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jueves, 30 de diciembre de 2010

Las Fuerzas de la Naturaleza

Las 4 fuerzas de la naturaleza son:

        1. La fuerza gravitatoria
        2. La fuerza electromagnetica
        3. La fuerza nuclear débil
        4. La fuerza nuclear fuerte

La fuerza gravitatoria

Descubierta por Isaac Newton en el s. XVII y conocida por todos como "atracción gravitatoria" o simplemente "gravedad".

Fue la primera en ser descubierta y sufrimos sus efectos diariamente: al levantarnos de la cama, al caminar, cuando se nos caen las cosas de las manos, cuando llueve, … Su campo de trabajo es amplísimo, pues no se salva nada de cuanto existe. Los siguientes ejemplos están firmados por esta fuerza:

        • El movimiento de la Luna alrededor de la Tierra
        • El movimiento de los planetas alrededor del Sol
        • El movimiento del cometa Halley en el sistema solar
        • El cinturon de asteroides
        • Los meteoritos que atrae la Tierra
        • La velocidad a la que deben escapar los cohetes y las sondas espaciales de la Tierra
        • El equilibrio al que están sometidos los satélites de comunicaciones para no caer sobre la Tierra

Los primeros experimentos los realizó Galileo en la famosa Torre de Pisa. Todo, absolutamente todo se ve afectado por la atracción gravitatoria, incluso la luz se curva por efecto de la gravedad; hecho que fue comprobado en un eclipse total de sol al medir la desviación sufrida por alguna de las estrellas cuya luz vemos pegada a la corona solar, pero situada realmente detrás del astro rey. Vale decir que todos los objetos por el hecho de tener masa ejercen fuerza gravitatorias sobre todos los que tienen a su alrededor.

La fuerza electromagnética

Produce atracción entre partículas, como la "atracción gravitatoria", pero también repulsión debido a la existencia de cargas eléctricas positivas y negativas.

Hasta la 1ª mitad del s.XIX se consideraban 2 fuerzas distintas e independientes: la eléctrica y la magnética. Tras los estudios y trabajos de científicos como Oersted, Faraday, Maxwell y muchos otros, se consiguió la unificación.

No afecta a todos los cuerpos como la gravedad, pues los hay con carga neutra.

La fuerza nuclear débil

Actúa en distancias realmente ínfimas, las distancias subatómicas. Descubierta en el s.XX, se diferencia de la gravitatoria y la electromagnética en que su alcance no es infinito sino muy reducido, pero comparativamente posee una intensidad muy superior a ellas.

Hace su aparición en la desintegración Beta (ß) de algunos compuestos radioactivos. En las últimas décadas del pasado milenio se demostró, en el marco de la mecánica cuántica, que la fuerzas electromagnética y nuclear débil son dos manifestaciones de una sóla fuerza: la fuerza electrodébil, con lo que realmente podríamos afirmar que no hay 4 sino de momento 3 fuerzas fundamentales.

Para entender este concepto es preciso recordar que los núcleos atómicos están constituidos de protones y neutrones. De paso añadiremos que los protones y los neutrones están constituidos por 3 quarks.

¿Qué es un quark"

Los quarks son partículas elementales, que no solamente forman al protón, sino a toda una serie de familias de otras partículas. Combinaciones de tres quarks forman los bariones (como el protón) y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones. Los quarks sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están en estados ligados con otros quarks ya sea en un barión o en un mesón. La teoría de los Quarks fue elaborada en 1963 por los físicos Murray Gell-Mann y Yuval Ne’eman. Fue Gell-Mann quien dió el nombre de ‘quarks’ a estas partículas. La palabra no tiene significado alguno y salió de una frase de un libro del escritor James Joyce. Poco tiempo después de lanzada la hipótesis de los quarks, experimentos realizados en los laboratorios de Fermilab (en EEUU) y CERN (en Ginebra) comenzaron a dar evidencia experimental sobre su existencia.

Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D y un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D. ¿Cuál es la diferencia entre el protón y el neutrón? Pues simple, con un quark tipo U a uno tipo D, convertiremos un protón en un neutrón.Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil. Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.

La fuerza nuclear fuerte

Actúa sobre los componentes de los núcleos atómicos atrayéndolos para que éste no pueda descompensarse por la intensa fuerza electromagnética de repulsión a la que se ven sometidos los protones (cargas positivas).

Recordar que los protones se repelen como consecuencia de la fuerza electromagnética. Como consecuencia de ello, la fuerza con más intensidad de las 4 es la nuclear fuerte, siendo su alcance también del orden subatómico.

martes, 21 de diciembre de 2010

Los diez avances de la década

Los periodistas de Science también destacan los diez avances de la década que han transformado el panorama de la ciencia en la primera década del siglo XXI.

1. El genoma oscuro: Los genes solían llevarse toda la gloria. Ahora, sin embargo, los investigadores reconocen que estas regiones de codificación de proteínas del genoma son tan sólo el 1,5 por ciento del total. El resto del genoma, incluidos los pequeños ARN codificadores y no codificadores (antes clasificados como "basura"), está demostrando ser tan importante como los genes.

2. Cosmología de precisión: Durante la década pasada, los investigadores han deducido una fórmula muy precisa para el contenido del universo, que consiste en materia ordinaria, materia oscura y energía oscura; así como las instrucciones para resolverla. Estos avances han transformado la cosmología en una ciencia de precisión con una teoría estándar que ahora deja muy poco lugar a otras ideas.

3. Biomoléculas antiguas: La comprensión de que las "biomoléculas" como el ADN o el colágeno procedentes restos antiguos pueden sobrevivir durante decenas de miles de años y proporcionar información importante sobre plantas, animales y humanos muertos hace mucho tiempo, proporciona una gran ayuda a la paleontología. El análisis de estas pequeñas máquinas del tiempo puede revelar ahora adaptaciones anatómicas que las evidencias óseas, simplemente, no pueden proporcionar. Tales como el color de las plumas de un dinosaurio o cómo soportaba el frío el mamut lanudo.

4. Agua en Marte: Media docena de misiones a Marte durante la última década han proporcionado pruebas claras de que el planeta rojo, alguna vez, albergó el agua suficiente (tanto en su superficie como en el interior) para alterar la formación de las rocas y, posiblemente, preservar vida. Esta agua marciana probablemente estuvo presente en el tiempo en el que la vida comenzaba a surgir en la Tierra, pero Marte aún dispone de la humedad suficiente para alentar a los científicos a buscar microbios que todavía respiren y vivan.

5. Reprogramación de células: Durante la pasada década, la noción de que el desarrollo es una vía de sentido único ha dado la vuelta. Ahora, los científicos han averiguado cómo "reprogramar" células completamente desarrolladas para obtener las llamadas células pluripotentes, que vuelven a poseer su potencial para convertirse en cualquier tipo de célula en el cuerpo. Esta técnica se ha utilizado ya para crear líneas celulares para pacientes con enfermedades raras pero, últimamente, los científicos esperan poder crear células, tejidos y órganos de repuesto genéticamente compatibles.

6. El microbioma: Un gran cambio en la forma en la que vemos a los microbios y virus que habitan en el cuerpo humano ha llevado a los investigadores al concepto de microbioma (los genomas colectivos del huésped y otras criaturas que viven en o dentro de él). Ya que el 90 por ciento de las células de nuestro cuerpo son, en realidad, microbianas, los científicos están comenzando a comprender la importancia con la que los genes microbianos pueden afectar a la cantidad de energía que absorbemos de la comida y el modo en el que nuestro sistema inmune responde ante las infecciones.

7. Exoplanetas: En el año 2000, los investigadores solamente conocían la existencia de 26 planetas fuera de nuestro sistema solar. En 2010, ese número ha subido a 502 (y sigue sumando). Con las tecnologías emergentes, los astrónomos esperan encontrar abundantes planetas parecidos a la Tierra en el universo. Pero por ahora, los tamaños y las órbitas de los planetas descubiertos están revolucionando la comprensión de los científicos con respecto a la formación y la evolución de los sistemas planetarios.

8. Inflamación: No hace mucho, la inflamación era conocida como aliada de nuestra maquinaria curativa, apareciendo para ayudar a las células inmunitarias a reconstruir el daño de un tejido provocado por un traumatismo o una infección. Hoy, sin embargo, los investigadores creen que la inflamación también es la impulsora de las enfermedades crónicas que, finalmente, nos matarán a casi todos, como el cáncer, el Alzheimer, la aterosclerosis, la diabetes y la obesidad.

9. Metamateriales: Sintetizando materiales con propiedades ópticas no convencionales y ajustables, los físicos e ingenieros han abierto un camino en la forma de guiar y manipular la luz, creando lentes que desafían los límites fundamentales de la resolución. Incluso han comenzado a construir "capas" que pueden hacer invisible a un objeto.

10. Cambio climático: Durante la última década, los investigadores han constatado ciertos hechos fundamentales en lo concerniente al cambio climático global: el mundo se está calentando, los seres humanos son los responsables del calentamiento y los procesos naturales de la Tierra no parece que vayan a ralentizar dicho calentamiento. Pero será durante los próximos 10 años cuando se determinen cómo actuarán científicos y responsables de políticas al respecto de esta información.

lunes, 20 de diciembre de 2010

Los otros nueve avances de 2010

Los responsables de Science también han recogido otros nueve logros importantes de este año dentro de una lista de diez, que aparece como artículo especial en el número del 17 de diciembre de 2010 de la revista. Estos son los nueve hallazgos:

Biología sintética: En un momento decisivo para la biología y la biotecnología, los investigadores construyeron un genoma sintético y lo utilizaron para transformar la identidad de una bacteria. El genoma reemplazó el ADN de la bacteria para que produjera un nuevo grupo de proteínas (un logro que dio lugar a una sesión en el Congreso de los EE UU sobre biología sintética y numerosas valoraciones). En el futuro, los investigadores prevén genomas sintéticos que se crearán de forma personalizada para generar biocombustibles, fármacos u otros productos químicos.

Genoma del Neandertal: Los investigadores han secuenciado el genoma del Neandertal a partir de los huesos de tres mujeres neandertales que vivieron en Croacia hace entre 38.000 y 44.000 años. Nuevos métodos de secuenciación de fragmentos degradados de ADN permitieron a los científicos realizar las primeras comparaciones directas del genoma humano moderno y del de nuestros antecesores, los neandertales.

Profilaxis del VIH: Dos pruebas de prevención del VIH, con estrategias nuevas y diferentes dieron como resultado un éxito inequívoco: un gel vaginal que contiene el fármaco anti-VIH Tenofovir reduce las infecciones en mujeres en un 39% y una profilaxis de de pre-exposición oral llevó a un 43,8% menos de infecciones de VIH en un grupo de hombres y mujeres transgenéricas que mantienen relaciones sexuales con hombres.

Secuenciación del exoma/Genes de enfermedades raras: Secuenciando únicamente los exones de un genoma o la minúscula parte que codifica las proteínas, los investigadores que estudian enfermedades hereditarias raras provocadas por un gen único y deficiente, lograron identificar mutaciones específicas subyacentes de al menos doce enfermedades.

Simulaciones dinámicas moleculares: Simular las rotaciones que realizan las proteínas cuando se pliegan ha sido una pesadilla combinatoria. Ahora, los investigadores han tomado el control de toda la potencia de cálculo de uno de los ordenadores más avanzados del mundo para registrar los movimientos de los átomos de una pequeña proteína plegada, durante un período 100 veces más prolongado que cualquier esfuerzo anterior.

Simulador cuántico: Para describir lo que se ve en el laboratorio, los físicos elaboran teorías basadas en ecuaciones. Dichas ecuaciones pueden resultar endiabladamente difíciles de resolver. Este año, sin embargo, los investigadores encontraron un atajo, creando simuladores cuánticos (cristales artificiales en los que marcas de láser representan el papel de los iones y los átomos atrapados en la luz actúan como si fuesen electrones). Estos dispositivos proporcionan respuestas rápidas a problemas teóricos de la física de la materia condensada y tal vez finalmente ayuden a resolver misterios como el de la superconductividad.

Genómica de nueva generación: Las tecnologías de secuenciación más rápidas y baratas están permitiendo muchos estudios a gran escala, tanto de ADN modernos como antiguos. El Proyecto de los 1.000 genomas, por ejemplo, ha identificado ya muchas de las variaciones del genoma que nos hace únicos a los humanos (y otros proyectos en curso están dedicados a revelar mucho más acerca de la función del genoma).

Reprogramación del ARN: Reprogramar células (devolverles sus relojes de desarrollo para hacer que se comporten como las "células madre" no especializadas de un embrión) se ha convertido en una técnica de laboratorio estándar para estudiar enfermedades y su desarrollo. Este año, los investigadores encontraron una forma de hacerlo utilizando ARN sintético. Comparado con métodos anteriores, la nueva técnica es dos veces más rápida, 100 veces más eficaz y potencialmente más segura para su uso terapéutico.

El regreso de la rata: Los ratones imperan en el mundo animal de los laboratorios, pero para muchos propósitos los investigadores prefieren a las ratas. Trabajar con ratas es más fácil y son anatómicamente más parecidas el ser humano; su gran inconveniente es que los métodos que se utilizan para obtener "ratones knock-out o KO" (animales adaptados a las investigaciones mediante la inhabilitación determinada de genes específicos) no funcionan con las ratas. Una oleada de investigaciones de este año, sin embargo, prometía dar con un método para lograr "ratas KO" para su uso en los laboratorios.

viernes, 17 de diciembre de 2010

Consideran a la máquina cuántica descubrimiento científico del año

La revista Science calificó este viernes como Descubrimiento del Año un aparato cuyo movimiento sólo puede explicarse por las extrañas reglas de la mecánica cuántica que desafían "nuestro sentido de la realidad".
"Hasta este año todos los objetos fabricados por los humanos se han movido de acuerdo con las leyes de la mecánica clásica", indicó la revista de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS) que cada diciembre distingue el Descubrimiento más significativo del Año.
Sin embargo, en marzo, un grupo de investigadores, Andrew Cleland yJohn Martinis, de la Universidad de California, en Santa Bárbara, diseñó un aparato "que se mueve en maneras que sólo pueden describirse como mecánica cuántica, la serie de reglas que gobierna el comportamiento de cosas diminutas como moléculas, átomos y partículas subatómicas".
Este particular descubrimiento ha sido el primero de un grupo de diez finalistas, entre los que estuvo una gelatina vaginal, probada en mujeres sudafricanas que redujo en casi el 39 por ciento el riesgo de infección con el VIH, y una píldora profiláctica que redujo en casi el 44 por ciento las infecciones.
(En la foto Cleland a la izquierda y Martinis a la derecha)

La Maquina Cuántica

El invento consiste en un sencillo y diminuto sistema de vibración de unas pocas decenas de filamentos metálicos de una micra de longitud y menos de un nanómetro de diámetro.

Es decir, en un milímetro cabrían 1.000 de estos filamentos situados uno a continuación de otro de forma longitudinal. Y la máquina completa es más pequeña que el ancho de un cabello.

Hasta ahora todos los ingenios diseñados por el hombre respondían a las leyes de la mecánica clásica, la regida por las reglas establecidas por Newton. Sin embargo este pequeño y sencillo, casi ingenuo, mecanismo ha pasado página a una era marcada y simbolizada por la revolución del automóvil.

Revolución potencial

Probablemente este hito de la ciencia no será tan utilizado como aquel famoso Modelo T inventado por Henry Ford a principios del siglo pasado. Sin embargo, se trata del primer paso humano en el mundo de lo más pequeño, de las partículas que forman los átomos. Es decir, en el mundo de lo cuántico.

Los científicos habían demostrado ampliamente estas reglas físicas mediante experimentos con electrones, fotones, átomos e incuso en helio líquido. Pero nunca habían observado los extraños efectos de la mecánica cuántica en el movimiento de un aparato fabricado por el ser humano.

Según estas reglas físicas, una partícula pequeña intercambia energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, conocida como quantum de energía. El segundo pilar de la cuántica es que dicha partícula puede estar, literalmente, en dos lugares al mismo tiempo.

La máquina cuántica abre las puertas a un sinfín de aparatos experimentales y, según la revista, a pruebas de nuestra propia sensación de la realidad. Pero también supone la primera piedra en la fabricación de los ordenadores cuánticos. Un ingenio aún conceptual que permitiría descifrar en segundos todas las claves y contraseñas del pentágono o de la NASA, algo que con las máquinas actuales sería imposible o llevaría años de trabajo.

viernes, 10 de diciembre de 2010

Agujeros Negros













Un agujero negro es una región finita del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que genera un campo gravitatoriotal que ninguna partícula material, ni siquiera los fotones de luz, pueden escapar de dicha región.

La curvatura del espacio-tiempo o «gravedad de un agujero negro» provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es debido a la gran cantidad de energía del objeto celeste. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del Universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellisy Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular L.

Se cree que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos.

jueves, 9 de diciembre de 2010

Mitos sobre el Gran Colisionador de Hadrones


El Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés Large Hadron Collider,LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces dehadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV (7,000,000,000,000 electronvoltios)de energía.

¿Para qué?

Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes cuestiones:

§ El significado de la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente)

§ La masa de las partículas y su origen (en particular, si existe el bosón de Higgs)

§ El origen de la masa de los bariones

§ Número de partículas totales del átomo

§ A saber el porqué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las partículas con un campo de Higgs)

§ El 95% de la masa del universo no está hecha de la materia que se conoce y se espera saber qué es la materia oscura

§ La existencia o no de las partículas supersimétricas

§ Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir

§ Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria

§ Recrear las condiciones que provocaron el Big Bang

Falsas alarmas sobre posibles catástrofes

Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sancho denunciaron ante un tribunal de Hawaii al CERN y al Gobierno de Estados Unidos, afirmando que existe la posibilidad de que su funcionamiento desencadene procesos que, según ellos, serían capaces de provocar la destrucción de la Tierra. Sin embargo su postura es rechazada por la comunidad científica, ya que carece de cualquier respaldo matemático que la apoye.

Los procesos catastróficos que denuncian son:

§ La formación de un agujero negro estable,

§ La formación de materia extraña supermasiva, tan estable como la materia ordinaria,

§ La formación de monopolos magnéticos (previstos en la teoría de la relatividad) que pudieran catalizar el decaimiento del protón,

§ La activación de la transición a un estado de vacío cuántico.

A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como microagujeros negros inestables, redes, o disfunciones magnéticas. La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas".

Aclarando:

§ En el hipotético caso de que se creara un agujero negro, sería tan infinitamente pequeño que podría atravesar la Tierra sin tocar ni un soloátomo, ya que el 95% de estos son espacios vacíos. Debido a esto, no podría crecer y alcanzaría el espacio, donde su probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún más pequeña.

§ El planeta Tierra está expuesto a fenómenos naturales similares o peores a los que serán producidos en el LHC.

§ Los rayos cósmicos alcanzan continuamente la Tierra a velocidades (y por tanto energías) enormes, incluso varios órdenes de magnitud mayores a las producidas en el LHC.

§ El Sol, debido a su tamaño, ha recibido 10.000 veces más.

§ Considerando que todas las estrellas del universo visible reciben un número equivalente, se alcanzan unos 1031 experimentos como el LHC y aún no se ha observado ningún evento como el postulado por Wagner y Sancho.

§ Durante la operación del colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) en Brookhaven (EE.UU.) no se ha observado ni un solostrangelet. La producción de strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC, y la experiencia en este acelerador ha validado el argumento de que no se pueden producir strangelets.