¿Cómo empezamos a medir intervalos de tiempo más y más cortos?

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Aunque para muchas personas un segundo puede significar una pequeña cantidad de tiempo que parece diluirse apresuradamente en sus vidas, otros dependen de este tiempo para ganar una competición deportiva, para nuestro planeta representa avanzar casi 30 kilómetros en su órbita alrededor del Sol, y para un rayo de luz el recorrer casi la distancia que nos separa de la Luna.

La medición del tiempo ha sido una tarea que desde épocas remotas los seres humanos han tenido muy presente, y que fue inicialmente vinculada a movimientos repetitivos, como los asociados a ciclos astronómicos, principalmente el del Sol y la Luna sobre nuestras cabezas.

El día y la noche, las fases de la luna, las estaciones del año o el movimiento de los planetas, fueron así los primeros eventos que permitieron hablar de periodicidad como forma de registrar el paso del tiempo, de intervalos cortos a otros más largos. Posteriormente, los primeros relojes fueron esenciales para dividir el día, en intervalos aún mas pequeños, las horas, mediante la observación de la posición de la sombra que proyectaban postes de madera. Mientras hubiera luz solar estos relojes funcionaban a la perfección, pero en su ausencia fue necesario desarrollar relojes de agua, conocidos como clepsidras, junto a los cautivadores relojes de arena. 

Siglos después el reloj evolucionó y en 1335 encontramos el primer artilugio mecánico cuyo funcionamiento estaba basado en pesas y engranajes. La precisión de los relojes fue aumentando paulatinamente, así como el uso del tiempo que adquiere un significado preponderante como una cantidad física medible, permitiendo establecer otras cantidades tales como la velocidad o al aceleración. 

El tiempo como herramienta para la descripción de fenómenos en la naturaleza se fue alimentando con personajes como Galileo, quién estudio las oscilaciones del péndulo que permitieron la invención de mecanismos más refinados en relojes mecánicos con los que se lograba medir intervalos de décimas de segundo, y Newton con la invención del cálculo diferencial para estudiar pequeñas variaciones en sistemas físicos. 

Ya en la segunda mitad del siglo XX, menos de una década después de que se definiera oficialmente el segundo con base a observaciones astronómicas relacionadas con la posición del Sol, llegarían los relojes atómicos a ponerlo todo patas arriba. Los nuevos dispositivos funcionan a partir de las transiciones que se pueden medir a nivel atómico, usando la oscilación entre dos estados de energía de un átomo o de una molécula. Para la nueva definición de segundo se usó el átomo de cesio, y se pudieron registrar intervalos con una precisión de millonésimas de segundo. El decaimiento radiactivo de algunos átomos ocurre justamente en esas, y en otras aún más pequeñas, escalas de tiempo.

Con la tecnología láser se pudieron medir tiempos de mil millonésimas a billonésimas de segundo, tan cortos que antes parecía imposible poder registrarlos. Poco antes de terminar el siglo pasado el Premio Nobel de Química se otorgaba al egipcio Ahmed Hassan Zewail por proyectar pulsos de láser de muy corta duración sobre las partículas que intervienen en reacciones químicas y estudiarlas en tiempos de femtosegundos (una milésima de billonésima de segundo), el intervalo que se requiere para que los enlaces químicos se rompan y se formen; nacía así la femtoquímica. 

Y para no dejar de sorprendernos, ahora tenemos la noticia de la medición de la unidad de tiempo más corta jamás registrada, el tiempo que tarda una partícula de luz (fotón) en atravesar una molécula de hidrógeno. Para ello tenemos que hablar ahora de zeptosegundos, es decir de miltrillonésimas de un segundo. El nuevo record del tiempo más corto registrado es exactamente de 247 zeptosegundos, medido usando un poderoso microscopio para rastrear las reacciones de la molécula de hidrógeno al fotón de alta energía que la atraviesa, específicamente a través del patrón de interferencia que se forma por las ondas producidas cuando el fotón alcanza el primer átomo y, a continuación, el segundo.

¿Cómo se investiga la vida en el universo?

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¿Qué tiene que ver los pingüinos con el fosfano en Venus? ¿Qué son biomarcadores? ¿Cómo se investiga la ocurrencia de vida en el universo? Descúbrelo en la entrevista que le hicimos a Marcio Meléndez, PhD, investigador del telescopio espacial James Webb. La conversación surgió a partir del revuelo que ha producido el reciente trabajo publicado…

Todo sobre la mirada: orígenes y miopía ecológica

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En biología se considera que la especialización de los ojos está referida a la búsqueda, ya sea de alimento, refugio, parejas. Pero quizás, la especialización más importante que debamos desarrollar es aquella vinculada al cómo nuestra especie ve a las demás especies y a la Naturaleza en su totalidad…

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Apuntes para leer a un Nobel de Fisica: tres libros de Roger Penrose

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Vía: Wikimedia Commons.-


  La pasada semana conocíamos a los galardonados con el Premio Nobel de Física 2020. El gran protagonista son los agujeros negros, el Nobel de Física se otorgó mitad a Roger Penrose (89 años, Reino Unido) y la otra mitad a Reinhard Genzel (68 años, EUA) y a Andrea Ghez (55 años EUA). En el caso de Penrose el premio se otorga por su descubrimiento de que la existencia de los agujeros negros es predicción robusta de la Teoría General de la Relatividad, mientras que en el caso de Genzel y Ghez el premio se otorga por descubrir un objeto supermasivo compacto en el centro de la Vía Láctea. Es altamente probable que este objeto sea un agujero negro supermasivo. 

 La decisión del Comité Nobel es sin dudas muy particular: es un premio a un físico teórico por sus trabajos teóricos, algo realmente extraordinario en la historia de los Nobel de ciencia. Roger Penrose es sin dudas el protagonista de este premio y en esta breve entrada me propongo comentar brevemente algunas (sesgadas) lecturas sobre Penrose que son fundamentales para aproximarse al maestro.

  Está claro que por los méritos académicos de Penrose habla su recien entregado Premio Nobel, y una trayectoria científica que lo ha convertido junto a Setphen Hawking en continuador de la obra de Albert Einstein, entre otras aportaciones fundamentales. Pero en el caso de Penrose sucede algo muy poco frecuente entre los científicos premiados con el Nobel, el galardonado es autor de una formidable obra divulgativa que se encuentra entre las mas importantes de su género. Afortunadamente tenemos a disposición una serie muy extensa de formidables textos de divulgación científica que permiten acercarnos a su pensamiento vivo. El propósito de estas breves notas es lograr una introducción a los mismos y facilitar su disfrute.  

  Penrose es un divulgador salado en el más amplio de este poco académico término: es inquieto, habla de neuronas y de agujeros negros, es prolífico, escribió uno de los textos más largos en esta categoría, y profundamente polémico, no solo expone y divulga sino que lo hace con su fuerte impronta. Sir Roger te hará sentir a la ciencia como una disciplina viva, compleja y en desarrollo. Pero como siempre, hay un pero. Cuando su discípulo, colega y amigo Stephen Hawking escribió su célebre “Historia del Tiempo” contó como los editores le dijeron que por cada ecuación que escribiera en el libro las ventas del libro se reducirían a la mitad. Todos sabemos que Hawking no resiste y pone la ecuación de la célebre equivalencia entre masa y energía de Einstein, y aún así su libro fue un bestseller absoluto, un clásico a secas de la divulgación científica que aún hoy día se vende como pan caliente. Si aplicamos el estandar Hawking entonces Penrose debería ser el divulgador menos leído de la historia. Afortunadamente esto no es así. Sus libros más extensos tienen ya varias ediciones y es de esperar que el efecto premio Nobel dispare el interés por este excepcional científico y divulgador.

 Para decirlo en pocas palabras, los libros de Penrose deberían venir con una advertencia del tipo: contenido matemático explícito. Esta es la característica común que tienen todos sus trabajos divulgativos. Si Penrose no ahorra tinta para escribir ecuaciones matemáticas es porque está convencido de que son parte fundamental de lo que quiere transmitir. Su estilo de divulgación parece a primera vista exigente y especializado, es porque cree firmemente que la matemática es la herramienta mas importante para contestar a las preguntas fundamentales que nos hacemos como especie. Dicho esto, todos sus trabajos divulgativos se pueden leer prescindiendo del frondoso andamiaje matemático con que Penrose divulga ciencia. Así lo recomienda el mismo en sus trabajos. De manera que recomiendo enfáticamente sumergirse en Penrose sin miedo y con la certeza de estar dialogando con verdadero renacentista contemporáneo.

 Voy a reseñar entonces cuatro de los libros de divulgación a los que he tenido acceso.


El camino a la realidad, una guía completa de las leyes del universo.

 
 Título original: The Road to Reality, publicado por Jonathan Cape, Londres 2004.
  Editorial: Random House Mondadori, 1470 páginas.
 
 Este libro no es un texto usual de divulgación científica, es un mounstruo literario sin rival en su género. El título del libro es absolutamente atrapante y lo que hace Penrose es exponer en forma exaustiva y sistemática todo el andamiaje matemático y físico necesarios para comprender el origen y estructura del universo. Ni mas, ni menos. Quizá “El camino a la realidad” se parezca mas a un libro de texto que a un trabajo de divulgación. En todo caso estamos ante una de las más ambiciosas y exuberantes obras divulgativas modernas, solo equiparable a su ambición a la “Breve historia de la ciencia” de Isaac Asimov.
 
 El método expositivo de Penrose es extremadamente riguroso e increíblemente completo. Se propone brindar al lector de nada menos que toda la matemática y física necesarias para comprender las modernas teorías sobre la estructura del universo. En los primeros 16 capítulos el contenido matemático es casi excluyente, y el recorrido comienza nada menos que con el Teorema de Pitágoras en el capítulo 2. La perspectiva histórica con la que Penrose organiza cada capitulo enriquece enormemente cada una de los teoremas, leyes y conceptos expuestos. Para quien posea formación matemática y física estos capítulos son un excelente repaso a toda la matemática de nivel de licenciatura que se puede aprender en una carrera de grado, con un marcado perfil hacia la física teórica. Los capítulos de física también están enfocados a comprender los aspectos fundamentales de la Relatividad General, la Mecánica Cuántica, el Modelo Estándard, la Gravedad Cuántica…
 
 El libro parece inagotable: realmente no completé su lectura aún, he saltado impunemente de capítulo en capítulo, porque se puede leer perfectamente de esa forma. Es un excelente material de permanente consulta y referencia. Penrose se despacha con sus propios aportes en materia de física teórica y eso enriquece aún mas un libro de referencia permantente en cosmología y física teórica. Hay algunos capítulos que deberían ser fáciles en los que el autor la complica, y aún asi su lectura no pierde encanto. Es una obra monumental, y para sorpresa de quienes recomiendan no publicar ecuaciones matemáticas en libros de divulgación, las ventas de este formidable volumen gozan de muy buena salud. Sin ir mas lejos la edición de la que dispongo es la cuarta, y a juzgar por el efecto Nobel es de esperar que resurja el interés por leer a Penrose. A pesar de lo que puede parecer, sumergirse en este libro de casi 1500 páginas garantiza que siempre, en algún momento, lectura aleatoria o picoteo curioso, siempre se aprenderá algo nuevo.

 En suma, El camino a la realidad es una fuente absolutamente inagotable de lectura y un material a conservar para generaciones futuras.
 
 

 

 
Ciclos del tiempo, una extraordinaria nueva visión del universo.
 
 Título original: Cycles of time.
 Editorial: Random House Mondadori (Debolsillo), 2011, 291 páginas.
 
 Este es uno de los trabajos más legendarios de Penrose, el libro está dedicado a presentar una de su mas polémica tesis: la cosmología cíclica conforme (CCC). En pocas palabras y siendo extremadamente injusto con el concepto, la CCC es una explicación a medio camino entre la teoría de un universo estacionario y la inflación cósmica. Penrose es profunda y enfáticamente antiinflacionista, lo tenemos claro desde “El camino a la realidad” (Cap. 28.5). La CCC permite suponer un universo eterno sujeto a infinitos big bang, entre los cuales media la muerte térmica del universo precedente. La teoría es fascinante, aunque hoy día carente de un andamiaje teórico que le permita realizar predicciones o confirmar medidas obtenidas. Sin embargo la CCC ha dado recientemente mucho que hablar ya que algunos resultados de la medición del fondo cósmico de microondas parecería ser confirmación de esta teoría. Si bien esto es reciente, estos resultados iniciales no están recogidos en el libro y pueden ser consultados aquí para apreciar lo fértil del pensamiento de Penrose. 
 
 Aún así esto demuestra la vitalidad de sus ideas, que ciertamente causaron una enorme polémica entre astrofísicos, cosmólogos y físicos teóricos. Toda teoría es fuente para trabajos posteriores, y si el propio Penrose fue capaz de revolucionar la estancada Teoría General de la Relatividad en los años 50, no hay nada que nos indique que la CCC sea no solo fuente de nuevas ideas sino que en un futuro su puesta a punto nos de resultados observables y pruebas observacionales. O no. El libro provee todo lo necesario para poder entender esta teoría, empezando por los conceptos de entropía y Segunda Ley de la Termodinámica. El libro cuenta con todo lo necesario para entender a fondo el marco teórico expuesto, dos extensos apéndices técnicos se encargan de los necesarios y ciertamente rigurosos detalles matemáticos y formales. Estos apéndices hacen muy liviana la lectura de los capítulos previos en los que Penrose se esfuerza en destacar los aspectos matemáticos clave para cada punto. Estos detalles entiendo serán apreciados por los lectores que no estén familiarizados con estos conceptos.
 Por último quiero destacar que la edición de bolsillo no es la mas adecuada para presentar un trabajo de estas carcerísticas.




Moda, fe y fantasía en la nueva física del universo.

 Título original: Fashion, Faith and Fantasy in the New Physics of the Universe.
 Editorial: Penguin Random House, 2017, 632 páginas.

 Este es de los últimos trabajos divulgativos de Penrose, y su título es extremadamente seductor, pero Penrose no afloja ni un diferencial en materia de uso de formalismos matemáticos para exponer. Quizá pueda ser decepcionante encontrarse con otro libro repleto de fórmulas matemáticas avanzadas. El trabajo recoje una serie de conferencias impartidas en la Universidad de Princeton en 2003, el propio autor recoce que se precipitó en el título de las charlas, en las que arremete contra muchas de las tendencias o supuestos de la física moderna.
 
 
 El propio Penrose señala la contradicción de elegir un nombre asi para hablar de conceptos científicos. Grosso modo, Penrose habla de moda cuando se refiere a la Teoría de Cuerdas,
a la cual despacha con lujo de detalles, de fe al referirse a la
Mecánica Cuántica, y fantasía al hablar sobre cosmología. Esta última
sección quizá sea la de mayor interés, aunque eso naturalemente es una
opinión. Es quizá el mas polémico de sus trabajos de divulgación, o en
todo caso el trabajo que recoge mas polémicas y planteos previos
realizados por Penrose. Es un libro extenso y la edición actual le hace
el necesario honor para poder apreciar un volumen de estas
características.
Al
final del libro se suministran unos 11 apéndices con detalles
matemáticos específicos, que podrán ser consultados en función del
interés matemático del lector. En definitiva no podemos acusar a Penrose de no falta de interés en que el lector adquiera conocimientos matemáticos.

 

 Estos
tres formidables tomos resumen el pensamiento vivo de quien es sin
dudas una de las mas brillantes mentes de nuestro tiempo. Con las
salvedades realizadas sobre el contenido matemático explícito, leer a
Penrose es una de las aventuras intelectuales ineludibles en estos
tiempos, y probablemente en los tiempos que vendrán.

¿Un mate?

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Mate

Las hojas secas y picadas de Ilex paraguariensis se convierten en una infusión que se elabora de manera muy sui generis en América del Sur e incluso Siria y Líbano.

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