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El «puñado» de bacterias que nos hace humanos

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Biologia    ~    Comentarios Comentarios desactivados en El «puñado» de bacterias que nos hace humanos

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SCIENCE

 

 

La flora intestinal moldeaba la evolución de los homínidos 15 millones atrás, y sus huellas pueden encontrarse en hombres y grandes simios

Fotografía de E. coli, una de las 500 especies que pueden vivir en el intestino humano

Fotografía de E. coli, una de las 500 especies que pueden vivir en el intestino humano – NIAID

 

 

 

 

Si un contable se decidiera a investigar el cuerpo humano, concluiría que está hecho principalmente de bacterias. Al echar cuentas, resulta que hay diez veces más microbios que células de Homo sapiens en todos y cada uno de los rincones del cuerpo. Solo dentro del intestino, hay entre 400 y 500 especies de bacterias, más un número considerable de virus, hongos y protozoos. Por eso, esta parte del cuerpo es uno de los lugares más ricos en especies de todo el planeta.

Pero los números resultan fríos. Lo importante es que esos microbios, que forman la llamada flora o microbioma intestinal, tienen un papel clave para el sistema inumne, la alimentación y hasta el comportamiento. Por eso, es fundamental entender de dónde vienen y hacia dónde van estos microbios. Con este objetivo en mente, ayer fue publicada una investigación en la revista «Science» en la que se reconstruye el pasado evolutivo de esta importante fracción del ser humano.

Según sus conclusiones, la flora intestinal de hoy en día ha estado acompañando al humano desde incluso antes de que fuera humano, a través de un proceso conocido como coevolución y que implica que tanto humanos como bacterias se han dado forma mutuamente a lo largo de millones de años.

«Sabíamos que los humanos y sus parientes próximos, los grandes simios, acogían a esas bacterias en sus intestinos», dijo Andrew Moeller, investigador en la Universidad de California, Berkeley, y coautor del estudio. «Y la mayor pregunta que queríamos responder es, ¿de dónde vienen todas esas bacterias? ¿Las obtuvimos del entorno o las heredamos de nuestros ancestros? ¿Durante cuánto tiempo han estado con los hospedadores?».

Antes de esta y otras investigaciones similares, la pregunta era si, aparte de influirnos, las bacterias habían cambiado nuestra genética y nosotros la suya. La respuesta es, según estos investigadores, es que sí, y que esto lleva ocurriendo desde hace al menos 15 millones de años, a partir del microbioma intestinal del ancestro común de los homínidos, un grupo que incluye a humanos y a grandes simios.

Coevolución entre humanos y microbios

 

 

 

 

Después de secuenciar, leer, y comparar los genes de los microbios encontrados en las heces de chimpancés, bonobós, gorilas y humanos, en concreto ciudadanos de Connecticut, Estados Unidos, los investigadores pudieron reconstruir el árbol evolutivo de la flora intestinal de los homínidos.

«Esta investigación comprueba que la evolución de la flora y de los homínidos es congruente y que ocurre en paralelo», explicó a ABC Andrés Gómez.

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xploración espacialLa misión Juno llega a Júpiter para revelar los secretos del origen del Sistema Solar

 

Después de cinco años y 2.800 kilómetros de viaje, la nave de la NASA emprenderá en la madrugada de este martes (hora española) la maniobra para situarse en órbita en torno al gigantesco planeta

Ilustración de la misión Juno de la NASA

Ilustración de la misión Juno de la NASA – NASA

Manuel TrilloCorresponsal En Miami para ABC

 

 

Un científico vigila la transmisión de datos desde la sala de control de operaciones de la misión Juno de la NASA
Un científico vigila la transmisión de datos desde la sala de control de operaciones de la misión Juno de la NASA- AFP

El rey de los dioses romanos, Júpiter, ocultaba sus travesuras tras un velo de nubes. Solo su esposa, Juno, era capaz de ver a través de ellas y descubrir su auténtica esencia. Del mismo modo, una nave de la NASA bautizada con el nombre de esta diosa está a punto de llegar al mayor planeta del Sistema Solar para revelar los secretos que oculta bajo la misteriosa capa de franjas multicolores que lo envuelve. En el caso de los científicos, su interés por Júpiter no se debe a los pecadillos de la principal de las divinidades de la antigua Roma, sino por cuanto pueda contar de sí mismo y de los orígenes del Sistema Solar este gigantesco astro.

Después de un viaje de casi cinco años en el que habrá recorrido 2.800 millones de kilómetros, la nave Juno alcanzará el entorno de Júpiter a las 5:18 de la madrugada de este martes (según el horario peninsular español) e iniciará la maniobra para ponerse en órbita.

Otros artefactos creados por el hombre han explorado Júpiter y sus lunas –en especial la sonda Galileo, que en 1995 alcanzó su atmósfera y se convirtiría en la primera en orbitarlo–, pero nunca hasta ahora se habían acercado tanto. Juno llegará a estar a algo más de 4.000 kilómetros de sus nubes para poder realizar las mediciones encomendadas. Hasta febrero de 2018 completará 37 órbitas, siendo además la primera en hacerlo de polo a polo.

El primer planeta

 

La misión, perteneciente al programa Nuevas Fronteras y en la que se han invertido 1.100 millones de dólares (cerca de mil millones de euros), pretende comprender el origen y la evolución de Júpiter, que por su tamaño y composición se considera el primer planeta que se formó en torno al Sol. Bajo su espesa cubierta nubosa, los científicos esperan hallar respuestas sobre los procesos y condiciones que gobernaron el Sistema Solar durante su formación y conocer cómo se generan los sistemas planetarios en torno a otras estrellas.

Júpiter se presenta como una gigantesca bola gaseosa, con un diámetro once veces el de la Tierra y una masa 300 veces mayor, compuesta sobre todo a base de hidrógeno y helio, como el Sol. Según lo que se sabe hasta ahora, el planeta se habría formado en los primeros millones de años que siguieron a la creación de nuestra estrella, a partir de los gases ligeros sobrantes que quedaron a su alrededor.

Sin embargo, a pesar de los hallazgos de la sonda Galileo, persisten grandes incógnitas sobre el origen de Júpiter y sus características. Juno tratará de averiguar ahora si tiene un núcleo sólido, trazará un mapa de su intenso campo magnético, medirá la cantidad de agua y amoniaco en su atmósfera profunda y observará las impresionantes auroras que generan en los polos magnéticos las partículas cargadas de energía al entrar en contacto con los átomos de gas del planeta.

Para recoger los datos, la nave va equipada con una serie de sofisticados instrumentos. Entre ellos, un radiómetro de microondas para medir la cantidad de agua en la atmósfera; un sistema de telecomunicaciones que elaborará un mapa gravitacional del planeta con el que se podrá conocer su estructura interna; un magnetómetro que trazará un detallado mapa de su campo magnético, y un equipo de sensores que detectará los electrones e iones que generan las auroras.

«Empleamos todas las técnicas conocidas para ver a través de las nubes de Júpiter y revelar los secretos que guarda de la historia temprana de nuestro sistema solar», ha señalado el investigador principal de la misión, Scott Bolton, del Southwest Research Institute de San Antonio (Texas).

El momento crítico

 

En la maniobra de inserción en la órbita, la sonda experimentará uno de los mayores frenazos en la historia de la humanidad, puesto que en su aproximación habrá alcanzado más de 200.000 kilómetros por hora al ser atraída por la poderosa gravedad de este descomunal planeta, siendo así uno de los artefactos más veloces creados jamás por el hombre.

El momento crítico durará tan solo 35 minutos y consistirá en el encendido del motor principal de la nave para contrarrestar su impetuosa marcha con una fuerza en sentido contrario y lograr que empiece a orbitar.

No obstante, si supera esta fase, las dificultades no acabarán ahí. Júpiter cuenta con un campo magnético 20.000 veces más potente que el de la Tierra, que se extiende por una vasta región espacial conocida como magnetosfera. Partículas cargadas quedan atrapadas en un intenso cinturón de radiación que Juno deberá atravesar en las 37 órbitas que describirá durante el año y medio que durará la fase científica. Por ello los aparatos electrónicos van protegidos de las radiaciones por una cámara acorazada.

Grandes paneles solares

 

Por otra parte, es la primera nave alimentada con energía solar que llega tan lejos y, puesto que la órbita de Júpiter está cinco veces más alejada del Sol que la de la Tierra, la insolación que recibe es 25 veces menor que en nuestro planeta. Para aprovecharla al máximo lleva tres paneles solares que abarcan 20 metros desplegados, como una cancha de baloncesto, con 19.000 células un 50% más eficientes y resistentes a la radiación que las de las misiones de hace dos décadas.

Aparte del instrumental, en la nave viajan tres pequeñas figuras de Lego: una del dios Júpiter, otra de la diosa Juno y una tercera de Galileo Galilei, el científico italiano que observó el planeta en el siglo XVII y descubrió sus cuatro grandes lunas. Esta pequeña «tripulación» responde a un programa conjunto de la NASA y la compañía juguetera para motivar a los niños en áreas como la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas.

También se ha incorporado una cámara que ofrecerá imágenes con una resolución de 25 kilómetros por píxel, con el propósito de acercar al público en general una visión de Júpiter que no había sido posible hasta ahora.

¿El núcleo del átomo? ¡Una maravilla de la Naturaleza!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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Symphony of Science – The Quantum World! (Subtitulado)

El contertulio José C Gómez me envía el enlace de arriba y, por lo simpático, os lo pongo aquí.
 

Aunque nos parezcan muy diferentes (que lo son), lo cierrto que es que, en lo esencial,  ambos estarían hechos de los mismos materiales, el hombre gris y la bella humana tienen vidas basadas en el Carbono.
¿Podemos ir más allá? ¿Podemos esperar semejanzas más concretas entre la vida extraterrestre y la vida tal como la conocemos? Creo que sí, que de la misma manera que existen planetas como la Tierra que tendrán paisajes parecidos a los que podemos contemplar en nuestro mundo, de igual forma, dichos planetas podrán albergar formas de vida que, habiéndo surgido en condiciones similares a las nuestras de Gravedad, Magnetismo, Radiación… Habrán seguido el mismo camino que tomamos nosotros y los otros seres que en la fauna terrestre nos acompañan.
La región de formación estelar S106
Es cierto que cuando vemos las cosas con cierta asiduidad y de forma permanente, esa cotidianidad nos hace perder la perspectiva y no pensamos en lo que realmente esas cosas pueden ser y, con las estrellas nos ocurre algo similar, ya que son algo más, mucho más, que simples puntitos luminosos que brillan en la oscuridad de la noche. Una estrella es una gran bola de gas luminoso que, en alguna etapa de su vida, produce energía por la fusión nuclear del hidrógeno para formar helio. El término estrella por tanto, no sólo incluye estrellas como nuestro Sol, que están en la actualidad quemando hidrógeno, sino también protoestrellas, aún no lo suficientemente calientes como para que dicha combustión haya comenzado, y varios tipos de objetos evolucionados como estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustible nuclear gastado.

 

                 Las partículas del núcleo atómico. Protón y neutrón.

 

En 1920 (Rutherford) descdubrió las partículas positivas que forman los átomos, los protones.

Rutherford descubrió que bombardear átomos de nitrógeno con partículas alfa ( y esto es bien sencillo ya que basta con poner la sustancia radiactiva en el aire cuyo 75 % es nitrógeno) se producían una nuevas partículas con estas características:
Su carga eléctrica es la misma que la de los electrones, pero positiva, y su masa es semejante a la del átomo de hidrógeno (recuerda que la masa de los electrones es 1836 menor que la del átomo de hidrógeno. LLamó a estas partículas positivas protones.

Por lo tanto en los núcleos de los átomos hay unas partículas positivas que se llaman protones. En el hidrógeno solo hay una partícula ya que recordemos su masa era casi la misma.

Se comprobó que el número de protones es una característica especial de cada elemento quí­mico, ya que todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de protones. Se llama nú­mero atómico (Z) al número de protones que tienen los átomos de un elemento químico. A cada elemento químico le corresponde un número atómico desde 1 hasta 106.

Todavía tenemos que buscar otras partículas en el núcleo atómico. La masa de los protones de un núcleo es mucho menor que la masa del núcleo.

ISÓTOPOS

 

Cada elemento químico se caracteriza por el número de protones de su núcleo, que se denomina número atómico (Z). Así, el hidrógeno ( 1H) tiene un protón, el carbono ( 6C) tiene 6 protones y el oxígeno ( 8O) tiene 8 protones en el núcleo.

El número de neutrones del núcleo puede variar. Casi siempre hay tantos o más neutrones que protones. La masa atómica (A) se obtiene sumando el número de protones y de neutrones de un núcleo determinado.

Un mismo elemento químico puede estar constituído por átomos diferentes, es decir, sus números atómicos son iguales, pero el número de neutrones es distinto. Estos átomos se denominan isótopos del elemento en cuestión. Isótopos significa “mismo lugar“, es decir, que como todos los isótopos de un elemento tienen el mismo número atómico, ocupan el mismo lugar en la Tabla Periódica.

isótopos del Hidrógeno

isótopos del Carbono

Desde 1918 estaba probado que existían los isótopos. Estos, eran átomos que tenían propiedades químicas iguales (parecían elementos iguales, por tanto), tenían el mismo número atómico, pero sus masas atómicas eran di­ferentes. En el núcleo debían existir partículas neutras que contribuyeran a la masa pero no tuvieran carga eléctrica.

Estas partículas neutras del núcleo se descubrieron en 1932 y se llamaron neutrones. Chadwick consiguió detectarlas y medir su masa. Un neutrón  tiene una masa ligeramente mayor que la del protón (exactamente 1,00014 veces). Los neutrones proporcionan las fuerzas de unión que estabilizan el núcleo atómico.
Representación aproximada del átomo de Helio,  en el núcleo los protones están representados en rojo y los neutrones en azul. En la realidad el núcleo también es simétricamente esférico.
Hasta aquí tenemos una idea de las partículas que forman el núcleo atómico y de otras propiedades que en él pueden estar presentes. Sin embargo, el núcleo atómico tiene que ser visto como el corazón central del átomo que contiene la mayor parte de su masa, exactamente, el 99,9%. Digamos que el núcleo más masivo que se encuentra en la Naturaleza es el del Uranio-238 que contiene 92 protones y  146 neutrones. El núcleo más simple es el del Hidrógeno que consiste en un único protón.
Resultado de imagen de Neutrones
Hasta aquí hemos dado un repaso sobre los componentes de los núcleos atómicos y algunas de sus particularidades para saber, sobre ellos y tener una idea más exacta de cómo fueron descubiertos y que son en realidad con sus cargas y sus masas. Sin embargo, podemos seguir explicandolo de manera sencilla pero con algo más de detalles.
El tamaño de un átomo

La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de científicos durante un largo período en el que la falta de instrumentos y técnicas apropiadas impidió lograr respuestas satisfactorias. Con posterioridad se diseñaron numerosos experimentos ingeniosos para determinar el tamaño y peso de los diferentes átomos.

El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 x 10-27 kg (la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal).

 

 

Empecemos por decir que los átomos son muy pequeños, tan pequeños que necesitaríamos una fila de unos diez millones para poder rellenar el espacio que ocupa un milímetro, es decir, los átomos son tan pequeños que los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). Una peculiaridad del átomo es que está casi vacío, su estructura conformada por el núcleo rodeado de electrones que orbitan a su alrededor lo hace un objeto singular.
Si el átomo tuviera 10 metros de diámetro el núcleo sería un puntito diminuto central de apenas un milímetro, y, sin embargo… ¡Cuanta complejidad contiene dentro tan minúsculo objeto! Tenemos que señalar que algunos núcleos pueden ser inestable y se desintegran emitiendo partículas Alfa, con carga positiva, mientras que otros emiten partículas Beta, con carga negativa. También pueden emitir radiación Gamma.
Pero dejémos tranquilas a las partículas Alfa y Beta de las que nos ocuparemos en otra oportunidad. El tema de este pequeño trabajo es el núcleo atómico y, a él, nos dedicaremos. Nunca podré dejar de asombrarme ante los hechos mágicos que la Naturaleza es capaz de realizar. En realidad, la Naturaleza se vale de estos pequeños objetos llamados átomos para que unidos sean los responsables de conformar toda la materia que existe (al menos la conocida) estén formando cualquier objeto, grande o pequeño que podamos ver en el Universo. Desde las estrellas y los mundos hasta las inmensas galaxias, todo está conformado por átomos.
Cuando hablamos del núcleo atómico, por lo general, nos referimos a que está hecho de protones y neutrones, dos partículas que pertenecen a la familia de los Hadrones en la rama de los Bariones donde están las partículas de materia. Cuando nos referimos a ellas situadas en el núcleo atómico, las solemos llamar nucleaones.
Pero veámos que hay ahí, dentro de los nucleones (protones y neutrones).
Monografias.com
Los hadrones (protones y neutrones), a su vez, están hechos por otras partículas más pequeñas que pertenecen a la familia de los Quarks. Tanto el protón como el Neutrón están conformados por tripletes de Quarks. El protón de 2 quarks up y un quark down, mientras que el nutrón está hecho por 2 quarks down y 1 quark up.
La familia Quark

 

Como no es el objeto del trabao, no hablaremos hoy de los Quarks, y, simplemente diremos que en la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados Hadrones. de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento de color.  En el año 2003 se encontró evidencia experimental de una nueva asociación de cinco quarks, los Pentaquarks, cuya evidencia, en principio controvertida , fue demostrada gracias al Colisionador de Partículas LHC en el pasado Julio de 2.015.

Pero sigamos con lo que nos ocupa y veámos que los Quarks están confinados dentro de los nucleones (protones y neutrones) donde la fuerza fuerte les retiene y nos los deja que se vayan alejando más de lo debido como se explica en el cuadro de arriba.

Dentro del nucleo se desatan las fuerzas de la Naturaleza, la que conocemos como fuerza nuclear fuerte, la más potente de las cuatro fuerzas fundamentales que, intermediada por otras partículas de la familia de los Bosones, los Gluones, no dejan que los Quarks se alejen y son retenidos allí, dentro de los nucleones donde tienen su función de conformar los hadrones másicos del núcleo que le aporta la materia al átomo.

Los Gluones, son las partículas intermediarias de la fuerza fuerte, y, de la misma manera, existen otros Bosones encargados de mediar en las otras fuerzas conocidas de la Naturaleza: El Fotón para los fenómenos electromagnéticos, el Gravitón (no encontrado aún) para la fuerza de Gravedad, y, los W+,  Wy Zº para la fuerza nuclear débil.

Lo cierto es que, el núcleo atómico está cargado positivamente y, tal carga, hace la llamada para que, un enjambre de electrones, con cargas negativas, vengan a rodear el núcleo atómico y, de esa manera, queda estabilidado el átomo, ese pequeño objeto que conforma todas las cosas hechas de materia.

Así, los electrones que rodea el núcleo, con su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). Y, sin embargo, la importancia del electrón es vital en el universo.

Repasando todo esto, no puedo dejar de recordar aquellas palabras que el físico Freeman Dyson escribió:

Cuando miramos en el universo e identificamos los muchos accidentes de la física y la astronomía que han colaborado en nuestro beneficio, casi parece que el universo debe haber sabido, en cierto sentido, que nosotros íbamos a venir“.

Fijaros en el hecho cierto de que, si la carga del electrón, o, la masa del protón, variaran aunque sólo fuese una diezmillonésima parte… ¡La vida no podría existir en el Universo! Estamos hechos de átomos y, con tal cambio, éstos nunca se habrían podido conformar.

emilio silvera.

Seguimos hacia el futuro que será

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ASTRONOMíA, CIENCIA, CINE, DIVULGACIóN

Kip Thorne: el astrofísico detrás de las teorías científicas de ‘Interstellar’

Por Zuberoa Marcos | 20-07-2016

 

Kip Thorne

Kip Thorne

 

Astrofísico. Creador de ‘Interstellar’ y Asesor en la Película Contac

 

 

“De todas las ideas concebidas por la mente humana -escribió Kip Thorne en la introducción de su libro Agujeros negros y tiempo curvo- desde los unicornios y las gárgolas a la bomba de hidrógeno, la más fantástica es, quizá, la del agujero negro”.

Thorne sabe bien de lo que habla porque es uno de los físicos más reputados del mundo, y porque ha pasado la casi totalidad de sus 76 años teorizando sobre estos misteriosos agujeros. Reconocido en el campo de la astrofísica por ser uno de los mayores expertos en la Teoría de la Relatividad General de Einstein, Thorne tiene una legión de fans fuera de los ambientes académicos, pero no se debe a su trabajo sobre la predicción de ondas gravitatorias (por más apasionante que pueda resultar). Las causas de su popularidad mundana provienen de su papel como responsable científico y productor ejecutivo de una de las mejores películas de ciencia ficción de los últimos años: Interestellar.

interestelar-agujero-de-gusano

Es un concepto hipotético, que consiste en un puente o atajo en el espacio tiempo que conecta dos puntos y permite el paso de la materia. Los agujeros de gusano son (por ahora), un concepto teórico, nadie ha encontrado uno ni se ha verificado su existencia en el universo, sin embargo, tampoco se puede negar que exista uno ( o algunos ) en algún lugar, esperando a ser descubierto.

Explicada por Thorne, la idea de los agujeros de gusano que jugaban un papel esencial en la obra de Cristopher Nolan resulta mucho más convincente que la posibilidad de toparse con un unicornio al doblar una esquina. Y eso que el propio científico tiene serias dudas acerca de la invención de una máquina que nos permita viajar en el tiempo. Eso no le impidió, sin embargo, implicarse en Interestellar hasta tal punto de que es capaz de discutir -y demostrar- una por una todas las teorías físicas que se proponen en la película. Así que mejor no llevarle la contraria, porque Thorne no es de los que acostumbra a perder sus apuestas. Su amigo Stephen Hawking, otra de las mentes más brillantes de nuestro tiempo, puede dar fe de ello: tuvo que regalarle una suscripción anual a la revista Penthouse como pago de una de sus apuestas científicas a mediados de los años setenta. La anécdota ilustra el sentido del humor que gasta.

Una máquina quitanieves circula por un área de montaña tras una nevada. - DIPUTACIÓN DE HUESCA

Thorne fue un niño imaginativo y un estudiante notable que soñaba con ser conductor de una máquina quitanieves. Nada más alejado de un físico teórico. Sin embargo, una charla sobre el Sistema Solar a la que acudió con su madre, cambió su forma de pensar. Quién necesita una máquina cuando tiene un cerebro que le puede llevar a cualquier parte. Lynda Obst, productora de Interestellar y vieja amiga de Thorne desde que Carl Sagan propició una cita a ciegas entre ambos, asegura que “la idea que Kip tiene de pasárselo en grande es sentarse en lo alto de una montaña con un lápiz en la mano”. Es lo que tiene ser poseedor de una imaginación portentosa. De hecho, Christopher Nolan, en una entrevista con Los Angeles Times, aseguró que al principio acogió la presencia de Thorne en el proyecto con cierto escepticismo, pensando que sería una suerte de “policía de la ciencia”. Sin embargo, un par de charlas le hicieron darse cuenta de que sus teorías científicas eran “más fascinantes que cualquier guión que yo pudiera escribir”.

Actualmente Thorne trabaja en una nueva idea para otra película que está pergeñando junto a sus compinches Stephen Hawking y Lynda Obst. Y, aunque no quiere dar muchos datos al respecto, seguro que de esas cabezas saldrá algo sorprendente. No puede ser de otra forma en alguien que no concibe pasar un sólo día “sin intentar comprender algo o inventar algo. Es la esencia de la vida”

Edición: JC Rodríguez Mata / D. Castañón
Texto: José L. Álvarez Cedena

Reportaje de ABC en su apartado de Ciencia

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (0)

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Las partículas cuánticas vuelven a derribar el «mundo feliz» de Einstein

 

El genio alemán inauguró la mecánica cuántica pero nunca aceptó sus paradojas, como que las partículas pudieran estar en varios sitios al mismo tiempo. Este mes, un nuevo artículo confirma que esto ocurre hasta a una distancia de 735 kilómetros

Un nuevo estudio confirma que los neutrinos sufren efectos cuánticos a grandes distancias

Un nuevo estudio confirma que los neutrinos sufren efectos cuánticos a grandes distancias – Christine Daniloff/MIT

 

 

Aunque la historia situaría a Albert Einstein como el padre de la mecánica cuántica, la física que explica el comportamiento de lo más pequeño, en realidad él mismo se resistía a aceptarla y al final acabó convirtiéndose en uno de sus más firmes críticos. No se le puede culpar. Cuando cualquiera se acerca al mundo cuántico, se encuentra con una realidad difuminada, habitada por extrañas partículas que pueden estar en varios sitios a la vez o en varios estados al mismo tiempo. Además, el estado de estas partículas solo se define cuando alguien se decide a mirarlas. ¡Es de locos!

En este sentido, cuentan que una vez Einstein le preguntó a Niels Böhr: «¿De verdad crees que la Luna no está ahí cuando dejas de mirarla?». La experiencia cotidiana y la de Einstein dicen que las cosas están ahí aunque nadie las mire, y que de alguna forma están definidas de modo objetivo: la Luna es la Luna haya o no hombres para mirarla.

Pero la mecánica cuántica viene a decir que eso no pasa con las partículas. Durante decenas de años se ha concluido, al menos hasta que una nueva teoría lo contradiga, que en el mundo de los electrones o los fotones las propiedades no están definidas. Se dice que están superpuestas, lo que significa que ocurren al mismo tiempo y que es el observador es quien las define (la Luna está ahí y no está hasta que alguien la mira). Lo interesante es que este desafío a la realidad cotidiana se ha observado cada vez que los físicos se han atrevido a estudiar de cerca a la materia.

Un estudio que se publicará este mes en «Physical Review Letters» por parte de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) se ha sumado a todas las investigaciones que desafían al sentido común y que se adentran en el mundo cuántico. Ha confirmado de nuevo que los extraños fenómenos cuánticos ocurren en unas partículas llamadas neutrinos y, por primera vez, ha concluido que este efecto ocurre incluso a distancias gigantescas de cientos de kilómetros. De hecho, este trabajo ha batido un récord, y se puede decir que ha logrado comprobar que la mecánica cuántica ocurre a la mayor distancia hasta el momento.

Detector MINOS, usado en los experimentos y localizado en Minnesota
Detector MINOS, usado en los experimentos y localizado en Minnesota- US Gov

«Durante alrededor de 100 años, los físicos han usado la mecánica cuántica para darle sentido a la materia. Esta mecánica cuántica parece aplicarse sin problemas a objetos a escalas muy pequeñas (por ejemplo, los átomos son típicamente de uno a diez nanómetros de tamaño), y sabemos que esas ecuaciones de mecánica cuántica pueden explicar el comportamieto de los átomos», ha explicado a ABC David Kaiser, el primer autor del estudio. «Pero en nuestro último trabajo, hemos descubierto que debemos seguir usando la mecánica cuántica incluso cuando analizamos el comportamiento de objetos a distancias enormes, dentro de la escala humana… ¡Hasta llegar a los 735 kilómetros!».

En opinión de Germán Sierra, profesor de investigación en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, «la importancia de este estudio nace de haber logrado validar la mecánica cuántica a una distancia de 700 kilómetros». (Sierra es autor de la paradoja de los dos gatos vivos y muertos al mismo tiempo).

Los límites de la realidad

 

Por muy extraña que parezca, la mecánica cuántica parece ser la única «receta» que funciona para hablar de la parte íntima de la materia. Ahora solo falta averiguar hasta dónde o cuándo: «Entender dónde o cúando los efectos cuánticos dejan de ser relevantes es un gran misterio», ha reconocido el propio Kaiser. Para resolverlo, los investigadores trabajan con los efectos cuánticos cada vez a mayores distancias o implicando a números de átomos o moléculas cada vez mayores.

«La mecánica cuántica choca contra el sentido común. Y, como no nos habituamos a ello, siempre buscamos nuevas situaciones para buscar los límites», ha dicho Sierra.

Neutrinos a casi la velocidad de la luz

 

Por este motivo, los investigadores del MIT se centraron en investigar los neutrinos. Son unas partículas parecidas a los electrones pero sin carga eléctrica, y tienen la capacidad de atravesar la materia sin interaccionar con ella. Por ejemplo, aunque cada segundo atraviesan nuestro cuerpo cientos de millones de neutrinos, nunca se ha observado ningún efecto.

Interior del detector de neutrinos MiniBooNE
Interior del detector de neutrinos MiniBooNE- Fred Ullrich

Los neutrinos son inocuos, pero también son interesantes. Por ejemplo, dos investigadores recibieron en 2015 el premio Nobel por descubrir que los neutrinos oscilan entre varios estados o sabores y que viajan por el Universo a casi la velocidad de la luz.

Sabiendo esto, se podría pensar que los neutrinos no tienen un comportamiento cuántico y que se comportan de acuerdo a los principios de la realidad clásica que podemos ver con nuestros propios ojos. Esto significaría que podrían cambiar su sabor, pero que tendrían uno cada vez y no varios al mismo tiempo. Pero el equipo de David Kaiser, del MIT, ha descubierto que no es así. Los estados de los neutrinos están superpuestos (varios ocurren al mismo tiempo) y además entrelazados (a grandes distancias es imposible distinguirlos).

«Solemos pensar que la mecánica cuántica actúa a pequeñas escalas», ha dicho Kaiser en un comunicado del MIT. «Pero resulta que no podemos escapar de la mecáncia cuántica, ni siquiera cuando describimos procesos que ocurren a grandes distancias. No podemos detener nuestra descripción cuántica incluso cuando las cosas dejan un estado y entran en otro, viajando durante cientos de kilómetros. Creo que es asombroso».

El espacio no es lo que era

 

Y aún resulta más asombroso si se piensa en las implicaciones de este tipo de investigaciones: «Se trata de ver de nuevo la diferencia entre mundo cuántico y mundo clásico (el cotidiano e intuitivo en el que las propiedades están definidas)», ha explicado Germán Sierra. ¿Dónde están los límites entre uno y otro? ¿Por qué a cientos de kilómetros las partículas están unidas?

Para encontrar esta diferencia entre cuántico y clásico, se ha recurrido a una corriente de experimentos que comenzó en los años setenta, y cuya base es verificar que ciertas relaciones matemáticas del «mundo real» se cumplen en el mundo cuántico. Cuando esto no ocurre, la conclusión es que el sistema observado es cuántico. «Es como una industria. Siempre hay alguien que propone una nueva explicación compatible con un mundo realista (y no cuántico). Entonces, se verifica experimentalmente y se acaba descartando», ha explicado Germán Sierra.

En esta ocasión, este lento y constante avance de la ciencia se ha conseguido a través de un experimento realizado en el MINOS (Inyector Principal de Investigación de Oscilación de Neutrinos) del Fermilab (Chicago). En esta investigación, se produjeron neutrinos en Chicago y se «dispararon» hacia un detector de Minnesota, situado a una distancia de 735 kilómetros.

A través de los cálculos matemáticos, y después de descartar que los resultados no hubieran sido producidos por errores (con una probabilidad de equivocarse de uno entre cien mil millones), el equipo de Kaiser concluyó que las oscilaciones de los sabores de los neutrinos son más compatibles con la idea de que sigan un comportamiento cuántico. La implicación directa es que todo apunta a que los neutrinos no tienen ninguna identidad concreta en todo ese viaje que hacen entre los dos detectores.

Según ha dicho el investigador André de Gouvêa en una opinón recogida por el MIT, el hecho de que los neutrinos vayan tan rápido e interaccionen tan poco con la materia puede facilitar que los «efectos relativistas sean enormes, y conspiren para hacer que grandes distancias parezcan pequeñas». «El resultado final (…) es que la mecánica cuántica parece ser la descripción correcta del mundo en todas las distancias», ha añadido.

¿Por qué lo grande no es cuántico?

 

Pero entonces, ¿por qué la Luna o los objetos cotidianos no están en dos sitios al mismo tiempo? Tal como explica Sierra, la explicación está en la coherencia: «Los objetos macroscópicos sufren muchas interacciones con su entorno y de forma continua. No se puede observar sus propiedades de forma aislada, y se dice que pierden la coherencia. Es entonces cuando se considera que puede aplicarse la física del mundo clásico».

Pero de nuevo en el reino de lo pequeño, resulta que las partículas sí son coherentes, entre sí. Se comportan del mismo modo a la vez, incluso a grandes distancias, sufren fenómenos de superposición y entrelazamiento. Al final, no se pueden separar en dos partes, son como una especie de continuo.

El problema sigue ahí delante. Mientras que el mundo cotidiano parece ser objetivo y tener unas propiedades determinadas con independencia del observador, el mundo cuántico parece tener unas reglas totalmente contrarias. O quizás no tener reglas. El problema es unir ambos mundos, o sea, unir la relatividad general y la mecánica cuántica. Lo pequeño y lo grande. Mientras que el espacio-tiempo se entiende con la física clásica, aún no se sabe explicar con la mecánica cuántica. Dicen que podría ser granuloso, que en realidad podría no existir y emerger de las partículas. Los físicos teóricos siguen devanándose los sesos y forzando los límites de la realidad.

«Aún está abierta la pregunta de cuánta materia es necesaria o qué distancias hay que aplicar para que la descrición clásica de la realidad sea aceptable. ¿Qué hace falta para que uno pueda usar las teorías más intuitivas y familiares de Newton?», se ha preguntado Kaiser.

«El propio Einstein confiaba en que los físicos encontrarían alguna teoría de la matería que no incluyera todas estas extrañas e increíbles propiedades. Esperaba que en esa teoría las partículas tuvieran valores definidos para sus propiedades, con independencia de que alguien las midiera o no. Pero hasta ahora, cada uno de los experimentos que se han hecho ha sido consistente con la teoría cuántica y ha hecho que sea muy, pero que muy difícil reconciliar sus resultados con las intuiciones de Einstein», ha concluido Kaiser. ¿Qué opinaría de todo esto el genio alemán?