Nostalgia

Antigua balsa de riego situada en Cehegín (MURCIA)

Hace como 30 años, quizá alguno más, muchos grupos de niños y niñas nos bañábamos en esta balsa de riego. “La balsa triangular” la llamábamos. El chapuzón venía justo después de pasar un largo rato enviscándonos hasta las cejas en unas balsas de lodo de corte y pulido de mármol de una empresa adyacente. A las “arenas movedizas”, decíamos que íbamos, a ver quien era más valiente (o insensato, según se mire) y se adentraba más en las balsas de lodos de mármol. Después, con bambos y ropa incluida, nos zambullíamos en la “balsa triangular” para intentar limpiar el lodo de nuestro cuerpo y ropa, con la esperanza de que tras el secado al sol no quedase rastro ninguno que revelase a nuestros padres aquel juego, digamos, no muy seguro.

 

Han pasado muchos años. La zona, antes repleta de árboles frutales, es ahora un secarral. Y la balsa en la que nos limpiábamos y refrescábamos, sirve de papelera donde otros jóvenes ahora arrojan latas vacías y demás basura. Caminando hoy por este lugar la nostalgia es inevitable.

 

Es curioso cómo nuestro cerebro procesa ciertos recuerdos. Recuerdos de vivencias que hoy percibimos como únicas, maravillosas e irrepetibles, y que dan lugar a la sensación de que “todo tiempo pasado fue mejor”. Desde luego no creo que esto sea cierto en lineas generales, sino que tendemos a idealizar los buenos momentos del pasado, quedando como recuerdos que provocan un anhelo motivado por el hecho de que sabemos que esas vivencias no podrán volver a ser vividas. Pero el presente tiene sin duda también vivencias únicas, maravillosas e irrepetibles, solo que son presente y aún no pasado. 

¿Por qué la Luna no cae sobre la Tierra?

¿Por qué la Luna no cae sobre la Tierra? Una pregunta que, en principio, puede parecer ingenua. Una pregunta “infantil”, y es que... ¿acaso no te lo has preguntado en tu niñez? Una pregunta, que como muchas de las preguntas ingenuas, esconde mucho más de lo que parece. En esta entrada le daremos respuesta y descubriremos que tiene un poco de trampa… Pero vayamos por partes. 

Seguro que sabes lo que es la acción de la gravedad. Todos la sentimos en nosotros mismos (nuestro peso) y vemos su efecto todos los objetos, en todo lo que nos rodea. Sabes muy bien lo que pasa si sostienes en tu mano un objeto a cualquier altura y lo sueltas. Sin embargo, puedes observar como la Luna cada noche permanece ahí, como "sostenida mágicamente” en el espacio, como si alguna fuerza o especie de "ente" la sostuviese ahí para que todos pudiésemos contemplar su belleza. ¿Por qué no cae sobre la tierra?

Una pregunta similar pudo hacerse Isaac Newton en el siglo XVII.  Con permiso de Einstein, podemos decir que Newton es el científico más grande de todos los tiempos. Estableció las bases de la mecánica clásica, fuerzas, movimiento, la ley de la gravitación universal, desarrolló trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica, desarrolló el cálculo matemático, la mecánica de fluidos... ¿Alguien da más?

Pues bien,  Newton postuló en su Ley de la Gravitación Universal, que dos cuerpos se atraen entre sí mediante una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Es decir, que cuanto más masivos, más "gordos", son los objetos y más cerca se encuentran, mayor es la atracción entre ellos. La expresión es la siguiente:´

Ley de la Gravitación Universal de Newton. F es la Fuerza de la Gravedad, G una constante (constante gravitatoria), m1 y m2 las masas de los dos cuerpos y r la distancia entre ellos.

De esta manera, en este momento y continuamente, estás siendo atraído por la Tierra con una fuerza con un valor dado según la expresión de la ley. De esta manera, según podemos deducir de la ley, esa fuerza será menor conforme te encuentres a una mayor altitud, ya que la distancia (r) es mayor. Así es que ya sabes, una buena forma de adelgazar puede ser subir a algún pico de gran altitud ;-) 

Pues bien, al igual que te ocurre a ti, la Luna también se siente atraída por la Tierra. Volvemos a la pregunta título de la entrada, pero entonces ¿Por qué no cae ésta sobre la Tierra? Bueno, la verdad es que, la Luna no deja de caer sobre la Tierra. ¿Cómo? ¿Qué cae continuamente sobre la Tierra? Pero entonces ¿por qué no ha colisionado con la Tierra? Esta última es la pregunta a la que vamos a dar respuesta, ya que como has visto, la primera pregunta tenía trampa. Para buscar la respuesta realizaremos un experimento mental, con la inestimable ayuda de nuestro superhéroe favorito: Superman. Superman siempre está dispuesto a echar una mano.

El experimento es el siguiente: Superman deberá ir haciendo diferentes saltos cada vez cogiendo un mayor impulso inicial, de tal manera que justo después del salto no deberá utilizar sus superpoderes para volar ni hacer nada, simplemente dejará el “cuerpo muerto” a merced de las leyes de universo.

En los primeros saltos, tal y como todos deberíamos esperar, cae a una cierta distancia de donde realiza el salto. ¿Por qué? Bueno, Superman es Superman, pero por muchos poderes que tenga a él también le afecta la acción de la gravedad terrestre. 

Conforme va repitiendo el experimento con mayor impulso inicial, Superman irá cayendo a una mayor distancia en la Tierra... hasta que llega un punto en el ya no colisiona con la tierra!! (y recuerda: no puede utilizar sus poderes para mantenerse ahí). ¿Quiere decir esto que ya no está cayendo? Ni mucho menos, la acción de gravedad sigue ahí, Superman no deja de caer hacia la tierra. ¿Qué es lo que ocurre entonces? Bueno,  si la Tierra fuese plana e infinita, tarde o temprano acabaría cayendo, más tarde o más temprano dependiendo del impulso inicial. La clave está en la forma de Tierra: Superman no para de caer pero debido a la curvatura de la Tierra se va manteniendo a la misma altura. Superman no para de caer, pero la trayectoria que va describiendo tiene la misma curvatura que la de la Tierra. ¡Hemos puesto en órbita a Superman!

Pues esto es precisamente lo que le pasa con la Luna. Ésta no para de caer, pero debido a la esfericidad de la Tierra, se mantiene en órbita alrededor de ella. Y no solo la Luna, por supuesto, sino a todos los objetos en órbita. Los planetas alrededor del sol, los satélites artificiales, la estación espacial internacional, incluidos por supuesto también los astronautas de la misma.

Ahí los ves, tan felices “flotando”. Felices supongo que estarán, pero ya sabes que flotando desde luego no. Y es que no paran de caer hacia la Tierra, tal como no paraba de caer en nuestro experimento Superman. De esta manera los astronautas en la estación internacional no es que se encuentren en ingravidez, no es que no se sientan atraídos hacia la Tierra, no dejan de caer hacia la Tierra, es el principio de equivalencia. Si no sintieses la fricción del aire contra tu cuerpo, lo que experimentarías en un salto de caída libre es exactamente lo que experimentan los astronautas en la estación internacional. Los astronautas no paran de caer, pero debido a la capacidad de adaptación de nuestro cuerpo, al tiempo dejan de sentir esa sensación de caída libre.

La próxima vez que veas la Luna una noche, recuerda que ésta no para de caer hacia la Tierra. Ahora bien, ya sabes que puedes estar tranquilo, pues por mucho que esté en caída libre no hay peligro de colisión con nuestro hogar.

Ya sabemos la respuesta a la pregunta que da título a la entrada. Pero profundicemos un poco más en algunas cuestiones.

Imagina que colocamos, que hacemos aparecer por arte de magia, en un instante  dado, un satélite como la Luna a una cierta distancia de la Tierra. Que lo hacemos aparecer de la nada y lo colocamos ahí, inmóvil respecto de la Tierra. ¿Qué ocurriría entonces? Pues en este caso la colisión sería inevitable... Pasaría lo mismo que pasa cuando dejas caer, por ejemplo, una pelota desde lo alto de un edificio.

¿Pero entonces que pasa con todo lo que hemos hablado hasta ahora? Hay un detalle fundamental que diferencia esta situación de las otras. Y es que tanto la Luna, como los satélites artificiales, como la estación internacional, tienen un componente de velocidad tangencial a la trayectoria circular que hace que se mantenga la órbita.  

Así, la combinación de estas dos componentes (velocidad tangencial y gravedad), es lo que mantiene la órbita alrededor de la Tierra. Si quitásemos la componente "velocidad tangencial", la Luna caería sobre la Tierra, y si pudiésemos hacer desaparecer la componente de la gravedad, la Luna saldría disparada en la dirección y sentido indicado por la velocidad tangencial.

Es lo que hemos visto en nuestro experimento con Superman. La velocidad tangencial de los satélites artificiales proviene del impulso inicial (de igual manera que el de Superman en nuestro experimento). De esta manera, si ese impulso inicial fuese demasiado grande, si la velocidad inicial fuese muy grande, podríamos hacer que el objeto escapase de la acción de la gravedad terrestre, iniciando un viaje por el sistema solar. A ese valor límite de la velocidad a partir del cual un objeto es capaz de escapar de la acción de la gravedad terrestre se denomina velocidad de escape.



Vale, ¿y la Luna o los planetas girando alrededor del sol? ¿Quién les dio ese impulso inicial? En este caso piensa que los planetas, satélites, etc. no aparecieron de repente de la nada, ya tenían diferentes velocidades relativas entre ellos. Estos objetos se fueron formando a partir del material que giraba ya alrededor del sol y que se fue acumulando hasta la formación de los diferentes planetas, lunas, etc.

De esta manera, la increíble y incesante danza cósmica de los planetas alrededor de una estrella, de asteroides, de satélites, de sistemas estelares y el centro de las galaxias a los que pertenecen, de galaxias entre sí, de cúmulos de galaxias, etc. en definitiva de todos  cuerpos celestes del Universo, se ve gobernada por la increíble acción de la gravedad.

La física detrás de una llama

Fotografía de las Fallas de Valencia aparecida en el periódico El Mundo el 20/03/2012

¿Quién no se ha quedado hipnotizado delante de una chimenea observando un fuego?

Desde que se conoce, el fuego nos ha fascinado. Sin embargo, y a pesar de ser un hecho tan cotidiano y usual, no fue hasta el siglo XX hasta que pudimos comenzar a entenderlo. ¿Te has parado a pensar en qué es realmente el fuego? ¿Por qué nos ilumina? ¿De qué está formado? Piensa por un momento en ello, la cuestión no es tan sencilla como podría parecer en un primer momento… Y es que, como suele suceder con multitud de hechos cotidianos, cuanto más intentas profundizar en ellos, más complicados y sorprendentes resultan.

En esta entrada intentaremos dar respuesta a estas preguntas, intentaremos adentrarnos en la estructura íntima de las llamas de un fuego para entender su realidad más profunda. Vamos allá!

En la antigüedad el fuego se consideraba como uno de los cuatro elementos de los que se creía que estaba formado todo los que nos rodea: agua, tierra, aire y fuego. Se pensaba en el fuego como una parte material contenida en algunas sustancias que se manifestaba en determinadas circunstancias. Por ejemplo, se consideraba que un trozo de madera contenía en su interior fuego, y éste era liberado al hacer arder la madera. Aunque esta idea fue abandonada en el siglo XVIII, tenemos que esperar hasta el siglo XX, cuando se avanzó en el entendimiento de la naturaleza atómica de la materia gracias al nacimiento de la física cuántica, para poder comprender realmente las características del fuego, cómo y por qué se produce.

El fuego se produce en los procesos de combustión, es decir, en reacciones químicas en las que los reactivos: combustible (por ejemplo gas natural) y comburente (normalmente oxígeno), reaccionan entre sí para formar unos productos, (siguiendo el ejemplo, dióxido de carbono y vapor de agua), desprendiendo en el proceso cierta cantidad de energía.

Reacción de combustión del metano: el metano reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y vapor de agua, con un desprendimiento de energía.

Veamos el proceso de combustión de nuestro ejemplo desde un punto de vista energético: todo en el Universo tiende a estar en su mínimo de energía, pues bien, en la reacción de combustión los reactivos (en el ejemplo anterior metano y oxígeno) se encuentran en un cierto nivel de energía, nivel éste con un valor más alto que el nivel al que se encuentran los productos (dióxido de carbono y agua). Por tanto, al producirse la reacción el sistema ha pasado de un nivel de energía mayor a otro menor. Como la energía no puede crearse ni destruirse, esta diferencia de energía en el sistema es la que se desprende en la reacción. Por otro lado, todos sabemos que si tenemos gas metano, en condiciones habituales no comienza su combustión. Necesitamos aplicar un cierto valor de energía para que el proceso comience: es la energía de activación (ésta podría ser por ejemplo una chispa, para el ejemplo que estamos viendo). Eso sí, una vez la combustión comienza, la energía producida "retroalimenta" a la misma produciéndose la reacción en cadena. 

Así pues, en las reacciones de combustión se desprende una cantidad de energía, que recordamos, es una magnitud física capaz de producir un trabajo. Podríamos hacernos la siguiente composición mental del proceso de combustión: moléculas de reactivos chocan con la velocidad suficiente para romper sus enlaces, quedando los átomos "libres" y produciéndose una recombinación entre los mismos formando de esta manera nuevas moléculas. Como el nivel energético de los nuevas moléculas es menor que el de los reactivos, se desprende una gran cantidad de energía.

La siguiente pregunta que debemos plantearnos ahora es: ¿Y a dónde va a parar esa energía? Bien, pues básicamente la energía desprendida es absorbida por las sustancias presentes en el medio, y esta absorción de energía es la responsable de la aparición de llamas en un fuego, son la causa de que se produzcan las mismas. Vamos ya a adentrarnos en los fenómenos físicos que provocan las llamas.

La energía que se va desprendiendo en la reacción de combustión es absorbida por las especies presentes en el medio provocando los dos fenómenos responsables de la llama: la incandescencia y la luminiscencia.

Por un lado, el aumento de energía de las especies presentes en el medio de reacción de combustión no puede producirse indefinidamente, es decir, la energía no puede aumentar hasta el infinito. La energía que van adquiriendo las sustancias, por otro lado es devuelta al medio en forma de radiación térmica. Explicaremos esto mejor. Piensa en el siguiente ejemplo: imagina un objeto que colocamos al sol durante una semana. Cuando el objeto va absorbiendo ondas que le llegan del sol, se produce un aumento de su energía y con esta, de su temperatura. Pero resulta obvio que la temperatura no aumenta indefinidamente día tras día, por lo que la energía que va adquiriendo por otra parte debe ser devuelta al medio, y es devuelta en forma de radiación térmica. Esto quiere decir que todo cuerpo que se encuentra por encima del cero absoluto de temperatura emite una radiación electromagnética, una radiación que depende de la temperatura a la que se encuentre. Todo cuerpo con temperatura emite radiación térmica. Todo lo que nos rodea está emitiendo radiación, porque está a cierta temperatura, pero normalmente emite una radiación que no corresponde con las ondas del espectro visible visible, por lo que no podemos verla. Sin embargo, si la temperatura alcanza valores lo suficientemente altos, esa radiación comienza a corresponder con el espectro visible. Todos lo hemos visto cuando se calienta un metal "al rojo", o por ejemplo en los filamentos de wolframio de las antiguas bombillas: es el fenómeno de la incandescencia.

Vaya, pues esto se parece bastante al fuego… Y tanto que se parece! La incandescencia es el principal fenómeno físico que hace que las llamas de un fuego "brillen". 

En los procesos de combustión hay partículas que no completan el proceso de combustión: son los inquemados. Pues en concreto, estas pequeñas partículas inquemadas presentes en el medio, y que formarán las cenizas o el humo del fuego, se encuentran a altas temperaturas en suspensión en el interior de las llamas, produciendo el  típico color amarillo y naranja de las llamas por ejemplo de una hoguera. 

De esta manera, dependiendo de la temperatura a la que se encuentran esas partículas incandescentes, la radiación emitida es de un color diferente.

Color de la radiación emitida por el fenómeno de incandescencia en función de la temperatura medida en grados Kelvin.

Así pues, en un fuego en una chimenea donde quemamos madera por ejemplo, la llamas están formadas por miles de pequeñas partículas que se van formando en la reacción pero no terminan de completar la combustión y que debido a la temperatura emiten luz principalmente en el amarillo y naranja. Estas pequeñas partículas, van ascendiendo en la masa de gas caliente, disminuyendo su temperatura en el ascenso, hasta un valor en el que ya no produce emisión de radiación térmica en el espectro visible y cesa el fenómeno de luminiscencia, conformando de esta manera los límites de las llamas.

Así pues, las llamas de un fuego son principalmente la manifestación del conjunto de partículas incandescentes en movimiento caótico en el seno del mismo, emitiendo luz en el espectro visible. Los límites de la llama se conforman cuando las partículas dejan de estar a la temperatura suficiente como para emitir luz en el visible. Por tanto, en una llama habitualmente el tiempo durante el cual una partícula se encuentra en estado incandescente suele ser corto, sin embargo, el proceso de combustión va generando nuevas partículas incandescentes lo que hace que la llama se mantenga "viva". Es decir, la llama no está formada por un mismo conjunto de partículas que permanecen ahí, sino que está formada por el flujo continuo de nuevas partículas incandescentes.

Hasta aquí con la incandescencia, pero además de este fenómeno, hay otro que también puede producirse en la combustión, y que al igual que anterior también produce la emisión de luz: la luminiscencia.

Seguro que has observado alguna vez fuegos de diversos colores, sin ir mas lejos todos lo hemos visto en los fuegos artificiales. 

Pues estos colores son producidos por el fenómeno de luminiscencia, y para poder entenderlo tenemos que adentrarnos en la estructura electrónica de los átomos:

Los electrones de un átomo se organizan situándose en diferentes regiones del espacio en lo que denominamos orbitales atómicos (regiones del espacio donde hay una mayor probabilidad de encontrar a los electrones). A cada orbital le corresponde un nivel de energía diferente, mayor cuanto más alejado se encuentra del núcleo atómico. Pues bien, si un electrón situado en un orbital recibe una cierta cantidad de energía, puede producirse un "salto cuántico" del electrón a un orbital superior, de energía mayor. Pero claro, hemos dicho que todo en el Universo tiende a estar en su estado de mínima energía, por lo que el electrón vuelve a caer al orbital original, de menor energía, emitiendo ahora una onda electromagnética con una energía que correspondiente a la diferencia de energía entre los dos orbitales. Esta onda se emite en forma de luz con un color específico que depende precisamente del valor de esa diferencia de energía. Como la distribución de electrones, la configuración electrónica, es diferente para cada elemento de la tabla periódica, diferentes elementos darán lugar a diferentes ondas absorbidas y emitidas, es decir, luz de diferente energía que se traduce en distintos colores. 

Los espectros atómicos son las diferentes ondas electromagnéticas que pueden ser absorbidas y emitidas por un átomo de un elemento en estado gaseoso. Estas diferentes ondas se corresponden con sus correspondientes colores

Espectro visible. Los diferentes colores corresponden con diferentes longitudes de onda, que están relacionadas con la energía de las ondas electromagnéticas.

De esta manera, si añadimos diferentes elementos químicos a una llama, parte de la energía producida en la combustión es absorbida por los átomos produciendo estos saltos cuánticos y dando lugar a la emisión de diferentes radiaciones electromagnéticas, diferente luz de diferentes colores, en función del elemento añadido.

Y éstas, la incandescencia y luminiscencia, son las responsables de la emisión de luz de una llama. Así pues, ya hemos visto de lo que está formada una llama, cómo se produce y por qué emite luz. 

La próxima vez que estés delante de una chimenea observando un fuego piensa en su estructura más íntima. Piensa en los incontables saltos cuánticos de electrones entre orbitales, en la ingente cantidad de fotones que estos saltos producen y cómo al llegar a tus ojos tu cerebro los interpreta como diferentes colores. Piensa también en el incesante baile caótico de millones de partículas incandescentes que ascienden y conforman la llama, como éstas van perdiendo temperatura y con ella su poder luminoso, y sin embargo como la llama se va manteniendo viva gracias a la incorporación de nuevas partículas incandescentes. La próxima vez que estés delante de una chimenea observando un fuego piensa en todas estas cosas y entenderás por qué no puedes apartar la mirada del mismo.

El "Nosotros, y todo lo demás" de Neil deGrasse Tyson

Hoy traigo al blog una entrada un poco diferente. Y es que quiero compartir con vosotros una reflexión que Neil deGrasse Tyson hizo a Iñaki Gabilondo en su programa de entrevistas "Cuando ya no esté", de movistarplus. La verdad es que la entrevista completa no tiene desperdicio, por lo que te animo a que la veas, está en youtube dividida en dos partes, y que pongo al final de la entrada.

Pero quería compartir un corte de la entrevista que me parece especialmente imprescindible en los tiempos en los que vivimos. En tiempos en los que se agudizan las diferencias entre personas y regiones, tiempos en los que el "yo, y tú", el "nosotros, y ellos", "el aquí, y allí", hacen emerger odios, pensamientos de superioridad de unos ante otros, sentimientos de pertenencia a una raza privilegiada, una posición privilegiada, una religión, una doctrina política, nacionalismos, etc; En estos tiempos, viene muy bien recordar de dónde venimos todos y cada uno de nosotros, de donde viene toda y cada una de las cosas que nos rodea, qué somos y a donde pertenecemos; para darnos cuenta de lo absurdo que se ven nuestras diferencias cuando las miras desde un punto de vista, digamos, más amplio.

Os dejo con el vídeo, son sólo apenas 4 minutos. Dadle a pantalla completa y disfrutad:

Y aquí la entrevista completa:

Parte 1 y Parte 2

El Big Bang: ¿Origen del Universo?

Para entender la imagen anterior debes haber visto Poltergeist, un film clásico de 1982 en el que una niña llamada Carol entra en contacto con espíritus siendo su primer encuentro con ellos a través de un televisor desintonizado. Si aún así no la entiendes no te preocupes, a lo largo de esta entrada le encontrarás la gracia, dentro de la gracia que tienen mis chistes gráficos...

Estás leyendo esto gracias a una inmensurable cantidad de coincidencias. Tu árbol genealógico, la evolución de nuestra especie, el origen de la vida, la formación de la Tierra, del Sistema Solar, etc. Pero remontémonos atrás, mucho más atrás, hasta unos 13.700 millones de años aproximadamente. En esta entrada intentaremos explicar el origen de todo lo nos rodea a través de la teoría actualmente más aceptada para explicar la evolución del Universo: el Big Bang. Una tarea un poco compleja, pero que intentaremos explicar como siempre de una manera genérica y lo más comprensible que pueda. Te animo a que continúes leyendo, te aseguró que la historia que voy a relatar merece la pena. Vamos allá!

Vídeos de las charlas del Cehegín Cultural 2016: "La Ciencia es Cultura"

Hace prácticamente un mes que acabó un ciclo de conferencias muy especial para mí. Especial porque por primera vez en Cehegín, mi pueblo natal, se llevaron a cabo un ciclo de conferencias dedicadas a la ciencia y tuve el honor de poder organizarlo. Estoy hablando del "Cehegín Cultural 2017: la Ciencia es Cultura". Un ciclo de conferencias anual organizado desde el Ayuntamiento de Cehegín y que cada año gira en torno a una temática más o menos concreta. 

A estas alturas todo el que me conozca sabe que me entusiasma el mundo de la ciencia, por lo que cuando mi compañera concejala del Ayuntamiento, Mara, me pidió ayuda para la organización del ciclo de charlas de este año, debido a su reciente maternidad, no dudé ni por un instante decirle que sí. Ahora bien, como no podía ser de otra manera, la temática escogida debía ser la ciencia y su divulgación ;-)  

Al comienzo la incertidumbre por como iban a resultar las charlas fue bastante grande. No olvidemos que la ciencia no es que sea uno de los "temas estrella" que atraiga al gran público, pero vistos los resultados del ciclo la satisfacción es total. La verdad es que subestimé el interés que puede desperar la ciencia, y es que cuando vives algo con cierto entusiasmo, siempre tienes el temor de que la gente pueda no compartirlo; pero lo cierto es que la experiencia ha superado todas mis expectativas con creces, por la gran calidad de los ponentes y por la gran acogida que han tenido las diferentes charlas.

En esta entrada encontrarás algunas fotos y los vídeos de las diferentes charlas. Vamos allá!

El programa de conferencias del "Cehegín Cultural: la Ciencia es Cultura" fue el siguiente:

- Jueves 3 de noviembre

"Venenos, envenenadores y envenenados. Los venenos a través de la Historia” Por Daniel Torregrosa, químico y divulgador. Autor del blog www.esepuntoazulpalido.com y presidente de la Asociación de Divulgación Científica de la Región de Murcia.

“Miedo y mentiras de la alimentación del Siglo XXI”, por José Manuel López Nicolás. Profesor titular del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Murcia y autor del blog https://scientiablog.com/.


Dos ponentes de lujo para el pistoletazo de salida. La verdad es que no necesitan presentación, dos de los mejores divulgadores científicos en la actualidad. Aquí el vídeo de las charlas y algunas fotos: 

- Viernes 11 de noviembre

"Aplicaciones más relevantes de la biotecnología en Medicina", por la ceheginera María Senena Corbalán García, Catedrática de Bioquímica y Biología Molecular en la Universidad de Murcia. Todo un orgullo para nuestro pueblo contar con cehegineras tan relevantes. Aquí el vídeo de la charla y algunas fotos:

- Jueves 17 de noviembre

El cierre del Cehegín Cultural corrió a cargo por otro ceheginero, José Juan López Espín, profesor de informática en el Departamento de Estadística, Matemáticas e Informática de la Universidad Miguel Hernández de Elche, con su charla de título "Los supercomputadores y el bienestar de la sociedad". Aquí el vídeo de la charla y algunas fotos:

Y hasta aquí el ciclo de charlas. Para mí ha sido todo un placer haber realizado la presentación de las mismas, por dos motivos fundamentalmente, tal como digo en la presentación de la primera jornada: por un lado, porque estoy convencido de que todo aquel que se acerca a la ciencia, acaba enamorado de ella; y por otro, porque creo firmemente que la divulgación de la ciencia resulta imprescindible en la sociedad actual.

Para terminar, quiero expresar mi más sincera gratitud a los ponentes por su entera predisposición a participar en el Cehegín Cultural, así como darles la enhorabuena por sus charlas. Muchas gracias Dani, Jose, María Senena y Jose Juan por acercarnos la ciencia a Cehegín. Hasta la próxima!

RESUMEN DE LA EDICIÓN LXVII DEL CARNAVAL DE FÍSICA

La edición  LXVII del Carnaval de la Física ha llegado a su fin, y ahora toca dejar el resumen con las participaciones de esta edición, correspondiente con los meses de abril y mayo de 2016 y cuya temática ha versado sobre la "Conferencia de Solvay de 1927". 

Esta edición ha contado con las siguientes aportaciones:

Planck y el cuerpo negro: Bienvenidos a la Cuántica!

La visión que las personas tenemos de todo lo que nos rodea ha ido cambiando a lo largo de la historia. La forma de ver el mundo, la forma de entender eso que llamamos “realidad”, se ha ido modificando gracias en gran medida a las aportaciones de grandes genios. Genios como el protagonista de nuestra nueva entrada: Max Planck.

A finales del siglo XIX todo parecía encajar según la física clásica. La mayoría de los fenómenos de la naturaleza podían ser explicados gracias a la mecánica, el electromagnetismo y la termodinámica desarrollada hasta el momento. Eran tiempos en los que incluso se llegó a pensar que poco más se podría avanzar en la física, pero nuevos problemas y experimentos hicieron necesario replantear los conocimientos que se tenían hasta el momento, y en gran parte gracias a Max Planck, nació una nueva forma de entender el universo: la física cuántica. 

En esta entrada intentaremos explicar el problema al que se enfrentaron los científicos de la época, y como Planck encontró la solución al mismo, estableciendo el germen que produciría una de las revoluciones científicas más extraordinarias de la historia. Hablamos del “problema del cuerpo negro” y como Planck encontró su solución a través de la “ley de Planck”, introduciendo una nueva constante numérica: la constante de Planck. Una constante con valor numérico pequeñísimo pero con enormes consecuencias...

Antes de meternos de lleno en el problema del cuerpo negro, tenemos que dar unas pinceladas acerca de las ondas electromagnéticas. 

Todos tenemos una idea de lo que son las ondas, por ejemplo, las que se producen en la superficie del agua de un estanque cuando tiramos una piedra. Muy someramente, podemos definir una onda como la propagación de una perturbación en el espacio, propagación que implica un transporte de energía. De esta manera, cuando una piedra cae a un estanque, la perturbación que se produce en el punto en el que la piedra se sumerge en el agua se va propagando por la superficie del líquido en forma de ondas. La energía asociada a una onda se puede transportar a través de un medio material, como en el ejemplo anterior: en estos casos hablamos de ondas mecánicas. Pero también hay ondas que no necesitan de un medio material para propagarse, capaces de hacerlo en el vacío: son las ondas electromagnéticas, producidas por una perturbación en el campo electromagnético.

Son ondas electromagnéticas por ejemplo, el wifi de nuestros dispositivos para conectarse a Internet, las ondas de radio, las microondas con las que calentamos algún alimento en el aparato que lleva su mismo nombre, o la luz que nos llega del sol. Dos de los parámetros que caracterizan una onda son su frecuencia y su longitud de onda:

La longitud de onda (l, en metros) es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda, tal como puede observarse en la figura.

Otra característica de las ondas es su frecuencia (u, en Hz), que es el número de ciclos que se realizan por unidad de tiempo, y que está relacionada con la longitud de onda según la siguiente ecuación:

u·l = c

Donde c es la velocidad de la luz en el vacío (en m/s).

Como el valor de "c" es una constante (para un medio en concreto en el que se propague la onda), la ecuación nos indica que el producto de la frecuencia por su longitud de onda siempre da como resultado un mismo valor. Por tanto, cuanto mayor es la longitud de onda menor será la frecuencia, y viceversa. Y dependiendo de las frecuencias o longitudes de ondas electromagnéticas obtenemos lo que se conoce como espectro electromagnético:

Como puedes ver en la figura, las ondas de radio son las de mayor longitud de onda (y por tanto menor frecuencia) y los Rayos gamma la de menor longitud de onda (y por tanto mayor frecuencia). El espectro visible (donde están incluidos todos los colores que vemos), como su propio nombre indica, es la franja de ondas electromagnéticas que nuestro ojo puede percibir. De esta manera, cada color corresponde con una longitud de onda distinta. Nuestra evolución como especie ha hecho posible que tengamos unos detectores de ondas electromagnéticas incorporados en nuestro cuerpo: nuestros ojos. Unos detectores que reciben la señal física (la onda electromagnética) y la transforman en una imagen en nuestro cerebro, dependiendo de la longitud de onda de cada señal que nos llega. Cuanto más lo pienso más increíble me parece.

La luz que nos llega del sol está formada principalmente por luz blanca, una superposición de todos los colores del espectro visible, una onda electromagnética formada a su vez por un conjunto de ondas de diferente longitud. De esta manera, cuando un rayo de luz blanca llega a un objeto, partes de esa luz (unas ondas de determinadas longitudes, determinados colores) son absorbidas por el mismo, y otras partes son reflejadas (otras ondas de otras longitudes, otros colores). Que un objeto absorba y refleje diferentes ondas depende de su composición y estructura. Así, por ejemplo, cuando visualizamos el color azul de un objeto es porque el mismo refleja la luz de longitud de onda correspondiente al azul y absorbe el resto.

¿Y qué ocurre con las ondas absorbidas? Ya hemos visto que las ondas transportan energía. Por tanto cuando un objeto absorbe ondas electromagnéticas aumenta la energía del mismo, lo que se traduce en un aumento de su temperatura. Pero este aumento de energía no puede producirse indefinidamente, es decir, la energía no aumenta hasta el infinito. Piensa en un objeto que colocamos al sol durante una semana. Cuando el objeto va absorbiendo ondas que le llegan del sol, se produce un aumento de su energía y temperatura. Pero resulta obvio que la temperatura no aumenta indefinidamente día tras día, pues la energía que va adquiriendo, por otra parte va siendo devuelta al medio porque el objeto emite energía en forma de radiación, es decir, todo cuerpo que se encuentra por encima del cero absoluto de temperatura emite radiación electromagnética. Todo cuerpo con temperatura emite radiación térmica. Y a mayor temperatura, mayor radiación emitida. Todos lo hemos visto cuando se calienta un metal "al rojo", o por ejemplo en los filamentos de wolframio de las antiguas bombillas.

La temperatura que alcanza el filamento de wolframio de la bombilla, hace que éste emita radiación electromagnética, parte de la misma correspondiente a la franja del visible.

Como todo lo que nos rodea inevitablemente se encuentra a cierta temperatura, todo lo que nos rodea está emitiendo radiación (pero normalmente a longitudes de onda que no captan nuestros ojos). Por supuesto también nosotros emitimos radiación, solo que en el intervalo de temperatura habitual al que nos encontramos, esa radiación emitida no corresponde con ondas del visible, por lo que no podemos verla, sino del infrarrojo (de ahí los visores nocturnos basados en infrarrojos). 

La emisión de radiación en función de la temperatura era un hecho bien conocido desde hacía mucho tiempo, y los científicos comenzaron a estudiar sus fundamentos teóricos. De los experimentos realizados observaron que la radiación emitida no dependía del tipo del material, sino únicamente de la temperatura a la que se encontraba. Cuanto mayor era la temperatura, mayor radiación se emitía.

¿Y del cuerpo negro cuando hablamos?

Para estudiar el fenómeno de radiación térmica, Gustav Kirchhoff definió un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación electromagnética que recibe, y no refleja nada. Lo llamó “cuerpo negro”.

Como hemos indicado antes, cuando un cuerpo recibe radiación, parte es reflejada y parte absorbida. Pues bien, el cuerpo negro ideal es el que absorbe toda la radiación que le llega, sin reflejar nada. Si tuviésemos delante de nosotros un cuerpo negro y dirigiésemos al mismo un haz de luz de una linterna, en realidad no veríamos al objeto, ya que no refleja nada de la luz que le llega. Nuestro cerebro formaría la silueta del objeto a través de la luz reflejada que nos llega justo de alrededor del objeto, formando su contorno. Por otro lado, que absorba toda la radiación no quiere decir que no emita radiación, pues ya hemos visto que cualquier cuerpo con temperatura emite radiación. Como la energía del cuerpo no puede aumentar indefinidamente, la energía emitida del cuerpo negro debe ser igual a la absorbida.

Aunque el cuerpo negro es un concepto ideal teórico, podemos considerar ejemplos que constituyen una muy buena aproximación al mismo, y que sirvieron a los físicos para estudiar la radiación de un cuerpo negro: el conjunto de ondas que emite un cuerpo negro a una cierta temperatura.

Kirchhoff describió el cuerpo negro como una cámara aislada con paredes refractarias en el exterior y con un pequeño orificio en su superficie, de tal manera que si hacemos atravesar ondas electromagnéticas al interior de la cámara a través del orificio estamos seguros de que prácticamente el 100% de las ondas no van a escapar.

Las ondas electromagnéticas que introducimos al interior del cuerpo chocan contra la pared interior y en parte son absorbidas y en parte reflejadas. La porción reflejada choca con otro punto de la pared interior, produciéndose el mismo fenómeno (parte se absorbe y parte se refleja), hasta que la radiación exterior es totalmente absorbida.

Si calentamos las paredes del cuerpo negro los átomos que componen las paredes internas del cuerpo empezarán a emitir radiación, a la vez que también irán absorbiendo radiación que ha sido emitida por otros átomos de otros puntos de las paredes. Si dejamos pasar un tiempo manteniendo constante la temperatura de las paredes hasta alcanzar el equilibrio, la energía emitida será igual a la absorbida. Midiendo esta radiación, se obtuvo experimentalmente la distribución de longitudes de onda de la radiación del cuerpo negro:

Conjunto de ondas electromagnéticas emitidas por un cuerpo negro que se encuentra a diferentes temperaturas medidas en grados Kelvin (K)

En la gráfica se representa la intensidad de energía emitida por el cuerpo negro en función de la longitud de onda para cada temperatura dada. Cada curva representa el conjunto de ondas que emite el cuerpo negro a una temperatura dada. Para cada curva, del conjunto de ondas que emite, la de mayor energía corresponde a una longitud de onda en concreto. Dependiendo de la temperatura del cuerpo negro, la radiación emitida varía, de tal manera que cuanto más caliente está el cuerpo menor es la longitud de onda en la que tiene el máximo de energía (ley de desplazamiento de Wien). La distribución de longitudes de onda nos muestra además que la energía de las ondas emitidas con longitudes de onda grandes y pequeñas tiende a cero, adquiriendo cada curva la forma de "montaña". Es decir, un cuerpo negro emite muy pocas ondas a grandes longitudes de onda y a pequeñas longitudes de onda.

De acuerdo, pensaron los físicos, tenemos unas curvas obtenidas a partir de datos experimentales, por lo que debe haber una ley o una fórmula obtenida a partir de las teorías que conocemos hasta el momento que explique y se ajuste a los datos experimentales obtenidos. Es decir, la distribución de la emisión del cuerpo negro estaba establecida experimentalmente, pero la tarea ahora era establecerla teóricamente.

Muchos físicos se pusieron manos a la obra… y entonces llegó la catástrofe.

Aplicando las teorías clásicas a la radiación del cuerpo negro, se obtuvieron varias curvas teóricas, pero ninguna coincidía con la experimental. Rayleigh y Jeans, obtuvieron una ecuación deducida a partir de las teorías clásicas conocidas. La curva así obtenida se ajustaba muy bien a la curva real en las longitudes de onda largas, pero para longitudes de onda cortas la curva se alejaba totalmente de la experimental, obteniendo un resultado del todo imposible: la intensidad de energía se iba hacia el infinito. Es decir, la ley de Rayleigh-Jeans predecía que la energía emitida correspondiente a longitudes de ondas cortas por un cuerpo negro sería infinita. Fue la conocida como Catástrofe Ultravioleta, ya que la energía se iba hacia el infinito a longitudes correspondientes con la región del ultravioleta. Si esto fuese así, la vida en la tierra no podría haber surgido, ¡estaríamos rodeados completamente de ondas ultravioletas!.

   

Por otro lado, Wilhelm Wien obtuvo una curva que funcionaba muy bien para longitudes de onda bajas, pero que se alejaba totalmente de la curva experimental a longitudes altas. Otra catástrofe, esta vez correspondiente a longitudes de onda del infrarrojo: fue la conocida Catástrofe Infrarroja.

De catástrofe en catástrofe… Y llegó Planck.

En 1900 Planck encontró una solución al problema del cuerpo negro, pero para ello tuvo que apartarse mucho de las leyes clásicas de la física.

Max Planck se propuso resolver el problema y tras varios años de estudio llegó a una ley, la ley de Plank, con la que la curva obtenida coincidía totalmente con las obtenidas en los experimentos. ¡Había resuelto el problema!

No entraremos en detalles acerca de la fórmula. Sólo destacaremos que la intensidad de energía emitida (I) depende de la frecuencia de la onda (n) y de la temperatura (T), cosa que ya se sabía. Lo verdaderamente importante de la fórmula, y protagonista de nuestra entrada, es una letra que representa una constante numérica: la constante de Planck (h).

A Planck le costó años de trabajo llegar a la ecuación. Para la obtención de la misma Planck se dio cuenta de que para llegar a una ecuación que se ajustase perfectamente con las curvas experimentales, tenía que hacer una suposición: la energía emitida no podía adoptar cualquier valor, sino que sólo podía tener unos valores determinados, según la siguiente ecuación:

Donde n es un número entero positivo (1,2,3…), υ la frecuencia y h la famosa constante numérica.

Esto significaba que la energía sólo podía adoptar valores correspondientes con múltiplos enteros del producto de la frecuencia por la constante de Planck. Y aquí está la clave de todo. La energía no se puede emitir de manera continua, sino en paquetes o lo que se vino a llamar “cuantos de energía”. La energía no podía tomar cualquier valor, sino valores concretos entre los cuales no podía existir ningún otro valor. Los valores que puede adoptar la energía van “a saltos”. Para entenderlo mejor, podemos hacer un símil: Puedes imaginar el problema como el sistema monetario en euros:

Podemos tener un número de monedas que sumen 1 euro, o 1,5 eur (1 euro y 50 céntimos), o 3,78 euros (3 euro y 78 céntimos), etc. Pero no podemos tener un número de monedas que correspondan con 1,7865 euros, ya que no tenemos monedas de valor inferior al céntimo de euro. Como tampoco podemos tener monedas que correspondan con 3,587965874 euros… Con las monedas que existen no podemos obtener cualquier valor que se nos pase por la cabeza. La cantidad mínima en la que podemos incrementar o disminuir nuestro dinero (con las monedas que existen) va de céntimo a céntimo.

Pues bien, algo similar ocurre con la cantidad de energía. Para un sistema dado en el que vaya variando su energía, no podemos tener cualquier valor de energía, la energía irá cambiando "a saltos" según un valor mínimo de energía o un múltiplo de este. Decimos entonces que la energía está cuantizada, no puede adoptar cualquier valor.

Resulta sencillo aplicar la idea de discontinuidad a la materia, todos podemos tener la idea de que no podemos dividir la materia indefinidamente, que tienen que haber unidades básicas indivisibles de materia, partículas fundamentales que no pueden dividirse en otras más sencillas (como por ejemplo el electrón), pero la idea de una unidad o "cuanto de energía" es algo más difícil de asimilar. Piensa el siguiente ejemplo:

Cualquier objeto que se encuentre a una cierta altura respecto al suelo tiene una energía llamada energía potencial (energía debida a la atracción que la tierra ejerce sobre cualquier objeto con masa). Si dejamos caer un objeto desde cierta altura, la energía potencial va disminuyendo conforme va descendiendo (transformándose en energía cinética, con un aumento de la velocidad). En un primer momento, puedes pensar que el cambio de energía es continuo, es decir, que puede adquirir cualquier valor. Pero la hipótesis de Planck supone que esto no así. Es como si el objeto que cae no recorriera el espacio de una manera continua, sino que fuese dando "saltos". Exagerando el experimento, es como si al soltar un objeto desde lo alto de un edifico de 20 metros de altura, éste no realizase su bajada de manera continua, sino a "saltos", por ejemplo, de metro en metro. De esta manera pasaría de una altura de 18 metros a una de 17 metros instantáneamente, sin pasar por ningún valor intermedio. En la caída, a un cierto tiempo, el cuerpo se encuentra a una cierta altura, y por tanto con una cierta energía. El siguiente valor de energía potencial que puede tomar no es cualquier valor, sino que corresponde con el valor resultante de restar la energía anterior menos el "cuanto de energía" de Planck. Es decir, el objeto pasa de un punto del espacio a otro sin pasar por ningún punto intermedio. Desaparece de un punto y aparece en el siguiente. De hecho, esto es lo que pasa cuando electrones de los átomos pasan de un orbital a otro.

¿Qué significa esto? ¿Significará que el espacio no es continuo? ¿O que el tiempo no es continuo? ¿O ambas cosas? Esto querría decir que nos movemos por el espacio-tiempo "a saltos", como si de fotogramas de una película se tratase. Hoy día se acepta que la materia y la energía están cuantizadas, pero si hablamos del espacio y el tiempo... bueno, es un tema fascinante sobre el que hoy en día se continua estudiando.

¿Y por que no vemos estos efectos a nuestra escala? Al principio de la entrada comentaba que una constante con una valor minúsculo produjo un cambio gigantesco. Ahí está la clave. El valor de la constante de Planck es verdaderamente pequeñísimo.

Para que te hagas una idea mejor de lo pequeño del valor, lo escribiremos así:

0,0000000000000000000000000000000000626

Esto es prácticamente cero. Así para una frecuencia de 1 Hz la energía podría ir cambiando, a "saltos" de valor mínimo correspondiente con la constante de Planck, ya que la energía mínima de cambio sería igual a la frecuencia multiplicada por la constante de Planck. Un valor éste tan pequeño que nosotros no podemos "ver". No podemos apreciar ese salto de energía. Pero el hecho de que el salto exista, aunque tenga un valor tan pequeño, hace que el Universo sea completamente diferente a lo que vemos a nuestra escala.

Cuando Planck obtuvo su ecuación, no pensó que realmente la energía estuviese cuantizada, más bien pensaba que la introducción de esta constante, la constante de Planck, fue un artificio matemático que utilizó llevado por la desesperación de encontrar una solución al problema, pero que no se correspondía con una realidad física. De hecho, en una carta de Planck enviada a Robert W. Wood afirmaba: “lo que hice puede describirse simplemente como un acto de desesperación” “había que hallar una interpretación teórica a cualquier precio...” “Esta fue una suposición meramente formal y en realidad no pensé mucho en ella con excepción de que sin importar el costo, debía proveer un resultado satisfactorio”. 

Pocos años después del hallazgo de Planck, Einstein demostró su validez, al aplicarlo en su explicación del efecto fotoeléctrico. Por su parte, la cuantización de la energía también fue utilizada por Niels Bohr, para explicar su modelo atómico. A partir de esta hipótesis, pudo desarrollarse una nueva física, la física cuántica, con aportaciones de grandes científicos como Heisenberg o Schrödinger. En 1918, Max Planck obtuvo el Premio Nobel "En reconocimiento a los servicios que ha proporcionado al avance de la Física mediante su descubrimiento de los cuantos de energía".

La cuantización de la energía, supuso una auténtica revolución en la física, como hemos dicho, esta idea fue el germen a partir del cual se desarrollo una nueva física que destronó a la física clásica: la física cuántica. Partículas que a la vez son ondas, objetos que están en dos sitios a la vez, vacío que no está vacío... y tantos otros fenómenos fascinantes que descubrimos gracias a la cuántica. Una rama de la física que permitió el desarrollo tecnológico de nuestros días y que sin duda nos seguirá aportando grandes avances. Ya hemos hablado sobre varios aspectos de la cuántica en el blog en varias ocasiones, puedes ver las aportaciones anteriores aquí, aquí y aquí.

Gracias a Planck descubrimos que lo que llamamos "realidad" está totalmente condicionada a nuestros sentidos y a nuestra escala, que todo lo que nos rodea es mucho más grande, extraño, complejo y fascinante de lo que puede parecernos según lo percibimos a nuestra escala.    

Max Planck (1858-1947)

Esta entrada participa en la LXVII Edición del Carnaval de la Física alojada en este mismo blog.