lunes, 31 de mayo de 2010

Entre las nubes

No es dominguera ni toca en la plaza, pero hace pocos días Júpiter perdió una banda, una banda de nubes, claro. Se trata de la Banda Ecuatorial Sur, la que se redujo de tamaño hasta dejar de verse, la razón o si esto es o no un cambio permanente aún esta por verse. Para aquellos que no hayan leido dicha noticia veamos algunas cosas sobre las nubes de Júpiter.


Antes y después, Júpiter con y sin la Banda Ecuatorial Sur.


Estructura de la Atmósfera de Júpiter. La línea azul indica la temperatura en cada región.

Júpiter, como todos los restantes planetas gigantes (Saturno, Urano y Neptuno) es un cuerpo de superficie gaseosa que cubre una zona líquida y un probable centro sólido. Así que a "superficie" de Júpiter en realidad es su cielo, todo lo que vemos en el planeta con capas de nubes sobre otras capas de nubes y las múltiples estructuras que se ven en nuestros telescopios y sondas espaciales son enormes formaciones de nubes, es decir, fenómenos meteorológicos. Por lo cuál podríamos esperar que dichas estructuras cambien constantemente, sin embargo desde que inició el estudio de las nubes de Júpiter hemos visto siempre la misma configuración. Los únicos cambios eran pequeños detalles en la estructura interna de las bandas de nubes y las tormentas. Pero siempre era el mismo patrón, una serie de bandas, incluyendo dos muy prominentes Banda Ecuatorial Norte y Banda Ecuatorial Sur y la muy conocida Gran Mancha Roja. Esto nos da una sensación de un planeta que siempre se ve igual, y al saber que las superficies planetarias no cambian muy rápido, la "superficie" de Júpiter, es decir su cubierta de nubes nos reforzó al idea de que no cambie de forma visible.


Superficie del núcleo hipotético de Júpiter, un mar de Hidrógeno Líquido Metálico sobre cuya superficie estallan relámpagos con la longitud comparable o mayor que el río amazonas.

Pero a fin de cuentas las nubes jovianas son tan caprichosas como las terrestres y se entregan al ir y venir según lo dicten los vientos de cada planeta con la misma despreocupación. Así que lo recientemente acontecido en Júpiter es que ya no se ve una banda de nubes que le fue característica durante mucho tiempo. Noten que he aclarado con un "ya no se ve" en lugar de "desapareció", ya que aun no se sabe cuál es la causa de este fenómeno, no se sabe si la banda de nubes de desintegró o si simplemente esa cubierta por más nubes, claras, que nos tapan la visión.


Posible culpable de que no veamos la Banda Ecuatorial Sur, Júpiter tiene una variedad de bandas de nubes altas que son de color claro, la formación de una estructura similar podría explicar la desaparición de nuestras imágenes de la BES.

Sea la razón que sea, esto es el segundo recordatorio que tenemos de lo fácil que es alterar la apariencia de un planeta gaseoso, el primero fue cuando el cometa Shoemaker-Levy 9 impactó, también contra Júpiter dejando enormes marcas sobre su superficie que ya se han borrado.


Tres tomas de los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy 9 que impactó contra Júpiter dejando marcas sobre la capa de nubes.

Así que esperemos para averiguar que fue lo que sucedió en Júpiter, aun es muy reciente y no se han obtenido resultados definitivos que expliquen este fenómeno. Espero pronto tengamos la explicación de este fenómeno.


Marcas dejadas por el impacto de los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy 9 sobre Júpiter.

martes, 25 de mayo de 2010

¿Que le enseñarias a una célula?

Hace poco salió una noticia sobre una "célula artificial" creada por científicos del Instituto J. Craig Venter en Estados Unidos. Por supuesto un titular como ese llama mucho la atención. Pero aclaremos bien a lo que se refiere. En primer lugar, la célula no es artificial, es una célula normal, a la que se le "instalaron" instrucciones genéticas artificiales. Para entender esto veamos un poco sobre genes.


Imagen de microscopio de las "células artificiales". En realidad lo artificial es el código genético en su núcleo.

Los genes, unidades de información codificada en el ADN. Por lo general se piensa que el ADN solo codifica la información sobre como fabricar una nueva célula, es decir, que con tiene lo el "plano" de una célula nueva. Pero esto no es así, también contiene información sobre todo lo que la célula debe hacer y como hacerlo. Así que si una de las células en nuestros cuerpos logró quemar la azúcar de la manzana que nos comimos, es por que en su ADN esta la información sobre como hacerlo. Algunos genes codifican lo necesario sobre el proceso de mezclar azúcar con oxigeno para lograr una oxidación y como aprovechar esta energía. De igual forma se codifica información sobre todo el resto de cosas que hace un célula en su día. Por ejemplo, saber contraerse en el caso de los músculos, procesar luz en el caso de los ojos. O en el caso de algún organismo unicelular, contienen todo lo necesario para que dicho organismo funcione. Por ejemplo, en el caso de una bacteria, en el ADN esta todo lo referente a como hacer lo que sea que las bacterias hagan (comer, dividirse, moverse, buscar comida, etc, etc). O si se es un virus, saber como identificar e infectar a otra célula para generar mas virus.

De hecho, los virus nos ayudan a entender la idea detrás de fabricar la dichosa célula artificial. Resulta que la forma de operar de los virus es parasitando a una célula para reproducirse. El virus llega, inyecta su código genético en la célula a infectar y esta misma, al buscar genes con instrucciones que obedecer encuentran ese código y ejecutan las instrucciones, que las suele llevar a producir mas virus hasta que la célula muere. Puesto a que cada especie microscópica, depende de su código genético para hacer lo que sea que hagan para sobrevivir, el alterar los genes llevaría a alterar la conducta de la célula. Imaginen entonces lo que podrían hacer si lo gran "escribir" las instrucciones en los genes de una célula. Piensen en una especie de "levadura" que coma petroleo para limpiar derrames, echan unos gramos y ella sola se reproduce hasta consumir todo el petroleo y luego elegantemente se muere. O un virus hecho por el hombre que esté diseñado para ignorar células sanas, pero que busque y destruya células de tumores. O con la capacidad de entregar "genes de repuesto" a órganos defectuosos, ¿tiene usted algún padecimiento genético en el corazón? ¿para que esperar un costoso trasplante lleno de riesgos? Basta con inyectarle una dosis de virus que reparen su corazón entregando los genes corregidos a las células indicadas.


Ciclo de vida del virus de la Hepatitis C. El virus llega a la célula, inyecta su código genético con lo cuál la célula es engañada para fabricar mas virus. Con esto, el virus sobrevive, la célula trabaja hasta morir y la persona se enferma (no es bueno quedarse sin células).

Las potenciales aplicaciones médicas de esta tecnología son increíbles. De aquí el deseo de hacer el experimento de diseñar un código genético desde cero e inyectarlo en una célula. Esto fue lo que lograron. La célula no solo sobrevivió sino que se dividió generando cientos de nuevas células con copias de sus propios genes.

Mientras que siempre habrá peligro con toda tecnología nueva, y siempre habrá quién pegue el grito de alarma, esto es algo que tarde o temprano se hará por alguien mas. Así que en lugar de sacarle la vuelta, mejor aprendamos a vivir con esta tecnología y a usarla de forma constructiva.

Como ya se dijo, las aplicaciones médicas de estas células son muchas, también podrían tener aplicaciones ambientales e industriales. ¿Ustedes que le enseñarían a hacer a una célula? Manden sus respuestas :)


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domingo, 23 de mayo de 2010

Mamma mia

En complacencia al publico, aquí va algo de sobre "Eva Mitocondrial y Adán Cromosómico", de hecho es un muy buen ejemplo sobre los detalles y menudencias de la herencia y en consecuencia de la evolución. En primer lugar aclaremos que lo de "Adán y Eva" son una licencia que algún reportero se tomó al usar figuras de la mitología popular occidental para designar a los supuestos ancestros de toda la especie. Entonces veamos lo de la mujer y el hombre a quienes prefiero llamar "Mamá Mitocondrial y Papá Cromosómico" (aunque Mega-Mamá o Non-plus-ultra-Madre tampoco estarían mal).


Mega-mamá mitocondrial. Concepción artística de una joven mujer con un infante viviendo en el este de África hace 150,000 a 200,000 años. Esta mujer podría ser ancestro de toda la población humana actual (al igual que el niño).

Bien, empecemos con el asunto de la herencia mitocondrial y cromosómica. Como ya sabemos, los genes de los padres se transmiten a los hijos. En este caso se combinan los genes de padre y madre para dar origen a un nuevo genoma, es decir el código genético de los hijos es una combinación del de los padres. Esto se refiere al ADN que se encuentra dentro del núcleo de la célula, pero dentro de las mitocondrias tenemos también ADN. Las mitocondrias son estructuras dentro de nuestras células que son los lugares donde se rompen las moléculas de azúcar para generar energía, es decir son los "reactores" de la célula. Pero estas estructuras fueron un día células independientes. Hace cientos de millones de años diversos tipos de células comenzaron a vivir unas dentro de otras en una sorprendente adaptación evolutiva. Esta alianza entre células primitivas fue tan exitosa que luego se comenzaron a dividir juntas, mientras las pequeñas aportaban energía a las grandes, las grandes los daban protección y alimento. Así, al vivir juntas y ser unas anfitrionas de otras, al dividirse las grandes se dividían las chicas también. Con el tiempo las pequeñas perdieron casi todas sus funciones celulares y se transformaron en organelos de las mayores. Así es como las actuales células de los animales adquirieron las mitocondrias y como es que estas tienen su propio ADN.


Imagen de una mitocondria, organelos de la célula que contienen su propio ADN el cuál es transmitido de madres a hijos.

Ya teniendo esto claro, hemos de saber que las mitocondrias que tenemos son herencia únicamente de nuestras madres. Es decir, de las mitocondrias del óvulo de la madre descienden las de nuestras células. Así, los marcadores genéticos (pequeñas características distintivas dentro de los genes) en las mitocondrias se pueden rastrear por la linea de descendencia materna. Al hacer esto se puede concluir, por ejemplo, hace que tantas generaciones se separaron las lineas de descendencia entre dos personas por sus lineas maternas. Es decir, hace que tanto tiempo vivió la "tatarabuela" que tienen en común dos personas. Por ejemplo, con mis hermanos comparto la primer antecesora maternal (es decir, tenemos la misma mamá), con mis primos la segunda (la misma abuela), etc. En teoría, si regreso lo suficiente podré encontrar una "tatarabuela" que comparta con cualquier persona del mundo.


Esquema sobre la forma en la que la descendencia de una sola mujer ese hace única en una población.

Entonces la forma de encontrar a la mujer de la que todos venimos, es recolectando muestras de ADN de personas de la mayor parte de los pueblos del mundo y "seguir" la linea de ancestros. Bueno pues este estudio ya se llevó a cabo (en realidad se combinaron los resultados de varios estudios) y el resultado fue que el nuestro Ancestro Común mas Reciente Femenino (ACRF) es decir, la mujer de la que todos somos descendientes vivió en el este de África hace entre 152,000 y 234,000 años. Por lo general esto sería una mas de las muchas fechas tratadas dentro de la evolución. Pero esta en particular tiene algo de relevante, aclaró cuál fue el lugar de origen de la humanidad.

Poco antes de salir estos resultados, una teoría, llamada "Teoría del origen regional" que era de las principales entre la familia de teorías "fuera de África" sobre nuestro origen, proponía que los diversos grupos humanos se habían originado en su lugar de residencia nativa a partir de especies homínidas residentes en el lugar. Por ejemplo, los europeos vendrían de los Homo Sapiens Neandertalis, las poblaciones del este de Asia del Homo Erectus y los nativos de Oceanía de variantes del Homo Erectus (me pregunto de donde pensaron que salimos los nativos de América). El punto es que por el hecho de que todos tengamos una misma ACRF (Ancestro Común mas Reciente Femenino) localizada en un lugar en una fecha (aunque "este de África" y "de hace entre 152,000 y 234,000 años" no sean muy específicos) dados implica que todos compartimos un solo origen, que no hay duda alguna de que la especie es nativa de África.


Mapa de la dispersión humana según calculado por marcadores genéticos mitocondriales, es decir, el mapa de como se fueron esparciendo los descendientes de la mega-mamá.

Entre las cosas que vale la pena aclarar sobre nuestra Mega-mamá mitocondrial, es que se trató de una persona entre muchas que vivieron en un tiempo en un lugar. Ocasionalmente se piensa que se trató de una "primer mujer" o que en su tiempo existía solo ella. Esto es un efecto nocivo del uso de la mitología. La Mega-mamá era una de las mujeres que vivieron en su tiempo y en el pueblo que haya sido el suyo, pero fue la descendencia de esta única mujer la que dio origen al total de la población actual. No es que las otras mujeres no hayan tenido descendencia, es que en esos casos se extingió o se mezcló con la de la Mega-mamá de manera tal que al ver la linea de descendencia materna siempre se regresa a ella.


Mapa similar al anterior, pero en este caso hecho con marcadores genéticos cromosómicos, es decir, un mapa de la expansión de los descendientes del Mega-papá.

De igual forma podemos hacer lo mismo para el Mega-papá, rastrear los marcadores genéticos en al ADN nuclear y rastrear nuestra linea de descendencia paterna. El resultado es similar, todos compartimos un Ancestro Común mas Reciente Masculino (ACRM) que vivió en África hace entre 80,000 y 50,000 años. Mientras que el lugar es el mismo (África) notamos que las fechas son diferentes, pero esto no es del todo descabellado, ya que nada impide, que nuestra Mega-mamá (ACRF) viva en su época y deje descendencia, tiempo después nuestro Mega-papá (ACRM) haga lo mismo. Para cuando nació el Mega-papá, ya mucha gente era descendiente de la Mega-mamá. Al dejar su propia descendencia, esta eventualmente abarcó a todo el mundo y junto con la Mega-mamá fue ancestro de toda la especie. Como se ve no se dio ninguna cruza entre parientes cercanos ya que los Mega-papás vivieron con al menos 70,000 años de diferencia.

El resultado final y mas importante, es que no solo todos los humanos tenemos ancestros en común, sino que no hay ninguna duda de nuestro origen africano.


martes, 11 de mayo de 2010

Exactamente

Una pregunta frecuente que se hace la gente en cuanto empieza a adentrarse en la ciencia, por ejemplo los astrónomos aficionados o estudiantes de ciencias es: ¿Por que se les llama ciencias exactas? Primero veamos la razón de la duda.

Es ampliamente conocido que ciencias como son la física, química, etc, son conocidas como ciencias exactas, debido a la supuesta precisión de sus resultados, los cuales se suelen dar de forma matemática, por lo general en forma de números o de relaciones entre ellos. Y en parte de aquí viene la fama de que los resultados de estas ciencias sean exactos, si a uno le dicen que tal cosa "mide 6 metros", eso da una noción de que es un resultado exacto, no nos dicen "mide mas o menos 6 metros" o "mide mas que mi casa pero menos que el parque". El concepto de metro en sí nos da una noción de exactitud.


Visión mecánico-clásica de la trayectoria de un proyectil según sea su velocidad inicial. Ejemplo de un resultado Newtoniano, con trayectorias bien definidas y dredecibles.

El metro en algo definido, no es cualquier longitud que se nos ocurrió. Es decir se dio un momento en que un grupo de personas se reunieron con el propósito de establecer que es un metro, es decir ponerse de acuerdo en cuanto mide. De hecho han sido varias las definiciones de metro en la historia, por ejemplo, en 1668 Christopher Wren propuso la definición del metro como la longitud de la varilla de un péndulo con un periodo especifico, luego se cambio por una fracción del perímetro de la Tierra (mas exactamente, una diez millonesima parte de la distancia del ecuador a uno de los polos de la Tierra), y para la década de los 1870s existía en París una barra que era el metro estandard, es decir la barra que serviría de comparación para cualquier regla que pretenda medir un metro. Hoy usamos la definición de 1983 que define al metro como la distancia me viaja la luz en el vacío en una fracción de 1/299,792,458 segundos.

Pensemos en esto un momento. Esta definición es algo muy exigente, anuncia que debe de usarse (luz), anuncia las condiciones (que sea en el vacío) y pide una capacidad de medir fracciones muy reducidas de tiempo (del orden de una cien-millonésima). No parece que se pueda ser mas preciso.

En sí uno de los propósitos de las ciencias naturales (o mas bien de los científicos naturales) es la de ser muy exactos. De aquí el afan de tener tanto cuidado en la definición de las unidades. Así como la definición del metro tiene toda una historia, lo mismo se puede decir de las unidades para medir otras cantidades básicas, como el centígrado para la temperatura o el litro para el volumen.

Así que, cuando se obtiene un resultado que se da en metros, ya saben que existe todo un trabajo de apoyo tras él para que sea lo menos ambiguo posible. De aquí una buen aparte de la razón para llamar a las ciencias arriba citadas exactas. Pero también esta la costumbre, es decir la razón histórica.


Reloj para los no muy exactos, sin números una sola manecilla, ejemplo de instrumento para medir las cosas "aproximadamente".

Cuando a mediados del siglo XVII había quedado claro que la combinación de observación y descripción matemática era capaz de describir el universo (en gran medida gracias al dúo Galileo-Kepler) inició el esfuerzo por "escribir" la naturaleza en forma matemática, lo que llevó, tiempo después a que Newton anunciara las tres leyes por las que es ampliamente conocido hoy y que forman la base de lo que es la mecánica clásica o mecánica Newtoniana. El éxito de las leyes de Newton en explicar la naturaleza fue tal que se transformó en una navaja de doble filo en el sentido de que hizo mucho bien pero envició a los científicos.

El éxito se debió a que fue el primer cuerpo de leyes con capacidad de explicar el "por qué" de los fenómenos naturales y no solo el "como", a diferencia por ejemplo de las leyes de Kepler que explican "como" se mueven los cuerpos orbitantes pero no dicen "por que". Tanto en la Tierra como en el espacio, las leyes de Newton fueron puestas a prueba y vencieron cuanto obstáculo se le puso. Fueron describiendo y explicando fenómeno tras fenómeno, de tal manera que para donde fuera que los científicos voltearan y se encontraran el demonio de un misterio nuevo bastaba con atacarlo con las tres potentes leyes de Newton para reducir el misterio a polvo y dejarlo perfectamente explicado, catalogado y entendido. Así fueron los físicos de siglos pasados, dando Newtonazos a diestra y siniestra y mandando a los misterios de la naturaleza huyendo por sus vidas sin que tuvieran mucho éxito. Tantas y tan espectaculares fueron las victorias obtenidas que a finales del siglo XIX se recomendaba a los estudiantes de ciencias, no dedicarse a la física, ya que se pensaba que en dicha disciplina ya todo estaba "dicho y hecho" y el que trabajo de los físicos del futuro sería simplemente mejorar los resultados ya obtenidos y afinar las constantes.


El efecto de todo este éxito fue que se alteró la forma que se tenía de ver la naturaleza, ya que todos los problemas, es decir las explicaciones, se resolvían de manera tan exacta la gente se formó la idea de que la naturaleza funcionaba de manera muy precisa, como esperaríamos que funcione una de nuestras máquinas, en particular una máquina mecánica, como las que se usaban en aquel entonces. A esta forma de ver la naturaleza se le llama hoy mecanicismo y es otro de los factores por el cuál a estas ciencias se les llama exactas, la noción de que el universo trabaja de forma predeterminada persiste en la mente de muchos científicos ya que la formación de los estudiantes de ciencias les lleva a ver un universo mecanicista, aún a pesar de lo que se estudia de mecánica cuántica y teoría de probabilidad. Así que la gente se suele quedar con al noción de que los resultados obtenidos son, valga la redundancia, muy exactos. Pero tenemos dos razones para decir que no lo son.

La primera que, como todo buen científico sabe, se debe de incluir siempre el error cometido al hacer una medición. Y no me refiero a cometer un error por no poner atención, sino a cometer uno por que no se tiene opción, por que por mas cuidado que pongas, el instrumento que uses, no será perfecto y por lo tanto te dará un error. Es decir, ni la regla medirá un metro, ni la pesa será exactamente un kilo ni el reloj marcará exactamente un segundo, siempre te dan un error. Si el instrumento es bueno el error será pequeño y conocido, es decir, el mismo apartado de medición te dirá cuál es el error que se comete. De esta manera ya sabes que tan confiable o no es un resultado que saques en base a ese instrumento. Por ejemplo, un reloj comercial tiene un error aproximado de 1 segundo al mes. Esto implica que si lo pongo a la hora exacta (no me pregunten como hacerlo, es opción de cada quién), después de 30 días en lugar de decirme que son las 8 pm en realidad me estará diciendo que son entre las 7:59:59 pm y las 8:00:01 pm, luego de seis meses me dirá que son entre las 7:59:54 pm y las 8:00:06 pm es decir se va acumulando el error. Claro para aplicaciones cotidianas un error acumulado de 1 segundo al mes no es relevante, pero no se podría usar este reloj para aplicaciones científicas.

La segunda razón para decir que estas ciencias exactas no lo son tanto es por que en muchas áreas ya se ve a la naturaleza como algo no determinista y por lo tanto no mecanicista. Por ejemplo, en la física cuántica, nadie se atreve a predecir al trayectoria exacta de un electrón en cualquier circunstancia (si un estudiante hace algo así lo regresan al kinder), e inclusive existen áreas de estudio donde lo que se persigue son resultados da naturaleza ambigua que ayudan a explicar la conducta de sistemas muy complejos, por ejemplo el clima.

Entonces,¿A que se le llama un "resultado exacto"? A un resultado con unan incertidumbre mas pequeña que el margen de error. Es decir, si mi resultado da 1.356789 metros, es decir 1,356.789 milimetros, pero tengo una regla que no me permite milésimas de milímetro entonces llamo al resultado exacto, no por que sea el completamente acertado, sino por que para mi medición (y en teoría para mis propósitos) el error posible es tan pequeño que no lo puedo medir, si es que existe.

En resumidas cuentas, las ciencias exactas se llaman así por que pretenden, en la medida de la posible dar resultados lo mas precisos posibles, así como anunciar su margen de error. Aunque en algunas áreas relativamente nuevas se busquen resultados que son útiles aunque no sean exactos.

No se si esta entrada resuelve exactamente las dudas que tengan o fue una aproximación con gran margen de error.


sábado, 8 de mayo de 2010

Agua que no has de beber ... ¡Usala de combustible!

Recientemente salió una noticia sobre el descubrimiento de agua en un asteroide 24 Themis. Segun va la noticia, el asteroide es poco mas que una enorme roca con una cubierta de hielo ensuciado con algunos compuestos orgánicos. El agua esta muy mezclada con polvo de roca y otros compuestos que a las temperaturas del asteroide bastante duros, tanto o mas que las rocas de la Tierra.


Concepción artística del cinturón principal de asteroides. Mucho de estos cuerpos pueden albergar grande cantidades de agua.

Entonces ¿Por que el alboroto? Pues por que aparte de la posibilidad de eventualmente consumir esta agua se lo podría destinar a otros usos. ¿Pero valdría la pena? Extraer el agua implicaría en primer lugar "minar" el asteroide, es decir extraer los pedazos de hielo de la superficie y molerlos (de manera similar a como se extraen las rocas en las minas terrestres) luego lo polvo de asteroide se debe calentar, lo cuál implica un considerable gasto de energía, con lo que los cristales de hielo se transformarían en vapor en la nula presión del espacio, este vapor puede ser capturado y condensado para obtener el agua. Entonces tenemos que extraer agua implica llevar suficiente equipo hasta el asteroide y producir suficiente energía como para fundirlo. Adicionalmente es muy probable que se tengan que enviar personas en un viaje bastante costoso al menos para instalar y echar a andar el equipo. Y esta agua será obtenida en cantidades que no pasaran de unos cuantos cientos de litros al día (en condiciones ideales) ¿Entonces, de que sirve gastar tanto en una empresa tan compleja y arriesgada para obtener tan poca agua? Pues entre en pocas palabras sirve para explorar e inclusive, colonizar el sistema solar.


Propuesta misión a un asteroide, con tecnología casi igual a la utilizada para ir a la Luna. La principal diferencia es que la baja gravedad de los asteroides obligaría a la nave a anclarse a la superficie y los astronautas tendrían que extremar cuidado para no salir disparados involuntariamente al espacio al dar algún brinco.

El principal problema para hacer cualquier cosa en el sistema solar es llegar hasta el lugar donde se tiene que trabajar. Y mas aún si se considera que es mucho mas complicado, peligroso y caro mandar personas al espacio que máquinas. Sin embargo hay cosas para las cuales las personas son fundamentales. Inclusive para la exploración, terreno que hasta ahora ha sido casi exclusivo de sondas robotizadas, es mucho mas eficiente poner a los científicos y su equipo directamente en el cuerpo celeste a estudiar que esperara a que un robot este constantemente enviando datos. Las misiones con robots son una buena forma de hacer un poco de cartografía (para saber a donde ir) y análisis preliminar (para saber que instrumentación llevar) de los cuerpo celestes, pero todo esto es en preparación para mandar personas.


Bases del funcionamiento de un cohete. El objetivo es combinar el combustible con un oxidante y dejarle explotar de forma que el producto de la reacción salga disparado.

Y si el mandar gente es un problema es porque requieren mucho mas que las máquinas. Se necesita equipos, suficiente espacio para moverse, agua y aire (así como lo requerido para reciclarlo), sistemas que regulen la temperatura, protección anti-radiación, comida, medios para preservar y preparar la comida, etc, etc, etc... Y todo esto implica combustible, mucho combustible. Si tomamos en cuenta que en algunas plataformas de lanzamiento actuales, cada kilo de materia puesta en órbita implica mas de diez kilos (en ocasiones, muchos mas ) de combustible entendemos la magnitud del problema. Y esto es para poner la materia en órbita, se necesita mas combustible aún para sacarlo de órbita y llevarlo a donde se requiera (la Luna, Marte, etc).

Ahora, entendiendo todo este conjunto de problemas vale la pena aclarar algo sobre el funcionamiento de los cohetes, en particular, del combustible. En vista de que el principal problema es el peso, valdría la pena usar un combustible barato (léase, fácil de conseguir) y que sea ligero. Algo como el hidrógeno. Y de hecho este es uno de los combustibles mas usados por las naves espaciales. Por ejemplo el enorme tanque de combustible que porta el transbordador esta lleno de hidrógeno y oxigeno.


Diagrama del tanque externo del Transbordador Espacial, el cilindro grande esta lleno de un compuesto rico en hidrógeno y el pequeño en la nariz, de uno rico en oxigeno. Es decir, en realidad es un enroma tanque de agua separada en sus elementos constituyentes listos para explotar.

La forma de funcionar de un cohete es simple, se mezcla algo que explote con oxigeno (o algo con mucho oxigeno) y se le deja estallar, la explosión es dirigida en alguna dirección de manera que el cohete es impulsado en dirección contraria. De aquí que el hidrógeno sea muy usado, si hay algo que el hidrógeno sabe hacer es explotar, es ligero y se le puede obtener con facilidad.

Bien, ahora, considerando todo esto, vemos la relevancia del hielo en el asteroide Themis. En particular, sabiendo que después de pulverizar, derretir, y purificar el agua, se le puede separar en..........claro, hidrógeno y oxigeno, es decir, ¡combustible ideal para cohetes! Y si, el plan, sería poner estaciones de re-abastecimiento en el cinturón de asteroides.

Ya sabemos de dos cuerpos en esa región ricos en hielo, Ceres y ahora Themis. El plan sería, si queremos enviar gente a Júpiter, digamos, lanzar la nave hacia Ceres o Themis, donde los esperaría una estación de extracción de agua y síntesis de combustible, en esta podrían re-abastecerse de agua y combustible para continuar su viaje, enviar algo a Themis es mucho mas barato que a Júpiter, lo que implicaría o economizar en la misión o gastar la misma cantidad de dinero pero llevando mas personas y equipo.


Concepción artística de una posible estación en un asteroide. En este caso se trata de una máquina que arroja piedras al espacio para cambiar la ruta de un asteroide y evitar su choque contra la Tierra.

En pocas palabras, si el combustible es el problema, una estación de re-abastecimiento en el camino sería algo ideal, Y Themis resultó ser un buen lugar ya que contiene la materia prima, agua, y esta suficientemente cerca del sol como para que nuestra tecnología extraiga la energía necesaria para fabricar el combustible tan deseado.

Algunos estarán pensando en crear una red de estaciones de combustible por todo el sistema solar, y eso tiene mucho sentido. Por ejemplo se podrían tener algunas automatizadas en el cinturón de asteroides, otras en las grandes Lunas de Júpiter, en particular Europa y Ganímedes, estas podrían estar habitadas y ser al mismo tiempo centros de investigación. Luego el sistema de Saturno podría contener una o dos estaciones mas, así como Urano y Neptuno. De esta manera se podrá generar una red de vías de transporte en toda la zona planetaria del sistema solar.

Pero haciendo un poco de memoria al recordar la historia. El establecer un red de bases ha tenido sus efectos. Por ejemplo, la red de puertos utilizados por la potencias europeas (de la Europa en la Tierra, no la de Júpiter) no solo mantuvo a los navíos funcionando, sino que estimuló el desarrollo de tecnologías de transporte y formas de vivir del lugar donde se encontraba la estación (o puerto en este caso). De forma similar establecer una red de bases por todo el sistema solar estimulará el desarrollo no solo de nuevas tecnologías (por ejemplo, para extraer todo lo necesario del hielo de las lunas de los planetas exteriores) sino nuevas formas de convivir, ya que al estar aislados en estas bases durante largos periodos de tiempo, los pobladores de esos lugares no tardaran en iniciar el desarrollo de su propia cultura, dialecto, tradiciones, etc.


martes, 4 de mayo de 2010

¿Miau o no miau?, se pregunta el gato

A petición del público aquí va otra entrada relacionada con la mecánica cuántica. En esta ocasión hablemos del pobre e incomprendido Gato de Schrödinger a quién ni la Sociedad Protectora de animales puede rescatar de su ambiguo destino. Para aquellos que no estén familiarizados con el felino mejor conocido (y menos entendido) en la historia de la ciencia, han de saber que se trata de un experimento intelectual de la primera mitad del siglo XX, cuando la mecánica cuántica tomaba la forma actual. Primero hablemos un poco sobre algunas de las bases de la mecánica cuántica.


Visión cuántica de la situación del gato de Schrödinger, hasta que no se abra la caja el gato se puede considerar vivo y muerto al mismo tiempo.



Visión clásica de la situación del gato de Schrödinger, el gato se encuentra o vivo o muerto.

Lo principal de la mecánica cuántica es entender la escala de las cosas de las estaremos hablando, es decir la escala mas pequeña que un átomo. Mientras que es posible usar la mecánica cuántica para resolver problemas en la escala de metros y kilómetros que usamos en la vida cotidiana, su aplicación sería mucho mas compleja que la mecánica clásica (la de Newton) y la exactitud ganada sería muy difícil de medir. A escalas cuánticas (muy pequeñas) la naturaleza se comporta de forma muy extraña, o al menos eso nos parece a los seres de escalas mayores. Algunas de esas diferencias fueron lo que dio origen a que a principios de siglo XX los físicos se dieran cuanta de que no se podía explicar la conducta de las partes mas pequeñas de la naturaleza con la física de Newton, lo que llevó al desarrollo de la física cuántica (en nuestro contexto podremos usar "física cuántica" como sinónimo de "mecánica cuántica") la cuál esta basada en que las partículas cuánticas tienen una conducta muy peculiar. Pero antes de continuar con esto, veamos lo del Gato de Schrödinger.

Bien, el experimento del pobre gato es como sigue:

Imaginemos un gato metido en una caja herméticamente cerrada sin ventanas ni forma de ver lo que sucede dentro, y en la cuál se encuentra un mecanismo que libera veneno en algún momento aleatorio.

El punto que hacía Schrödinger al someter al felino a tan estresante situación es que uno, en un momento dado, no sabe si el gato esta vivo o muerto, ya que tiene que estar en uno y solo uno de los dos estados. De esta manera ilustraba uno de los problemas de interpretación de la mecánica cuántica. El hecho de que aparentemente una partícula podía estar en dos estados al mismo tiempo y no saber sabía con seguridad en cual de los dos se encontraba hasta que se toma una medición y se sale de dudas. Es como si uno abriera la caja y viera si el gato esta vivo o muerto ya que antes de abrirla el felino podría estar en cualquiera de los dos formas o inclusive en las dos, es decir vivo y muerto (claro, si el gato fuera cuántico también). En el caso de la partícula, se puede decir que esta en cualquier estado y no se define (o mas bien, no sabemos) hasta que tomamos una medición. En este sentido, se puede decir que la partícula no tiene un estado determinado hasta que se le observa, o bien que ha estado en dicho estado todo el tiempo (el gato murio al momento de cerrar la caja) pero hasta que se tomo la medición nos dimos cuenta, o que en realidad se encuentra en ambos estados y que es el hecho de observarla lo que la coloca en uno solo.

Como pueden ver, la situación física se puede interpretar de muchas formas diferentes. Y encontrar la relación entre lo que se mide y la realidad es el principal problema que se tiene en la física cuántica. Un problema que no tenía de forma tan grave hasta el siglo XX, antes e esas fechas, la ciencia siempre trataba con situaciones mucho mas familiares y fáciles de comprender y asimilar, el problema principal aquí es que se esta tratando con situaciones tan alejadas del ambiente donde ha evolucionado nuestro cerebro que nos es complicado asimilarlas. De aquí que al salir los resultados fundamentales de la cuántica, fue necesario encontrar como interpretar dichos resultados. Para principios de la década de los 30's del siglo XX se llegó a lo que hoy se conoce como la "Interpretación de Copenhagen" que es la principal usada hoy (sin embargo ya han salido otras "actualizadas"). Algunas de estas interpretaciones tiene implicaciones muy interesantes, como por ejemplo escenarios de Universos Múltiples, etc. En la interpretación de universos múltiples, la historia constantemente se ve alterada, y cada acción en un universo genera un universo nuevo para cada opción que se da. Por ejemplo, si tengo que decidir entre usar para algo el color rojo o el azul, en ese momento la historia se divide en dos ramas, es una escogí el rojo, en la otra el azul y estas dos ramas no interactúan entre ellas.


"Solución" al experimento del Gato de Schrödinger según el escenario de los Universos Múltiples, en un universo el gato esta vivo, en el otro muerto.

Así que aunque se le suele anunciar como paradoja, en realidad el Gato de Schrödinger es un ejemplo de una situación que causó muchos dolores de cabeza a principios del siglo pasado. En sí, la razón para hablar de tan desdichado felino en este blog es para ilustrar algo muy importante de la naturaleza de la física cuántica, lo ajena que es a nuestra experiencia cotidiana. Por ejemplo, en la física clásica (la que usamos para describir nuestra vida cotidiana) cada objeto tiene una posición, la cual puede variar con alguna velocidad, la cual puede variar también con cierta aceleración. En la física cuántica no existe el concepto de posición y por lo tanto tampoco el de velocidad ni aceleración, así que las partículas no "están" en "un" lugar y por lo tanto no se puede decir que se mueven de alguna forma. Así que el decir que, por ejemplo, los electrones orbitan al átomo, es una licencia literaria ya que "orbitar" implica moverse en trayectorias cerradas en torno a un punto, de realidad se debe decir que los electrones "es muy probable que estén en algún lugar cercano al núcleo el cual no se sabe cual es hasta que lo observas (o mides)" lamentablemente el hecho de medirlo implica interactuar con el electrón y de esta manera alteras su estado. Así que podemos decir que con respecto a la partícula, no sabemos de donde vino, ni a donde va, solo que en el momento de observarla se encontraba en un esta dado.

Como pueden ver la indeterminación en algo muy propio de la cuántica, y mientras que nos podemos acostumbrar a tratar la indeterminación de una partícula, si esto fuera válido en nuestra escala cotidiana, podríamos decir cualquiera de estas cosas con la misma validez:

1.- el gato esta vivo
2.- el gato es muerto
3.- el gato esta 50% vivo y 50% muerto
4.- el gato esta 20% vivo y 80% muerto
5.- el gato tiene de cada dos células, una viva y otra muerta
6.- el lado derecho del gato esta vivo mientras que el izquierdo esta muerto
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P.D. Para los que como yo, opinan que Schrödinger fue demaciado cruel por querer exponer el gato al veneno, coincidirán con la opinión de Einstein quién recomendó que en lugar de que se libere veneno, se le dé un balazo (al gato, no a Schrödinger).

P.D. 2 Antes de que pregunten: No, no sé si Schrödinger, cuando se le perdía su gato, ponía anuncios por todo el barrio anunciando que "se le busca vivo y muerto"

Atención: Niños no haga este experimento en casa(aunque sé de un niño que metió un gato al refrigerador).

Ningún gato fue lastimado al escribir esta entrada, plantear la Interpretación de Copenhagen o desarrollar la Mecánica Cuántica, al menos no al 100%.