viernes, 15 de octubre de 2010

La cereza del pastel

Es raro que en este blog no se responda directamente una pregunta o se trate algún tema de carácter científico, pero en esta ocasión me gustaría compartirles un punto de vista personal (ok en realidad es de muchos científicos) sobre lo que consideramos el mayor de los triunfos intelectuales humanos.


Einstein contribuyó en gran medida al desarrollo de la mecánica cuántica tomando el papel de de "abogado del diablo" poniendo en duda y cuestionando los planteamientos hechos.

En una antigua entrada (Esto) se hablo sobre como la escritura se puede considerar el mas relevante invento humano. Pero si consideramos las consecuencias de este invento veremos que la escritura cambió radicalmente nuestra forma de pensar y nos dio una habilidad que distinguió nuestra historia de la de cualquier otra especie, adquirimos una historia dominada por la generación, transmisión y evolución de ideas. Esto implica que mientras genéticamente nuestro cambio en los últimos miles de años ha sido casi insignificante nuestro cambio intelectual, la forma en la que vemos el mundo es increíblemente diferente.

Para entender la historia de las ideas y el enorme logro que implica debemos considerar el ambiente en el que evolucionamos y en particular las características física de dicho ambiente. Si tomamos en cuenta que en cualquier animal el cerebro sirve como centro procesador y forma de transferencia de datos entre generaciones, en los mamíferos funcionan adicionalmente como mecanismo que se modifica a si mismo para codificar información nueva del medio inmediato , es decir, aprender cosas nuevas y mas específicamente en el caso de los homínidos para aprender a modificar nuestro ambiente, vemos que el efecto de la escritura, al servir como medio de almacenamiento de información y de esa manera permitir a una generación llegar mas adelante que las anteriores en la búsqueda de conocimiento nos facilitó mucho el esfuerzo por entender la naturaleza. En otras palabras uno de los productos de la escritura fue la ciencia, nuestra herramienta para entender la naturaleza.

Ahora consideremos el efecto del medio ambiente en nuestra forma de pensar. Puede parecer muy obvio, pero es importante tomar en cuenta como vemos la naturaleza para entender el desarrollo de la ciencia. Por ejemplo, una de las partes más importantes de la ciencia por las aplicaciones que tiene, es la mecánica newtoniana, parte de la Física Clásica. En esta disciplina se estudia, explica y predice el movimiento de los cuerpos con un tamaño que van desde una molécula en su extremo inferior a una galaxia en el superior. Este es el rango en el cual vivimos y vivieron nuestros antepasados. Los problemas a los que se enfrento nuestro cerebro conforme evolucionaba adaptándose a los cambios del medio ambiente. Las adaptaciones necesarias fueron; evadir depredadores, localizar fuentes de alimento, encontrar refugio, etc. Así que lo que nos era relevante era, el movimiento de esos depredadores y la localización de las cosas que necesitamos. No es, entonces, sorpresa que la mecánica newtoniana se base en conceptos como la posición, del cual se derivan otros conceptos.


Grupo de científicos que participo en la formulación de la interpretación de Copenhagen, la interpretación moderna de la mecánica cuántica.

En la mecánica clásica, el objetivo principal es entender la conducta dinámica (movimiento) de los cuerpos así como las fuerzas que los afectan. Pero tanto las fuerzas como el movimiento están dominados por la aceleración y velocidad de los cuerpos. Pero la velocidad no es otra cosa que el ritmo de cambio de posición y la aceleración es el ritmo de cambio de la velocidad. Por lo que vemos que todo esta basado en la posición. La mecánica clásica es pues el desarrollo que se esperaría de nosotros. Por supuesto esta rama de la física ha sido un logro increíble que nos ha dejado impresionantes resultados. Pero existe otra rama de la física, otra mecánica, que es muy diferente a la clásica, y es esa ciencia la que consideramos que es el mayor triunfo intelectual humano. Es la mecánica cuántica.

En la mecánica cuántica no existe el concepto que posición. Los objetos cuánticos no tienen una posición, por lo que no tiene ningún sentido hablar de velocidad o aceleración. Los fenómenos que se tratan en la mecánica cuántica son tan foráneos a nuestra experiencia cotidiana que es en realidad entender en el sentido de asimilar lo que esta sucediendo. En una escala donde la naturaleza es tan diferente a nuestra experiencia, donde los "objetos" no tienen posición, ni pueden tener velocidad o aceleración, donde no existe una clara distinción entre masa y energía y donde algo tan pequeño como una molécula es ya algo gigante es imposible para un cerebro que ha evolucionado en un ambiente de física clásica el realmente asimilar lo que sucede. Así que mientras que algo como un juego de billar, que es un ejemplo de actividad en el ambiente clásico, es fácil de imaginar, no podemos decir lo mismo de un sistema cuántico.


Tableta de arcilla con inscripciones cuneiformes. De las primeras manifestaciones de escritura y matemáticas.

El gran logro de la mecánica cuántica es precisamente el darnos una herramienta para entender la naturaleza en una escala completamente foránea a nuestra experiencia cotidiana. Al no ser posible el visualizar los procesos que ocurren, uno se debe basar en las matemáticas, para saber que pasa y como se dan los sucesos. Esto es otro muy importante aspecto de por que las mecánica cuántica es considerado el mayor logro intelectual, no solo es una herramienta para comprender algo que podemos de ninguna manera ver o imaginar (de hecho nos es fisiológicamente imposible) sino que requiere de una habilidad de uso de matemáticas a un nivel que implica lograr una abstracción y disciplina intelectual muy superior a lo necesario en cualquier momento anterior en nuestra historia.


Ecuación de Schrödinger, ecuación fundamental de la mecánica cuántica.

Así es que en resumidas cuentas, consideramos a la mecánica cuántica como el mayor logro intelectual es por que no solo implica poder entender algo completamente ajeno al ambiente en el que evolucionamos, sino que implica ejercer nuestra habilidad de abstracción a niveles inusitados. Y como forma de coronar el logro, lo hemos logrado poner a trabajar con aplicaciones tecnológicas, cada uno de nuestros aparatos electrónicos es una aplicación directa de la mecánica cuántica.


martes, 5 de octubre de 2010

Cuerpo Negro

Uno de los mayores triunfos en la física a sido el desarrollo de la cosmología moderna que tiene su centro en el modelo del Big Bang. Es fácil entender como el desarrollar el modelo del Big Bang es algo muy relevante, vamos, el tener una buena noción del origen del universo no es poca cosa. Pero existe una pequeña e impresionante historia de triunfo de la física del siglo XX (una de miles en la historia de la ciencia), la historia del descubrimiento de la radiación cósmica de fondo. Pero para entender lo importante de este suceso, veamos primero lo que el la radiación de cuerpo negro.



Ley de Wien (arriba), y gráficas de la distribución de energía (abajo) predichas por esta ecuación. Como se ve, mientras mas caliente (la "K" es de grados Kelvin, una medida de temperatura muy usada en física, 0 °C son 273 °K) mayor es la intensidad de la radiación y menor la longitud de onda (es el número del eje horizontal), es decir mas hacia el azul.


En 1862 Gustav Kirchhoff postuló un modelo matemático de un cuerpo que absorbe por completo cualquier radiación que incida sobre él. A grandes rasgos, esto es el modelo del cuerpo negro. Imaginen un cuerpo, un objeto tal que absorba la totalidad de cuanta luz, ondas de radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X, rayos Gama, etc caiga en su superficie. A este cuerpo le llamamos "negro" por el hecho de no reflejar nada de radiación, pero sin embargo al absorber tanta energía se calentará y emitirá radiación debido a esa temperatura alcanzada. La forma en la que dicha radiación, es decir, que tanta y de que tipo es emitida fue algo que no se entendió bien hasta el desarrollo de la mecánica cuántica y en particular el trabajo de Plank, ya entrado el siglo XX. Pero es de particular utilidad un resultado relacionado y que se obtiene de la teoría de cuerpo negro; la ley de desplazamiento de Wien, la que nos dice de que longitud de onda será el pico de intensidad de la radiación que emite un cuerpo a una temperatura dada. Si recuerdan el espectro electromagnético se divide en regiones según la longitud de onda, un rango para la "luz visible", seguido de un lado del infrarrojo y del otro por el ultravioleta y así continúa hasta llegar en el extremo de las ondas mas largas a la región de radio y el extremos de las mas cortas a los rayos Gama.

Así que con la Ley de Wien, puedo saber de que longitud de ondas será algún objeto que yo caliente (asumiendo que se porte como cuerpo negro) o de la misma forma puedo medir su radiación (luz) y con la misma ley determinar cuál es su temperatura (¿nunca se preguntaron como se sabía en astronomía la temperatura de las estrellas y otros cuerpos? con la ley de Wien). Así que si a una estrella la observo de forma que pueda determinar en que longitud de onda emite mas luz (tomando el espectro o fotografías en ccd con filtros adecuados), podré determinar su temperatura. Esto es obviamente muy útil en astronomía estelar, pero regresemos al Big Bang.


Diagrama HR, es una forma de acomodar las estrellas según su temperatura, color y brillo, es un ejemplo del uso del Modelo del Cuerpo Negro en Astronomía.

Resulta que una de las cosas que mas trabajo cuesta a los científicos, cuando desarrollan una teoría o modelo es el encontrar una forma de hacer un experimento (o en el caso de la astronomía, una observación) que lo pruebe o refute. Cuando se desarrollo el modelo del Big Bang lo mas obvio a buscar fue el calor residual de tan violento evento. Es decir, según los cálculos hechos, el calor del Big Bang debería percibirse aun en nuestros días. Si bien esto sucedió hace mucho tiempo (aproximadamente 13 mil millones de años)aunque ya considerablemente frío. Para entender esto, imaginen que se presenta un evento violento, digamos al explosión de un cartucho de dinamita(niños, no simulen el Big Bang en casa), momentos después de la explosión los restos del cartucho estarán aún tibios. Y ya que el Big Bang sucedió en TODO el universo ese calor debe de sentirse en cualquier dirección. Calcularon a que temperatura se vería ahora el residuo del Big Bang y resulto que son casi 3° K (grados Kelvin) y usando la ley de Wien (el universo se comporta como un cuerpo negro) vieron que la temperatura correspondía a la zona de microondas del espectro. Cuando en 1965 Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson exploraron el cielo con una antena adecuada, encontraron esa radiación de fondo (y se ganaron el premio Novel por ello). De aquí el nombre de Radiación Cósmica de Fondo a ese fondo de microondas que permea el espacio en todas direcciones.


Distribución de la Radiación Cósmica de Fondo, es decir el calor del Big Bang, tomado por el satélite COBE, es similar a la primer gráfica, pero con T=3K.

Así que tenemos que el modelo del cuerpo negro es muy importante y útil en la física y en el caso de nuestro entendimiento del origen del universo fue una herramienta fundamental.

domingo, 3 de octubre de 2010

Familia lejana

Una pregunta que es común cuando se estudia paleontología y la forma en la que unas especies evolucionaron de otras es ¿cuando se considera que un grupo de animales es una nueva especie? Recuerdo cuando cuando me enfrente a esta pregunta de niño, ante un libro sobre dinosaurios, me intrigaba la enorme variedad de seres y como unas especies podian ser tan diferentes de otras. Pero lo que mas me llamó la atención fue saber que todos tenían ancestros en común.

La aparición de una especie a partir de otra es la clave para entender algunos aspectos importantes de la historia, por ejemplo, la relación entre Homo Sapiens Sapiens y Homo Sapiens Neanderthalis, siendo este un caso de dos especies que evolucionan del mismo ancestro directo extinto, o el tema de la reciente entrada en este blog sobre los peces que viven en cuevas. Tenemos aquí dos casos, uno en el cual la especie progenitora se extingue dejando lugar a la nueva especie o cuando ambas coexisten, como en el caso de los peces que viven en cuevas al mismo tiempo que la especie de la cual evolucionaron habitan aguas superficiales.

En cada uno de estos escenarios sucede lo mismo, una especie muta hasta que se le puede considerar como otra especie diferente. Pero la pregunta persiste ¿en que momento un conjunto de seres A que desciende del conjunto B se clasifica como una especie aparte? Tenemos dos bases para responder. primero la definición de especie y segundo el modelo de "equilibrio puntual" de Gould.

Ejemplo de los peces de los que hablamos hace poco, una especie de peces que habita la superficie (arriba) y otra que descendió de ella y habita en cuevas (abajo).

La definición de especie dice que un conjunto de seres A es una especie si se cumple que entre dos seres cualesquiera (asumiendo sean del sexo apuesto y válido solo para especies sexuadas) se pueden reproducir generando descendientes fértiles que a su vez se pueden reproducir dentro del conjunto A. Por lo que la especie se define por su habilidad de reproducción. Mientras que el paleontólogo Stephen Jay Gould, al estudiar la forma en la que las especies evolucionan se topó con la misma pregunta y la respondió al definir dos aspectos de cada especie; conducta y morfología. Bajo este esquema, una especie se define como el conjunto de seres que comparten una misma morfología y conducta (dejando libertada para las ligeras variaciones individuales). Vale la pena tomar un momento para ver que las razas son entonces consideradas como ligeras variaciones dentro de la especie, y que dos especies puede tener la misma morfología pero ser consideradas diferentes al tener conductas bases diferentes.

Entonces tenemos que una especie nueva será declarada cuando el grupo de seres haya acumulado suficientes diferencias como para no poder reproducirse dentro del grupo anterior y/o como para tener una combinación morfología-conducta diferente. Por lo tanto, si un grupo dado va a cumulando mutaciones y estas se traducen a diferencias, en el momento en que se llegue a cierto umbral que estará en función de la diferencia dada, será considerado una especie nueva. Claro que también debemos considerar que dentro de una especie siempre se dan mutaciones entre una generación y otra, pero estas tienden a desaparecer o propagarse rápidamente por lo que no implican diferencias para un grupo ya que todos las adquieren en poco tiempo. En el caso de los peces de las cuevas, el grupo anterior no desapareció, sino que siguió viviendo en su ambiente (las aguas superficiales) como lo había hecho siempre pero un subconjunto del grupo se separó y colonizó un nuevo territorio (las cuevas) y al estar aislados, no se podía dar el proceso de homogeneización genética por lo que las diferencias se fueron acumulando y eventualmente se llegó a las condiciones para declarar a ese grupo otra especie. Esto es en lo referente a la separación espacial de un grupo, pero ¿que pasa con la separación temporal como en el caso de los dinosaurios y sus ancestros? En este caso se trata de dejar al grupo entero interactuando, pero las diferencias se acumulan y distribuyen por todo el grupo, con el tiempo se acumulan hasta que se llega a tener una generación que ya es genéticamente muy diferente a una antecesora.


Esquema del equilibrio puntual.

Así que saber cuando un grupo se debe considerar una nueva especie es relativamente sencillo, lo interesante es averiguar los detalles sobre los mecanismos que causan y seleccionan estas variaciones.


viernes, 1 de octubre de 2010

La variedad de esta noche

En el cielo se pueden ver una gran cantidad de galaxias, nebulosas, cúmulos, etc. y existen muchos tipos y subtipos de cada uno de estos. Y con tales cantidades, es imposible generar nombres propios para cada uno de ellos, se pueden encontrar cientos de millones de galaxias en la constelación de Andrómeda, no a todas las llamaremos "Galaxia de Andrómeda". De aquí que en astronomía se utilizan los catálogos para tener nombres para cada objeto relevante. El mejor conocido de todos es el catálogo Messier, creado por el astrónomo francés Charles Messier. Este catálogo es muy usado por los aficionados a la astronomía por consistir en objetos relativamente brillantes y fáciles de ver desde el hemisferio norte (Messier observaba desde París). Pero ¿que pasas con los objetos brillantes que no se pueden ver desde París pero si desde otros lugares mas al sur?



A mediados de los 90's el famoso divulgador de la astronomía británico Sir Patrick Caldwell-Moore (mas conocido como Patrick Moore) publicó un catalogo de cuerpos celestes con objetos que se encontraban en los catálogos Messier y NGC. La publicación de dicho catálogo generó una serie de reacciones apasionadas a favor y en contra. Mientras que muchos aficionados a la astronomía criticaron a Moore por andarle poniendo nombres adicionales a sus amados objetos Messier (lo que para muchos amantes de los Ms es casi una blasfemia) otros se limitaron a decir que era una linda colección de objetos sin razón aparente. Pero la pregunta que uno debe hacerse es: ¿de que sirve el catalogo Caldwell? Para objetos de cielo profundo ya esta e NGC, para uso profesional tenemos el SDSS y similares, mientras que para uso de aficionados el Messier ha funcionado bien............a medias, ya que, como se mencionó, este catálogo es de objetos visibles desde París y los observadores del hemisferio sur no pueden ver muchos de ellos. Otro aspecto es que el catálogo Messier fue creado como auxiliar en la búsqueda de cometas, por lo que se incluyó todo lo que cumplía el criterio de parecerse a un cometa (para saber que NO era un cometa) y en esos tiempos, las galaxias y nebulosas se veían como cometas.

La razón de ser del catálogo Caldwell es esa, la de servir como un muestrario de cuerpos celestes. Tiene tantos objetos en el hemisferio norte como en el sur y es mas variado que el Messier mientras que tiene una cantidad similar de objetos (109 para el Caldwell y 110 para el Messier). Así que mas que un ataque de megalomanía, la creación del catálogo Caldwell fue una buena idea para hacer divulgación y para disfrutar de una variedad de objetos celestes. Así que para los habitantes de latitudes muy al sur, que difícilmente obtendrán buenas imágenes de las galaxias M100 o M98, disponen de C101 o C77.



Galaxias C97 (arriba) y C101 (abajo), dos de los objetos fáciles de ver en el

Abajo pueden encontrar la imagen descargable del mapa celeste de los objetos Caldwell. Para los aficionados a la astronomía les recomendaría observar cada objeto disponible desde su latitud. Inclusive para aquellos que habiten en el hemisferio norte, ya que este catálogo incluyo objetos adicionales a los Messier y es una buena fuente de variedad celeste.