La conciencia humana es un fenómeno cuántico. Así lo creen muchos. El cerebro es más poderoso que un ordenador convencional porque utiliza procesos cuánticos. Así lo creen otros muchos. Elio Conte y sus coautores creen que han demostrado la existencia de procesos de interferencia cuántica en el cerebro humano gracias a experimentos en los que muestran ambigramas (figuras ambiguas) a personas y les pregunta que es lo que ven. Pseudociencia, obviamente. Pero quizás algún lector de este blog esté interesado en leer dicho trabajo. Así que sin más comentarios, aquí va la referencia pseudotécnica: Elio Conte, Andrei Yuri Khrennikov, Orlando Todarello, Antonio Federici, Leonardo Mendolicchio, Joseph P. Zbilut, “Mental states follow quantum mechanics during perception and cognition of ambiguous figures,” ArXiv, Submitted on 26 Jun 2009 (Published on Open Systems and Information Dynamics, 16: 85-100, 2009).
7 agosto 2009
Demostrada la conjetura de Arf-Kervaire sobre hiperesferas exóticas tras 45 años de intentos fallidos
Arf y su invariante cuadrático en un billete turco. Fuente: http://www.math.rochester.edu/u/faculty/doug/kervaire.html
La mayoría de los grandes avances matemáticos son extremadamente técnicos, prácticamente imposibles de explicar al público en general. El 21 de abril de 2009 en Edimburgo, en una conferencia que celebraba el 80 aniversario del genial Sir Michael Atiyah, los asistentes quedaron boquiabiertos. Michael Hopkins presentó un artículo en el que junto a Mike Hill y Doug Ravenel demostraba la conjetura de Arf-Kervaire-Browder que llevaba abierta 45 años y que afirmaba que sólo había un número finito de dimensiones en las que existían hiperesferas exóticas con un invariante de Arf-Kervaire igual a 1. Un gran avance en topología algebraica, complejo campo de las matemáticas puras que brega con los objetos más exóticos que la mente humana puede imaginar.
Muchos se han hecho eco de este gran avance (que rescato de entre mis borradores). Como Davide Castelvecchi, “Hypersphere Exotica: Kervaire Invariant Problem Has a Solution! A 45-year-old problem on higher-dimensional spheres is solved–probably,” Scientific American Magazine, August 2009 (lo veréis en Investigación y Ciencia en español en un par de meses) y Philip Ball, “Hidden riddle of shapes solved. Mathematicians crack the Kervaire invariant problem,” News, Nature, 1 May 2009.
La topología algebraica es una rama de las matemáticas que asocia números (que cuentan cosas) a (hiper)superficies de tal manera que son invariantes (no cambian) cuando aplicamos ciertas transformaciones (topológicas) a dichas (hiper)superficies. El invariante de Arf-Kervaire asocia un número 0 o 1 a una (hiper)superficie (usando una forma cuadrática que depende de ciertos grupos de homología impares). Este invariante es siempre 0 excepto para ciertas (hiper)superficies exóticas de dimensión n=2k−2, como probó William Browder en 1969. Se conocen ejemplos en dimensión n = 2, 6, 14, 30, y 62. No se conoce ningún ejemplo en dimensión n=126. ¿Existen ejemplos con dimensión mayor que 126? No, como han demostrado Hopkins, Hill y Ravenel. El artículo está sometido a una revista internacional pero la opinión de la mayoría de los expertos es que la demostración es correcta. Queda pendiente el caso n=126, para el que no se conoce ningún ejemplo y para el que la demostración no es aplicable. Aún así,
Uno de los problemas más importantes de la topología algebraica y también de la geometría algebraica (según el experto Nick Kuhn de la Universidad de Virginia, en Charlottesville) ha sido resuelto cuando muchos pensaban que nunca verían una solución en su vida (como el experto Mark Hovey de la Universidad de Wesleyan, en Middletown, Connecticut).
“Many people have thought they’ve solved it but have been wrong. The solution to this problem seems to indicate new and deep connections between topology on the one hand and algebra and number theory on the other. The exploration of these new connections will enrich the subject for years to come.”
¿Para qué sirve este nuevo resultado matemático? “Para qué sirve, para qué sirve,… siempre con el para qué sirve, no basta con que sea un gran avance matemático, tiene que servir para algo.” Las matemáticas utilizadas para la demostración son también utilizadas en teoría cuántica de campo, en teoría de cuerdas y en teoría de branas, con lo que se espera que la demostración sea importante en cosmología (teórica) cuántica. La verdad es que estas teorías de la física matemática son tan abstractas como la matemática misma, con lo que para la mayoría de los mortales este tipo de aplicaciones tienen una mínima importancia.
Esta demostración encumbra a Hopkins como el number one de la topología algebraica actual (“clearly the leading algebraic topologist of the day“). Este resultado, aunque con menor repercusión mediática, es similar a la demostración del último teorema de Fermat, lo importante son las nuevas técnicas desarrolladas en la demostración y no el resultado en sí mismo (“the solution of the Kervaire invariant problem is like the proof of Fermat’s last theorem in the 1990s; the importance lies with the new tools, techniques and insights that were developed to get the solution“).
¿Por qué en la conferencia de Edimburgo muchos asistentes quedaron boquiabiertos? Porque todo el mundo pensaba o creía que habría infinitas dimensiones en las que las variedades (hipersuperficies) pudieran tener un invariante de Arf-Kervaire no nulo.
Aún queda un problema importante por resolver. ¿Qué pasa en dimensión n=126? ¿Hay o no hay variedades exóticas con invariante de Arf-Kervaire igual a la unidad? Todavía nadie la sabe. Quizás se requieran muchos años para lograr resolver este problema.
Una curiosidad. ¿Qué tienen de especial los números 2, 6, 14, 30, 62, y 126? ¿Cuántas veces hay tirar una moneda para obtener en promedio 1, 2, 3, … caras seguidas? Pues 2, 6, 14, … veces. Aunque esta serie es infinita. Una casualidad obviamente. Nos comenta esta curiosidad y los posibles usos del invariante de Arf-Kervaire en teoría de cuerdas Lubos Motl en ”Kervaire invariant: a math homework problem,” The Reference Frame, May 03, 2009.
Los matemático expertos en topología algebraica pueden disfrutar del vídeo de la conferencia de Hopkins en la que presentó la demostración la tienen, así como de sus transparencias, todo gracias a la Simons Foundation.
Cuanto más publicas, más alto apuntas y más te rechazan (según un estudio publicado en PLoS ONE)
A veces vas a escribir una entrada sobre un artículo que te ha llamado la atención y descubres que alguien ya la ha escrito por tí, con lo que permanece dormida en la carpeta de borradores durante cierto tiempo… normalmente acaba falleciendo.
Os recomiendo encarecidamente la lectura “Acerca de… referees,” del blog de Jaume, 22 julio 2009, que hace referencia al artículo técnico de L.W. Aarssen et al., “Does Publication in Top-Tier Journals Affect Reviewer Behavior?,” PLoS ONE 4: e6283, published July 21, 2009 (acordaros que es una revista de acceso gratuito). El artículo está escrito por ecólogos y trata sobre las prácticas bibliométricas de publicación y revisión de artículos de los ecólogos, pero sus resultados seguramente se extrapolan fácilmente a otros campos científicos.
Los autores afirman que los investigadores “que más publican son también los que tienen tasas más altas de rechazos de sus manuscritos” y citan como fuentes a Phillip Cassey, Tim M. Blackburn, “Publication rejection among ecologists,” TRENDS in Ecology and Evolution 18: 372-373, August 2003 (versión gratis .br) y Phillip Casey, Tim M. Blackburn, “Publication and Rejection among Successful Ecologists,” BioScience 54: 234-2349, March 2004 (versión gratis .edu). En el primero de dichos artículos, además, se indica que los autores con más artículos son los que más artículos tienen con múltiples rechazos (los tuvieron que enviar a varias revistas hasta lograr “colarlos”). Más aún, el número de rechazos de un artículo no tiene nada que ver con su calidad. ¿Entonces con qué? Quizás con el hecho de que los envían a revistas más impactadas y con tasas de rechazo más altas. En el segundo de los artículos, además, se afirma que los investigadores consideran que publicar en 2002 es más difícil que en 1990. Os dejo una extracto lapidario de estos artículos.
Los resultados del artículo de PLoS ONE parecen indicar que los investigadores que publican en revistas de mayor impacto tienen tasas de rechazo mucho mayores, aunque sorprende que los investigadores de más edad no las tengan, qiuzás porque los primeros revisan más artículos en revistas de alto impacto, caracterizadas por una mayor tasa de rechazos. A la hora de aceptar o rechazar un artículo parece claro que el índice de impacto de la revista en la que pretende publicar es un factor importante que tiene en cuenta el revisor. Según este artículo los investigadores con mayor edad no rechazan más artículos que los más jóvenes. Por supuesto, este resultado contradice el ofrecido por otros estudios, como Yanping Lu, “Peer review and its contribution to manuscript quality: an Australian perspective,” Learned Publishing 21: 307-318, October 2008, quienes sí observan dicho efecto.
“Manuscript rejection is not indicative of scientific inadequacy. It is a fact of life for even the most successful of publishing [scientists]. The moral seems to be that if at first you don’t succeed, try try again.”
Una conclusión clara del artículo es que si el editor de la revista te pide a una lista de posibles revisores, no pongas a los más famosos, a los que publican en las revistas de mayor impacto, ya que la probabilidad de que te rechacen el artículo será más alta.
“In addition, based on our results, many submitting authors might be persuaded to generally avoid suggesting names for reviewers that have published extensively in high-IF journals.”
Lo que está claro es que la elección de los revisores influye enormemente en la aceptación o rechazo del artículo. Si un editor tiene un mal día y quiere ”putearte” basta con que elija los revisores convenientemente. Todo lo contrario, si les caes bien y quiere aceptarte el artículo con la conciencia tranquila, lo tiene muy fácil. Un estudio en Angewandte Chemie International Edition (AC-IE), que toma la decisión de publicar o no utilizando solo dos revisores, se basó en solicitar 3 informes. La decisión se tomaba con los dos primeros, pero luego chequearon que hubiera pasado si el editor hubiera conocido el tercero. El 23% de los casos, el artículo hubiera sido rechazado (37 de 162). L. Bornmann, H.-D. Daniel, “The luck of the referee draw: the effect of exchanging reviews,” Learned Publishing 22: 117-125, April 2009.
También está muy claro que uno artículo no será más citado porque sea aceptado a la primera. Gran número de artículos altamente citados han sido rechazados en varios ocasiones hasta acabar siendo publicados. Un buen ejemplo es el trabajo de Juan Miguel Campanario (de cuya web he extraído la figura que abre esta entrada) “Have referees rejected some of the most-cited articles of all times?,” Journal of the American Society for Information Science 47: 302-310, April 1996 (versión gratis .es). Estudian las entrevistas a los autores de los artículos más citados, entre los publicados por ISI WOS, calificados como ”Citation Classics,” muchos de los cuales incluyen comentarios sobre lo que les costó acabar publicando su artículo. Recomiendo su refrescante lectura a todos los interesados en estos temas.
Del mismo autor, también recomiendo Juan Miguel Campanario y Erika Acedo, “Rejecting highly cited papers: The views of scientists who encounter resistance to their discoveries from other scientists,” Journal of the American Society for Information Science and Technology 58: 734-743, March 2007 (versión gratis .es), en el que él mismo entrevista y encuesta a muchos de los autores de artículos altamente citados, incluidos Premios Nobel. Las respuestas y su análisis estadístico quizás deberían ser lectura obligada a todos los investigadores jóvenes que se enfrentan a la publicación de sus primeros artículos. De 132 científicos que respondieron, sólo 47 (un 35.6%) afirmaron no tener problemas con los revisores y/o editor.
Lo dicho, el tema de la revisión por pares y la importancia de la opinión de los revisores siempre estará en el candelero.
El LHC del CERN arrancará en noviembre a media potencia (solo 7 TeV en lugar de 14 TeV previstos)
El CERN lo anunció ayer, tras varios meses de especulación, tras testear las 10.000 soldaduras en contactos no superconductores asociados a los imanes superconductores de la instalación, no es necesario más reparaciones, por lo que se arrancará el LHC en noviembre, pero a una energía más bien baja. Sólo 3.5 TeV por haz de protones, con lo que en el centro de masas se alcanzará la energía de 7 TeV (que será el récord cuando se logre). La pena es que esta energía es exactamente la mitad de los 14 TeV para los que fue originalmente diseñado. Lo leemos en “LHC to start at 3.5 TeV in November,” Symmetry breaking del Fermilab, August 6, 2009, haciéndose eco de la noticia “LHC to run at 3.5 TeV for early part of 2009-2010 run rising later,” CERN Press Release, August 6, 2009. Hasta inicios de 2011 no podemos esperar que el LHC empiece a funcionar a toda potencia, si todo va bien durante el año 2010. Crucemos los dedos.
PS (13 agosto 2009): En Science nos cuenta esta noticia Adrian Cho, “News of the Week. Particle Physics: Running at Half-Energy Keeps LHC in Race for Discoveries,” Science 325: 799, 14 August 2009, que enfatiza que si el LHC funciona durante un año a 7 TeV habrá que trabajar y recalcular qué se puede observar en dicho caso (¿para qué sirve?) ya que todo el mundo ha hechos los cálculos a 14 TeV ["If the bulk of the data is taken there, the question [of what can be seen at 7 TeV] becomes moot“].
El primer descubrimiento del LHC del CERN podría ser un bosón Z’ de 700 GeV según datos recientes del Tevatrón
Un bosón Z’ con una masa de unos 700 GeV debería ofrecer eventos electrón-positón en el Tevatrón con una probabilidad de 0,1 según el Modelo Estándar, sin embargo, combinando datos de CDF y DZERO se han observado 3 eventos de este tipo. Sólo son 3, pero son 30 veces más de los esperados. Obviamente, no es suficiente para proclamar un nuevo descubrimiento, pero sí para tener cierta esperanza. Si de verdad existe este bosón Z’, lo mejor de todo es que en el LHC, tanto los detectores CMS como ATLAS, lo detectarán casi inmediatamente (a los pocas semanas de obtener datos). En dicho caso, como viene siendo habitual, los bosones se seguirán descubriendo en Europa. Por supuesto, esto es pura especulación y los resultados del Tevatrón podrían ser solo una fluctuación aleatoria del background (fondo de partículas). Nos lo cuenta magistralmente, como no, el maestro Tommaso Dorigo, “A New Z’ Boson at 240 GeV ? No, Wait, at 720!?,” A quantum diaries survivor, August 3rd 2009. Tommaso, siempre con los pies en la tierra, quizás porque es físico de partículas experimental que trabaja a ambos lados del Atlántico, en el CDF del Fermilab y en el CMS del CERN, considera esta posibilidad como remota, pero en su interior se alegraría muchísimo de que acabara siendo verdad.
La evidencia encontrada es solo de 3 desviaciones típicas, cuando se requieren al menos 5 para poder proclamar un descubrimiento. Ya se han dado múltiples casos en los que una evidencia de este tipo ha acabado en el cubo de la basura y ha acabado resultando una mala pasada, una fluctuación aleatoria, de los datos.
La evidencia encontrada de una partícula que se desintegra en un par electrón-positón (que los físicos de partículas llaman un dielectrón) lleva directamente más allá del Modelo Estándar, ya que el único candidato razonable para tal desintegración es un bosón vectorial similar al bosón Z de la interacción electrodébil, pero de mayor masa. Hay varias teorías que nos indican que tal bosón vectorial debe existir.
Sin entrar en más detalles técnicos, los interesados pueden recurrir a la publicación original del CDF del año pasado The CDF Collaboration, “High-Mass Dielectron Resonance Search in p¯p Collisions at ps =1.96 TeV,” CDF, Fermilab, March 6, 2008, y al nuevo artículo con los resultados de DZERO “Search for high-mass narrow resonances in the di-electron channel at D0. Luminosity: 3600 pb-1,” Conference Note 5923-CONF, 06/04/09. El artículo de Tommaso en su blog combina ambos resultados de su propia mano, obteniendo una figura “no oficial” de la que extrae sus conclusiones, como explica claramente en “A New Z’ Boson at 240 GeV ? No, Wait, at 720!?,” A quantum diaries survivor, August 3rd 2009.
Varapalo para la teoría de cuerdas: existe una teoría cuántica de la gravedad en 4D (cuatro dimensiones) finita, la supergravedad N=8
Todo el mundo sabe que una teoría cuántica de la gravedad en la que las partículas son puntuales no funciona. ¿Para qué investigar en esta línea si no lleva a ninguna parte? Zvi Bern y sus colegas han decidido arriesgarse tratando de demostrar que una teoría cuántica de la gravedad (supergravedad N=8) con partículas puntuales funciona. Y lo han logrado, la teoría es finita perturbativamente hasta cuatro bucles en la interacción gravitón-gravitón, aunque solo en dimensiones 4 y 5. Les avala un artículo aceptado para publicación en Physical Review Letters en el que demuestran que esta teoría que todo el mundo sabía que no funcionaba, en realidad, parece que sí funciona. Y es que Zvi Bern, físico de la Universidad de California, Los Angeles, ya lo tenía claro en 2005: el dinero para investigar se obtiene siguiendo la corriente (“it was clear that in science the big money is in overturning the accepted beliefs”), pero a él le gusta ir contra corriente, aunque requiera asumir que se va a recibir poca financiación. En ciencia, la libertad está por encima de todo, como nos cuenta Adrian Cho, “Can Gravity and Quantum Particles Be Reconciled After All?,” Science 325: 673, 7 August 2009, haciéndose eco de la aceptación en Physical Review Letters del articulo “The Ultraviolet Behavior of N=8 Supergravity at Four Loops,” de Z. Bern, J. J. Carrasco, L. J. Dixon, H. Johansson, R. Roiban, ArXiv preprint submitted on 14 May 2009.
Uno de los grandes éxitos de la teoría de cuerdas a mediados de los 1980 fue el fracaso de la supergravedad N=8. Se había demostrado que era finita hasta dos bucles en la interacción gravitón-gravitón, pero los cálculos para más de dos bucles parecían extremadamente complicados y la evidencia clamaba a que no conducirían a un resultado finito. Pocos continuaron trabajando en esta línea. Entre ellos, nuestros héroes Bern, Dixon, et al., que ya en 2007, probaron que la teoría era finita hasta 3 bucles. Muchos pensaron en aquel momento que era un resultado casual y pocos le prestaron atención. Sin embargo, el nuevo resultado, la teoría también es finita a 4 bucles, abre el camino para que esta teoría sea finita a todos los órdenes. ¿Se cumplirá el “milagro” y lo será? (“If N = 8 supergravity were finite to all orders, it would be a miracle“).
No lancemos las campanas al vuelo, la supergravedad N=8, incluso si es finita a todos los órdenes en dimensión 4, no puede ser una teoría cuántica de la gravedad completamente coherente, como nos recuerda el famoso teórico de cuerdas John Schwarz. No basta que la teoría sea finita en el sentido de la teoría de perturbaciones, también tiene que ser consistente en un sentido no perturbativo. Schwarz cree que su versión no perturbativa es en realidad la teoría de cuerdas. ¡Faltaría más, que si no va a decir un teórico de cuerdas!
Para mí, lo interesante de esta noticia es que en ciencia no puedes decir “nunca jamás.” Si alguien afirma, sin demostración, que algo es imposible, lo único que está afirmando es que no quiere trabajar para lograrla. Siempre hay una puerta trasera para los que trabajan duro y con las ideas claras. Aunque publiquen menos, aunque les cueste más publicar, aunque reciban menos financiación, el trabajo duro siempre acaba conduciendo a una buena recompensa. A todos nos gustaría, por la buena salud de la física teórica de partículas elementales, que al final la supergravedad N=8 acabe siendo finita a todos los órdenes. Aunque los teóricos de cuerdas acaben apropiándose del logro y encuentren una nueva dualidad que la convierta en otra faceta más de la teoría de todo (su teoría de cuerdas).
6 agosto 2009
El gran papel de los astrónomos y astrofotógrafos aficionados en la Astronomía y Astrofísicas modernas
La astronomía observacional requiere gran luminosidad, lo que se puede lograr con una apertura grande (como el Gran Telescopio de Canarias) o con exposiciones muy largas. La competición entre los astrónomos profesionales por el uso de las grandes instalaciones disponibles impide que puedan usar exposiciones largas. Sólo los astrónomos aficionados pueden hacerlo. Los astrónomos profesionales están empezando a darse cuenta de su enorme importancia en la investigación más puntera. Para mí, el mejor ejemplo es la reciente colaboración entre el astrónomo profesional español David Martínez Delgado y el astrofotógrafo aficionado R. Jay Gabany. Con exposiciones enormemente largas en un telescopio de 12 pulgadas (50 cm.) está visualizando estructuras galácticas inimagibles hace sólo algunos años, que David y su equipo está estudiando con detalle y tratando de comprender gracias a simulaciones numéricas. Un gran avance científico gracias a los aficionados.
¿Quién es R. Jay Gabany? Es el responsable de Cosmotography.com, donde presenta astrofotografías obtenidas mediante telescopios comerciales modestos y cámaras CCD que están optimizadas para tomar exposiciones ultralargas de objetos de bajísima luminosidad. Realmente merece la pena seguir el enlace y ver las maravillosas fotos que presenta, no solo de gran belleza sino también de gran interés científico. Utiliza filtros de diferentes colores y combina las imágenes utilizando Adobe Photoshop y otros software para aficionados. Las imágenes son espectaculares. Las imágenes más antiguas las obtuvo en el casco suburbano de San José, California, con un telescopio de 12 pulgadas tipo Dall-Kirkham cassegrain. La imagen que abre esta entrada corresponde a NGC 5907 (izquierda), NGC 4013 (derecha, arriba) y FSQ-106ED (derecha, abajo). Los chorros de estrellas que atraviesan transversalmente el disco galáctico son espectaculares. Ni el telescopio espacial Hubble logra verlos.
Martínez Delgado, David, descubrió estas extraordinarias fotos surfeando por internet (como nos contó en una conferencia en Málaga) y se quedó boquiabierto: estaba bien lo que sus modelos teóricos predecían, algo que nunca antes había sido observado con telescopios profesionales. Contactó con Gabany, cristalizando una colaboración que ha dado lugar a múltiples artículos de investigación que podemos encontrar en ArXiv.
El primero de los que aparecen en ArXiv es David Martínez-Delgado, Michael Pohlen, R. Jay Gabany, Steven R. Majewski, Jorge Peñarrubia y Chris Palma, “Discovery of a Giant Stellar Tidal Stream Around the Disk Galaxy NGC 4013,” Astrophysical Journal 692: 955-963, 2009 (ArXiv preprint, Submitted on 30 Jan 2008). Presenta el descubrimiento de grandes chorros (bucles) estelares que atraviesan el plano galáctico de NGC 4013. La magnitud óptica de estos chorros es 27, con lo que habían pasado desaparcebidos para búsquedas anteriores gracias a telescopios profesionales. El análisis de David mediante simulaciones por ordenador mostraba que estos chorros estelares eran debidos a la pérdida de estrellas por parte de pequeñas galaxias satélites que orbitan la galaxia principal y que sufren fuerzas gravitatorias de marea. Lo sorprendente es que las simulaciones por ordenador se parecen a los resultados observados si se tiene en cuenta la presencia de materia oscura en la galaxia satélite. Inicialmente, los chorros están formados por materia oscura (no visibles) ya que ésta se encarga de proteger el interior de materia ordinaria de la galaxia satélite. Sólo cuando la materia oscura empieza a escasear, la materia ordinaria (estrellas) empieza a aparecer en los chorros, con lo que estos aparecen visibles. La verdad es que es increíble el importante papel de la materia oscura en estos chorros estelares gigantes alrededor de las galaxias.
El segundo artículo en ArXiv es David Martínez-Delgado, Jorge Peñarrubia, R. Jay Gabany, Ignacio Trujillo, Steven R. Majewski, Michael Pohlen, “The ghost of a dwarf galaxy: fossils of the hierarchical formation of the nearby spiral galaxy NGC 5907,” Astrophysical Journal 689: 184-193, 2008 (ArXiv preprint, Submitted on 8 May 2008). Muestra los grandes chorros estalares debidos a galaxias satélites en la galaxia espiral NGC 5907. El análisis mediante simulaciones gravitatorias de N cuerpos conduce a resultados similares a los del artículo anterior. En este artículo se empieza a hablar del concepto de “arqueología galáctica.” Las animaciones a partir de las simulaciones por ordenador son espectaculares y merece la pena verlas. Y la foto original en color también. ¡Chapó para Gabany!
La imagen que abre esta entrada aparece en el tercer artículo en ArXiv es David Martínez-Delgado, R. Jay Gabany, Jorge Peñarrubia, Hans-Walter Rix, Steven R. Majewski, Ignacio Trujillo, M. Pohlen, “A pilot survey of stellar tidal streams in nearby spiral galaxies,” Invited talk in “Hightlights of Spanish Astrophysics V”, Proceedings of the VIII Scientific Meeting of the Spanish Astronomical Society (SEA), Springer (ArXiv preprint, Submitted on 17 Dec 2008). Es un artículo de revisión breve sobre los chorros galácticos de marea.
Finalmente, el último artículo del que nos haremos eco es Ignacio Trujillo, Inma Martinez-Valpuesta, David Martínez-Delgado, Jorge Peñarrubia, R. Jay Gabany, Michael Pohlen, “Unveiling the nature of M94′s (NGC4736) outer region: a panchromatic perspective,” Accepted for publication in Astrophysical Journal, 2009 (ArXiv preprint, Submitted on 28 Jul 2009). El artículo afirma que la tasa de formación estelar en el halo (las afueras) de la galaxia M94 es mucho mayor del que se pensaba. El halo contiene el 23% del total de sus estrellas y contribuye al 10% del total de nuevas estrellas.
Para mí lo más interesante de estos artículos es el importante papel que las astrofotografías de un astrónomo aficionado (elevado a coautor) que permite verificar los descubrimientos científicos presentados con un “si no lo veo no lo creo.” Entra por la vista que los modelos numéricos son buenos gracias al paciente trabajo de R. Jay Gabany.
El arte y la ciencia unidos cual niño jugando con las olas en la orilla de una playa.
Oscilaciones mecánicas entre dos nanohilos suspendidos como un puente cuando por ellos se propaga luz de fase alternada
La nanofotónica estudia la interacción de la luz con objetos de escala nanométrica (inferior a su longitud de onda). Un nanohilo canaliza la luz propagando gran parte de la misma en forma de un modo evanescente (fuera del nanohilo). Dos nanohilos muy cercanos oscilan cuando por ellos pasa luz debido a la interacción de estos modos evanescentes que genera fuerzas nanomecánicas. Estas fuerzas tienen un origen completamente clásico y se pueden describir mediante las ecuaciones de Maxwell. Se había observado experimentalmente que estas fuerzas son atractivas pero teóricamente también podrían ser repulsivas. Li, Pernice y Tang han demostrado experimentalmente dicha predicción teórica, mostrando que la diferencia de fase entre la luz guiada por cada nanohilo controla si la picofuerza (fuerza de piconewton) entre ellos es atractiva o repulsiva. Un nuevo avance en dos campos nanotecnológicos, la nanofotónica y la nanomecánica, que promete el desarrollo futuro de un gran número de nuevos dispositivos nanomecánicas controlados nanofotónicamente. El artículo técnico es Mo Li, W. H. P. Pernice, H. X. Tang, “Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves,” Nature Photonics 3: 464-468, August 2009 (preprint gratis en ArXiv). Por cierto, la información suplementaria es de obligada lectura para los interesados en la descripción teórica del fenómeno. He de confesar que me he enterado de este interesante artículo gracias a Kanijo “Científicos descubren que la fuerza de la luz tiene una energía de “empuje”,” Ciencia Kanija, 5 agosto 2009, que nos traduce un artículo publicado por los servicios de noticias de la Universidad de Yale, a la que pertenecen los autores. El artículo de Kanijo, como no, ha llegado a portada en Menéame. Mi idea es complementar con algunas imágenes y comentarios dicha noticia.
La figura que abre esta entrada os muestra un dibujo del concepto utilizando en el experimento: dos nanohilos suspendidos sobre un sustrato por los que se propagan sendos haces de luz (figura a). La fuerza observada (del orden de piconewtons, pN) que comba los nanohilos depende de la fase relativa entre dichos haces de luz y de la distancia que separa los nanohilos (figura b y d). Para obtener la figura d, los autores han cambiado la longitud de onda de la luz que se propaga por los nanohilos entre 1529 nm. y 1562 nm. (en 330 pasos) lo que es equivalente a variar la distancia de los nanohilos entre unos 50 nm. y unos 500 nm. (ver figura d). Por supuesto, esto es mucho más fácil que fabricar 330 nanopuentes separados múltiples distancias. Es importante destacar que la luz que se propaga por los nanohilos es de una longitud de onda de 1550 nm. (nanómetros) mucho mayor que la separación “efectiva” entre los nanohilos (entre 100 y 500 nm.) de ahí que se produzca una interacción entre los campos electromagnéticos guiados por cada nanohilo.
La clave de esta demostración experimental de un fenómeno previamente predicho teóricamente ha sido la posibilidad de controlar la fase de la luz a través de las nanoguías mediante el uso de acopladores de cristal fotónico (los agujeritos que se ven en la foto b, abajo, en los puentes transversales a las dos nanoguías).
(a) imagen en el microscopio óptico del dispositivo utilizado y (b) imagen con microscopio electrónico de las dos nanoguías ópticas suspendidas y del acoplador de cristal fotónico.
El efecto del desfase entre los haces de luz en cada nanohilo lo podéis observar en la figura de abajo, obtenida mediante simulaciones numéricas. Cuando hay desfase, la onda de luz en cada nanohilo oscila de forma ligeramente diferente (colores rojo, verde y azul) apareciendo una fuerza efectiva entre cada trozo del nanohilo (la figura de abajo, superior, ilustra los posibles casos que se pueden dar), siendo la fuerza total entre ambos nanohilos la suma de todas estas fuerzas. Dependiendo del desfase la fuerza total es repulsiva o atractiva (la figura de abajo, inferior, muestra el campo electromagnético para 4 desfases diferentes).
5 agosto 2009
René Rutten, del Gran Telescopio de Canarias, “mete la pata” opinando sobre la tecnología española en Nature
Debe estar sacado fuera de contexto, pero las palabras en Nature, hoy, de René Rutten, jefe de operaciones astronómicas del Gran Telescopio de Canarias (GTC) pueden doler a muchos. Como Francisco Sánchez, director del Instituto Astrofísico de Canarias (IAC) proyectó el GTC en 1998 para que estuviera listo en 2003 y se ha inaugurado en 2009, afirma René que “cuando un reparador de bicicletas anuncia que va a construir un Porsche, lo natural es que no te lo creas” (“When a bicycle repair man announces he’s going to build a Porsche, you’re naturally unconvinced”). ¿Por qué? Porque la experiencia española en la construcción de telescopios no iba más allá de construir uno con un espejo de 80 cm. En su descargo, René también afirma que “sin embargo, ahora creo que superará en calidad a los telescopios Keck, gracias a una mejor estabilidad y una mejor óptica” (“However, I now believe it will surpass the quality of the Keck telescopes, thanks to better stability and better optics”). La fuente es Govert Schilling, “Spain unveils its eye on the sky. World’s largest optical telescope inaugurated,” Nature, 460: 674, Published online 3 August 2009.
No sé a vosotros, a mí me duelen este tipo de comentarios por parte de investigadores extranjeros contratados por instituciones españolas para ocupar altos cargos y que tendrán buenos sueldos.
Más aún cuando el propio Sánchez acaba con una puntilla “mi mayor preocupación es lo rápido que podremos dotar (al GTC) de la mejor instrumentación posible” (“My main worry is to quickly provide the best possible instrumentation”). La friolera de 105 millones de euros, un 90% contribución española, y le preocupa al “jefe” si tendrá los mejores instrumentos posibles.
¡Pero qué le pasa a estos señores!
Acaba el artículo de Schilling sugiriendo que la mayor preocupación de Sánchez es que el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (European Extremely Large Telescope, E-ELT), de 42 metros, acabe siendo construido en el Observatorio Roque de los Muchachos (“It’s only natural to host the E-ELT here”).
No sé qué pensar, o los británicos de Nature nos quieren poco, o nosotros mismos nos queremos poco.
Un buen lugar para aprender teoría de cuerdas (sólo para físicos)
Buenos libros para aprender teoría de cuerdas hay muchos, pero la mayoría son largos, pues hay muchas cosas que contar. Se acaba de publicar en ArXiv un texto corto (200 páginas) que introduce la teoría de cuerdas bosónicas y las teorías de campos conformes (lo mínimo que hay que saber). A mí me parece que tiene muy buena pinta (todavía no he tenido tiempo de leerlo entero). Corresponde al curso de Teoría de Cuerdas que David Tong imparte en la británica Universidad de Cambridge, para los alumnos del máster (segundo ciclo) de Ciencias Físicas. Lo más recomendable es recurrir directamente a su página web, más actualizada y que incluye problemas e información adicional.
¿Por qué estudiar teoría de cuerdas? es lo primero que se pregunta Tong en su curso. Tong no nos engaña: “la teoría de cuerdas es ciencia especulativa, no hay evidencia experimental de que la teoría de cuerdas sea una descripción correcta de nuestro mundo y no hay esperanzas de que vaya a haberla en el futuro cercano.” Entonces ¿por qué estudiar teoría de cuerdas? La teoría de cuerdas es un proyecto ambicioso aún en desarrollo con gran número de problemas aún por resolver cuya formulación final todavía no ha sido obtenida. Tong cree que es importante aprender esta teoría porque:
(1) La teoría de cuerdas es una teoría cuántica de la gravedad, luego incluso si no es la teoría “correcta” permite atacar problemas de dicha teoría al menos de forma cualitativa. Seguramente, la teoría cuántica correcta de la gravedad en cierto límite será una (o la) teoría de cuerdas.
(2) La teoría de cuerdas podría ser “la” teoría correcta de la gravedad cuántica, ya que tiene todos los ingredientes para serlo, según Tong, aunque por ahora no es capaz de realizar predicciones únicas para la física a baja energía que se puedan contrastar experimentalmente. Tong nos recuerda que “usar la teoría de cuerdas para extraer predicciones sobre la física de partículas es similar a utilizar la cromodinámica cuántica (QCD) para extraer predicciones sobre la física de las cafeteras.”
(3) La teoría de cuerdas ofrece nuevas perspectivas en teorías cuánticas gauge. Las técnicas matemáticas de teorías de campos conformes desarrollas para la teoría de cuerdas tienen aplicaciones en muchos campos desde la física nuclear hasta la física de la materia condensada (Tong pone el énfasis en la correspondencia AdS/CFT).
(4) La teoría de cuerdas ofrece nuevos resultados en matemáticas puras. Tong nos recuerda el uso de las simetrías de espejo (descubiertas entre otros por Brian Greeene) en la comprensión matemática de las variedades de Calabi-Yau
“Estas cuatro razones caracterizan grosso modo la comunidad de los teóricos de cuerdas: hay “relativistas,” “fenomenólogos,” teóricos de campos,” y “matemáticos.” Todos trabajando de forma multidisciplinar en diferentes áreas, desde la cosmología a la materia condensada, pasando por la matemática pura.” Tong opina que este es el mayor logro de la teoría de cuerdas hasta el momento.
Permitidme una frase que (sacada de contexto) me parece curiosa:
“The (quantum gravity) theory hosts a number of unknown unknowns, things that we didn’t even know that we didn’t know.”
PS: Un buen curso pero algo más técnico es el curso de doctorado de Ángel M. Uranga de la Universidad Autónoma de Madrid (también en inglés, claro).
El síndrome de abstinencia de la marihuana visualizado con imagen por resonancia magnética funcional (IRMf)
Craving es el término en inglés que utilizan muchos médicos en España para referirse al ansia o deseo de consumo de una droga: la parte psicológica del síndrome de abstinencia. Los mecanismos neurobiológicos de este fenómeno han sido estudiados para múltiples drogas como el alcohol, la nicotina o la cocaína, pero no para la marihuana, hasta ahora. Se acaba de publicar en PNAS un artículo que estudia mediante imagen por resonancia magnética funcional (IRMf) este síndrome en 38 consumidores regulares de marihuana que han sido privados de su consumo durante 72 horas. Se ha observado la activación de varias rutas neuronales asociadas a la recompensa (sistema límbico), como el área tegmental ventral, el tálamo, el córtex cingulado anterior y la amígdala. Quizás sorprenda a muchos, pero la magnitud de estos efectos es similar a la observada en los estudios para el alcohol y la cocaína. El artículo técnico es de Francesca M. Filbey et al., “Marijuana craving in the brain,” PNAS 106: 13016-13021, August 4, 2009.
Entre las drogas tanto la “maría” como los “porros” tienen un halo de aceptación social que a mí se me antoja curioso. “Ser fumeta” no está mal visto (casi menos que ser fumador de cigarrillos) y en ciertos círculos sociales es casi una obligación. Los consumidores habituales (y conozco a muchos) admiran sus propiedades terapéuticas (“Científicos españoles descubren cómo la marihuana tiene efectos antitumorales,” EcoDiario, Agencias, 01/04/2009, visto en Menéame) y afirman con rotundidad que los efectos sobre las capacidades cognitivas de su consumo son “mínimos” (Paul Armentano, “Marijuana’s Impact On Brain Function “Minimal,” New Study Says,” NORML Blog, July 28th, 2009, visto en Menéame). Sin embargo, los estudios científicos “serios” no siempre ratifican lo que a uno le gustaría oir. Más aún, no deberíamos confundir marihuana fumada con la administración de THC (su principio activo) recetado médicamente y en dosis controladas farmacológicamente. La “medicina del pobre” no debe ser reivindicada como excusa para su consumo y los casos de enfermos que acuden a “camellos” en lugar de a su médico, porque lo han leído en internet, me parecen muy graves. Más aún, fumar marihuana, curar no cura, que yo sepa, sólo alivia síntomas relacionados con el dolor en ciertas dolencias.
Un prión posible responsable del Parkinson igual que el mal de las vacas locas
Demostrar que una enfermedad es causada por un prión (proteínas anormalmente plegadas potencialmente patógenas) es extremadamente difícil. El mal de las vacas locas está causado por un prión. Un estudio que se acaba de publicar en PNAS afirma que un prión puede ser responsable del Parkinson. En concreto formas anómalas de la α-sinucleína que actúan como priones y conducen a la formación de sustancias tóxicas en las neuronas que acaban matándolas. Ya se conocían varias alfa-sinucleinopatias, lo novedoso del estudio es la asociación de una conformación anómala de la α-sinucleína con su auto-agregación y transmisión a células no infectadas, propagando la enfermedad. Se requerirán muchos años de estudio para confirmar definitivamente esta observación, pero lo importante es que abre la puerta para el desarrollo de medicinas directamente dirigidas a reducir la formación y/o facilitar la eliminación de las α-sinucleínas priónicas (mal plegadas). Una nueva vía terapéutica, aunque tarde años en llegar al mercado, siempre es una buena noticia. Nos lo comentan C. Warren Olanowa y Stanley B. Prusiner, “Is Parkinson’s disease a prion disorder?,” PNAS 106: 12571-12572, August 4, 2009, recuerda que Prusiner fue el descubridor de los priones y Premio Nobel de Medicina en 1997 por ello, haciéndose eco del artículo técnico de Paula Desplatsa et al. “Inclusion formation and neuronal cell death through neuron-to-neuron transmission of α-synuclein,” PNAS 106: 13010-13015, August 4, 2009.
La enfermedad de Parkinson es una enfermedad neurodegenerativa relacionada con la edad que afecta a millones de personas en todo el mundo (solo en España unas cien mil). La patología de la enfermedad está caracterizada por un déficit de dopamina en neuronas de la substancia negra (clave para el tratamiento actual para la enfermedad) y por la acumulación de inclusiones proteicas en células nerviosas y sus terminaciones, conocidas como cuerpos de Lewy. El déficit del neurotransmisor dopamina no es la única causa del Parkinson ya que se sabe que también se ven afectadas durante la enfermedad neuronas no dopamínicas. La causa responsable de la muerte de neuronas asociadas al Parkinson no es conocida aunque ya se ha documentado que la posible acumulación de proteínas malconformadas o aberrantes puede estar implicada. De hecho en los cuerpos de Lewy se han encontrado α-sinucleínas, así como otras proteínas.
Desplats et al. demuestran que las células nerviosas que sobreexpresan ciertas α-sinucleína pueden transmitir dicha proteína a células no afectadas tanto en modelos in vitro como in vivo. La α-sinucleína es una proteína sináptica que adopta una conformación rica en hélices α cuando está ligada a membranas y puede adoptar formas con láminas β que se pueden polimerizar en fibrilas cuando su concentración es alta o en formas mutadas. Estas últimas han sido asociadas a la enfermedad del Parkinson por estudios previos. Desplats et al. muestran en su estudio que estas formas mutadas de α-sinucleína pueden promover su autoagregación y provocar la posterior acumulación de otras proteínas, formando los cuerpos de Lewy.
¿Actúa la α-sinucleína como un prión, es decir, es el Parkinson una enfermedad priónica? Los autores del artículo sugieran esta posibilidad, sin mojarse. Prusiner, por el contrario, lo ve bastante claro. Tanto la α-sinucleína como una proteína priónica (PrPC) adoptan conformaciones ricas en hélices α bajo condiciones fisiológicas normales, y ambos son capaces de reconformarse en formas ricas en láminas β en condiciones patológicas lo que le permite agregarse en oligómeros y fibrilas amiloides. Estas proteínas malconformadas (especialmente los oligómeros) son tóxicos y capaces de inducir neurodegeneraciones. Estos agregados protéicos promueven que otras proteínas cambien su conformación tridimensional, actuando como priones. Finalmente, estas proteínas mal conformadas pueden transmitirse desde células enfermas hasta células sanas propagando la enfermedad a través de todo el sistema nervioso.
En resumen, el origen priónico de una enfermedad siempre genera muchísima polémica y requiere décadas para ser experimentalmente verificado con rotundidad. El nuevo trabajo publicado en PNAS es un paso adelante pero no definitivo para asociar el Parkinson a las enfermades priónicas.
4 agosto 2009
El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas
Masa del bosón de Higgs en función del ajuste al Modelo Estándar de los parámetros experimentales más precisos del LEP y el Tevatrón, incluyendo (izquierda) y excluyendo (derecha) las búsquedas directas del bosón de Higgs.
Cuenta Caín que mató a Abel por accidente. Cantan que el vídeo mató a la estrella de la radio. Tommaso Dorigo nos cuenta que el Modelo Estándar podría morir en manos de su más amado hijo, el bosón de Higgs, haciéndose eco de un artículo técnico de John Ellis et al. (al que recordaréis en su despacho en el CERN rodeado de papeles junto a Eduard Punset en Redes) que trata de “leer el futuro” del Modelo Estándar en las manos de los posibles modelos teóricos para el bosón de Higgs. El asunto es muy discutible. ¿Mató la teoría de la relatividad a la mecánica de Newton? ¿Mató la mecánica cuántica a la mecánica clásica? Pocos creen que el Modelo Estándar en su versión actual se mantenga válido hasta escalas de energía tan altas como las de Planck. La naturaleza nos ofrece sorpresas, nos ha ofrecido sorpresas en el pasado (como la masa no nula de los neutrinos) y nos seguirá ofreciendo sorpresas en el futuro (¿existirá un bosón de Higgs con una masa alcanzable para los ojos del LHC del CERN?).
Sólo la naturaleza tiene la respuesta. Todos podemos jugar a ser Rappel, nos llamemos John Ellis, Tommaso Dorigo o la Mula Francis, … En cualquier caso os recomiendo encarecidamente la lectura de la entrada de Tommaso “Will the Standard Model Die by The Hands of its Dearest Child?,” A Quantum Diaries Survivor, July 23rd 2009. Si eres físico, también disfrutarás del artículo de J. Ellis, J.R. Espinosa, G.F. Giudice, A. Hoecker, A. Riotto, “The Probable Fate of the Standard Model,” ArXiv, Last revised 22 Jul 2009. También es interesante leer “Who fears a non-perturbative Higgs field?,” The Gauge Connection, July 28th, 2009, y su secuela “The right mathematical question,” August 1st, 2009, todos sobre el mismo tema.
Ellis et al. han considerado cinco posibles escenarios para el futuro del Modelo Estándar en función del comportamiento del potencial del campo del bosón de Higgs. A baja energía, las partículas que observamos corresponden al resultado de un proceso de ruptura de la simetría, similar a la congelación del agua, que rompe la isotropía (simetría O(3)) alrededor de una molécula de agua generando una simetría tetraédrica en la red cristalina del hielo. Los bosones vectoriales W y Z tienen masa gracias a una ruptura de simetría similar mediada (creemos) por el bosón de Higgs. El resultado es que el vacío a baja energía en el Modelo Estándar no corresponde con el vacío a alta energía (más allá de la escala de energías de la ruptura de la simetría electrodébil, que depende de la masa del bosón de Higgs, en la que los “equivalentes” a los bosones W y Z no tienen masa, como el fotón). La escala de energía para esta ruptura de la simetría podría llegar hasta la escala de energías de Planck (2 x 1018 GeV). Si el bosón de Higgs existe, esta escala de energía es como una barrera de potencial para el “vacío” del Modelo Estándar (que no está vacío sino que contiene las partículas que observamos a baja energía). Este “vacío” podría ser (absolutamente) estable o metaestable, tener cierto grado de estabilidad (no puede ser inestable porque sabemos que a baja energía es la descripción correcta de la realidad). La metaestabilidad del “vacío” implicaría la existencia de otro “vacío” a mayor energía y que se pueda producir un salto de un vacío a otro por efecto túnel, algo que puede verse como una partícula cuántica encerrada en una barrera de potencial, que puede sobrevivir siempre en ella o tener cierta vida media en su interior, en cuyo caso tras cierto tiempo acabará saltando a través de la barrera por efecto túnel.
Los cinco posibles escenarios estudiados por Ellis et al. dependen de la estabilidad de este “vacío” del Modelo Estándar ante un posible efecto túnel más allá de la escala de la ruptura electrodébil. La figura de abajo resume los resultados obtenidos por estos físicos teóricos. El primer escenario, curva roja y sombreado en rosa, corresponde a que la vida media del “vacío” sea mayor que la edad actual del universo (collapse region). El segundo escenario, curva azul y sombreado a circulitos celestes, corresponde a que la vida media sea razonablemente alta y estable ante perturbaciones (térmicas) de energía arbitraria (Zero-T metastability). El tercer escenario, curva verde oscuro y sombreado a rayas verdes, corresponde a que la vida media sea alta pero estable sólo a perturbaciones térmicas con una energía menor que la escala de Planck (Finite-T metastability). El cuarto escenario, curva verde sombreada del mismo color, corresponde a que el vacío electrodébil del Modelo Estándar sea estable a todas las energías desde el punto de vista de la teoría de perturbaciones (Stability). El quinto escenario, curva negra y sombreado gris, corresponde a un vacío estable desde el punto de vista no perturbativo (Non-perturbativity). Por cierto, este último escenario es el menos entendido del modelo estándar. Finalmente, la curva azul de trazo grueso presenta el valor calculado a partir de los datos experimentales más recientes para la probabilidad de que un bosón de Higgs tenga la masa indicada.
¿Cómo se interpreta esta compleja figura? Por un lado, la curva azul gruesa indica que hasta 3 desviaciones típicas, el bosón de Higgs tiene una masa en alguno de los intervalos [114,153] GeV o [180,224] GeV. El Modelo Estándar puede seguir siendo válido hasta una energía a la escala de Planck si el bosón de Higgs tiene una masa en el intervalo [114,124] GeV o por encima de 172 GeV (zonas sombreadas con rosa, azul claro y gris). La curva azul gruesa favorece el primer caso, con lo que se puede afirmar con un intervalo de confianza de un 99.1% que el Modelo Estándar pervivirá hasta la escala de Planck. Ellis et al. además afirman que si el bosón de Higgs no es encontrado en el primer año de búsqueda en el LHC (experimento ATLAS y a energía máxima, 14 TeV) automáticamente se puede excluir un bosón de Higgs con una masa inferior a 127 GeV con una confianza del 95%.
¿Qué pasa si se descubre un bosón de Higgs de masa cercana al límite del LEP? Según Ellis et al., si se descubre un bosón de Higgs en el LHC o el Tevatrón con una masa de 120 (115) GeV, el potencial efectivo del Modelo Estándar desarrollará un nuevo “vacío” a una energía menor de 1010.4 (108.0) GeV (muy por debajo de la escala de Planck), con lo que el Modelo Estándar tendrá que ser significativamente alterado a dichas energías.
En resumen, un análisis teórico de los datos experimentales más recientes que no permite afirmar si el Modelo Estándar sobrevivirá hasta la escala de Planck o no, pero, como afirma Tommaso, nos da una bocanada de aire fresco y nos recuerda que quizás el descubrimiento del bosón de Higgs además de ratificar el Modelo Estándar, nos dejará claro que es una teoría aproximada (como todo el mundo cree) que habrá de ser substituida por una teoría más fundamental.
La ecuación de Roeser y el secreto de los superconductores de alta temperatura
Los superconductores a temperatura ambiente serían posibles si la ecuación empírica de Roeser, que parece verdadera, es realmente verdadera. La ecuación de Roeser relaciona la temperatura de transición en superconductores de alta temperatura con una longitud característica de su estructura cristalina microscópica que los autores denominan “distancia de dopado.” Una relación lineal (con errores menores del 0.02%) descubierta experimentalmente sin ninguna teoría que la sustente. ¿Estará el secreto de la superconductividad de alta temperatura oculto en la explicación de la ecuación de Roeser? Quizás sí, por ahora ya se han ofrecido algunas críticas, por ejemplo, no está claro como se calcula la llamada “distancia de dopado,” el procedimiento parece ad hoc. Sólo el tiempo lo dirá. Bee y Stefan de Backreaction nos comentan la noticia en “Röser’s equation,” July 27, 2009, y en “Röser’s equation, again,” August 03, 2009.
La tabla indica algunos de los valores mostrados en la figura. Esta extraída del artículo en el que los autores estudian esta correlación para pníctidos (superconductores de alta temperatura basados en hierro), en concreto Felix Huber, Hans Peter Roeser, Maria von Schoenermark, “A Correlation Between Tc of Fe-Based HT Superconductors and the Crystal Super Lattice Constants of the Doping Element Positions,” Proc. Int. Symp. Fe-Pnictide Superconductors, J. Phys. Soc. Jpn. 77 (2008) Supplement C pp. 142-144 (PDF gratis). La ecuación encontrada por Hans Peter Roeser, profesor del Institute of Space Systems en la Universidad de Stuttgart, Alemania, es la siguiente
- 4 π k me(2 x)2 n-2/3 = h2/ Tc
donde Tc es la temperatura crítica, k es la constante de Boltzmann, h es la contante de Planck, me es la masa del electrón, x es la distancia de dopado del cristal (que los autores calculan con una fórmula aparte, ver la figura de abajo) y n es el número de capas supraconductoras en el cristal (1,2,3, …). ¿Cómo se interpreta esta fórmula? Básicamente afirma que la longitud de onda de de Broglie de un par de Cooper en el superconductor a la temperatura de transición es proporcional a la “distancia de dopado” con un factor de origen geométrico en la estructura cristalina.
La gran pregunta: Si la fórmula de Roeser es verdadera siempre, ¿pueden existir superconductores a temperatura ambiente, digamos 300 ºC? Como nos contesta Stefan en su blog, sí, es posible. Por ejemplo, para el material llamado LOFFA en la figura y en la tabla, la altura de la celda unidad es de 0.9 nm (similar a otros superconductores basados en hierro), y para una temperatura de transición de 25.5 ºKelvin, la distancia de dopado es de 5.22 nm. Multiplicando la temperatura por 16 = 4², ya alcanzamos la temperatura ambiente (408 ºKelvin o 135º C), lo que requiere reducir la distancia de dopado en un factor de 4, es decir, hasta 1.3 nm, o unas 1,5 veces la altura de la celda unidad del material. Imposible, no parece, bastaría un cociente de dopado del orden de 2/3.
Ante un resultado empírico tan aplastante como la figura que corona esta entrada uno se pregunta si no habrá alguna trampa oculta. ¿No habrán seleccionado los autores los materiales para los que la ley se cumple de “escándalo” obviando los demás? Los autores eligen un plano concreto en el calculan su distancia de dopado, ¿por qué dicho plano y no otro? Los materiales superconductores a alta temperatura son muy complejos. Las dudas son muchas. ¿Cómo resolverlas? El primer paso para verificar la ecuación de Roeser podría ser mediante simulaciones numéricas 3D de la ecuación de Schrödinger en una aproximación cuasi-clásica para los electrones. Es un problema computacionalmente intensivo pero creo que está al alcance de los supercomputadores actuales. Un segundo paso, mucho más difícil, será proponer un modelo teórico que explique dicha ley que, a priori, no parece fácil de obtener dado que la estructura cristalina de los materiales superconductores a alta temperatura, gracias a cierta dosis de dopantes, es muy complicada.
¿Permitirá la ley de Roeser predecir nuevos materiales con temperaturas de transición más altas que el récord actual? Yo personalmente no lo creo, pero no soy experto. Lo que sí es cierto es que si así fuera, caería un Premio Nobel con toda seguridad.
Por cierto, la teoría de cuerdas se inició al tratar de entender los diagramas o trayectorias de Tullio Regge por parte de Veneziano y otros. Eran unos diagramas empíricos que relacionaban el momento angular de hadrones (bariones y mesones) con la masa de sus resonancias (propuestos originalmente en 1957). Se pensó que eran claves para entender la fuerza nuclear fuerte en los 1960, pero más tarde la cromodinámica cuántica los destronó (a principios de los 1970). Más sobre trayectorias de Regge. Hoy en día explicamos muy bien los diagramas de Regge gracias a que los bariones están formados por quarks. ¿Pasará con la ecuación de Roeser algo parecido que con los diagramas de Regge?
Los interesados en más información técnica para algunos cupratos pueden consultar la serie de artículos: H.P. Roeser, F.M. Huber, M.F. von Schoenermark, A.S. Nikoghosyan, F. Hetfleisch, M. Stepper, A. Moritz, “Doping patterns in N-type high temperature superconductors PLCCO and NCCO,” Acta Astronautica 65: 289-294, July-August 2009, H.P. Roeser, F.M. Huber, M.F. von Schoenermark, A.S. Nikoghosyan, “High temperature superconducting with two doping atoms in La-doped Bi-2201 and Y-doped Bi-2212,” Acta Astronautica 654: 489-494, August-September 2009, y H.P. Roeser, D.T. Haslam, F.M. Huber, J.S. López, M.F. von Schoenermark, A.S. Nikoghosyan, J. Vernerey, “Doping structure of the high temperature superconductor La2-ΔCa1+ΔCu2O6+δ,” Acta Astronautica, Article in Press, Corrected Proof, 2009.
3 agosto 2009
La energía oscura puede ser explicada por un gravitón con masa
Físicos teóricos brasileños han mostrado que la energía oscura se puede explicar si el gravitón, la partícula de la gravedad, tiene una masa en reposo no nula (aunque pequeñísima). La energía oscura domina el 73% del universo y nadie sabe lo que es. Una constante cosmológica no nula la puede explicar pero nadie sabe qué es, es decir, sustituye un problema por otro. Un gravitón masivo permite explicar la energía oscura. Más aún, sin violar los límites experimentales para su masa, de hecho, utilizando cúmulos galácticos se tiene que mg < 2.0 x 10-62 gramos, un límite mil veces superior al valor necesario para que la masa del gravitón explique la energía oscura. ¿Cómo incorporar la masa del gravitón a la teoría de Einstein? La opción más sencilla es la teoría de Visser, en la que se añade el término masivo directamente a las ecuaciones de Einstein. El estudio de la polarización de ondas gravitatorias, cuando estas sean detectadas experimentalmente, permitirá determinar si el gravitón tiene masa nula (solo tiene dos estados de polarización como el fotón) o es masivo (tiene 6 estados de polarización). El artículo técnico es Marcio E. S. Alves, Oswaldo D. Miranda, Jose C. N. de Araujo, “Can Massive Gravitons be an Alternative to Dark Energy?,” ArXiv, Submitted on 29 Jul 2009.
El autobombo también se da en los artículos científicos o casi todo el mundo envía sus artículos a ArXiv a la misma hora
Entre las 16:00 y las 16:10 horas, hora local de New York, el servidor de preprints de ArXiv, localizado en la Universidad de Cornell, recibe casi todos sus envíos. La figura de la izquierda es apabullante. Cuando envías un artículo, no aparece inmediatamente en la web sino que todos los artículos enviados desde las 16:00 hasta las 15:59 horas del día siguiente aparecen simultáneamente. ¿Por qué enviar los artículos justo a las 16:00? Para que aparezcan los primeros y aprovechar el hecho (demostrado por varios estudios) que aparecer el primero implica un mayor número de citas en promedio. Parece que todo el mundo lo sabe y parece que todo el mundo quiere aprovecharse del efecto. Nos lo cuenta el propio Paul Ginsparg, quien si no, junto a Asif-ul Haque, en su artículo “Positional Effects on Citation and Readership in arXiv,” Submitted on 27 Jul 2009 (por cierto, Ginsparg suele publicar en ArXiv sus artículos una vez han sido aceptados, no como preprints, curioso, siendo él el creador de ArXiv; en este caso, el artículo ha sido aceptado en el Journal of the American Society for Information Science and Technology; ¡cosas de Ginsparg!).
La autopromoción o el autobombo no sólo es clave en el mundo de los blogs, también lo es en el mundo de los artículos científicos. Que un artículo aparezca en ArXiv está bien correlacionado con que será más citado. Que un artículo aparezca en los primeros lugares en algún listado de alguna categoría de ArXiv también lo está. Cosas de la bibliometría. O quizás del factor humano. Lo primero nos parece lo mejor. O lo último acaba por aburrirnos. En ArXiv el efecto es más visible en las categorías de astro-ph, hep-th y hep-ph, comparado con otras categorías.
Por cierto, uno de los estudios anteriores de Ginsparg encontró que los investigadores cuando pueden leer un trabajo en forma de preprint o en su versión final en la revista, prefieren esta última. Quizás porque la mayoría de los investigadores del primer mundo tiene acceso a la mayoría de las revistas internacionales. Aún así, da la sensación de que piensan que al preprint le puede faltar algo “importante.” No sé, os he de confesar que a mí me pasa lo mismo. Los interesados en el paper de Grinsparg pueden leerlo en Edwin A. Henneken et al. “E-prints and Journal Articles in Astronomy: a Productive Co-existence,” ArXiv, Submitted on 22 Sep 2006 (o en su versión en revista Learned Publishing 20: 16-22, 2007).
La respuesta del gobierno de Venezuela sobre el declive de la ciencia en su país
Ya nos hicimos eco en este blog (El declive de la investigación en Venezuela bajo el régimen de Chávez, Publicado el Mayo 29, 2009) de sendos artículos en la prestigiosa Science sobre los problemas de la ciencia en Venezuela, en concreto, Claudio Bifano, “Venezuelan Science at Risk,” Science 324: 1514, 19 June 2009, y Barbara Casassus, “As Research Funding Declines, Chávez, Scientists Trade Charges,” Science 324: 1126, 29 May 2009. La respuesta del gobierno venezolano no se ha hecho esperar de la mano de Jesse Chacón Escamillo, desde abril de 2009, Ministro para Ciencia, Tecnología e Industrias Intermedias, “Venezuelan Science: Making Great Strides,” Science 325: 537, 31 July 2009.
El artículo de Jesse empieza directo al grano “La República Bolivariana de Venezuela lleva 10 años de revolución que han mejorado la salud, el bienestar, la educación, y la cultura de todos los venezolanos. (…) Debido a la crisis financiera internacional y al fuerte descenso de los precios del crudo, el gobierno ha reducido el presupuesto nacional un 6.7%, incluyendo a las instituciones públicas. Esta reducción es muy inferior a la implementada por otros países y no está dirigida específicamente contra las universidades y los centros de investigación.”
“Venezuela ha mejorado sus números significativamente: (i) el número de investigadores ha pasado de 3597 en 1998 a 10.187 en 2008; (ii) el porcentaje de producto interior bruto en investigación y ciencia ha crecido de un 0.39% en 1999 a un 2.69% en 2007 (el más alto en latinoamérica según la OCDE); (iii) el número de estudiantes ha crecido de 6.233.127 en 1999 a 7.598.487 en 2008, incluyendo una reducción del analfabetismo de un 7% en 1999 a un 0.4% en 2008; (iv) el acceso a internet por parte de la población ha crecido de un 5.43% en 2003 a un 27.04% en 2009, gracias a la instalación de 3187 “info-centros” por todo el país; y (v) el gobierno ha implantado el IVIC para permitir el acceso a más de 11.300 revistas científicas (impreas y electrónicas) así como ha creado 40 nuevas universidades.”
Jesse no entiende las duras palabras del “Presidente de la Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas, y Naturales (ACFIMAN)” (Claudio Bifano). ”No hay fuga de cerebros en Venezuela. Es falso que el gobierno haya despedido, degradado, o puesto en una lista negra a los científicos disidentes.”
¿Propaganda gubernamental? Habrá que esperar a la respuesta de científicos venezolanos relevantes a las palabras de su Ministro/Gobierno.
Vota a la Ciencia de la Mula Francis en el concurso 20Blogs
La Mula Francis participa en los Premios 20Blogs, en el apartado de Ciencia y Tecnología. Ahora mismo cuenta con 2 votos. Si tienes un blog que participa este año en el concurso 20Blogs y te gusta La Ciencia de la Mula Francis, vótala, ¿y por qué no?
http://lablogoteca.20minutos.es/busqueda/lablogoteca/mula+francis/
Lo barato acaba saliendo caro y el LHC del CERN
El coste del LHC del CERN ya alcanza la cifra de 3.900 millones de euros (hace un año y medio se hablaba de solo 3.000 millones, ver LHC FAQ). Aún así es mucho más barato que cualquier otra instalación similar gracias a aprovechar el túnel del LEP y parte de su infraestructura. Su entrada en funcionamiento se está retrasando porque se están encontrando problemas inesperados, que indican que su fabricación no ha sido realizada con el cuidado necesario (quizás por las prisas, quizás por el bajo coste). Más aún, entrará en funcionamiento con una energía muy inferior a la inicialmente esperada. Por ejemplo, esta semana se están revisando las soldaduras entre uniones de cobre en la parte no superconductora de los 10.000 imanes superconductores del LHC. Se ha encontrado una soldadura incorrectamente realizada. ¡Una soldadura! Sí, pero suficiente para tener que revisar las demás. Estas soldaduras defectuosas impedirán que el LHC alcance su energía máxima ya que no podrán soportar la corriente máxima que habría que aplicar a los imanes superconductores. Parece increíble, pero así es. No sé, pero a mí me parece que lo barato acaba saliendo caro. Nos lo cuenta, como no, Adrian Cho, “More Bad Connections May Limit LHC Energy or Delay Restart,” News of the Week, Science 325: 522-523, 31 July 2009.
Esta semana los técnicos del CERN están chequeando las 10.000 soldaduras con objeto de evaluar la corriente máxima que podrán soportar de forma fiable, así como determinar la energía máxima de los haces de protones que se podrá alcanzar en el primer año de funcionamiento de la instalación. En el mejor caso, las demás soldaduras estarán perfectas (a mí me parece que algo poco probable) y este chequeo solo supondrá un retraso más para el reinicio del LHC (que se esperaba para noviembre).
Un retraso más. Otro retraso más y otro más aún. Esto parece la historia interminable. Hemos de recordar que en el año 2000 se suponía que el LHC entraría en funcionamiento en el año 2005. Espero equivocarme, pero ahora parece que no lo hará hasta inicios de 2010.
Un recorte en energía más. Y ahora otro más. El LHC del CERN se diseñó para alcanzar 14 TeV de energía máxima (dos haces de protones cada uno con 7 TeV), lo que significa que se observarán colisiones entre 1 y 2 TeV de energía máxima (ya que colisionan entre sí los partones (quarks y gluones) que constituyen los protones). Hace unos meses se decidió reducir esta energía a un máximo de 10 TeV. Los nuevos problemas parecen limitarla a unos 8 TeV o menos. El LHC tiende a convertirse en un Tevatrón “mejorado” (alcanza una energía de 2 TeV).
Quizás convenga reforzar el punto anterior. En el LHC colisionarán haces de protones. Cada protón es un “saco” de partículas, 3 quarks de valencia y millones de gluones y de pares de quarks virtuales. En una colisión protón-protón en realidad se produce una colisión gluón-gluón (las mejores para observar el bosón de Higgs), quark-quark y hasta quark-antiquark (ver figura de arriba). En un protón con una energiá de 7 TeV es muy difícil que alguno de sus millones de constituyentes alcance un 1 TeV, además que lo haga otro de los constituyentes del otro protón que acabe colisionando con éste, y que además ambos constituyentes (partones) colisionen. Recuerda que un protón tiene un “tamaño” de unos 10-15 m. y un partón sólo alcanza unos 10-18 m., es decir, ocupa un volumen mil millones de veces inferior. El resultado es que es muy poco probable alcanzar colisiones de más de 2 TeV (prácticamente imposible). Con un LHC a energía reducida que alcance, digamos 7 TeV en el punto de colisión (haces de protones de 4,5 TeV), difícilmente se observarán colisiones partón-partón de más de 1 TeV (similares a las más energéticas que se observan actualmente en el Tevatrón). ¿Tanto para tan poco?
¿Retraso o recorte? Esta es la cuestión. Muchos quieren que el LHC se ponga en funcionamiento cuanto antes. ¿Para qué? Para descubrir nuevos fallos y poder resolverlos cuanto antes, así como calibrar todos los detectores y aprender más sobre el funcionamiento de esta máquina. Al mismo tiempo, nadie quiere un LHC funcionando durante un año a solo 4 TeV, incluso 8 TeV están en el límite de lo no deseable (le daría una oportunidad única al Tevatrón para acumular luminosidad y ganar la partida, por ejemplo, en la búsqueda del Higgs).
No sé que opinarás tú, pero a mí me parece que lo barato acaba saliendo caro.
PS (04 agosto 2009): La noticia en Menéame gracias a “El LHC podría arrancar a media potencia o retrasarse aún más,” Ciencia Explicada, 4 de agosto de 2009.
Qué matemáticas deberían aprender los biólogos, ecuaciones diferenciales o álgebra abstracta
Un biólogo estudia estadística y un poco de cálculo. Los avances en la biología de moda, la biología sistémica (biología de sistemas), requieren un conocimiento de matemáticas más avanzado. El futuro de la biología son los biólogos cuantitativos. ¿Qué matemáticas debe estudiar un biólogo? No está nada claro. Muchos creen que debe dominar el campo de las ecuaciones diferenciales (al menos las ordinarias). Otros abogan por álgebra abstracta y teoría (abstracta) de redes. Entre estos últimos se encuentra Raina Robeva y Reinhard Laubenbacher con su artículo “Mathematical Biology Education: Beyond Calculus,” Education Forum, Science 325: 542-543, 31 July 2009 (es obligado leerse la información suplementaria). El interés actual en reformar la educación biológica también nos lo presenta Jeffrey Mervis, “Universities Begin to Rethink First-Year Biology Courses,” Science 325: 527, 31 July 2009. La (bio)informática y la matemática (biológica) computacional son claves en la nueva formación de un biólogo, como nos recuerdan Pavel Pevzner, Ron Shamir, “Computing Has Changed Biology—Biology Education Must Catch Up,” Science 325: 541-542, 31 July 2009.
Las redes booleanas (que los informáticos estudian como teoría de circuitos combinacionales y secuenciales) podrían ser la matemática del futuro de la biología. Mucho más sencillas de entender que las ecuaciones diferenciales (en especial para alguien con la formación de un biólogo) permiten entender gran parte de la dinámica de las redes metabólicas y de transcripción génica. A lo que aportan los autores yo añadiría la teoría de redes de Petri (muy utilizada en teoría del control de sistemas).
Los autores se centran en el ejemplo de la dinámica del operón de la lactosa (lac), el mecanismo de regulación genética que controla el transporte y el metabolismo de la lactosa (en la figura de la izquierda en el caso de la bacteria procariota E. coli). Este es el ejemplo más estudiado (junto con la glucolisis) de una red modelada por ecuaciones diferenciales, desde el trabajo original de Jacob y Monod que se remonta a 1961. Sin embargo, desde entonces ha sido estudiado con todas las técnicas matemáticas posibles.
La dinámica es sencilla. Cuando hay glucosa pero no hay lactosa, un represor evita que se transcriban los genes lac. El operón está en OFF. Cuando no hay glucosa, pero hay lactosa extracelular que es transportada al interior de la célula por una permeasa, la alolactosa evita que el represor actúa con lo que se produce la transcripción del gen y el operón está en ON. Este sistema es un ejemplo arquetípico de dinámica biestable (que transita entre dos posibles estados). Además, presenta un comportamiento de tipo histéresis. El modelo mediante ecuaciones diferenciales requiere un dominio técnico que abruma a la mayoría de los biólogos.
Un modelo booleano (a la derecha en la figura que encabeza esta entrada) se basa en operadores AND (denotados por el símbolo ∧ ) que modela el efecto conjunto de dos variables en una tercera y operadores OR (denotados por el símbolo ∨) que modela el efecto independiente de dos variables separadas en una tercera. Finalmente, el operador NOT (denotado por el símbolo ¬) indica un efecto negativo de una variable en otra. En un modelo booleano el tiempo es discreto.
El operón lac se modela mediante una terna de variables booleanas (Mt, Et, Lt) que representan la concentración intracelular de ARN mensajero (Mt), del polipéptido lacZ (Et), y de la lactosa intracelular (Lt) en el tiempo t, que dependen de las concentraciones extracelulares de glucosa (Ge) y lactosa (Le). Por ejemplo, la última ecuación en la figura de arriba, básicamente fL = Lt+1 = ¬Ge,t ∧ Et ∧ Le,t indica que el estado interno de la lactosa en el tiempo t+1 es L=1 si la glucosa (Ge) no está presente pero sí lo están E y Le (en el tiempo t). Para los informáticos este tipo de representación booleana les será muy familiar. Estudiando el grafo de posibles estados a partir de las cuatros posibles entradas a este sistema, (Le,Ge) = (0, 0), (0, 1), (1, 0) y (1, 1), se puede demostrar que este sistema dinámico discreto presenta biestabilidad, dos posibles estados estados correspondientes a (1, 1, 1) y (0, 0, 0), es decir, los estados ON y OFF del operón, respectivamente. Más aún, el modelo booleano muestra que este sistema no presenta comportamiento oscilatorio (ciclos límite), como se puede demostrar rigurosamente con el sistema de ecuaciones diferenciales original.
Por supuesto, los modelos booleanos en tiempo discreto no representan toda la verdad sobre la dinámica ya que no permiten estudiar fenómenos no lineales interesantes como bifurcaciones o catástrofes en la dinámica, de gran interés en la biología moderna. En mi opinión, el biólogo moderno requiere una buena formación en bioinformática y en dinámica de sistemas no lineales.
La Ciencia de la Mula Francis
(Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear, Consolider-Ingenio 2010).
