Archivo de la categoría ‘Física’

¿Cómo funciona un espejismo? El misterio de la ‘fata morgana’

Por Mar Gulis (CSIC)*

Hace ya tiempo que las gentes de Reggio Calabria, ciudad costera del sur de Italia, están acostumbradas a ver imágenes surreales, que parecen espectros, cuando miran al horizonte. Sobre el mar, en la línea donde este parece juntarse con el cielo, pueden observarse embarcaciones navegando por encima del agua, como si estuvieran en suspensión.

Lo que ven los lugareños no es una alucinación ni una ilusión óptica, sino un espejismo, una visión real que se produce por la confluencia de varios factores. Hoy tenemos una explicación científica sobre esta anomalía, pero antiguamente marineros y navegantes sentían pánico cuando veían estas imágenes en alta mar, pues las atribuían a maldiciones o hechizos. Estos espejismos distorsionan la apariencia de los objetos situados en el horizonte, que son proyectados como si flotaran.

esquema espejismo

Esquema del proceso de formación de los espejismos. / Camilo Florian Baron

El fenómeno del que hablamos se conoce como ‘fata morgana’, una denominación que procede del latín y significa hada Morgana, en alusión a la hermana del legendario rey Arturo, que según la leyenda era un hada cambiante. El espejismo, frecuente en el estrecho de Mesina, hace que las personas vean cosas donde no las hay debido a la existencia de distintas capas de aire con densidades diferentes. Como resultado, los rayos de luz se refractan, pero quien ve el espejismo no percibe esas diferentes capas, y de ahí el desconcierto.

Para entenderlo, hay que acudir a la óptica. El libro Descubriendo la luz (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata) explica cómo se produce la ‘fata morgana’. “Los espejismos son fenómenos asociados a la propagación de la luz en medios no homogéneos, donde el índice de refracción varía continuamente con la altura y, por tanto, la luz describe trayectorias curvas. Dichas curvas presentan una concavidad en la dirección de aumento del índice de refracción. Es decir, la luz se curva hacia el medio (agua, aire, etc.) con mayor índice de refracción”. En otras palabras, en un espejismo la luz ‘se dobla’ al atravesar las capas de aire a distinta temperatura. Como resultado, “la posición real del objeto está sujeta a la interpretación humana, ya que la formación de la imagen está condicionada por la refracción de la luz”.

Fenómeno de la fata morgana. / Wikimedia commons

Fenómeno de la fata morgana. / Wikimedia commons

Los espejismos pueden clasificarse en inferiores y superiores. La ‘fata morgana’ que alucina a los habitantes y turistas de la costa meridional de Sicilia es un ejemplo de espejismo superior. Como explica el libro Descubriendo la luz, “este se produce cuando el índice de refracción disminuye con la altura, algo que suele darse en zonas frías, donde la capa de aire próxima al suelo es muy fría y es más densa que las capas superiores”. Precisamente lo que sucede en el mar, donde generalmente el agua está a menor temperatura que el aire, produciendo un enfriamiento de las capas de aire más próximas a la superficie del agua. De este modo cambia su densidad y, por tanto, la forma en la que los rayos de luz se refractan. El resultado es el espejismo, bajo la apariencia de barcos que flotan sobre el mar o elementos en el horizonte como islas, acantilados o témpanos de hielo, con siluetas alargadas que les dan una apariencia fantasmal. Estos efectos suelen ser visibles por la mañana, después de una noche fría.

* Este texto está inspirado en los contenidos del libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata), coordinado por María Viñas, investigadora del Instituto de Óptica del CSIC.

¿Pueden existir estrellas y galaxias de antimateria?

Por Beatriz Gato Rivera y Mar Gulis (CSIC)*

Quizás lo más distintivo de la antimateria es que al entrar en contacto con la materia se aniquilan la una a la otra produciendo una gran cantidad de radiación. Si se pudiera almacenar un gramo de antimateria –algo imposible con la tecnología actual–, al entrar en contacto con la materia generaría una deflagración equivalente a más de dos veces la bomba atómica que asoló Hiroshima en 1945.

La física de partículas y la cosmología han llegado a la conclusión de que en el Big Bang se crearon idénticas cantidades de materia y antimateria que, solo unos breves instantes después, se aniquilaron casi totalmente entre sí. Algo sucedió, sin embargo, justo antes de la Gran Aniquilación para que se generara un ligerísimo excedente de partículas sobre antipartículas, el cual bastó para que el universo material pudiese tomar forma y llegar a existir tal como lo conocemos. En efecto, de las observaciones se deduce que por cada protón primordial –originado en el Big Bang– que sobrevivió, miles de millones sucumbieron a la extinción, junto a la misma cantidad de antiprotones primordiales.

aniquilación de un antiátomo

Aniquilación de un átomo de antihidrógeno observada por el detector ATHENA en 2002. / CERN

Sin embargo, no es posible descartar que haya sobrevivido una pequeñísima cantidad de antimateria primordial en nuestro universo observable, quizás un antiprotón por cada decena de millones de protones. En este caso no es impensable que pudieran existir estrellas e incluso galaxias pequeñas de antimateria, como predicen algunos modelos teóricos propuestos por varios grupos de investigación, siempre que estas estuviesen suficientemente aisladas de la materia –y lo cierto es que en el universo hay regiones extremadamente vacías–. De confirmarse esta circunstancia tampoco sería inimaginable que orbitando dichas antiestrellas existieran antiplanetas habitados por seres vivos e incluso civilizaciones tecnológicas, compuestos todos ellos por antimateria.


¿Qué es la antimateria?

Para comprender mejor las consecuencias de esta posibilidad, hay que entender qué es la antimateria. En un sentido amplio, la antimateria puede considerarse como el reverso de la materia o como una imagen especular de la misma respecto a varios ‘espejos’. Como sabemos por experiencia propia, cuando nos miramos en un espejo el rostro que vemos no es nuestro rostro sino que tiene intercambiados los lados derecho e izquierdo. Del mismo modo, las partículas de antimateria tienen sus propiedades opuestas respecto a las de las partículas de materia. Esto se refiere solo a aquellas propiedades que admiten valores opuestos, ya que las propiedades que no admiten valores opuestos son idénticas para las partículas y sus antipartículas. Por ejemplo, el electrón y su antipartícula, el positrón, con la misma masa y el mismo espín, tienen valores opuestos de la carga eléctrica, la carga débil y la carga leptónica.

Todas las partículas elementales tienen su antipartícula, aunque hay partículas que son sus propias antipartículas. Es el caso del fotón –la partícula de luz– o del bosón de Higgs. Se da la curiosa circunstancia de que la única antipartícula con nombre propio es el positrón –“electrón positivo”–, así denominado por Carl Anderson tras descubrirlo en 1932. Las demás antipartículas se denominan como las partículas ordinarias pero anteponiendo el prefijo anti.

Al igual que las partículas, las antipartículas pueden dar lugar a estructuras más complejas, como átomos de antimateria, que están constituidos por las antipartículas de los átomos de materia. En su núcleo, en lugar de protones (de carga eléctrica +1) y neutrones, compuestos todos ellos por quarks, hay antiprotones (de carga eléctrica -1) y antineutrones, compuestos por antiquarks –los quarks y sus antiquarks tienen valores opuestos de la carga fuerte, la carga débil, la carga eléctrica y la carga bariónica–. Orbitando alrededor del núcleo, en lugar de electrones (de carga eléctrica -1), encontramos positrones (de carga eléctrica +1).

átomo y antiátomo

A la izquierda, un átomo de helio. A la derecha, uno de antihelio.


Antimateria primordial y antimateria secundaria

Estamos conviviendo constantemente con la antimateria y con los productos de su aniquilación con la materia. Por una parte, una lluvia incesante de partículas de materia y de antimateria, producidas por las colisiones de los rayos cósmicos con los átomos de nuestra atmósfera, cae sobre la superficie terrestre y nos alcanza. Es más, neutrinos y muones muy energéticos (y sus antipartículas) atraviesan casas y edificios.

Por otra parte, las mismas estrellas producen antimateria en grandes cantidades en sus hornos nucleares en forma de positrones. Y sucede que la aniquilación de estos con los electrones del plasma del interior produce parte de la luz y del calor que emiten. En el caso del Sol, aproximadamente un 10% de la luz visible que irradia proviene de tales aniquilaciones.

Además, algunas sustancias radiactivas naturales que abundan en compuestos orgánicos, como el Potasio-40, emiten positrones, los cuales se aniquilan de inmediato con los electrones de su entorno. Esto hace, por ejemplo, que un plátano mediano emita cada 24 horas 15 positrones, aproximadamente, provenientes de los núcleos radioactivos de los átomos de Potasio-40.

La inmensa mayoría de las partículas de antimateria con las que convivimos y que observamos es antimateria secundaria, pues se ha creado en colisiones entre partículas de materia ordinaria o en procesos astrofísicos conocidos muy energéticos, como las reacciones nucleares en el interior de las estrellas. Pero, como decíamos, cabe la posibilidad de que todavía haya en el universo partículas de antimateria primordiales.

El experimento AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), instalado en la Estación Espacial Internacional, se afana por encontrar indicios de tal posibilidad, escudriñando el espacio en busca de núcleos de antiátomos. Si encontrase un solo antinúcleo mayor que el de antihelio, como un núcleo de antilitio o antiberilio (con tres y cuatro antiprotones respectivamente), esto constituiría un gran acontecimiento, pues indicaría que la antimateria primordial no desapareció totalmente, ya que estos núcleos no se pueden producir en nuestro universo material, a diferencia del núcleo de antihelio. Pero si el experimento AMS encontrase un solo antinúcleo aún mayor, como un núcleo de antiboro o anticarbono (con cinco y seis antiprotones respectivamente), este hallazgo sería la prueba definitiva de la existencia de antiestrellas, pues estos antinúcleos solo podrían haberse generado en los hornos de las capas más profundas de estas.

AMS2

Simulación del detector AMS2 montado en la Estación Espacial Internacional. / NASA-JSC

Civilizaciones extraterrestres de antimateria

Ahora dejemos volar nuestra imaginación y vayamos hacia el futuro, a una época en la que pudiéramos realizar viajes intergalácticos de forma eficiente; por ejemplo, a través de atajos espacio-temporales o por otras dimensiones. Supongamos que descubrimos una estrella de antimateria, porque emite antineutrinos en lugar de neutrinos, y que al acercarnos avistamos todo un sistema planetario con algunos planetas localizados en la zona de habitabilidad. Así que decidimos enviar señales que denoten su procedencia inteligente, y con este propósito elegimos unas secuencias de flashes de luz láser con los números impares: 1, 3, 5, 7, 9…

Si nos encontramos lo suficientemente cerca de estos antiplanetas, por ejemplo a tan solo dos horas luz de distancia, nuestras señales tardarán dos horas en llegar a su destino. Imaginemos entonces que, para nuestro asombro, unas seis horas después recibimos una respuesta inteligente, consistente en otras secuencias de flashes de luz láser, pero esta vez con los números pares: 2, 4, 6, 8…

¡Nuestras señales han sido interceptadas por seres inteligentes de una civilización tecnológica!, y nos envían acuse de recibo utilizando señales similares aunque no idénticas, para que no las confundamos con un eco de nuestras propias señales. Con gran entusiasmo, esta vez les enviamos un vídeo amistoso enseñándoles la Tierra y sus gentes, al que nos responden con otro vídeo amistoso enseñándonos su planeta e invitándonos a visitarlo, como se deduce de su lenguaje no verbal y sus gesticulaciones.

Obviamente, estos seres ignoran que nosotros somos de antimateria en relación a la materia de la que ellos y su mundo están constituidos. Pero nosotros sí sabemos que ellos lo son, en relación a la nuestra. Así que no podemos aceptar la invitación y hemos de restringir nuestro contacto al intercambio de ondas electromagnéticas exclusivamente. Nada de recepciones oficiales, ni de intercambios de obsequios: la aniquilación mutua estaría asegurada.

 

* Beatriz Gato Rivera es investigadora del CSIC en el Instituto de Física Fundamental y autora del libro Antimateria (Editorial CSIC-Los libros de la Catarata).

El fondo cósmico de microondas, la fotografía más antigua del universo

Galaxia Andrómeda. / Robert Gendler.

Por Pablo Fernández de Salas (CSIC)*

Cuando miramos al cielo nocturno, la mayoría de lo que vemos es un manto negro con algunas estrellas dispersas. Por eso, siempre nos han dicho que el universo está prácticamente vacío.

Sin embargo, en el interior de una galaxia como la nuestra esto no es realmente cierto, ya que en el espacio que media entre las estrellas hay mucho polvo y nubes de gas molecular. Otra cosa distinta es lo que ocurre en el enorme espacio que por lo general separa las galaxias. Sin ir más lejos, Andrómeda, la galaxia más cercana a la Vía Láctea, se encuentra a nada menos que dos millones y medio de años luz. Si alguien nos enviara un mensaje desde allí, ¡tendríamos que esperar un mínimo de dos millones y medio de años para recibirlo! La cantidad de polvo y gas que hay en estas grandes distancias es ridículamente pequeña, y es por ello que decimos que el espacio intergaláctico se encuentra vacío. No obstante, estrictamente hablando, dicho espacio queda muy lejos de no contener nada.

Lo que llena el espacio intergaláctico está presente a lo largo y ancho de todo el universo. Se trata, principalmente, de fotones, las partículas que componen la luz. Comparten el espacio con otras partículas, como por ejemplo los neutrinos, pero los fotones son las más abundantes del universo. Concretamente, hay más de medio millón de fotones en el volumen que ocupa una botella de litro y medio en el ‘vacío’ cósmico. ¿Cómo es posible que, siendo fotones, no los veamos a simple vista?

Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson bajo la antena que descubrió el fondo cósmico de microondas, en Holmdel, Nueva Jersey. / NASA.

La explicación la encontramos en su origen. Los fotones que pueblan el universo se conocen, en su conjunto, como el fondo cósmico de microondas, y son, además de los más abundantes del cosmos, también los más viejos. Proceden de una época en la que el universo tenía menos de medio millón de años. Trescientos ochenta mil años, siendo más precisos, frente a los casi catorce mil millones de años que tiene en la actualidad. ¡Apenas un día en la vida de un ser humano!

Estos fotones, creados cuando el universo era tan joven, sufrieron un proceso que se conoce con el nombre de desacoplamiento. Antes de que esto ocurriera, el cosmos era una especie de ‘sopa traslúcida’, conocida como plasma, en la que los fotones no duraban mucho, ya que se aniquilaban y creaban de nuevo sin descanso debido a sus frecuentes interacciones con electrones y núcleos de elementos ligeros. Sin embargo, cuando la temperatura descendió por debajo de los 3.000 grados, los electrones se hicieron suficientemente lentos como para que los núcleos los capturaran para formar átomos. Eso, a su vez, permitió que los fotones dejaran de chocar constantemente con esas partículas y pudieran emprender un viaje en solitario y en todas las direcciones hasta nuestros días.

satélite Planck

Representación artística del satélite Planck. /
ESA-AOES Medialab.

A lo largo de todos estos años que nos separan, estos fotones se han ido enfriando por culpa de la expansión del universo hasta alcanzar hoy una temperatura de 270 grados bajo cero. Paradójicamente, esto hace que calienten el universo, ya que si no estuvieran en todas partes la temperatura del cosmos se encontraría en el cero absoluto, a menos 273 grados.

Además de enfriarlos, la expansión del universo ha expandido la longitud de onda de estos fotones, por lo que ya no nos llegan en forma de luz –nuestros ojos no pueden verlos–, sino en forma de microondas –que no pueden ser ‘vistas’ pero sí detectadas–. La primera detección de este fondo cósmico de microondas fue realizada de forma más o menos fortuita por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en 1964 con una descomunal antena. Ambos fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.

Desde entonces la comunidad investigadora ha observado estos antiquísimos fotones con satélites como COBE, WMAP o Planck, y con experimentos situados en la superficie de la Tierra. Actualmente, la observación más precisa de las anisotropías del fondo cósmico se la debemos al satélite Planck, que tras cuatro años de operación nos ha permitido tomar la fotografía más antigua del universo.

Antisotropías

Anisotropías del fondo cósmico de microondas medidas por el satélite Planck. La fotografía más antigua del universo. / ESA-Planck Collaboration.

La imagen refleja las minúsculas variaciones –del orden de las cienmilésimas de grado– que existen entre estos fotones según la dirección de la que procedan. Estas pequeñas desviaciones, conocidas como anisotropías, constituyen una fuente de información maravillosa sobre nuestro universo, en especial en sus primeros años de vida. Por ejemplo, permiten estudiar las diferencias en la densidad del plasma cósmico cuando el universo tenía trescientos ochenta mil años, o características de los neutrinos y de la materia oscura ligadas con las propiedades estadísticas de dichas anisotropías, tareas que llevamos a cabo en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia) con datos preliminares obtenidos por el satélite Planck.

 

* Pablo Fernández de Salas es investigador en el Instituto de Física Corpuscular (centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia).

¿Qué tiene que ver la gravedad con la vida en el universo?

Por Carlos Barceló Serón (CSIC)*

La gravitación, el fenómeno por el cual los objetos con masa se atraen entre sí, parece estar detrás de la vitalidad que muestra el universo, es decir, de su capacidad para generar vida.

Remolinos de polvo interestelar en la nebulosa del Águila captados por el telescopio Hubble. Son conocidos como los “pilares de la creación” de la nebulosa, por ser un lugar donde nacen estrellas. / NASA-ESA.

Así ocurre porque la vida tal como la conocemos requiere para su existencia de una gran variedad de elementos químicos. Para que esta complejidad química se haya producido, fue necesario formar primero un ecosistema de estrellas. Es en estos inmensos y potentes hornos donde se generaron los elementos químicos complejos (todos salvo los elementos primordiales generados en fases del universo temprano); incluido el carbono, que es fundamental en los compuestos orgánicos. Es más, algunos elementos pesados solo pudieron formarse en explosiones de tipo nova, supernova o en las colisiones de estrellas de neutrones.

Esto quiere decir que únicamente un medio suficientemente procesado por el nacimiento y muerte de generaciones de estrellas es un terreno abonado para la vida. Y la fuerza suprema responsable de la formación de estrellas es la gravedad. Es ella la que tiende a compactar la materia, aumentando su densidad hasta permitir las reacciones termonucleares responsables del enriquecimiento químico.

Sin embargo, existe otro aspecto todavía más importante que relaciona biología y gravedad, considerada una de las cuatro interacciones físicas fundamentales. Es el hecho de que la gravedad, a través de la generación de estrellas, abre una puerta entrópica en el universo.

¿Qué quiere decir esto? Para entenderlo, hay que saber que la entropía es un concepto fundamental en física de sistemas complejos (gases, fluidos, etc., en general, sistemas con muchos componentes). En la descripción propuesta por Ludwig Boltzmann, la entropía de un sistema es una medida de cómo de ordinaria es la configuración en la que se encuentra entre todas las configuraciones que el sistema podría adoptar. Todos los sistemas físicos conocidos satisfacen la segunda ley de la termodinámica, la cual nos dice que todo sistema evoluciona de lo singular a lo ordinario, es decir, que su entropía y su desorden siempre aumentan.

Restos de una explosión estelar en la nebulosa de Orión. /ALMA (ESO-NAOJ-NRAO), J. Bally-H. Drass et al., via Wikimedia Commons.

Sin embargo, la evolución biológica parece ir a primera vista en contra de esta ley, ya que aparentemente produce de forma progresiva estructuras más organizadas, más singulares. No obstante, esta violación es solo una apariencia y, de hecho, la segunda ley de la termodinámica no se vulnera aquí tampoco. Lo que sucede es que cada disminución de entropía de un sistema vivo se ve compensada con aumentos de entropía en otras partes del sistema total. Nosotros y todos los seres vivos consumimos energía empaquetada de forma singular para devolverla al sistema en forma ordinaria. Al contrario de la visión popular, no funcionamos a base de consumir energía como si de hacerla desaparecer se tratara; nuestros procesos vitales conservan la cantidad de energía. Funcionamos a base de desorganizar la energía. Para poder hacer esto necesitamos que haya fuentes de energía susceptibles de ser desorganizadas. Y un foco caliente –una estrella– en un universo frío proporciona precisamente esta situación.

Todo apunta a que el universo comenzó su andadura a partir de un estado extremadamente singular y que este hecho ha permitido que en la actualidad contenga tal riqueza estructural. Aunque la conexión exacta todavía se nos escape, deberíamos retener la idea de que la gravedad guarda la clave de lo que podría ser el más singular de todos los hechos: el nacimiento entrópico del universo.

 

* Carlos Barceló Serón es investigador del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía, autor del libro de divulgación La gravedad (CSIC-Catarata) e impulsor del proyecto audiovisual ‘Territorio gravedad’.

La feria Ciencia en el Barrio reúne a 500 adolescentes para divulgar la ciencia

Por Mar Gulis (CSIC)

Abderrahim y Anás salen a explicar una estratigrafía arqueológica que acaban de realizar en su instituto para entender las huellas del tiempo en el paisaje. Una investigadora del CSIC, María Ruiz del Árbol, les ha explicado cómo hacerlo previamente. Estamos en el Instituto de Educación Secundaria (IES) María Rodrigo, en el Ensanche de Vallecas, y es la primera vez que reciben una visita de este tipo. Sus profesores y el director del IES no salen de su asombro; estos chicos no se implican en actividades académicas y menos científicas. Hasta que cambia su contexto de aprendizaje.

Motivar y generar curiosidad es uno de los objetivos de Ciencia en el Barrio, un proyecto del CSIC que, con el apoyo de la FECYT, trata de llevar actividades de divulgación científica a distritos de Madrid que no contaban con esta oferta. Este viernes, 16 de marzo, estudiantes procedentes de Usera, Carabanchel, Villaverde, Puente de Vallecas, Hortaleza y San Blas-Canillejas replican los talleres realizados previamente con personal investigador del CSIC en sus Institutos de Educación Secundaria (IES) en la Feria Ciencia en el Barrio, en el IES Arcipreste de Hita, en Entrevías, convirtiéndose así en divulgadoras y divulgadores por un día.

A las 10.00 de la mañana, el salón de actos del Arcipreste era un hervidero. Cerca de 500 adolescentes procedentes de nueve institutos madrileños deambulaban de un lado a otro buscando un stand, probando microscopios, preparando el material para hacer una extracción de ADN, ordenando los utensilios para hacer una cata de chocolate…La oferta de la feria es sumamente variada: hasta las 14.00, sus protagonistas van a acercarse a la ciencia a través de experimentos sobre los orígenes de la vida en el universo, la microelectrónica o la nanotecnología; y también mediante  talleres para aprender matemáticas con la vida de las abejas, ‘cocinar’ con polímeros, realizar catas de chocolates, pruebas olfativas o aplicar conocimientos arqueológicos al barrio.

Desde 2016, el Área de Cultura Científica del CSIC ha organizado en cada uno de los institutos participantes talleres experimentales, conferencias, clubes de lectura, y exposiciones sobre temas de actualidad científica, además de visitas guiadas a centros de investigación punteros. El programa está dirigido a estudiantes de 4º de la ESO, pero el resto del alumnado y la comunidad educativa y vecinal también pueden participar en algunas de las actividades.

Ciencia en el Barrio constituye una iniciativa pionera en la ciudad. Hasta el momento más de 2.500 personas han participado en un centenar de actividades que han permitido desmontar ideas falsas sobre las y los científicos, favorecer el contacto directo entre los jóvenes y el personal investigador, así como reforzar vocaciones científicas e inspirar otras nuevas.

William R. Hamilton: el niño prodigio que emuló a Arquímedes

Por Sergio Barbero (CSIC) *

No es usual que un adolescente de 17 años se sienta interpelado a ocupar un lugar destacado en la historia de la ciencia. Y menos aún que semejante sentimiento acabe convirtiéndose en realidad, haciendo veraz el viejo aforismo de que sólo quien persigue con ahínco sus sueños es capaz de alcanzarlos. Esta es la historia de William Rowan Hamilton (1805-1865).

Retrato de Hamilton. Imagen de dominio público.

Hamilton fue educado por su tío James, un erudito en lenguas clásicas graduado en el Trinity College de Dublín. No es de extrañar, pues, que la educación del joven William tuviese un especial énfasis en el aprendizaje de idiomas. A muy temprana edad quedó patente la increíble capacidad de William: a los diez años –según su padre Archibald– conocía y hablaba, en mayor o menor grado, hebreo, persa, árabe, sánscrito, caldeo, siriaco, indostano, malayo, bengalí, griego, latín y varias lenguas europeas modernas. Dado el don de su hijo, Archibald aspiraba a que en el futuro William hiciese carrera con la prestigiosa Compañía Británica de las Indias Orientales. Sin embargo, la aritmética se interpuso a los deseos del padre. William descubrió que estaba dotado no sólo para aprender lenguas sino también para los cálculos aritméticos.

Su tío empezó a preparar a William para su entrada en el Trinity College. Allí, a pesar de las reticencias de James, Hamilton comenzó a estudiar distintas ramas de las matemáticas y mostró un interés especial por la aplicación de la geometría al estudio de la propagación de la luz. Desde tiempos de Euclides se había utilizado un modelo geométrico de la luz que postulaba que ésta se propagaba como una familia de líneas rectas, denominadas rayos de luz.

Hamilton no se limitaba a estudiar lo que se conocía sobre la geometría de la luz sino que, a pesar de su juventud (17 años), aspiraba a crear algo nuevo. Era plenamente consciente de su valía intelectual y prefería las ciencias naturales a los estudios humanísticos, porque, según escribió: “¿Quién no preferiría tener más la fama de Arquímedes que la de su conquistador Marcelo, o la de cualquier erudito de los clásicos, cuya máxima ambición fuese estar familiarizados con los pensamientos de otros hombres? […] Las mentes poderosas de todos los tiempos se han unido para encumbrar el vasto y hermoso templo de la Ciencia, inscribiendo sus nombres en caracteres imperecederos; pero el edificio no está finalizado: no es aún demasiado tarde para añadir un nuevo pilar u ornamento. No he llegado apenas a los pies de este templo, pero aspiro, un día, a alcanzar su cima.” Tal postura no implicaba que Hamilton despreciase las humanidades. De hecho siempre amó la poesía, a la que veía como fruto del mismo espíritu creativo del que emana la ciencia.

Sus estudios sobre óptica fructificaron. En 1823 escribía a su primo: “En óptica he hecho un descubrimiento muy curioso”. Tan sólo un año después, Hamilton mandaba su primer artículo científico –titulado ‘Sobre las cáusticas’– a la Royal Irish Academy.  Durante los siguientes años Hamilton establecería una teoría completamente original sobre la óptica geométrica basada en un nuevo principio determinante que  descubrió y denominó “Principio de acción constante”. Se sabía que una familia de rayos de luz siempre tiene asociada una superficie ortogonal a todos ellos que se denomina frente de onda. Étienne-Louis Malus (1775-1812) demostró que una familia de rayos con un frente de onda asociado seguía manteniéndolo a pesar de que esos rayos sufriesen una reflexión en un espejo o un cambio de medio (lo que se llama refracción). Pues bien, el principio de acción constante de Hamilton establecía que esa misma familia de rayos, al propagarse por un sistema de lentes o espejos, cumple la propiedad de que todos los rayos llegan a la superficie del frente de onda al mismo tiempo. La figura 2 muestra un esquema ilustrativo de este principio. La familia de rayos asociada al frente de onda W al refractarse en la superficie R se transforma en una nueva familia de rayos con el frente de onda W’. El principio que descubrió Hamilton establece que los rayos A, B, C de W llegan a los puntos A’, B’, C’ pertenecientes a W’ invirtiendo para ello el mismo tiempo. Esto tiene unas implicaciones muy profundas y prácticas en el ámbito de la óptica geométrica y por ende en el diseño de sistemas ópticos, como cámaras, telescopios, etc.

Esquema explicativo del Principio de acción constante.

Además, Hamilton se dio cuenta de que el formalismo que había creado para la óptica geométrica era válido para reformular la mecánica newtoniana. Así lo expuso en el que se convertiría en su más importante artículo científico: ‘Sobre un método general de la dinámica’ (1834). Allí definía una función, el denominado concepto Hamiltoniano, que describía por completo la evolución de un sistema mecánico. Paradójicamente, a pesar de que Hamilton ideó su teoría matemática para describir la mecánica clásica, su formulación alcanzaría su clímax precisamente con la crisis de esta misma mecánica clásica y la aparición de la mecánica cuántica, para la cual estaba especialmente adaptada. Tal fue así que Erwin Schrödinger (1887-1961), creador de la mecánica cuántica ondulatoria, diría de él: “El Principio Hamiltoniano se ha convertido en la piedra angular de la física moderna […] Su famosa analogía entre la mecánica y la óptica prácticamente anticipó la mecánica ondulatoria, que no tuvo que añadir mucho a sus ideas sino simplemente tomarlas en serio. Por lo tanto Hamilton es uno de los más grandes hombres de ciencia que el mundo ha creado”.

Hamilton consiguió su sueño: labrar para siempre su nombre en el templo sagrado de la ciencia. El Hamiltoniano es hoy en día, como afirmó Schrödinger, uno de los conceptos cruciales de la física moderna.

 

*Sergio Barbero Briones es investigador del CSIC en el Instituto de Óptica (CSIC).

 

¿Quieres una dosis de humor científico? ‘Ciencia en Navidad’ te espera este 22 de diciembre

Por Mar Gulis (CSIC)

Se abre el telón. Dos científicos comienzan una disertación acerca de si es posible la vida extraterrestre. Pero nada es lo que parece… Así comienza la cuarta edición de ‘Ciencia en Navidad’, un evento con el que el CSIC quiere celebrar estas fiestas apostando por el lado más lúdico de la ciencia.

Bajo el título ‘2017: una odisea llegar hasta aquí’, humor, espectáculo y astrobiología convergerán en una representación que tendrá lugar el próximo 22 de diciembre en la sede central del CSIC (C/ Serrano, 117), a las 18.00 horas. Sobre las tablas, el biólogo molecular Óscar Huertas, junto al ingeniero electrónico Miguel Abril, el astrofísico Manuel González y el investigador y divulgador Emilio García, los tres últimos del Instituto de Astrofísica de Andalucía del Consejo, protagonizarán desternillantes diálogos sobre el origen de la vida en el universo. Durante la representación, los asistentes incluso recibirán la visita de dos extraterrestres enviados a la Tierra con la misión de exterminar a la especie humana.

 

Con ‘2017: una odisea llegar hasta aquí’, que se dirige a un público mayor de 8 años, el CSIC se propone ofrecer una actividad de divulgación para toda la familia durante el periodo navideño. Y una vez más, la clave de ‘Ciencia en Navidad’ está en la utilización de formatos alternativos para acercar a la sociedad temas complejos. Esta vez, el reto es seducir a personas de diferentes edades y perfiles con contenidos relacionados con la astrobiología.

“La ciencia está haciendo cosas para averiguar si existe vida extraterrestre inteligente. No os podéis perder esta charla, ¡puede cambiar vuestras vidas!”, dicen los artífices de la propuesta. La entrada es libre y gratuita hasta completar aforo, así que ya tenéis plan para este viernes.

¿Te inspiran la fotografía y la ciencia? Participa en #FOTCIENCIA

Por Mar Gulis (CSIC)

¿Te gusta la fotografía? ¿La ciencia y la tecnología disparan tu creatividad? Pues estamos esperando tus propuestas. FOTCIENCIA es una iniciativa que celebra su 15ª edición y que seleccionará las mejores imágenes de ciencia del año para conformar un catálogo y una exposición itinerante. La muestra resultante recorrerá una veintena de museos y centros culturales de España en 2018. Las fotografías pueden presentarse hasta el próximo 14 de diciembre de 2017 a las 14:00 horas.

Las imágenes deben estar relacionadas con la investigación científica o sus aplicaciones, y pueden reflejar aspectos como el objeto de estudio de la investigación, las personas que la realizan, su instrumentación e instalaciones, los resultados del avance científico, etc. Para participar es necesario presentar las fotografías en formato digital a través de un formulario disponible en la página web www.fotciencia.es, junto con un texto que permita interpretarlas. El jurado valorará tanto la imagen –su calidad técnica, originalidad y valor estético– como la claridad de la explicación aportada por el autor o autora.

En esta iniciativa puede participar cualquier persona mayor de edad que presente fotografías propias que no hayan sido seleccionadas en procesos similares. Pero también hay una modalidad, ‘La ciencia en el aula’, dirigida al alumnado de centros educativos y de formación profesional, que pueden participar a través de sus profesores y profesoras.

 

Vídeo con las imágenes seleccionadas en la pasada edición de FOTCIENCIA (2016).

 

Las propuestas se pueden presentar a una de las siguientes modalidades:

  • Micro, cuando la dimensión real del objeto fotografiado sea menor o igual a 1 milímetro o la imagen haya sido obtenida mediante un instrumento de micrografía (óptica o electrónica) o técnicas de difracción.
  • General, cuando la dimensión real del objeto fotografiado sea mayor de 1 milímetro.

Además, los autores y autoras también pueden adscribir su imagen a otras modalidades específicas, como ‘Agricultura sostenible’ ‘Alimentación y nutrición’, que cuentan con el apoyo de dos centros del CSIC: el Instituto de Agricultura Sostenible (IAS) y el Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (IATA).

Las dos mejores imágenes de la categoría General y las dos mejores imágenes de la categoría Micro, según los criterios mencionados anteriormente, serán remuneradas con una cantidad de 1.500€ cada una. En las demás modalidades, se seleccionará una foto que recibirá 600€.

La organización hará una selección adicional de fotografías para incluirlas en el catálogo y en la exposición itinerante, que se prestará gratuitamente a las entidades que la soliciten. Todas las fotos presentadas pasarán a formar parte de la galería de imágenes de la web de FOTCIENCIA.

FOTCIENCIA es una iniciativa organizada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), con la colaboración de la Fundación Jesús Serra.

Toda la información y normas de participación están disponibles en www.fotciencia.es

 

Semana de la Ciencia del CSIC: viajar al pasado, hacer catas científicas y más

Por Mar Gulis (CSIC)

Viajar al pasado a través de los restos orgánicos de un yacimiento navarro (Instituto de Ciencias de la Vid y el Vino), aprender sobre los caballitos de mar (Instituto de Investigaciones Marinas) o realizar catas catas de queso para conocer sus propiedades nutricionales (Instituto de Productos Lácteos de Asturias) son tres de las 331 actividades con las que el CSIC abre este año la Semana de la Ciencia. A través de los más de 81 centros de investigación participantes, esta iniciativa, organizada con apoyo de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), ofrecerá propuestas para todos los públicos en torno a diversas áreas del conocimiento.

Muchas de las actividades de la Semana de la Ciencia del CSIC han sido diseñadas para que el público asuma un papel activo e interactúe con el personal investigador.

Las actividades, gratuitas y dirigidas al público general, se presentan en formatos clásicos, como exposiciones, rutas científicas o conferencias, y en otros más novedosos, como degustaciones, cafés científicos, concursos o los innumerables talleres diseñados para que el público interactúe con la ciencia. Así, ‘Convierte tu móvil en un microscopio’, organizada por el Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla, el taller ‘Experimenta con partículas’, del Centro Nacional de Aceleradores, o ‘Iluminación estroboscópica’, una iniciativa del Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión, reflejan la vertiente práctica de la Semana de la Ciencia.

En esta edición, el CSIC estrena ‘Ciencia de Tomo y Lomo’, una aventura conjunta entre investigación y librerías en Madrid. Además, el consejo también ha incorporado la ciencia ciudadana a su programación, a través de iniciativas como ‘Plásticos 0 en la playa’, un taller del Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados. El objetivo en este caso es que la propia sociedad recabe datos valiosos para evaluar los efectos de los residuos marinos sobre los ecosistemas costeros.

El pasado 2 de noviembre arrancó la cita anual con la divulgación científica en muchas comunidades autónomas. En la mayoría de ellas, la Semana de la Ciencia se prolongará hasta finales de mes. ¡Consulta la programación y participa!

Matrix acústico: una habitación donde el sonido nunca vuelve

Mar Gulis (CSIC)

Quizá recordéis la mítica escena de Matrix (1999) en la que Morfeo (Laurence Fishburne) y Neo (Keanu Reeves) aparecen en una habitación en blanco, que resulta ser un programa en el que pueden simular la realidad. “¿Esto no es real?”, pregunta Neo tocando un sillón. “¿Qué es real? ¿Cómo defines real?… Si hablas de lo que puedes sentir, de lo que puedes oler, probar y ver… lo real son impulsos eléctricos que tu cerebro interpreta”, le contesta el Guía al Elegido. Bien, en esta ocasión vamos a hablar de lo que puedes oír y de una habitación como la de Matrix, pero ubicada en el Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información Leonardo Torres Quevedo (ITEFI) del CSIC, en Madrid.

Al cruzar la puerta, una tiene la impresión de entrar en un espacio muy peculiar. La sensación acústica es “la de estar colgado de un globo a 1.000 metros de altura”, explica el físico del CSIC del Grupo de Acústica Ambiental Francisco Simón. Y es así, todo sonido emitido en esta habitación nunca vuelve, queda absorbido por unas paredes, suelo y techo de grandes cuñas de lana de vidrio.

Cámara anecoica del Instituto Leonardo Torres Quevedo / CSIC Divulga.

Esta cámara anecoica (sin eco ni reverberación) de 220 metros cúbicos sirve para crear campos acústicos virtuales que, como en la habitación de Matrix, simulen una realidad sonora. Esto es muy útil para el diseño de salas de música, dado que pueden reproducir cómo sonaría un violín, por ejemplo, en un espacio antes de construir el recinto, para simuladores de juego, que intentan que te des la vuelta con el sonido de un libro que se cae detrás de ti, para el cine… Los primeros en usar este tipo de tecnología fueron los militares con simuladores de vuelo y la industria del automóvil, que tiene muy en cuenta cuál es el sonido que quiere que emitan sus vehículos.

Cuando se construyeron estas cámaras, en los ’70, esta instalación era absolutamente pionera. Ahora empresas como Google, Microsoft o Telefónica tienen sus cámaras anecoicas. En ellas, las compañías prueban las características acústicas de sus dispositivos, como la potencia o cantidad del sonido que emite cualquiera de sus aparatos, y la directividad, es decir, en qué dirección lo hacen.

Y aquí, ¿podríamos escuchar el silencio total? “Tendríamos que congelarnos del todo para hacerlo”, bromea Simón. “Aquí está nuestro cuerpo, escuchamos el aire salir y entrar de los pulmones, nuestras tripas; si nos calláramos, escucharíamos nuestro corazón”, concreta.

Cámara reverberante del Instituto Leonardo Torres Quevedo / CSIC Divulga.

Cerca de esta cámara encontramos su opuesta: la habitación reverberante, un espacio en el que se busca que el sonido se expanda por todo el espacio y reverbere en todas direcciones. Para ello, hay colgados unos grandes paneles de metacrilato que producen el máximo número posible de reflexiones del sonido. Este espacio de 210 metros cúbicos se usa para sumergir en él materiales de construcción y caracterizarlos. Así, cuando un sonido llega a un material para edificación podemos ver si “rebota”, entra dentro y se disipa o lo traspasa y llega al otro lado. Por eso, aquí se realizan mediciones de absorción acústica de materiales y objetos de mobiliario.

En esta sala, solo escuchamos reverberación, no eco. La diferencia entre el eco y la reverberación es cuestión solo de tiempo: si el sonido tarda en volver menos de 50 milisegundos, lo percibimos como un sonido continuado, si tarda más, escuchamos dos sonidos; se produce el eco.

De hecho, ya en los años 60 y 70 se realizaron en este centro muchos estudios sobre aislamiento en la edificación: aislamiento al ruido aéreo de puertas, ventanas, barreras acústicas, suelos, techo, etc. No se trata de una cuestión baladí: una diferencia de 3 decibelios supone el doble de energía en el sonido que estábamos escuchando.

Por cierto, este mismo mes de octubre se cumplen diez años de la publicación de las condiciones acústicas exigidas en el Código Técnico de Edificación con las que se endurecieron las prestaciones acústicas que deben satisfacer los edificios, ofreciendo a constructores, administración y usuarios herramientas para que las viviendas que se construyen hoy día planteen menos problemas a sus habitantes y proporcionen un nivel de confort adecuado.