XL Carnaval Física: Físicos chinos miden la velocidad de la “fantasmagórica acción a distancia”

Dibujo20130307 The speed of spooky action at different beta and theta

La medida “casi simultánea” del estado de dos partículas entrelazadas entre sí que han sido separadas una distancia muy grande permite poner un límite inferior a la “velocidad” de la “fantasmagórica acción a distancia” que tanto detestaba Einstein (y que está demostrada fuera de toda duda). En 2008 ya se publicó en Nature que la “velocidad” es mayor de 10000 veces la velocidad de la luz. Físicos chinos han repetido la medida de esta “velocidad” mediante un procedimiento alternativo, a priori, más fiable y han obtenido el mismo límite inferior, la “acción” a distancia ocurre a una “velocidad” superior a 10000 veces la velocidad de la luz. Aunque desde el punto de vista técnico el diseño del experimento es muy interesante, la interpretación de los resultados está sujeta a “hipótesis no explícitas” (o loopholes) que conllevan una fuerte dosis de “opinión” pues en mecánica cuántica no se puede medir la “velocidad” de la “acción a distancia,” pues no existe tal “acción a distancia” (las correlaciones espaciotemporales son sólo eso, correlaciones, por lo que no son “dinámicas” y por tanto no corresponden a una “acción”). Sólo se puede medir la “velocidad” de la “acción a distancia” asumiendo la hipótesis de que existe un modelo clásico (tipo variables ocultas o similar) subyacente a la mecánica cuántica; obviamente, no hay ninguna evidencia experimental que apoye la existencia de dicho modelo, luego medir la “velocidad” de algo que es “instantáneo” por definición no tiene sentido. Más información divulgativa en KFC, “Chinese Physicists Measure Speed of “Spooky Action At a Distance”,” The Physics arXiv Blog, Mar 7, 2013. El artículo técnico es Juan Yin et al., “Bounding the speed of `spooky action at a distance’,” arXiv:1303.0614, 04 Mar 2013, quienes han implementado el experimento propuesto por Ph. H. Eberhard, “A realistic model for Quantum Theory with a locality property,” pp. 169-215 in “Quantum theory and pictures of reality,” edited by W. Schommers, Springer, New York, 1989. La versión del experimento publicada en 2008 se publicó en D. Salart et al., “Testing spooky action at a distance,” Nature 454: 861-864, 14 Aug 2008 [arXiv:0808.3316].
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Carnaval de Física: La producción de pares de fotones entrelazados

Dibujo20130109 generacion fluorescencia parametrica no colineal en cristales

El método más utilizado para producir pares de fotones entrelazados en polarización es la fluorescencia paramétrica (que en inglés se suele llamar spontaneous parametric down-conversion, traducible por “conversión paramétrica hacia abajo espontánea”), también llamada rectificación paramétrica. Se bombea un cristal no lineal, transparente y birrefringente, con un láser a una frecuencia λb y se obtienen dos conos de luz con fotones de frecuencias λs y λi, con λbsi. Cuando los fotones son degenerados, λsi, deberían ser indistinguibles, pero la birrefringencia del cristal obliga a que su polarización sea ortogonal (uno estará polarizado en la dirección horizontal y otro en la vertical). En los dos puntos de intersección de los dos conos de dispersión a la salida del cristal, los fotones se encontrarán en un estado cuántico entrelazado en polarización, es decir, su estado cuántico será |ψ>=1/√2 ( |VH> + |HV> ), donde H y V representan fotones con polarización horizontal y vertical, resp. Estos fotones se utilizan en experimentos que verifican la violación cuántica de las desigualdades de Bell. La eficiencia del proceso depende de la conservación de la energía y del momento de los tres fotones involucrados. Recomiendo leer en español M.G. Mingolla, C.T. Schmiegelow, M.A. Larotonda, “Fuente de pares de fotones entrelazados en polarización,” Anales AFA 21: 45-50, 2009, y M. Torres-Cisneros et al., “Conversión paramétrica en un cristal fotónico no-lineal,” Revista Mexicana de Física 51: 258–264, 2005. En inglés está muy bien el reciente artículo Pablo L. Saldanha, C. H. Monken, “Energy and momentum entanglement in parametric downconversion,” American Journal of Physics 81: 28-32, 2013 [arXiv:1110.2231].

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De Juana la Loca hasta las baterías de litio viajando por algunos carnavales de ciencias

Doña Juana I de Castilla y Aragón (1479-1555), Juana la Loca, Reina Propietaria del trono de España, fue la reina más poderosa de su tiempo, aunque nunca gobernó. Su padre, su esposo y más tarde su propio hijo afirmaron que estaba loca, mientras muchos nobles castellanos y los comuneros pretendían que dicha locura era pura invención de quienes querían usurparle el trono. Juana fue “internada” en Tordesillas, pues el confinamiento era el tratamiento oficial para la locura en su época. Sin embargo, todos los hijos de Juana, esposas y esposos de estos, incluso sus nietos ya en edad adulta, sobrinos y sobrinas, visitaban Tordesillas a menudo y le profesaban respeto, admiración y cariño. Si se tratara de una mujer alienada, celosa y delirante sería difícil imaginar de qué modo hubiera podido crear las condiciones de esa unión familiar alrededor de su persona, por tantas generaciones y ramas familiares. La leyenda de la “locura de amor” que Juana profesaba por su marido, Felipe “el Hermoso,” nació cuando Juana fue heredera legítima del trono de Castilla, tras varias muertes inesperadas, entre ellas la de su hermano Juan y su hermana Isabel. Con anterioridad no hay ninguna documentación al respecto. La salud “oficial” de Juana siempre osciló según las necesidades políticas.  Además, como en la Edad Media la locura era un “vicio,” Juana ha pasado a la historia como mujer lujuriosa, dominada por la desesperación, carente de prudencia y rebelde. Nos lo cuenta Begoña Matilla, “El mito de la Reina Juana: ¿“la Loca”?

Pensar la locura de Juana desde la óptica del saber actual, nos induciría a error. Juana fue una mujer moderna para su tiempo que logró, desde las armas que las mujeres podían esgrimir en los inicios de la Edad Moderna, no perder su titularidad real por la que luchó con uñas y dientes, y hacer posible el gobierno de sus descendientes. Juana organizó estrategias políticas para asegurar la sucesión legítima de su hijo Carlos al trono, como esquivar la voluntad paterna, rompiendo todos los códigos de la época al no volver a casarse después de enviudar, a pesar de las muchas presiones recibidas. Además, cuando los Comuneros se alzaron contra Carlos V y la liberaron de su encierro, Juana logró esquivar sus pretensiones, que de facto, hubieran desheredado a Carlos. Gracias a ella, los Austrias ganaron la partida del poder en España.

La imagen que mucha gente tiene de Juana está moldeada por la película “Juana la loca” (2001) de Vicente Aranda, “una explosiva historia de amor” con más erotismo que precisión histórica, remake de “Locura de amor” (1948) de Juan de Orduña. Pilar López de Ayala interpreta el papel de una neurótica “loca de amor” que le permitió obtener un Goya. La imagen de Juana I que ofrece esta película me recuerda a una psicosis maníaco-depresiva o transtorno bipolar. Su tratamiento actual, basado en el carbonato de litio, será el leitmotiv de esta entrada, cuyo objetivo era superar el reto de los 7 carnavales lanzado por José Manuel López Nicolás (@ScientiaJMLN) en Twitter y superado por él mismo en su blog Scientia. No sé si lo he conseguido, pero no importa. Me ha servido para aprender muchas cosas sobre historia que no sabía. Espero que tú también disfrutes con mi resumen.

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XXXIV Carnaval Física: La física de las torres de perdigones de Jeréz

En 1782, el británico William Watts patentó una nueva tecnología para la fabricación de perdigones de plomo para munición, las “torres de perdigones” que reemplazaron el uso de moldes o la inmersión de gotas de plomo en barriles de agua. En estas torres se dejan caer gotas de plomo desde una gran altura (en Baltimore, Maryland, EEUU, hay una que alcanza los 71 m) que adoptan una forma esférica mientras se enfrían durante su caída libre gracias a la tensión superficial. Hay torres de perdigones por todo el mundo (en España las hay en Jerez y en Sevilla). En un torre moderna de finales del s. XX se producen unos diez mil perdigones por segundo. Se vierten unas cinco toneladas de plomo fundido por hora en un recipiente de cobre con 2400 agujeros en su fondo. Los chorros de plomo fundido en caída libre, casi de forma inmediata, se ponen a gotear gracias a la inestabilidad de Plateau-Rayleigh, de manera similar a como gotea un grifo de agua con un caudal bajo. ¿Cómo depende el tamaño del perdigón de la altura de la torre? Nos explican la física y la termodinámica de las torres de perdigones Trevor C. Lipscombe, Carl E. Mungan, “The Physics of Shot Towers,” The Physics Teacher 50: 218-220, April 2012 [acceso gratuito]. He obtenido los dibujos que abren esta entrada de “Metalurgia,” Colectivo Proyecto Arrayanes (gracias a César @EDocet).

Una gota de plomo líquido de masa m cae desde una altura H en una torre de perdigones. La solidificación de la gota requiere una energía igual a  m L, donde L = 24,7 kJ/kg es el calor latente de fusión del plomo. En la parte inferior de la torre hay una cuba de agua que amortigua el impacto y enfría los perdigones hasta la temperatura ambiente. Para evitar la producción de grandes cantidades de vapor de agua, la temperatura del perdigón al alcanzar el agua debe ser menor que el punto de ebullición del agua. Por tanto, la altura de la torre debe garantizar que tras su solidificación, el perdigón debe perder una energía térmica adicional durante su vuelo de al menos m c ΔT, donde c = 128 J /kg/K es el calor específico del plomo y ΔT = 227 K es la diferencia de temperatura entre el punto de fusión del plomo (600 K) y el punto de ebullición del agua (373 K). Un cálculo termodinámico sencillo en función del tiempo de caída (que se puede estimar suponiendo que la resistencia del aire es proporcional a la velocidad al cuadrado, pues el número de Reynolds para este problema ronda los 2500) y del coeficiente de transferencia de calor del perdigón con el aire, permite obtener (los detalles son sencillos y se pueden consultar en el artículo de Lipscombe y Mungan) que el radio del perdigón R está relacionado con la altura H de la caída y la masa original de la gota de plomo están relacionados por la fórmula

R = α H5/8, donde α = 1,2 × 10-4 m3/8.

Esta fórmula sublineal implica que un perdigón de hasta 1,2 mm de radio se puede producir con una torre de al menos 40 metros. Para producir un perdigón con un radio de 1,9 mm se requeriría el doble de altura, unos 80 metros.

En resumen, los detalles del análisis termodinámico de la fabricación de perdigones en un torre de caída libre no son complicados y pueden ser utilizados para ilustrar la termodinámica de la transferencia de calor en cursos de física y/o ingeniería.

Esta entrada participa en la en la XXXIV Edición del Carnaval de la Física, alojada en esta ocasión en el blog colaborativo Hablando de Ciencia.

XXXIV Carnaval Física: Los chorros líquidos anulares y sus inestabilidades

Al abrir el paso del agua en un grifo antiguo, sin rejilla, habrás observado que a veces se forma una burbuja, se trata de un chorro líquido anular. Estos chorros pueden utilizarse como reactores químicos para reacciones en las que se producen productos tóxicos, si el líquido es capaz de absorber o adsorber dichos productos. Además, el control del caudal del líquido permite hacer oscilar el chorro líquido anular lo que introduce un forzamiento en la presión y temperatura de la reacción química que permite, en ciertos casos, incrementar la velocidad de dicha reacción hasta en un factor de cien (aprovechando una bifurcación de Hopf supercrítica asociada a la transferencia de masa en este sistema para flujo isotérmico).

El gran inconveniente de los chorros líquidos anulares como reactores químicos heterogéneos es su inestabilidad ante forzamientos externos que puede hacer que se rompa la burbuja. Para controlarla se puede inyectar aire tanto en el interior como por la superficie exterior del chorro, el llamado control por co-flujo. Gracias a este procedimiento se pueden obtener chorros tan estables como el mostrado en el vídeo que abre esta entrada. Mi grupo de investigación trabaja en estos temas utilizando técnicas de dinámica de fluidos computacional y métodos asintóticos o de perturbaciones. El vídeo está extraído de la información suplementaria del artículo de Daniel Duke, Damon Honnery, Julio Soria, “Flow Visualisation of Annular Liquid Sheet Instability and Atomisation,” arXiv:1208.1796, Submitted on 9 Aug 2012. La descripción detallada del dispositivo experimental utilizado aparece en Daniel Duke, Damon Honnery and Julio Soria, “A cross-correlation velocimetry technique for breakup of an annular liquid sheet,” Experiments in Fluids 49: 435-445, 2010. Dos buenas referencias para empezar sobre el trabajo de mi grupo de investigación son Juan I. Ramos, “Annular liquid jets: Formulation and steady-state analysis,” Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Mechanik (ZAMM) 72: 565-589, 1992, y J. I. Ramos, “Hopf bifurcation in annular liquid jets with mass transfer,” International Journal for Numerical Methods in Fluids 20: 1293–1314, 1995.

Muchas veces un problema también es una virtud. La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz ante perturbaciones externas de los chorros líquidos anulares permite desarrollar sprays y vaporizadores. Como muestra este vídeo, la dinámica de esta inestabilidad es muy complicada. La hoja líquida se rompe formando gotas y estructuras difíciles de caracterizar. Las técnicas matemáticas y numéricas que utilizamos en mi grupo de investigación no son capaces de estudiar en detalle un fenómeno tan complejo, por lo que en la actualidad nos hemos concentrado en el estudio de las técnicas de estirado para la fabricación de fibras, con énfasis en las de polímeros. Más información sobre el estudio experimental de las inestabilidades en chorros líquidos anulares en D. Duke, D. Honnery and J. Soria, “Experimental investigation of nonlinear instabilities in annular liquid sheets,” Journal of Fluid Mechanics 691: 594-604, 2012. La verdad es que, en mi opinión, este tipo de vídeos tienen algo de hipnóticos. Por ello os dejo, sin más comentarios, todos los vídeos de la información suplementaria del artículo de Daniel Duke, Damon Honnery, Julio Soria, “Flow Visualisation of Annular Liquid Sheet Instability and Atomisation,” arXiv:1208.1796, Submitted on 9 Aug 2012.

Ya sabéis que he dicho en varias ocasiones que no me gusta hablar en mi blog de los temas en los que trabajo o en los que trabaja mi grupo de investigación. Sirva esta excepción como mi segunda entrada en la XXXIV Edición del Carnaval de la Física, alojada en esta ocasión en el blog colaborativo Hablando de Ciencia.  Prometo que habrá al menos una tercera contribución sobre torres de estirado para la formación de perdigones.

XXXIV Carnaval Física: La caída de un imán de neodimio en un tubo de plata

Jesús López Galván, profesor jubilado de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Málaga, nos ilustra en este vídeo la caída de un imán de neodimio en cinco tubos de un metro de longitud, ordenados por conductividad creciente: acero inoxidable austenítico (acero con cromo y níquel), bronce (67% Cu y 33% Zn), aluminio, cobre y plata. Hay muchos vídeos en youtube que ilustran la diferencia entre la caída en un tubo de aluminio y otro de cobre, pero Jesús también nos lo ilustra con un tubo de plata. Este dispositivo experimental ha sido utilizado por Jesús en múltiples ilustraciones a sus alumnos e incluso ocasiones más solemnes. Enhorabuena, Jesús.

Un cálculo sencillo nos indica que el tiempo de caída es proporcional a la conductividad eléctrica si la geometría de todos los tubos es exactamente la misma. Midiendo sin cronómetro (con el reloj de youtube) los tiempos de caída del imán se observa que tarda unos 1,5 segundos en el inox, unos 3 segundos en el bronce, unos 8 segundos en el aluminio, unos 5 segundos en el cobre y unos 9 segundos en la plata. La conductividad eléctrica del cobre es similar (algo menor) que la de la plata, por lo que me parece que el tiempo de caída para el cobre es demasiado bajo; hay varias explicaciones posibles, pero la más obvia es que el grosor del tubo de cobre es mayor que el de plata. Por otro lado, yo esperaría una diferencia más grande entre el tiempo de caída para el aluminio y la plata; una posible explicación es que el grosor del tubo de aluminio es algo menor que el de la plata. Obviamente, el vídeo de youtube no permite calibrar estos detalles. Aún así, el experimento es muy curioso y el dispositivo experimental está muy bien trabajado.

El vídeo acaba con la ilustración del deslizamiento del imán en una pista conductora (parece de cobre) que actúa como rampa. El experimento utilizando rampas de diferentes materiales o diferentes imanes en la misma rampa también es muy interesante y su incorporación en un laboratorio de física es más sencilla pues permite seguir la posición de la imán durante su caída mediante una cámara de vídeo (utilizando un programa de análisis de imágenes se pueden reconstruir fácilmente posiciones y tiempos). Nos lo proponen dos compañeros de la EPS de la UMA, J. A. Molina-Bolívar and A. J. Abella-Palacios, “A laboratory activity on the eddy current brake,” European Journal of Physics 33: 697-707, 2012.

El experimento ilustrado por Jesús también es fácil de repetir en cualquier laboratorio de física (utilizando tubos de cobre de diferente longitud o diámetro, o con tubos de diferente material). Incluso si solo se dispone de un único tubo se pueden realizar varios experimentos cambiando la masa del imán añadiendo discos de plomo o similares, pudiéndose calcular de esta forma la conductividad eléctrica del material del tubo, como nos recuerdan J. Íñiguez, V. Raposo, A. Hernández-López, A. G. Flores and M. Zazo, “Study of the conductivity of a metallic tube by analysing the damped fall of a magnet,” European Journal of Physics 25: 593-604, 2004.

Hay muchas variantes del experimento que pueden ser interesantes como ilustración para los alumnos, por ejemplo, el cálculo mediante análisis dimensional de la relación entre el tiempo de caída y la conductividad eléctrica (detalles en John A. Pelesko, Michael Cesky, and Sharon Huertas, “Lenz’s law and dimensional analysis,” American Journal of Physics 73: 37-39, 2005).

Esta entrada participa en la XXXIV Edición del Carnaval de la Física, alojada en esta ocasión en el blog colaborativo Hablando de Ciencia. “¿Qué es lo que hay que hacer para participar? Muy sencillo: publicar una entrada en vuestro propio blog (…), indicar en la entrada que participa en la XXXIV Edición del Carnaval de la Física y enlazar con la página que lo alberga en esta edición, es decir, Hablando de Ciencia. Una vez publicada la entrada es necesario comunicarlo: Mandando un correo electrónico con el formulario de contacto de HdC o enviando un tuit a @HdCiencia. La fecha tope para publicar las entradas es el 25 de septiembre. (…) El hilo conductor de esta edición es la física nuclear (tema propuesto [que] no es vinculante).”

XXXIII Carnaval Física: El secreto de la paradoja “más rápido que la gravedad”

Este vídeo ilustra con una cámara de alta velocidad (1000 fps) la llamada paradoja más rápido que la gravedadmás rápido que g, o simplemente paradoja de la caída libre. Una barra de madera de 30 cm inclinada con cierto ángulo y con una pequeña esfera colocada encima se deja caer; para un ángulo menor de 48,6º, la barra de madera llega antes al suelo que la bola, para ese ángulo llegan al mismo tiempo y para ángulos mayores llega antes la bola. El vídeo lo ilustra perfectamente. La paradoja surge porque la intuición nos dice que la bola y la barra deberían llegar al suelo al mismo tiempo. La física (mecánica) de este problema es muy sencilla y puede utilizar como ejercicio en los primeros cursos de física. Nos lo cuentan Michael Vollmer and Klaus-Peter Möllmann, “Faster than g, revisited with high-speed imaging,” European Journal of Physics 33: 1277-1288, 2012 [suppl. info.].

Esta figura muestra la curva (negra) que sigue la esfera en su caída y la que sigue (curva roja) la punta de la barra (que ha sido calculada por métodos numéricos resolviendo una ecuación diferencial de segundo orden). El ángulo crítico, para el que la esfera y la punta de una barra de 30 cm alcanzan el suelo al mismo tiempo, es de 48,6º; por debajo llega antes la barra y por encima la bola. La figura muestra claramente que las curvas (trayectorias) que siguen son diferentes.

Como la aceleración de la gravedad es constante (g), la velocidad de caída de la esfera es lineal, como muestra esta figura (curvas negras). Sin embargo, la velocidad de la punta de la barra, que realiza un movimiento rotacional, sigue una curva con forma parecida a una parábola. El modelo matemático (que omito, pero que es muy sencillo) ha sido confirmado por los experimentos utilizando una barra y una esfera metálicas que son soltadas de forma simultánea por un electroimán (como muestra la parte final del vídeo que abre esta entrada). Los profesores que quieran ilustrar este experimento a sus alumnos y que no dispongan de cámara de alta velocidad pueden utilizar los vídeos la información suplementaria del artículo de Eur. J. Phys.

Esta entrada participa en  la edición XXXIII del Carnaval de la Física, cuyo anfitrión es el blog El Mundo de las Ideas. Las entradas se pueden enviar del 1 al 25 de julio, ambos inclusive.

XXXII Carnaval Física: No se puede hacer más lento

Tras ver este vídeo deberías releer mi entrada “Los problemas sencillos son los que más quebraderos de cabeza dan,” donde se explica cómo es posible que la parte inferior del slinky se quede parada en el aire (porque lo que cae es el centro de gravedad del slinky) mientras se acorta su longitud. He visto el vídeo en la entrada de Antonio Martínez Ron, “La caída de un slinky a cámara superlenta,” Fogonazos, 21 junio 2012.

Esta breve entrada es mi primera contribución a la XXXII Edición del Carnaval de la Física, cuyo anfitrión este mes es Byron David en el blog Ciencia. Como nos recuerda Carlo Ferri: “El plazo para enviar vuestros posts está fijado para el 25 de junio. Recordad que el objetivo es dar a conocer la física en todas sus facetas, por lo que no es necesario escribir un artículo sino publicando un vídeo, una poesía o comentar una peli es más que suficiente para participar en el Carnaval de la Física.”

PS: Otro vídeo interesante que merece aparecer en el carnaval de física.

XXVI Carnaval de Física: Mis fallos garrafales y mis honrosos aciertos en las predicciones científicas para 2011

Grandes revistas como NatureScience publican todos los años un resumen de lo mejor que ha acontecido en el año saliente y unas predicciones para el entrante. Francis no puede ser menos y se hace eco de estas predicciones, edulcoradas por las propias. ¿Qué ha pasado con mis predicciones para el año 2011? Podéis consultarlas en “Mi revisión de las predicciones científicas de la revista Nature para el año 2011,” 1 de enero de 2011. Mi recopilación se basó en la publicada por Nature el 6 de enero (que apareció online el 31 de diciembre de 2010, porque no soy adivino). “Las recopilé con algunos comentarios de mi propia cosecha.”

 

¿Descubrirá Kepler la primera tierra fuera del sistema solar? Sí, in extremis, hoy mismo, la NASA ha anunciado el descubrimiento de las dos primeras tierras (planetas con una masa menor des dos veces la masa de la Tierra), una de ellas incluso con una masa menor. Eric hand, “Kepler discovers first Earth-sized exoplanets. Planet hunters arrive at an important goal for NASA’s space telescope,” News, Nature 20 Dec. 2011, nos cuenta que alrededor de la estrella Kepler-20, a unos 947 años luz de la Tierra, se han encontrado los dos planetas extrasolares más pequeños: Kepler-20f es una Tierra (radio 1,03 veces el de la Tierra), con una temperatura superficial de 705 K; Kepler-20e es un Venus (un planeta de masa menor que la Tierra), con un radio de 0,87 veces el de la Tierra y una temperatura superficial de 1040 K. Son planetas muy calentitos para estar habitados, pero este año también se encontró el primer Goldilock, planeta tipo Tierra en la zona habitable de su estrella, Kepler-22b, con un radio 2,4 veces el de la Tierra. Nos lo contó, por ejemplo, Melissae Fellet, “Smallest habitable world around sun-like star found,” New Scientist 06 Dec. 2011; la nueva noticia también la puedes leer en Lisa Grossman, “Smallest planet is tinier than Earth,” New Scientist 20 Dec. 2011; “Kepler finds first earth-size planets beyond our solar system,” PhysOrg.com, Dec. 20, 2011; John Matson, “It’s a Small World: Kepler Spacecraft Discovers First Known Earth-Size Exoplanets,” Scientific American, Dec. 20, 2011; y en español en “Descubren los dos primeros planetas del tamaño de la Tierra más allá del sistema solar,” RTVE.es, 20 dic. 2011.

¿Los últimos y definitivos vuelos de los transbordadores de la NASA? Sí, así ha sido. El año 2011 ha sido el último de los transbordadores espaciales de la NASA. Aunque puede parecer que esto estaba muy claro, en estos asuntos siempre surgen dudas y se podría haber retrasado hasta 2012, pero no ha sido así. ¿Éxito de las sondas espaciales de exploración del sistema solar?Todas las sondas espaciales lanzadas este año han sido un éxito, salvo la soviética PhobosGrunt.

¿Se reduce el cerco para la búsqueda del bosón de Higgs? Sí, esta noticia es quizás una de las grandes noticias de la física de partículas del año. Ya ya lo decía hace un año: “En Nature no se atreven con ningún número, pero yo diría que se reducirá a unos 130 GeV/c²; es decir, a finales de 2011 podríamos estar buscando al bosón de Higgs en el intervalo de masas de 115 a 130 GeV/c², lo que puede parecer un pequeño avance.” Y casi he acertado pues el límite publicado el 6 de diciembre eal 95% CL es de 117 a 127 GeV/c². Nadie podía esperar que el LHC funcionara tan bien como lo ha hecho en 2011. Fijaros como estaban las cosas hace un año que yo decía: “También sabremos en 2011 si el LHC estará en modo colisiones en 2012, o en modo reparación, y si el Tevatrón acabará sus días en septiembre de 2011, como está previsto, o los prolongará hasta 2014.” Pues sí amigos, ya lo sabemos, habrá colisiones en el LHC durante 2012 (a la caza del Higgs) y el Tevatrón finalizó sus colisiones en septiembre. El año 2012 promete ser el año del Higgs. Y sinceramente, no creo equivocarme. Por cierto, yo también acerté que en 2011 “podría haber cierta evidencia cuando se analicen en el LHC las desintegraciones en dos fotones del Higgs, las desintegraciones en las que el LHC (con pocos datos) gana con creces al Tevatrón (aunque tenga muchos datos).”

¿Se ha descubierto la partícula responsable de la materia oscura? No, los experimentos de búsqueda directa de esta partícula (si es que existe) que publicaron sus datos este año  no han logrado un resultado positivo; entre ellos XENON100, en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, cerca de L’Aquila, Italia, y CDMS-II (Cryogenic Dark Matter Search) en la Mina de Soudan, en el norte de Minnesota, EE.UU. Más aún, sus resultados han mostrado ciertas contradicciones con los de experimentos previos que apuntan a que el problema de la materia oscura es más complejo de lo que se pensaba. Ya lo contábamos en “El problema de la materia oscura está cada día más oscuro.” Afortunadamente, ya se encuentra en la Estación Espacial Iternacional (ISS) el Espectrómetro Magnético Alfa (Alpha Magnetic Spectrometer o AMS) que estudiará los rayos cósmicos en busca de partículas de antimateria y de la materia oscura. Pero sus primeros resultados científicos no aparecerán hasta el próximo año.

¿Se ha descubierto la supersimetría? Tampoco, aunque puedo decir que yo ya lo decía: “Me vais a llamar aguafiestas, pero disiento de Nature, no creo que la SUSY sea descubierta en el LHC del CERN en 2011. (…) En mi opinión personal, la SUSY será descubierta en el s. XXI, pero hay que ser muy optimistas para pensar que el LHC la desvelará.” Sigo en mis treces y creo que la década de los 2010 no será la de la SUSY.

¿El superláser del NIF logró la fusión nuclear? No, aunque lo más correcto sería decir que no se sabe la respuesta aún. Por ahora no hay constancia rigurosa de que se haya logrado la ignición de la fusión nuclear en el NIF, National Ignition Facility, en el Lawrence Livermore National Laboratory, California, EE.UU., la instalación con el láser más potente del mundo. De hecho, durante este año se han hecho múltiples pruebas con cápsulas (hohlraum) cargadas de combustible, deuterio-tritio (DT), y se han batido varias veces los récords en números de neutrones producidos y en la energía inyectada por los láseres. El récord absoluto fue el 15 de septiembre a las 10:46 AM; los 192 haces láser ultravioletas lograron inyectar 1,61 MJ (megajulios) en el hohlraum (el mayor disparo con energía láser de la historia) y se supone que se emitieron unos 600 billones de neutrones (este número es una estimación porque el contador de neutrones se retiró durante la prueba para evitar que fuera dañado). Aún no se ha publicado el artículo técnico que analiza estos resultados, pero todo indica que no hay constancia de que se haya producido la ignición. En octubre y noviembre se han realizado múltiples pruebas con menor energía inyectada, en las que se ha estudiado el efecto de diferentes parámetros técnicos de los holhraum. Más información en plan noticias en el NIF y en la revista Science.

¿Se ha descubierto la existencia de una cuarta generación de partículas elementales? No.

¿Seguirá funcionando el LHC en modo colisiones en 2012? Sí, esta sí la acerté, aunque estaba cantada. “Se espera que el LHC del CERN acumule entre 2 y 3 inversos de femtobarn de datos” en 2011; pero ha acumulado 5,5. “Y será noticia que seguirá funcionando durante 2012 (para recabar otro tanto);” y lo fue, aunque se espera que recabe unos 20 inversos de femtobarn. “La razón fundamental es que todo indica que buscar el bosón de Higgs en el LHC será más fácil de lo que se pensaba;” y lo ha está siendo. “En las conferencias del verano (julio de 2011) y en las de invierno (diciembre 2011) aparecerán noticias muy interesantes sobre la búsqueda del bosón de Higgs, sobre la búsqueda de la supersimetría y sobre temas más exóticos. No se espera ningún descubrimiento importante definitivo pero podría haber señales y evidencias a favor de la existencia del Higgs y de la SUSY que podrían ser motivo de noticias en muchos medios.” No digo más.

¿Alguna noticia sobre los neutrinos? Nadie podría prever la noticia de OPERA sobre los neutrinos muónicos superlumínicos, pero era obvia que habría noticias interesantes sobre los neutrinos en 2011. “La física de los neutrinos también ofrecerá varias noticias interesantes en 2011; por ejemplo, SuperKamiokande publicará las medidas más precisas del ángulo θ31 (que mezcla neutrinos electrónicos y tauónicos);” desafortunadamente, el tsunami en Japón dañó la instalación y solo se publicaron análisis con datos obtenidos en 2010. “Serán noticia los primeros resultados de ICARUS T600, el detector de neutrinos utilizando argón líquido más grande del mundo, en el laboratorio subterráneo LNGS (Assergi, Italia) del INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare); y también de IceCube, el detector de neutrinos en la Antártida cuya instalación finalizó en diciembre de 2010;” en ambos casos las noticias han sido pobres sobre ambas instalaciones que seguramente darán grandes noticias para el año próximo.

¿Fueron noticia la gravitación y los agujeros negros? “En 2010 la noticia ha sido el desarrollo de trampas de antihidrógeno (antimateria) y todo apunta a que en 2011 será el anuncio de los primeros resultados en la medida de la gravedad aplicada a la antimateria.” No ha sido así, habrá que esperar. “Nadie espera sorpresas, pero la confirmación de que la gravedad funciona igual con la materia que con la antimateria será noticia en todos los medios.” Sigo siendo de la misma opinión. “En 2010 también se publicó la primera observación de la radiación de Hawking en un medio óptico no lineal, resultado que ha sido criticado por algunos especialistas. En 2011, yo apostaría a que será publicada la primera observación en un BEC (condensado de Bose-Einstein);” pero no ha sido así, habrá que esperar a 2012.

En resumen, unos pocos aciertos, muchos fallos y una cosa clara: la ciencia es noticia y lo seguirá siendo.

PS: Esta entrada participa en la XXVI Edición del Carnaval de la Física, alojada en esta ocasión por el blog Cuentos Cuánticos, a quienes tengo que agradecer la gestión de mi invitación en el Programa de Radio La Rosa de los Vientos. ¿Quieres participar? Anímate y envía el enlace de tu entrada vía correo electrónico a la siguiente dirección: cuentos.cuanticos@googlemail.com, o publícala en la web del Carnaval de la Física. Se admitirán entradas hasta el 25 de Diciembre. La temática sugerida, aunque las entradas son de tema libre, es La Física y tú. Y por eso esta entrada participa en el Carnaval.

XX Carnaval de Física: La física del hula hoop

Un soriano llamado Francisco J. H. H., físico, (casi) matemático, neurocientífico y autor del blog Resistencia Numantina organiza la XX Edición del Carnaval de la Física. El Carnaval de la Física de este mes acaba mañana, 25 de Junio. Como es habitual en este blog mi participación se basará en un artículo publicado en la revista de docencia de la física llamada American Journal of Physics. Para empezar un vídeo que descubrí gracias a Antonio M. R., “Perspectiva desde un hula hoop,” Fogonazos, 07 junio 2011.

El hula hoop es un popular juguete compuesto de un aro (hoop) delgado de plástico que se hace girar alrededor de la cintura, aunque los malabaristas circenses también usan las piernas o el cuello. Para lograr que el aro gire es necesario que la cintura del jugador describa un movimiento periódico en el plano horizontal. Para modelar este problema lo más fácil es considerar un modelo en dos dimensiones, despreciando el movimiento vertical del hula hoop. Además, conviene suponer que la cintura es un círculo y su centro se mueve a lo largo de una trayectoria elíptica cercana a un círculo. Bajo dichas condiciones es fácil obtener un modelo matemático sencillo de la dinámica de este divertido juego. Los interesados en los detalles técnicos disfrutarán con Alexander P. Seyranian and Anton O. Belyakov, “How to twirl a hula hoop,” American Journal of Physics 79: 712-715, July 2011 [gratis en ArXiv]. No ganarán el premio Ig Nobel por su trabajo, ya que el hula hoop ya recibió el Ig Nobel de Física en 2004; en concreto, lo recibieron Ramesh Balasubramaniam and Michael Turvey por su estudio “Coordination Modes in the Multisegmental Dynamics of Hula Hooping,” Biological Cybernetics 90: 176-190, March 2004 [pdf gratis]. Como nos recuerdan en el siguiente vídeo.

El modelo de los rusos Seyranian y Balyakov se basa en dos movimientos armónicos acoplados (como dos péndulos acoplados). Este modelo es tan sencillo que permite obtener la solución exacta de las ecuaciones para el movimiento. No quiero aburriros con las ecuaciones (en ArXiv tenéis copia gratis del artículo), muy sencillas por otro lado. Según estas ecuaciones la clave para la estabilidad del movimiento es que el hula hoop no pierda su punto de contacto con la cintura del jugador. La estabilidad asintótica del movimiento requiere la ausencia de resonancias parámetros en el movimiento. El movimiento es estable en ambas direcciones, tanto en rotación en sentido horario como antihorario.

Para los profesores de primeros cursos de física el modelo del hula hoop será un ejercicio más para añadir a las relaciones de problemas, o para incluir en los exámenes (aunque no sé lo que pensarán los estudiantes al respecto). Para cursos más avanzados, conviene elegir un artículo con un análisis un poco más complejo, como el de Frederic Moisy, “Supercritical bifurcation of a hula hoop,” American Journal of Physics 71: 999-1004, 2003 [gratis en ArXiv].