Universo a gran escala, su evolución (II): Grandes Estructuras.

 

Entre las preguntas que nos hacemos del Universo, los ¿por qué?: de cómo se expande, o porque es homogéneo e isotrópico como vimos en la Primera Parte, su historia, que haya vida, su composición físico-química o cómo se expande; una de ellas es su estructura a gran escala, entendiendo que la estructura a gran escala está entre los supercúmulos y el horizonte relativista.

Los cúmulos galácticos son los objetos autogravitacionales más grandes del universo, donde predomina una gran cantidad de gas extraordinariamente caliente, siendo pozos de misteriosa materia oscura. Ha habido un esfuerzo histórico para empezar a dibujar esa estructura, Mesier empezó haciendo un catálogo en 1784 (asignando la letra M casualmente a cada objeto, por ejemplo la galaxia Andrómeda es M31), después en 1888 vino el New General Catálogue (NGC) y posteriormente el Index Catalogue (IC), denominaciones que subsisten hoy en día.

Puede considerarse gracias al Hubble el reconocimiento definitivo (después de varias teorías de tamaño, clasificación y composición, incluidas trampas al solitario de Shapley) de la diferencia de nebulosas intragaláctica (nebulosa) y nebulosa extragaláctica (galaxia), así como las dimensiones reales del Universo. La existencia de la materia oscura (aunque me gusta más llamarla transparente, porque nadie la ve) es clave para entender las grandes estructuras; es una materia que ni emite, ni absorbe, ni dispersa, ni refleja, ni tiene relación alguna con la luz. Se cree que las galaxias son esencialmente materia oscura. Una galaxia es diez veces más grande y masiva de lo que se ve a simple vista, y esto se dedujo del hecho de que rotaban tan rápido, que necesitarían muchísima más masa que la visible, para contrarrestar la gran fuerza centrífuga y mantenerse unidas por autogravitación.

Para situar una galaxia en el Universo se suelen utilizar coordenadas polares (ρ, φ, θ) en 3D, con una coordenada de distancia ρ y dos ángulos φ, θ que nos fijan la dirección en la que se encuentra, de manera que (x = ρ senφ cosθ, y = ρ senφ senθ, z = ρ cosφ). Las dos coordenadas angulares φ, θ son fáciles de calcular, sin embargo, la distancia ρ es más complicada, y se usan muchos métodos dependiendo del tipo de objeto y su lejanía, mediante referencias conocidas, luminosidad, desplazamiento al rojo z, rotación con el efecto Doppler, agitación térmica, espectro, … Las más lejanas detectadas tienen un desplazamiento al rojo z=10 (correspondiente a la aparición de las primeras estrellas, desde hoy hasta la época de reionización).

GRUPO LOCAL DE GALAXIAS

La Vía Láctea forma parte del Grupo Local de galaxias (30-40). La Vía Láctea tiene dos galaxias satélites irregulares muy pequeñas que son las Nubes de Magallanes, y otras enanas como por ejemplo la elíptica de Sagitario, o la del Can Mayor que es la más cercana. La galaxia más grande del Grupo Local es M31-Andrómeda (aunque se le siga llamando nebulosa). El Grupo Local, salvo sus satélites, es prácticamente binario (Andrómeda y Vía Láctea), que se están aproximando chocarán dentro de 2.000 millones de años y tiene un tamaño de 1 Mpc. El choque de galaxias no implica el choque entre sus estrellas, que será poco frecuente. Existe un anillo de galaxias en las que destacan 14 de ellas gigantes como Centaurus-A o Maffei-1, y nuestro Grupo Local está casi en el centro de este grupo. El Concilio de Gigantes es aplanado (1/2 Mpc) y de radio de unos 3 Mpc.

 

Grupo local

CÚMULO DE GALAXIAS

Además de los grupos de galaxias, existen los cúmulos de galaxias, que se caracterizan por tener una gran cantidad de gas intracumular a una temperatura de 10⁸ K, y es 5 o 10 veces más que toda la masa de sus galaxias, y grandes cantidades de materia oscura. Y la masa total es mayor que la del gas M_(total)>M_(gas)>M_(galaxias), la masa total es básicamente materia oscura (5 veces mayor que la masa del gas). El gas está virializado en equilibrio de autogravitación, son los objetos más grandes de este tipo de autogravitación conocidos. Los cúmulos se estudian con diferentes técnicas: visible (galaxias visibles), rayos X (el gas), efecto Sungaev-Zeldovich (fondo cósmico de microondas CMB), emisiones de radio (de galaxias y del medio), lentes gravitacionales (que deforman la luz y permiten ver objetos situados detrás), …

Entrelazamiento cuántico

Todo lo que nos rodea a diario, lo tenemos gracias a que alguien en algún momento observó, experimentó y transformó lo que fué solo una idea, en una herramienta útil. Pero todo lo que conocemos es insignificante al lado de lo que se está descubriendo a nivel cuántico, con un potencial increible que alterará el mundo tal como lo conocemos. Se empieza con la investigación básica en un laboratorio, con una máquina muy grande y costosa, y si hay mercado se tiene al final un aparato sencillo pequeño y nada caro, como por ejemplo los ordenadores, aunque el presidente de IBM dijese en los años 50 que no había mercado más que para unos pocos ordenadores en todo el mundo. Podemos crear nuevas formas de procesar la información y comunicarnos, que transformarán el mundo de una forma radical, cambiando todas las tecnologías que poseemos. La mecánica cuántica la vemos como algo raro, lo mismo que lo era imaginar ver volar aviones y cohetes. El entrelazamiento cuántico no sólo servirá para transmitir información, también será posible trasmitir energía renovable, a nivel planetario, desde lugares factibles hasta otros donde se necesite.

Imaginaos dos partículas separadas a años luz, pero que una influya sobre la otra instantáneamente al manipular una de ellas (por ejemplo, que al observar una partícula ésta colapse en un estado, y la otra instantáneamente colapsará en otro, sin que haya habido comunicación entre ellas). ¿Una acción aquí puede afectar allí, más rápido que la velocidad de la luz?. Esto se debe a que en la mecánica cuántica las partículas pueden estar en dos estados de superposición a la vez, y que al observarlas colapsan en uno de ellos. Si mandásemos un mensaje de un punto a otro a años luz, tardaría ese tiempo como mínimo por un canal tradicional en llegar, por ejemplo del Sol a la Tierra tarda 8 minutos la luz. Si pudiésemos mandar un mensaje válido manipulando esas partículas, la comunicación sería instantanea. ¿Es posible?.

Experimentalmente ya se ha conseguido entrelazar fotones a una distancia de 1200 km, gracias al satélite chino Micius en 2017. Esto en comunicación encriptada es muy importante, porque quiere decir que si un hacker intercepta uno de los fotones entrelazados, el otro lo sabrá. La clave de encriptación, entonces, cambiará y la información a la que daba acceso se autodestruirá. Este experimento era de un profesor europeo de la Universidad de Viena (Anton Zeilinger), que desde 2001 intentaba convencer sin éxito a la Agencia Espacial Europea para lanzar un satélite similar, pero terminó trabajando para su alumno de China.

En 1900 Max Planck quería saber porque los objetos cambiaban de color al calentarlos (una curiosidad lógica), a veces haciéndose las preguntas apropiadas se encuentran respuestas geniales. Hasta entonces, en el mundo clásico, todo era predecible, desde Newton que comprendió el poder de las matemáticas y lo aplicó a describir fenómenos físicos y predeciendo el futuro con ellas. Maxwell también descubrió que

Teoría de la Relatividad General

Albert Einstein publicó la versión definitiva de su teoría de la relatividad general en el número de noviembre de 1915 del Boletín de la Academia de Ciencias de Berlín. La gravedad hasta ese momento Newton la había descrito y se sabía de su existencia, pero no se había formulado una teoría que explicara su auténtica naturaleza. Einstein contó con la ayuda del matemático Marcel Grossman (1878-1936), amigo y compañero de clase de Einstein en Zurich. La dificultad de la relatividad general está en la parte matemática, ya que contiene análisis tensorial y geometría diferencial. La teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, son los dos pilares de la física del siglo XX. La Teoría de la Relatividad General es el andamiaje del Cosmos, la estructura del espacio-tiempo, una de las cumbres del pensamiento de la humanidad, que nos hace superarnos como especie, lo más representativo de lo que puede llegar a hacer el género humano.

Un pequeño resumen: Einstein cuando postuló la Relatividad Especial (que es una teoría que no incluía la gravedad, a eso lo llamamos observadores inerciales), y se dió cuenta que chocaba con la teoría de Newton en cosas como que la gravedad era proporcional al cuadrado de la distancia entre dos objetos, y recordemos en la relatividad especial la distancia no es la misma (se expande o se acorta) según quien la mida. Se dió cuenta que necesitaba una teoría de la gravedad para cualquier observador, inercial o no inercial. Por ejemplo, si un paracaidista se pusiera una báscula en el aire pesaría exactamente cero, y si soltara cualquier objeto caería junto a él, como si estuviese en el espacio (inercialmente, como en la Relatividad Especial, por lo tanto las leyes deberían ser las mismas en el espacio como en caída libre, y la gravedad no sería una fuerza, sino otra cosa, que sería la curvatura del espacio-tiempo), esto inspiró el Principio de Equivalencia como nexo entre la relatividad general y especial. Si tenemos dos piedras en las manos y las soltamos, caerían paralelas y llegarían al mismo tiempo, pero si pudiesen seguir cayendo se juntarían en el centro de la Tierra (qué les impide seguir cayendo paralelas??, eso sólo sucede en una geometría curva, como sucede también con los meridianos -geodésicas- que se cortan en los polos). La gravedad será la caida natural en ausencia de fuerzas en un espacio curvo (imaginemos una gota de agua dentro de en un embudo cómo caería). Ese espacio-tiempo curvo es el que genera la fuerza de la gravedad. La gravedad que sentimos bajo nuestros pies, es la fuerza de frenado que hace el suelo e impide que caigamos al centro de la Tierra. Es decir «la materia le dice al espacio como curvarse, el espacio le dice a la materia como moverse», J. Wheeler.

En definitiva, la ecuación de Einstein relaciona la cantidad de materia y energía en un lugar determinado, con la curvatura del espacio-tiempo. Einstein tenía esta idea, pero desconocía las matematicas necesarias para escribir su teoría, y recurrió a su amigo Grossmann que a su vez recurrió a las matemáticas hechas 50 años antes por Riemann. Una geometría sobre un espacio-tiempo curvo (eso en matemáticas está dentro de la geometría diferencial). Entenderemos fenómenos como los de la película Interstellar donde una hora en un planeta es como 7 años en la Tierra, debido a la presencia del campo gravitatorio enorme de un agujero negro cercano (la gravedad no sólo influye en el espacio, también en el tiempo). Cualquier cosa con peso o energía gravita, y eso incluye a la luz, de hecho cuando abandona un cuerpo muy masivo pierde energía (desplazamiento al rojo) al converitrse en una onda de menor frecuencia, y al contrario. El tejido espacio tiempo es flexible y puede propagar ondas de gravedad a la velocidad de la luz. La presión también pesa (masa-energía), y puede ser positiva o negativa (como la expansión del universo en el big-bang, era gravedad de repulsión). Los agujeros de gusano también son productos de las ecuaciones. Antes de Einstein el concepto de Universo era reducido e inmovil, la cosmología tiene un gran desarrollo gracias a su teoría, ideas como el big-bang, la inflación, multiversos, la teoría de cuerdas, ….. se apoyan en sus ecuaciones. Todavía no se han llegado a completar todas sus consecuencias, ni se ha integrado con la teoría cuántica (¿encontraremos el «gravitón»?) para hacer una teoría aún más general del todo.

El Principio de la Relatividad (formulación de Galilei 1564-1642) es mucho más antiguo que la Teoría de la Relatividad, incluso más antiguo que la mecánica clásica de Newton, fue formulado por Galileo Galilei, como un argumento en la discusión del heliocentrismo versus el geocentrismo. Los defensores del geocentrismo creían en Aristóteles y Ptolomeo, argumentaban que, si la Tierra se moviera alrededor del Sol y alrededor de su eje, ¿por qué no lo notamos?, ¿por qué una bola que dejamos caer desde una torre alta termina al pie de la torre y no a cierta distancia hacia el Oeste, debido a la supuesta rotación de la Tierra de Oeste a Este?. Como respuesta a este argumento Galilei introdujo una nueva idea: la inercia; había llegado a la conclusión de que una masa en movimiento uniforme rectilíneo mantendrá eternamente este movimiento mientras que no actúe ninguna fuerza exterior sobre ella. Galilei dijo que si dejamos caer una bola desde la gavia de un barco en movimiento (uniforme), la bola tocará la cubierta en el pie del mástil y no más hacia la popa, puesto que la bola conserva la velocidad uniforme del barco durante su caída. La conclusión que sacó Galilei es que un observador no es capaz de determinar si él está en un sistema que está en reposo o en movimiento uniforme y

Viajes en el tiempo.

A raíz de una serie de éxito hemos hablado sobre ciertos conceptos físicos de nuestro universo. Como se trata de poder explicar teorías físicas, que incluso para físic@s y matemátic@s, son muy duras de entender. Vamos a tratar de explicar estos conceptos de una manera intuitiva, para que se pueda vislumbrar un poquiiiitooo de su complejo significado. Siendo conscientes, que conceptos de la física cuántica, teoría de la relatividad general, topología algebraica,.. etc, no son plato para todos los públicos. Pero empecemos por el principio. Nuestro universo surgió hace aproximadamente hace 14.000 millones de años en el Big Bang, a partir de ese momento surge el tiempo, el espacio, con su materia, energía y las leyes físicas que lo gobiernan. A quienes nos pregunten ¿que había antes del Big Bang? (argumento cosmológico) podemos a su vez preguntarle ¿qué hay dentro de nuestro planeta, al norte del polo norte de la Tierra?, que es una pregunta igual de absurda; porque antes del Big Bang ¡¡no existían!! ni el espacio y mucho más importante no existía el tiempo, por tanto antes del Big Bang no había ni un antes, ni un después.

Crees que es difícil viajar en el tiempo?? Es muy sencillo viajar al futuro, simplemente basta sentarse en una silla sin moverse durante un rato, y ya está!!! Desde que empezaste a leer esto, ya has viajado en el tiempo. Pero hablando en serio, para hacer lo que estamos pensando, necesitamos saber mucha más física y matemáticas para saber cómo es posible?. Pero parece ser que viajar al futuro es más fácil, que viajar al pasado. Todavía no se ha completado el modelo físico de partículas, se sigue investigando y aparecen nuevas partículas elementales aún, como el bossón de Higgs, Una vez que la teoría de cuerdas quedó en vía muerta como teoría del Todo, parece ser que últimamente hay más avances en la teoría cuántica de campos. Pero las sucesivas confirmaciones de las predicciones físicas en el CERN en los experimentos con el acelerador de partículas (se han llegado a acelerar partículas casi al 99,95% de la velocidad de la luz), hace que todavía no se haya dicho su última palabra. Esperamos ansiosos con nuevos descubrimientos, que permitan conocer mejor el universo. Lo cierto es que no hay ninguna ley física que impida viajar en el tiempo, por ahora, aunque no sepamos cómo, ni en qué condiciones, y que actualmente no es posible.

Quienes hablan de conceptos como «el ciclo unisolar cada 33 años» podemos decir que es una chorrada sin ninguna base científica, simplemente acordándonos de la segunda ley de la termodinámica que hace que la entropía aumente el desorden del universo, y nos ayude a distinguir la fecha del tiempo distinguiendo entre presente y pasado. Aunque la Luna se sincronizara con la Tierra cada 33 años, no es así el movimiento de nuestro Sol en la Vía Láctea; ni la Vía Láctea que colisionará con Andrómeda y no lo harán en 33 años (pero no te preocupes, sucederá dentro de 4.500 millones de años, día arriba, día abajo). Tampoco se sabe a ciencia cierta cual será la evolución del universo y su final, si terminará comprimiéndose (es uno de los posibles finales teóricos), lo que si se sabe es que se está expandiendo, y cada vez más aceleradamente (Ley de Hubble-Lemaître).

Tampoco existe el determinismo en nuestro universo, puesto que la mecánica cuántica funciona de

El límite tecnológico de las computadoras.

Cada día nos sorprendemos por la capacidad de superar límites, incluso la propia ciencia ficción, a nivel tecnológico. Nos preguntamos: ¿cual será el límite?¿tiene límite?. Era difícil no hace muchos años imaginar la realidad que vivimos hoy como algo real, el disponer de los dispositivos actuales, que sólo eran imaginaciones de la literatura y del cine. Cuando hoy en día ya se vislumbra el límite físico de la tecnología actual, las alternativas, entre otras, se basan en la computación cuántica a medio plazo (no inmediata) o los algoritmos de deep learning de inteligencia artificial para optimizar la actual tecnología. Sin embargo la capacidad humana no para de sorprendernos, y lo que hoy nos parece algo complicado, es posible que aparezcan otras alternativas, incluso más allá de la informática, tal como la entendemos hoy en día.

Hay tres leyes que marcan la capacidad de procesamiento cada vez a menor coste, de crecimiento del valor de las redes, según crece su tamaño, y de expansión de las comunicaciones. Estas leyes han permitido, entre otros avances, como la computación en nube que conocemos actualmente. Son fundamentales en el desarrollo y origen digital:

• Ley de Moore que rige el crecimiento exponencial de la capacidad de computación en la evolución de los procesadores.
• Ley de Metcalfe que determina el valor de las redes según el número de nodos.
• Ley de Gilder del Ancho de Banda de crecimiento de las comunicaciones, potenciadas por el incremento del volumen de datos transmitidos.

La ley de Moore, que trabajaba en en Fairchild Semiconductor e Intel, dice que  la complejidad (medida como número de transistores) de los circuitos integrados se duplicaba cada año a la vez que se reducían los precios y costes de fabricación. En 1975, Moore modificó su ley al observar un ralentizamiento en la evolución de cada 12 meses a cada 24 meses. Ahora bien, tiene en cuenta sólo el número de transistores pero, en el rendimiento de un procesador hay que añadir otros factores como son la velocidad de los transistores o su consumo energético. Por lo que se interpreta la duplicación de la capacidad cada 18 meses (incluyendo el resto de variables).

Visualización de la Ley de Moore de 1965 a 2019

La ley de Moore se ha cumplido década tras década, pero es una ley empírica, pero no es una ley o norma que pueda imponerse o vaya a cumplirse siempre. La reducción de costes no ha sido del todo natural, sino que se ha debido a enormes inversiones en I+D, tanto públicas como privadas. Sin embargo se está llegando cada dos años al límite físico de los procesadores y se está llegando a un punto de estancamiento y se predice ese estancamiento en 2025, tanto por causas físicas como por el incremento de los costes de mantenimiento del ritmo de creciento. Cada vez es más caro incrementar el número de transistores en un procesador. Aunque la creación de procesadores especializados (por GPUs adaptadas para Inteligencia Artificial), quita presión a la inversión en los procesadores de propósito general (CPU). Lo peor de todo es que pese a los avances en computación cuántica, estamos lejos de tener una alternativa inmediata.

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.

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

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.

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)

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

El Muro galáctico.

Nuestra galaxia la Vía Láctea (The Milky Way), con todo lo enorme que es, forma parte de un grupo de 54 galaxias que ocupan un espacio de 10 millones de años luz, que se llama Grupo Local. Y el centro de gravedad de todas ellas está precisamente entre nuestra galaxia y Andrómeda, que chocarán entre sí dentro de 4.000 millones de años, porque se acercan una a otra a una velocidad de 110 kilómetros por segundo. Pero eso no es todo, porque este Grupo Local está unido gravitacionalmente a un cúmulo mayor de unas 1.500 galaxias que se llama Cúmulo de Virgo.

Relación entre Relojes atómicos, Navegadores GPS y Teoría de la Relatividad.

Einstein en su teoría de la Relatividad Especial, utilizando las transformaciones de Lorentz, postuló:

1. Que las leyes de la física son iguales para todos los observadores inerciales (no acelerados).
2. La velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, con independencia de la velocidad de la fuente de la luz con respecto al espectador.

Ondas Gravitacionales: avance histórico confirmando su existencia.

Las Ondas Gravitacionales fueron postuladas ya por Albert Einstein en su teoría de la Relatividad General hace ahora 100 años. Según la Teoría General de la Relatividad hay objetos que al viajar por el espacio convierten parte de su masa en energía y la desprenden en forma de ondas que viajan a la velocidad de la luz y deforman a su paso el espacio y el tiempo; y crean estas ondas lo mismo que la estela de un barco al moverse o las de una piedra al caer en un estanque.

Ecuaciones de Maxwell.

Las ecuaciones de Maxwell no deben asustarnos por sus símbolos, se pueden explicar sus significados, lo importante es que unificaron la electricidad y el magnetismo en una sóla y unica fuerza: la electromagnética. Después hubo una nueva unificación con la fuerza nuclear débil en una única: fuerza electrodébil.

Estas ecuaciones son la descripción del campo electromagnético: el campo eléctrico, el campo magnético, su origen, comportamiento y relación entre ellos, incluyendo las ondas electromagnéticas como la luz. Básicamente, con estas ecuaciones es posible saber cómo va ser y cómo va a comportarse el campo electromagnético en una región determinada. El conjunto de estas ecuaciones describe cosas como la corriente eléctrica, los imanes, los rayos, la electricidad estática, la luz, las microondas, las ondas de radio…

Computación cuántica.

Durante la mayor parte de nuestra historia, la tecnología consistió en nuestros cerebros, fuego y palos puntiagudos, después se transformaron en plantas y armas nucleares, la mayor actualización le ocurrió a nuestros cerebros. Desde los años 60, el poder de nuestros cerebros artificiales ha aumentado exponencialmente, permitiendo computadoras más pequeñas y más poderosas a la misma vez. Pero este proceso está por alcanzar su límite físico. Las partes de la computadora están alcanzando tamaño de un átomo.

Agujeros Negros.

Imagina condensar toda la tierra en una canica de 2cm de diámetro. Las estrellas en su proceso de fusión sintetizan elementos cada vez más pesados. En el desenlace las capas más externas son expulsadas mientras en el interior se hunde sobre sí misma. Sabemos que la gravedad es una deformación del espacio-tiempo provocada por la masa. Si nos adentráramos en un agujero negro, para un obsevador externo cada minuto nuestro serían años o siglos para él. Los agujeros negros tienen una frontera límite que si no sobrepasamos podríamos escapar de su atracción, esa frontera se llama: horizonte de sucesos, que es el punto sin retorno. A partir de ese horizonte de sucesos de un agujero negro no puede escapar ni la luz, engullen estrellas, planetas,…. Por eso es imposible ver lo que suscede en su interior, nada sale, ni la luz. Se ha especulado sobre la idea de que son agujeros de gusano que conectan puntos distintos del universo o universos diferentes. Se han detectado múltiples de ellos como el Cygnus X-1, o el del centro de la galaxia M87, de hecho todas las galaxias contienen en su núcleo un agujero supermasivo.

Paradoja de Fermi (I): Teoría del Gran Filtro. Nuestra supervivencia como especie.

En este post explicaremos porque si existen posibilidades de existencia de civilizaciones  según la escala de Kardashov, tipo I (que dominan su planeta), tipo II (que dominan su sistema solar) y tipo III (que dominan su galaxia), no tenemos noticias de ninguna de ellas y esto es una magnífica noticia. Este primera parte se basa en una de las teoría que explicaría la falta de noticias.

Pero «Si existen miles de millones de posibilidades de que haya civilizaciones inteligentes, ¿por qué ninguna ha contactado todavía con nosotros?«. La paradoja de Fermi entonces diría, teniendo en cuenta lo anterior: ¿dónde está todo el mundo?

Tipos posibles de civilizaciones: Escala de Kardashov

Aunque hay quien ha argumentado que no podemos entender a las civilizaciones avanzadas y por lo tanto, no podemos predecir su comportamiento. A la hora de plantearnos qué futuro tenemos como civilización dentro de un universo prácticamente desconocido y del que, a día de hoy, no tenemos noticias de ninguna otra, aunque si estamos descubriendo planetas en los cuales eventualmente podrían tener condiciones para desarrollar algún tipo de vida.

Principio antrópico, la energía oscura y los multiversos.

El principio antrópico es una verdad incontestable, y dice que «los seres vivos sólo pueden sobrevivir en entornos físicos aptos para la vida», bien de manera natural o creándolos artificialmente. De esta obviedad se pueden, sin embargo, sacar conclusiones muy importantes. En la Vía Láctea existen cientos de miles de millones de planetas, donde sólo una pequeña parte se dan las condiciones físicas de gravedad, temperatura, atmósfera,… para la aparición de la vida. Sólo en esos planetas puede surgir la vida y si además es inteligente, podrán observar su entorno. Y observarán un planeta con las condiciones para albergar vida (igual que nosotros en la Tierra), mientras la inmensa mayoría del resto de planetas son incompatibles con la vida.

La materia oscura: ¿cómo la descubrieron?

Hoy sabemos que toda la materia que podemos observar y ver es sólo un 15% de la materia que existe en el universo. El otro 85% es una materia que no conocemos, sólo sabemos que existe y se llama: materia oscura. Aunque ya escribí un post sobre este tema, en este post nos centraremos en cómo se descubrió.

12 ecuaciones que cambiaron la historia de la Humanidad

Como matemático siempre he considerado que nuestro lenguaje es un lenguaje que tiene sus propias reglas (las de la lógica y la razón), es un lenguaje universal (vale para toda la raza humana) y sobre todo es el lenguaje de la ciencia (el de las reglas de la naturaleza). Además es un lenguaje del que todavía estamos dando los primeros pasos y queda mucho por escribir.

D.A.R.P.A. Un ejemplo de como la tecnología civil nace de proyectos militares.

No es ciencia ficción, es real, os voy a exponer brevemente lo que ha hecho hasta ahora y lo que está trabajando. Si miráis las fechas veréis como en algunos casos artefactos de la vida real estaban ya inventados 30 o 40 años antes de usarlos los civiles habitualmente. Imagínate que hay ahora inventado!!! Y esto que te voy a exponer que es alucinante es sólo la parte que no es secreta.

La Navaja de Ockham.

La Navaja de Ockham (Occam), principio de economía o principio de parsimonia (lex parsimonia), atribuido a Guillermo de Ockham un franciscano que vivió durante la época medieval, desde el 1285 al 1349 era , según el cual, «en igualdad de condiciones, la explicación más sencilla suele ser la correcta». La Navaja de Ockham se ha encontrado con multitud de oposiciones por parte de quienes la han considerado demasiado extrema o imprudente.[1]

Monopolos magnéticos

La noticia de que se ha conseguido crear monopolos magnéticos artificiales en un laboratorio, dentro de un campo magnético artificial generado por un condensado de Bose-Einstein. Esta noticia ha puesto sobre la mesa este tema, al igual que sucedió con el Boson de Higgs. [1] Todavía no se ha conseguido demostrar la existencia de monopolos naturales, a pesar del experimento del español Cabrera que detectó uno en un experimento. Sin embargo, no se ha podido repetir la medición. Esto puede deberse a la bajísima probabilidad de encontrar uno por puro azar. [7]

El bosón de Higgs.

El Modelo Estándar es una excelente teoría sobre la naturaleza de la materia. Es una teoría que identifica partículas (leptones, quarks y hadrones) que constituyen la materia y describe cómo interactúan. Pero no es una teoría acabada, ni definitiva.

EL GRAFENO UNO DE LOS MATERIALES DEL FUTURO.

El material (grafito) de la punta de los lápices está compuesto de capas paralelas de grafeno.  Las propiedades que tiene son de ciencia ficción: es un semimetal que tiene forma de panel de abeja y el grosor de un átomo, conduce la electricidad más rápido que el cobre y consume menos, es transparente y denso a la vez pues ni siquiera los átomos de helio que son los más pequeños pueden atravesarlo, genera electricidad al ser alcanzado por la luz esto es una ventaja como panel solar y un inconveniente porque no se puede apagar, no contamina y se calienta menos al conducir la electricidad, es barato. Lo más importante es que es el material más fuerte que se haya conocido (200 veces más que el acero).

La materia oscura

¿Cómo se mide la masa de lo que hay en el espacio? ¿Cómo puedo pesar el Sol? Sabemos que cuanta más masa y cerca estén los planetas más rápido se mueven para mantenerse en su órbita, porque tiene mayor fuerza gravitatoria. Cuanto más lejos más lentos se mueven porque la atracción gravitatoria es débil.

Chernobyl vs Fukushima

El desastre de la central nuclear de Chernobyl el 26 de abril de 1986, fue un toque importante de atención al peligro latente en esta forma de generar energía. Entonces se dijo que la causa era la obsoleta tecnología de la antigua Unión Soviética y por eso se fusionó su núcleo liberando la energía de 500 bombas atómicas como la de Hiroshima, esta pues era la causa principal de este desastre.

ITER

Este es sin duda uno de los proyectos científicos más apasionantes de los últimos años,  más allá de lo inmediato. Aunque pareciera que los mercados y otros grupos de interés o más bien interesados, no quieren que olvidemos  lo peor de la crisis, no sólo en lo económico, sino también en lo psicológico, sin aportar soluciones.

El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es un proyecto de gran complejidad ideado, en 1986, para demostrar la factibilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear. El ITER se construirá en Cadarache (Francia) y costará 10.300 millones de euros, convirtiéndolo en el tercer proyecto más caro de la historia, después de la Estación Espacial Internacional y de el Proyecto Manhattan.

La Teoría de Cuerdas, como una nueva forma de interpretar el Universo.

La teoría de cuerdas (ahora en decadencia) es una forma de describir todas las fuerzas y toda la materia; desde un átomo a los confines del Universo, desde el origen de los tiempos hasta el instante final; una teoría única que lo explicaría todo y que demuestra que el Universo es más extraño de lo que nos imaginábamos. Hay universos paralelos muy cercanos y once dimensiones; de las cuales la mayoría no las hemos percibido jamás. Se basa en pequeñas partículas de energía llamadas cuerdas. Todo comenzó con una manzana, Newton quería saber con sus ecuaciones cómo funcionaban los planetas y las estrellas; posteriormente Einstein perfeccionó la teoría de lo que constituye la fuerza de la gravedad; pero en realidad buscaba una teoría única, las ecuaciones  que explicaran el funcionamiento de “todo”.

Lo impredecible: la corriente oscura

El otro día hablando con un amigo que trabaja en el campo de la Astrofísica me refirió una noticia que me dejó sorprendido. Recientemente los científicos han descubierto que enormes porciones de la región entre las constelaciones de Centaurus y Vela, se están moviendo a una velocidad de 3,2 millones de km/h.