El mecanismo de Higgs no distingue entre materia y antimateria según el Tevatrón del Fermilab

El bosón de Higgs dota de la misma masa a una partícula y su antipartícula, según la teoría del Modelo Estándar. El mecanismo de ruptura de la simetría de Higgs no distingue entre materia y antimateria. Para verificarlo experimentalmente hay que medir estas masas para la partícula más masiva descubierta hasta el momento, el quark top y su antiquark. En el Tevatrón del Fermilab se ha obtenido hace poco la mejor medida de la masa en reposo del quark top. Ahora DZERO ha medido la diferencia de masa entre el quark top y el antiquark top resultando una diferencia igual a 3.8±3.7 GeV, es decir, 2.2% ± 2.2. Como resultado, experimentalmente ambas masas parecen exactamente iguales. Nos lo cuentan en Research Highlights, “Particle physics: Top quarks measure up,” Nature 461: 572, 1 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico de V. M. Abazov et al. (DZERO Collaboration), “Direct Measurement of the Mass Difference between Top and Antitop Quarks,” Phys. Rev. Lett. 103: 132001, 21 September 2009.

El nanoláser basado en plasmones o “nanoespáser”

Una nueva palabra para los libros de ciencia ficción: el “nanoespáser.” Un nanoláser plasmónico, un láser de menos de 100 nanómetros basado en plasmones. Su impacto potencial es enorme en la fabricación de nanocircuitos fotónicos ultrarrápidos, técnicas de nanolitografía, sensores bioquímicos monomoleculares, o en las tecnologías de información cuántica. Los plasmones son ondas generadas por el movimiento colectivo de electrones libres en la superficie de un metal. Todavía no se ha fabricado un nanoláser plasmónico práctico, pero las tecnologías para fabricarlos se han logrado recientemente, como nos cuentan dos físicos teóricos de la Universidad Autónoma de Madrid, Francisco J. Garcia-Vidal y Esteban Moreno, en “Lasers go nano,” Nature 461: 604-605, 1 October 2009, haciéndose eco de dos artículos técnicos publicados recientemente en Nature, los de Rupert F. Oulton et al., “Plasmon lasers at deep subwavelength scale,” Nature 461: 629-632, 1 October 2009, y M. A. Noginov et al., “Demonstration of a spaser-based nanolaser,” Nature 460: 1110-1112, 27 August 2009.

Un láser emite un haz intensa y fuertemente colimado de luz (casi) monocromática coherente. La luz de una bombilla es incoherente, con un espectro relativamente ancho, de intensidad débil y poco colimada (casi onmidireccional). Un láser requiere dos elementos, una cavidad óptica en la que la luz se vuelve coherente por resonancia y un medio que amplifica dicha luz. Un proceso parecido a la afinación de una orquesta antes de iniciar un concierto. Los músicos interpretan una única nota estimulada por las notas tocadas por otros músicos y afinan su instrumento. Para el espectador, la sala de conciertos se llena de un ruido incoherente que evoluciona hacia un acorde tonal bien afinado.

Un nanoláser óptico es imposible ya que no se puede superar el límite de resolución por difracción de la luz utilizada. Para luz visible, con longitudes de onda entre 300 y 800 nm (nanómetros), la cavidad láser más pequeña está limitada a unos cientos de nanómetros. La nanotecnología requiere menos de 100 nanómetros. ¿Cómo lograr un nanoláser? Utilizando electrones en una cavidad metálica, ya que la longitud de onda de los electrones es menor que las de los fotones (igual que la diferencia entre un microscopio óptico y uno electrónico). Los electrones pueden resonar la superficie de un metal produciendo una ondas llamadas plasmones superficiales. Estas ondas generan ondas electromagnéticas fuertemente localizadas en la superficie. En lugar de láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) podemos hablar de “spáser” (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission o amplificación de plasmones superficiales por emisión estimulada). Los plasmones, en lugar de los fotones, permiten fabricar un “nanoespáser,” el equivalente plasmónico de un nanoláser. Fabricar un láser de plasmones o “spáser” no es fácil ya que los plasmones sufren pérdidas muy importantes. Para evitarlas hay que diseñar un medio que los amplifique hasta superando con creces dichas pérdidas. Los nuevos artículos técnicos de Noginov et al. y Oulton et al. han logrado desarrollar un medio amplificador de este tipo en la nanoescala.

Noginov y sus colaboradores han encapsulado nanopartículas de oro (de 14 nm de diámetro) en esferas de sílice de 44 nm de diámetro (como muestra la parte izquierda de la figura que abre esta entrada). La amplificación se obtiene gracias al dopado del silicio con ciertas moléculas orgánicas.  Los plasmones se propagan en el núcleo de oro, propagándose por el envoltorio de sílice como ondas de luz láser con una longitud de onda de 531 nm.

Oulton y sus colaboradores han utilizado como cavidad “láser” para los plasmones superficiales un nanohilo semiconductor de sulfuro de cadmio de alta ganancia separado de un “espejo” de plata por un aislante de 5 nm (como muestra la parte derecha de la figura que abre esta entrada). El nanohilo tiene un diámetro del orden de 25 nm y los fotones reflejados tienen una longitud de onda de 489 nm (un láser convencional requeriría unos 500 nm de diámetro como mínimo teórico).

Ambos estudios ofrecen importantes avances en la ciencia de los láseres plasmónicos, aunque todavía quedan varias cuestiones técnicas por resolver antes de ver estos “nanoespáseres” en aplicaciones prácticas. La coherencia de la luz emitida por estos dispositivos todavía no ha sido caracterizada. Además, no es luz colimada (la luz es emitida en todas las direcciones). Sin embargo, en los próximos años se avanzará muchísimo en este campo.

En Cuba también hay nanociencia y nanotecnología

En la situación económica que se vive en Cuba parece sorprendente que haya investigadores trabajando en nanociencia y nanotecnología. La Revista Cubana de Física, publicación conjunta de la Sociedad Cubana de Física y de la Facultad de Física de la Universidad de la Habana, dedica su primer número de este año (son sólo dos al año) a estos campos de tan gran actualidad, “Número especial: Nanociencia cubana 2009.” Como reza el editorial introductorio: “Aun trabajando en muy difíciles condiciones, los profesionales cubanos han logrado, con su trabajo de años, que esta importante actividad científica no constituya hoy una novedad en Cuba.”

Sorprende que la mayoría de los artículos sean experimentales y estén escritos por cubanos trabajando en Cuba. Uno tiende a pensar que los medios de los que disponen para investigar después del periodo especial de los 1990s son muy limitados. Sólo unos pocos artículos tienen coautores foráneos de países como España, México, Brasil, Colombia y Austria, aunque creo no equivocarme si afirmo que algunas de las investigaciones que se muestran en estos artículos han partido de trabajos realizados fuera del país. Aún así, mi más sincera enhorabuena a los nanocientíficos cubanos por su buen trabajo.

Por cierto, todos los artículos son de acceso gratuito en PDF y en español, con un nivel similar a Investigación y Ciencia, así que ánimo y a disfrutar.

Entrada autorreferencial: Recopilación de los Ig Nobel de 2008 en la Mula Francis

Los Premios Nobel Ig de 2009 se anunciarán en la ceremonia que se celebrará el próximo jueves, 1 de octubre, a las 7:30 PM, hora de la costa este norteamericana. Dedicaré en este blog una entrada a los premios más interesantes, como ya hice el año pasado. Para abrir boca, os recuerdo las entradas del año pasado (quizás algún lector reciente no las haya leído o algún otro quiera releerlas).

2008 Ig Nobel, Paz: La dignidad y los sentimientos de nuestras amigas las plantas, 8 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Arqueología: El armadillo “arqueólogo” como pesadilla para el arqueólogo humano, 8 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Medicina: La importancia del precio de un medicamento en su eficacia terapéutica, 7 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Ciencias cognitivas: Hasta una protozoo puede encontrar el camino más corto en un laberinto, 6 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Economía: las bailarinas topless deberían evitar la píldora para lograr mayores propinas, 6 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Física: El enredo espontáneo de lo enredable o no le dejes el ovillo de lana al gato, 5 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Biología: Las pulgas de los perros son mejores saltadoras que las pulgas de los gatos, 5 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Literatura: “Eres un bastardo” o el acaso laboral en el trabajo, 5 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Química: Coca-Cola y Pepsi-Cola, los anticonceptivos del pobre, 4 Octubre 2008

2008 Ig Nobel, Nutrición: El sonido “crujiente” y el disfrute de una patata frita, 3 Octubre 2008

El problema de Thomson o como distribuir N cargas en una esfera con energía total mínima

El físico británico J. J. Thomson ganó el Premio Nobel en 1906 por el descubrimiento del electrón. En 1904 propuso un problema matemático muy difícil de resolver en general: ¿cuál es la configuración de mínima energía para N electrones (con una fuerza repulsiva 1/r²) en una superficie esférica? Para N pequeño obtener la solución óptima a este problema es fácil. Para 4, 6, y 12 corresponden a los vértices de un sólido platónico. Hasta N=400 se conocen las soluciones óptimas. Sin embargo, para N>400 sólo se conocen algunas pocas, el resto son sólo las mejores candidatos obtenidas por ordenador. Wales, McKay y Altschuler han obtenido por simulación las mejores configuraciones hasta el momento en el rango N de 400 a 4000. La vídeo muestra cinco de los nuevos resultados para N=400, 752, 1632, 3952, y 4352. Los tres primeros son configuraciones simétricas. Los dos últimos son configuraciones asimétricas ligeramente de menor energía que las simétricas observadas. ¿Serán óptimas? Nadie lo sabe pero la búsqueda de la demostración por ordenador continúa. Nos lo cuenta Tony Phillips, “Progress on the Thomson problem,” Take on Math in the Media, September, 2009.

Las 400 configuraciones óptimas fueron publicadas en David J. Wales, Sidika Ulker, “Structure and Dynamics of Spherical Crystals Characterised for the Thomson Problem,” Phys. Rev. B, 74, 212101 (2006) [Página con animaciones gif con los resultados óptimos]. El nuevo artículo con las soluciones cuasi-óptimas es David J. Wales, Hayley McKay, Eric L. Altschuler, “Defect motifs for spherical topologies,” Phys. Rev. B 79, 224115 (2009) [Página con animaciones gif con los resultados cuasi-óptimos]. 

En una configuración de mínima energía cada electrón está rodeado de 6 vecinos cercanos (hexágonos verdes en el vídeo) resultando en una carga efectiva nula, excepto ciertos electrones que están rodeados de 5 vecinos (pentágonos rojos) con una carga efectiva de +1, o de 7 vecinos (heptágonos azules) con una carga efectiva de -1. Siendo C_i el número de los vecinos cercanos al electrón i-ésimo, la red que conecta los electrones más cercanos entre sí define una triangulación de la superficie de la esfera con V=N vértices, E = (1/2) Σ_i C_i aristas y F = 2 E/3 caras. El teorema de Euler, V-E+F=2, aplicado a esta tringulación nos da Σ_i (6-C_i) = 12, es decir, la suma de las cargas efectivas debe ser igual a 12. El problema de optimización a resolver es dónde hay que colocar las cargas efectivas para minimizar la energía total.

Como se observa en el vídeo, para las configuraciones con N = 400, 752, 1632, 3952, y 4352, conforme N crece, el número de heptágonos también crece. Las tres primeras configuraciones son (aproximadamente) simétricas, con una simetría icosaédrica aproximada que en algunos casos, como para N=1632, es exacta. Lo más sorprendente es que en muchos casos, como los dos últimos ilustrados en el vídeo, las configuraciones simétricas no son siempre las de menor energía. La energía potencial se define geométricamente como P = Σ_i>j |r_i – r_j|-1, donde se ha representado el electrón i-ésimo con un vector unitario r_i in R³. Por ejemplo, para N=4352 la configuración cuasi-óptima tiene energía potencial P = 9311276, mientras que la configuración con 12 rosetas colocadas simétricamente (algo parecido a la configuración con N=1632 del vídeo) sólo alcanza un valor de P = 9311299. Es decir, una configuración más simétrica cercana a la mejor es sólo ligeramente peor. Realmente sorprendente.

Estrellas negras: agujeros negros fallidos como resultado de un efecto cuántico, la polarización del vacío

Carlos Barceló, del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada, y sus colaboradores han demostrado que los efectos cuánticos en la teoría semiclásica de la gravedad permiten evitar que las estrellas en colapso gravitatorio formen agujeros negros (si el colapso es suficientemente lento). El resultado es un nuevo objeto astrofísico al que han llamado estrellas negras. Para un observador externo estas estrellas son indistinguibles de un agujero negro. Están formadas por la energía gravitatoria del vacío cuántico en un espaciotiempo curvado. No presentan horizonte de sucesos y evitan el problema de la pérdida de información cuántica en agujeros negros. Si el colapso es muy rápido o si el objeto que colapsa tiene una masa enorme, millones de masas solares, el resultado es un agujero negro convencional. Un gran trabajo que nos cuentan magistralmente en su artículo Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “Black stars, not holes. Quantum effects may prevent true black holes from forming and give rise instead to dense entities called black stars,” Scientific American, october 2009, pp. 39-45 [versión gratis] (aparecerá en español en Investigación y Ciencia en diciembre de 2009). Su artículo técnico es Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “Fate of gravitational collapse in semiclassical gravity,” Physical Review D 77: 044032 (2008). También es interesante leer el artículo de Matt Visser, Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, “Small, dark, and heavy: But is it a black hole?,” ArXiv, Submitted on 2 Feb 2009.

Un agujero negro es el resultado del colapso de una estrella que ha consumido todo su combustible. Para los físicos teóricos es un tipo de solución de las ecuaciones de Einstein para la gravedad. Un agujero negro de la masa del Sol tiene un radio (horizonte de sucesos) de unos 3 kilómetros. ¿Existen los agujeros negros? La evidencia astrofísica indica que existen objetos ultracompactos que no emiten luz ni ningún tipo de radiación que tienen masas entre varias veces la del Sol y millones de veces, con diámetros de unos pocos kilómetros hasta millones de kilómetros. ¿Estos objetos oscuros observados por los astrofísicos son agujeros negros? Casi todo el mundo cree que así es, pero, hay varias propuestas alternativas.

¿Podrían los efectos cuánticos evitar el colapso gravitatorio? No tenemos una teoría cuántica de la gravedad, pero se puede utilizar una aproximación semiclásica para la gravedad cuántica, similar a la utilizada por Hawking para demostrar que los agujeros negros se evaporan. ¿Cuál es el resultado? Los efectos cuánticos evitan que un agujero negro (un horizonte de sucesos) se forme, resultando en la formación de una estrella negra, constituida sólo por espaciotiempo.  

La teoría cuántica de la gravedad no es renormalizable. ¿Qué significa esto? En una teoría cuántica de campos el vacío tiene una energía infinita. La técnica llamada de renormalizabilidad permite obtener el comportamiento de las partículas elementales sólo a partir de diferencias entre estados de energía, con lo que los infinitos de la energía del vacío se cancelan. En una versión cuántica de la teoría de la gravedad no ses posible aplicar esta técnica.

En la teoría semiclásica de la gravedad se sustituye la renormalizabilidad por una técnica de autoconsistencia. Según la relatividad general una distribución de materia-energía produce un espaciotiempo curvo. Esta curvatura modifica la energía de los campos cuánticos, lo que a su vez modifica el propio espaciotiempo curvo. Y así sucesivamente. El resultado es una solución autoconsistente si este procedimiento converge. Esta aproximación semiclásica incorpora los comportamientos cuánticos de la materia pero trata la gravedad (curvatura del espaciotiempo) de forma clásica. Una aplicación ad hoc de esta teoría conduce a que el vacío tiene una energía infinita, lo que es incompatible con las observaciones astronómicas actuales. ¿Cómo funciona la hipótesis de consistencia? La energía gravitatoria del vacío semiclásico de cualquier solución válida debe ser nula cuando se sustituye en ella un espaciotiempo plano. La presencia de masa curva el espaciotiempo y la densidad de energía del punto cero de los campos cuánticos no se cancela exactamente. Esta polarización del vacío se asume en la gravedad semiclásica que se cancela exactamente a cero para un espaciotiempo plano. El tensor de energía-esfuerzo (stress-energy tensor, SET) se sustituye por un tensor de energía-esfuerzo renormalizado (RSET). La materia clásica curva el espaciotiempo en una cantidad dado por el SET clásico. El vacío cuántico adquiere un RSET finito no nulo. Dicho término es una nueva fuente de gravedad que modifica la curvatura, lo que induce un nuevo valor para RSET y así sucesivamente. La graveadad semiclásica consiste en aplicar este procedimiento de forma reiterada hasta que RSET converge.

¿Cómo afecta la gravedad semiclásica a los agujeros negros? El solución de Schwarzschild para el campo gravitatorio de una distribución de masa esférica que no rota ni tiene carga nos permite entender el campo gravitatorio alrededor de un estrella y de un agujero negro. Está caracterizada por una M y un radio R. Un objeto con masa M que colapse hasta ocupar una región de radio menor que R desaparece dentro de un horizonte de sucesos y se forma un agujero negro. Las correcciones cuánticas aplicadas a la solución de Schwarzschild para una estrella como el sol que tiene un radio mucho mayor que su radio de Schwarzschild (unos 3 km.) conduce a un valor desprecible para el valor de RSET para el vacío cuántico. Las correcciones cuánticas son importantes sólo cuando el radio de la estrella es mayor pero cercano al radio de Schwarzschild R. En 1976 David G. Boulware, ahora en la Universidad de Washington, demostró que el valor de RSET para el vacío crece conforme el radio se acerca a R. Esto significa que la gravedad semiclásica no permite la existencia de agujeros negros estacionarios.

¿Qué afirma la gravedad semiclásica sobre el colapso de una estrella? La importancia de los efectos cuánticos depende de la rapidez del colapso. Normalmente se asume que el colapso es muy rápido, tan rápido como la caída libre de la materia de la superficie de la estrella hacia el centro de la estrella, lo que resulta en un del RSET del vacío cuántico despreciable durante todo el colapso. Sin embargo, si el colapso es más lento, el RSET puede adquirir un valor arbitrariamente grande. Además adquiere valores negativos en la región cercana al radio de Schwarzschild, donde debería formarse el horizonte de sucesos clásico, lo que genera un efecto repulsivo que ralentiza aún más el colapso. El resultado es que el colapso de la estrella se detiene justo antes de la formación de un horizonte de sucesos. El resultado es una estrella negra, salvo para un objeto perfectamente esférico con una masa enorme, del orden de millones de masas solares, en cuyo caso nada evita el colapso y la formación de un (super)agujero negro.

Las estrellas negras (black stars) se mantienen estables gracias a los efectos cuánticos de la polarización del vacío según la teoría de la gravedad semiclásica. El campo gravitatorio de una estrella negra es idéntico al de un agujero negro siendo su radio algo mayor que el radio de Schwarzschild sin que se forme un horizonte de sucesos. Las estrellas negras permiten resolver el problema de la pérdida de información cuántica en los agujeros negros, ya que emiten radiación de Hawking pero no es térmica, sino que acarrea la información cuántica de la materia de la estrella que la formó. De esta forma se preserva la unitariedad. La estrella negra está formada por capas, como una cebolla, donde cada capa es una estrella negra más pequeña, que también emite radiación de Hawking, pero a una temperatura más alta. La temperatura del interior de las estrellas negras crece conforme nos acercamos a su centro.

En las ”estrellas” negras la masa de la estrella original que colapsó se ha transformado en un RSET no nulo concentrado, es decir, en polarización del vacío. Son estrellas constituidas sólo por espaciotiempo curvado. Según los autores del artículo, desde un punto de vista astrofísico son indistinguibles de un agujero negro convencional. Por ello, los autores creen que muchos de los agujeros negros de masa pequeña e intermedia que se han observado en el universo son en realidad estrellas negras.

Nadie sabe por qué mueren en masa los cocodrilos del Nilo del Río de los Elefantes en Sudáfrica

En el invierno de 2008 se observaron 170 cocodrilos del Nilo muertos en el Río de los Elefantes en el Parque Nacional Kruger, Sudáfrica. En mayo de 2009 ya eran casi 400 los cadáveres encontrados, una barbaridad para una población de unos 1000 en todo el parque. ¿Qué es lo que pasa? Un análisis forense ha indicado que una inflamación de su tejido adiposo, que ha inmovilizado su cola impidiéndoles cazar, ha sido la causa de su muerte por inanición. Se han encontrado peces muertos por la misma causa. ¿Qué está contaminando el río? Nadie lo sabe, afirma el Dr. Henk Bouwman de la Universidad de North-West en Sudáfrica. Una hipótesis es que ciertos dinoflagelados y cianobacterias están produciendo ciertas toxinas similares a las que causan las mareas rojas en ciertos estuarios. Otra hipótesis apunta hacia las substancias tóxicas generadas por las actividades mineras río arriba, fuera del parque natural, donde los cocodrilos ya han desaparecido hace tiempo. Pero por ahora nadie sabe la causa cierta de estas muertes masivas y si dicha causa podría afectar a las poblaciones humanas que viven a la orilla del río de los elefantes en Sudáfrica y Mozanbique. Nos lo cuenta Naomi Lubick, “Hunting a Croc Killer. Mass deaths of South Africa’s Nile crocodiles puzzle biologists,” Scientific American, october 2009, p. 25.

Sistema de visión artificial para invidentes para ver utilizando la lengua

Vemos con el cerebro, no con los ojos.” Un nuevo dispositivo permite ver a los invidentes utilizando las terminaciones nerviosas de la superficie de la lengua. Las imágenes de una cámara son enviadas a una matriz de electrodos que se coloca sobre la lengua permitiendo, tras cierto entrenamiento, ver a una persona ciega. BrainPort sustituye los dos millones de nervios ópticos de un ojo por una matriz cuadrada de 400 elecrodos que se coloca sobre la lengua. Cada electrodo genera un pulso eléctrico correspondiente a un promedio de ciertos píxeles en la imagen de una cámara, siendo el blanco un pulso eléctrico fuerte y el negro la ausencia de pulso eléctrico. “Tan fácil como aprender a montar en bicicleta.” Los estudios indican que unos 15 minutos de entrenamiento son suficientes para que una persona invidente logre obtener información espacial de su entorno que le permita moverse y evitar obstáculos. Tras una semana, la mayoría de los sujetos aprenden a encontrar puertas y botones de ascensores, a leer letras y números, y a agarrar vasos o tenedores colocados en una mesa. BrainPort es un sistema de visión para invidentes no invasivo que se sometió a evaluación por el gobierno americano (U.S. Food and Drug Administration) a finales de agosto, por lo que podrá comercializarse a inicios del año próximo, con un precio estimado de 10 mil dólares americanos. Nos lo cuenta Mandy Kendrick ,”Tasting the Light. Device lets the visually impaired “see” with their tongues,” Scientific American, october 2009, pp. 22-24.

PS (28 sept. 2009): Carlos Martínez Vázquez, “BrainPort vuelve con una sorprendente demostración y su posible lanzamiento al mercado,” engadget.es, 14 / 08 / 2009 [visto a través de Menéame, tras este meneo descartado]. Incluye un espectacular vídeo youtube demostrativo del invento que no me resisto a “fusilar” aquí. Eso sí, recomiendo visitar a Carlos, tiene buena pinta engadget.es.

 

Atención, pregunta: qué empresa se anuncia con una página en blanco y esta imagen en su centro…

La reproducibilidad de un experimento no es suficiente para establecer su validez

Permitidme un recorte del artículo de Antoine Danchin, “Sílice, basófilos, y comités de lectura,” Mundo Cientifíco 193: 59-61, septiembre 1998.

Un experimento se puede repetir miles de veces equivocándose siempre acerca de su significado. El mejor ejemplo, el llamado “efecto fluoruro.”

“Desde hace tiempo, los investigadores que estudian el transporte de metabolitos a través de las membranas celulares utilizan el ión fluoruro para caracterizar el comportamiento bioquímico de los transportadores. Se añade un poco de fluoruro de sodio al medio y se observa en ocasiones la activación  y en ocasiones la inhibición del trasporte, lo cual permite clasificar los transportadores por su “sensibilidad al fluoruro.” El experimento es rutinario en los laboratorios del mundo entero. Todo iba bien hasta que uno de los laboratorios, que había reproducido decenas de veces el experimento, no obtuvo los resultados anteriores. Imagínense el estado anímico de los investigadores. Se hicieron innumerables pruebas hasta que se descubrió que lo que había cambiado eran… los recipientes utilizados en los experimentos. El plástico había sustituido al vidrio. Bastaba volver al vidrio para reestablecer los resultados anteriores. ¿Qué había ocurrido? El ión fluoruro, en solución en el agua, ataca el vidrio y arranca el alumino (ligado a la sílice), lo que conduce a la formación de un ión AlF₄. Este ión, como se demostró más tarde, es isomorfo al ión fosfato, por lo que el “efecto fluoruro” es en realidad un banal “efecto fosfato.” Por tanto todos los experimentos realizados basándose en este famoso efecto fluoruro eran experimentos no controlados: los resultados variaban con los recipientes y el número de recipientes utilizados. Muchos investigadores y enseñantes siguen ignorando la existencia de este artefacto.“

“Por razones comerciales, las revistas científicas más conocidas (como Nature y Science) buscan a veces lo inesperado, por no decir lo heterodoxo, sin preocuparse demasiado por la verosimilitud de los resultados. (…) El escándalo es una fuente de publicidad. (…) Máxima publicidad a unos trabajos sin interés científico pero presentados de tal manera que podían engañar a los no biólogos (periodistas, médicos, científicos de otras disciplinas).” ¿Por qué? Interés comercial.

“La literatura científica, en general, es mediocre. Complejos juegos de poder agitan la comunidad científica internacional y sus relaciones con la sociedad civil. Una mediocridad y unos juegos de poder que a su vez facilitan la acción intempestiva de actores ajenos al espíritu científico que explotan las debilidades del sistema y recurren a la intimidación (la verdadera ciencia es hija de la duda) capaz de ahogar la verdadera originalidad, invocando la idea a veces correcta de que una cierta ortodoxia corta de miras cuida del grano.“

¿Alguien se acuerda del famoso caso Benveniste? Nature, Maddox y la “memoria del agua.” El artículo técnico era E. Davenas, et al., J. Benveniste, “Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against IgE,” Nature 333: 816-818, 1988.

El lado oscuro de John Maddox… el respeto a los fallecidos no puede ser eterno. Tras cierto luto también hay recordar su lado oscuro. Intencionadamente lo omití en “John Maddox, Nature, y la mula Francis,” 15 Abril 2009.

Un objeto de 2.7 kilogramos enfriado casi hasta su estado cuántico de mínima energía

 

El observatorio de ondas gravitatorias LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) requiere tecnologías punta al borde de lo imaginable. Sus investigadores han logrado un detector de ondas gravitatorias por interferometría capaz de medir desplazamientos de sólo 10⁻¹⁸ m. en una banda de 100 Hz. centrada en 150 Hz. Para conseguirlo han enfriado dicho dispositivo de 2.7 kg. a una temperatura de 1.4 μK. (microKelvins). ¿Imposible? Lo parece pero no, lo han logrado B. Abbott et al. “Observation of a kilogram-scale oscillator near its quantum ground state,” New J. Phys. 11: 073032, July 2009. Un objeto macroscópico que se comporta como un objeto cuántico que oscila únicamente con 200 estados cuánticos alcanzables (sólo 10 veces por encima del límite cuántico teórico).  Raya lo imposible. Pero la detección de ondas gravitatorias así lo requiere.

Un análisis del cúmulo galáctico Abell 1689 apunta a que su materia oscura podrían ser neutrinos

El modelo de la materia oscura “caliente” (partículas ultrarrelativistas de baja masa como los neutrinos) es descartado por la mayoría de los cosmólogos. Nieuwenhuizen de la Universidad de Amsterdam, Holanda, ha aplicado el teorema virial a la materia oscura observada mediante lentes gravitatorias en el cúmulo Abell 1689 y ha mostrado que si su origen son partículas WIMP de tipo fermiónico deben tener una masa de pocos electrón voltio (eV). Materia oscura caliente cuyo candidato ideal son los neutrinos. Su análisis teórico descarta el modelo de materia oscura fría para Abell 1689. Para una constante de Hubble H=100*h km/s Mpc (el valor usual de h es 0,70), la masa de los neutrinos debería ser m_ν =1,445 h^1/2 eV. Como el propio Nieuwenhuizen afirma en las conclusiones de su artículo, su modelo está en flagrante contradicción con el modelo cosmológico estándar, según el cual se interpretan los resultados del satélite WMAP acotando la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos m_νe +m_νμ +m_ντ < 0,5 eV. Sin embargo, el autor nos recuerda que en dicha interpretación se asume un modelo de materia oscura fría. Mientras no se descubra un buen candidato a materia oscura fría (una partícula WIMP con una masa de cientos de GeV), el autor cree que no debemos descartar a los neutrinos como responsables de la materia oscura. Sólo la determinación experimental de la masa de los neutrinos permitirá descartarlos definitivamente como candidatos a materia oscura. El experimento KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) planificado entre 2012 y 2015 determinará la masa de los neutrinos (siempre que sea superior 0,2 eV) y confirmará o refutará el modelo de materia oscura caliente de Nieuwenhuizen. El artículo técnico es Th. M. Nieuwenhuizen, “Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?,” EPL (Europhysics Letters) 86: 59001 (2009).

El comentario del propio editor de la revista sobre este artículo, R. A. Treumann, “Highlight Notes on “Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?”,” EPL 86: 50000 (2009), merece la pena ser traducido aquí. La materia del universo parece estar formada fundamentalmente de materia oscura, que sabemos que existe, pero que no sabemos qué es. Ninguna partícula elemental conocida parece ser un buen candidato a materia oscura. La creencia general es que consiste en partículas masivas y débilmente interactuantes (Weakly Interacting and Massive Particles, WIMP). El artículo de Nieuwenhuizen utiliza el exceso de masa experimentalmente observado en el cúmulo de galaxias Abell 1689 y lo ajusta utilizando un modelo basado en un gas isotérmico de fermiones. El resultado muestra que la masa de dichos fermiones debe ser m=1,45 eV. El autor compara dicha masa con la de las partículas conocidas y concluye que las tres familias de neutrinos son el mejor candidato posible. Estos neutrinos cosmológicos no entran en contradicción con los escenarios de evolución cosmológica aceptados y se acumularán en un condensado en el cúmulo con un corrimiento al rojo de z∼28 contribuyendo activamente a reionizar el gas en el interior del cúmulo. Este artículo y su análisis teórico revitaliza la teoría ya abandonada de que los neutrinos pueden ser un candidato viable a materia oscura (al menos para el supercúmulo Abell 1689).

El físico que mira el charco bajo la luz de una farola en una noche lluviosa (o de la observación al modelo y a la reproducción en laboratorio)

Esperando el autobus en una parada, en una noche lluviosa, la luz de una farola ilumina un charco y puedes observar un fenómeno óptico muy curioso. La luz de la farola se refleja en el charco en forma de punto estrellado y la caída de las gotas de lluvia produce la visión de rayos curvados que parten de dicho reflejo. Un fenómeno muy sencillo y fácil de observar. ¿Por qué se produce? Las gotas de lluvia al caer perturban la superficie del agua del charco y generan ondas concéntricas por las que la luz del reflejo de la farola se propaga cual si fuera luz a través de una fibra óptica. Tanto el modelo matemático para las ondas en la superficie del charco como para la propagación de la luz a su través son muy sencillos y merecen la pena como ilustración en cualquier curso de física que presente la generación y propagación de ondas. Además, el experimento de laboratorio es muy fácil de repetir, con resultados siempre espectaculares. No sólo los borrachos buscan su llave perdida debajo de la luz de una farola, también los físicos buscan los reflejos de luz en los charcos guiados por las ondas concéntricas que producen las gotas al caer. ¡Cosas de físicos! 

Los artículos técnicos que hay que leer están escritos por los italianos Giuseppe Molesini y Maurizio Vannoni, “Light reflection in a pool under falling rain droplets,” European Journal of Physics 29: 403-411, 2008, y “Light reflection from water surfaces perturbed by falling rain droplets,” European Journal of Physics 30: 1009-1014, 2009.

Espectacular simulación de la propagación de ondas en matrices de masas unidas por muelles

La propagación de ondas en un medio sólido se puede simular utilizando una matriz de masas unidas por muelles (y en ciertas regiones, amortiguadores). Estas simulaciones son muy sencillas de implementar en un ordenador, basta simular la segunda ley de Newton, y conducen a resultados realmente espectaculares si incluimos obstáculos (regiones sin masas y muelles) o variaciones del índice efectivo de refracción (regiones donde cambie la masa en los nodos o la constante de Hooke de los muelles). Como ilustra la figura de arriba se puede simular la propagación de ondas mecánicas planas mediante la introducción de una oscilación forzada en las masas del extremo izquierdo de la matriz (se han introducido amortiguadores en los lados superior, inferior y derecho para evitar reflexiones no deseadas). Con un número suficientemente grande masas, que depende de la frecuencia de la señal armónica de excitación según el teorema del muestreo de Nyquist–Shannon, se logran simular efectos tan espectaculares como la reflección, refracción, difracción e interferencia de ondas. Si eres profesor de física y no te dan miedo los experimentos en el laboratorio de informática de tu centro, anímate, tus alumnos disfrutarán como críos y aprenderán mucha física. Por cierto, los profesores de física en carreras de informática no tienen excusa. El responsable de estas simulaciones es el argentino A. E. Dolinko de la Universidad Nacional de Rosario que ha publicado “From Newton’s second law to Huygens’s principle: visualizing waves in a large array of masses joined by springs,” Journal European Journal of Physics 30: 1217-1228, 8 September 2009. Un gran trabajo a imitar.

No parece un telescopio pero permitirá escudriñar los confines del universo

Las estructuras de la foto se encuentran en Holanda. China, Australia, y EE.UU. tienen estructuras similares. ¿Qué son? Forman parte del que será el mayor radiotelescopio del mundo, LOFAR (Low Frequency Array), que explorará las primeras etapas de la gran explosión (big bang).  Antenas extremadamente simples distribuidas por todo el mundo que requieren tecnologías de análisis de datos extremadamente complicadas. Gracias a ellas, los cosmólogos podrán observar un periodo de 850 millones de años comprendido entre la “cristalización” del fondo cósmico de microondas, cuando el universo tenía unas 400 mil años, y la formación de las galaxias superbrillantes llamadas cuásares: la era de la reionización. LOFAR nos permitirá entender la aparición de las primeras estrellas, galaxias y cuásares, cómo se formaron y dónde. Esta eras oscuras del universo no han sido exploradas con anterioridad. Nos lo ha contado Daniel Clery, “Exotic Telescopes Prepare to Probe Era of First Stars and Galaxies,” Science 325: 1617-1619, 25 September 2009.

Las moléculas de hidrógeno primigenias emiten fotones con una longitud de onda de 21 cm. LOFAR no estudiará directamente estos fotones. La expansión del universo ha estirado la longitud de onda de esta radiación hasta un valor entre 1,5 y 10 metros. LOFAR ha sido diseñado para ser muy sensible a dichas longitudes de onda. La foto que abre eta entrada se ha obtenido en Holanda, donde LOFAR estará constituido por 36 instalaciones de antenas, cada una con el tamaño de un campo de fútbol. Alemania, Reino Unido, Francia y Suecia también instalarán campos de antenas adicionales que complementarán a la instalación holandesa. Los datos producidos por todas estas antenas, una cantidad similar a los que se obtendrán con el LHC del CERN, serán analizados en la Universidad de Groningen gracias a un supercomputador IBM Blue Gene/P.

Por qué LIGO no observa las ondas gravitatorias producidas por el púlsar del cangrejo

En 1054 una estrella explotó dando lugar a la nebulosa del cangrejo, con una estrella de neutrones en su interior en rápida rotación, 30 veces por segundo. Un púlsar que emite 4.4×10³¹ julios de energía por segundo (mil billones de veces la energía eléctrica consumida en la Tierra durante un año). Se pensaba que el 40% de esta energía se emitía en forma de ondas gravitatorias. Sin embargo, nadie ha observado estas ondas gravitatorias. De hecho, el nuevo límite obtenido por LIGO muestra que emite 7 veces menos del mínimo teórico que debería emitir (como mucho el 2% de su energía es emitida en forma de ondas gravitatorias). ¿Por qué? Nadie lo sabe. La única explicación es que la estrella de neutrones en su interior es una esfera perfecta. Una estrella de 12 km. de radio que rota sobre su eje 30 veces por segundo que está achatada por sus polos en menos de 1 metro. ¿Cómo es posible? Nadie lo entiende, pero así debe ser pues todos los físicos teóricos piensan que las ondas gravitatorias existir existen. Y como no se observan en el púlsar del cangrejo, pues lo dicho, su estrella de neutrones es una bola más perfecta que la mejor bola de billar fabricada por el hombre. Los nuevos datos sobre la búsqueda de ondas gravitatorias en LIGO producidas por púlsares se han publicado en The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration, “Searches for gravitational waves from known pulsars with S5 LIGO data,” Submitted on 19 Sep 2009.

Ninguna onda gravitatoria observada tras una búsqueda sistemática en 116 púlsares. En varios casos, el límite observacional para la producción de ondas gravitatorias está pocas veces por encima del límite teórico mínimo, como en los púlsares jóvenes J1913+1011 y J1952+3252. Resultados son sorprendentes que requieren una explicación. Para los especialistas en ondas gravitatorias, debe existir alguna razón por la cual las estrellas de neutrones soportan velocidades angulares de rotación extraordinariamente elevadas sin deformarse lo más mínimo. Esferas perfectas que desafían nuestra comprensión. Para los demás especialistas, quizás las ondas gravitatorias son mucho más débiles de lo que hasta ahora se había pensado. ¿Quién tendrá razón? La Mula Francis, como Newton, concluye con un hipotheses non fingo.

Las fluctuaciones a 2-sigma del Fermilab (posibles descubrimientos futuros si se alcanzan las 5-sigma)

¿Cuál será el próximo descubrimiento del Fermilab? Nadie lo sabe, lo que sí se sabe son cuales son las señales que se desvían más de lo esperado. Señales que ahora mismo son una mera fluctuación estadística, con sólo 2-sigma de significación. Si en un par de años la evidencia se acumula y se alcanzan las 5-sigma, el Fermilab proclamará un nuevo descubrimiento. En caso contrario, nadie recordará estas fluctuaciones estadísticas sin ningún contenido físico. Por si acaso, cientos de físicos están estudiando estas desviaciones tanto experimental como teóricamente para estar preparados ante un posible descubrimiento. ¿Cuáles son las desviaciones 2-sigma encontradas hasta el momento? Sólo un físico que se encuentre en el ajo puede saberlo. Tommaso Dorigo está en el comité que revisa todos los artículos científicos que se envía para publicación desde el CDF del Fermilab. Tommaso es nuestro hombre y nos lo cuenta en “The Next Discovery of Fermilab,” A Quantum Diaries Survivor, September 21st 2009.

La detección de partículas en los grandes aceleradores es un proceso estocástico sujeto a fluctuaciones estadísticas en los detectores y los algoritmos de análisis. Una desviación en los datos respecto a los modelos teóricos (el Modelo Estándar) sólo es un descubrimiento si es una desviación grande respecto a lo esperado. ¿Qué significa grande? Se utiliza un modelo estadístico (normalmente gaussiano) y se determina la probabilidad de dicha fluctuación estadística utilizando el número de desviaciones típicas de significación estadística. Una fluctuación 2-sigma es una fluctuación con una probabilidad de un 95.5% de volver a ser observada. Una 3-sigma es una fluctuación con una probabilidad del 99.75% de que se vuelva a observar en el futuro. Una fluctuación es un discubrimiento si alcanza las 5-sigma, es decir, si hay una probabilidad del 99.99995% de que vuelva a observarse dicha fluctuación. Por debajo de 3-sigma se considera que se ha observado una simple fluctuación estadística de los datos.

Permitidme un listado de las 5 fluctuaciones a 2-sigma más prometedoras observadas por la Colaboración CDF que apuntan hacia un futuro descubrimiento en el Fermilab (la selección es mía entre las 10 que propone Tommaso Dorigo y en otro orden).

1) Observación de un nuevo bosón vectorial Z’ (Z-prima). CDF tiene evidencia casi a 3-sigma de la existencia de resonancias a energías de 240 GeV y 720 GeV en eventos que involucran dos leptones de carga opuesta (electrón-positón, muón-antimuón, etc.).  Estas resonancias, de confirmarse, podrían corresponder a un bosón vectorial Z’ con una masa de unos 720 GeV.

2) Observación de un nuevo quark t’ (top-prima). LEP2 del CERN demostró que había sólo 3 generaciones de leptones (en concreto, de neutrinos). Sin embargo, una búsqueda directa en CDF de un quark de cuarta generación, llamado t’, ha ofrecido evidencias de dicha partícula con una masa mínima de 284 GeV y una masa probable de unos 450 GeV.  Sólo el futuro confirmará o desmentirá este resultado, un exceso a 2-sigma.

3) Acoplamiento anómalo entre los bosones vectoriales (fotón, W y Z). CDF ha observado un número mayor del esperado de pares de bosones o dibosones (WW, W-fotón, Z-fotón, etc.). Un exceso a 2-sigma que podría tener diferentes causas, si se confirma, por ejemplo, la existencia de un bosón de Higgs con una masa mayor de 135 GeV.

4) Confirmación de la generación de multimuones anómalos. CDF ha detectado un número mayor de muones (electrones pesados) y con una vida media más larga de lo esperado. Podrían originarse en una nueva partícula neutra aún por descubrir. DZERO no confirmó dicho exceso de muones, pero en CDF creen que futuros datos podrían confirmarlo.

5) Confirmación de la supersimetría en la medida de la fase de la oscilación de bosones B. Los mesones formados por un quark bottom  (b) y quark extraño (s) pueden intercambiarse con sus antipartículas en una oscilación difícil de estudiar teóricamente en el modelo estándar. Los resultados experimentales indican que el valor del parámetro de fase de dicha oscilación difiere a 2-sigma del valor teórico. Una explicación sencilla para esta diferencia la ofrece la supersimetría.

Más allá de estos posibles descubrimientos, en el CDF del Fermilab se está realizando una gran labor de confirmación del modelo estándar con medidas de alta precisión de muchos de sus parámetros. En dicha labor destacan la medida de la masa del quark top, la medida de la masa del bosón vectorial W y la acotación de la masa del bosón de Higgs mediante nuevos intervalos de exclusión.

Recordad, sólo hemos hablado de CDF, en una futura entrada hablaremos de DZERO.

La lógica combinacional de las redes genéticas y de transcripción (o un ejemplo de una puerta lógica OR)

La figura muestra una puerta lógica OR implementada mediante dos factores de transcripción distintos (arriba) o dos quinasas (abajo). La plasticidad en la regulación de la transcripción de genes y la fosforregulación de proteínas permite emular circuitos lógicos combinacionales muy complejos. Poco a poco los biólogos están utilizando técnicas de lógica booleana y circuitos combinacionales para desvelar los secretos de esta plasticidad de la regulación en las redes genéticas y de transcripción que controlan a las células, que les permite adaptarse a un entorno que cambia continuamente. Aún así, todavía estamos lejos de comprender estos procesos en toda su complejidad.

[Update: 24 dic. 2009] La función de muchas proteínas depende de factores dinámicos como la fosforilación (la adición de grupos fosfato (PO4) a diferentes sitios de dicha proteína) y muchas proteínas presentan múltiples sitios que se pueden fosforilar. Estos sitios actúan como interruptores on/off cuya función es regular ciertas funciones de dicha proteína. Como las funciones de las proteínas dependen del acceso de ciertas sustancias a ciertos lugares de la proteína, la fosforilación puede impedir dicho acceso cambiando la configuración tridimensional de la proteína. La clave de la regulación de la función gracias a la fosforilación es que es reversible, cada sitio de la proteína se puede desfosforilar.

El ejemplo más famoso de regulación de una proteína gracias a la fosforilación es la proteína supresora de tumores p53 que con 393 aminoácidos tiene al menos 18 sitios de fosforilación, con lo que puede encontrarse en 2¹⁸ configuraciones diferentes. ¿Cada una de estas configuraciones tiene una función distinta? Se cree que no, afortunadamente, la evolución no hace uso de todas estas configuraciones. Aún así, el número de posibles configuraciones cuando tenemos en cuenta múltiples moléculas es enorme. La red booleana de una célula es mucho más compleja que la de un Pentium. Quizás, como en el caso del Pentium, su estructura modular es suficientemente sencilla como para que podamos soñar que algún día la comprenderemos.

La figura que abre esta entrada está extraída de la información suplementaria del artículo de Liam J. Holt et al. “Global Analysis of Cdk1 Substrate Phosphorylation Sites Provides Insights into Evolution,” Science 325: 1682-1686, 25 September 2009. Dado que soy informático (y físico) de formación, la figura me llamó poderosamente la atención. Aún así el artículo no trata sobre la simulación de circuitos de lógica combinacional gracias a la fosforilación de proteínas. Estudia la proteína Cdk1, quinasa dependiente de ciclina, que se encarga del control de la división celular mediante la activación/desactivación de ciertas funciones de otros proteínas gracias a la fosforilación de ciertos sitios de dichas proteínas (la quinasa se une a una ciclina para poder actuar). Han estudiado in vivo en la levadura de la cerveza, Saccharomyces cerevisiae, 308 proteínas que son fosforiladas por la Cdk1 y han indentificado 547 sitios de fosforilación diferentes en dichos sustratos. Los autores han realizado un estudio evolutivo de estos sitios de fosforilación comparando dichos sitios de fosforilación en proteínas sustrato de la Cdk1 análogas en otras especies del linaje de los ascomicetos.

En el contexto de la lógica (booleana) combinacional en biología, el hecho de que la proteína Cdk1 logre fosforilar o no hasta 547 sitios de diferentes sustratos indica que el espacio de posibles configuraciones cada célula in vivo tiene una dimensión de al menos 2⁵⁴⁷. Aunque seguramente todas estas configuraciones no son alcanzables, el artículo técnico no ofrece respuesta al respecto, lo cierto es que como dichos sitios corresponden a 308 proteínas diferentes, el estado de la célula tiene al menos 2³⁰⁸ configuraciones posibles. Números enormes que nos recuerdan la enorme complejidad que presenta un célula in vivo.

[PS: 24 dic. 2009: tachado de texto original incorrecto] Por ejemplo, Liam J. Holt et al. “Global Analysis of Cdk1 Substrate Phosphorylation Sites Provides Insights into Evolution,” Science 325: 1682-1686, 25 September 2009 (de cuya información suplementaria he extraído la figura), han identificado en una molécula, 308 Cdk1, hasta 547 posiciones de fosforilación in vivo, es decir, esta molécula podría encontrarse in vivo hasta en 2⁵⁴⁷ configuraciones posibles. ¡Y sólo es una molécula!

Las mariposas monarca se orientan gracias a sus antenas

La mariposas monarca emigran hacia México en otoño desde varios lugares de EE.UU. y Canadá ayudadas por una brújula solar. Este mecanismo de navegación, también empleado por muchos pájaros, usa un reloj circadiano para compensar los cambios en la posición del Sol en el cielo conforme transcurre el día. ¿Dónde se encuentra este mecanismo de navegación? Se pensaba que en el cerebro de las mariposas, pero se acaba de publicar en Science que en realidad se encuentra en sus antenas. Una función desconocida hasta ahora de las antenas de las mariposas y quizás de otros insectos (como las abejas). En español lo podéis leer en María José Puertas, “El GPS de las mariposas,” El Mundo, 24 septiembre 2009 [visto en Menéame], que presenta un resumen muy bien escrito de la noticia.

Los que tengan acceso a Science disfrutarán con Charalambos P. Kyriacou, “Physiology: Unraveling Traveling,” Science 325: 1629-1630, 25 September 2009, y con el artículo técnico de Christine Merlin, Robert J. Gegear, Steven M. Reppert, “Antennal Circadian Clocks Coordinate Sun Compass Orientation in Migratory Monarch Butterflies,” Science 325: 1700-1704, 25 September 2009. Por cierto, parte de la evidencia de la importancia de las antenas la han obtenido estudiando como se orientan en su migración mariposas con las antenas amputadas. Según los autores su desorientación no es debida a una pérdida de estabilidad en el vuelo debido a la amputación, sino a la pérdida del circuito circadiano que contienen. Por supuesto, también lo han verificado bioquímicamente. Los interesados en la bioquímica de la migración de las monarcas también estarán interesados en el artículo Haisun Zhu, Robert J Gegear, Amy Casselman, Sriramana Kanginakudru, Steven M Reppert, “Defining behavioral and molecular differences between summer and migratory monarch butterflies,” BMC Biology 7: 14, 2009 [gratis aquí]. Presentan un análisis de micromatrices de ADN de las mariposas antes y durante la migración, mostrando que hay 40 genes cuya expresión marca la diferencia entre ellas. Ente estos genes, 23 son responsables de la producción de hormonas juveniles que separan las monarcas en condiciones de reproducirse de las que no lo están. Superratón se supervitaminaba y mineralizaba. Las monarcas se superhormonan sexualmente.

¿De qué está hecho el universo?

Is this the real life
Is this just fantasy
Caught in a landslide
No escape from reality
Freddie Mercury, “Boh(e)mian Rhapsody”

¿Tiene que estar hecho el universo de algo? Los prejuicios de la física clásica nos obligan a pensar que el universo tiene que estar hecho de algo, como todas las cosas macroscópicas que conocemos. Sin embargo, la física cuántica no nos permite saber si el universo está hecho de algo o no. Estas preguntas son más bien de metafísica y entre los físicos las opiniones están muy confrontadas. Para R.C. Henry no tiene sentido la pregunta ¿de qué está hecho el universo? Para A. Hobson está claro que el universo está hecho de “campos cuánticos” (que no son ni partículas, ni ondas, ni campos, pero son todas estas cosas al mismo tiempo). Para N.G. van Kampen el universo es “real” y la mecánica de Bohm es la interpretación (realista) correcta de la mecánica cuántica, según él es compatible con todos los experimentos. Los aficionados a la física disfrutarán con una serie de artículos en el American Journal of Physics sobre la “escandalosa” mecánica cuántica en la que la realidad puede que no sea “real”. Todo empezó con el artículo de Hrvoje Nikolić, “Would Bohr be born if Bohm were born before Born?,” Am. J. Phys. 76: 143 (2008) [ArXiv gratis]. Continuó con la respuesta de N. G. van Kampen,”The Scandal of Quantum Mechanics,” Am. J. Phys. 76: 989-990 (2008), con la de Art Hobson, “Response to “The Scandal of Quantum Mechanics,” by N. G. Van Kampen [AM. J. Phys. 76, 989-990 (2008)],” Am. J. Phys. 77: 293-293 (2009), con la de Richard Conn Henry “The real scandal of quantum mechanics,” Am. J. Phys. 77: 869-870 (October 2009) [versión gratis], y finalmente con la de Art Hobson, “Response to “The real scandal of quantum mechanics,” by Richard Conn Henry [Am. J. Phys. 77 (10),869–870 (2009)],” Am. J. Phys. 77: 870-871 (October 2009).

Un terrible tira y afloja metafísico con el que seguramente disfrutarán muchos de los lectores de este blog.

Las ideas de Henry básicamente son las siguientes. Las cosas clásicas están hechas de algo, pero por qué tienen que estar hechas de algo también las cosas cuánticas. Para Henry la función de onda de un campo cuántico es sólo una herramienta matemática para el físico, sin ninguna manifestación física. La función de onda no es real porque no es medible. Sólo podemos medir los resultados de medidas, valga la redundancia, de operadores (posición, momento, energía, etc.). Algo no medible no puede ser real. La pregunta de qué está hecha una función de onda cuántica no tiene sentido y por tanto la cuestión de qué está hecho el universo tampoco. La mayoría de las personas, los físicos incluidos entre ellas, piensa que el universo tiene que ser real (realista), un punto de vista que está en desacuerdo con lo que los experimentos en física cuántica parecen indicarnos.

Hobson se sorprende de lo extremistas que son los físicos cuánticos que se dedican a estudiar la interpretación de la mecánica cuántica. Según él, la física cuántica no necesita interpretación. Es como es y punto. Experimentos mentales como el del gato de Schrödinger que puede que esté simultáneamente vivo y muerto, son sólo eso, “pajas mentales.” La decoherencia explica por qué los objetos macroscópicos se comportan de forma clásica, sus funciones de onda y por qué el gato de Schrödinger o está vivo o está muerte, nada más simple.

Para Hobson la función de onda (de un electrón, por ejemplo) es el límite no relativista de una entidad física real, un campo electrón-positón cuantizado (que es tan real como pueda serlo un campo electromagnético, la luz misma). Hobson cita a Weinberg que afirma que “los campos cuánticos son los ingredientes básicos del universo,” y recomienda el libro de Robert Mills, “Space, Time and Quanta: An introduction to contemporary physics.” Por supuesto, las ideas de Hobson las podemos encontrar más detalladas en sus propios artículos, como Art Hobson, “Electrons as field quanta: A better way to teach quantum physics in introductory general physics courses,” Am. J. Phys. 73: 630-634 (2005) [gratis aquí], ”The wave function and reality,” Am. J. Phys. 73: 197-197 (2005), y “Teaching Quantum Physics Without Paradoxes,” The Physics Teacher 45: 96-99, 2007 [gratis aquí].

Hobson coincide con Henry en que el universo no está hecho de cosas, pero por razones distintas. Para él, los campos (cuánticos) no son cosas y no están hechos de cosas. Más bien al contrario, las cosas están hechas de campos cuánticos.

Hemos de recordar algo importante. Nosotros no podemos observar el universo microscópico, lo único que podemos observar son las lecturas macroscópicas de los instrumentos que utilizamos para medir el mundo microscópico. En nuestro conocimiento sobre el mundo cuántico siempre tenemos pegados de forma indisoluble lo medido y lo que mide y esto último es macroscópico. No se puede separar lo cuántico medido del aparato clásico que lo mide (aunque sí lo hacemos cuando usamos la matemática de la física cuántica). Cuando queremos entender el universo en su conjunto, como no hay nada fuera del propio universo que lo pueda medir, debemos aceptar que el universo en su conjunto es clásico (macroscópico).

Habrá que seguir hablando de estos temas en futuras entradas. Habrá que cantar aquello de ¡Escándalo, esto es un escándalo!