Y es que el personal (sobre todo el personal que se dedica a la física) no deja de hacerse preguntas, ¿por qué si al principio (en el Big Bang) había tanta materia como antimateria al final la primera ganó la partida? ¿Por qué la masa de las partículas elementales tiene valores tan dispares? ¿Por qué existen particulas elementales con masa y otras, como el fotón, carecen de ella?
Y ahí los tenéis, de izquierda a derecha: Yochiro Nambu (USA), Makoto Kobayasi (Japón) y Toshihide Maskawa (Japón). Son los galardonados con el Premio Nobel de Física 2008. Ellos han tratado de dar respuesta (al menos parcial) a estas preguntas. Y es que la clave está en la simetría. O mejor, en la ruptura de la simetría perfecta que debía haber al principio del universo. Una ruptura que permitió distinguir materia de antimateria y que hizo que las partículas, inicialmente sin masa, interaccionaran con el campo de Higgs de manera diferente para adquirir masas distintas.
El pasado jueves (entrada gratuita y libre), y en la biblioteca de la antigua facultad de Derecho, pudimos ver y oir a los galardonados con el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica. Allí, a muy pocos metros de quien esto escribe, Whitesidesnos contó qué es el autoemsamblado molecular y cómo puede usarse para obtener materiales con propiedades “a la carta” que mejoren, por ejemplo, las células solares y permitan un abaratamiento sustancial de la tecnología destinada al aprovechamiento de la energía solar.
Nakamuranos habló de sus LEDs y de las enormes posibilidades que brindan: son diez veces más eficientes que las bombillas actuales, no emiten calor y su vida es prácticamente ilimitada. Su bajo consumo los convierten en una opción para los paises más pobres con problemas de distribución en su red electrica, ya que pueden ser utilizados en combinación con los paneles solares.
Iijima nos presentó los ya famosos nanotubos de carbono, comentó sus espectaculares propiedades y las enormes posibilidades de utilización de los nanometariales. Una de las aplicaciones de los nanotubos puede ser su utilización para almacenar hidrógeno, el combustible del futuro
Langer nos alucinó con su relato de “ollas” de medicamentos, nanopartículas rellenas de medicamentos que pueden ser liberados por control remoto (o mediante sensores biológicos) en función de las necesidades. La posibilidad de utilizar materiales especiales como andamiaje para que células madre creen los tejidos que necesitemos, ya no es ciencia ficción.
Y por fin Tobin Marks, el único que no uso el consabido Power Point para ilustrar su exposición, se limitó, practicamente, a agradecer el premio. Tobin recibió el premio por su contribución a crear nuevos tipos de plásticos biodegradables y flexibles que pueden ser usados en la fabricación de nuevas células fotovoltaicas mucho más eficientes y baratas. Además, es el padre de los OLED,o diodos emisores de luz, basados en materiales orgánicos con los que se fabrican PDAs, móviles o el papel electrónico.
Un placer y un privilegio haberlo vivido. Gracias Amador.
El esquema actualmente aceptado por la mayoría de los físicos (Modelo Estandar) sostiene que la materia está formada por doce partículas elementales (además de sus correspondientes antipartículas) las cuales podríamos decir que son los verdaderos átomos, y que pueden ser agrupadas según el esquema que puede verse más arriba.
Los protones y neutrones son, según este modelo, partículas formadas por la combinación de tres quarks. Un protón está formado por quarks (uud) y un neutrón por la combinación (udd):
Las diferencias entre los quarks explican muchas propiedades de las partículas. El quark u tiene carga +2/3 (lo que quiere decir que su carga es positiva e igual a 2/3 de la carga del electrón), mientras que el quark d tiene carga - 1/3. De ahí que la carga eléctrica del protón sea: 2/3+2/3 - 1/3 = +1, mientras que la del neutrón: 2/3-1/3-1/3 = 0. Además el quark u es el más lígero de todos los quarks, y el quark d es un poco más pesado. Esto puede explicar la estabilidad del protón frente a la del neutrón. En este último caso, existe la posibilidad de que un quark d se convierta en un quark u (más ligero), mientras que la transformación inversa está prohibida por el principio de conservación de la energía.
Además de los quarks existen sus correspondientes antipartículas con la carga invertida (antiquarks). Las partículas formadas por la combinación de un quark y un antiquark reciben el nombre de mesones.
Tenemos, por tanto, dos clases de partículas formadas por quarks: aquellas que como el protón o el neutrón están formadas por la combinación de tres quarks, y a las que se les denomina de manera genérica bariones, y las formadas por la combinación quark-antiquark que reciben el nombre de mesones. Todas ellas tienen la característica común de que no son simples y se les da el nombre general de hadrones, para distinguirlas de aquellas otras que sí lo son (como el electrón) y que se agrupan bajo el nombre genérico de leptones.
Coincidiendo con el inicio de curso, de repente, los periódicos, radios y televisiones se liaron a hablar de física de altas energías, de hadrones que chocan violentamente, de reproducción a pequeña escala de las condiciones existentes una billonésima de segundo después del Big Bang, de potenciales agujeros negros que se terminarían tragando la Tierra… Y es que en Ginebra echaba a andar una gigantesca máquina, el LHC (Large Hadron Collider o Gran Colisionador de Hadrones), capaz de realizar experimentos imposibles hasta la fecha. Con todo esto, y con menor o peor fortuna, todo el mundo tiene una idea aproximada de lo que es el LHC, pero… ¿cómo es realmente?, ¿qué es un hadrón?, ¿qué es un “bunch” de protones?, ¿cuántas colisiones se producen por segundo?… A todas estas preguntas (y a muchas más) se puede encontrar respuesta en la excelente web diseñada y mantenida por Ramón Cid Manzano, profesor de Física y Química del IES de Sar, A Coruña (Primer Premio de Materiales Interactivos de la 9º Edición de Ciencia en Acción). Además, Ramón logra explicar todo esto recurriendo únicamente a la física que se estudia en el Bachillerato.
Imprescindible si de verdad quieres acercarte a las tripas del LHC.
La semana pasada se falló el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2008. La candidatura ganadora (propuesta por Amador Menéndez Velázquez a quien tan bien conocemos en el Suanzes) es un magnífico puzzle de ingenieros y químicos unidos por sus descubrimientos en el campo de la Nanotecnología.
La mejor manera de acercarse a la personalidad y a la obra de todos ellos es leerse el artículo que Amador publicó el jueves en La Nueva España. Y es que Amador, una vez más, es capaz de transmitir lo más complicado de una manera clara, amena y no exenta de poesía:
Langer ha conseguido medicamentos más eficaces contra el cáncer y materiales usados en la fabricación de tejidos y órganos para trasplantes.
Iijima abre, con sus nanotubos de carbono, un mundo de posibilidades ilimitadas en la síntesis de nuevos materiales ultraligeros y ultrarresistentes, capaces de almacenar hidrógeno, el combustible del futuro.
Marks se toma muy en serio el respeto por el medio ambiente, ya que los materiales por él sintetizados son reciclables e inocuos y la nueva generación de células solares (basadas en materiales orgánicos) son mucho más eficientes y de bajo coste que las actuales de silicio.
Nakamura es el padre de los diodos LED, “bombillas” ecológicas de bajo consumo, destinadas a sustituir a las actuales lámparas de incandescencia (el propio Amador regaló una linterna equipada con diodos LED a Victor Arniella, la última vez que estuvo en el instituto).
Whitesides es un auténtico “manipulador de átomos”, mediante la técnica denominada autoemsamblado molecular, lo que permite obtener materiales prácticamente a la carta.
No debemos olvidar que si el futuro llega a ser algo amable, Marks, Nakamura, Iijima, Langer y Whitesides habrán tenido mucho que ver.
No es la primera vez que en este blog se habla del Informe Rocard (ver post de 20-06-2007). Volvemos a la carga porque en el último número (55) de Alambique se ha publicado una traducción al castellano del documento (el original está en inglés) que puede facilitar su lectura (ver enlace al final del post).
El llamado informe Rocard es un documento elaborado por un grupo de expertos de la UE, encabezados por el ex-primer ministro francés M. Rocard, en el que se trata de identificar las causas del alarmente descenso en el interés de los más jóvenes por los estudios de ciencias y matemáticas.
Se afirma en dicho informe que esta pérdida de interés se debe en gran medida a la manera como se enseña la ciencia en las escuelas y en los centros de secundaria, y se trata de diseñar una estrategia para intentar modificar esta situación.
El informe es largo, pero jugoso, y convendría que ningún profesor/a de ciencias dejara de leerlo y reflexionar sobre lo que se puede hacer, qué se puede cambiar y qué hemos de hacer para cambiarlo. Igual de conveniente sería que lo leyesen con atención nuestros responsables políticos y educativos ya que son ellos en última instancia (así se dice en el informe) quienes tienen los recursos y la capacidad para provocar un cambio en la enseñanza de la ciencia:
Medidas para promover la adopción de nuevas técnicas docentes.
Medidas para ayudar al profesorado a presentar la materia de forma atractiva.
Medidas que estimulen el aprendizaje basado en la investigación entre los jóvenes.
También deben darse por aludidas las asociaciones de profesores de ciencias, sociedades de caracter científico, fundaciones que orientan su actividad al mundo de la ciencia y la tecnología, universidades y un largo etc. ¿Sería posible entre todos empezar a pensar seriamente en los verdaderos problemas de la enseñanza?. ¿O seguiremos dedicando cantidades ingentes de tiempo y energía a discutir problemas menores?
Hoy tocó repaso. El examen de Dinámica y Gravedad está pròximo. En una de las clases surgió una idea: ¿por qué no construir nuestro propio planeta?. Si sabemos cómo calcular el valor de la gravedad en un planeta podíamos “diseñar” uno propio, con el valor de “g” que queramos. Ya que somos los autores del nuevo mundo, tenemos el privilegio de darle nombre. Si os apetece podéis ir dejando aquí el nombre y las características (radio, masa, valor de “g”) de los mundos que os inventéis. Los/las más arriesgados también podrían intentar calcular cuánto tardaría en caer una piedra desde, por ejemplo, 10 m de altura, con qué velocidad llegaría al suelo … y ¡cualquier cosa que se os ocurra!. ¡Estáis en vuestro mundo!
¡Última hora!
El famoso profesor Potâchov de Moldaviaha visitado este blog y nos ha dejado su propio planeta.
Se llama Planchov, tiene un radio 1,5 veces el radio de la Tierra (9.600 km), una masa muy parecida a la de nuestro planeta (6,91.1024 kg) y una gravedad de 5 m/s2. Su periodo orbital (tiempo que tarda en dar una vuelta completa alrededor del Sol) sería de 5.475 días (15 años terrestres) y estaría situado a una distancia de 907 millones de kilómetros del Sol, entre las órbitas de Júpiter y Saturno. Y es que al profesor Potâchov le encantan las zonas poco exploradas y rozando el límite de lo oscuro.
La vieja bombilla de filamento parece que tiene los días contados. En un mundo en el cual la preocupación por el medio ambiente crece, parece un lujo insoportable seguir iluminando nuestros hogares a base de poner incandescente un filamento de wolframio. Y es que a la temperatura a la que se calienta en las bombillas, el wolframio emite un espectro contínuo similar al de la figura:
La zona visible está señalada con un rectángulo punteado (longitudes de onda comprendidas entre 350 y 750 nm) y así nos podemos explicar por qué la luz de estas bombillas tiene un color rojo-amarillo (la mayor intensidad de luz emitida se corresponde con la de estos colores). Sin embargo es evidente que un gran porcentaje de la radiación emitida no es visible, sino infrarroja. Esto es, la mayor parte de la energía consumida no se emite en forma de luz visible, sino que se transforma en calor (casi un 85%). El invento de Edison, que nos iluminó durante décadas, se muestra como un dispositivo muy poco eficiente.
La alternativa parece que son las llamadas lámparas flouorescentes compactas (LFC o CFL, en inglés). Estas lámparas consisten en una mezcla de gases inertes (Ne, Kr y Ar) y vapor de mercurio. Cuando los gases son calentados (mediante un filamento) se ionizan y los iones chocan contra los átomos de mercurio que de esta forma son excitados y emiten luz ultravioleta que produce la fluorescencia del material que recubre el interior de la lámpara. Consumen un 80 %menos que las convencionales y duran 10 veces más (lo que compensa su elevado precio).
Sin embargo tienen un inconveniente. En el número de diciembre de 2007 de Investigación y Ciencia, David Appell resalta el lado oscuro de las CFL: contienen mercurio. Concretamente 5 mg por bombilla. Aparentemente poca cosa (un termómetro de los “de antes” contenía unos 500 mg de metal líquido). El problema es que está en estado gaseoso (mayor peligro ante una eventual rotura) y si se multiplican esos inocentes 5 mg por la enorme cantidad de bombillas nos da una cantidad respetable de mercurio que no debería verterse sin más al medio ambiente. La solución está en establecer puntos de recogida con el fin de reciclar las bombillas, pero parece que lo primero es el negocio (vender bombillas) y del reciclado ya hablaremos.
Pero esto no es todo. Los ingenieros de una compañía canadiense: Group IV Semiconductor Inc. han desarrollado una tecnología totalmente revolucionaria que permitirá construir bombillas cuya luz se origine al pasar la corriente eléctrica a través de silicio. Estarán listas a partir de 2010, consumen un 90 % menos de energía que las actuales, duran 50.000 h (frente a las 5.000 h de las CFL), proporcionan una luz de excelente calidad y además ¡no se calientan!
Da la impresión que las CFL, también tienen sus días contados. Esperemos que su breve paso por nuestro planeta no deje un rastro de mercurio difícil de limpiar.
El tema, inevitablemente, surgió en la clase de 1º de bachillerato al estudiar la dinámica de sistemas no inerciales (aquellos que tienen aceleración). ¿Qué ocurre en el interior de un ascensor que acelera hacia arriba o hacia abajo?. Echemos un vistazo al dibujo. En él aparece una mujer de pie sobre una balanza y el ascensor tiene una aceleración “a” hacia arriba. Las fuerzas que actúan sobre la mujer son dos: la fuerza de gravedad o peso (P = mg) y la fuerza que la balanza ejerce sobre ella (N). Ésta, según el principio de acción y reaccíón, será exactamente igual a la que la chica ejerce sobre la balanza. Por tanto, la balanza indicará el valor de N. Aplicando la segunda ley llegamos a la ecuación N-P= ma y despejando: N = m (g+a)
Si analizamos esta ecuación podemos explicarnos las sensaciones que tenemos en el interior de un ascensor:
Cuando acelera hacia arriba la fuerza que ejercemos sobre la balanza,N, será mayor que el peso, ya que la aceleración del ascensor se suma a la de la gravedad. O lo que es lo mismo, el efecto de la aceleración hacia arriba ¡equivale a un aumento del campo gravitatorio!
Cuando se mueva con v =cte (a =0) la acción ejercida sobre la balanza es igual al peso (mg). Esta es la situación “normal”. La balanza marca nuestro peso. Observar que esto sucede tanto si el escensor está parado como si se mueve con v=cte (reposo y mivimiento rectilíneo y uniforme son físicamente indistinguibles).
Cuando acelera hacia abajo (”a” es ahora negativa) el valor de la fuerza que marca la balanza es menor que el peso. El efecto de la aceleración equivale ahora a ¡una disminución del campo gravitatorio!
Profundicemos en este último supuesto. ¿Qué ocurrirá si el ascensor acelera hacia abajo con una aceleración igual a “g”?. En este caso la fuerza que ejerceríamos sobre la balanza sería N = m(g-g). Es decir nula. Estamos en estado de ingravidez. Por tanto, un objeto situado en el interior de un sistema lanzado al aire (sometido únicamente a la acción de la gravedad), estará en restado de ingravidez. Las fotos muestran una nuez en el interior de un recipiente de plástico que ha sido lanzado al aire. Las fotos se consiguieron (después de múltiples intentos) usando la opción de “disparo a ráfaga” que tiene la cámara.
¿Poco emocionante?. Desde luego una opción con bastante más adrenalina es participar en uno de los vuelos parabólicos de la ESA (Agencia Espacial Europea).
Esquema adaptado del realizado por Pablo Gutiérrez para El Mundo (ver enlaces)
Tres veces al año (marzo, junio y octubre) un airbús A-300, especialmente equipado, despega del aeropuerto Bordeaux-Mérignac en Burdeos (Francia). No es un vuelo cualquiera. Los pasajeros van a vivir una experiencia única: “sentir” cómo es la vida en ausencia de gravedad.
El airbús asciende hasta los 6.000 m. De repente, comienza a “picar” hacia arriba. En pocos segundos el avión adquiere un ángulo de casi 500 y pone sus motores a la máxima potencia. Debido a la aceleración hacia arriba (ver ejemplo del ascensor) los pasajeros ven incrementado su peso hasta casi el doble (1,8 g, zona rosa del esquema) “te cuesta levantar un brazo y notas como las mejillas se te escurren hacia abajo”. Cuando el aparato alcanza los 7.600 m los motores cesan su empuje. El avión y sus pasajeros quedan entonces sometidos únicamente a la acción de la fuerza de gravedad (ascensor en caída libre). Comienza un periodo de ingravidez (zona verde) que dura unos 20 s hasta que hacia la mitad de la rama descendente de la parábola los motores vuelven a conectarse a su máxima potencia para frenar la caída (aceleración hacia arriba). Bruscamente se pasa a aceleración 1,8 g hasta que el avión recupera la horizontalidad y vuelve a describir una nueva parábola. Así hasta 31 en cada vuelo. Durante los cortos intervalos de ingravidez los equipos de estudiantes que viajan en su interior pueden realizar experimentos en ausencia de gravedad
Reportaje de Olalla Cernuda para El Mundo. Olalla (periodista) participó en uno de estos vuelos y describe sus impresiones en un excelente reportaje acompañado de vídeos, fotografías y una magnífica infografía (animación en Flash)
En el post anterior (¡Atrévete!, 1-12-2007) se preguntaba qué marcaría un termómetro si se intruduce en una campana de vacío y se extrae el aire. La pregunta no es ninguna tontería y dar con la solución correcta no es nada fácil. Victor, arriesgando, ha dejado un comentario bastante lógico: el termómetro se volvería loco, ya que al no haber aire (materia) no marcaría nada. A mi juicio el razonamiento es muy lógico ya que a todos nos han contado que la temperatura no es más que el nivel medio de energía cinética que tienen las moléculas. Esto es: temperatura alta, velocidad (media) alta de la moléculas. Por tanto si no hay moléculas que se muevan, no hay temperatura.
Revisemos con calma el experimento. ¿No hay moléculas?. Yo diría que sí. El vacío logrado con la bomba no va a ser perfecto (he calculado que podría llegar a unos 65 mm de mercurio), pero aun en el caso de que fuera perfecto ¿no hay moléculas que puedan vibrar en el interior de la campana?. Pues sí, el termómetro está hecho de materia y no olvidemos que en realidad lo que marca el termómetro es su propia temperatura (que se iguala con la del medio).
Dicho lo anterior pasemos a los hechos. Como cabecera se ha colocado una secuencia de fotografías de lo que se ha observado: al principio la temperatura del termómetro baja de forma rápida, pero llega sólo hasta unos 16,5 0C. A partir de ahí, sorprendentemente, la temperatura comienza a subir hasta que se iguala a la temperatura ambiente (18,7 0C).
La explicación puede ser esta: al principio al extraer el aire, desciende la temperatura (menos moléculas golpearán el termómetro), pero llega un momento en que la temperatura del interior comienza a ascender ya que sigue llegando calor desde el exterior y ahora el flujo de aire extraído es mucho más débil. Esto favorece que se alcance el equilibrio térmico.
El calor llegaría al termómetro aunque no hubiera nada de aire en el interior de la campana, pues el calor (que no es más que una forma de radiación) se transmite aunque no haya materia. Así llega hasta nosotros el calor y la luz del sol atravesando el vacío interestelar. Recordemos que “luz” y “calor” son palabras con las que denominamos a las ondas electromagnéticas de determinada longitud de onda (entre 400 y 700 nm para la luz visible y más de 700 nm para las radiaciones infrarrojas). El termómetro situado en el interior de la campana debe, por tanto, estar en equilibrio térmico con el exterior. Eso es lo que se observa.
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