Nuevo experimento de la rendija para estudiar la dualidad onda-partícula con átomos de hidrógeno ultrarrápidos

La diferencia entre ciencia y religión no es la Fé, que es necesaria en ambas, sino el método científico. La caricatura de la izquierda lo ilustra muy bien (en inglés): “El método científico: Estos son los hechos. ¿Qué conclusiones podemos extraer de ellos? El método creacionista: Aquí está la conclusión. ¿Qué hechos podemos encontrar para demostrarla?”

Todas las verdades en Física están sujetas a la duda (la duda metódica cartesiana o la definición de ciencia de Popper): todas las verdades científicas deben ser refutables. Es por ello, que los experimentos “clásicos” que han demostrado la validez de ciertas “verdades” deben ser repetidos periódicamente en circunstancias diferentes con objeto de verificar dicha “verdad”. Por ejemplo, es válida la Ley de Newton de la Gravedad a escalas pequeñas. El último resultado del que tengo referencia dice que sí lo es hasta las 5 micras (micrómetros), para lo que se ha utilizado un dispositivo micromecánico (MEMS) para medir la fuerza en entre dos pequeñas masas separadas a dicha distancia. El artículo de D. M. Weld, J. Xia, B. Cabrera, A. Kapitulnik, “A New Apparatus for Detecting Micron-Scale Deviations from Newtonian Gravity,” ArXiv preprint, submitted on 7 Jan 2008 . ¿Qué pasa a distancias menores de 1 micra? ¿Se cumple la ley de Newton? Nadie lo sabe aún. Habrá que esperar a nuevos experimentos. Lo mismo ocurre a distancias muy grandes con la Relatividad General de Einstein, donde los experimentos directos son imposibles y algunos resultados de difícil explicación sugieren a algunos autores desviaciones respecto a la teoría.

A los científicos nos gusta hablar como si estuvieramos en posesión de la verdad, sin embargo, la “verdad” es que nuestra Fé en la Verdad debe ir unida a la Duda sobre su veracidad. ¿Cómo demostrar la dualidad onda-partícula para la luz y la materia en la Mecánica Cuántica? La manera más habitual es utilizar el experimento de la doble rendija. Young hace 200 años utilizó dicho experimento para demostrar las propiedades ondulatorias de la luza, haciendo pasar rayos de luz por un par de pequeños agujeros y observando las franjas de interferencia subsiguientes. En 1923, de Broglie propuso que los electrones y otras partículas materiales se podían describir como ondas lo que conduciría a la formación de patrones de interferencia cuando un haz de dichas partículas interactuace con una “pantalla” con dos pequeños agujeros o rendijas. En 1927, Davisson y Germer demostraron de esta forma la naturaleza ondulatoria del electrón. Dicho experimento se ha realizado también con neutrones, átomos, y moléculas. Por ejemplo, A. Zeilinger et al., “Wave-particle duality of C60 molecules,” Nature 401, 680-682, 14 October 1999 , realizó dicho experimento con fullerenos o buckybolas, moléculas con 60 átomos de carbono con forma de balón de fútbol; estas moléculas son prácticamente cuerpos clásicos dado el gran número de grados de libertad “cuánticos” que poseen con los que pueden interactuar con el entorno vía la decoherencia. Más recientemente se ha llegado a demostrar con moléculas aún más grandes, como los fullerenos C70, S. Gerlich et al., “A Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometer for highly polarizable molecules,” Nature Physics 3, 711-715, 2007, ArXiv preprint.

El experimento de la doble rendija depende de la longitud de onda de de Broglie de la partícula (átomo o molécula) utilizada. Dicha longitud de onda es inversamente proporcional al momento (o la energía cinética) de la partícula, es decir, a más energía, menor longitud de onda. ¿Cuál es la longitud de onda más corta en la que el experimento ha sido comprobado? Acaba de publicarse hace unos días que dicho experimento con átomos de hidrógeno con una energía de 1.3 MeV, es decir, con una longitud de onda de 25 fm. (femtometros). El resultado del artículo de H. T. Schmidt et al., “Evidence of Wave-Particle Duality for Single Fast Hydrogen Atoms,” Phys. Rev. Lett. 101, 083201 ( 2008 ), confirma las conclusiones de la mecánica cuántica.

Estos experimentos son necesarios. Sin ellos, la ciencia no puede “progresar” ya que su progreso requiere reafirmar lo ya establecido en la búsqueda de su refutación.

Para los interesados en una breve explicación del experimento de la doble rendija, en inglés subtitulada en español, les recomiendo el siguiente vídeo de youtube.

Por cierto, ¿cómo vuela una mosca?

En verano las moscas son muy pegajosas, siempre encima de uno, especialmente cuando hace calor. No hay manera de quitárselas de encima. La razón es que a las moscas les cuesta más volar cuando hace calor por ello necesitan parar más a menudo. La evolución ha hecho que las moscas que tienen que volar en ambientes más fríos tengan las alas más grandes (con más área y más largas), como han estudiado recientemente M. R. Frazier et al., “Cold rearing improves cold-flight performance in Drosophila via changes in wing morphology,” Journal of Experimental Biology 211, 2116-2122 ( 2008 ).

Pero, ¿cómo vuela una mosca? Un interesante y reciente artículo de revisión sobre el tema es Fritz-Olaf Lehmann, “When wings touch wakes: understanding locomotor force control by wake-wing interference in insect wings,” Review on Biomechanics of Flight, Journal of Experimental Biology 211, 224-233 ( 2008 ) , que por cierto, es un artículo de libre acceso (gratuito).

Hay dos efectos necesarios para el vuelo de la mosca, la producción de una estela de vórtices por cada ala independientmente y la interacción de los vórtices entre ambas alas. En un único aleteo, cada ala genera un vórtice (leading edge vortex, LEV en la figura) que interactúa con la estela de vórtices de aleteos anteriores permitiendo que el animal extraiga energía del fluido. Las figuras A-D muestran este efecto gráficamente. Sin embargo, las simulaciones por ordenador (utilizando CFD, computational fluid dynamics) muestran que este efecto no permite explicar toda la fuerza de sustentación en el vuelo del insecto. Estudios recientes han mostrado la gran importancia de la interacción entre ambas alas (mostrado en las figuras E-H). Durante el aleteo, cada ala produce un vórtice, que interactúan entre ellos y con la estela. La mosca acerca las alas entre sí, para luego alejarlas, produciendo un vacío en forma de V que incrementa la energía asociada a los vórtices y con ella la fuerza de sustentación conseguida. Los experimentos muestran que es necesaria una separación angular entre ambas alas de 10-12° (para un número de Reynolds de 134). En las alas de la mosca Drosophila (cuyo aleteo tiene una amplitud angular de 160°), la sustentación máxima aumenta aproximadamente un 17% por este proceso de interacción entre ambas alas, con respecto a la que se obtendría si actuarán independientemente. Más aún, durante la interacción entre los vórtices de ambas alas, el fluido reduce su velocidad localmente, reduciendo el gasto energético del aleteo para la mosca.

El movimiento del ala durante el aleteo es muy complejo y se suele describir por 6 fases separadas. No entraré en sus detalles. El artículo de Fritz-Olaf Lehmann and Simon Pick, “The aerodynamic benefit of wing-wing interaction depends on stroke trajectory in flapping insect wings,” Journal of Experimental Biology 210, 1362-1377 ( 2007 )(también gratuito) presenta gran número de detalles para los interesados. Para entender estos detalles sobre la aerodinámica del vuelo de la mosca han sido necesarias tanto las simulaciones por ordenador, como las presentadas en Ravi Ramamurti and William C. Sandberg, “A computational investigation of the three-dimensional unsteady aerodynamics of Drosophila hovering and maneuvering,” Journal of Experimental Biology 210, 881-896 ( 2007 ) (también gratuito), que muestra en detalle las curvas de iso-vorticidad así como las fuerzas y momentos que producen sobre las alas, como las video de alta velocidad, mediante cámaras infrarrojas para 3D, como las mostradas en Steven N. Fry, Rosalyn Sayaman and Michael H. Dickinson, “The aerodynamics of hovering flight in Drosophila,” Journal of Experimental Biology 208, 2303-2318 ( 2005 ), (también gratuito), quienes además de usar moscas también han utilizado robots como modelos.

¿Cómo controla el pequeño “cerebro” de la mosca su vuelo? Los detalles no se conocen todavía, pero los estudios parecen indicar claramente que la organización física de las conexiones neuronales están muy relacionadas con la aerodinámica y biomecánica de su vuelo, por ejemplo, véase Michael H. Dickinson, “The Initiation and Control of Rapid Flight Maneuvers in Fruit Flies,” Integrative and Comparative Biology 45(2):274-281 ( 2005 ) (también de acceso gratuito). Es sorprendente, pero muchos artículos relacionados con el vuelo de las moscas son de acceso gratuito en sus respectivas revistas (será que el tema tiene interés mediático e incrementa los índices de impacto).

¿Algún modelo matemático-físico sencillo de cómo vuelan las moscas? La aerodinámica de la interacción de vórtices es siempre complicada, pero el artículo de Laura A. Miller and Charles S. Peskin, “When vortices stick: an aerodynamic transition in tiny insect flight,” Journal of Experimental Biology 207, 3073-3088 ( 2004 ) (también gratuito), en mi opinión, puede ser comprendido por cualquier físico con un mínimo de bagaje (y que esté interesado en este asunto). Para los docentes y quienes estén interesados en una comparación entre cómo vuela un avión (la aerodinámica de un ala rígida) y una mosca, me parece que degustarán con placer el artículo de revisión de Sanjay P. Sane, “The aerodynamics of insect flight,” The Journal of Experimental Biology 206, 4191-4208 ( 2003 ),  que desafortunadamente considera la aerodinámica de cada ala por separado (sólo estudia un ala) y no tiene en cuenta los efectos de interacción entre alas que hoy sabemos que son bastante importantes.

Es increíble lo que se ha avanzado en la última década de investigación en el vuelo de los insectos y de la mosca en concreto desde que M.H. Dickinson and K.G. Gotz, “The wake dynamics and flight forces of the fruit fly Drosophila melanogaster,” Journal of Experimental Biology, 199: 2085-2104, 1996 , realizaron las primeras visualizaciones del flujo alrededor de una mosca en vuelo y estimaron la fuerza de sustentación instantánea que permite entender el porqué vuelan. Si te atreves a ver este artículo verás lo “pobres” que eran sus imágenes del fluido, comparadas con las que se observan en los artículos más recientes y con las nuevas técnicas de visualización infrarroja tridimensional.

El tema del que todo el mundo habla: ¿Por qué es tan difícil matar moscas?

Todos hablan de lo mismo. Muchos blogs. Varias noticias en Menéame. ¿Pero alguien se ha leído el artículo científico? Me refiero a Gwyneth Card, Michael H. Dickinson, “Visually Mediated Motor Planning in the Escape Response of Drosophila,” Current Biology, In Press, Available online 28 August 2008 . Los investigadores del CalTech han escrito un artículo bastante interesante pero hay que leerselo. De todas formas, los que sólo queréis leer algo curioso sobre el tema podéis recurrir a la entrada de Curruncho “¿Por qué es tan difícil matar moscas?,” la de la Cadena Ser “¿Por qué es tan difícil atrapar moscas?,” la de 20minutos.es “¿Por qué es tan difícil matar una mosca?,” la de El Mundo “¿Por qué es tan difícil atrapar una mosca?,” la Opinión “La odisea de atrapar una mosca,” o la noticia de RTVE “¿Por qué es tan difícil matar moscas?,” por sólo mencionar unas pocas. Puedo citaros muchas más en inglés. Pero de qué va el susodicho artículo científico.

El resumen nos lo aclara “Los comportamientos reactivos requieren la habilidad de localizar espacialmente los estímulos recibidos y la de respondar rápidamente a ellos. La respuesta rápida es necesaria en los comportamientos evasivos como respuesta a los ataques de los predadores. Los autores han investigado la mosca de la fruta, Drosophila, encontrando que utilizan información visual con objeto de planificar un salto en la dirección opuesta a la que perciben que reciben un ataque. Para ello han utilizado vídeo de alta velocidad. Unos 200 milisegundos antes de ser golpeadas, las moscas ajustan su postura a la dirección de su futuro escape. Para ello, resituan su centro de masa de tal forma que la extensión de sus piernas les de un impulso máximo para la huida. Estos movimientos previos al vuelo tienen una magnitud y dirección que depende de la postura inicial de la mosca, por lo que los autores creen que involucran un sistema de control realimentado.”

Los investigadores han dirigido con un ángulo de 50° en una trayectoria descendente un disco negro de 14 cm. de diámetro hacia una mosca colocada en una plataforma de 5 milímetros cuadrados encima de un cilindro. Han rodado la respuesta de la mosca con una cámara de video de alta velocidad. El 96% de las moscas han respondido a la amaneza del disco saltando al aire e iniciando su vuelo (ver vídeo justo abajo). El retraso medio entre el inicio del estímulo y la respuesta de la mosca (pérdida de contacto tarsal de alguna de las patas) fue de 215 ms ± 42 ms (media ± desviación típica). Este valor es una cota superior del tiempo de respuesta neuronal de la mosca.

Obviamente las moscas estaban colocadas en la platarforma en diferentes posturas y direcciones, por lo que en algunos casos el ataque del disco era frontal. El video de alta resolución muestra que las moscas saltan con un ángulo aproximadamente a la mitad entre alejarse en dirección opuesta al obstáculo (α = θ +180°) y dirigirse directamente hacia él (α = 0°). Este sesgo hacia adelante no es sorprendente dado que el comportamiento voluntario de la mosca es huir del ataque.

La mosca calcula la dirección de escape a partir del estímulo visual debido al predador que se acerca (el disco en el experimento). ¿Influye el aire en movimiento debido al predador? Con objeto de estudiar su efecto, los investigadores han introducido un poco de “viento” entre el disco que se acerca y la plataforma en la que reposa la mosca. Los estudios estadísticos no muestran diferencia entre la respuesta de la mosca con y sin viento. Por ello concluyen que la información utilizada por la mosca para determinar la dirección de ataque es básicamente visual.

La mosca puede responder de dos formas diferentes, adaptando sus patas para saltar en la dirección adecuada o saltar como esté y luego cambiar de dirección gracias a sus alas. Los autores han estudiado estas dos posibilidades mediante el uso de moscas a las que les han quitado las alas (¿algo cruel es la ciencia?). El 97% de las moscas sin alas han saltado en la “misma” dirección que las moscas con alas (ver vídeo justo abajo). Mostrando que la respuesta inicial al estímulo es adaptar la postura de las patas para el salto en la dirección adecuada. Utilizando moscas a las que les han quitado las patas (¡la crueldad de la ciencia!) han mostrado que incluso sin ellas las moscas tratan de volar en la dirección adecuada aunque con una respuesta mucho más lenta. La mosca trata de huir “como sea” en la dirección “correcta,” moviendo como puede la postura de cuerpo, ayudándose de sus alas.

¿Cómo es el sistema de control moto-sensorial de la mosca? En teoría de control hay dos tipos de sistemas, los retroalimentados (feedback), más complejos, y los directos (feedforward), más sencillos. En los directos el estímulo visual provoca un cambio en la postura de las patas, independientemente de la postura actual de las mismas. En los segundos (feedback) la postura actual de la mosca es utilizada como estado inicial a partir del cual se produce la adaptación de las patas en la dirección correcta antes del vuelo. Los investigadores han mostrado que el movimiento de las patas de la mosca “compensa” su postura inicial, mostrando que el sistema de control neuronal de la mosca es retroalimentado.

En resumen, los investigadores ham mostrado que ante un estímulo de ataque, la mosca Drosophila muestra un conjunto de acciones motoras antes de iniciar el vuelo que determinan la dirección inicial de escape. En unos 200 ms. la mosca estima la dirección de aproximación mediante estímulo visual, codifica un programa motor que mueve su cuerpo en una posición que facilita su salto en dirección “opuesta” a la de ataque, utilizando sus 6 patas de forma coordinada así como sus 3 segmentos torácicos. La dependencia con la postura inicial de este comportamiento sugiere un sistema de control retroalimentado. Los autores sugieren que las neuronas de las patas (propioceptores) y los circuitos neurales torácicos asociados son suficientes para lograr la retroalimentación observada.

Los resultados observados no se pueden justificar fácilmente con el mecanismo de escape visual basado en el par de neuronas de gran diámetro llamadas fibras gigantes de la mosca. Un sistema neuronal de pequeño diámetro, todavía por identificar, debe ser el responsable de la respuesta de escape observada de las moscas.

Cada avance de la ciencia nos muestra que todavía queda mucho por conocer.

Poesía dominical: ¿quién soy?

SOY

Soy el que sabe que no es menos vano
que el vano observador que en el espejo
de silencio y cristal sigue el reflejo
o el cuerpo (da lo mismo) del hermano.

Soy, tácitos amigos, el que sabe
que no hay otra venganza que el olvido
ni otro perdón. Un dios ha concedido
al odio humano esta curiosa llave.

Soy el que pese a tan ilustres modos
de errar, no ha descifrado el laberinto
singular y plural, arduo y distinto,

del tiempo, que es uno y es de todos.
Soy el que es nadie, el que no fue una espada
en la guerra. Soy eco, olvido, nada.

Jorge Luis Borges, 1975