Radiación de cuerpo negro y catástrofe ultravioleta

Publicado el 10/03/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela
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Lord Rayleigh y James Jeans

Desde la antigüedad se había podido observar en la vida cotidiana que los cuerpos calientes emitían luz de diferentes colores en función de su temperatura. Sin ir más lejos, los alfareros contaban con una guía que determinaba las diferentes tonalidades que se obtenían conforme calentaban los materiales. Pero fue a finales del siglo XIX, que el auge de la astrofísica junto al incipiente alumbrado público hizo que el interés por encontrar la base científica de esta relación se incrementase.

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El físico prusiano Gustav Kirchhoff fue quien, en 1859, dio el pistoletazo teórico de salida introduciendo el concepto de “cuerpo negro”, un cuerpo que era un perfecto absorbente y emisor de radiación. Hay que decir que, si bien esta denominación es muy apropiada en cuanto a su poder de absorción, no lo es tanto cuando convierte la energía calorífica en radiación electromagnética.

El cuerpo negro imaginario de Kirchhoff era un simple recipiente oscuro con un pequeño orificio en una de sus paredes. Una vez en el interior, la radiación sufre diversas reflexiones en las paredes de la cavidad hasta que acaba siendo completamente absorbida. El agujero también actúa como emisor perfecto, puesto que las radiaciones que escapan a través de él muestran todas las longitudes de onda presentes, a esa temperatura, en el interior del recipiente.

A partir de esta construcción mental y valiéndose de las matemáticas, Kirchhoff demostró que el rango y la intensidad de la radiación en el interior del recipiente únicamente dependían de su temperatura. La tarea que se impuso consistía en dar con la fórmula que reprodujese la distribución espectral de la radiación del cuerpo negro a cada temperatura y acabó conociéndose como problema del cuerpo negro.  Él mismo, muy pronto fue consciente de que sin poder experimentar con un cuerpo negro real no podría avanzar más a nivel teórico en su reto, pero su trabajo fue de gran ayuda para aquellos que pudiesen disponer de él. Si, tal y cómo había probado, la distribución sólo dependía de la temperatura, la ansiada fórmula sólo debía tener dos variables: la temperatura del cuerpo negro y la longitud de onda de la radiación emitida.

El siguiente paso en la resolución del problema vino de la mano del físico, matemático y poeta Josef Stefan. Este propuso en 1879 una relación que establecía que la densidad de energía de la radiación del cuerpo negro era proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Dicha expresión se había extrapolado a partir de experimentos preliminares y mostraba una buena correlación con los resultados que se obtenían para un amplio intervalo de temperaturas.

El gran físico austríaco Ludwig Edward Boltzmann fue el encargado de conferir cuerpo teórico a la ley de Stefan basándose en el segundo principio de la termodinámica y en la teoría electromagnética de la luz de Maxwell. Por esta razón, la ley obtenida por Stefan se conoce como ley de Stefan-Boltzmann.

En febrero de 1893, el físico alemán Wilhelm Wien, con 29 años, no dio con la fórmula pero descubrió una sencilla relación matemática que describía el efecto del cambio de temperatura en el espectro de la radiación emitida por el cuerpo negro. En un principio empleó “experimentos mentales” pero viendo que no le aportaban información suficiente, incorporó el uso de métodos y conceptos estadísticos. Como resultado de su estudio encontró que conforme el cuerpo negro se va calentando, el máximo del espectro de la distribución se desplaza hacia longitudes de onda más cortas. Esto significaba, algo tan revelador como que la longitud de onda del máximo de radiación multiplicada por la temperatura de un cuerpo negro es siempre una constante. Es decir, que una vez calculada la constante numérica, midiendo la longitud de onda del pico de emisión a una determinada temperatura, podía calcularse la longitud de onda máxima para cualquier otra temperatura. El resultado de Wien se denomina ley del desplazamiento porque muestra cómo la curva de densidad de energía se desplaza a medida que cambia la temperatura de la cavidad.

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Los físicos dieron por bueno el razonamiento de Wien y la ley del desplazamiento se convirtió en una herramienta de uso común en la primera década del siglo. No deja de ser sorprendente que tuviese tan buena acogida ya que por aquel entonces mucha gente no acababa de entender el segundo principio de termodinámica, las ecuaciones de Maxwell justo empezaban a establecerse entre la comunidad científica y la radiación de cuerpos calientes era terreno exclusivo de los físicos experimentales.

Wilhelm Wien era un físico teórico competente a la par que un hábil experimentador. Mientras diseñaba junto a Otto Lummer un nuevo y mejorado cuerpo negro vacío capaz de calentarse a temperatura uniforme, buscaba por su cuenta la fórmula de Kirchhoff. Finalmente, en 1896 vio la luz su ecuación para la distribución de la radiación del cuerpo negro. Poco después, Friedrich Paschen confirmó que coincidía con los datos experimentales que podían obtenerse por aquel entonces, para las longitudes de onda cortas. Sin embargo, se requerían mediciones en un rango más amplio y elevado de temperaturas y para ello era imprescindible construir un cuerpo negro mejor. Otto Lummer trabajando en un primer momento con Ferndinand Kurlbaum y, posteriormente, con Ernst Pringsheim, tardó dos largos años en obtener un cuerpo negro perfeccionado de última generación. Con él obtuvieron el espectro para estudiar la validez de la ley de desplazamiento así como la ley de distribución de Wien.

Ambos presentaron sus resultados en un encuentro celebrado el 3 de febrero de 1889 en la Sociedad de Física Alemana de Berlín. Explicaron que, si bien los descubrimientos parecían confirmar la ley del desplazamiento de Wien, existían ciertas discrepancias en la región infrarroja del espectro. Estas podían deberse a errores experimentales pero sólo había una manera de saberlo a ciencia cierta, ampliar aún más el intervalo de longitudes de onda y temperaturas. Tres meses más tarde, Friedrich Paschen anunció triunfante que sus datos, a temperaturas inferiores a las de Lummer y Prignsheim, coincidían con las predicciones de la ley de distribución de Wien.

Wilhelm Wien y Max Planck

Wilhelm Wien y Max Planck

El físico Max Planck [podcast en Científicos de Relumbrón] leyó aliviado el artículo de Paschen en una sesión de la Academia Prusiana de Ciencias. Si la fórmula de Wien era cierta, se encargaría de establecer los principios físicos de los que se derivaba. Tres años más tarde, mediante la segunda ley de la termodinámica, creyó haberlo conseguido. Debido a esto muchas personas se refirieron a la distribución como ley de Wien-Planck. Planck confiaba en que “los límites de validez de esta ley, en el caso de que los haya, coincidan con los de la segunda ley fundamental de la teoría del calor”. La vinculación entre ambas hacía que sintiese una necesidad imperiosa porque esta última fuese corroborada. Esto le daría un empuje a la segunda ley. Pero sus deseos no se hicieron realidad. Si bien en un primer momento, tanto Otto Lummer y Ernst Pringsheim, como los expertos en infrarrojos Ferdinand Kurlbaum y Heinrich Rubens, la dieron por buena, la aplicación de las nuevas técnicas de infrarrojos recién inventadas puso al descubierto sus limitaciones.

CATÁSTROFE ULTRAVIOLETA

Por su parte, Lord Rayleigh en 1900 y James Jeans, unos años más tarde, llegaron a otra expresión por medio de un procedimiento distinto. Aunaron la física de Newton, Maxwell y Boltzman para dividir la energía de la radiación del cuerpo negro entre las diferentes longitudes de onda presentes dentro de la cavidad. El uso del teorema de equipartición no satisfacía demasiado a Rayleigh que creía que sólo era válido en ciertas condiciones, sin embargo reconocía que “aunque la doctrina falla, en general, por alguna razón aún sin explicar, parece posible que pueda aplicarse a los modos más graves” donde por “modos más graves” ser refería a las vibraciones de longitud de onda largas, las únicas a las que en su opinión podía aplicarse la ecuación.

Según el teorema de equipartición, la energía de un gas debe hallarse equitativamente distribuida entre sus moléculas y repartida de igual modo entre las diferentes formas en las que estas pueden moverse. Los átomos sólo son libres para moverse en tres direcciones diferentes y cada una de ellas, denominadas “grado de libertad”, es una forma independiente en la que puede recibir y almacenar energía. En el caso de una molécula compuesta de dos o más átomos, a parte de estos tres movimientos de “traslación” existen tres tipos de “rotación” en torno a los ejes imaginarios que unen los átomos. Así pues, se obtienen un total de 6 grados de libertad.

La ley de Rayleigh-Jeans, que obtuvieron basándose en la física clásica, dio un ajuste excelente entre teoría y observación en la zona de baja frecuencia. Desafortunadamente, para las altas frecuencias, la predicción fue un desastre. Se preveía un aumento infinito de la energía en la región del ultravioleta que sería conocido, años más tarde, como “catástrofe ultravioleta”. Hay que señalar que tanto Rayleigh como Jeans se dieron cuenta en seguida que aquello no tenía ningún sentido. Entre otras cosas porque la vida humana no hubiese sido posible en un universo sumido en un océano de radiación ultravioleta.   

Radiación emitida por un cuerpo negro a una temperatura de 1500 K en función de la frecuencia

Radiación emitida por un cuerpo negro a una temperatura de 1500 K en función de la frecuencia

La denominación que le puso Paul Ehrenfest de “catástrofe ultravioleta” puede parecer un tanto exagerada pero no dejaba de ser bastante catastrófico que el empleo del modelo teórico establecido hasta entonces diese una predicción totalmente errónea que nada tenía que ver con la realidad.

Por lo que a Planck se refiere, se sentía contrariado con la falta de ajuste de la distribución de Wien para el caso de las longitudes de onda largas. Después de que Rubens se lo confirmase el domingo 7 de octubre, se pasó la noche en vela elaborando una fórmula empírica que reprodujese la radiación del cuerpo negro. Tras garabatearla en un papel, salió de madrugada a enviársela a Rubens para que comprobase si cuadraba o no con los resultados experimentales.

La respuesta fue positiva y el viernes 19 de octubre en la reunión quincenal de la Sociedad de Física de Alemania, fue presentada en sociedad. Ferdinand Kurlbaum anunció formalmente que la ley de Wien no era válida en las longitudes de onda largas del infrarrojo. Tras él, Planck tomó la palabra para presentar una supuesta mejora a la ecuación de Wien. Empezó admitiendo que había creído y manifestado anteriormente “que la ley de Wien debía ser necesariamente cierta” pero que, puesto que no era así, había realizado algunas correcciones. Sin embargo, a medida que el discurso avanzaba se hacía más evidente que de lo que se trataba era de una expresión completamente nueva. Después de hablar durante unos diez minutos la escribió en la pizarra y les dijo a los presentes que esa ecuación  “cuadra, en mi opinión, con los datos publicados hasta el momento.” Al sentarse recibió la aprobación de rigor y un respetuoso silencio. Era muy comprensible que una fórmula elaborada ad hoc para justificar datos experimentales no arrancase vítores de entusiasmo. Tampoco era el primero que hacía algo así.

Para tratar de llegar a su fórmula empírica de forma razonada, representó las paredes del cuerpo negro como un conjunto de osciladores que en sus diferentes vibraciones reproducían todas las frecuencias del espectro contenidas en el interior de la cavidad. A continuación, buscó  la forma de distribuir la energía total disponible entre los osciladores, dando con serias dificultades.  No hubo manera de hacerlo valiéndose de la física que utilizaba hasta entonces y, muy a su pesar y como medida desesperada, tuvo que recurrir a las ideas de Ludwig Boltzman, el primer defensor de la teoría atómica que Planck llevaba años repudiando.

Mediante las técnicas de Boltzmann descubrió que sólo podía derivar la fórmula de la distribución si los osciladores absorbían y emitían paquetes de energía, proporcionales a su frecuencia de oscilación, que denominó cuantos hν. Es importante apuntar que él no creyó en ningún momento que la energía de radiación se dividiese realmente en cuantos sino que esos paquetes sólo se correspondían a la energía que podían recibir y emitir sus osciladores y debían considerarse más como un artificio matemático que como una realidad física. Con su inclusión llegaba a reproducir la ley de distribución de la radiación del cuerpo negro que había determinado empíricamente y eso era lo que le más le importaba.

Espectro de emisión del cuerpo negro según Planck y comparación con la teoría clásica.

Espectro de emisión del cuerpo negro según Planck y comparación con la teoría clásica.

El problema de su desarrollo es que el procedimiento estadístico de Boltzmann tenía una segunda parte que Planck obvió. Después de tratar las porciones por separado como magnitudes reales, la energía debía ser reagrupada mediante una técnica matemática muy precisa para llegar a la energía total. Si Planck hubiese completado la hipótesis de Boltzmann “su fórmula” se hubiese esfumado convirtiéndose en la expresión que conducía a la “catástrofe ultravioleta”. Cuando Einstein se dio cuenta de ello al revisar la fórmula de Planck  manifestó que cualquier tratamiento clásico del problema del cuerpo negro conducía a dicha catástrofe.

Al contrario que Planck, Einstein sí apostó por la cuantización de la luz ya que, como seguidor de la teoría atómica, le era más cómodo asumir que las ondas electromagnéticas, al igual que la materia, tenían una naturaleza discontinua. Por ello, elaboró un diseño diferente de cuerpo negro y, mediante la aplicación de la primera ley de la termodinámica y las leyes de Wien y Boltzmann, analizó la forma en que la entropía de la radiación dependía del volumen ocupado.  El resultado fue muy satisfactorio puesto que obtuvo que la relación entre la entropía y el volumen era la misma que en el caso de un gas compuesto por átomos. Así pues, el cuerpo negro se comportaba como si estuviese formado por partículas individuales de energía.

De esta forma Einstein encontró el cuanto de Planck por un camino distinto, creó el concepto de cuanto de luz que evidenciaba la cuantización de la energía y se libró finalmente de la catástrofe ultravioleta.

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Post dedicado a Javier Peláez (@irreductible),  Antonio Martínez (@aberron) y Javi Álvarez por su futura Catástrofe Ultravioleta

BIBLIOGRAFÍA

T. Kuhn, La Teoría del cuerpo negro y la discontinuidad cuántica

M. Planck, The theory of Heat Radiation

Manjit Kumar, Quántum

S. Ortoli y J. P. Pharabod, El cántico de la cuántica

John Gribbin, En busca del gato de Schrödinger 

George Gamow, Biografía de la Física

Robert Eisberg y Robert Resnick, Física Cuántica 

Carlos Sánchez del Río, Física Cuántica

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IP: Investigador Principal – Instrumentos creados por Personas

Publicado el 07/03/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

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Creatividad y pasión son dos de las señas de identidad de la divulgación de Natalia Ruiz Zelmanovitch y ambas laten con fuerza en su proyecto más personal: IP: Investigador principal. En él, nos descubre las herramientas que ayudan a que la ciencia avance afrontando nuevos desafíos y, lo que es más importante, a las personas que lo hacen posible, el factor humano.

Por desgracia, en la actualidad, la parte instrumental de la investigación suele quedar oculta tras lo noticiable. Como público, se nos habla de objetivos y resultados pero no se nos explica la forma en la que estos se consiguen, ni el esfuerzo que ello supone. Admiramos instrumentos inventados en el pasado mientras desconocemos a los actuales protagonistas que exploran la naturaleza a escalas que los antiguos ni siquiera soñaban.

Afortunadamente, Natalia ha venido a rescatarnos de esta situación con su extraordinario documental. En él, los científicos Jordi Cepa, Steven Eikenberry, Paco Garzón, Armando Gil de Paz y Charles Telesco comparten con nosotros lo que significa crear y desarrollar un instrumento. En primera persona nos hablan del sacrificio que comporta en el terreno profesional y personal, pero también de la emoción que se siente al obtener los primeros resultados. Los instrumentos OSIRIS, CanariCam, EMIR, MEGARA, MIRADAS y FRIDA (del Gran Telescopio Canarias) les acompañan en las imágenes reforzándose el vínculo entre ambos. La directora viste el mensaje con maestría de manera que empatizamos y entendemos a quienes se están comunicando con nosotros. Su humanidad y talento empapan cada imagen convirtiendo el documental en una pieza imprescindible.

Gracias Natalia

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Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (II): A través del espejo

Publicado el 04/03/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

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 “Es el coraje de dudar en lo que hace mucho tiempo que estaba establecido y la incesante búsqueda de pruebas, lo que empuja las ruedas de la ciencia hacia delante.”

Como vimos en la primera parte, Chien-Shiung Wu se había ganado el reconocimiento como física experimental gracias a la comprobación de la teoría de Fermi de la desintegración beta. Había pasado largas horas en el laboratorio para lograrlo. El trabajo resultó tan duro que sus alumnos y coautores, la habían llegado a calificar de “tirana”. Al año siguiente de esta victoria, Wu tuvo otra satisfacción mucho más personal,  dio a luz al futuro físico Vincent Weichen Yuan.  Para estar más cerca de casa en su nueva situación, la familia se trasladó a un apartamento a dos manzanas de distancia del laboratorio. Su marido trabajaba en el Brookhaven National Laboratory en Long Island, donde residía durante la semana. Los viernes, al regresar a casa, pasaba por el laboratorio para echar una mano a su mujer y a sus estudiantes. Al igual que ella, contaba con gran destreza como físico experimental y su presencia siempre resultaba de gran ayuda. Por aquel entonces, desconocían que el experimento por el que se recuerda a Wu cada vez estaba más próximo…El debate sobre la conservación de la paridad en la interacción débil, estaba alcanzando su momento álgido.

La simetría de paridad está relacionada con la descripción matemática de un sistema y requiere que la imagen especular de un proceso, obtenida por la inversión de todas sus coordenadas espaciales, se comporte de manera análoga al proceso original. Por tanto, su conservación significa que las leyes de la física para una determinada interacción son las mismas que para su imagen en el espejo. El concepto fue introducido por primera vez en 1924 por Otto Laporte mientras describía la forma en que los átomos emiten luz. Tres años más tarde, el físico Eugene Wigner demostró que esta conservación era válida para la interacción electromagnética y, más tarde, también fue  verificada para la interacción fuerte entre nucleones. Parecía razonable suponer que era el modo como se comportaba la naturaleza y que, en consecuencia, todas las interacciones conservaban la paridad. Pero no era así, y fue el descubrimiento de dos nuevas partículas elementales en 1950, lo que puso en tela de juicio tal suposición.

Las partículas θ y τ parecían iguales, sólo se distinguían por sus modos de desintegración. Ambas tenían la misma masa y la misma vida media, pero τ se desintegraba en tres piones mientras que θ lo hacía en dos. Mediante análisis matemático, se había demostrado que el estado de dos piones y el de tres piones tenían paridad opuesta, lo que hacía difícil de entender por qué dos partículas tan similares presentaban propiedades tan diferentes respecto a su desintegración. Esta situación llevó por el camino de la amargura a muchos físicos notables y fue conocida como el enigma τ — θ.

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Para tratar de darle respuesta, los físicos Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang hicieron frente al problema desde otro punto de vista. En lugar de centrarse en la razón por la cual se violaba la conservación de paridad en la interacción θ — τ, se preguntaron por qué se había creído siempre que la paridad debía conservarse en dicha interacción. De hecho, no habían sido capaces de encontrar ningún estudio experimental sobre la interacción débil, causante del proceso, que evidenciase tal comportamiento. Si no se conservaba, ya no había enigma τ — θ y se trataba de un caso de un estado padre con diferentes  caminos de desintegración en competencia.

El 22 de junio de 1956 enviaron un breve artículo a la revista Physical Review sobre la conservación de la paridad en la interacción débil en el que sugerían una lista detallada de experimentos que podían determinar si existía o no la violación de la misma. Las ideas de Lee y Yang no tuvieron muy buena acogida y fueron ignoradas o rechazadas por la mayoría de personas a las que se dieron a conocer. Sin embargo, una de las pruebas propuestas se basaba en la desintegración beta, e intrigó a la Profesora Wu que aceptó el desafío propuesto por Lee.

“La desintegración beta era como una vieja amiga. Siempre contó con un lugar especial en mi corazón reservado para ella.»

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El experimento que debía llevar a cabo requería la comparación de la distribución angular de los electrones emitidos en la desintegración beta de núcleos radiactivos orientados (polarizados) en direcciones opuestas. Si la paridad se conservaba, la cantidad de electrones medidos en ambas situaciones sería coincidente, en caso contrario, se demostraría la no conservación de la misma. Por tanto, el experimento requería que la fuente radioactiva fuese polarizable y que las betas pudiesen detectarse en función de su dirección de emisión respecto a la dirección de polarización. El profundo conocimiento de Wu de los diferentes átomos radiactivos y las características de su desintegración beta, fue fundamental en la elección de la fuente que más se adecuaba a estas necesidades y la escogida fue el  cobalto-60.

Bajo la influencia de un campo magnético, la mayoría de los núcleos de cobalto-60 se alinean en la dirección del campo. El problema es que para llevar a cabo esta polarización y evitar el efecto perturbador del movimiento térmico, se debía refrigerar a temperaturas cercanas al cero absoluto. Lograr estas características conllevaba una gran dificultad técnica y, dado que Wu no disponía del instrumental requerido para trabajar a esas temperaturas extremas, recurrió a quienes mejor podían hacerlo. El grupo encabezado por Ernest Ambler, Raymond W. Hayward, Dale D. Hoppes, y Ralph P. Hudson del National Bureau of Standards de Washington era experto en polarización a bajas temperaturas e incluso el propio Ambler había centrado su tesis en el estudio del cobalto-60. Sin duda, era el candidato ideal para preparar la fuente.

El método ideado consistió en depositar una capa muy fina de cobalto, de unas 60 micras, en la superficie de un cristal de nitrato de cerio y magnesio. Mediante evaporación a baja presión de helio líquido y desmagnetización adiabática con un campo de 2.3 T se consiguió llegar a 0,003 K. A continuación, se alinearon los núcleos de cobalto hacia arriba o hacia abajo haciendo circular corriente, en uno u otro sentido, por un solenoide coaxial con el dispositivo. La radiación gamma que también se emite en la desintegración, se empleó para controlar la dirección de polarización de los átomos de Co-60 y su uniformidad en la muestra.

El otro punto clave del experimento corrió a cargo del equipo de Wu que tuvo la difícil tarea de diseñar un detector de partículas beta que pudiese funcionar a temperaturas tan bajas y campos magnéticos tan intensos. El esquema final consistió en un cristal de antraceno de 9,52 mm de diámetro y 1,59 mm de espesor situado en el interior de una cámara de vacío a unos 20 mm por encima de la fuente de cobalto. Los destellos producidos por los electrones al impactar con el antraceno se transmitían a través de los diferentes elementos del detector hasta un fotomultiplicador conectado a un analizador de impulsos, cuya lectura informaba de los electrones detectados.

Cuando el dispositivo experimental al completo estuvo ajustado y calibrado, se observó una gran asimetría en la dirección de la emisión beta, correlacionada con la dirección del campo polarizante. Pero esta primera evidencia no fue suficiente para Chien-Shiung Wu, que insistió en realizar extensas pruebas para rechazar cualquier otra posible causa. A finales de 1956, dio los resultados por válidos. La Profesora Wu había demostrado la falta de conservación de la paridad en la interacción débil. Cuando informó de ello a sus colegas de Columbia, R. L. Garwin, Leon Lederman, y R. Weinrich modificaron el experimento en el ciclotrón verificando, a su vez, la violación de la paridad. La publicación del trabajo de estos últimos se retrasó hasta que el grupo de Wu estuvo listo. Los dos artículos aparecieron uno detrás del otro en la revista Physical Review, en 1957.

Ese año, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por el desarrollo teórico mientras que Wu se quedó sin él. Se sintió muy disgustada a pesar de recibir apoyo por parte de todos sus compañeros y amigos, a quienes les pareció terriblemente injusto. El propio T. D. Lee declaró años más tarde que “C. S. Wu era una de los gigantes de la física. En el campo de la desintegración beta, no tenía igual.” De hecho, su libro “Beta Decay”, publicado en 1965, es un texto de referencia en física nuclear.

Un año después, en el 1958,  Richard Feynman y Murray Gell-Mann publicaron el artículo “Theory of Fermi Interaction” en el que postulaban la similitud entre la desintegración beta y la desintegración del muón. Su hipótesis de “corrientes vectoriales conservadas” (CVC) era una generalización de la teoría de la interacción de Fermi y debía ser comprobada. A tal efecto, ambos teóricos instaron a Wu a explorar su validez.  Pero la física, antes de iniciar una  misión tan compleja, quiso asegurarse de haber entendido muy bien todas las correcciones teóricas que habían introducido Feynman y Gell-Mann. Finalmente, llevó a cabo el experimento en Columbia, junto a Luke Mo y otros estudiantes. Midió con suma precisión la diferencia entre las formas de ambas desintegraciones encontrando que los resultados concordaban extremadamente bien con los predichos por la teoría. Con ello se demostraba el fenómeno que se conoce como “magnetismo débil” y se daba el primer paso para la unificación de dos de las interacciones básicas de la naturaleza en lo que se conocería como interacción electrodébil.

[Para más información sobre la rotura de la paridad consultad el post «El lado débil de la física (II): rompiendo la paridad» de El zombi de Schrödinger  , al que está enlazado esta entrada.]

Y por si eso fuese poco, nuestra física seguía decidida a emprender aventuras más difíciles todavía. El gran interés que sentía por los neutrinos hizo que se embarcase en el análisis de la desintegración beta doble. El rendimiento de estos experimentos es bajísimo ya que la probabilidad de que se dé proceso es mínima y, por tanto, su análisis es muy dificultoso. Sin embargo, las mediciones  de Wu en átomos como el calcio-48 y el selenio-82 lograron reducir el límite superior de ocurrencia de la doble desintegración beta a valores no alcanzados hasta entonces.

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El siguiente turno, uno de los últimos, correspondió a la investigación de los átomos exóticos. En estos átomos, una o más partículas subatómicas, positivas o negativas, han sido substituidas por partículas elementales diferentes. Un ejemplo sería un átomo de hidrógeno en el que el electrón fuese substituido por un muón o un pión. Las nuevas inquilinas son más masivas que sus predecesoras y tremendamente inestables. Como consecuencia la vida útil del átomo exótico es muy corta y su estudio más peliagudo, lo cual, por otra parte, no constituía un impedimento para nuestra científica. La idea era medir, con la más alta precisión y exactitud posibles, la energía de los fotones de rayos X que emitían los átomos exóticos al desexcitarse hasta su estado fundamental. Esta energía correspondiente a la diferencia energética entre los estados inicial y final dependía de la masa de las partículas fundamentales substitutas, así como de su momento magnético. Así pues, el experimento aportaba información sobre estas características. Entre los resultados obtenidos, se determinó la masa de los antiprotones. Este hecho es destacable ya que permitió estudiar si la ley de simetría que establecía que una partícula tiene la misma masa que su correspondiente antipartícula era válida. El valor hallado difirió de la masa del protón en una parte en diez mil, lo que no se tomó como evidencia de la violación de dicho teorema.

La forma de trabajar en esta última investigación fue muy diferente a las anteriores. El equipo involucrado era mucho más numeroso e incluía a Chien-Shiung Wu, a sus estudiantes graduados, a investigadores asociados y a coinvestigadores senior. Además, en estos experimentos la duración era mucho mayor que en los que había protagonizado hasta entonces, siendo las secuencias de medición de varios cientos de horas. La adquisición estaba automatizada y los seres humanos sólo intervenían en caso de fallo de los equipos. A Wu este modo de proceder le resultaba menos satisfactorio ya que disfrutaba más haciendo experimentos en su laboratorio con la colaboración de dos o tres personas.

De todas formas, su carrera investigadora no se alteró por ello y siguió su trabajo experimental en física nuclear, física de la materia condensada e incluso en biología hasta los setenta años. Estaba totalmente entregada a su trabajo. Tal y como escribió Wolfgang Pauli en una carta a su hija: “Frau Wu está tan obsesionada con la física como lo estaba yo cuando era joven.” Y, si bien es cierto que no ganó el premio gordo, léase Nobel, sí vio recompensada esta entrega de muchas otras formas. Una de ellas, quizá la que le hizo más ilusión, fue la concesión del doctorado honoris causa por parte de la Universidad de Princeton en 1958, que se otorgó por primera vez a una mujer. Otros de los honores recibidos fueron la elección como miembro de la Academia Nacional de Ciencias (1958), el prestigioso Premio Wolf otorgado por el Estado de Israel (1978 ), el Premio de Investigación de la Corporación (1958 ) o el Premio Tom Bonner de la Sociedad Americana de Física ( 1975 ) de la que fue la primera mujer en servir como presidente . En 1998 fue introducida en el Salón de la Fama Nacional de la Mujer de América .

En la última etapa de su vida, tras su retiro en 1981, fue nombrada Profesora Emérita de Columbia y centró sus esfuerzos en la docencia y comunicación científica a través de la impartición de un importante número de conferencias y cursos especializados. En la misma línea, también dedicó su tiempo a la elaboración de programas educativos para la República Popular de China y Taiwán. Como mujer científica, se pronunció en diversas ocasiones sobre la poca presencia de mujeres en este ámbito. Para ella, la principal razón no se debía tanto a su estatus socioeconómico sino a la losa que suponía la propia tradición asociada a las ciencias puras que se identificaban como un terreno masculino.

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Chien-Shiung Wu murió el 16 de febrero del 1997 de un derrame cerebral. Sus restos fueron enterrados en China y descansan en la Ming De School, en un elegante monumento conmemorativo diseñado por el Profesor T. D. Lee.

La herencia que nos dejó es una clara manifestación de hasta qué punto es crucial la aportación de los buenos físicos experimentales en el progreso de la ciencia. Si el método científico requiere pruebas, las personas que de una u otra forma, han puesto y ponen sus amplios conocimientos al servicio de estas comprobaciones posibilitan el avance de la ciencia. Sea esta entrada mi pequeño homenaje y reconocimiento a todas ellas.  Un antiguo poema chino de Qu Yuan (ca. 340-278 BCE) puede resumir la vida de nuestra protagonista, pero también la de todos estos científicos a quienes dedico el post:

«Aunque el camino es largo y arduo, estoy determinado a explorarlo por entero.»

BIBLIOGRAFÍA

“Chien-Shiung Wu: Biographical memoirs” Leon Lidofsky

“Dr. Chien-Shiung Wu” Lisa Andrews, Gierallyn Castro, Rocio Salcido y Melinda Yang

“Nobel Prize Women in Science” McGrayne, Sharon Bertsch

“Chien-Shiung Wu, 84, Top Experimental Physicist” William Dicke

“Chien—Shiung Wu. A Biographical Memoir” Noemie Benczer-Koller

Los artículos de «Chien-Shiung Wu, la gran física experimental» (I y II) han sido galardonados con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica junto al post»El lado débil de la física (II): rompiendo la paridad» de El zombi de Schrödinger  

Esta entrada ha sido galardonada con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica en conjunto con los dos artículos de Los Mundos de Brana sobre la vida de Chieng Sung Wan


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Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (I): Primeras conquistas

Publicado el 24/02/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

Scanned at the American Institute of Physics, Emilio Segre Visual Archives.

Chien- Shiung Wu es conocida principalmente por un experimento en particular, el primer experimento en demostrar, de forma inequívoca y definitiva, que la anterior suposición de que se conservaba la paridad en la fuerza nuclear débil no era válida. Sin embargo, por aquel entonces ya había hecho muchas otras aportaciones substanciales a la física nuclear siendo reconocida como uno de los mayores físicos experimentales de su tiempo. Contaba con una habilidad sin igual para valorar las exigencias del experimento, así como las capacidades y limitaciones de las herramientas de que disponía. Identificaba con facilidad las posibles fuentes de error, tanto en su propio trabajo como en el de otros, y utilizaba dicho conocimiento en la planificación de la próxima investigación experimental. Cuando ponía a prueba los modelos teóricos mediante la búsqueda de fenómenos todavía no observados, siempre estaba alerta a las trampas o dificultades que podían invalidar la investigación y hacía lo necesario para evitarlas. Una gran científica cuya historia empezó el 31 de mayo de 1912.

Chien- Shiung Wu nació en Liu Ho, un pequeño pueblo cerca de Shangai. Asistió a la primera escuela para niñas de China, que había fundado y dirigía su padre y, a los nueve años, fue enviada al internado Soochow Girls School, situado en Suzhou. En secundaria se debía elegir entre dos opciones: una escuela académica y una escuela para la formación de profesores; y Wu, sin saber todavía lo que quería hacer, se decantó por la enseñanza. Pero por las noches, en la residencia femenina, se dio cuenta de que sus compañeras tenían libros de texto muy interesantes de física, matemáticas y química y empezó a pedírselos prestados para estudiarlos por su cuenta. Se graduó a los diecisiete años con las calificaciones más altas de su clase.

Durante ese verano de 1930, le comunicaron que había sido admitida en la selecta y minoritaria Universidad de Nanjing. La noticia la aterró. Deseaba estudiar física pero era muy consciente de que no estaba preparada para hacer frente a ese reto, que tenía que seguir estudiando más antes de dar ese paso. Por suerte, su padre no era de la misma opinión y el día después de haber recibido la carta, se plantó en casa con un paquete que contenía tres libros de física, química y matemáticas avanzadas. Le dejó claro que disponía de tiempo de sobra para estudiar antes de tener que asistir a la Universidad de Nanjing. Creía firmemente en la igualdad entre hombres y mujeres y en el potencial de su hija. La jovencita, finalmente le dio la razón y aprendió las tres asignaturas. «‘Si no hubiera sido por el aliento de mi padre, ahora estaría enseñando en una escuela de grado en cualquier parte de China.»

南京大學大礼堂

Universidad de Nanjing

Fue una líder revolucionaria estudiantil que confiaba en que las autoridades no se atreverían a expulsar a la mejor estudiante de la universidad. Cuando el 28 de septiembre de 1931, Japón invadió China, encabezó una delegación de estudiantes que invadió la mansión presidencial y no la abandonó  hasta conseguir que los recibiera el presidente Chian Kai-Shek. Este la escuchó y aceptó, en parte, adoptar algunas de las medidas que le propuso. Años más tarde se hicieron amigos y fue embajadora de la causa nacionalista  en Taiwán.

Hizo el doctorado sobre la estructura cristalina por difracción de rayos X bajo la dirección del profesor Shi Shiyuan, que había regresado del Instituto Curie en 1933. Tras graduarse en la Universidad de Nanjing con los máximos honores, trabajó durante un año como profesora asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Hangzhou y después tomo posesión como asistente de investigación en el laboratorio de física de la Academia de Shangai. Allí continuó sus trabajos de cristalografía bajo la supervisión de la Profesora Jing-Wei Gu. Esta última acababa de volver de los Estados Unidos y, dado que en China no existía un programa de postgrado, alentó a Chien-Shiung a viajar allí para proseguir con su carrera. Ante su insistencia, envió una solicitud de admisión a la Universidad de Michigan cuya respuesta no pudo ser mejor. No solo la admitieron en el Departamento de Física sino que le brindaron apoyo para dedicarse a la investigación en espectroscopia atómica. Su tío se ofreció a proporcionarle los medios económicos necesarios para que siguiese su sueño de manera que, al final del verano, zarpó de Shangai camino a Ann Arbor…destino que no llegó a pisar.

La nave atracó en San Francisco a finales del verano de 1936 y, puesto que aún quedaba tiempo antes de que las clases diesen comienzo en la Universidad de Michigan, decidió visitar a un amigo en Berkeley. Este le comentó que había un estudiante chino, Luke Chia Yuan, que estaría encantado en mostrarle el campus y los laboratorios de física. Luke le presentó a Ernest Lawrence, quien reconoció su valía y le instó a cambiar sus planes y quedarse en Berkeley. Le proporcionaría el apoyo financiero que necesitase. Junto al jefe del departamento de física, le aseguró que, a pesar de que las clases habían comenzado varias semanas antes, podría ponerse al día con facilidad. Aceptó la propuesta entusiasmada, puede que, en parte, por culpa del físico de altas energías que le había hecho de cicerone por el campus. Era un estudiante a quien Lawrence tenía mucho aprecio y que se convertiría, más tarde, en el esposo de Chien- Shiung. Aquello marcó el verdadero inicio de su carrera científica.

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Chien-Shiung Wu empezó a trabajar en Berkeley, bajo la dirección y supervisión de Emilio Segre. Durante el desarrollo de su tesis doctoral utilizó el ciclotrón para estudiar los productos de la fisión nuclear del uranio-235, el tema de moda en aquel momento.  La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos de tamaño parecido, liberando cierto número de neutrones (en general, dos o tres). Los núcleos resultantes son radiactivos y se desintegran en núcleos “hijos” que, en caso de ser inestables, sufren una nueva desintegración. El proceso continúa hasta que, finalmente, se produce un núcleo estable.

En el caso concreto del uranio-235, el bombardeo neutrónico lo convierte en uranio-236 que es sumamente inestable y se divide en Kriptón y Bario con la liberación de tres neutrones; o en xenón y estroncio, con el desprendimiento de dos. Las propiedades que analizó Wu en los miembros de la cadena de los productos resultantes, le permitieron estudiar con más detalle la interacción de las fuerzas nucleares.

Tras doctorarse quería permanecer en Berkeley pero por desgracia, en aquel momento las grandes universidades eran reacias a contratar a mujeres, judíos o asiáticos. Así que aceptó una oferta como profesora en el Smith College, una institución de mujeres situada en la costa este. Un día antes de su trigésimo cumpleaños, se casó con Luke Chia Yuan en el patio de la residencia de Robert Millikan, director del Instituto de tecnología de California (Caltech), en Pasadena. Yuan se doctoró ese mismo año y recibió una oferta para trabajar en el diseño de aparatos de radar en los  laboratorios RCA de Princeton. Mientras tanto Wu echaba de menos la investigación, el trato humano que recibía en el Smith College era muy bueno pero no había infraestructuras y añoraba la física experimental. Por fin, por mediación de Lawrence, fue la primera mujer contratada en la Universidad de Princenton como profesora.

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Durante la II Guerra Mundial participó en el proyecto Manhattan en la Universidad de Columbia como científica senior. Se trasladó a Nueva York y volvía a Princenton los fines de semana. En un principio, trabajó en el enriquecimiento de uranio por difusión gaseosa y más tarde se unió a otro grupo del mismo laboratorio, liderado por Dunning, Booth, Heavens y Rainwater, cuyos experimentos eran necesarios en el diseño de los reactores nucleares entonces en desarrollo. Fue durante este periodo cuando surgió un problema al poner en funcionamiento el primer reactor productor de plutonio de Hanford. Cuando se paraba después de haber estado trabajando a alta potencia, no podía volverse a poner en marcha hasta pasadas unas horas. Fermi dedujo, acertadamente, que el efecto debía ser causado por un producto de fisión todavía desconocido. Emilio Segre sabía que la Dra. Wu, había medido las propiedades de muchos de ellos y decidió consultarle en nombre de Fermi. Al revisar sus datos, Wu identificó al culpable como el xenón-135 y se pudo llegar a una solución. Lo que ocurría es lo que se conoce como envenenamiento por xenón-135. Cuando el reactor se detiene, la cantidad de xenón-135 aumenta, absorbe neutrones e impide la reacción en cadena por unos días. Hasta que el xenón-135 no se desintegra, no se puede reiniciar el reactor.

Terminada la segunda guerra mundial, Wu decidió permanecer en Columbia y por fin se sintió libre de elegir hacia donde quería encaminar su carrera científica. En ese momento había varias áreas de interés en la física nuclear, pero sus anteriores investigaciones y el atractivo que sentía por el tema, la llevaron a concentrarse en el estudio de la desintegración beta. En este tipo de desintegración, un núcleo radiactivo se transforma en otro más estable emitiendo electrones (o positrones). Su interpretación teórica llevó de cabeza a los físicos durante años, ya que, entre otras cosas parecía violar los principios de conservación de la energía, de la cantidad de movimiento y del momento lineal.

desintegracion

A principios del siglo XX, una vez las investigaciones revelaron que los rayos beta eran electrones (el positrón se descubrió más tarde), surgió la incógnita acerca de la forma de su espectro energético. En 1906, Lise Meitner y Otto Hahn iniciaron su búsqueda con la idea de generalizar los resultados que Bragg había encontrado para la desintegración alfa. Se esperaba que el valor de la energía de los  electrones emitidos fuese igual a la diferencia de masas atómicas inicial y final, por el cuadrado de la velocidad de la luz (archiconocida equivalencia masa-energía).  Sin embargo, el método de medición de Meitner y Hann impidió que llegasen a resultados concluyentes y fue James Chadwick, quien más tarde descubriría el neutrón, quien modificó la técnica demostrando que el espectro era continuo.

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Espectro del decaimiento beta

Esto significaba que los electrones no tomaban toda la energía disponible y se desconocía dónde iba a parar esta. En 1930, Wolfgang Pauli postuló la existencia de una partícula neutra, carente de masa y con muy poca interacción con la materia, que se repartía la energía con la partícula beta (electrón o positrón). Pero no fue hasta después del descubrimiento del neutrón por Chadwick, que Enrico Fermi dio nombre a la partícula de Pauli y desarrolló la teoría que describía la desintegración beta.

Hacia 1933, la mayoría de los físicos todavía creía que el neutrón era una partícula compuesta por un electrón y un protón y que los electrones formaban parte del núcleo. Fermi, por el contrario, al igual que Werner Heisenberg, defendía que el núcleo solo estaba constituido por protones y neutrones y, a diferencia de éste,  que el neutrón era una partícula elemental. Bajo esta hipótesis los rayos beta no estaban en el núcleo y,  por tanto, se creaban en el propio proceso. Fermi conjeturó que procedían de la desintegración del neutrón, que daba como resultado un protón, un electrón y un neutrino. También sostuvo que los neutrinos no preexistían en el núcleo, como había pensado Pauli. Su teoría no sólo predecía la forma del espectro de los electrones, sino que también proponía una relación entre el máximo de energía espectral y la vida media de la desintegración. Por desgracia, las mediciones que se hicieron para ratificarla, si bien confirmaron esta última relación, estuvieron en desacuerdo en cuanto a la forma del espectro para energías bajas.

En opinión de Wu, las medidas existentes eran de tan baja calidad que no permitían llegar a ninguna conclusión. Pero, dado que en su manera de proceder, no cabía limitarse a criticar el trabajo del prójimo, tomó cartas en el asunto. Era necesario identificar los posibles defectos de la técnica y el diseño, y mostrar el error que habían introducido. Por último, y más importante, había que desarrollar algún método para hacerlo correctamente.

Percibió que el problema podría deberse a la falta de uniformidad del espesor de la fuente emisora de radiación beta, así como del soporte en el que estaba situada. De su investigación doctoral, sabía que los electrones poco energéticos  se absorbían y dispersan con facilidad perdiendo una fracción sustancial de su energía en el proceso. Por tanto, en el experimento, la distribución de la energía de los electrones emitidos, se habría visto modificada por esta causa. Además, los espectrómetros beta que se utilizaban entonces tenían núcleos de hierro que producían efectos de histéresis y registraban valores erróneos del campo magnético. Por suerte, encontró en el almacén un espectrómetro solenoidal sin hierro que había sido guardado cuando se remodeló el laboratorio para la investigación en tiempos de guerra. En seguida reconoció las ventajas potenciales que podría ofrecer. Junto con varios de sus estudiantes graduados, recuperó su funcionalidad y modificó su diseño para optimizar la transmisión y permitir blancos más delgados. Tras un intenso trabajo, lograron disminuir mucho el grosor colocando la fuente en soportes muy finos, eléctricamente conductores, que evitaban la retrodispersión y la carga de la fuente.

Esquema del diagrama del espectrómetro magnético solenoidal

Esquema del diagrama del espectrómetro magnético solenoidal

Además, para rematar la jugada, eligió un método cuyos resultados le permitían deducir si la técnica  aún estaba distorsionando el espectro. Seleccionó una fuente emisora tanto de positrones como de electrones, de manera que, la forma espectral de los dos tipos de partículas diferiría mientas que las distorsiones del espectro debidas al montaje experimental serían coincidentes. Si la distorsión era mínima y la teoría correcta, cada uno de los dos espectros se ajustaría a su forma predicha. Y eso fue lo que sucedió, los cambios instrumentales condujeron a valores que concordaban con las predicciones de la teoría de Fermi. Tras este triunfo inicial, no se dio por satisfecha y decidió llevar a cabo pruebas aún más rigurosas y precisas para un gran número de transiciones beta. El grado de ajuste entre tal variedad de espectros medidos con los previstos confirmó la validez de la teoría de Fermi.

Estos experimentos le valieron el reconocimiento internacional y la pusieron en camino al reto por el que se la recordaría en la historia de la ciencia. Pero esto, ya es otra historia…

Continuará…

BIBLIOGRAFÍA

“Chien-Shiung Wu: Biographical memoirs” Leon Lidofsky

“Dr. Chien-Shiung Wu” Lisa Andrews, Gierallyn Castro, Rocio Salcido y Melinda Yang

“Nobel Prize Women in Science” McGrayne, Sharon Bertsch

“Chien-Shiung Wu, 84, Top Experimental Physicist” William Dicke

“Chien—Shiung Wu. A Biographical Memoir” Noemie Benczer-Koller

Los artículos de «Chien-Shiung Wu, la gran física experimental» (I y II) han sido galardonados con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica junto al post»El lado débil de la física (II): rompiendo la paridad» de El zombi de Schrödinger 

Esta entrada ha sido galardonada con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica en conjunto con los dos artículos de Los Mundos de Brana sobre la vida de Chieng Sung Wan

Publicado en Biografías, Física de Partículas, Física Nuclear, Historia de la Ciencia, Mujeres científicas, Radiactividad | Etiquetado , , , | 36 comentarios

Palacios versus Predator o cómo aprender Física pasándolo teta

Publicado el 17/02/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela
Foto de Filmatu

Sergio L. Palacios en Amazings 2011, dónde dio la charla «Por arriba, por abajo, por delante, por detrás y hasta el fondo» que podéis ver pulsando sobre la foto de Filmatu (¡No os la perdáis de ninguna de las maneras!)

Escribir sobre los dos mejores libros de divulgación científica que he leído me impone, pero retrasar más su reseña por este motivo resultaba absurdo. Así que, he decidido armarme de valor y exponeros las razones por las que los que tengo en tan alta consideración.

Todo empezó en las navidades de 2011. El título descarado y original de aquel libro llamó poderosamente mi atención y me puse a ojearlo. Empecé por un capítulo cualquiera, el cuarto, y no pude detenerme hasta el final. Allí de pié, en medio de la librería, se produjo el flechazo. Era la primera vez que un escritor me hacía disfrutar tanto con la física, que la hacía tan irresistible y atrayente. Como supondréis, “Einstein versus Predator”  vino conmigo a casa y fue el inicio de una fructífera relación que se completó con la adquisición de su hermano mayor “La guerra de dos mundos”.

El origen de ambos libros fue la asignatura “Física y Ciencia Ficción”  que Sergio L. Palacios, doctor en Física, investigador y profesor titular de Física Aplicada en la Universidad de Oviedo, creó en 2004. Diseñada como materia de libre elección logró hacer gozar de la física a estudiantes procedentes de carreras de todo tipo. Lo que llevó a la práctica, ni más ni menos, es la cita de Benjamin Franklin que abre el primero de sus libros: “Dime y lo olvido; enséñame y lo recuerdo; involúcrame y lo aprendo.” Durante las clases eran los estudiantes quienes primero tenían que encontrar la explicación física de la escena o película que habían visionado. Participaban en un debate-coloquio en el que ponían en común sus razonamientos y los discutían y analizaban. Él se limitaba a ejercer un papel de moderador y sólo intervenía en caso de ser necesaria una explicación o para opinar como un miembro más del grupo. La calificación, tampoco consistía en un examen ordinario, lo que se valoraba era el trabajo que el alumno hacía libremente durante el curso y que iba registrando en un blog unipersonal. Por desgracia, el tiempo verbal empleado se debe a que todos los intentos de nuestro protagonista por incluirla como materia optativa en los nuevos planes de estudios, fueron rechazados y en el curso 2013-2014, tras nueve años, ha dejado de impartirse. Parece que en la nueva reforma universitaria no tiene cabida una asignatura que incentivaba a los alumnos a pensar por ellos mismos, a aprender los unos de los otros y a vivir la ciencia.

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En fin, corramos un estúpido velo y retrocedamos hasta el 13 de junio de 2006, día en el que la forma única de transmitir la física en aquellas clases, se convirtió en el blog “Física en la Ciencia Fícción” que, a su vez, sirvió de germen para ambos libros.  En él, según el propio autor, escribía “pequeños artículos de carácter monográfico donde trato de recoger las ideas científicas involucradas en las películas visionadas durante las clases.” En realidad, no era así, esas entradas eran pequeñas obras maestras, al igual que lo son los diferentes capítulos de “La guerra de dos mundos” y “Einstein versus Predator”. Pero de eso hablaré más adelante.

Finalmente, hace poco más de un año, el 2 de febrero de 2013, se despidió el blog “Física en la Ciencia Ficción”. Como lectora, fue muy doloroso. La biblioteca que había convertido en mi paraíso particular donde alejarme del mundo se convertía, de pronto, en un paisaje desolador. Afortunadamente, creó otro blog, bajo pseudónimo, pocos días después. Os ahorro mis aventuras en la búsqueda de esa nueva biblioteca y la sorpresa que sentí al darme cuenta de que era un refugio que ya visitaba. Un lugar acogedor recién estrenado, en el que leía los libros conforme iba colocándolos en las estanterías. Este nuevo blog lleva por nombre «El Tercer Precog« y cumplió un año el pasado 5 de febrero.

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LA PAREJITA

Pero volvamos con los protagonistas de nuestra historia: “La guerra de dos mundos” y “Einstein versus Predator”. Dos libros que, sirviéndose de referentes cercanos, logran enseñar física en mayúsculas a todos los públicos. Un triunfo tan loable como poco común.

Existen muchos textos divulgativos que se limitan a tratar la ciencia muy por encima o que profundizan tanto que se abandonan tras el primer capítulo. Pero en el caso de Sergio L. Palacios, la divulgación siempre está asociada a un aprendizaje real. Cada capítulo enseña de forma efectiva un concepto nuevo que se asimila como algo interesante y atractivo. Y no se trata de cuestiones de poca importancia sino que, tal y como he resaltado anteriormente, desfila física de primera categoría. A través de las diferentes páginas hace su aparición la invisibilidad, la teletransportación, la superconductividad, los estados metaestables, los agujeros negros y de gusano, los viajes en el tiempo, los universos paralelos, los rayos láser, los plasmas, la antimateria, la invisibilidad, los asteroides, los cambios climáticos, la vida en el espacio, los viajes a otros mundos, etc. Temas de gran interés que atrapan al lector aumentando sus conocimientos.

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La física, por fin, se presenta a través de referentes conocidos como son los libros o las películas de Ciencia Ficción y deja a un lado los ascensores en caída libre que no acaban de caer nunca o las personas que van a hacer cálculos a las estaciones de trenes. En este caso,  desenmascarando a los superhéroes que desafían las leyes de la física, el autor nos muestra la utilidad de esta ciencia para explicar los fenómenos del mundo que nos rodea. Para que nos entendamos, una cuestión tan compleja como puede ser la convección se hace mucho más llevadera cuando se emplea para estudiar si Superman pudo o no congelar un lago con un “hipersoplido huracanado” y traerlo volando para apagar un incendio.

“Sin tiempo que perder, Clark aprovecha la ocasión para fardar un poco, ataviado con su vistoso pijama rojo y azul, y siempre presto a ayudar en lo posible y lo imposible. Mientras trata de rescatar a los incautos empleados de la planta, es advertido por uno de ellos acerca del peligro que se cierne sobre los alrededores debido al inevitable calentamiento de una sala abarrotada de frascos de ácido béltrico (¿algún químico en la sala que me diga qué demonios es esto?). Al parecer, el susodicho ácido béltrico es una sustancia inocua hasta que alcanza los 180 grados (¿Celsius o Fahrenheit?). ¿Acaso éstos pican menos que los centígrados?

Para más inri, la bomba de agua en el camión de bomberos se queda sin presión. Uno de ellos advierte que la fuente próxima es un lago que se encuentra a 8 km. ¿Para qué querrá agua si no funciona la bomba? Menos mal que Supermán pasaba por allí y en un momento de clímax superheroico pergeña la osada idea de volar raudo y veloz cual felino intrépido hasta el lago y congelar parte de su superficie ayudado por su hipersoplido huracanado, transportarlo en brazos y dejarlo caer desde las alturas para que, al fundirse, sofoque el incendio. Y aquí paz y después gloria a Dios en el cielo. Y digo yo: no es por poner en duda la labor de un superhéroe, pero si Súper puede congelar de un soplido la superficie de un enorme lago, ¿no podría haber apagado también así el incendio y dejarse de perder el tiempo?” Capítulo 4: Lo que el aliento se llevó, “Einstein versus Predator”

Los capítulos cuentan con la extensión apropiada para entender el concepto que se pretende transmitir y cada una de las tres partes que los componen tiene el peso que requiere su función. Se inician con el planteamiento detallado de la secuencia o del texto del libro de Ciencia Ficción a analizar, para desplegar, acto seguido, toda la física que contiene. Se explica de forma amena y comprensible la base teórica de manera que el lector pueda asimilarla y disfrutar de la gran confrontación final Palacios-Predator. En esta se valora de forma cualitativa o cuantitativa el grado de error o acierto de la situación que da comienzo al relato, se examina el escenario para mostrar si es realista o no.

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En base a lo expuesto hasta el momento, está claro que nos encontramos frente a una clase de divulgación pionera en lengua hispana. Respecto al mundo anglosajón, el propio autor reconoce en el prólogo de “Einstein versus Predator”, el trabajo que han hecho en esta línea  grandes científicos como Lawrence Krauss o Michio Kaku, considerándose un “humilde aprendiz e imitador del trabajo de estos monstruos de la divulgación”. Nada más lejos. Es cierto que existe una cierta similitud en cuanto al uso de la Ciencia ficción para seducir al lector, pero sólo hemos recorrido la mitad del camino. Todavía queda aquello que los distingue del resto: la forma en la que están escritos, “el toque Palacios”, el despliegue de humor socarrón, irreverente e irónico.

El lenguaje es tan cercano y divertido que no puedes abandonar la lectura. Te seduce con sus bromas y comentarios. De pronto, la física es sexy y habla en un idioma diferente. Aleja cualquier comportamiento pomposo y rimbombante para ser una colega. Se convierte en la líder del grupo, la más ocurrente y no quieres que deje de contarte historias. En ningún otro libro de divulgación se combina y equilibra con tal maestría el humor de calidad con la exposición rigurosa y clara de contenidos científicos. Este es el gran triunfo y lo que hace que sea único.

Sé que mi recomendación no hace honor a “La guerra de dos mundos” y “Einstein versus Predator” pero deseaba poner mi granito de arena para que más personas tengan la suerte y el placer de leerlos. Ha habido, hay y habrá excelentes divulgadores en todas las lenguas, pero, sin lugar a dudas, Sergio L. Palacios es el MAESTRO.

 “El placer de llevar a todas las personas el ansia por aprender, por entender el mundo, el universo que habitamos, por conocer todo lo que nos rodea y por qué se comporta como lo hace, no se puede comparar con casi ninguno de mis otros sentimientos, salvo el amor por mi familia y mis amigos.” Sergio L. Palacios

Premio Tesla al Mejor Divulgador de 2013. Para ver la entrega del premio pulsa sobre la imagen

Premio Tesla al Mejor Divulgador de 2013. Para ver la entrega del premio pulsa sobre la imagen

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Nueva iniciativa: La Pregunta NAUKAS 2014

Publicado el 11/02/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

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Este 2014 Naukas ha empezado una nueva iniciativa inspirada en la pregunta abierta que cada enero publica la web The Edge. A partir de ahora, la plataforma lanzará su propia pregunta anual a toda la comunidad de colaboradores y ofrecerá las diferentes respuestas. Si tenemos en cuenta que en Naukas ya somos más de 130 divulgadores con estudios y profesiones muy diversas, el atractivo de la propuesta se hace evidente.

Este año, la pregunta elegida por los jefes tiene tela:

¿Cuál será el avance o descubrimiento de la ciencia que más va a cambiar el mundo en los próximos años?

Al leerla pensé en Niels Bohr y su famosa cita “Hacer predicciones es muy difícil, especialmente cuando se trata del futuro.”, y después en la legión de científicos que han hecho el ridículo haciendo de pitonisos. Pero en realidad, la cuestión es muy interesante porque no pretende hablar de un futuro lejano fruto de nuestra imaginación sino de lo que podría llegar a ser con lo que se está investigando ahora, lo que puede pasar de aquí a unos años…

Yo me estrené ayer y me gustaría mucho que me dieseis vuestra opinión en los comentarios. Pienso que sería muy enriquecedor para todos. Puesto que es una predicción personal, no se trata tanto de valorar si es acertada o no, sino de partir de esta respuesta para hablar de ciencia, para jugar un poco con ella. Quiero saber qué pensáis, si lo veis descabellado y creéis que he hecho una plancha de campeonato o si, por el contrario, parece plausible. Lo único que quiero es que lo pasemos bien hablando de ello.

Al fin y al cabo, es lo que pienso hacer yo con las respuestas que se vayan publicando y que tengo muchísimas ganas de leer. No dejéis de participar, recordad que la divulgación es para vosotros y que no hay cosa que nos guste más que os involucréis y contactéis con nosotros.

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La conquista de la superconductividad a temperatura ambiente es uno de los mayores retos de la física teórica actual.

Tras el descubrimiento de los superconductores por Heike Kamerlingh Onnes, sus posibles aplicaciones tardaron en llegar puesto que se veían restringidas por la dificultad y el coste que suponía conseguir temperaturas cercanas al cero absoluto. Por ello, desde el principio, los investigadores trataron de obtener nuevos compuestos cuya temperatura de transición al estado superconductor fuese superior a la temperatura de ebullición del helio (4.15 K). El desafío era conseguir materiales cuyas temperaturas críticas fueran superiores a la temperatura de ebullición del Nitrógeno (77,85 K) ya que éste podía obtenerse a bajo costo.

Al poco tiempo se identificaron otros metales con temperaturas críticas ligeramente más altas y, a partir de los años 1930, la superconductividad se observó también en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones intermetálicas. Pero el gran avance en este campo, se produjo en 1986, con el descubrimiento por parte de J. C. Bednorz y K. A. Müller (Premio Nobel de Física 1987), de los superconductores a alta temperatura.

 Seguid leyendo y ¡dejad vuestros comentarios!

 P.D.- Por si os interesa, en esta entrada (con charla de Naukas Quantum incluida) traté el tema de la Superconductividad.

 

 

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Radiactivo Man en “La radiación nuestra de cada día”

Publicado el 08/02/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

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La entrada original es una colaboración con Desayuno con fotones

Queridos lectores de Desayuno con fotones,

No me andaré por las ramas: son ustedes radiactivos. Pero no radiactivos como yo, en plan superhéroe que mola, ustedes son radiactivos sin superpoderes…

LAURA: Como tú.

RADIACTIVO MAN: ¿Usted quién es y por qué osa interrumpirme?

LAURA: La encargada de decidir si puedes o no seguir divulgando en Desayuno con fotones.

RADIACTIVO MAN: Una inspectora me quitó la licencia de superhéroe porque me tenía manía pero le aseguro que soy un monstruo divulgando, además me he hecho el carné. Así que, si me permite, tengo aquí a unos lectores impacientes por escuchar mis palabras.

LAURA: En lo de monstruo estamos de acuerdo. Todos tuyos…

Lectores, las radiaciones ionizantes forman parte de nuestra vida cotidiana y  es importante saber dónde podemos encontrarlas y contar con una visión general de sus diversos usos. En función de su origen, podemos diferenciar entre radiación natural y radiación artificial. Contrariamente a lo que mucha gente piensa, la radiación artificial, causada por intervención humana, representa únicamente un 18% de la radiación total, mientras que el otro 82% proviene de causas naturales que escapan a su control.

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RADIACIÓN NATURAL

La radiación natural tiene tres orígenes principales: los rayos cósmicos, los elementos radiactivos de la corteza terrestre, y las sustancias radiactivas que incorporamos a nuestro organismo al respirar o alimentarnos y que dan lugar a lo que se conoce como radiación interna.

La radiación cósmica primaria es aquella que se origina en el espacio exterior y está constituida por protones y partículas alfa de energía muy elevada. Al pasar a través de la atmósfera interactúa con elementos presentes en ésta, originando radiación gamma, electrones, neutrones, mesones y otras partículas energéticas, cuyo conjunto constituye lo que se conoce con el nombre de radiación cósmica secundaria. La dosis debida a los rayos cósmicos depende la latitud (mayores dosis en los polos que en el ecuador) y la altitud (mayores dosis en las montañas que a nivel del mar).

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La mayor parte de esta radiactividad de la corteza terrestre proviene de los isótopos radiactivos producidos en la formación de la Tierra que cuentan con un periodo de semidesintegración comparable a la edad de esta, y de sus descendientes. Las cuatro familias radiactivas naturales son las series del torio, uranio-radio, uranio-actinio y neptunio. Como es de esperar, los niveles de radiación terrestre difieren de un emplazamiento a otro al igual que lo hacen los materiales de la corteza terrestre varían.

Del total de radiación natural que reciben, el 9% es radiactividad interna (el porcentaje correspondiente al “cuerpo” del diagrama de sectores). Ustedes mismos emiten radiación proveniente de las sustancias radiactivas presentes en los alimentos, en el agua y en el aire, las cuales, al ser ingeridas o inhaladas, se absorben en los tejidos vivos. Los principales isótopos radiactivos que contiene el cuerpo humano son el potasio-40, el carbono-14 y el tritio, pero también pueden encontrarse cantidades menores de algunos elementos pesados como el radio, el plomo o el uranio. La fuente más importante de irradiación interna la constituye la inhalación del gas radón que se produce en las desintegraciones radiactivas del uranio y del torio y que a su vez es inestable, transformándose en una partícula alfa y un núcleo de polonio. Si el radón es respirado y no se desintegra, puede volver a salir junto con el aire expirado. Pero si se desintegra mientras se encuentra en los pulmones, el núcleo de polonio radiactivo puede quedarse adherido al tejido pulmonar y desde ahí continuar emitiendo radiación.

En general la concentración de materiales radiactivos en la mayoría de las sustancias naturales es baja, pero puede incrementarse  como resultado de las actividades humanas. Con el fin de proteger a las personas frente a estas radiaciones de origen natural existe un marco normativo nacional y europeo específico. La Instrucción Técnica del Consejo de Seguridad Nuclear IS-33 aporta informa sobre los criterios radiológicos para la protección frente a la exposición a la radiación natural.

RADIACIÓN ARTIFICIAL

Por lo que se refiere a la radiación artificial, sus usos se basan en las modificaciones que experimenta, junto a la materia, tras su interacción. Hay gran cantidad de campos de aplicación por lo que sólo os citaré algunos de los principales:

medicina

MEDICINA

Los materiales radiactivos y las radiaciones ionizantes se utilizan en la prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades o lesiones.

Para el diagnóstico se cuenta con el radiodiagnóstico y la medicina nuclear. El primero permite visualizar las estructuras internas del paciente a partir de la diferente absorción de los rayos en los órganos y tejidos del cuerpo. En medicina nuclear, en cambio, se inyectan o administran materiales radiactivos (radiofármacos), que se absorben selectivamente en ciertos órganos permitiendo el estudio de su morfología y funcionamiento a través de la detección de la pequeña cantidad de radiación que emiten.

Por lo que a la terapia se refiere, la radioterapia se emplea, mayoritariamente, para destruir células cancerígenas y frenar su proliferación desmesurada. Existen dos modalidades diferentes de tratamiento: la radioterapia externa en la que la fuente radiactiva o el equipos generador de radiaciones ionizantes (aceleradores de partículas) están situados en el exterior del paciente y la braquiterapia, en cuyo caso la fuente radiactiva está insertada, en contacto o en alguna cavidad del paciente (radioterpaia intracavitaria). No hay que olvidar que también existe el tratamiento radioterápico de enfermedades benignas.

En medicina, las radiaciones ionizantes también se utilizan en los radioinmunoanálisis, para marcar con material radiactivo las muestras biológicas obtenidas previamente del paciente. El objetivo es medir la cantidad y concentración de numerosas sustancias que existen en cantidades muy pequeñas. Son técnicas realizadas in vitro (tubo de ensayo).

TRANSEUNTE 1: ¡Se olvida las ecografías y las resonancias magnéticas!

LAURA: Lo que faltaba, una espontánea.

RADIACTIVO MAN: No, señora, no. Las ecografías y las resonancias magnéticas no utilizan radiaciones ionizantes.

TRANSEUNTE 2: Mamá, ¿por qué va en pijama este señor?

TRANSEUNTE 3: Vamos hijo, no debe estar muy bien de la azotea…

RADIACTIVO MAN: Porque soy un superhéroe.

TRANSEUNTE 2: Pues no lo parece, yo he visto Superman y no es amarillo.

RADIACTIVO MAN: Niño impertinente como te coja..

LAURA: Venga, vamos a un lugar más tranquilo, entremos…

RADIACTIVO MAN: Me aleja de la gente porque teme que la eclipse con mi popularidad y mi carisma…

LAURA: Te alejo de la gente porque temo que acabemos en comisaría. Sigue con tu perorata.

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INDUSTRIA

Tras ser forzado a distanciarme de mi público, veamos la gran diversidad de sectores en los que se utilizan radiaciones ionizantes en el campo de la industria.

La técnica de la gammagrafía irradia con rayos gamma piezas, objetos o componentes con el fin de verificar la calidad o el estado de las mismas, sin dañarlas o inutilizarlas como consecuencia del ensayo. Por lo que se refiere a los equipos de rayos X, como saben, se utilizan en aeropuertos para el control de bultos y equipajes y, en puertos y fronteras, para el control de mercancías peligrosas, droga, explosivos y materiales radiactivos. En la actualidad, su uso está cada vez más extendido en las técnicas de análisis industrial.

Las radiaciones emitidas por una fuente radiactiva también permiten medir diferentes características de los materiales. A partir de su detección, se puede determinar el nivel de contenido de un recipiente; el espesor de materiales como papel, cartón o plástico; la densidad o la humedad de un terreno. Por otra parte, mediante radiotrazadores (pequeñas cantidades de materiales radiactivos) se pueden seguir procesos o analizar sus características; producir elementos fluorescentes o aumentar la resistencia de los materiales.

La producción de electricidad en las centrales nucleares es la más conocida. En este caso, la fuente de energía proviene de la fisión nuclear. Cuando esta tiene lugar se produce un fraccionamiento del núcleo de un átomo de uranio en dos o más fragmentos. El vapor de agua generado por la gran cantidad de energía que se desprende de la reacción incide sobre los álabes de una turbina acoplada a un generador produciendo, como resultado final,  electricidad.

ALIMENTACIÓN Y AGRICULTURA

Los usos de los materiales radiactivos y de las radiaciones ionizantes se emplean en muchos estudios agroalimentarios. Sirven, entre otras cosas, para comprobar la eficacia de los fertilizantes, asegurar la eficiencia del riego y del abastecimiento de agua, así como para luchar contra las plagas mediante la esterilización.

La irradiación de los alimentos permite la destrucción de bacterias, parásitos, insectos y otros patógenos, jugando un papel fundamental en la seguridad alimentaria. Los tratamientos facilitan que muchos productos lleguen y se conserven en regiones poco favorecidas.

ARTE

Las técnicas no invasivas con radiaciones ionizantes son básicas en la datación, restauración, conservación  y autentificación de las obras de arte. Las radiografías aportan información sobre las estructuras internas de las piezas que no son visibles en la observación directa, mientras que el uso de aceleradores y otras técnicas, posibilita el análisis de la composición y estructura de los diferentes materiales que integran las obras. En definitiva, nos ayudan a obtener más información de la obra, a entenderla mejor y a descubrir sus secretos.

EXPLORACIÓN ESPACIAL

Y ahora llega mi favorita: su aplicación en la industria espacial. Bueno, mi segunda favorita después de la médica que, como divulgador del blog, es la que me gusta más de todas. A lo que iba, las sondas espaciales cuentan con generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) que, a partir del calor creado por los elementos radiactivos, generan electricidad por efecto termoeléctrico. El Plutonio 238, con un periodo de semidesintegración de 88 años, es el principal radioisótopo empleado para este fin y alimenta naves como nuestro querido corresponsal en Marte, el Curiosity Rover o el Voyager.

INVESTIGACIÓN Y DOCENCIA

En investigación, también existe una gran variedad de usos de materiales y fuentes radiactivas. Cubren todos los aspectos que he citado distribuidos en diversas áreas de conocimiento: física, química, biología, etc.

En los centros destinados a la docencia, tanto de enseñanza secundaria como universitaria, se usan, en general, materiales y fuentes de poca actividad.

La legislación española exige que toda instalación, donde se disponga de materiales o equipos radiactivos, debe estar autorizada cuando se superen las condiciones fijadas para la exención de los mismos. Las autorizaciones se conceden por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, siendo preceptivo que el Consejo de Seguridad Nuclear dictamine, previamente, sobre la seguridad de cada una de esas instalaciones.

Como resumen de lo que les he explicado, la imagen siguiente muestra la radiación ionizante que una persona puede absorber a partir de diferentes fuentes que van desde dormir una noche en compañía de alguien, el potasio que tenemos en nuestro cuerpo, hasta el envenenamiento por radiación. ¡Estoy seguro de que les gustará!

Y con esto acabamos el capítulo de hoy que tengo que hacer unos encargos.

LAURA: ¿Dónde vas?

RADIACTIVO MAN: Pues eso, salgo a hacer cosas mías.

LAURA: ¿Por la ventana? No es buena idea.

RADIACTIVO MAN: Tengo el superpoder de volar, lo pone en mi licencia.

LAURA: ¿La anulada?

RADIACTIVO MAN: Incrédula…

Se escucha un golpe seco  y gritos en la calle.

¿Continuará?…

Esta entrada participa en el cuadragésimo noveno Carnaval de Física alojado por El Zombi de Schrödinger en el blog cuantozombi.com y dedicado a la física de lo cotidiano.

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Mi primer cumpleblog (con actuación estelar de Walter Lewin)

Publicado el 03/02/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

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Queridos visitantes de Los Mundos de Brana,

Ya hace un año que empecé esta aventura y quiero celebrarlo con todos aquellos que formáis parte de ella. Aquel día, mientras le daba a la tecla «publicar» de la primera entrada, estaba hecha un flan. Me hacía mucha ilusión abrir mi propio blog pero, que quede entre nosotros, no tenía demasiada confianza en su futuro. Hay una excelente y extensa oferta divulgativa y el tiempo del que disponemos es escaso. ¿Qué haría que alguien quisiese leer mi blog?

Lo creé porque me «divulgaba encima». Gracias a las entradas en Cuentos Cuánticos, había recuperado la satisfacción que siento al escribir y me había vuelto a enamorar de la ciencia. Deseaba tener mi propio espacio para aprender y acercarla a los demás. Pero si no hubiese entrado ni el Tato, hubiese cerrado la persiana. Las entradas están destinadas a los lectores y sin ellos, sin vosotros, el blog no tiene sentido.

Afortunadamente, estáis aquí, compartimos afinidades y parece que os resulta interesante lo que explico. No imagináis hasta qué punto eso es importante para mí. En otras ocasiones ya os he dicho que la divulgación me ha permitido vivir momentos muy felices y os aseguro que, cuando has pasado por épocas durísimas, ese calificativo contiene todo su valor. Nunca creí que a estas alturas descubriría algo que me apasionase de esta manera y, por eso, agradezco tanto que me ayudéis a hacerlo posible con vuestro cariño y apoyo.

También deseo hacer una mención especial a todos aquellos profesores que han usado entradas del blog para sus clases. Creo que es la mejor utilidad que pueden darles e invito a todos los docentes a que, en caso de interesarles, hagan lo mismo. Siempre aprendo de las sabias palabras de Juan Ignacio Pérez y convengo con él que la principal fuente de aumento de la Cultura Científica es la educación.  Que el blog llegue a las aulas es un triunfo.

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Físicos visitantes de Los Mundos de Brana en su primer año (Fuente: http://imgur.com/a/d940B#8uQ5Wkk)

UNA CLASE DE FÍSICA ESPECIAL

Llevaba semanas pensando cómo podíamos celebrar el cumpleblog y no se me ocurría nada. Al final me he dado cuenta de que no había mejor manera de hacerlo que con la clase de física que Walter Lewin dio en el MIT como Profesor Emérito, el 16 de mayo de 2011. Sus lecciones son legendarias y son vistas diariamente, a través de la red, por unas cinco mil personas de diferentes partes del mundo. Los cientos de preguntas que le envía por email toda esta audiencia, son respondidas por el propio Lewin.

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Los videos pertenecen al canal de Youtube de “Por amor a la física” y están subtitulados al castellano. Lo sé, es una fiesta sin bebidas y sin rock and roll pero tiene lo mejor, o no decía Feynman que la física era como el sexo?

Con todos nosotros Walter Lewin…

Para acabar, como una servidora también cumple años hoy, os dejo con este poema de Ángel González.

 CUMPLEAÑOS

Yo lo noto: cómo me voy volviendo
menos cierto, confuso,
disolviéndome en aire
cotidiano, burdo
jirón de mí, deshilachado
y roto por los puños.

Yo comprendo: he vivido
un año más, y eso es muy duro.
¡Mover el corazón todos los días
casi cien veces por minuto!

Para vivir un año es necesario
morirse muchas veces mucho.

Ángel González

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Radiactivo Man en «¿Qué son la radiaciones ionizantes?»

Publicado el 24/01/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela

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La entrada original es mi primera colaboración con Desayuno con fotones

Queridos lectores de Desayuno con fotones, por aquí han aparecido los editores y los colaboradores del blog pero nadie ha presentado a la estrella. Así que, ante tal agravio no me ha quedado más remedio que presentarme yo mismo: soy el gran superhéroe Radiactivo Man.

INSPECTORA: Ya estás otra vez con lo mismo… Recuerda que te quité la licencia de superhéroe. Tú eres radiactivo al igual que lo somos todos.

RADIACTIVO MAN: Usted me condenó a ser un superhéroe sin papeles y he tenido que iniciar una nueva etapa. Me he metido a divulgador científico, es un mundo en el que se aprecia mucho mi forma de vestir.

INSPECTORA: Vigila con lo que dices que este es un blog riguroso. Te estaré vigilando.

Licencia de Superheroe

Lectores, después de esta desafortunada interrupción, volvamos al punto en el que nos habíamos quedado. El momento en el que les contaba que soy el puntal del blog, ya que mi radiactividad me hace idóneo para explicarles qué son las radiaciones ionizantes que se emplean en medicina.

La radiactividad acostumbra a producir mucho miedo debido al gran desconocimiento que se tiene de ella y creo que como superhéroe y servidor público que soy, es mi deber definirla y hacer que la conozcáis mejor. La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o radiación electromagnética de alta energía por parte de núcleos atómicos inestables con el fin de aumentar su estabilidad. En la desintegración radiactiva los núcleos atómicos realizan la transición desde un estado energético inicial a un estado final de menor energía.

Existen dos causas que hacen que el núcleo sea inestable. En primer lugar, un balance inadecuado entre el número de protones (número atómico) y neutrones que impide mantener el equilibrio dinámico entre la repulsión electrostática que experimentan los protones y la fuerza nuclear atractiva entre nucleones (protones y neutrones).

La fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones y neutrones actúa sobre las partículas que los componen, los quarks. La interacción entre quarks se realiza a través de las partículas llamadas gluones.

La fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones y neutrones actúa sobre las partículas que los componen, los quarks. La interacción entre quarks se realiza a través de las partículas llamadas gluones.

 La fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones y neutrones actúa sobre las partículas que los componen, los quarks. La interacción entre quarks se realiza a través de las partículas llamadas gluones.

La segunda causa de inestabilidad nuclear se da cuando el núcleo se encuentra en un estado excitado y pasa a su estado fundamental o a un estado excitado de menor energía emitiendo rayos gamma.

INSPECTORA: ¿No explicas qué significa que el núcleo está “excitado”?

RADIACTIVO MAN: ¿Aún sigue por aquí? ¿No descansa nunca? Los lectores saben lo que es la excitación.

INSPECTORA: De eso no me cabe la menor duda. Aclárales lo que quiere decir este concepto en el caso del núcleo.

RADIACTIVO MAN: ¡Está bien! Pero no vuelva a cortarme, a los genios no se les interrumpe.

Un núcleo está excitado cuando se encuentra en un estado más energético que el fundamental por diversas causas, como puede ser por una reacción nuclear.

Los elementos químicos se definen por su número atómico y se conocen como isótopos aquellos átomos de un mismo elemento que cuentan con diferente número de neutrones pudiendo ser estables o radiactivos.

En una desintegración radiactiva, se denomina padre o precursor al nucleido radiactivo inicial e hijo o descendiente al nucleido residual. El caso más simple es aquél en que el hijo es estable. Si el hijo es a su vez radiactivo o si varias generaciones de nucleidos hijos son radiactivos, se dice que se trata de una cadena de desintegración radiactiva.

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Los tres tipos de radiación que se producen en las desintegraciones radiactivas son las radiaciones alfa, beta y gamma.

La radiación alfa está formada por partículas pesadas constituidas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio-4) que se emiten en la desintegración de átomos con un elevado número de nucleones (número másico, A). Debido a su masa, cuentan con un poder de penetración muy pequeño: no pueden recorrer más que un par de centímetros en el aire, y no son capaces de atravesar una hoja de papel, ni la epidermis. Por el contrario, el hecho de que transmitan toda la energía en un recorrido tan corto hace que su incorporación en el cuerpo proporcione una elevada dosis interna al liberar toda su energía a las células circundantes.

La radiación beta está compuesta por electrones y positrones, lo que le confiere un mayor poder de penetración. Aun así, se detiene en algunos metros de aire o unos centímetros de agua, y es frenada por una lámina de aluminio o el tejido subcutáneo. Puede dañar la piel desnuda. En el interior del cuerpo, las partículas emisoras de beta, irradian los tejidos internos.

La radiación gamma es de carácter electromagnético y se sitúa en la parte más energética del espectro. Cuenta con un poder de penetración considerable. En el aire llega muy lejos, y para detenerla se hace preciso utilizar barreras de materiales densos, como el plomo o el hormigón. Desde el momento en el que la radiación gamma entra en una sustancia, su intensidad empieza a disminuir de forma exponencial con la distancia debido a su interacción con los átomos del medio.

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Estos tres tipos de radiaciones se conocen también como radiaciones ionizantes porque tienen suficiente energía como para ionizar un átomo (arrancarle un electrón) de forma directa o indirecta.  Otras dos radiaciones que también pertenecen a este grupo son:

Los rayos X, también de naturaleza electromagnética, se producen en un tubo de vacío a partir de un material que no tiene radiactividad propia. Los electrones que emergen de un filamento conectado a baja tensión, por efecto termoiónico, son acelerados mediante alta tensión hacia un ánodo positivo. En su interacción con los átomos del ánodo destinan el 1% de la energía a la generación de rayos X mientras que el 99% restante se disipa en forma de calor. La activación y desactivación de los rayos X, tiene un control fácil e inmediato. Su uso más común en medicina es el radiodiagnóstico. La imagen radiológica se forma gracias a las diferentes atenuaciones que experimentan los rayos X al atravesar las diferentes estructuras del cuerpo humano.

La radiación de neutrones se genera en las reacciones nucleares y cuenta con la mayor capacidad de penetración. Sólo puede detenerlos una gruesa barrera de hormigón, agua o parafina.

Las reacciones nucleares consisten en el bombardeo de un núcleo blanco con partículas ligeras obteniéndose un núcleo residual radiactivo y otras partículas ligeras emergentes.

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Por lo que se refiere a las sustancias radiactivas, voy a definiros algunos parámetros claves para caracterizarlas: la actividad y el periodo de semidesintegración.

La actividad se define como el número de transformaciones nucleares por unidad de tiempo y es proporcional a la cantidad de sustancia radiactiva existente. Su unidad de medida es el bequerelio: Bq = nº de desintegraciones/s.

El periodo de semidesintegración T1/2, es el tiempo que tarda una cantidad inicial de radionucleido en reducirse a la mitad, o, lo que es equivalente, el tiempo que ha de transcurrir para que la actividad de la muestra decaiga a la mitad. Puede tener valores muy distintos de uno a otro nucleido.

Mi brillante exposición se resume muy bien en este vídeo:

¡Hasta la próxima aventura! ¡Permaneced impacientes!

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El mortal que más nos acercó a Isaac Newton

Publicado el 21/01/2014 por Laura Morrón Ruiz de Gordejuela
Edmund Halley

Edmund Halley

Sus mejillas estaban encendidas. Su interlocutor acababa de decirle que había hecho el cálculo hacía tiempo y se sentía ansioso por tenerlo en sus manos. Le observaba mientras lo buscaba entre los papeles de su escritorio y el tiempo parecía eternizarse. La misión que asumió aquella tarde invernal de principios de año por fin se completaría con éxito. Podría ofrecerles a Robert Hooke y a Sir Christopher Wren la prueba que los tres llevaban tiempo buscando. Él había tratado de hallarla durante meses sin conseguirlo hasta que tomó la firme determinación de actuar.  Puso rumbo a Cambridge y se personó en el Trinity College. Si había una persona que podía arrojar luz a la oscuridad en la que se veían sumidos era Sir Isaac Newton.

El 28 de enero de 1684, el doctor Edmund Halley mantuvo una animada conversación con el científico Robert Hooke y el arquitecto Sir Christopher Wren en la Royal Society.  Los tres llegaron a la conclusión de que la fuerza de atracción entre los planetas y el sol disminuía en proporción inversa al cuadrado de la distancia entre ellos y que, en caso de ser cierto, su órbita debía adoptar la forma de elipse anunciada por Kepler.  El problema era que no habían encontrado los medios matemáticos de demostrarlo. Así que Sir Christopher decidió ponerle emoción al asunto y ofreció cuarenta chelines a aquel de ellos que en los próximos dos meses, enviase una prueba sólida de la relación entre el tipo de atracción y la trayectoria.

Hooke,  que no se caracterizaba por su modestia, afirmó poseer la prueba requerida. Aseguró que la mantendría en secreto hasta el momento en que creyese más conveniente hacerla pública. Pero llegó la fecha límite y no había dicho una sola palabra. Halley tampoco pudo dar con la demostración durante aquel periodo y los meses siguientes estuvo demasiado ocupado en resolver graves problemas personales. Su padre desapareció en marzo y fue hallado muerto cinco semanas después. Como consecuencia, el hijo se vio sumido en los asuntos legales y familiares del progenitor.

Finalmente, después de siete meses de silencio, Halley se cansó de esperar y pasó a la acción. Sabía de alguien que sí podría darles una respuesta. Así que, a pesar de no tenerlas todas consigo, tomó rumbo a Cambridge dispuesto a hablar con el genio del Trinity College.  Sólo había coincidido con él en una ocasión y apenas habían intercambiado algunas cartas pero quería llegar al fondo del asunto y Newton era su hombre.

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El 1666 fue el annus mirabilis de Isaac Newton. Retirado en su aldea natal de Woolsthorpe debido a la gran peste, sentó las bases de sus tres aportaciones fundamentales a la historia del pensamiento: el cálculo, la idea de la gravitación universal y la teoría de la luz y los colores. Conocedor de la cosmología y la geometría cartesiana, estableció la primera síntesis de Kepler y Galileo, su primera comparación entre la atracción cósmica y la gravedad terrestre. Pero todavía carecía de piezas fundamentales para ir más allá y sólo consiguió llegar a una formulación aproximada. Un año más tarde, en De gravitatione et aequipondio fluidorum, aportó una alternativa al cartesianismo imperante que identificaba espacio y materia, definiendo los conceptos de lugar (“parte del espacio llenada enteramente por una cosa”), cuerpo (“lo que llena un lugar”), reposo (“permanencia en el mismo lugar”) y movimiento (“cambio de lugar”). Anticipando de esta manera la posición de lo que sería su obra magna: los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, más comúnmente conocidos como Principia.

A partir de ese momento, se vio envuelto en diversas polémicas a raíz  de sus descubrimientos e, incapaz de controlar las emociones que sentía, sufrió una crisis nerviosa que le llevó a seis largos años de aislamiento en los que rechazó cualquier intercambio intelectual con sus semejantes. Durante ese periodo sufrió el duro golpe de la muerte de su madre y heredó la mayor parte de sus propiedades convirtiéndose en un hombre rico e independiente.

Robert Hooke, uno de los principales protagonistas de los anteriores conflictos, volvió a establecer contacto con Newton en 1679 para solicitarle su colaboración activa en la Royal Society y para consultarle sobre su principio de gravitación universal. La comunicación epistolar logró resucitar su interés por la filosofía natural, haciendo que volviese sobre las reflexiones de quince años atrás. Sin embargo, los estudios que Newton pudo haber hecho durante esos años, no figuraban en ningún sitio y, por tanto, Edmund Halley, aquella mañana, no sabía con qué podía encontrarse.

Para su sorpresa y gran alivio, Newton se sintió halagado con su visita. Conversaron acerca de muchas cosas antes de que reuniese el valor para consultarle cuál pensaba que sería la curva descrita por los planetas suponiendo que la fuerza de atracción hacia el Sol fuese recíproca al cuadrado de su distancia hasta él. Sir Isaac respondió inmediatamente que sería una elipse y Halley lanzó la pregunta que le había llevado hasta allí “¿cómo lo sabía?”. La respuesta de Newton “Pues porque lo he calculado” le dejó atónito y le pidió los cálculos sin más demora. Su corazón latía con fuerza mientras Newton movía de un lugar a otro los montones de papeles de su escritorio. Pero al final tuvo que volver sin ellos ya que Newton no pudo hallarlos y le prometió que se los enviaría tan pronto los rehiciera.

La paciencia de  Halley fue puesta a prueba una vez más ya que pasó  tres meses sin recibir noticias de Cambridge. No deja de ser sorprendente que Newton, poseedor como era de una gran rapidez para el razonamiento geométrico, tardase tanto tiempo en reproducir un cálculo que ya había hecho. Por lo que se expresa en el memorándum De Moivre :”Para cumplir su promesa Sir Isaac se enfrascó de nuevo en el trabajo, pero no pudo llegar a la conclusión que pensaba haber examinado antes con pulcritud.” Había resuelto el problema empleando un método matemático diferente al anterior pero no estuvo satisfecho hasta dar con el fallo que había cometido en el primero y lograr que ambos coincidiesen. Finalmente, una copia del manuscrito de De Motu corporum en Gyrum ( En el movimiento de los cuerpos rotatorios ) fue entregado en Londres en noviembre de 1684 y significó el  segundo viaje de Halley a Cambridge en busca del permiso de Newton para presentarlo ante la Royal Society.

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El 10 de diciembre, Halley se dirigió a los miembros de la Royal Society y a su nuevo presidente, Samuel Pepys para dar cuenta de su visita más reciente a Newton y del “curioso tratado”, Motu que fue inscrito en el registro como Proposittiones motu. Su informe fue debidamente registrado en el acta de la reunión, y se le  instó a convencer a Newton de publicar su trabajo tan pronto como fuese posible. Pero la cosa no era tan sencilla ya que, si bien en un principio Newton pudo haber pensado en De Motu como un fin en sí mismo, ahora deseaba profundizar en el tema antes de hacerlo público. De Motu sería el germen de su obra maestra a pesar de que aún distaba mucho de lo que esta llegaría a representar. Tanto que todavía no contenía las tres Leyes ni el principio de gravitación universal.

El primer esbozo de los Principia sólo incluía dos libros, uno que coincide con el primero que fue publicado y otro que contenía al final una parte con un carácter más popular.  Sin embargo, a medida que el texto definitivo fue perfilándose, Newton prefirió cambiar esta última parte por un libro tercero “más geométrico”.  La presentación oficial del texto tuvo lugar el 28 de abril de 1686. Tal y como queda recogido por T. Birch en la History of the Royal Society of London for Improving of Natural Knowledge: “El doctor Vincent presentó a la Sociedad un manuscrito titulado Philosophiae naturales principia mathematica, y dedicado a la Sociedad por Sir Isaac Newton, donde suministra una demostración matemática de la hipótesis copernicana tal como es propuesta por Kepler, resolviendo todos los fenómenos de los movimientos celestes mediante la sola suposición de una gravitación hacia el centro del Sol que decrece inversamente como los cuadrados de las distancias. Se resolvió escribir una carta de agradecimiento a Sr. Newton; y que la impresión de su libro pasase a la consideración del Consejo; y que mientras tanto fuese puesto en manos del Sr. Halley, para que hiciese un informe del mismo al Consejo”.

Un mes más tarde, Halley escribía a Newton: “Vuestro incomparable tratado […] se presentó a la Royal Society el 28 del mes pasado, y quedaron tan conmovidos por el gran honor que les hizo con vuestra dedicatoria que inmediatamente os envían su gratitud más sincera […]; considerando que una obra tan excelente no debería ver retrasada su publicación más tiempo, resolvieron imprimirla a su propia costa, en un amplio Cuarto de hermosa letra, y que su decisión debería seros comunicada e inquirida vuestra opinión, para poder proceder con toda celeridad.”

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La tirada fue de trescientos o cuatrocientos ejemplares y contó con cuatro reseñas en revistas científicas de las cuales sólo estuvo firmada la que escribió el propio Halley para las Philosophical Transactions, órgano de la Royal Society. La que apareció en las Acta Eruditorum de Leipzig fue extensa y estudiada mientras que la de la Bibliothèque Universelle fue elogiosa pero incompleta. La cuarta, publicada en el Journal des Savants, fue muy crítica con el trabajo de Newton a quien recomendaba escribir “una física tan exacta como su mecánica”. Para el autor, los Principia son una obra “hipotética” carente de conexión con “los verdaderos movimientos”.

El reducido número de ejemplares se acabó pronto y la necesidad de perfeccionar el texto reclamaba una nueva edición. Newton había ido anotando por su cuenta algunos  cambios pero sólo aceptó la revisión a fondo de la obra a instancias del master del Trinity College de Cambridge Richard Bentley. Este último eligió al joven matemático Roger Cotes cuyo talento hizo posible que Newton le confiase tan magna tarea, aceptase gran parte de sus correcciones y le encargase hacer un Prefacio. La respuesta fue la esperada y el trabajo del matemático fue tan brillante que mejoró la primera versión y estimuló al propio Newton a realizar modificaciones mucho más drásticas de lo que había previsto. Hizo una revisión en profundidad de los conceptos e incluso añadió partes enteras como el Escolio General.

La segunda edición, de setecientos ejemplares, vio la luz en 1713 y se agotó en pocos meses, al igual que dos reimpresiones hechas en Amsterdam en 1714 y 1723. En esta ocasión el Journal des Savants publicó una reseña anónima que afirmaba que Newton “ha tratado el movimiento de los cuerpos con la precisión de los geómetras, pero de la manera que los principios establecidos se aplican a numerosos problemas de física”. El comentario negativo lo aportaron las Mémoires pour l’Histoire des Sciences et des Beaux Arts (de Trevoux), en las que se contrastó la reputación de los Principia entre los geómetras “que admiran la fuerza y la profundidad del genio de Newton” y entre los físicos, “incapaces de acomodarse a una atracción natural entre los cuerpos”. Una tercera crítica mucho más técnica fue la de las Acta Eruditorum de Lepzig que, a pesar de no estar firmada, parece probable que fuese escrita por Leibniz, con quien Newton mantuvo un conflicto sobre la autoría del cálculo diferencial. En ella se comparan ambas ediciones  y, si bien se califica los Principia como “una obra de profunda erudición”, se tratan algunas de sus afirmaciones con cierta ironía.

Newton, octogenario y delicado de salud, se aventuró a una tercera edición para la que requirió los servicios de Hernry Pemberton, un médico con grandes conocimientos de matemáticas que realizó un minucioso estudio del texto. Como resultado la nueva edición experimentó cambios mucho más radicales que la anterior y contó con una tirada de mil doscientos cincuenta ejemplares. Se publicó el año de la muerte de Newton, el 1726.

Los Principia de Newton, que marcaron un punto de inflexión en la historia de la ciencia, se publicaron gracias a la tenacidad y el esfuerzo de Edmund Halley que dejó aparte su propio trabajo para acelerar la impresión. Su devoción por el trabajo de Sir Isaac Newton late en la oda que le dedicó:

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Edmund Halley

“Al muy ilustre varón Isaac Newton y a este su trabajo físico-matemático, signo egregio de nuestro tiempo y nuestra estirpe:

Contempla tu penetrante mirada la pauta de los cielos
y el equilibrio de las masas en cálculos divinos,
Traza las omnipresentes leyes que el creador violar
no quiso, tomando como cimientos de sus obras.

Ya no se oculta la fuerza que mueve el orbe más lejano,
ganados al fin los lugares recónditos de los cielos.

Encaramado sobre su trono el Sol ordena a todas las cosas
tender hacia él por inclinación y caída,
y no padece que los cursos de las estrellas sean rectos

Mientras se mueven cruzando el vasto vacío;
sino que consigo mismo como centro acelera los orbes
En inmóviles elipses.

Conocemos ahora los rumbos
bruscamente cambiantes de los cometas, otrora fuente
de pavor; no temblamos ya acobardados bajo apariencias
de astros barbados.

Aprendimos al fin por qué la Luna
pareció en otro tiempo viajar con pasos desiguales,
como negándose, burlona, a someter a números su andadura,
hasta hoy misteriosa para todo astrónomo; aprendimos
por qué aunque las estaciones se van y luego vuelven

Las horas se mueven siempre adelante en su camino;

Y explicadas también están las fuerzas de lo profundo,

Como la errante Cyntia agita las mareas, por lo cual
la resaca, abandonando ahora los sargazos junto a la orilla,
expone bancos de arena sospechados por los marinos,
Volviendo luego a lanzar sus altas olas sobre la playa.

Son contempladas ahora a la luz de la razón,
disueltas al fin por la ciencia las nubes de la ignorancia,
cuestiones que humillaron la mente de antiguos sabios
y a nuestros instruidos doctores suelen conducir
a pretensiones no por voceadas menos vanas.

Aquellos sobre quienes el espejismo arroja su lóbrego manto de duda
alzados ahora sobre las alas cedidas por el genio sublime
pueden penetrar en las mansiones de los dioses
y escalar las alturas del cielo.

Alzaos, hombres mortales, y apartando cuidados terrenos
aprended la potencia de una mente de celeste linaje
retirada del rebaño en su pensar y vivir.

Quien con las tablas de la ley prohibió el crimen,
el robo, el adulterio y los fraudes del perjurio,
instalando a pueblos nómadas en urbes rodeadas de
murallas fue el fundador del Estado.

Quien bendijo la raza con el don de Ceres,
quien extrajo de las uvas un bálsamo curativo,
o mostró como sobre un tejido hecho de juncos
que crecen en los márgenes del Nilo pueden grabarse.

Símbolos de sonidos, presentado así la voz a la vista,
ese hombre iluminó al humano lote aligerando
las miserias de la vida con cierta felicidad.

Pero ved ahora que, admitidos al banquete de los dioses,
contemplamos la política del cielo
y haciendo patentes los secretos ocultos de la Tierra
discernimos el orden inmóvil de las cosas
y lo que decretaron en el pasado los siglos del mundo

Venid, pues, a celebrar los que sabéis deleitaros con el néctar
Celestial a celebrar conmigo en cánticos el nombre
de Newton, grato a las Musas, porque él
abrió los tesoros ocultos de la verdad:

Tan caudalosamente derramó Apolo, el Sol, en su espíritu
y en su pecho puro el resplandor de su propia divinidad.

Ningún mortal puede acercarse más a los dioses.

Edmund Halley

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Con esta entrada participo en la XLVIII Edición del Carnaval de la Física, alojado esta vez en el blog de Daniel Martín Reina (@monzonete) La Aventura de la Ciencia.

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REFERENCIAS

– «Philosophiae naturales principia mathematica» de Isaac Newton

– «Edmond Halley and Newton’s Principia» de Sir Alan Cook, F.R.S.

– «Birth of a Masterpiece» de Gale Christianson

 
Cometa Halley
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