Apuntes científicos desde el MIT » Universo

LHC: Arranca el mayor experimento científico de la historia

2008-10-06T11:35:25+02:00

La semana que viene empieza un experimento muy especial. Los científicos acelerarán protones hasta prácticamente la velocidad de la luz y harán que colisionen entre ellos generando la mayor concentración de energía nunca antes conseguida.
Con ello esperan descubrir nuevas partículas subatómicas, averiguar si existen otras dimensiones, de qué está hecha la materia oscura, cuál es el origen de la masa, qué ocurrió durante el Big Bang, porqué desapareció la antimateria, y si el modelo estándar utilizado por los físicos durante los últimos 40 años es correcto, o les tocará volver a empezar de cero.
Si me permito tal simplificación es porque a continuación os dejo con un fabuloso texto escrito para este blog por Gonzalo Merino, uno de los 6000 científicos que participan en este experimento,

Mensaje a los neófitos:
Muchos de los que empecéis a leer estas líneas no habréis oído nunca hablar de bosones de Higgs, de fermiones, o de partículas W. De verdad espero que esto no os cohíba. No pretendáis asimilar todos los detalles del texto a la primera, pero sí os animo a dedicarle un pequeño esfuerzo e intentar adquirir como mínimo una perspectiva general del LHC ¿Por qué me atrevo a sugeríroslo? Por dos razones.
Primera: El LHC no es un experimento cualquiera. Quedará inscrito en los libros de historia de la ciencia, y nosotros tenemos la oportunidad de seguirle la pista en directo. Durante los próximos 10 años oiremos hablar mucho del LHC y de los grandes enigmas de la física que quizás resolverá. Vale la pena empezar a familiarizarnos con él.
Segundo: El artículo que Gonzalo Merino nos ofrece es buenísimo. Está escrito con un lenguaje sencillo, sin más tecnicismos de los necesarios, y presenta los verdaderos aspectos clave a tener en cuenta para poder inmiscuirse en esta aventura.
No os robo más tiempo, os dejo con el texto y la posibilidad de utilizar los comentarios para transmitir vuestras dudas y entablar conversación directa con Gonzalo, investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

El Large Hadron Collider, por Gonzalo Merino

En el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN ), cerca de Ginebra, está a punto de ponerse en marcha el acelerador de partículas más potente del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC , por sus siglas en inglés). Según el reciente anuncio hecho por el laboratorio, el 10 de Septiembre será la fecha en la que se harán circular los primeros haces de partículas. La cuenta atrás ha comenzado.

La construcción del LHC ha sido una tarea titánica en la que han trabajado miles de físicos e ingenieros de más de 80 países durante 20 años y en la que se han invertido del orden de 7.000 millones de Euros.

La idea de este experimento parece en principio sencilla. Se trata de acelerar protones hasta que alcancen una energía muy alta, para entonces hacerlos chocar entre si y observar qué sucede. Visto así, no parece demasiado complicado.

Los protones se acelerarán hasta que alcancen un 99,999999% de la velocidad de la luz. Esto, en la jerga de los físicos de partículas, equivale a una energía de 7 TeV (7 mil millones de electronvoltios ). La energía total en cada colisión entre dos protones por tanto será de 14 TeV. Esta es la energía más alta jamás alcanzada por un colisionador de partículas construido por el hombre. Siete veces mayor que la del colisionador más potente actualmente operativo: el Tevatron en Fermilab , cerca de Chicago.

Para dar una idea intuitiva de esta escala de energía, a veces se explica que 1 TeV es aproximadamente la energía cinética que tiene un mosquito volando. Pero no creo que esta comparación ayude demasiado a hacerse una idea de lo que pasa en el interior del LHC. Para entender lo extraordinario de esta máquina hay que notar que en el LHC toda esta energía estará concentrada en un espacio extremadamente pequeño, ya que el tamaño de un protón es un trillón (un 1 seguido de 18 ceros) de veces menor que un mosquito. En definitiva, que la comparación es en si misma un reto a nuestra capacidad de abstracción: hay que tratar de estrujar un mosquito 18 órdenes de magnitud, sin que deje de volar, claro.

Para tratar de imaginar lo que sucede en el LHC creo que es mejor pensar en el origen del Universo. Al fin y al cabo, los físicos que trabajamos allí decimos muchas veces que eso es justamente para lo que sirve el LHC: para explorar los primeros instantes del Universo.

La teoría actual del origen del Universo nos dice que todo empezó con lo que se suele llamar la Gran Explosión (el Big Bang en inglés). Este apelativo metafórico nos incita a pensar en un instante inicial muy “ruidoso”, una especie de fuegos artificiales, pero el Big Bang empezó en silencio, y sería más adecuado imaginarlo como una “explosión” en la que se crean el espacio y el tiempo. Si tratamos de entender ese instante con la teoría de la Relatividad General nos encontramos con una singularidad, un universo primigenio en el que la temperatura y densidad eran infinitas. Estas condiciones extremas son imposibles de imaginar, por lo que seguramente indican que nuestras teorías no son válidas para extrapolar hasta el mismo momento inicial.

A partir de ese momento el Universo se empezó a expandir rápidamente y a medida que crecía su tamaño se iba “enfriando”, o lo que es lo mismo, la energía de las partículas que contenía disminuía. Cuando sólo había transcurrido una milmillonésima de segundo después del Big Bang, el universo tenía una temperatura aproximadamente 100.000 veces superior a la del Sol y las partículas fundamentales que lo habitaban chocaban constantemente entre ellas con energías aproximadamente de 14 TeV. Estas condiciones son precisamente las que se quieren reproducir en el LHC. Al hacer colisionar partículas a 14 TeV, lo que queremos es entender qué sucedía en el Universo sólo una milmillonésima de segundo después del Big Bang.

No deja de ser curioso que para “ver” el origen del Universo lo tengamos que hacer construyendo una máquina tan complicada en un túnel subterráneo en Ginebra. Pero es que conocer el pasado del Universo nunca ha sido tarea fácil. Sabrá tal vez el lector que cuando miramos hacia el espacio estamos viendo de hecho cómo era el Universo en el pasado, ya que la velocidad de la luz es finita y ésta tarda un cierto tiempo en llegar desde las estrellas hasta la Tierra. La otra forma que tenemos por tanto de explorar el origen del Universo es mirar objetos muy distantes en el espacio. Pero veremos que usando esta técnica nos acabaremos encontrado una barrera infranqueable que impedirá que nos acerquemos al Big Bang todo lo que nos gustaría. El LHC nos permitirá cruzar esa barrera y mostrarnos un Universo mucho más joven que el que jamás podremos ver mirando al espacio.

La luz más lejana que podemos detectar es la conocida como Radiación de Fondo de Microondas. Por este motivo cuando el satélite COBE primero y más recientemente WMAP analizaron con detalle esta radiación, los titulares de los periódicos dijeron que se había tomado una fotografía de “la infancia del Universo”. Esta Radiación de Fondo nos llega directamente desde un momento especial en la historia del Universo, cuando éste sólo tenía unos 380.000 años de edad. En aquel momento la temperatura era de aproximadamente 3.000 grados Kelvin, lo suficientemente baja como para que protones y electrones se combinasen para formar átomos neutros de hidrógeno. Como consecuencia de esto los fotones, hasta ese momento atrapados en la interacción con las partículas cargadas, pudieron recorrer el espacio libremente, sin obstáculos. Se dice que en este instante el Universo se volvió transparente. Antes de que esto sucediera, era opaco a la radiación electromagnética. Es por eso que la imagen directa más antigua que podemos obtener del Universo es la que nos muestra la Radiación de Fondo de Microondas.

Así pues podemos pensar en el LHC como una máquina del tiempo, que nos permitirá explorar el Universo tal y como era hace miles de millones de años, fracciones de segundo después del Big Bang, mucho antes de que se volviera transparente a la luz y nos permitiese fotografiarlo directamente con instrumentos como WMAP.

Construir una máquina que reproduce las condiciones del Universo cuando éste sólo tenía una milmillonésima de segundo de vida es una actividad interesante en si misma. Pero los gobiernos de decenas de países no se han gastado miles de millones de Euros sólo para ver cuánto eran capaces de acercarse al Big Bang. El interés del LHC es que, al reproducir esas condiciones extremas del Universo primordial, nos puede ayudar a responder algunas de las preguntas sobre cuáles son las leyes fundamentales de la naturaleza para las que aún no tenemos respuesta.

Actualmente sabemos que toda la materia que conocemos está formada por 12 piezas básicas que llamamos “partículas elementales” y que hay cuatro fuerzas distintas que describen las interacciones entre éstas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria. Podemos interpretar estas interacciones entre partículas de materia como el intercambio de otro tipo de partículas: las partículas portadoras de la fuerza. Así, cada una de las fuerzas fundamentales tiene su partícula portadora correspondiente. El portador de la fuerza nuclear fuerte es el “gluón”, el de la fuerza electromagnética es el “fotón” y las partículas W y Z son las responsables de la fuerza nuclear débil. Finalmente, aunque todavía no ha sido observado, el “gravitón” debería ser la partícula portadora de la fuerza gravitatoria.

Las partículas de materia y las de fuerza pertenecen a dos grupos bien diferenciados: las 12 que forman la materia son “fermiones” y las cuatro que son transmisoras de la fuerza son “bosones”. La diferencia entre ambos se encuentra en una propiedad cuántica de las partículas llamada espín, que se asocia al momento intrínseco de rotación de las mismas. Los fermiones (la materia) tienen espín fraccional mientras que los bosones (los portadores de las fuerzas) tienen espín entero.

Además de conocer cuáles son las partículas fundamentales, disponemos también de una teoría físico-matemática que describe de forma extremadamente precisa como interaccionan estas partículas mediante tres de las cuatro fuerzas: el Modelo Estándar . La fuerza gravitatoria, curiosamente la que estamos más acostumbrados a sentir en nuestro día a día, se resiste aún a ser descrita de forma unificada junto a las otras tres en una teoría global.

El Modelo Estándar nos proporciona la ecuación que, si dispusiéramos de suficiente capacidad de cálculo, nos debería permitir calcular todo lo que sucede en el Universo. Para que las matemáticas de esta teoría funcionen, sin embargo, es necesario que exista una nueva partícula que todavía no ha sido descubierta: el bosón de Higgs. Este nuevo elemento es el responsable de que todas las partículas tengan masa. Dicho de otro modo, con el bosón de Higgs la masa de cada partícula deja de ser un parámetro fundamental (puesto “a mano”) de la teoría y pasa a ser simplemente una medida de la intensidad de su interacción con los bosones de Higgs que la rodean y que llenan todo el espacio.

Si este bosón de Higgs existe, tal y como predice el Modelo Estándar, sabemos que ha de aparecer en el LHC. La teoría no nos dice exactamente dónde lo encontraremos, pero lo que sí nos dice de forma indirecta es que tiene que estar dentro del rango de energías que el LHC va a explorar. Por lo tanto, si el Higgs no aparece nos veremos obligados a aceptar que el Modelo Estándar, la teoría que tan bien ha funcionado en los últimos 40 años, es incorrecta y ha de mejorarse. Aun así esto no sería un fracaso, puesto que si sucede dispondremos de la máquina adecuada para guiarnos en la tarea de encontrar una nueva teoría: el LHC.

Más allá de descubrir el bosón de Higgs y completar así la pieza que parece faltar en nuestras ecuaciones, también esperamos que el LHC nos ayude a responder otras preguntas fundamentales para las que tampoco tenemos respuesta.

Para encontrar estas preguntas no hace falta que retrocedamos en el tiempo 13.700 millones de años. El Universo, tal y como lo vemos hoy en día con nuestros telescopios, muestra un aspecto totalmente misterioso para el que todavía no tenemos explicación. Varias observaciones astronómicas y cosmológicas indican que la materia que somos capaces de observar (planetas, estrellas, galaxias ...) representa tan sólo un 5% de todo el contenido del Universo. El 95% restante está formado por alguna substancia desconocida para nosotros, e invisible.

De hecho sabemos que no hay una sino dos sustancias misteriosas. La primera de ellas formaría aproximadamente el 25% del Universo y es la que llamamos “Materia Oscura”. Esta es materia que no interacciona con la fuerza electromagnética pero que tiene masa y por tanto nos permite detectar su efecto gravitatorio de atracción respecto a la materia visible. La segunda de estas substancias invisibles es la más misteriosa de las dos. Seguramente es por eso que han decidido bautizarla como “Energía Oscura”, al más puro estilo Star Wars. Sabemos que esta Energía Oscura supone el 70% de toda la energía del Universo.

Una hipótesis que se plantean algunos científicos es que la “Materia Oscura” esté formada por un nuevo tipo de partículas llamadas “supersimétricas”. Según la teoría de la Supersimetría, cada una de las partículas que hoy conocemos tendría una “compañera” supersimétrica idéntica pero con espín distinto: los súper-compañeros de los fermiones serian bosones, y viceversa. Uno de los atractivos de esta teoría es que, de forma natural, predice que las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte tenían la misma intensidad en algún momento en el pasado del Universo. De este modo, abre la puerta a la idea de que dichas fuerzas sean tan sólo diferentes manifestaciones de la que fue originalmente una única fuerza. Por otro lado, esta teoría predice la existencia de toda una colección de nuevas partículas (para cada partícula conocida, una nueva súper-compañera) que aún no han sido detectadas. El LHC podría ser la máquina que encuentre algunas de estas nuevas partículas supersimétricas y alguna de ellas, como el neutralino , podría reunir las condiciones necesarias para ser un candidato a formar la enorme cantidad de Materia Oscura que sabemos que contiene el Universo.

En cuanto a la Energía Oscura, prácticamente lo único que sabemos es que está distribuida de forma homogénea y genera una fuerza repulsiva que tiende a acelerar la expansión del Universo. Esta energía se suele asociar al vacío, sugiriéndonos que “el vacío” es muy distinto de “la nada”. Si tratásemos de hacer el vacío completo en un espacio, eliminando de él toda la materia y toda la radiación, ahora sabemos que al final nuestro vacío siempre contendría una cierta densidad de Energía Oscura intrínseca: vacío repeliendo al vacío.
No está claro hasta qué punto el LHC podrá dilucidar el misterio de la Energía Oscura. Tal vez exista alguna relación entre esta extraña forma de energía del vacío y el bosón de Higgs, o la supersimetría, y si es así seguramente el LHC nos ayudará a entenderla.

Hasta aquí hemos hablado de algunas de las cosas que se esperan descubrir con el LHC, pero casi no hemos explicado qué aspecto tiene la máquina. Este acelerador es un anillo formado por imanes superconductores situado en un túnel de 27 kilómetros de perímetro y enterrado 100 metros bajo tierra. La temperatura a la que operan los imanes es tan sólo de 1.9 grados Kelvin. Por lo tanto, el anillo del LHC estará más frío que el espacio exterior. Por este anillo se harán circular haces de protones en sentidos opuestos que se harán cruzar en cuatro puntos, generándose así mil millones de colisiones protón-protón por segundo. En estos puntos se han construido cuatro gigantescos detectores de partículas que servirán para registrar con gran precisión los productos de estas colisiones: ATLAS , CMS , LHCb y ALICE .

ATLAS por ejemplo es el mayor detector de partículas jamás construido, es tan grande como un edificio de cinco plantas. CMS es más compacto pero es el más pesado, con sus 12.500 Toneladas pesa casi el doble que la Torre Eiffel. Hay multitud de detalles técnicos en cada una de estas máquinas que las hacen apasionantes. La exploración de algunos de ellos la podemos dejar para otro post en el futuro.

Gonzalo Merino
Coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España
Port d’Informació Científica, Bellaterra (Barcelona)
http://lhcatpic.blogspot.com

Cotilleos científicos en la NASA

2008-08-29T21:24:31+02:00

Recuerdo la entrada “Exploración espacial con humanos, ¿para qué? ” como uno de los primeros grandes debates en los que vuestras aportaciones enriquecieron sobremanera el texto del post.
En esos momentos empezaba a dudar acerca de la urgencia de colonizar el espacio, y sobretodo de la necesidad de enviar una nave tripulada a Marte.
He estado siguiendo el asunto y asistido a varios eventos. El último, el pasado jueves 26 de junio en la sede de la National Academy of Sciences (NAS) en Washington DC. Allí, el Consejo de Estudios Espaciales organizaba un simposio titulado “Forjando el futuro de la ciencia espacial: los próximos 50 años”. Se habló más de política y presupuestos que de ciencia. No es de extrañar, la frase inicial en la presentación de Lennar Fisk, director saliente de la SSB fue: “actualmente, la única certeza en la NASA es la incertidumbre”.
Se refería a la controversia interna que existe en la NASA sobre el camino que debe seguir esta institución. La NASA tiene un presupuesto de 17 mil millones de dólares para el 2008. Este dinero se distribuye en diversos paquetes. Los dos mayores son exploración y ciencia. El problema para algunos es que la decisión tomada en 2004 de enviar humanos primero a la luna para entrenarse, y luego a Marte, repercute negativamente en los recursos destinados a la investigación científica (astrofísica, ciencias planetarias, astrobiología…).
La situación es compleja. Hay versiones oficiales e infinidad de conversaciones de pasillo. En el fondo se trata de una decisión política, y como en política el chismorreo y la subjetividad están permitidas, hagamos lo propio… Lanzo una primera pregunta siendo consciente de lo limitada que es nuestra información: “Si enviar una misión tripulada a Marte estuviera en vuestras manos, ¿lo haríais?” Yo esta vez me mojo, y digo que no.
De todas formas, este no es el caso. La decisión ya está tomada desde el 2004 y hay un presupuesto aprobado. Si formaras parte de una organización como la NASA y se tomara una decisión de tal envergadura, podrías no estar de acuerdo, pero te tocaría acatarla. Y si no te gusta como marchan las cosas, dimites como hizo el pasado marzo Alan Stern, ex-jefe de la división científica de la NASA.
Lo que pasa… es que no son sólo cuatro los que se quejan. Hay muchísima gente de peso considerando que el programa para viajar a Marte fue un error, y es preferible dar marcha atrás cuanto antes. Por tanto, consciente de nuestra tremenda desinformación pero también del derecho que tenemos a opinar sobre dónde va el dinero público (imaginemos que fuera el nuestro), la segunda pregunta que propongo es: A estas aluras, ¿replantearíais la misión? Yo... creo que sí. Y además, basado sólo en cotilleos y percepciones subliminales en los tonos de voz de algunas declaraciones oficiales, me atrevo a pronosticar que el próximo presidente de US dirá: “tranquilos que a Marte iremos, pero tardaremos un poco más de lo planeado. De momento lo paramos”.
Repito: estamos haciendo cotilleo científico. Pero si no nos lo tomamos muy en serio, no me parece tan pernicioso. Así que continuemos entonces…
La NASA no nació como una organización científica. Su principal objetivo era la exploración del espacio. Y algunos opinan que si eliminamos el “sueño” de poner un humano en Marte, perdería gran parte de su razón de existir. El conocimiento científico del Universo no es suficiente; se necesita un gran proyecto hacia el que dirigirse. Además, argumentan que la exploración con robots todavía tiene trabas.
En una de las sesiones una científica planetaria dijo: “Un geólogo en Marte sería muchísimo más versátil que un robot”. De inmediato alguien del público respondió: “esto no va a suceder. ¿Tu sabes cuanto cuesta enviar un geólogo a Marte de forma segura, y traerlo de vuelta?”
Los partidarios del giro hacia la ciencia dicen que en los últimos años, lo que está llenando portadas de periódicos y entusiasmando al público son los descubrimientos hechos con la parte del presupuesto destinada a la ciencia. Piden más recursos, pero entienden que invertir todavía más dinero público en supernovas, quasares, agujeros negros… no complazca a los políticos preocupados por la prosperidad económica de EEUU. Es lógico. Su propuesta es que la NASA amplíe horizontes científicos. La NASA podría utilizar su sólida estructura y el indudable talento de sus científicos para enfatizar las investigaciones en cambio climático, nuevas energías, aeronáutica civil y comercial… incluso en tecnología militar. Este es el verdadero "cambio de rumbo" por el que muchos apuestan.
En todo caso, nadie habla de olvidarnos de los astronautas, claro que no. Hay grandes expectativas con la Estación Espacial Internacional , y sólo hace falta leer los comentarios del post del pasado diciembre para entender porqué sí es necesario mantener humanos por el espacio. Pero quizás misiones faraónicas como el viaje a Marte, por eso de que está en nuestros genes y que colonizar el espacio es el destino final de la humanidad... puede esperar un poco. I don’t know… estoy seguro que vuestras reflexiones volverán a ampliar y enriquecer este texto chismoso pero bienintencionado que se deja demasiados aspectos por comentar.

Teoría de cuerdas: ¡a por ella!

2008-08-08T12:47:26+02:00

La teoría de cuerdas tiene un gancho tremendo. Te transporta a un mundo de 11 dimensiones, universos paralelos, y partículas formadas por cuerdecitas casi invisibles vibrando a diferentes frecuencias. Además, te dice que no se trata de analogías sino de la estructura más profunda de la realidad, y que ésta podría ser la teoria final que unificara por fin a toda la física.
¿Ciencia, matemáticas, filosofía, literatura? a mi me fascina. He leído artículos, visto documentales , charlado con expertos… y siempre termino placenteramente alienado, sumergido en un mundo abstracto que nuestro cerebro no está diseñado para asimilar.
Mi último cara a cara con la teoría de cuerdas fue en Nueva York hace unas semanas. Gracias al blog conocí a Sergio Lukic, un matemático que estudia la geometría de las dimensiones generadas por la teoría de cuerdas. Impresionante. Me impactó su sabiduría, capacidad comunicativa, y la cantidad de temas que Sergio era capaz de abordar. Durante dos intensas horas él hablaba y yo le interrumpía con mis dudas. Resultó tan gratificante, que le pedí que escribiera un texto de 1500 palabras para el blog.
Cuando lo recibí, vi que Sergio había cometido un "error" bastante común en algunos científicos cuando divulgan: Si les restringes el espacio, en lugar de eliminar conceptos los condensan. En dos páginas de Word Sergio habla de supercuerdas, teorema de Gödel, modelo estándar, branas, multiversos, LHC, matemáticas, elegancia, política científica, polémicas, filosofía de la ciencia… Aquellos que ya estéis familiarizados con estos asuntos disfrutaréis. Otros quizás os perdáis en algún momento ☹. Esto sería un pecado capital en un programa de TV o en un artículo convencional, pero no en un blog donde podéis hacer lo mismo yo en el Starbucks que nos conocimos: interrumpirle y preguntar. ☺
Os dejo con el texto de Sergio, y su ofrecimiento a responder todas vuestras preguntas sobre teoría de cuerdas, física fundamental, matemáticas, partículas, universos múltiples… que el tema no os intimide; dejaos llevar libremente por él.

Belleza matemática y quizá también ciencia, por Sergio Lukic

Pregunta a cualquier aficionado a la ciencia qué es lo último en física teórica, y lo más seguro es que te hable de la teoría de cuerdas. Para ser sólo un marco teórico especulativo (todavía candidato a teoría científica), se ha convertido en todo un boom dentro del mercado estadounidense de la información. En los últimos años han aparecido varios libros de divulgación discutiéndola [1-7], la prensa escrita publica regularmente artículos sobre ella [12], los internautas buscan en Google más veces "teoría de cuerdas" que "física cuántica" o "relatividad general" [8] . . . hasta ha aparecido un programa de televisión dedicado a divulgarla [9].

Esta teoría propone sustituir la noción de partícula puntual, que es la utilizada en los modelos de partículas elementales tradicionales, por la de una cuerdecita vibrante. Los diferentes modos de vibración de la cuerda se corresponderían con los diferentes tipos de partículas elementales. Cada cuerdecita sería de un tamaño minúsculo (10-35 metros = 0.00000000000000000000000000000000001 metros), tan pequeño que si dilatáramos una de esas cuerdas hasta llegar al tamaño de un átomo de hidrógeno, un ser humano sería tan grande como una galaxia espiral del tamaño de la Vía Láctea.
Uno de los problemas es que con la tecnología actual, no podemos saber si las partículas son realmente cuerdas o no. En la región del microcosmos a la que tenemos acceso experimental, las partículas elementales siguen pareciendo puntuales. Esto no significa que la teoría de cuerdas sea incorrecta, por ejemplo, el avance de la tecnología ha demostrado que en los aparentes "puntos luminosos" del cielo nocturno se esconden objetos muy complejos (planetas, estrellas, galaxias . . .). La única forma de probar la teoría es de forma indirecta, a través de sus consecuencias en la región del microcosmos a la que sí tenemos acceso. Una de esas consecuencias, quizá la más elegante, es que uno de los modos de vibración fundamentales de la cuerda es el de una partícula que transmite la fuerza de la gravedad. En el límite macroscópico de la teoría, las ecuaciones que gobiernan las interacciones de estados colectivos de cuerdas en ese "modo de vibración", se corresponden con las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. En otras palabras, la teoría de cuerdas provee la única teoría microscópica de la gravedad que se conoce.

(Representación pictórica de cuerdas microscópicas interactuando)

Desde la aparición de la mecánica cuántica, el problema de construir una teoría cuántica de la gravedad que provea una descripción microscópica de la teoría de Einstein, se ha convertido en uno de los problemas más difíciles en la historia de la física teórica. La teoría de cuerdas resuelve ese y algunos otros problemas, aunque el precio a pagar es la aparición de muchísimos otros todavía no resueltos.  

Los otros problemas y la belleza matemática  
Hoy por hoy, dentro del rango de escalas microscópicas al que tenemos acceso, los fenómenos observados entre partículas elementales y sus interacciones son descritos por el modelo estándar de partículas y la teoría de la gravedad de Einstein. El modelo estándar asume, entre otras cosas, que las partículas son objetos puntuales. La estructura matemática del modelo es muy sofisticada: describe partículas que distinguen izquierda de derecha, partículas con propiedades estadísticas muy diferentes (fermiones y bosones), además contiene muchísimos elementos de teoría de grupos, integrales en espacios de dimensión infinita, y un largo etcétera. Durante el desarrollo inicial de la teoría de cuerdas (1968-1984) quedó claro que las únicas formulaciones de la teoría que pueden describir la complejidad del modelo estándar, son las que tienen lugar en un espaciotiempo de 10 dimensiones (9 espaciales y 1 temporal). Por la misma razón, es necesario postular un nuevo tipo de simetría espaciotemporal conocida como supersimetría. La supersimetría relaciona las partículas fermión con las bosón. Cada partícula en la naturaleza es un bosón o un fermión; los quarks, electrones y neutrinos son fermiones, y los fotones y la partícula de Higgs bosones. Una de las implicaciones físicas de la supersimetría es que dobla el número de partículas conocidas, es decir, por cada fermión (respectivamente bosón) habría un bosón (fermión) que todavía no se ha detectado.  El requerir 6 dimensiones extra y supersimetría se puede interpretar como predicciones de la teoría [1,2,4,6] o como problemas de la misma [3,5,7], dependiendo del punto de vista. Un problema en el que están de acuerdo defensores y detractores, es la aparente variedad de teorías de cuerdas. Se conocen cinco tipos de teorías de cuerdas: la tipo I, la IIA, la IIB, la heterótica HO y la heterótica HE. Cada una daría lugar a diferentes fenómenos observables en la región del microcosmos que podemos acceder experimentalmente. Además, la innumerable variedad de formas de compactificar las seis dimensiones extra daría lugar a una cantidad mucho mayor de modelos que describen universos totalmente distintos.  En el proceso de entender cuales de esos modelos se asemejan al universo en que vivimos, han aparecido varias ideas matemáticas que arrojan luz sobre la elegancia de la teoría de cuerdas. Por ejemplo, en el universo que observamos hay tres dimensiones de espacio y una de tiempo; la única forma de que hubiera seis dimensiones extra es que éstas estuvieran "enrolladas" a escalas microscópicas. De la misma forma que un cable fino, el cual puede parecer una línea unidimensional, es una superficie bidimensional con la dimensión que describe su grosor "enrollada", la física que observamos dependería de las formas geométricas que contienen las seis dimensiones enrolladas (o compactificadas). Las matemáticas que describen la compactificación son muy elegantes. Hay matemáticas abstractas que fueron desarrolladas por motivos puramente estéticos, cercanos a la teoría de números y sin aparente conexión con física teórica, que ahora forman parte de la tecnología matemática que utilizan los teóricos de cuerdas. Matemáticos reconocidos mundialmente por sus contribuciones en matemáticas fundamentales, hoy trabajan en problemas de teoría de cuerdas. Y viceversa, estructuras matemáticas encontradas por teóricos de cuerdas han despertado tanto interés en el mundo de las matemáticas que han aparecido nuevas áreas de investigación entorno a ellas.  

La polémica  
Los espacios de Calabi-Yau, las branas y sus cargas, las cuerdas-instantón, los instantones, los fibrados estables, etc. son algunos de los conceptos asociados a la geometría que describe las dimensiones compactificadas. Hay evidencia de que el espacio descrito por todas esas posibles configuraciones geométricas, contendría muchísimos puntos que describen modelos semejantes a nuestro universo. Algunos teóricos de cuerdas proponen que todas esas configuraciones existen objetivamente en lo que llaman el multiverso. Combinado con el principio antrópico, dicho grupo de teóricos dice explicar porqué la constante cosmológica observada es tan pequeña. Simplificando, su argumento dice: "casi todas las configuraciones del multiverso corresponden a universos en el que la vida no es posible; obviamente nosotros vivimos en un universo de ese multiverso en el que la vida sí es posible; un análisis estadístico en el multiverso implica que lo más probable es que un universo donde la vida sea posible tenga una constante cosmológica pequeña y positiva" [6].

(Representación pictórica del multiverso)

La principal crítica que está recibiendo la teoría [5,7] es que es incapaz de predecir nada. Peor aún, "ni siquiera se puede demostrar que la teoría sea incorrecta" dice Peter Woit, matemático de la universidad de Columbia. Los críticos denuncian que visiones como las del paisaje cósmico o la del multiverso [6] son tan flexibles que "todo vale": cualquier cosa que se descubra empíricamente se podrá explicar a posteriori con teoría de cuerdas, por que ésta contiene una cantidad enorme de posibilidades [7]. Otros críticos más radicales acusan a la teoría de palabrería sin contenido y de ciencia postmoderna [3]. A nivel político, Lee Smolin, un físico teórico del Perimeter Institute, denuncia que el poder que tienen los teóricos de cuerdas en las agencias federales de los Estados Unidos para financiar su investigación es desmesurado e injustificado [5]. Otros físicos defienden que la teoría todavía no está entendida correctamente y que es precipitado sacar conclusiones. Faltan muchos puzzles por resolver. Por ejemplo, hay evidencia de que las diversas teorías de cuerdas son límites diferentes de una teoría más profunda conocida como teoría M (donde M se refiere a Matriz, Misterio, Madre. . .). Sin embargo, formular en qué consiste exactamente esta teoría M se está convirtiendo en uno de esos proyectos a largo plazo donde no está claro que el "a largo plazo" no sea lo mismo que ilimitado. Al día de hoy aquel que quiera entender la teoría sólo aspira a conseguir un conocimiento parcial de la misma. Puede que la formulación completa de teoría M nunca esté al alcance del ser humano. Stephen Hawking es de esa opinión, y comentó al respecto: "alguna gente estará muy decepcionada si no existe una teoría final (refiriéndose a teoría M) que pueda ser formulada utilizando un número finito de principios físicos. Yo solía pertenecer al grupo de gente que pensaba que sí era posible, pero he cambiado de pensamiento", [10]. El premio nobel de física Freeman Dyson opina de forma similar: "El teorema de Gödel implica que las matemáticas son inagotables. Da igual cuantos problemas resolvamos, porque siempre habrá otros problemas que no pueden ser resueltos dentro de los mismos marcos teóricos. [...] Por el teorema de Gödel, la física también es inagotable. Las leyes de la física consisten en conjuntos finitos de principios y reglas racionales, incluyendo teorías matemáticas, por lo que el teorema de Gödel también aplica a las leyes de la física", [11]. Al margen del proyecto monumental en que consiste entender la teoría de cuerdas y la teoría M, la comunidad de físicos de partículas espera sorpresas durante los próximos años. El nuevo acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) en CERN (Ginebra, Suiza) empezará a funcionar a finales de año [14] . El LHC es el mejor instrumento disponible para explorar regiones del microcosmos antes desconocidas. Qué veremos en el LHC y como se explicarán esos descubrimientos son las dos grandes cuestiones a seguir durante los próximos años. Desde la teoría de cuerdas hay esperanzas en descubrir supersimetría y/o dimensiones extra; lo que nadie ha predicho es si dichos fenómenos son perceptibles dentro del rango de microdistancias que el LHC puede explorar. La conclusión es que el LHC puede encontrar evidencia a favor de la teoría de cuerdas, aunque no tiene porqué encontrarla; lo difícil será que aparezca evidencia en contra. 

***Comentario Personal***

Paralelo al avance científico, otro fenómeno interesante es el de la transformación social que está sufriendo el mundo de la ciencia. En ésta época de la historia de la física en la que un experimento puede involucrar cantidades enormes de recursos, una financiación de miles de millones de euros [14], equipos de varios miles de científicos, niveles de especialización y división de la labor sin precedentes [13]… estamos viendo un aumento inevitable en la politización de la ciencia. La división entre físico experimental y físico teórico se está sustituyendo por cadenas de producción de conocimiento con diversos grados en la división de la labor y en la dirección de los proyectos. Está por ver como muchos de los valores científicos, que tradicionalmente han sido defendidos por minorías de individuos (p.ej. la búsqueda desinteresada de la verdad, el escepticismo extremo. . .), sobrevivirán a las consecuencias de dicha politización.

Sergio Lukic

Refererencias

[1] Brian Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, W. W. Norton & Company, 2003.
[2] Brian Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality, Knopf, 2004.
[3] John Horgan, The End of Science: Facing the Limits of Knowledge in the Twilight of the Scientific Age, Addison Wesley, 1996.
[4] Lisa Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions, Harper Perennial, 2006.
[5] Lee Smolin, The Trouble With Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next, Houghton Mifflin, 2006.
[6] Leonard Susskind, The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design, Back Bay Books, 2006.
[7] Peter Woit, Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law, Basic Books, 2007.
[8] Comparación del volumen de búsqueda de la frase "teoría de cuerdas" en Google Trends.
[9] Nova, PBS, The Elegant Universe, 2004. http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/
[10] Charla de Stephen Hawking en "Strings 02", Cambridge University, 2002. http://www.damtp.cam.ac.uk/strings02/dirac/hawking/
[11] Freeman Dyson, The New York Review of Books, 13 de Mayo del 2004.
[12] Por ejemplo, artículos en The New York Times, Time magazine, The New Yorker. . .
[13] http://www.nature.com/naturejobs/2006/060713/full/nj7099-218a.html
[14] http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/achenbach-text

El tamaño de una Supernova

2008-08-08T12:28:50+02:00

Si os preguntaran cuál es el diámetro de la supernova que veis en la imagen… ¿os atreveríais a dar un orden de magnitud? Por ejemplo: ¿Cuál sería su tamaño en relación a nuestro sistema solar?

La semana pasada visitamos la sala de operaciones del telescopio espacial Chandra –X Ray acompañados por su director adjunto, Claude Canizares . Hablamos de astrofísica y de la observación del espacio. En un momento determinado nos mostró la imagen de una supernova (no puedo asegurar que fuera la misma de la izquierda) y un compañero le preguntó sobre su tamaño real. “Un par de años luz de diámetro”, dijo Claude Canizares; “Nuestro sistema solar entero sería un puntito indistinguible en esta fotografía”. ¿¿¿Cómo??? Había visto multitud de imágenes de estas explosiones estelares, pero nunca había caído en que sus dimensiones eran tan espectaculares.
De golpe empecé a plantearme dudas sobre mi capacidad de comprender ciertas fotografías del Universo… ¿Los colores tenían algún significado? ¿qué veía un telescopio de Rayos X, uno óptico, y uno de infrarrojos?¿Qué imágenes eran más relevantes desde el punto de vista científico? Algunas de las que venían a mi memoria ¿eran reales o ilustraciones?… ¿Qué más me estaba perdiendo por no tener clara su interpretación?

Dos días después fui al Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics . Allí Megan Watzke me explicó algunos aspectos básicos para poder apreciar mejor la información que contienen estas fabulosas imágenes, y comentamos algunas en concreto.
Además de esto, me dio un póster muy bonito (derecha).
Este fin de semana he tenido visita. Un par de mis amigos se quedaron prendados con el póster “a mi esta es la que más me gusta…”, “qué colores más espectaculares…”, “esto parece Marte…”, pero comprobé que tenían las mismas lagunas que yo sobre el significado real de lo que estaban viendo.
Entonces pensé en escribir un post presentando algunas imágenes de las que discutimos con Megan. No con el objetivo de educar, sería pretensioso y hay otros sitios excelentes, sino simplemente como excusa para plantear algunos detalles que generalmente pasan desapercibidos.

Cassiopeia A
Esta imagen de la supernova Cassiopeia A es una composición de fotografías hechas con 3 telescopios espaciales: el Chandra (Rayos X), el Hubble (óptico), y el Spitzer (infrarrojos). Cada uno ve una cosa diferente.
El color rojizo es polvo a unos 10ºC captado por el Spitzer.
La imagen del Hubble (coloreada con tonos amarillentos) corresponde a las estrellas del fondo y a estructuras filamentosas de gases a 10.000 ºC.
Las brutales colisiones entre átomos de los gases más calientes (10 millones de grados Celsius) emiten Rayos-X que son captados por el Chandra. Están representados por los colores azul y verde.
La temperatura es clave. Cuanto más caliente está un objeto, emite una radiación a longitudes de onda más energéticas. Nuestros ojos sólo distinguen un pequeño fragmento de la luz que recibimos : la fracción visible. Por debajo están los infrarrojos, microondas… y por encima los ultraviolados, rayos-x, rayos gamma…
Con detectores específicos podemos detectar estas longitudes de onda y ver fenómenos que no percibiríamos con un telescopio óptico “convencional”. Por ejemplo, las supernovas son eventos tremendamente energéticos, que se observan muy bien con el Chandra X-Ray. En cambio la radiación infrarroja captada por el Spitzer resulta ideal para identificar regiones de gas en las que se están formando planetas y naciendo nuevas estrellas. Poder combinar las imágenes de los diferentes telescopios nos da información mucho más precisa sobre la estructura y evolución de los objetos del Universo.

Sombrero Galaxy
Esta Galaxia llamada Sombrero , situada a 28 millones de años luz de distancia, es un buen ejemplo de ello.
El color azul es gas caliente captado por el Chandra, y los quasars en el fondo.
El color verde es la imagen óptica del Hubble. En esta imagen ampliada podréis distinguir un borde de materiales en el contorno de la galaxia que bloquean la luz de las estrellas interiores. Ese material se aprecia muy bien con la imagen infrarroja del Spitzer. Superponiendo las tres imágenes los científicos pueden entender mejor la composición del Sombrero Galaxy.
Quizás os habéis percatado que aquí los astrofísicos han coloreado de verde la imagen óptica, y en la fotografía anterior el mismo color correspondía a Rayos-X. El color de las imágenes astronómicas no es completamente arbitrario, los tonos azulados siempre representan energías superiores a los verdes, y estos superiores a los rojizos. Pero no hay necesariamente una relación de color entre diferentes fotografías. El objetivo en cada caso es distinguir de la forma más clara lo que se pretende mostrar.

El centro de la Vía Láctea
Quizás no se trate de una fotografía tan espectacular, pero esta combinación de imágenes de rayos X nos muestra el centro de nuestra galaxia. Se pueden ver cientos de enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros inmersos en una niebla incandescente a muchos millones de grados centígrados. Según Megan Watzke en su momento fue muy reveladora porque permitía entender cómo la región central de nuestra galaxia afectaba a las estructura entera, y se podía observar el agujero negro supermasivo en su epicentro, 3 millones de veces más pesado que nuestro sol.

Evidencias directas de Materia Oscura
Esta imagen fue la primera gran evidencia visual de la materia oscura.
Lo que estáis observando son dos enormes agrupaciones de galaxias colisionando, el tipo de evento más energético del Universo después del Big Bang.
El color rosáceo es gas caliente detectado por el Chandra X-Ray, y representa el lugar donde se encuentra la materia “normal”. Sin embargo, los astrofísicos utilizaron otra técnica llamada “lentes gravitacionales” para detectar dónde se encontraba la mayor cantidad de materia, y vieron que no coincidía con la imagen del Chandra. El color azulado representa la materia oscura.
La idea básica de las lentes gravitacionales es la siguiente: Los científicos miran las estrellas situadas en el fondo de la imagen (con el Hubble; colores amarillo y anaranjado). En principio ellos saben su posición “teórica” exacta. Si ven que están en otro sitio de lo esperado, es que hay “algo” en medio que ha distorsionado la luz que nos llega de ellos. Si este “algo” es invisible, es decir, no lo detectamos de ninguna forma, es que se trata de materia oscura.

Los Pilares de la Creación
Al ver la siguiente imagen uno de mis amigos me dijo: “esta me suena, pero es un dibujo, no?”. Realmente lo parece. Sin embargo, es quizás la imagen más famosa del Hubble. Se llama los pilares de la creación, porque muestra una gigantesca nube de polvo en cuyo contorno se están formando estrellas y sistemas solares completos.
También es conocida como la nebulosa del Águila, y es la imagen astronómica más reproducida en películas, representaciones artísticas... Tanto, que se puede confundir por una ilustración. Imágenes posteriores con el Chandra X-Ray y el Spitzer permitieron precisar los lugares donde se estaban formando estrellas, e indicaron que de hecho se estaban creando menos de las que inicialmente se había creído.

Hay galerías enteras de imágenes astronómicas espectaculares. De planetas, galaxias, agujeros negros, estrellas de neutrones… algunas son más bellas, otras más informativas… pero todas ellas despiertan nuestra curiosidad, la fascinación por el descubrimiento, y nos estimulan a intentar comprender científicamente el Universo.
El 2009 será el Año Internacional de la Astronomía , y precisamente entre sus objetivos está utilizar el indudable atractivo que genera el espacio para acercarnos un poco más a la metodología científica.
Y es que siendo capaces de descifrar la información que contiene la fotografía de una supernova, podemos apreciar otros niveles de belleza más allá de la estética.

Tu libro de ciencia preferido

2008-09-24T11:29:50+02:00

La semana pasada estaba ojeando la sección “libros que cualquier periodista científico debería leer” en la mini biblioteca que tenemos en la oficina del Knight Fellowship .
Entonces vino mi compañero Ivan Semeniuk y señaló uno en especial:
Ivan: “Chaos! que gran libro…”
Pere: “No lo conozco”
I: “No has leído Chaos??? Deberías hacerlo!”
P: “Pero es antiguo, no? Cuando se publicó?”
I: “En el 85 o 86…”
P: “No voy a leer un libro sobre física del Caos escrito hace más de 20 años… seguro que hay algo más actual”
I: “No importa. ¡Tienes que leer este libro! Es una obra de referencia. No habla sólo de ciencia; explica cómo nació la física del caos, la revolución que significó, el contexto histórico… es una obra excelente para entender el funcionamiento del mundo científico, y está extremadamente bien documentada.”

Estoy enganchado a “Chaos ”, de James Gleick. Luego cuento algo sobre él, pero se me ocurre que podríamos dedicar este post a citar libros que nos hayan impactado, explicando el porqué. Seguro que a todos nos interesará descubrir perlas que no conocíamos, como me ha pasado con Ivan.

¿Cuáles recomendaríais? Por divulgativos, por la idea poderosa que transmiten, por la historia que narran, por ser la mejor referencia de un tema concreto, por ofrecer una visión amplia de la ciencia, por su sencillez, por su profundidad, por inspiradores, por cómo han influido en vuestra forma de pensar, porque consideráis que son una de las obras maestras de la literatura científica… por lo que sea. Que nadie se inhiba.

“Chaos: La creación de una nueva ciencia"
Yo reconozco mi promiscuidad con los libros de ciencia. No los leo igual que una novela. Me salto páginas, a veces capítulos enteros, tengo varios empezados al mismo tiempo, y raramente los termino. Los maltrato con lápiz e incluso bolígrafo. Releo la introducción y el índice varias veces para intentar asimilar la idea principal que el autor quiere transmitir, pero luego, algunos fragmentos me aburren y los abandono, o busco las conclusiones al final de cada capítulo.
En ocasiones me he enamorado de un libro por la idea rompedora y contagiosa que exponen (por ejemplo El gen egoísta), pero una vez superado el “aha! moment”, si los capítulos se van haciendo cada vez más pesados, se repiten, y no logran mantener el nivel de placer, los aparco sin escrúpulos.

Quizás me pase lo mismo con “Chaos”, pero de momento es uno de esos libros que se lee lento, en los que subrayas frases casi en cada página. Me gusta porque entremezcla muchos campos científicos diferentes. Porque explica de manera exquisita el contexto social e histórico de las investigaciones, y el impacto filosófico que supuso el nacimiento de una nueva ciencia. La nueva ciencia que observaba la complejidad del mundo con otra mirada, y que rompía con tres cosas: las barreras entre disciplinas, la ilusión determinista de Laplace, y el reduccionismo como forma de comprender la naturaleza.

Pero si tengo que explicar algo concreto, me quedo con el descubrimiento del “efecto mariposa”. La semilla que dio origen a la física del Caos.

“El aleteo de una mariposa en Pekín puede generar un tornado en Nueva York"
Cuando en los años 50 Von Newman diseñó los primeros ordenadores, una de sus inmediatas aplicaciones fue el estudio de la meteorología. En esa época se pensaba que predecir el tiempo atmosférico con semanas de antelación era sólo cuestión de aplicar las leyes de Newton y tener muchísimo más poder de cálculo. Incluso algunos aventuraban que en el futuro íbamos a dominar el clima y conseguir que lloviera o no a voluntad.
Este planteamiento surgía de una visión determinista de los fenómenos físicos: Si conociéramos al detalle las posiciones y movimientos de todos los elementos que forman parte de un sistema, y las leyes que los afectan, podríamos predecir con exactitud su evolución futura.
Todo el mundo sabía que esto era materialmente imposible, pero el punto clave era considerar que un pequeño error en el cálculo inicial sólo implicaba un pequeño error en el resultado final. Dicho de otro modo: podemos predecir cuando regresará el cometa Halley sin necesidad de afinar a la décima de milímetro su posición actual. Los detalles minúsculos tienen poca relevancia: si un día invitas a café a un amigo, tu economía global futura no se verá muy afectada; a final de mes tendrás 1 euro menos.
La observación de que esta asunción era completamente errónea, y que en algunos sistemas un ligerísimo cambio puede desembocar en impredecibles consecuencias, fue la semilla que dio origen a la teoría del caos.

Edward Lorenz era uno de los científicos que a principio de los años 60 utilizaba ordenadores para intentar desentrañar los misterios de la meteorología. Construía modelos con ecuaciones en las que relacionaba temperatura, presión, velocidad del viento, humedad… y los testaba. Modificaba ciertos valores y observaba cómo afectaban al resultado final que la máquina precedía. Pero un día pasó algo inesperado. Decidió repetir una misma predicción, y por descuido introdujo en un parámetro 0.506 en lugar del 0.506127 que había escrito la primera vez. Parecía un detalle insignificante, pero Lorenz observó desconcertado cómo poco a poco las predicciones meteorológicas se iban diferenciando más y más, hasta hacerse completamente distintas a las pocas semanas. Lorenz acababa de destrozar el sueño determinista de sus colegas meteorólogos al demostrar que el ligerísimo cambio provocado por el aleteo de una mariposa en Pekin puede desembocar en un evento radicalmente imprevisible como un tornado en Nueva York.
Pero la contribución más importante de Lorenz no fue establecer que la naturaleza estaba rodeada de caos y desorden, sino continuar investigando hasta descubrir que en lo más profundo de los sistemas caóticos, en realidad se oculta un cierto tipo de orden. La complejidad tenía leyes internas, pero para descubrirlas, era necesario diseñar una nueva ciencia que intentara comprender el todo como mucho más que la suma de las partes.
Lorenz y muchos otros científicos construyeron ecuaciones y herramientas matemáticas inexistentes hasta el momento. Empezaron a encontrar patrones que se repetían en sistemas tan diferentes como la meteorología, la población de especies, el funcionamiento de las células cardíacas, los mercados bursátiles… sistemas aparentemente gobernados por el caos y el descontrol, pero que poseían una lógica interna y en los que emergían una serie de propiedades comunes. Éste fue en origen de la física de la complejidad, que desde entonces ha ido abarcando nuevos campos como Internet, las interacciones entre genes, el crecimiento de las ciudades, la gestión del tráfico, el desarrollo del lenguaje, la aparición de novedades en el proceso evolutivo, el funcionamiento del cerebro… una disciplina apasionante, con una cautivadora visión holística, cuyo objetivo es encontrar el orden que se oculta dentro el caos.

Disculpad por la extensión. Quizás os seguiré hablando de “Chaos”, -el tema da para un libro entero ;) -, pero insisto: de verdad me gustaría que este post quedara como un sitio donde ir compartiendo aquellos libros de ciencia a los que tengamos cariño, respeto, o admiración.

A planeta por semana

2008-08-08T12:30:04+02:00

Descubrir un nuevo planeta extrasolar ya no es noticia. Fue un gran hito en 1995, cuando se descubrió el primero, pero ahora que ya se conocen unos 300 dando vueltas alrededor de estrellas lejanas, ¿Qué es lo realmente relevante en este campo? ¿Cuál es el contexto de las investigaciones?
La semana pasada leí la noticia publicada en nature sobre el descubrimiento de metano en un planeta extrasolar, y me di cuenta que no sabía muy bien cómo ubicar este estudio: ¿era un gran hallazgo o no? ¿Y si lo era… por qué?
En ciencia, cuando una disciplina avanza muy rápido, es difícil seguirle la pista y mantener una idea clara del contexto global en el que se enmarcan las píldoras que nos llegan por los medios de comunicación.
El estudio de exoplanetas es algo tan nuevo, que es fácil perderse. Por eso contacté con Joshua Winn , el principal experto del MIT en el estudio de planetas extrasolares. Ya nos había impartido un seminario meses antes, donde insistió en que nos atendería encantado si teníamos dudas. Comprobé que lo decía en serio. El café que tomamos duró 2 horas, y sus explicaciones me resultaron tan útiles para adquirir una visión global del tema, que intentaré transmitiros los puntos más destacados de nuestra conversación.

¿Es nuestro sistema solar extraño?
Los dos grandes objetivos son: entender cómo se forman los sistemas solares, y encontrar pistas en atmósferas lejanas que indiquen existencia de vida. Empecemos por el primero.
A partir del único ejemplo de sistema solar que teníamos (el nuestro) se construyó la siguiente teoría: Grandes cantidades de materia se acumularon formando un disco giratorio alrededor del sol. En él las partículas se iban agrupando creando estructuras más grandes. El disco se aceleraba, se producían grandes colisiones y algunas de estas estructuras adquirían una masa crítica que les permitía atraer todavía más materia, hasta acabar convirtiéndose en planetas. Esta explicación concuerda muy bien con el hecho de que los planetas pequeños y rocosos estén cercanos a la estrella, y los gigantes gaseosos estén lejanos. Así es nuestro sistema solar; no problem.
Pero sorpresa!
A medida que se han ido descubriendo planetas, un par de detalles no encajan del todo: Hay una gran cantidad de planetas gaseosos (estilo Júpiter) en posiciones muy muy cercanas a su estrella; demasiado cercanas según la teoría del disco giratorio. Y además, se han observado órbitas exageradamente elípticas.
Comparado co lo que estamos observando, parece como si nuestro sistema solar fuera atípico... ¿Habríamos construido una teoría que explicaba una excepción?
No del todo. Según Josh la teoría básica del disco giratorio es correcta, pero debe haber otros procesos que acerquen los planetas grandes a las estrellas, y que no se habían tenido en cuenta. Él está estudiando posibles colisiones durante la formación de los sistemas solares que, como si fueran canicas, moverían a los planetas de sitio. La “anormalidad” de nuestro sistema solar se debería a que no sufrió estos efectos “extra” a lo largo de su historia.
Para Josh estos nuevos ejemplos de sistemas solares representan una herramienta fantástica para entender mejor la formación planetaria.

¿Alguno de estos planetas alberga vida?
Esta es la segunda gran pregunta que se quiere responder. Para ello los astrofísicos analizan la atmósfera de los planetas. La idea es simple: buscar biomarcadores, elementos que no puedan haberse originado en un mundo inerte. Si en una atmósfera se descubre oxígeno, por ejemplo, indicará que allí hay algo que lo está generando. Se trata de encontrar moléculas “extrañas” en la atmósfera que nos indiquen que allí hay algún tipo de metabolismo.
Pero esto no pasará dentro de poco. De momento los planetas que se han descubierto son gigantes gaseosos como Júpiter, y se encuentran demasiado cercanos a su estrella como para poder albergar una vida parecida a la que conocemos. Para encontrar planetas más pequeños, y en órbitas más grandes, los telescopios y métodos de observación deben mejorar un poco.
En el camino de la búsqueda de vida, el primer gran paso (y que sí merecerá estar en las portadas de los periódicos) será encontrar un planeta rocoso menor a 10 veces la masa de la Tierra, y situado en la “zona habitable" (suficientemente apartado de la estrella como para tener agua líquida). A los científicos no les gusta especular, pero Josh pronostica que el primer planeta de estas características se podría descubrir en unos 5-10 años. El siguiente paso será intentar analizar con detalle su atmósfera. Esto requerirá bastante más tiempo, con lo que el descubrimiento de vida extraterrestre no está a la vuelta de la esquina.

¿Cómo XXXX se puede detectar un planeta tan lejano?
A mí esto me fascina más que los propios descubrimientos.
Vemos fácilmente las estrellas porque emiten luz, pero un planeta es un cuerpo opaco, oscuro, aparentemente invisible para cualquier telescopio. ¿Cómo podemos ver un planeta? La clave está en detectarlos de forma indirecta, midiendo los efectos que ejercen sobre la estrella que orbitan.
La principal herramienta es el efecto doppler: Cuando un planeta da vueltas a una estrella, ejerce una fuerza de gravedad que la hace oscilar levemente. Es decir, a veces se acerca un poquito a nosotros y a veces se aleja. Es un efecto tremendamente sutil, pero se puede descubrir analizando el espectro de la luz que recibimos.
Otra metodología utiliza cambios en la intensidad de la luz de la estrella. Si un planeta transita por delante de una estrella, afecta a su brillo. El 10% de los exoplanetas han sido descubiertos de esta manera.
Existe un tercer método de microlentes gravitacionales que permitirá descubrir planetas más pequeños, pero este no me atrevo a describirlo…

¿Y saber lo que hay en su atmósfera????
En cuanto a analizar la atmósfera, esto parece todavía más inconcebible. Pero tiene su explicación, claro. También basada en las propiedades de la luz, en este caso de la que rebota en el planeta y llega a nosotros.
Si estuviéramos en el espacio, a simple vista podríamos distinguir el océano azul del desierto amarillento. Esto es porque la luz emitida (rebotada) por el mar tiene unas características, y la emitida por la arena otras. Por eso vemos diferentes colores. Pero el espectro electromagnético es muchísimo más amplio que el rango de luz visible, y los detectores pueden discernir variaciones infinitamente más precisas que nuestro ojo. Mirando la luz que proviene de un planeta pueden detectar los elementos que lo constituyen, o saber la temperatura a la que se encuentra.

¿Era importante la noticia del metano?
Cuando para concluir se lo pregunté a Josh, hizo esa mueca en la que se levanta el labio superior y se acacha la nariz, y empezó a ladear la cabeza. Dijo que el descubrimiento en sí no era lo importante. No hay nada inesperado en que una atmósfera tenga metano. Lo relevante era demostrar que técnicamente se podía llegar a medir esta molécula en una atmósfera tan lejana. La metodología era lo trascendente. Y es que los grandes hallazgos vendrán acompañados de mejoras en las técnicas de medición.

La búsqueda de planetas extrasolares es uno de los campos más activos de la astrofísica actual. Si vas a un congreso anual de investigación sobre el cáncer, posiblemente no oigas avances revolucionarios respecto al año interior. En cambio en ciertas disciplinas, como es el caso de los exoplanetas, las novedades son constantes. No se cuando tardará a quedarse anticuado este largo post, ni si cumplirá su modesto objetivo de dar un contexto a estas investigaciones. Pero yo lo necesitaba, como mínimo para comprender un poco mejor los futuros artículos sobre exoplanetas que sí cuenten algo concreto.

El tamaño del Universo

2008-10-05T19:23:26+02:00

Uno de los momentos más gratificantes intelectualmente es el “aha!-moment". De repente descubres una idea nueva, que ni siquiera habías contemplado, y clarifica algo que en el fondo no comprendías, o que simplemente desconocías por completo.

Hoy he tenido uno de esos “aha!-moments”. Me he dado cuenta que el Universo es mucho mayor de lo que yo pensaba…

Mi visión acerca del tamaño del Universo era así de simplista: Si lleva 13700 millones de años expandiéndose, y nada puede superar la velocidad de la luz, entonces el diámetro del Universo será –más o menos- unos 27400 millones de años luz. Nunca le había dado muchas vueltas, pero me parecía una aproximación bastante lógica.

Pero esta mañana he encontrado a mi compañero Ivan Semeniuk cuando regresaba de una clase con Alan Guth (el cosmólogo que en 1981 creó la teoría del Universo Inflacionario), y hemos empezado a hablar de la expansión del Cosmos. De golpe, he visto que mi planteamiento estaba equivocado por completo, y que la realidad desafía constantemente a eso llamado “sentido común”.

Mi grave error era visualizar el Big Bang como una explosión convencional, como fuegos artificiales, y considerar que las galaxias se alejaban unas de las otras sólo fruto de este estallido inicial.
De hecho, hasta los años 90 muchos astrofísicos tenían esta visión “clásica” del Big Bang. La gran duda en ese momento era si el Universo continuaría expandiéndose por siempre, o si su densidad sería suficientemente grande como para que la gravedad detuviera del todo su expansión, y le hiciera retroceder de nuevo hasta un Big Crunch.

Pero en 1998 se obtuvo uno de los resultados más inesperados en la historia de la astronomía. Analizando la luz procedente de supernovas, los científicos observaron que el Universo se expandía... ¡cada vez más rápido! ¿¿¿Como??? Nadie esperaba este resultado tan anti-intuitivo. ¿qué fuerza misteriosa estaba acelerando la expansión del Universo?

Quizás ya habéis oído varias veces que el 96 % de nuestro Universo está formado por una materia y energía oscura desconocidas. La materia oscura no quita el sueño a los científicos, tienen varios candidatos a constituirla con nombres como wimps, axions, neutrinos… y existen varias teorías que tarde o temprano la explicarán.
En cambio, la energía oscura les tiene absolutamente desconcertados. Representa el 74% de todo lo que existe en el Universo, es la responsable su expansión, y según nos aseguró durante una charla en Harvard el astrofísico Christopher Stubbs, es el misterio más profundo de la física actual.
Evidentemente hay muchos aspectos del Cosmos que no conocemos, pero la energía oscura representa un problema diferente, implica la existencia de algún error fundamental en nuestro modelo cosmológico actual, requiere una ciencia nueva que los científicos todavía no comprenden. Stubbs dijo que están buscando algo que no encaje, y augura que cuendo lo encuentren asistiremos a una gran revolución en el mundo de la física.

¿Pero qué tiene que ver esto con el tamaño del Universo? Todo!, ya que confirma la idea más aberrante que os podáis imaginar: Las galaxias no sólo se alejan unas de las otras debido al efecto del Big Bang. El propio espacio entre ellas también se ensancha, se expande, alejándolas todavía más.

Quizás os estéis imaginando algo parecido a una gravedad negativa, que separe en lugar de unir, pero no, no es eso, es algo mucho más extraño. El mismísimo espacio se está inflando por dentro.
Os recomiendo encarecidamente fantasear sobre este inverosímil concepto, pero no pretendáis comprenderlo, nadie lo ha conseguido del todo.

Desconozco si el siguiente dato está actualizado (si conocéis algún físico quizás le podáis reenviar esta entrada y que nos lo confirme), pero en Mayo del 2004 Neil Cornish publicó que el Universo debería tener como mínimo 156 mil millones de años luz.
La paradoja es obvia: el fotón más antiguo que nos pueda alcanzar empezó su viaje por el Universo hace 13.700 millones de años luz, pero debido a la expansión interna del espacio, el punto del que partió se encuentra ahora a 78.000 millones de años luz.

Yo reconozco que a mi esto me deja boquiabierto. Sólo el imaginarlo ya me resulta fascinante, y me cuesta creer que pueda dejar indiferente a alguien. Aquellos que este fin de semana estéis de cena navideña con los compañeros de trabajo, si en algún momento ya no sabéis de qué hablar, siempre les podéis preguntar: tu sabes cuanto mide el Universo?

Exploración espacial con humanos ¿Para qué?

2008-08-08T12:31:08+02:00

Hoy he asistido al cuarto acto sobre exploración espacial desde el pasado septiembre, dispuesto a resolver la duda que me generaron los tres anteriores: ¿Vale la pena enviar humanos a explorar el espacio si es mucho más barato, efectivo y seguro hacerlo con robots?

El primer evento al que acudí fue la presentación de la película-documental “In the Shadow of the Moon” , en la que con imágenes inéditas de la NASA y entrevistas a científicos, ingenieros, astronautas y políticos, se reconstruye la carrera espacial de los años 60 y la llegada del Apolo 11 a la luna. En el debate posterior participaron el director de la película, ingenieros del MIT relacionados con la construcción de las naves Apolo, el subdirector de la NASA en ese momento, y dos antiguos astronautas. Todos estaban emocionados al recordar el gran hito que supuso el alunizaje de 1969, y se mostraban entusiasmados con el programa espacial de la administración Bush que prevé volver a la luna en el 2020, como preparación para una futura exploración humana de Marte.

El segundo acto fue un seminario que recibimos los Knight Fellows con David Mindell, el director del departamento de “Ciencia, Tecnología y Sociedad” del MIT, y quien en primavera del 2008 publicará el libro “Digital Apollo: Human and Machine in Six Lunar Landings”. David Mindell es historiador e ingeniero, y lleva tiempo investigando sobre la relación hombre-máquina con especial interés en la exploración del espacio. Durante el seminario quedó claro que la presencia humana dentro de la nave no es imprescindible para viajar a la luna o Marte, y que no aporta un valor relevante desde el punto de vista científico. Además, encarece enormemente las misiones. Sobretodo por las medidas extra de seguridad que conlleva y porque por fuerza deben devolver a los astronautas a la Tierra.

El tercer acto fue la charla “50 años en el espacio: Reflexiones” realizada por John Logsdon , director del Instituto de Política Espacial de la George Washington University y miembro del consejo asesor de la NASA. John Logsdon lleva 40 años trabajando en asuntos de política espacial, y es un defensor absoluto de las misiones tripuladas al espacio con fines de exploración. Afirmó sin complejos que para él lo más importante no eran las aplicaciones prácticas derivadas de la investigación espacial, sino la experiencia que representa para toda la humanidad, y reconoció que durante 3 décadas la NASA no tuvo una visión clara sobre hacia donde guiar sus inversiones. En el informe que en 2003 su consejo presentó al gobierno de Estados Unidos se leía la siguiente frase: “Todos los miembros del consejo estamos de acuerdo en que los futuros esfuerzos de América en el espacio deben incluir la presencia humana en la órbita terrestre, y más allá posteriormente”. En enero del 2004 el presidente Bush anunció su nuevo programa espacial y como parte de su discurso dijo: “Es el momento para que América realice los siguientes pasos. Hoy anuncio un nuevo plan para explorar y extender la presencia humana por el sistema solar”.

En la charla también estaba mi compañero John Mangels, un excelente periodista científico con más de 20 años de experiencia y que lo ha cubierto todo sobre exploración espacial. Le dije algo parecido a: “John, tengo dudas, después de esta charla y la de Mindell, nadie ha dado motivos científicos de peso para enviar humanos al espacio. Sólo se habla de nuestro afán por explorar nuevos mundos, que por otra parte se puede hacer con robots. No tengo claro que esté justificado si representa un incremento de coste tan elevado”. Me contestó “bien… tienes razón, este es el punto importante…, pero en mi opinión es un reto que debemos afrontar. Tu no habías nacido en el 69. Fue impresionante, uno de los momentos más fabulosos del siglo XX. Todo el mundo siguió con pasión la llegada del hombre a la luna. No debemos renunciar a los viajes tripulados, la gente no siente lo mismo si quien pisa Marte es un robot en lugar de un humano. Odio a Bush, pero debo reconocer que es esto ha sido valiente y ha desatascado una situación compleja para la NASA”.

Cada lunes asisto a la clase de “Ciencia, Tecnología y Sociedad” de David Mindell. Al terminar la de la semana siguiente le pregunté “David, si tu fueras el único responsable de definir el programa espacial de la NASA, teniendo en cuenta los costes, la repercusión científica, social.. no te digo dentro de 50 o 100 años, sino ahora… enviarías humanos a la luna otra vez?” David Mindell inspiró, y dijo: “No”.

He conversado de este tema con más gente. No compro las críticas a la exploración del espacio en base a los problemas más graves que existen aquí en la Tierra. Como dirían en US, esto es comparar “apples and oranges”. No hace falta ahora recordar los enormes beneficios que ha supuesto la investigación espacial, pero cuando alguien defendió las misiones tripuladas por el sistema solar diciendo que tarde o temprano la especie humana deberá abandonar este planeta, tampoco me convenció en absoluto. El pasado septiembre en un artículo de la revista “The Economist”, mucho más agresivo que este post, se podía leer: “una escandalosa cantidad de dinero se ha malgastado con la presunción de que viajar por el cosmos es el futuro de la humanidad”

Después del denso seminario sobre política espacial de hoy, tampoco he resuelto mis dudas. La decisión de pisar de nuevo la luna en el 2020 está tomada, y depende de lo que allí pase, se irá a Marte o no. Su justificación es básicamente emotiva y responde a nuestra naturaleza exploradora. Pero es suficiente?

Lo que sí tengo claro es que el debate sobre estos temas es importante. John Mangels intuye que la mayoría de americanos aprueba que con dinero público se financie la conquista del espacio. Algo me dice que en esto los europeos son diferentes.