Ludwig Boltzmann será el protagonista de hoy

Hay ecuaciones que son aparentemente insignificantes por su reducido número de exponentes que, sin embargo, ¡dicen tántas cosas…! En la mente de todos están las sencillas ecuaciones de Einstein y de Planck sobre la energía-masa y la radiación de cuerpo negro. Esa es la belleza de la que hablan los físicos cuando se refieren a “ecuaciones bellas”.

                 Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell…,  “y se hizo la luz”

La identidad de Euler: Algunos dijeron de su ecuación: “la expresión matemática más profunda jamás escrita”, “misteriosa y sublime”, “llena de belleza cósmica”, “una explosión cerebral”.

Newton y su segunda ley que, aunque no funcione cuando nos acercamos a velocidades relativistas, rompió la marcha hacia la Gravedad.

Pitágoras y “su” teorema, también debe estar presente como lo está su teorema en las construcciones de todo el mundo y… mucho más.

Schrödinger y su función de onda que tampoco se queda atrás (aunque como la ecuación de Newton, si hablamos de velocidades relativistas…)

Bueno, E = mc², nos lleva a profundidades de la materia antes jamás vistas y nos permite sacar conclusiones como que, en un  gramo de materia está encerrada toda la energía consumida por la Humanidad durante un minuto. ¡Masa y Energía son la misma cosa!

Einstein, con esa ecuación de arriba de la relatividad general, vino a cambiar el mundo y, a partir de entonces, nació la verdadera cosmología. ¡Nos habla de tAntas cosas!

¿Qué decir de la maravillosa fórmula de la entropía de Boltzman?

S = k log W

Creo que hoy, hablaremos de ella. Boltzman con su trabajo e ingenio,  le dio a la Humanidad la herramienta para que pudiera seguir avanzando en el difícil laberinto de la Cienca, es,  sin duda, uno de los físicos más ilustres del siglo XIX.

El trabajo científico desarrollado por Boltzmann en su época crítica de transición que puso el colofón a la física “clásica” –cuya culminación podríamos situar en Maxwell– y antecedió (en pocos años) a la “nueva” física, que podemos decir que comenzó con Max Planck y Einstein. Aunque ciertamente no de la importancia de los dos últimos, la labor científica de Boltzmann tiene una gran relevancia, tanto por sus aportaciones directas (creador junto con “su amigo” Maxwell y Gibbs de la mecánica estadística, aunque sea el formulismo de éste último el que finalmente haya prevalecido; esclarecedor del significado de la entropía, etc.) como por la considerable influencia que tuvo en ilustres físicos posteriores a los que sus trabajos dieron la inspiración, como es el caso de los dos mencionados, Planck y Einstein.

Boltzmann fue un defensor a ultranza del atomismo, polemizando sobre todo con Mach y Ostwald, antiatomistas partidarios de la energética y claros exponentes de la corriente idealista de la física alemana. Tuvo que abandonar su ambiciosa idea de explicar exactamente la irreversibilidad en términos estrictamente mecánicos; pero esta “derrota”, no ocultaré que dolorosa desde el punto de vista personal, le fue finalmente muy productiva, pues de alguna manera fue lo que le llevó al concepto probabilista de la entropía. Estas primeras ideas de Boltzmann fueron reivindicadas y extendidas, en el contexto de la teoría de los sistemas dinámicos inestables, sobre todo por la escuela de Prigogine, a partir de la década de 1970.

                                                                      El joven Boltzmann

La personalidad de Boltzmann   era bastante compleja. Su estado de ánimo podía pasar de un desbordante optimismo al más negro pesimismo en cuestión de unas pocas horas. Era muy inquieto; él decía – medio en serio, medio en broma – que eso se debía a haber nacido en las bulliciosas horas finales de los alegres bailes del Martes de Carnaval, previas a los “duelos y quebrantos” (entonces) del Miércoles de Ceniza.

Su lamentable final, su suicidio en Duino (Trieste) el 5 de septiembre de 1906, muy probablemente no fue ajeno a esa retorcida personalidad, aunque su precaria salud física fue seguramente determinante a la hora de dar el trágico paso hacia el lado oscuro.

Uno de los problemas conceptuales más importantes de la física es cómo hacer compatible la evolución irreversible de los sistemas macroscópicos (el segundo principio de la termodinámica) con la mecánica reversible (las ecuaciones de Hamilton o la ecuación de Schrödinger) de las partículas (átomos o moléculas) que las constituyen. Desde que Boltzmann dedujo su ecuación en 1872, este problema ha dado lugar a muy amplios debates, y el origen de la irreversibilidad es, aún hoy en día, controvertido.

En una de sus primeras publicaciones, Boltzmann obtuvo en 1866 una expresión de la entropía, que había sido definida un año antes por Clausius, basado en conceptos mecánicos. Las limitaciones de este trabajo eran que su aplicación se restringía al estudio de los gases y que el sistema era periódico en el tiempo. Además, Boltzmann no pudo deducir de su definición de entropía la irreversibilidad del segundo principio de la termodinámica de Clausius. En 1868, basándose en las ideas probabilísticas de Maxwell, obtuvo la distribución de equilibrio de un gas de partículas puntuales bajo la acción de una fuerza que deriva de un potencial (distribución de Maxwell-Boltzmann).

                                  En el Universo, considerado como sistema cerrado, la entropía crece y…

En 1.872 publicó la denominada ecuación de Boltzmann para cuya deducción se basó, aparentemente, en ideas mecánicas. Esta ecuación contiene, sin embargo, una hipótesis no mecánica (estadística) o hipótesis del caos molecular, que Boltzmann no apreció como tal, y cuya mayor consecuencia es que, cualquiera que sea la distribución inicial de velocidad de un gas homogéneo diluido fuera del equilibrio, ésta evoluciona irreversiblemente hacia la distribución de velocidad de Maxwell. A raíz de las críticas de Loschmidt (paradoja de la reversibilidad) y Zermelo (paradoja de la recurrencia), Boltzmann acabó reconociendo el carácter estadístico de su hipótesis, y en 1877 propuso una relación entre la entropía S de un sistema de energía constante y el número de estados dinámicos W accesibles al sistema en su espacio de fases; esto es, la conocida ecuación S = k_B ln W, donde k_B es la constante de Boltzmann. En esta nota, se hace una breve descripción de la ecuación de Boltzmann y de la hipótesis del caos molecular.

       El comportamiento de los gases siempre dio a los físicos en qué pensar

La ecuación de Boltzmann describe la evolución temporal de un gas diluido de N partículas puntuales de masa m contenidas en un volumen V que interaccionan a través de un potencial de par central repulsivo V(r) de corto alcance a. Como simplificación adicional, considérese que sobre las partículas no actúan campos externos. Si f₁(r,v,t) indica la densidad de partículas que en el tiempo t tienen un vector de posición r y velocidad v, que está normalizada en forma:

∫dr ∫dvƒ₁(r,v,t) = N

Su evolución temporal es la suma de dos contribuciones. En ausencia de interacción, las partículas que en el tiempo t tienen vector de posición r y velocidad v se encuentran, después de un intervalo de tiempo Δt, en r + v Δt y tiene la misma velocidad. Como

f₁(r + vΔt,v,t + Δt) = f₁(r,v,t)

en el límite Δt → 0 (2) se escribe:

∂₁ f₁(r,v,t) = – v∂_r f₁(r,v,t)

Que es una ecuación invariante bajo el cambio t → – t y v → – v. La evolución es, por tanto, mecánica.

La constante de Boltzmann (Κ o κ_B ) es una entidad física fundamental que conecta la temperatura macroscópica de un sistema con la energía cinética micriscópica de sus partículas.  Su valor numérico exacto es de  1,380549 x 10^-23 J/K (Julios por Kelvin).

Se cumplieron más de cien años desde la muerte de Boltzmann y su trabajo sigue siendo recordado. No pienso que Boltzmann creyera en la existencia real de los átomos, pero sí en su utilidad e incluso en su necesidad para comprender las leyes macroscópicas y la evolución irreversible de los fenómenos macroscópicos desde una base más fundamental que el nivel fenomenológico. Pero había quien (con autoridad) no creía ni en la existencia ni en su utilidad. Este debate no era ajeno a las tendencias ideológicas, religiosas y usos sociales de aquella época porque, en general, la ciencia es parte de la cultura y depende del momento histórico que viven los científicos, al fin y al cabo, seres humanos como los demás, influenciables por su entorno en una gran medida.

Por el siglo XIX, e incluso antes, ya se hablaba de “átomos”* y una rudimentaria teoría cinética de los gases gozaba de aceptación y utilidad científica (recordemos los trabajos de Benoulli, Dalton, Laplace, Poisson, Cauchy, Clausius, Krönig… y Maxwell). Pero fue Boltzmann quien definitivamente profundizó en la cuestión, para el estudio del equilibrio y, sobre todo, intentando explicar mecánicamente (mecano-estadísticamente) la evolución termodinámica irreversible y la descripción de los procesos de transporte ligados a ella. Y, nuevamente (por su enorme importancia) no podemos dejar de mencionar la muy singular labor que hicieron Gibbs, Einstein, Planck, Fermi y otros. Sin la motivación ideológica de Boltzmann, Gibbs elaboró una bellísima, útil y hoy dominante formulación (cuerpo de doctrina) de la termodinámica y física estadística.

                     Lorentz

Fue Lorentz quien primero utilizó la ecuación de Boltzmann y lo hizo para describir la corriente eléctrica en sólidos dando un paso significativo por encima del pionero Drude. Lorentz introdujo un modelo opuesto al browniano donde partículas ligeras como viento (electrones) se mueven chocando entre sí y con árboles gordos (tales como iones en una red cristalina); un modelo del que se han hecho estudios de interés tanto físico como matemático. Enskog (inspirándose en Hilbert) y Chapman (inspirándose en Maxwell) enseñaron cómo integrar la ecuación de Boltzmann, abriendo vías a otras diversas aplicaciones (hidrodinámica, propagación del sonido, difusión másica, calor, fricción viscosa, termoelectricidad, etc.). Recordemos que Boltzmann encontró como solución de equilibrio de su ecuación una distribución de velocidades antes descubierta por Maxwell (hoy, como reseñé anteriormente, de Maxwell-Boltzmann), por lo que concluyó que así daba base microscópica mecánica (teorema H mecano-estadístico) al segundo principio de la termodinámica (estrictamente, evolución de un sistema aislado hacia su “desorden” máximo)*.

Está claro que ningún físico que se precie de serlo puede visitar Viena sin visitar el parque Zentralfriedhof para ver la tumba de Boltzmann. Yo sí me pasé por allí. Me senté junto a la tumba; el lugar estaba desierto, y cerrando los ojos traté de conectar con la conciencia del genio. La sensación, extraña y agradable, seguramente fue creada por mi imaginación, pero creo que charlé con él en el interior de mi mente – la fuerza más potente del universo– y aquellos sentimientos, aquel momento, compensaron el esfuerzo del viaje.

En la tumba, sobre una gran lápida de mármol de color blanco con los nombres Ludwig Boltzmann y de los familiares enterrados con él, sobre el busto de Boltzmann, se puede leer la inscripción, a modo de epitafio:

S = k log “WS =

Esta sencilla ecuación es la mayor aportación de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación del logaritmo) es el siguiente:

• S es la entropía de un sistema.
• W es el número de microestados posibles de sus partículas elementales.
• k es una constante de proporcionalidad que hoy recibe el nombre de Constante de Boltzmann, de valor 1’3805 × 10^-23 J/K (si el logaritmo se toma en la base natural)

¿Qué secretos se encierran aquí? ¿Cómo nos lleva a estos pensamientos?

En esta breve ecuación se encierra la conexión entre el micro-mundo y el macro-mundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la física conocida como mecánica estadística.

Como todas las ecuaciones sencilla de gran trascendencia en la física (como la famosa E = mc²), hay un antes y un después de su formulación: sus consecuencias son de un calado tan profundo que cambiaron la forma de entender el mundo, y en particular, de hacer física a partir de ellas. De hecho, la sutileza de la ecuación es tal que hoy, cien años después de la muerte de su creador, se siguen investigando sus nada triviales consecuencias. Creo que lo mismo ocurrirá con α = 2πe²/ħc que, en tan reducido espacio y con tan pocos símbolos, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón), de la constante de Planck (la mecánica cuántica), y de la luz (la relatividad de Einstein), todo ello enterrado profundamente en las entrañas de un número: 137.

Bueno, a pesar de todo lo anterior, Schrödinger nos decía:

“La actitud científica ha de ser reconstruida, la ciencia ha de rehacerse de nuevo”

 

¡Lo grande y lo pequeño! ¡Son tantos los secretos de la Naturaleza!

Siempre hemos tenido consciencia de que en física, había que buscar nuevos paradigmas, nuevos caminos que nos llevaran más lejos. Es bien conocida la anécdota de que a finales del siglo XIX un destacado físico de la época William Thomson (1824-1907) conocido como Lord Kelvin, se atrevió a decir que solo dos pequeñas “nubecillas” arrojaban sombras sobre el majestuoso panorama de conocimiento que había construido la física clásica desde Galileo y Newton hasta ese momento: el resultado del experimento de Michelson-Morley, el cual había fallado en detectar la existencia del supuesto éter luminífero; y la radiación del cuerpo negro, i.e la incapacidad de la teoría electromagnética clásica de predecir la distribución de la energía radiante emitida a diferentes frecuencias emitidas por un radiador idealizado llamado cuerpo negro. Lo que Lord Kelvin no puedo predecir es que al tratar de disipar esas dos “nubecillas”, la física se vería irremediablemente arrastrada a una nueva física: la física moderna fundada sobre dos revoluciones en ciernes: la revolución relativista y la revolución cuántica con dos  científicos como protagonistas: Planck y Albert Einstein. Sin embargo, ha pasado un siglo y seguimos con esas dos únicas guías para continuar el camino y, resultan insuficientes para llegar a la meta que… ¡Está tan lejos!

Emilio Silvera V.

[?]

Si se estudia el comportamiento de nuestro planeta, la que conocemos como Tierra, veremos que, a lo largo de losmilenios, ha ido cambiando y transformando sus regiones, sus Continentes, sus mares y sus océanos. Hace miles de millones de años que la Tierra  era totalmente distinta a la que hoy podemos ver. Siempre ha  sido cambiante, ha deswtruido y creado ecosistemas en los que, las especies han vivido y evolucionado hasta el Presente (que tambien, auqwne no violentamente, los cambios siguen). La Tierra, a su manera, es un Ente Vivo.

La Tierra es un sistema dinámico y complejo que, aunque no posee conciencia ni vida biológica propia, funciona de manera similar a un superorganismo autorregulado. No podemos hablar con ella, pero sí podemos contemplar comportamientos que se repiten y que van encaminados a cambios orográficos que lo cambia todo para que todo siga, ya que, inmensas regiones ocupadas por grandes océanos, miles de años más tarde, se convierten en grandes desiertos.

Sí, el desierto del Sahara fue una región verde, fértil y llena de vida conocida como el Sahara Verde o el Período húmedo africano. Entre hace aproximadamente 11.000 y 5.000 años, esta zona del norte de África experimentó un clima radicalmente distinto al actual.

Hace 6.000 años, el Sahara era un Paraíso

Entre aproximadamente 14.600 y 5.000 años antes del presente, la cuenca del Sáhara experimentó un intenso reverdecimiento que lo transformó de un desierto estéril en una vasta sabana húmeda, plena de lagos, ríos y humedales, durante el intervalo climatológico conocido como el Periodo Húmedo Africano. Durante el pico de humedad, entre 9.000 y 6.000 años atrás, la región alcanzó su máxima vegetación gracias a un monzón africano reforzado y a poderosas retroalimentaciones vegetación-atmósfera. Este acontecimiento dejó un rico legado de registros sedimentarios, polen, arte rupestre y datos genéticos que hoy permiten reconstruir con detalle la historia climática del Norte de África.

Contexto geológico y climático

La aridez actual del Sáhara contrasta fuertemente con los paisajes del Pleistoceno tardío y el Holoceno temprano, cuando cambios sutiles en la órbita terrestre incrementaron la insolación estival en el hemisferio norte, intensificando el monzón africano. Estos forzamientos orbitales, combinados con la expansión de la vegetación y la reducción del albedo, activaron un ciclo de retroalimentación que mantuvo precipitaciones abundantes en la región durante varios milenios.

Grand Canyon, Arizona,

El Gran Cañón de Arizona se formó principalmente por la erosión del Río Colorado convinada con la elevación de la tierra y el desboirdamiento de antiguos lagos hace millones de años.

Algunos interesados de Mente algo Sucia (acompañados por una préyade de ignorantes), explotan el “Cambio Climático” como algo muy malo, tratando de meternos el miedpo en el cuerpo, restringiendo nuestros movimientos y tratando de señalarnos lo que podemos o no podemos hacer: No se come carne, no se enciende la chuimea, no se coge el coche…

Pero eso sí, ellos siguen volando en grandes reactores que contaminan más que cientos de vehículos terrestres, y, por supuesto, a la hora de comer, grandes filetes de tiene carne aparecen en su platos rodeadas de guiarnisión.

Claro qure, los que no tragamos el supuesto “Cambio Climático”, somos negacionistas.

¿Podemos los humanos eviitar las erupciones volcánicas, frenar un Tsunami, evitar que se muevan las placas tectónicas y que se produzcan terremos? Claro que no, ya que, esos son los verdaderos causantes de los cambios climáticos que se han producido durtante toda la vida en nuestro mundo.

Emilio Silvera V.

[?]

Parece que no caben dudas sobre el hecho de que, la extinción de los Dibnosaurios, dejó libres nichos ecológicos que pudieron ocupara otras especies, entre las que está la Humana. Unos se fueron para que faciluitaran la llegadas de otros. NO podemos concebir un mundo de dinosaurios y humanos juntos.

15 cambios que nos hicieron humanos

Tenemos cerebros extravagantemente grandes que nos permiten construir complicados artefactos, entender conceptos abstractos y comunicarnos usando el lenguaje.

También somos casi lampiños, tenemos mandíbulas débiles y nos cuesta dar a luz. ¿Cómo evolucionó una criatura tan estrafalaria?

Veamos datos de un reportaje de la BBC

1 – Vivir en grupo

Fuente de la imagen,Thinkstock

Los primeros primates, el grupo que incluye a monos y humanos, evolucionaron poco después de la desaparición de los dinosaurios.

Muchos comenzaron rápidamente a vivir en grupos. Eso supuso que cada animal debía moverse en una compleja red de amistades, jerarquías y rivalidades.

Así que vivir en grupos puede haber impulsado un aumento sostenido de la capacidad intelectual.

2- Más sangre al cerebro

Fuente de la imagen,Henry Gray Wikimedia Commons

Humanos, chimpancés y gorilas descienden todos de una especie desconocida de homínido extinguida.

En este ancestro, un gen llamado RNF213 comenzó a evolucionar rápidamente.

• 

Esto puede haber estimulado el flujo de sangre hacia el cerebro al ensanchar la arteria carótida.

En humanos, las mutaciones de RNF213 causan la enfermedad de Moyamoya, en la que la arteria es demasiado estrecha, una condición que conduce al deterioro de la capacidad cerebral por falla de irrigación.

3 – La división de los primates: primeros cambios de genes

 

Fuente de la imagen,SPL

Nuestros ancestros se separaron de sus parientes parecidos a los chimpacés hace unos 7 millones de años.

En un principio, tendrían una apariencia similar. Pero dentro de sus células, el cambio ya estaba en marcha.

Después de la división, los genes ASPM y ARHGAP11B empezaron a mutar, así como un segmento del genoma humano denominado región HAR1.

No está claro que provocó estas modificaciones, pero HAR1 y ARHGAP11B están involucrados en el crecimiento del córtex cerebral.

4 – Subidón de azúcar: energía para el cerebro

 

Fuente de la imagen,Henry Gray Wikimedia Commons

Después de que la línea evolutiva humana se separó de la línea de los chimpancés, dos genes mutaron.

SLC2A1 y SLC2A4 forman proteínas que transportan glucosa dentro y fuera de las células.

Las modificaciones pueden haber desviado glucosa de los músculos hacia el cerebro de aquellos homínidos primitivos, y es posible que esta glucosa los haya estimulado y permitido que crecieran los cerebros.

5 – Las manos más hábiles

Fuente de la imagen,Henry Gray Wikimedia Commons

Nuestras manos son inusualmente hábiles y nos permiten hacer bellas herramientas de piedra o escribir palabras.

Eso puede deberse en parte a un fragmento de ADN llamado HACNS1, que ha evolucionado rápidamente desde que nuestros ancestros se dividieron de los ancestros de los chimpancés.

No sabemos qué hace HACNS1, pero se activa cuando se desarrollan nuestros brazos y manos.

6 – Mandíbulas débiles: más lugar para el cerebro

 

Fuente de la imagen,Henry Gray Wikimedia Commons

En comparación con otros primates, los humanos no pueden morder con demasiada fuerza porque tienen músculos delgados en la mandíbula.

Esto parece deberse fundamentalmente a una mutación del gen MYH16, que controla producción de tejido muscular.

Este cambio ocurrió hace entre 5,3 y 2,4 millones de años. Las mandíbulas más pequeñas pueden haber liberado espacio para que crezca el cerebro.

7 – Dieta variada: carne en el menú

 

Fuente de la imagen,Thinkstock

Nuestros ancestros primates más antiguos comían principalmente fruta, pero especies posteriores como el Australopithecus ampliaron su gusto.

Además de alimentarse con una variedad más grande de plantas, como las hierbas, parece que comieron mucha más carne e incluso que la troceaban con herramientas de piedra.

Más carne supuso más calorías y menos tiempo de masticación.

8 – Pelados: no más vello corporal

 

Fuente de la imagen,Thinkstock

Los humanos son primates casi lampiños. Nadie sabe por qué, pero ocurrió hace entre 3 y 4 millones de años.

Fue entonces fue cuando evolucionaron las ladillas, que solo pudieron infectar el pubis cuando el resto del pelo había desaparecido.

Expuesta al sol, la piel se oscureció. A partir de entonces, todos nuestros ancestros fueron negros, hasta que algunos humanos modernos dejaron los trópicos.

9 – Conexiones: un gen de inteligencia

 

Fuente de la imagen,Wikimedia Commons

Un gen llamado SRGAP2 fue duplicado tres veces.

Como resultado, nuestros ancestros tuvieron varias copias, algunas de las cuales podrían haber evolucionado libremente.

Una de las copias mutadas resultó ser mejor que la original.

Es probable que haya provocado que las células del cerebro modelaran más prolongaciones, permitiéndoles formar más conexiones.

10 – Cerebros más grandes: primates pensantes

 

Fuente de la imagen,Science Photo Library

Los humanos modernos pertenecen a un grupo o género de animales conocido como Homo.

El fósil de Homo más antiguo conocido fue hallado en Etiopía y tiene 2,8 millones de años.

La primera especie fue probablemente Homo habilis, aunque este supuesto ha sido disputado.

En comparación con sus ancestros, estos nuevos homínidos tenían cerebros mucho más grandes.

11 – Parto complicado: una cabeza muy grande

 

Fuente de la imagen,Thinkstock

Para los humanos, el parto es difícil y peligroso.

A diferencia de otros primates, las madres casi siempre necesitan ayuda.

Esto es porque caminar en dos piernas supone un canal pélvico más estrecho para el paso de un bebé humano, cuya cabeza ha crecido en relación a sus ancestros.

Para compensar el parto dificultoso, los bebés nacen más pequeños e indefensos.

12 – Control del fuego

 

Fuente de la imagen,Thinkstock

Nadie sabe cuándo nuestros ancestros aprendieron a controlar el fuego.

La prueba directa más antigua proviene de la Cueva Wonderwerk, en Sudáfrica, que contiene cenizas y huesos quemados de hace 1 millón de años.

Pero hay evidencias de que los homínidos procesaban los alimentos incluso antes y de que eso podía incluir cocinar con fuego.

13 – El don de la charla

 

Fuente de la imagen,Henry Gray Wikimedia Commons

Todos los grandes homínidos tienen sacos de aire en sus tractos vocales que les permiten lanzar fuertes bramidos.

Pero los humanos no, porque esos sacos de aire hacen que sea imposible producir diferentes sonidos vocales.

Nuestros ancestros los perdieron aparentemente antes de que nos bifurcáramos de nuestros primos Neandertales, lo que sugiere que ellos también podían hablar.

14 – Un gen para el lenguaje

 

Fuente de la imagen,SPL

Algunas personas tienen una mutación en un gen llamado FOXP2.

Como resultado, les cuesta entender gramática y pronunciar palabras.

Eso sugiere que FOXP2 es crucial para aprender y usar el lenguaje.

El gen moderno se desarrolló en el ancestro común de los humanos y los Neandertales: el FOXP2 neandertal es igual al nuestro.

15 – Saliva reforzada para comer carbohidratos

 

Fuente de la imagen,Thinkstock

La saliva contiene una enzima llamada amilasa, fabricada por el gen AMY1, que digiere el almidón.

Los humanos modernos cuyos ancestros fueron agricultores tienen más copias AMY1 que aquellos cuyos ancestros siguieron siendo cazadores recolectores.

Este refuerzo digestivo puede haber ayudado para dar inicio a los cultivos, los poblados y las sociedades modernas.

NEWS MUNDO – BBC

 

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Una cosa es innegable, la historia de nuestra especie, no solo es asombrosa… ¡Es Increíble.

Emilio Silvera V.

[?]

       ¡Física! Compendio de profundos pensamientos que nos hablan…¡de tantas cosas!

 Habitualmente aceptamos que la física es la ciencia que estudia la estructura y propiedades de la materia y la energía, las formas de existencia de las mismas en el espacio y el tiempo, así como las leyes de rigen sus interacciones. En este definición no hay limitaciones precisas entre la naturaleza viviente e inanimada, y aunque ello no implica la reducción de todas las ciencias a la física, se deduce que las bases teóricas finales de cualquier dominio de las ciencias naturales tienen una naturaleza física. También se acepta que la biología es la ciencia que trata sobre la naturaleza viviente, incluyendo los aspectos morfológicos, fisiológicos y moleculares. Al ser ésta mucho más compleja que la inerte, la metodología utilizada para establecer los fundamentos de los fenómenos biológicos y sus leyes es, en general, bastante diferente a la utilizada para el estudio de los fenómenos físicos. Podríamos decir que la física biológica, o biofísica, es la física de los procesos biológicos estudiados a todos los niveles, comenzando por las moléculas y las células y terminando por la biosfera en su conjunto.

         La Física está presente en toda la historia del Universo

Todo esto de la física y la biología, materia viva y materia inerte, necesita de un estudio muy profundo. He pensado mucho en ello y, particularmente (algunos dirán que estoy loco), pienso que la materia es sólo una, que se nos presenta en distintas formas, unas más evolucionadas y más complejas que otras; unas en fase inerte y otras en su fase más avanzada: viva.

Físicos como Hermann von Helmholtz en  1.850, midió la velocidad de propagación del impulso nervioso, y James Clark Maxwell, sobre 1.857, presentó la teoría de la visión en colores. Podríamos hablar de materia, de luz, de electromagnetismo, y acaso, ¿no son todas esas cuestiones distintos aspectos y variantes de la misma cosa?

Proto viene a significar “primero”; de ahí viene el nombre de protón, que según sea el número en que esté presente, compondrá una clase de materia u otra. Un átomo con un sólo protón será hidrógeno, el número uno de la Table Periódica, y el número noventa y dos será uranio. Dos elementos distintos pero en realidad hechos por la misma partícula compleja. Al final, todo está hecho de quarks y electrones. Nosotros somos toda la materia del universo también. Claro que, hablar de los seres vivos como simple materia es una temeridad. Esa materia viva evolucionada y muy compleja ha necesitado miles de millones de años para formarse en el corazón de las estrellas, y cuando ha podido surgir tras un largo y tortuoso proceso que le ha llevado a un estado de consciencia, allí había aparecido una materia nueva que estaba acompañada de un ente pensante que la hacía sentir el dolor y el placer, el frío y el calor; el primitivo estado “inerte” ya no estaba.

   Aquí buscamos las respuestas a esas preguntas que nadie ha sabido contestar…aún.

Está claro que la física que conocemos actualmente es insuficiente para resolver los problemas biológicos, o para fundamentar la biología teórica. La nueva biología necesita, y está a la espera, de una física que aún no está descubierta. De hecho, en la historia de la ciencia hubo situaciones en las que las teorías anteriormente elaboradas se desmoronaban al colisionar con la realidad en sus límites de aplicación, y fue necesario construir un marco conceptual distinto. Así ocurrió con la geometría de Riemann que mandó al paro la de Euclides, que reinó durante dos mil años; así pasó con los conceptos nuevos de Maxwell-Faraday y así pasó con la revolución de Einstein con su relatividad en las dos versiones. En todos los casos mencionados, los conceptos anteriores se fueron al traste y se comenzó un camino nuevo y sorprendente. No digamos de la revolución de Planck y su cuanto de acción (h), que nos trajo la mecánica cuántica.

Esos mundos situados a una distancia idónea, en presencia de una atmósfera acogedora, agua corriente en pantanos, arroyos, ríos y océanos de agua salada, radiaciones termales en los fondos marinos y provenientes del espacio, fenómenos naturales de erupciones volcánicas y terremotos, los ciclos del agua, y tantos otros parámetros presentes en esos mundos, hacen posible en ellos, la presencia de la Vida.

Nos queda un buen camino por recorrer. En la naturaleza y en los demás sistemas que la integran, buena parte de los procesos que ocurren son intrínsecamente discretos, es decir, involucran (o podrían modelarse con) conjunto discretos de partículas o individuos que interaccionan entre sí de una determinada manera. Átomos, moléculas, proteínas, bacterias, células, animales, personas, o incluso los factores del clima, son ejemplos de agentes activos en estos procesos, que cuando se juntan en un número lo bastante grande, dan lugar a la formación de cosas o cuestiones complejas de grandes dimensiones (galaxias o sociedades humanas, por ejemplo), que dan lugar a comportamientos colectivos que en nada nos recuerdan las interacciones microscópicas individuales.

                                                             

Todo en el Universo interacciona, nosotros también entre nosotros y con los componentes de las fuerzas que nos rodean.

Siempre tengo en mi mente que todo lo grande está hecho de cosas pequeñas; sino, ¿Qué es la felicidad? La felicidad no es otra cosa que esos pequeños momentos en que las cosas sencillas colman nuestros deseos: ayudar al ser amado, tener cogida su mano, una buena lectura, oír la música que te transporta a un lugar mágico, degustar una sencilla comida casera hecha con amor, en triunfo de un hijo, el fracaso de los malvados, un vaso de agua en el desierto, una caricia… todo eso es la felicidad.

Estamos en una época en la que existe la convicción de que buena parte del desarrollo tecnológico del futuro dependerá de la capacidad que tengamos para fabricar dispositivos con un tamaño comprendido entre el de los átomos (< 1 mm) y el de los dispositivos actuales (≈ 100 nm). Con estas dimensiones, la materia presenta comportamientos peculiares, en muchos casos de origen cuántico, que no resultan de una simple extrapolación de sus propiedades macroscópicas (mecánicas, electrónicas, magnéticas, químicas u ópticas), y que por ello son, a menudo, sorprendentes. Estas dimensiones corresponden al territorio límite entre la química molecular y supramolecular, y la física del estado sólido. El estudio de la materia a escala nanométrica y su utilización para la fabricación de compuestos (componentes) y dispositivos con prestaciones avanzadas y novedosas reciben el nombre de, respectivamente, nanociencia y nanotecnología.

La Nanotecnología marcará nuestro futuro. De ella partirán las nuevas ideas e instrumentos, los nuevos modos de construir lo que queda por venir, nuevas maneras de sondear el espacio “infinito”, de curar enfermedades, de sustituir órganos vitales, de construir robots.

Curiosamente, existe una creencia bastante arraigada en amplios sectores de la comunidad científica de que la fotónica (conjunto de tecnologías relacionadas con la luz) es un campo que cae fuera del universo de la nanotecnología. La creencia se apoya en el clásico criterio de Rayleigh de que la resolución espacial de un sistema óptico está limitada por la longitud de onda de la luz (≈ 500 nm), y por ello es próxima al micrómetro, muy lejos de los requisitos de la nanotecnología.

Yo, por mi parte, estimo que esta división es sin duda errónea, y hoy en día la fotónica está íntimamente implicada con la nanotecnología, e incluso se puede hablar propiamente de nano-fotónica, de igual manera que se puede hablar de nanoelectrónica o de nano-magnetismo.

Esas nuevas formas, la nanotecnología, entrará en el “universo” de la mecánica cuántica, en el mundo infinitesimal, y, se lograrán cosas que ahora, serían impensables. Posiblemente, la primera visita que hagamos a un mundo habitado por otros seres, estará tripulada por seres nanotecnológicos que, al igual que la misma nave, tengan medidas tan pequeñas que serán imposibles de observar y, sin embargo, estarán dotadas de adelantos tales que, podrán medir, evaluar, estudiar, captar imágenes, enviar datos por medios ahora desconocidos, y, en fin, serán las avanzadillas de lo que irá después, la visita de humanos a otros mundos.

Como no podemos saber lo que por ahí fuera nos podemos encontrar, esa manera de explorar nuevos mundos, nos dará la oportunidad de no cometer errores irreparables. Llegar, observar y estudiar y, con lo aprendido…actuar en consecuencia.

¡Qué maravilloso cuando, dentro de muchos años, podamos dominar técnicas que ahora nos parecerían milagrosas! Algún día construiremos instrumentos que, como un pequeño reloj de pulsera, creará a nuestro alrededor un campo capaz de repeler los electrones de una pared, de tal manera que, sin dificultad alguna, nos permita traspasarla como si fuéramos un fantasma. Sí, suena a ciencia ficción, pero será posible como el transportar objetos de un lugar a otro mediante máquinas que desintegran la materia en Madrid, y en una fracción de segundo, la enviarían a Londres.

Si quieres y te quieren… ¡Eres alguien feliz! La Vida es corta y no merece la pena desperdeciarla buscando más riqueza, más poder, más lo que sea ajeno al sentimoiento.

Pero a pesar de ello, de tanto adelanto y tantos conocimientos, el milagro reside en otra parte: ¡necesitamos querer y que nos quieran! ¡Saber llorar y reír! ¡Sentir las penas y alegrías de los demás! para sentirnos tristes o alegres con ellos.  Ese acercamiento, nos hará más humanos y, a partir de ahí…busquemos todas las respuestas que, en la ciencia y en los pensamientos, nos quedan por encontrar.

Emilio Silvera V.

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Hemos llegado a poder discernir la relación directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza. Ahora, hemos llegado a comprender muchas de las cosas que, hasta bien poco tiempo, eran auténticos secretos que, el Universo, celosamente se guardaba, y, esa comprensión, nos llevará más lejos y nos permitirá realizar un largo camino hacia el corazón mismo de la materia, donde según parece, pueden residir infinitesimales objetos más pequeños que los Quarks, en esa distancia inalcanzable ahora que hemos llamado, el Límite de Planck.

Una molécula es mayor y más fácil de desmembrar que un átomo; lo mismo podemos decir de un átomo respecto al núcleo atómico, y de un núcleo con respecto a los quarks que contiene. Sion embargo, nos queda la duda de: ¿Qué podrá haber más allá de los Quarks confinados en el núcleo por los Gluones?

                                                             ¿Estructura fundamental?… (¿)

La cosmología sugiere que esta relación resulta del curso de la historia cósmica, que los quarks se unieron primero, en la energía extrema del big bang original, y que a medida que el Universo se expandió, los protones y neutrones compuestos de quarks se unieron para formar núcleos de átomos, los cuales, cargados positivamente, atrajeron a los electrones cargados con electricidad negativa estableciéndose así como átomos completos, que al unirse formaron moléculas.

                                                                                Molécula de Agua

Si es así, cuanto más íntimamente examinemos la Naturaleza, tanto más lejos hacia atrás vamos en el tiempo. Alguna vez he puesto el ejemplo de mirar algo que no es familiar, el dorso de la mano, por ejemplo, e imaginemos que podemos observarlo con cualquier aumento deseado.

Con un aumento relativamente pequeño, podemos ver las células de la piel, cada una con un aspecto tan grande y complejo como una ciudad, y con sus límites delineados por la pared celular. Si elevamos el aumento, veremos dentro de la célula una maraña de ribosomas serpenteando y mitocondrias ondulantes, lisosomas esféricos y centríolos, cuyos alrededores están llenos de complejos órganos dedicados a las funciones respiratorias, sanitarias y de producción de energía que mantienen a la célula.

Ya ahí tenemos pruebas de historia. Aunque esta célula particular solo tiene unos pocos años de antigüedad, su arquitectura se remonta a más de mil millones de años, a la época en que aparecieron en la Tierra las células eucariota o eucarióticas como la que hemos examinado.

                                                    Imagen de la piel al microscopio electrónico

Para determinar dónde obtuvo la célula es esquema que le indicó como formarse, pasemos al núcleo y contemplemos los delgados contornos de las macromoléculas de ADN segregadas dentro de sus genes. Cada una contiene una rica información genética acumulada en el curso de unos cuatro mil millones de años de evolución.

                                                           Células del cuerpo humano

Almacenado en un alfabeto de nucleótidos de cuatro “letras”- hecho de moléculas de azúcar y fosfatos, y llenos de signos de puntuación, reiteraciones para precaver contra el error, y cosas superfluas acumuladas en los callejones sin salida de la historia evolutiva-, su mensaje dice exactamente cómo hacer un ser humano, desde la piel y los huesos hasta las células cerebrales.

                                                                          Célula cerebral

Si elevamos más el aumento veremos que la molécula de ADN está compuesta de muchos átomos, con sus capas electrónicas externas entrelazadas y festoneadas en una milagrosa variedad de formas, desde relojes de arena hasta espirales ascendentes como largos muelles y elipses grandes como escudos y fibras delgadas como puros. Algunos de esos electrones son recién llegados, recientemente arrancados átomos vecinos; otros se incorporaron junto a sus núcleos atómicos hace más de cinco mil millones de años, en la nebulosa de la cual se formó la Tierra.

                                                                             Molécula de ADN

Si elevamos el aumento cien mil veces, el núcleo de un átomo de carbono se hinchará hasta llenar el campo de visión. Tales núcleos átomos se formaron dentro de una estrella que estalló mucho antes de que naciera el Sol. Si podemos aumentar aún más, veremos los tríos de quarks que constituyen protones y neutrones.

                                                                            Átomo de Carbono

Los quarks han estado unidos desde que el Universo sólo tenía unos pocos segundos de edad. Una vez que fueron eliminados los anti-quarks, se unieron en tripletes para formar protones y neutrones que, al formar un núcleo cargado positivamente, atrajeron a los electrones que dieron lugar a formar los átomos que más tarde, conformaron la materia que podemos ver en nuestro Universo.

Al llegar a escalas cada vez menores, también hemos entrado en ámbitos de energías de unión cada vez mayores. Un átomo puede ser desposeído de su electrón aplicando sólo unos miles de electrón-voltios de energía. Sin embargo, para dispersar los nucleones que forman el núcleo atómico se requieren varios millones de electrón-voltios, y para liberar los quarks que constituyen cada nucleón se necesitaría cientos de veces más energía aún.

Los Quarks dentro del núcleo están sometidos a la Interacción fuerte, es decir, la más potente de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo, la que mantiene a los Quarks confinados dentro del núcleo atómico por medio de los Gluones.

Introduciendo el eje de la historia, esta relación da testimonio del pasado de las partículas: las estructuras más pequeñas, más fundamentales están ligadas por niveles de energía mayores porque las estructuras mismas fueron forjadas en el calor del Big Bang.

Esto implica que los aceleradores de partículas, como los telescopios, funcionen como máquinas del tiempo. Un telescopio penetra en el pasado en virtud del tiempo que tarda la luz en desplazarse entre las estrellas; un acelerador recrea, aunque sea fugazmente, las condiciones que prevalecían en el Universo primitivo.

El acelerador de 200 kev diseñado en los años veinte por Cockroft y Walton reproducía algunos de los sucesos que ocurrieron alrededor de un día después del comienzo del Big Bang.

                    Aquel acelerador nada tenía que ver con el LHC de ahora, casi un siglo los separa

Los aceleradores construidos en los años cuarenta y cincuenta llegaron hasta la marca de un segundo. El Tevatrón del Fermilab llevó el límite a menos de una milmillonésima de segundo después del comienzo del Tiempo. El nuevo super-colisionador superconductor proporcionara un atisbo del medio cósmico cuando el Universo tenía menos de una billonésima de segundo de edad.

El Tevatrón del Fermilab ya estaba en el camino de la modernidad en los avances de la Física

Esta es una edad bastante temprana: una diez billonésima de segundo es menos que un pestañeo con los párpados en toda la historia humana registrada. A pesar de ello, extrañamente, la investigación de la evolución del Universo recién nacido indica que ocurrieron muchas cosas aún antes, durante la primera ínfima fracción de un segundo.

Todos los teóricos han tratado de elaborar una explicación coherente de los primeros momentos de la historia cósmica. Por supuesto, sus ideas fueron esquemáticas e incompletas, muchas de sus conjeturas, sin duda, se juzgaran deformadas o sencillamente erróneas, pero constituyeron una crónica mucho más aclaradora del Universo primitivo que la que teníamos antes.

                                                    Recreación del Universo primitivo

 Bueno amigos, el trabajo era algo más extenso y entrábamos a explicar otros aspectos y parámetros implicados en todo este complejo laberinto que abarca desde lo muy grande hasta la muy pequeño, esos dos mundos que, no por ser tan dispares, resultan ser antagónicos, porque el uno sin el otro no podría exisitir. Otro día (quedan muchos por delante en este año que comienza), seguiremos abundando en el tema apasionante  que aquí tratamos.

Emilio Silvera V.

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