 y 1917 dos personas bastaron para realizar los cálculos previos, el trabajo de laboratorio y revisar los resultados. Para una sola sección del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) se requiere del trabajo de mas de 2,000 físicos (con sus respectivos equipos) de cientos de universidades en 34 países (mas los miles de técnicos y estudiantes que trabajan en los cientos de miles de aparatos y controles). Todo se debe a que la especialización dentro de la ciencia ha llegado al estado en el que se requiere de invertir décadas de estudio para tratar un solo problema, simplemente no es posible dedicarse a múltiples problemas como antes (algunos físicos dedican toda su vida laboral a la solución de alguna ecuación en particular). Así que hoy, los grandes descubrimientos se realizan por equipos enteros, las nuevas publicaciones científicas tienen una gran cantidad de autores.


Esquema en vista aérea del Gran Colisionador de Hadrones, nótese los campos sembrados, pueblos y montañas. Este no lo usan todos los estudiantes de física.

Pero a pesar de todo esta especialización, han estado surgiendo campos de estudio nuevos, o mas bien, lo nuevo es la aproximación que se les da. Una consecuencia de la especialización de las ciencias fue su constante separación, sin embargo han estado surgiendo tendencias que hacen todo lo contrario, integran diferentes ciencias o áreas de estudio, por ejemplo el diseño de software con la biología, la mecánica estadística con la sociología y otros ejemplos mas. En estas nuevas áreas es posible que aún salgan algunos "Galileos".

viernes, 1 de mayo de 2009

8 minutos II

continuación de la entrada anterior

... Kepler tomo la decisión que marcaría la historia. Siguió una conducta que fue extraña en la edad media, pero que se habría de transformarse en la piedra angular de la ciencia, respetó la verdad sobre sus mas apegadas creencias.

Kepler decidió aceptar la diferencia de esos 8 minutos de arco. Hoy nos podría parecer la opción lógica, pero situemosnos en el tiempo de Kepler. El misticismo y la superstición gobernaban la mente de las personas, el respeto a los hechos observados quedaba en segundo lugar a las creencias. Y sin embargo Kepler sacrificó, el trabajo de su vida, en lo que creía, su visión personal de universo, a cambio de aceptar que la posición de Marte tenía un error de 8 minutos de arco.

Después de esto, Kepler decidió buscar la forma real de la trayectoria de los planetas, y después de mucho trabajo y análisis de datos, en 1609 ( hace exactamente cuatro siglos ) publicó sus primeras dos leyes del movimiento planetario:

1.- Todos los planetas se mueven en trayectorias elípticas que tienen al Sol en uno de sus focos.
2.- Una línea que una al Sol con un planeta cubrirá áreas iguales en tiempos iguales.

Veamos lo que implica la primera ley:
En primer lugar, ¿que es una elipse? Es una figura emparentada con el circulo, es una especie de circulo "achatado". Para obtener un circulo basta con colocar sobre un papel un par de clavos, atar un hilo en torno a ellos y, con un lápiz dibujar una linea mientras se mantiene el hilo tenso. La figura resultante es como se muestra a continuación:



donde los puntos donde se colocan los clavos son los llamados focos, y en el caso de cuerpos orbitantes el cuerpo mayor (por ejemplo, el Sol) siempre se encuentra en uno de ellos.


Primera ley de Kepler, Todos los planetas se mueven en trayectorias elípticas que tienen al Sol en uno de sus focos.

Ok, entonces la primera ley de Kepler nos dice que los planetas se mueven describiendo elipses. Para un astrónomo, es simplemente lo primero a aprender al estudiar movimiento orbital, pero hay mucho mas tras de este enunciado. Esta fue la primera vez desde que se propuso el modelo geocéntrico en la antigua Grecia en que se cuestionaba la existencia de las esferas.

Durante los siglos que pasaron después de que se propuso que los planetas se movían pegados en la superficie de esferas , se efectuaron cambios en la cantidad, posición, inclusive el orden de las esferas. Kepler fue el primero en darse cuenta, de que no había tales esferas. Los planetas, identificados poco tiempo antes por Galileo como cuerpos naturales, simplemente se movían por el espacio.

Mientras la segunda ley, la que habla sobre la igualdad de las áreas cubiertas por lineas que unen al planeta con el Sol en periodos iguales dio origen a la noción de que existía alguna especie de influencia ejercida por el Sol sobre el planeta. Esto es por que una consecuencia directa de esta ley es que el planeta viajará mas rápido al estar cerca del sol que al estar lejos, por lo tanto "algo" debía existir en el sol que gobierne el movimiento del planeta. Tiempo después, Newton identificaría ese "algo" como lo que llamamos gravedad.


Segunda Ley, Una línea que una al Sol con un planeta cubrirá áreas iguales en tiempos iguales. En cada periodo de duración t se cubrirá un área A.

Estas dos leyes fueron las primeras leyes físicas modernas, y su publicación fue de los eventos que marcaron el año de 1609 como en año en que nació la astronomía moderna.

Diez años después, en 1619, Kepler publico su tercer y última ley que dice que el cuadrado del periodo (el tiempo que tarda el planeta en completar una órbita) es igual al cubo (tercera potencia) de la distancia entre el centro de la elipse y el punto mas lejano de la órbita. Esta, ya mas matemática, ley nos permite calcular la distancia entre un planeta y su estrella sabiendo únicamente el tiempo que le toma orbitarla, algo muy fácil de observar.


Tercera Ley, el cuadrado del periodo orbital (medido en años) es igual al cubo del eje semimayor (medida en unidades astronómicas, la distancia entre la Tierra y el Sol).


Demostración de la utilidad de la tercera ley de Kepler, inclusive con los planetas no conocidos en 1609, las leyes de Kepler se cumplen (como lo hacen de hecho, para cualquier cuerpo macroscópico en el universo que esté orbitando a otro).

Hoy se considera a Kepler como una de los grandes genios en la historia de la ciencia y uno de los actores del renacimiento. Pero poco se menciona sobre el esfuerzo intelectual que fue necesario para pasar del modelo original de Kepler con esferas separadas por solidos pitagóricos a las tres leyes, pasar de la mente medieval a la moderna, del decretar la verdad a respetarla.

En el caso de Kepler, la separación entre decretar una "verdad" reconfortante y respetar la verdad observada, fue de 8 minutos de arco.