La Entropía

La entropía es un contador de estados en los que probablemente puede encontrarse un sistema, y esto es estadística. Si cogemos N elementos y sus combinaciones posibles en el triángulo de Pascal, vemos que hay sólo una probabilidad de que estén ordenados, mientras es máximo el número de combinaciones donde están más repartidos. Y este número será mayor a medida que aumenta el número N de elementos. Por lo tanto la probabilidad mayor será la del desorden, mientras que la del orden que es sólo una. Si ponemos en una caja 1 gramo de hidrógeno (el número de átomos será de 1023 , el de Avogrado). Así que el número de combinaciones donde están desordenados los átomos es enorme, frente al ordenado que es mínimo (aunque no haya ninguna ley que lo impida). Luego el universo prefiere el desorden al orden por pura probabilidad.

La entropía es muy importante en muchas áreas, desde la computación donde los únicos procesos que aumentan la entropía son el borrado de información, en la mecánica cuántica se sabe que el entrelazamiento cuántico tiene que ver con la información compartida entre dos sistemas, de manera que se mide como una entropía, los agujeros negros son grandes generadores de entropía y campo gravitatorio, hay teorías que relacionan el campo gravitatorio con la energía del entrelazamiento. Sigue leyendo

La Luz, ondas electromagnéticas y relatividad.

Preguntarse ¿qué es la luz?, nos lleva a respuestas muy potentes y preguntas aún no resueltas tecnológica e intelectualmente. Lo primero impactante es que al mirar a las estrellas, la luz que salió de allí, es mirar a su pasado. El universo es tan grande, que la luz que viaja a la máxima velocidad tarda miles e incluso millones de años en recorrerlo. A poca distancia la luz es prácticamente instantanea, sin embargo tarda 8 minutos desde el Sol a la Tierra. La luz es lo más rápido de nuestro universo debido a que el fotón (la partícula que la transporta) no tiene masa (es sólo energía), su velocidad en el vacío es c=299.792,458m/sg, aunque se redondea a c=300.000.000m/sg. Los electrones orbitan en distintos niveles energéticos alrededor del núcleo del átomo, la luz visible se forma cuando un electrón que está en estado excitado pasa a una órbita inferior perdiendo energía y emitiendo un fotón (al contrario, un electron puede pasar a un nivel superior absorbiendo la energía), una partícula sin masa que transporta la luz (es una partícula fundamental del modelo de física de partículas). El fotón transporta la fuerza electromagnética. Las ondas electromagnéticas transmiten energía, y estan producidas por la vibración de las partículas cargadas y viajan a través del espacio a la velocidad de la luz. Esa velocidad se ve influida por el medio donde se propaga, porque a nivel subatómico los fotones son capturados y emitidos, incluso en el vacío, donde aparecen espontaneamente partículas y antipartículas. Incluso, y esto es muy sorprendente, el propio universo se está expandiendo a velocidades superiores a la de la luz (y no contradice nada, pero eso lo contaremos en otro momento, es como si el universo conspirara para que no veamos la luz del Big Bang, que está detrás de la radiación de fondo de microondas). La luz conforme viaja por el espacio va perdiendo energía, y con esa expansión llegará un momento que no exista contacto visual con parte del universo observable actual.

La luz es la forma más pequeña de energía que puede ser transportada, es una onda electromagnética (EM). El fotón no puede ser dividido, posee Sigue leyendo

Fusión Nuclear: IFMIF-DONES en Granada

La fusión nuclear, en una u otra de sus opciones tecnológicas, es una opción clara e ineludible en el futuro del abastecimiento energético de una sociedad cada vez más demandante de energía. No parece previsible que esa sociedad que vive en estos momentos bajo un consumo basado en los procesos de transformación de la materia y los recursos naturales, para lo que la energía es imprescindible, rebaje el listón de su demanda. Las energías renovables ocuparán un lugar fundamental en nuestro futuro esperando un incremento de su uso que pasará de un 25% actualmente a 37% en 2040. El proyecto de más relevancia y a su vez el más internacional es el conocido como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), proyecto liderado por la Unión Europea, EE.UU., Rusia y Japón. El objetivo final de todos estos experimentos es construir un dispositivo en el cual, calentando y confinando el combustible (mezcla de deuterio-tritio) el tiempo suficiente, se produzca la reacción de fusión, generando más energía que la aportada. El desarrollo de ITER (aún experimental) y de sistemas similares no tendrá frutos hasta el comienzo de los 2030. De ese paso a un sistema DEMO y comercial conectado a la red quedará aún una o dos décadas al menos.

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La fusión nuclear es un tipo de reacción nuclear en el que dos nucleidos (generalmente ligeros) se unen para formar un nucleido más pesado. Las reacciones de fusión que desprenden energía (reacciones exotérmicas) pueden utilizarse para producir energía útil siempre y cuando se controle el proceso de fusión. Para ello es necesario calentar la materia a temperaturas de cientos de millones de grados, obteniendo un plasma, y confinar este plasma en un volumen determinado para que las reacciones de fusión tengan lugar. Este es el objetivo de los proyectos actuales de fusión por confinamiento magnético y de fusión por confinamiento inercial.

2H + 3H → 4He + 1n + Energía

(la fusión de deuterio y tritio, da lugar a energía, un núcleo de helio y un neutrón)

Nuclear Fusion

Las reacciones nucleares exotérmicas (generan energía) teniendo en cuenta la equivalencia masa-energía E = mc2, donde E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz en el vacío. Si la masa de los nucleidos iniciales es mayor que la de los nucleidos finales, su diferencia (llamada Q de la reacción, dada en 1 eV = 1,6022 . 10-19 J) será positiva y se producirá energía. Para la reacción de fusión nombrada anteriormente tenemos:

Q = m . ( 2H + 3H − 4He − 1n) . c2  = 17,59 MeV > 0

A pesar de esto, no es sencillo obtener esta energía. Aunque la reacción sea exotérmica, no basta con mezclar deuterio y tritio en un reactor para que ésta se produzca, los nucleidos han de estar a temperaturas muy altas: del orden de 10 000 000 oC en el núcleo del Sol, 150 000 000 oC en un tokamaks como el del ITER.

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El confinamiento a escala de laboratorio se realiza usando campos magnéticos (ya que el plasma está formado por partículas cargadas) o la inercia de la materia acelerada (leyes de Newton). En el primer caso hablamos de confinamiento magnético (usado en tokamaks y stellarators), mientras que Sigue leyendo

Universo a gran escala, su evolución (I): homogéneo, isótropo y plano.

El universo a gran escala accesible tiene un radio de 14.000 millones de años luz, es el horizonte relativista, una superficie esférica cuyo radio aumenta a la velocidad de la luz, lo que está más allá no es observable y está desconectado casualmente de nosotros (con una parte interna o casual, y otra externa que no tiene influencia sobre nosotros). Su descripción cosmológica actual nos dice que el Universo es homogéneo, isótropo y su curvatura relativista es cero; es decir, es plano. En cuanto a su composición, actualmente se cree que aproximadamente más de 2/3 partes son energía oscura (68,3%), algo más de 1/4 parte es materia oscura (26,8%) y el resto (4,9%) es la materia visible ordinaria que conocemos (materia bariónica). De la materia bariónica, casi todo es hidrógeno, helio en menor proporción y el resto de elementos químicos son minoritarios. A gran escala las galaxias son las moléculas del fluido del universo.

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Los cúmulos de galaxias son la mayor entidad que se mantiene unida por autogravitación, son observables en todas las longitudes de onda y con múltiples herramientas. Nuestra Vía Láctea forma parte de un grupo de una decena de galaxias llamado Grupo Local con dos galaxias dominantes que son la Vía Láctea y Andrómeda (M31). El Grupo Local es una extensión del Cúmulo de Virgo, rico en galaxias. Los cúmulos se agrupan en supercúmulos (estructuras de filamentos de unos entre 50 a 1000 Megaparsec – Mpc- (donde 1 Mpc es aproximadamente 3 millones de años luz), el nuestro se llama Laniakea. Existe cierta periodicidad en la distribución de los filamentos, casi como una red cristalina.

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Decir que el universo es homogéneo significa que en todos los lugares es igual en densidad, presión, temperatura, composición química, curvatura espacial,… Que es isotrópico significa que estemos donde estemos en el universo, vemos lo mismo en todas las direcciones donde miremos, todos los puntos son un Sigue leyendo

Nanotecnología: futuro real, de ciencia ficción.

Cada vez existen más productos nanotecnológicos invadiendo el mercado, como son materiales que resisten abolladuras, ralladuras y autorreparables, materiales textiles y deportivos de mayor precisión, mejor flexibilidad, ropa antibacterias, resistente a manchas y antiarrugas, baterías de carga rápida, lentes y pantallas mejoradas y antiarañazos, … etc. Como adivinamos tiene aplicaciones inmensas en muchos campos como electrónica, biomedicina, computación, comunicaciones, energía, arquitectura, alimentación, agroindustria, textil, medioambiente, militares,… Existe un incremento progresivo de productos en el mercado y se verá aún más incrementado en el futuro.

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Clinton en el año 2000 puso en marcha la NNI (Iniciativa Nanotecnológica Nacional) para coordinar los esfuerzos en I+D en ese área. En 2003 el Congreso Estadounidense aprobó los estatutos de la NNI, estableciendo presupuestos, agencias, programas, financiación e impulso de investigaciones claves. Bush destinó 3.630 millones de dólares para tener una posición estratégica en los años 2003-2006. En 2008 el NNI lanzó estrategias medioambientales, salud y seguridad en la investigación. En 2012 relacionadas con nanosensores e infraestructuras de conocimiento. Obama en 2014 destinó otros 1.500 millones, destinados sobre todo a ciencia básica, salud, energía y defensa. Actualmente hay planes plurianuales en todas las estrategias. La cantidad destinada al NNI asciende a unos 21.000 millones de dólares desde su creación. En 2003 el gobierno británico encargo un informe acerca de las repercusiones sanitarias, sociales, ambientales y éticas de la nanotecnología. En 2004 la Comisión Europea la considera un nicho fundamental en todos los programas, emitiendo la acción COM(2004)338 unificando e institucionalizando la financiación de I+D en este campo. Actualmente todos los países desarrollados o en vías, tienen programas de apoyo y explotación de la nanotecnología; así como centros de estudios en muchas universidades de todo el mundo. La nanotecnología a nivel mundial en 2002 en el mercado suponía 110.000 millones en el mercado, en 2015 era ya de 800.000 millones.

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Estamos hablando de un revolución industrial que a medio plazo va a cambiar el mundo, como lo hicieron las revoluciones del transporte o las de las tecnologías de la Sigue leyendo

La importancia de la simetría en la existencia de la vida humana.

La simetría es un hecho muy intuitivo que siempre ha llamado la atención en el mundo artístico, y que hemos tenido delante de nuestras narices, en todo nuestro entorno, prestándole menos atención de la debida, y resulta que tiene unas consecuencias importantísimas en la comprensión del mundo físico y la vida. La simetría además de equilibrio, armonía y otras consideraciones que apreciamos a simple vista, tiene muchas forma de entenderse; desde la correspondencia exacta en forma, tamaño o posición, hasta una correspondencia en la disposición de las partes o puntos en relación con un centro, un eje o un plano; según la disciplina que la estudie. Hasta el punto de que las interacciones fundamentales tienen mucha importancia en la naturaleza y las pequeñas diferencias en esa simetrías dan lugar a la vida. Según Einstein las leyes físicas pueden ser deducidas de los requisitos de simetría.

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La teoría del caos: el atractor extraño.

Mientras las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y las reglas de la mecánica clásica permitan calcular con precisión su trayectoria futura, estaremos en un escenario determinista. Pero ¿cuándo un sistema que está sometido a leyes perfectamente determinadas se comporta de manera errática o aparentemente aleatoria? Lo más importante de estos sistemas es la enorme sensibilidad a las condiciones iniciales, dos estados inicialmente muy próximos pueden dar resultados futuros completamente distintos. Además de esta propiedad los sistemas caóticos deterministas tienen otras propiedades muy características como son la recurrencia, la autosimilaridad y la fractalidad. Sistemas caóticos como el sistema solar y la atmósfera los son en distintas escalas de tiempo.

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