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22 octubre 2017

“En un mundo sin Einstein no existirían ni los móviles ni los ordenadores”

La fórmula matemática más célebre del mundo, E=mc2, formulada por Albert Einstein en 1905, permitió entender mejor cómo funciona el universo, la Tierra y nosotros mismos. El astrofísico Christophe Galfard (París, 1976), autor del afamado libro El universo en tu mano, publica una nueva obra consagrada a explicar la conocida ecuación que, junto a su creador, marcaron el devenir del siglo XX.

 Adeline Marcos | | 21 octubre 2017  (www.agenciasinc.es)

 E=mc2 no es una ecuación cualquiera. Cuando Albert Einstein la formuló en 1905 pocos pensaban que abriría las puertas a una nueva realidad y a otro modo de ver el universo donde nada es lo que parece. Ni el espacio, ni las distancias, ni el tiempo, ni la energía. Con esta fórmula, el ser humano no solo comprendió cómo se crea energía a partir de la masa y viceversa, sino que no volvimos a ver el mundo de la misma manera.

Tras su éxito editorial anterior, El universo en tu mano, el astrofísico y divulgador francés Christophe Galfard (París, 1976) se centra en la única ecuación que menciona en su libro: E=mc2. El científico, que se doctoró en la Universidad de Cambridge bajo la tutela de Stephen Hawking, con quien ha trabajado varios años, recoge de manera sencilla y entretenida en casi 100 páginas –“se podría hacer en mucho más”, admite– su particular explicación de la fórmula más famosa del mundo.

Para el autor, E=mc2 se convierte casi en una palabra, y con su nuevo libro Para entender a Einstein, una emocionante aproximación a E=mc2 (Blackie Books, septiembre de 2017) es “como si se hiciera una entrada en el diccionario con ella”, confiesa. 

Conceptos como luz, energía, masa y tiempo son explicados de manera ágil e ingeniosa, con ejemplos de nuestra vida cotidiana. ¿Pero es realmente tan fácil comprender esta ecuación?

Entender en qué es importante y cómo ha cambiado de una cierta manera el siglo XX es muy sencillo. Y, si no se comprende, en cualquier caso es mi culpa [risas]. Pero entender exactamente lo que quiere decir es mucho más difícil porque va más allá de nuestra intuición. En el libro escribo que estamos acostumbrados a las leyes de la naturaleza tal como se presentan a nuestra escala y tamaño. Por ejemplo, sabemos que un objeto que lanzamos al aire caerá, no echará a volar. Y eso lo sabemos de manera intuitiva porque nuestros sentidos lo detectan. Pero en la naturaleza existen áreas que van más allá de nuestros sentidos. No percibimos todo, hay lugares y movimientos que nosotros nunca realizamos, y aquí es donde las leyes de la naturaleza son diferentes y difíciles de explicar.

Con su libro muestra que estamos preparados para entender a Einstein. ¿Cuáles han sido los aspectos teóricos más difíciles de tratar? 

 Realmente son los aspectos filosóficos los más complicados de explicar. La mayoría de las personas se imaginan que es demasiado difícil para ellos, y no estoy de acuerdo. Creo que la gente es mucho más inteligente de lo que piensa, pero no deben tener miedo y ponerse obstáculos. Nuestra intuición corresponde a los hallazgos de Newton, pero desde entonces hemos ido mucho más lejos con Einstein, Maxwell y otros, y así hemos descubierto otras realidades. Lo difícil es que el lector tome conciencia de que no es cuestión de comprenderlo todo, sino de aceptar que el mundo no es necesariamente el que creemos que es. Es como volver a tener una mirada de niño y descubrir algo sin proyectar lo que creemos.

 ¿Ocurre lo mismo cuando investigan? 

 Sí, cuando investigamos en física teórica nos enfrentamos a lo desconocido. No conocemos las leyes, aparte de algunos principios que nos hemos dado. Verificamos que funcionan, y si no lo hacen hay que cambiarlos. Y estos principios pueden ser muy raros. Por ejemplo, para E=mc2, que el tiempo cambie no es muy difícil de explicar porque, de todos modos, nadie comprende qué es realmente. Es algo abstracto. Si nos aburrimos, el tiempo es largo; si nos divertimos, es corto. La mayoría de la gente acepta que si vamos rápido, el tiempo se ralentiza, y que si vamos a la velocidad de la luz, ya no envejecemos. Es asombroso, pero no da quebraderos de cabeza [risas]. En cambio, la idea de que el espacio y las distancias puedan cambiar es mucho más difícil porque estamos acostumbrados a que sea algo que parece fijo. Pero Einstein y otros científicos han demostrado que esto no es cierto. Las distancias dependen de quien las mire.

¿Esta sería la historia detrás de la famosa fórmula? 

 Es una historia de grandes velocidades y grandes energías, inaccesibles para nuestros sentidos. Es como si abriéramos una nueva realidad a nuestro alrededor. E=mc2 es una consecuencia de la forma en la que Einstein ha formulado las cosas. Partió de algunos principios que tenía en su cabeza a los que la naturaleza debería obedecer. A priori no había ninguna razón por la que esto fuera cierto, pero resultaron ser correctos. En uno de ellos Einstein señaló que no hay razón aparente por la que la naturaleza aparezca diferente si viajamos a velocidades diferentes. El universo debería verse de la misma manera que si se va a una velocidad mayor. Y en un segundo principio la luz va siempre a la misma velocidad en el vacío. Gracias a estos dos principios conseguimos la equivalencia entre materia y energía.

 ¿Los científicos de la época hubieran llegado a estas mismas conclusiones si Einstein no lo hubiera formulado? 

 En lo que se refiere a E=mc2 sí se hubiera descubierto más o menos en ese momento. Correspondía a la época, solo se necesitaba dar un pequeño paso con un espíritu de síntesis y un poco de perspectiva sobre los conocimientos de aquel momento. Sin embargo, lo que cuento en mi libro anterior –El universo en tu mano– es que, con el descubrimiento de la teoría de la gravitación en 1915, Einstein tenía unos 50 o 60 años de ventaja. Es difícil juzgar cuánto tiempo hubiéramos tardado en descubrirlo si él no hubiera existido. Pero el caso es que sorprendió a todo el mundo, nadie se lo creía.

 Aún ahora se siguen confirmando muchas de sus teorías, por ejemplo, con el hallazgo de las ondas gravitacionales, pero solo fue premiado con el Nobel por el efecto fotoeléctrico... 

Está claro que para E=mc2 tendría que haberlo obtenido, así como para el movimiento browniano. Para la teoría general de la relatividad tendría que haber ganado unos tres o cuatro premios Nobel [risas]. En realidad le tendrían que haber dado un paquete de 10 Nobel de un golpe y no habría sido ninguna estafa. Habría sido lo más justo.

También es verdad que en estos premios se distingue más la experimentación… 

 Cierto. Einstein fue un gran teórico. Era alguien al que le gustaba mucho reflexionar y que no se interesaba mucho por los experimentos. Para él esto era secundario. Pero no pasa nada, al final se trata de un reconocimiento de otras personas, y por lo que ha descubierto su nombre será aún conocido en mil años. Y en ese tiempo probablemente los Premios Nobel ya los habremos olvidado. "A Einstein le tendrían que haber dado un paquete de 10 Nobel de un golpe y no habría sido ninguna estafa”

¿A qué se parecería el mundo ahora si Einstein no hubiera existido?

Imaginando que desde entonces nadie hubiera llegado a sus conclusiones, viviríamos todavía en un mundo newtoniano. Es decir, un mundo en el que el espacio y el tiempo son tácitos. Los objetos no viajarían muy rápido, no podríamos tener teléfono móvil, ni ordenador portátil, ni siquiera ordenador a secas, ni satélites que comunican con la Tierra sin cometer errores. No tendríamos nada de esto. Nuestra vida sería totalmente diferente.

¿Cree que algún día habrá algún descubrimiento tan revolucionario como los que realizó el científico alemán? 

Estoy totalmente convencido de ello. Ahora, la pregunta es cuál será ese descubrimiento. Tendría que ser Einstein mismo para decírtelo. Pero en las ideas que los teóricos barajan en la actualidad para explicar los fenómenos incomprendidos hay tantos misterios, tantas cosas que aún no entendemos y que ni siquiera tienen sentido con las teorías que tenemos, que necesariamente hay una teoría subyacente que existe, que está en algún lado y que nadie ha encontrado todavía.

¿Qué podría explicar esta teoría?

 Explicaría la materia y la energía oscuras, lo que pasó en el Big Bang, o lo que ocurre en el interior de los agujeros negros. Hay algunos científicos que introducen dimensiones suplementarias, universos paralelos y formas extrañas de materia. Sea cual sea la solución que se encuentre, se pondrán en cuestión algunos de nuestros conocimientos. Esto es lo que hizo Einstein.

En el libro se aprecia la profunda admiración que siente por Einstein. Si hubiera podido trabajar con él, como lo ha hecho con Stephen Hawking, ¿en qué aspectos le hubiera gustado ahondar? 

 Habría dependido de la época en la que hubiera comenzado a trabajar con él. Imaginando que yo mismo hubiese sido un científico brillante y hubiera entendido lo que Einstein decía –en la época muchos no le entendían–, en los años 1915 habría estudiado cosmología. Gracias a Einstein acabábamos de descubrir que nuestro universo tenía una historia y esto ha dado lugar a la cosmología. Pero si hubiera trabajado con él más tarde, pienso que habría investigado los lugares (el Big Bang y los agujeros negros) donde su teoría ya no funciona. Es exactamente lo que hizo Hawking en los años 60 y 70: intentar dar un pequeño paso en el área de la gravitación cuántica, es decir, un paso más allá de Einstein y de lo cuántico al mismo tiempo.

 ¿Sigue trabajando en la actualidad con Hawking? 

 Ahora es un amigo. Ya no hago investigaciones teóricas porque no tengo tiempo [risas]. Es horrible, pero es así. Ahora intento que cada vez más niños quieran hacer ciencia y que más adultos comprendan por qué la ciencia es importante para nuestra sociedad y el futuro de la humanidad.

19 octubre 2017

Max Planck; la Ley de la emisión del cuerpo negro (la Ley de Planck)

Comparto con el permiso del autor: "A hombros de gigantes. Ciencia y tecnología": https://www.facebook.com/pages/A-hombros-de-gigantes-Ciencia-y-tecnología/550658241716954?ref=hl



El 19 de octubre de 1900, en su casa de Grunewald, a las afueras de Berlín (Alemania), el físico alemán Max Planck descubría la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro
(Planck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wien'schen Spectralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202–204 y Planck, M. (1900b). "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 237–245).

Esta ley se convirtió en una de las bases de la mecánica cuántica, que emergió formalmente, también de la mano de Planck en diciembre del mismo año.

En 1918, Planck fue galardonado con el Premio Nobel de Física «por su papel jugado en el avance de la física con el descubrimiento de la teoría cuántica».

Max Karl Ernest Ludwig Planck (Kiel, Alemania, 23 de abril de 1858 – Gotinga, Alemania, 4 de octubre de 1947) se matriculó para el curso 1874/75 en la Facultad de Física de la Universidad de Múnich. Allí, bajo la tutela del profesor Jolly, Planck condujo sus propios experimentos (por ejemplo sobre la difusión del hidrógeno a través del platino caliente) antes de encaminar sus estudios hacia la física teórica.

El curso 1877/78 lo realizó en Berlín, en la Universidad Friedrich-Wilhelms, donde recibió las enseñanzas de los célebres físicos Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff.
Su tesis de doctorado, llevó por título «Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie» (Sobre el segundo principio de la termodinámica) y que presentó en 1879 en Múnich, con 21 años. Volvió a Múnich en 1880 para ejercer como profesor en la universidad. En 1889, volvió a Berlín, donde desde 1892 fue el director de la cátedra de Física teórica.

El 19 de octubre de 1900, descubrió la ley de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo a una temperatura dada, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro (Planck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wien'schen Spectralgleichung".

 Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202–204 y Planck, M. (1900b). "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 237–245).

Esta ley se convirtió en una de las bases de la mecánica cuántica.

La ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. Se trata de un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica.

La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro (o radiancia espectral) con una cierta temperatura T y frecuencia viene dada por la ley de Planck donde I(v,t) dv es la cantidad de energía por unidad de área, unidad de tiempo y unidad de ángulo sólido, h es una constante que se conoce como constante de Planck; c es la velocidad de la luz; y k es la constante de Boltzmann.

El trabajo de Planck supuso el comienzo de la mecánica cuántica, lo que llevó consigo un cambio de mentalidad en la manera de comprender los fenómenos de la naturaleza a escala atómica.

El 14 de diciembre del año 1900, Max Planck expuso sus ideas sobre la física cuántica en una reunión de la Sociedad de Física alemana, revolucionando la comprensión de los científicos de la época sobre la física.

Planck demostró que en ciertas situaciones la energía exhibe características de la materia física, algo impensable en ese momento. Sugirió la explicación de que la energía existe en paquetes discretos, a los que llamó "quanta".

Planck había descubierto una constante fundamental, la denominada constante de Planck, usada para calcular la energía de un fotón. Esto significa que la radiación no puede ser emitida ni absorbida de forma continua, sino solo en determinados momentos y pequeñas cantidades denominadas cuantos o fotones. La energía de un cuanto o fotón depende de la frecuencia de la radiación:
E = hv
donde h es la constante de Planck y su valor es 6,626 por 10 elevado a -34 julios por segundo o también 4,13 por 10 elevado a -15 electronvoltios por segundo. Denotada como h, es la constante que frecuentemente se define como el cuanto elemental de acción. Planck la denominaría precisamente «cuanto de acción» (en alemán, Wirkungsquantum), debido a que la cantidad denominada acción de un proceso físico (el producto de la energía implicada y el tiempo empleado) solo podía tomar valores discretos, es decir, múltiplos enteros de h.

Fue inicialmente propuesta como la constante de proporcionalidad entre la energía E de un fotón y la frecuencia f de su onda electromagnética asociada. Esta relación entre la energía y la frecuencia se denomina «relación de Planck»:
(Planck, Max. (1901). “Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum.” Annalen der Physik, vol. 309, issue 3 pp. 553–63 (1901).

La constante de Planck surgió tras un estudio experimental del cuerpo negro que condujo a una discrepancia entre los resultados experimentales y los obtenidos aplicando las leyes de la Física clásica.

Según la ley de Stefan-Boltzmann, la radiancia espectral de los cuerpos aumenta rápidamente con la cuarta potencia de la temperatura y, además, se desplaza hacia frecuencias mayores (ley de desplazamiento de Wien). El problema surgió al calcular la energía absorbida por el cuerpo negro a una temperatura dada mediante el teorema de la equipartición de energía, pues a medida que la frecuencia crecía la predicción teórica tendía a infinito mientras que los experimentos mostraban que la densidad de energía siempre es finita y tiende a cero para frecuencias muy altas.

Este comportamiento irreal de las teorías clásicas a las altas frecuencias es conocido como «catástrofe ultravioleta». Planck estaba interesado en dar sentido a este dilema; para lograrlo, decidió considerar la energía absorbida y emitida por el cuerpo negro en forma de «paquetes» discretos. Al realizar los cálculos de acuerdo con este procedimiento, y mediante un trabajo numérico, obtuvo una buena concordancia entre los resultados experimentales y los teóricos, introduciendo una constante que posteriormente fue conocida como la constante de Planck (h)

En 1905 se publicaron los primeros estudios del desconocido Albert Einstein acerca de la teoría de la relatividad, siendo Planck unos de los pocos científicos que reconocieron inmediatamente lo significativo de esta nueva teoría científica.

Planck también contribuyó considerablemente a ampliar esta teoría. La hipótesis de Einstein sobre la ligereza del quantum (el fotón), basada en el descubrimiento de Philipp Lenard de 1902 sobre el efecto fotoeléctrico, fue rechazada inicialmente por Planck, así como la teoría de James Clerk Maxwell sobre electrodinámica.

En 1910 Einstein precisó el comportamiento anómalo del calor específico en bajas temperaturas como otro ejemplo de un fenómeno que desafía la explicación de la física clásica. Planck y Walther Nernst para clarificar las contradicciones que aparecían en la física organizó la primera Conferencia Solvay, realizada en Bruselas en 1911. En esta reunión, Einstein finalmente convenció a Planck sobre sus investigaciones y sus dudas. A partir de aquel momento les unió una gran amistad, siendo nombrado Albert Einstein profesor de física en la universidad de Berlín mientras que Planck fue decano.

Desde 1905 hasta 1909, Planck fue la cabeza de la Deutsche Physikalische Gesellschaft (Sociedad Alemana de Física). En 1913, se puso a la cabeza de la universidad de Berlín.

En 1918 recibió el Premio Nobel de física por la creación de la mecánica cuántica. Desde 1930 hasta 1937, Planck estuvo a la cabeza de la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (KWG, Sociedad del emperador Guillermo para el Avance de la Ciencia).

Durante la Segunda Guerra Mundial, Planck intentó convencer a Adolf Hitler de que perdonase a los científicos judíos.

Max Planck profundizó en el estudio de la teoría del calor y descubrió, uno tras otro, los mismos principios que ya había enunciado Josiah Willard Gibbs (sin conocerlos previamente, pues no habían sido divulgados). Las ideas de Clausius sobre la entropía ocuparon un espacio central en sus pensamientos.

Tras la muerte de Max Planck el 4 de octubre de 1947 en Gotinga, la KWG se renombró a Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (MPG, Sociedad Max Planck).

La Sociedad Max Planck para la Promoción de las Ciencias (en alemán Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.) (MPG) es una red de institutos de investigación científica en Alemania. El nombre honra la memoria de Max Planck, el físico alemán que inició la mecánica cuántica. Esta institución sustituyó a la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft y es una organización independiente y sin ánimo de lucro fundada por los gobiernos federal y estatal de Alemania.

La Sociedad Max Planck tiene reputación mundial como organizanización de investigación de ciencia y tecnología. En 2006, las clasificaciones del Times Higher Education Supplement de instituciones de investigación no universitarias (basados en la revisión de sus pares internacionales) colocaron a la Sociedad Max Planck como la número 1 en investigación científica y la número 3 en investigación tecnológica a nivel mundial.


06 octubre 2017

Nobel de Química para los científicos que retratan las moléculas de la vida


Los científicos Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson son los ganadores del Premio Nobel de Química 2017 por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica, que permite visualizar y estudiar biomoléculas en alta resolución. Se trata de un avance trascendental en bioquímica, que ayudará a comprender mejor la química de los seres vivos y desarrollar nuevos fármacos.

Pronto se podrán obtener imágenes  a resolución atómica de la compleja maquinaria de la vida gracias a los ganadores del Premio Nobel de Química de este año: Jacques Dubochet, de la Universidad de Lausana (Suiza); Joachim Frank, de la Universidad de Columbia (EE UU);  y Richard Henderson, del MRC Laboratory of Molecular Biology de Cambridge (Reino Unido).
Ahora los científicos pueden congelar las biomoléculas en pleno movimiento y visualizar procesos que nunca antes habían visto

La Academia Sueca de las Ciencias se lo ha otorgado hoy "por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica, que permite determinar en alta resolución las estructuras de biomoléculas en solución". Este método, que simplifica y mejora la obtención de imágenes de las moléculas de la vida, ha llevado a la bioquímica a una nueva era.

Las imágenes son claves para entender cualquier proceso. Los descubrimientos científicos a menudo se basan en poder visualizar bien los objetos que son invisibles al ojo humano. Sin embargo, hasta la fecha los 'mapas' bioquímicos se han llenado de espacios en blanco porque la tecnología disponible tenía dificultades para generar imágenes de gran parte de la maquinaria molecular de la vida.

Pero ahora la llamada criomicroscopia electrónica lo cambia todo. Los científicos pueden congelar las biomoléculas en pleno movimiento y visualizar procesos que nunca antes se habían visto, lo que es decisivo tanto para la comprensión básica de la química de la vida como para el desarrollo de productos farmacéuticos.

Durante mucho tiempo se pensó que los microscopios electrónicos solo eran adecuados para captar imágenes de materia muerta, ya que el poderoso haz de electrones que emplea destruye el material biológico. Pero en 1990, el escocés Richard Henderson (Edimburgo, 1945) logró por fin utilizar uno de estos microscopios para generar una imagen tridimensional de una proteína a resolución atómica. Este avance demostró el potencial de la técnica.

Fusión de imágenes difusas 2D para crear una nítida 3D
Por su parte, el químico alemán Joachim Frank (Siegen, 1940) hizo que esta tecnología se pudiera aplicar de forma general. Entre 1975 y 1986 desarrolló un método de procesamiento de imágenes en el que se analizan las fotografías bidimensionales difusas que toma el microscopio electrónico y después se fusionan para revelar una estructura tridimensional definida.

La resolución atómica que ansiaban los científicos se alcanzó en 2013 y hoy se producen de forma rutinaria las estructuras 3D de las biomoléculas

Y la aportación del suizo Jacques Dubochet (Aigle, 1942) fue el uso del agua en la microscopía electrónica. El agua líquida se evapora en el vacío que se genera dentro de estos avanzados microscopios, lo que hace que las biomoléculas colapsen. Sin embargo, a principios de los años ochenta, Dubochet consiguió vitrificar el agua: la enfrió con tanta rapidez que se solidificó en su forma líquida alrededor de una muestra biológica, permitiendo así que las biomoléculas conserven su forma natural, incluso en el vacío.

Después de estos descubrimientos, se han optimizado todas las piezas del microscopio electrónico. La resolución atómica que ansiaban los científicos se alcanzó en 2013, y ahora se pueden producir de forma rutinaria las estructuras tridimensionales de las biomoléculas.

En los últimos años, la literatura científica se ha llenado de imágenes de todo tipo, desde proteínas que causan resistencia a antibióticos hasta la superficie del virus Zika. Como señala la Academia Sueca de las Ciencias en un comunicado, "la bioquímica se enfrenta ahora a un desarrollo explosivo, pero está preparada para ese futuro emocionante".