EL ESPACIO Y EL TIEMPO EN LA FÍSICA.

Decía Shakespeare que el alcohol solo produce sudoración, orina y coloración de la nariz. Pero sabemos que la cerveza Mahou San Miguel, como el Arcángel, media con la Universidad de Burgos para divulgar ciencia. Ayer el protagonista fue el Catedrático de Física de la UBU Ángel Ballesteros que nos vino a decir que ayer no estuvimos en "cerveza con ciencia" en la San Miguel pues nos aseguró que no existe ni el tiempo ni el espacio. De inmediato me pedí una cerveza para desentrañar aquel lío. Nos habló de que a nivel de partículas existen fenómenos reversibles, como si se tratara de un viaje a la nostalgia de la infancia (nos dijo que viajando velozmente en un avión rejuveneceríamos y podríamos medirlo con un reloj atómico), pero que en la barahúnda de la vida real los fenómenos son irreversibles pues nos conducen por ese camino inevitable que todos transitamos: el de la memoria de todas las generaciones de antes, de ahora y de las que vendrán. Nos dijo que la física, en el intento de dar cuenta de los fenómenos, se construye a base de ideas sobre el espacio y el tiempo y que los clásicos como Galileo y Newton pensaban en el tiempo como un universal, el mismo en todo el mundo, como decía la mecánica clásica. Pero Einstein descubrió que el tiempo era lo que marcaba un reloj y que dependía de la densidad de energía en cada punto. Así nació la idea del "espacio-tiempo". Actualmente la física integra en un marco teórico, el "modelo estándar", tres de las cuatro fuerzas que se conocen: las interacciones fuertes, que mantienen los átomos según la relatividad y la mecánica cuántica (que describe de forma borrosa las partículas con la incertidumbre de poder localizar y estimar su velocidad a la vez); las interacciones débiles (radiactividad) y las fuerzas electromagnéticas (fotones....). Faltaría integrar la fuerza de la gravedad pues no tenemos una teoría de la gravedad cuántica. Ahora el espacio-tiempo se está empezando a estudiar como un modelo curvo donde la masa-energía curva el espacio-tiempo. Y explicar o entender la realidad significa asumir que todo espacio-tiempo es distinto en cada punto pues se ve influenciado por toda la masa-energía que exista alrededor. Por lo tanto, si no existe el tiempo, tampoco el espacio pues se trataría de una malla o tela virtual donde habita la materia y la energía que es la que genera ese espacio-tiempol por el que ni una brisa pasa por allí. En definitiva que Ángel Ballesteros estuvo brillante pues nos habló de un revoltijo de cuerpos y almas (digo de materia y energía) para explicar el universo y sus singularidades. No sabemos si existen otros pero lo que sí sabemos es que nacemos desde el agua, anhelamos el aire, en la flor de la vida buscamos el fuego y en el ocaso, la tierra. Vámos, que seguimos siendo unos clásicos.

CIENTÍFICOS RAROS

Mis queridos amigos, con ésta ya he escrito cien cartas y el mejor homenaje que puedo tributar a quienes padecen alguna enfermedad rara (ER) -se celebra cada 28 de febrero el día dedicado a ellas-, es reivindicar la figura del científico Stephen Hawking que, además, padece una de estas enfermedades: la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA). En general el cine y la literatura retratan a los científicos como héroes llenos de tópicos en sus rasgos personales. Vamos, científicos locos, distraídos, exagerados, obsesivos… En el biopic de este famoso físico, "La Teoría del Todo", interpretado magistralmente por el oscarizado Eddie Redmayne, lo que prima es el lado humano del científico, su enfermedad, su familia. Tuve la suerte de ver a Stephen Hawking y a su mujer, Jane, en 1987 en Salamanca, a quien dedicaría su libro, “Una breve historia del tiempo”, un año después. Carl Sagan hacía la introdución de aquel texto que trataba de divulgar la teoría de una continuidad entre la teoría de Einstein y la teoría cuántica. Entonces el físico ya presentaba una enfermedad avanzada que, atípicamente, aún progresa pero que afronta con el mismo coraje con el que se pregunta por las grandes cuestiones del universo, un universo que quizá no tiene principio ni fin y sin lugar para el Creador. La ELA es una enfermedad neurodegenerativa con parálisis y destrucción de las neuronas motoras en el cortex, tronco y médula. En Internet puede verse un vídeo interesante sobre esta enfermedad bajo el título “Ya no puedo pero aún puedo”. La importancia de estas enfermedades radica en que abren vías para el progreso de la medicina, como decía William Harvey en 1657: “There is not best way to progress in medicine than opening our minds to the discovery of natural´s laws by means of through research of cases of rare forms of disease”. Este tipo de enfermedades tienen una prevalencia baja (menos de 5 casos por diez mil hbs.), presentan dificultades diagnósticas, de investigación y de tratamiento por lo que necesitan de una atención integral. Como hay mas de 4.000 de estas enfermedades, entre un 6% y 8 % de la población padece alguna enfermedad rara, más prevalentes en adultos que en niños pues en éstos suelen presentar elevada mortalidad. Los déficits mas frecuentes son visuales, del comportamiento y motores. El portal Orphanet y en España Feder ofrecen información sobre estas patologías.

BURGOS CUENTA EN TEORÍA CUÁNTICA

Si prestan atención les contaré mis impresiones sobre la conferencia que el físico español Dr. Cirac impartió ayer, en el Foro Evolución invitado por la Universidad de Burgos, pues reconozco haberme sentido como el Dr. Gulliver en Lilliput. La última vez que había escuchado a un físico de renombre fue a Stephen Hawking en su visita a la Universidad de Salamanca cuando me encontraba en la ciudad preparándo el MIR en octubre de 1987. El conferenciante fué presentado por el Dr. Rovira y por el Dr. Ballesteros de la Facultad de Ciencias que enmarcó su trayectoria investigadora en el Instituto Max Planck de Munich. Juan Ignacio Cirac ha recibido el premio Wolf de física (la antesala del Nóbel) y ha publicado mas de 400 artículos científicos (tiene un índice H de 69) por lo que imagínense con este número la talla emocional -casi erótica- e intelectual del encuentro pues a pesar de la nieve no cabía un alma en el recinto. Nos habló de la teoría cuántica, vamos de prosa poética, con ya un siglo de antigüedad, y de las propiedades de este mundo de lo pequeño que ofrece posibilidades inimaginables de potencia de cálculo con aplicaciones en la seguridad de las comunicaciones, la encriptación, y en la posibilidad de, además de este delirio computacional, de la teletransportación. El Profesor Cirac trabaja en el desarrollo de computadores cuánticos -de los que ya había hablado el que fuera Nóbel Richard Feynman en 1982- y, de la misma forma que con los bits de los sistemas electrónicos de los computadores convencionales, se trataría de crear QUBITS. Si en un transistor de un ordenador convencional las posiciones que se manejan son 0 y 1, en un ordenador cuántico el transistor (que ya habría sobrepasado ese cuello de botella de minimizar su tamaño) permitiría una tercera posición llamada superposición, que es un 0 y un 1 al mismo tiempo (¿Recuerdan el gato de Schrödinger?). Pero este estado cuántico de las partículas requiere condiciones de aislamiento estrictas y solo dura estable unas horas. Microsoft ya trabaja con electrones atrapados (se trataría de domesticar el mundo microscópico, las partículas subatómicas, en lugar de animales) con aplicaciones que seguramente revolucionarán nuestras vidas. Como siempre, la ciencia se dispone a hacer más amable nuestra existencia.

UN RELOJ DE SOL DE TRES CARAS

Le dije a uno de mis mejores amigos, Javier Santamaría, que el reloj mas preciso era aquel que estaba parado pues da dos veces al día la hora exacta. En fin, esta ironía era de Lewis Carroll en su “matemática demente”- Claro, que la precisión no significaba que fuera exacto pues un reloj parado no vale para saber la hora y es mas importante la validez que la precisión. Así que manos a la obra. Javi, que siempre ha sido un tipo ingenioso, con capacidad inventiva, curioso y paciente – no he conocido a nadie como él y mi primo Luis para escrutar la naturaleza- se puso manos a la obra y se decidió a construir un reloj de sol; bueno, tres relojes de sol en la misma piedra: uno horizontal y dos verticales, con declinación -me dijo-. No necesita pilas, ni cuerda, y la precisión es en torno a un minuto. Esta aventura le ha dado mas de un dolor de cabeza pero hoy está orgulloso de haberse devanado los sesos, de haber arrancado esos secretos desconocidos a la naturaleza. ¿Y por qué tres le dije? ¿Acaso dudas de la validez? Caes- le dije- en aquella falacia del pregonero, aquel que compraba tres periódicos iguales para ver si era verdad lo que decían. Pero a Javi le estimulan los retos y empezó contándome cómo calculó el meridiano del lugar, sobre la necesidad de ajustar el reloj a la longitud de 3 grados oeste donde está situado Quintanilla del Agua y que supone mas de 12 minutos de retraso respecto de nuestra referencia, el Meridiano de Greenwich. El gnomon, que apunta al polo celestial, está dirigido al norte y su inclinación depende de la latitud del lugar (42 grados N en Quintanilla); En fin, que para tener esa precisión de un minuto se necesita de la ecuación del tiempo pues la tierra gira, en primavera y otoño, a una velocidad de 23h. 56´23´´ mientras que en verano e invierno gira una vuelta en 23h. 55´43´´. También me dijo que me pasaría los ángulos entre las marcas de las horas para que me construyera mi propio reloj porque si estuviésemos en el Ecuador cada hora comprendería 15 grados pero estamos a 42 grados de latitud. Meritorio el esfuerzo que ha hecho mi amigo Javi por esa aventura del saber. Hoy existen aplicaciones como http://sundial.damia.net en la que se puede elegir el tipo de reloj de sol, te lleva a Google maps para localizar el lugar y la declinación de tu pared y le das a imprimir. Conociendo a Javi me temo que no se conforme con este reloj de tres caras y ande dándole vueltas al reloj analemático ,construido en el suelo con el gnomon vertical del propio cuerpo, por lo que deberá construir ahora no uno sino doce relojes, uno para cada mes del año.

NANOTECNOLOGÍA: Menos es más.

Si prestan atención les contaré cómo la Nanotecnología ya ha llegado a nuestras vidas. En las ciencias aplicadas, también en la medicina, hemos pasado de la escala micro (10 a la menos 6) a la escala nano (10 a la menos 9). Richard P. Feynman ya dijo que la escala micro estaba desfasada pues es como medir la distancia Lerma-Burgos en años luz. A propósito, para ilustrar algo de este mundo de lo pequeñísimo, os dejo la foto de los enanos que confeccioné hace unos años para la fiesta barroca de Lerma. Asistimos a una nueva revolución científica, la de nanomateriales como el grafeno, que tienen propiedades distintas a las del mismo material a escala convencional. Es decir, las propiedades dependerían de la estructura y no de la composición. El grafeno se obtiene exfoliando el grafito hasta conseguir una capa de un átomo de carbono de espesor con los átomos de carbono dispuestos en panal de abeja. Recientemente la Universidad de Burgos organizó unas jornadas en las que empresas como Antolín y Aciturri expusieron su experiencia en este campo. Lo que aún no se conoce es cómo los nanomateriales pueden afectar al organismo puesto que la toxicidad y la persistencia biológica varían con la nueva escala ya que cambia la relación superficie-volumen. Las bacterias –esféricas- presentan la menor relación superficie-volumen para intercambiar mejor información, energía, calor etc… Los nanomateriales se calientan y enfrían más deprisa que los materiales convencionales. Los organismos más complejos, como nosotros, resolvimos este asunto con la eficiencia de los procesos ergódicos para que la información, energía etc… llegue a todos los lugares con la misma probabilidad. Por ejemplo el árbol fractal binario de los pulmones, los capilares, las terminaciones neuronales… Los procesos alométricos en los organismos (crecer sin afectar al metabolismo) permiten que un elefante que pesa cien mil veces mas que un ratón consuma únicamente diez mil veces más. Ahora veamos como cambia la relación superficie-volumen en esta escala: supongamos un cubo de 4 cm de lado: su superficie será de 96 cm cuadrados (4x4x6); su volumen 64 cm cúbicos (4x4x4). La relación superficie-volumen será 1,5:1. Si ahora seccionasemos por la mitad siguiendo los tres ejes del cubo obtendríamos 8 cubos de 2 cm de lado. De esta forma tendremos 192 cm cuadrados y el mismo volumen de 64 cm cúbicos. Ahora la relación superficie-volumen será de 3:1. Si repetimos el proceso será 6:1. El futuro también está en la nanotecnología aplicada a la salud. En medicina se fabrican partículas cerámicas cargadas de fármacos que se activan al llegar a las células tumorales. También se usan nanomateriales para que, a modo de esqueletos, crezcan tejidos cultivados in vitro. Otros avances son la fabricación de cremas de protección solar transparentes. Hasta ahora su componente, óxido de cinc, tenía tamaños superiores a 200 nm por lo que dispersaban la luz visible y manchaban la cara de blanco. Si este compuesto metálico torna a un metamaterial sus propiedddes ya no serán las del cinc convencional sino que tendrá ahora un índice de refracción negativo de las ondas electromagnéticas que es el primer paso a la invisibilidad de la crema. Se ha visto que esta crema, si se ingiere, presenta el doble de toxicidad que la crema convencional. Hasta ahora únicamente usábamos la masa en las exposiciones a los metales (microgramos por m cúbico) ¿Pero cómo investigar la seguridad de nuevos umbrales de exposición si no sabemos sobre qué enfermedades investigar? ¿Cómo regular lo desconocido?

CURIOSITY

Amigos, curiosa la fotografía tomada en Quintanilla del Agua en 1950 (D. Francisco,D. Andrés, Benigno, D. Mauro, D. Jesús y D. Deusicio). Seguramente en tiempo de confesiones y con un vehículo acorde a aquellos tiempos de certezas. También los místicos, como los poetas, buscan el conocimiento en aquello que aman y pretenden dar respuestas a los interrogantes de la vida. Aunque conviene no olvidar que, en no pocas ocasiones, la religión ha considerado a la ciencia fuente de conocimiento envenenado por negar el origen divino del hombre. Pero la ciencia, como empresa cultural de la humanidad, se hace imprescindible para unos ciudadanos libres que requieren conocimientos sobre el universo, la energía, el material genético, la vida... Y por eso, esta semana, se habló en Burgos de otra curiosidad y de otro vehículo acorde a estos tiempos de incertidumbre: la que viaja a Marte y del Rover "Curiosity", el vehículo que explora desde agosto el planeta rojo. Estuvo Javier Gómez Elvira en el Museo de la Evolución. Trabaja en el Centro de Astrobiología como Director del Instituto Nacional de Tecnologías Aeroespaciales (INTA). Y si ya sabíamos que podemos domesticar levaduras y bacterias para producir proteínas y vacunas ahora sabemos que podemos estabular un vehículo propulsado por Polonio para que deambule durante años escrutando e interrogando la naturaleza de Marte. Los objetivos de la misión son estudiar el potencial biológico, geológico y geoquímico del planeta para albergar vida. El agua, la atmósfera y la meteorología, las radiaciones... Y lo bueno de todo es que España también participa en este proyecto para explicar la naturaleza y nuestro lugar en el cosmos. Ahora no unicamente ponemos los jamones. Algunos dicen que también ponemos el cuchillo jamonero para el mayor deleite del mundo: el conocimiento.

VER Y MIRAR. EL COLOR, EL CALOR Y EL CALOR DEL COLOR.

Ver un águila o un abejaruco es percibir lo primigenio, su apariencia: el porte majestuoso de la rapaz, la fortaleza de sus garras y del pico, o la ligereza y la belleza de las formas y esos colores tornasolados y límpidos de nuestra ave del paraíso (como éstos que nos regala la foto de Darío). Mirar el águila o el abejaruco va más allá, es contemplar, algo más subjetivo e intencional pues trata de conocer su hábitat, sus costumbres… Así que los “pajareros” no solo ven aves sino que contemplan pájaros en busca del conocimiento. Pero tras esta digresión apunto que para poder mirar lo primero es ver, es decir, medir cómo reacciona un objeto, en este caso un pájaro, ante energías incidentes. Ante nuestros ojos el ave aparece con las formas y colores cuando la luz visible incide sobre él, radiación que tiene una longitud de onda de 0.5 por 10 a la menos 6 metros y oscila a una frecuencia de 10 a la 15 Hz. A su vez el ojo de las aves, mas aguda que la humana, puede rastrear, como los cernícalos, restos de orina o excreciones que reflejan otra radiaciones como las ultravioleta (UV). También ciertos plumajes y el pico de los mirlos reflejan los UV como sistema señalizador. Y… ¿Podríamos ver el calor de las aves? No. La temperatura de los cuerpos es una radiación térmica o infrarroja que muestra el calor que irradian los cuerpos y que podemos sentir pero no ver. Las aves tampoco ven los infrarrojos, a diferencia de las serpientes que utilizan estas radiaciones para capturar a sus presas. La radiación infrarroja tiene una longitud de onda de 10 a la menos 5 metros y oscila con una frecuencia de 10 a la 12 Hz. Además existe otra forma de ver objetos: por ejemplo, Watson y Crick fotografiaron la estructura de doble hélice del ADN mediante rayos X y mediante neutrones se pueden observar en 3D estructuras químicas como proteínas de virus. Y… ¿Cómo medimos la temperatura de los cuerpos? En el sistema métrico la escala centígrada (cien grados) oscila entre los º0 C del punto de congelación del agua hasta los 100 ºC del punto de ebullición. La escala Fahrenheit, con rango de 180 grados, oscila entre los 32 ºF para el punto de congelación y los 212 ºF para el punto de ebullición. Así pues la relación ºC y ºF es de 100/180 = 5/9. Por ello, si queremos pasar de ºF a ºC, en primer lugar tenemos que restar 32 grados y después multiplicar por 5/9. De otra manera, si lo que queremos es pasar de ºC a ºF, en primer lugar multiplicaremos por 9/5 y, posteriormente, sumaremos 32 grados. Por ejemplo, nuestra temperatura corporal es de 37 ºC, lo que equivales a: 37 x 95 = 66,6; 66,6 + 32 = 98,6 ºF. Otra escala de medida de la temperatura es la Kelvin o temperatura absoluta, que sitúa el cero absoluto, es decir, la mínima energía térmica de las partículas y moléculas, por ejemplo un cuerpo negro que no emite nada de energía, en – 273,15 ºC y el punto de fusión del agua (sólido a líquido) en 273, 15 ºC. Por ello la temperatura en K = ºC + 273,15; De esta forma, nuestra temperatura corporal en grados Kelvin será K = 37 + 273= 310,15 K. Dije que no podíamos ver el calor, pero si podemos medir la temperatura del color. Un cuerpo negro al calentarse emitiría energía a longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas (por eso cambia de color un cuerpo cuando se calienta). En fotografía y en astronomía se usa la temperatura de color, medida en Kelvin, que será una medida relativa que compara el color dentro del espectro visible con el que debería emitir un cuerpo negro calentado para emitir a ese color. Las salidas y puestas de sol en fotografía corresponden a 1.600 K (rojizo); un rayo (azulado) corresponderá a una temperatura de color de 30.000 K. En astronomía una estrella que se aleja de la Tierra se desplaza al rojo y una estrella que se acerca se corre hacia el azul.

SALIR DE LA CAVERNA

Escribo esta carta para dar cuenta de dos de los acontecimientos científicos mas destacados de 2009 según la revista británica Nature:el nuevo virus de la gripe A H1N1 y el gran acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider), del CERN (Centro Europeo de Física de Partículas). La noticia me enfrenta a un dilema, o me produce cierto desasosiego, pues recuerdo el díctum de A. Chéjov: "la Literatura es mi amante, pero la Medicina es mi mujer"; o aquél otro de Einstein: "al principio, todo el entendimiento está puesto en el amor; después, todo el amor está puesto en el conocimiento". Así, uno siente aventurarse -guiado por la excitación o el afán de conocer- en un escarceo intelectual; y no sabe si atender mis obligaciones con la Biología, o dejarse seducir por los encantos de la Física, intentando desnudar la naturaleza de la realidad.
Pero hoy, siguiendo mi propio consejo, he decidido caer en la tentación. Y en ese intento de entender el Universo nos preguntamos: ¿De qué están hechas las cosas?
Vemos que las cosas están hechas de átomos. El átomo es como una habitación vacía con una mota de polvo -el núcleo- donde está la masa. Así nos lo explicó el Nobel Richard P. Feynman. (en la foto). Y se conocen cuatro tipos de fuerzas, interacciones o teorías para intentar explicar la realidad: la gravedad, las fuerza nucleares débiles, las fuerzas nucleares fuertes y el electromagnetismo. Por ejemplo, la dinamita explota por cambios en la periferia del átomo, mientras que la bomba atómica lo hace por cambios en los núcleos. Actualmente la Teoría Cuántica -junto a la Relatividad- es el pilar de la Física (explica las propiedades y reacciones químicas) y propone que las ondas que que se desplazan por campos magnéticos se comportan como partículas a frecuencias muy altas. Einstein conjeturó un espacio-tiempo curvo, relativista, abandonando la vieja concepción de un espacio en tres dimensiones separado del tiempo (la teoría de Newton no sirve a nivel atómico). Y el Principio de Incertidumbre de Heisenberg nos dice que no podemos conocer simultaneamente la posición y la velocidad de una partícula. Pero, a partir de ahora, comprender el mundo significará conocer las relaciones de las partículas subatómicas. ¿Cómo tienen masa las partículas conocidas? ¿Será por el mecanismo de la partícula de Higgs? Esa partícula se busca en las colisiones de protones acelerados en un circuito subterraneo de 27 kms. Los próximos años se arrojará luz sobre ese 95% de materia y energía oscura a nuestros ojos y entendimiento para... salir de la caverna.