Las constantes de Planck y el caballo blanco de Santiago

La imagen que abre esta anotación corresponde a la tumba de Ludwig Boltzmann en Viena. Llama la atención, quizás, que aparte de los nombres del propio Ludwig y algunos miembros de su familia, aparezca una extraña expresión justo encima del busto: S = k lnW. Algún lector puede que ya haya dicho para sí “esa es la fórmula de la entropía de Boltzmann”...y se equivocaría completamente. Esa fórmula es de Max Planck.

Y es que Planck, en 1900, tras años de intentar encontrar una expresión matemática que ajustase los datos experimentales primero, y la justificación teórica de ésta después, de la radiación del cuerpo negro, se vio obligado en un acto de desesperación, no a especular con que la energía estaba cuantizada (esto es una consecuencia matemática a posteriori), sino a emplear la mecánica estadística de Boltzmann, hipótesis atómica de la que Planck era enemigo declarado. Planck era enemigo pero no era tonto: no encontraréis en la literatura pública de la época (otra cosa son las cartas privadas) más que referencias indirectas; para los ataques directos Planck usaba a su ayudante, Ernst Zermelo (sí, ese Zermelo), que para eso estaba.

La cuestión es que Planck en su estudio termodinámico de la radiación del cuerpo negro (sí, querido lector, la cuántica es hija de la termodinámica) decidió que todo era susceptible de revisión excepto las dos leyes de la termodinámica (primera y segunda; cero y tercera son formulaciones posteriores). Esta fe en las leyes fundamentales de la naturaleza ha brindado frutos excepcionales en la historia de la ciencia; y todavía hay quien se empeña en violarlas. Pues bien, Planck se encontró que en 1877 Boltzmann hablaba de proporcionalidad entre la entropía del sistema y el número de estados microscópicos en los que puede estar el sistema (cuando se relaciona con todos los posibles, esto es una probabilidad), pero no cómo era esa proporcionalidad. Por tanto, en el mismo artículo en el que explicaba la radiación del cuerpo negro y se introducía la constante de Planck, también introdujo la expresión S = k ln W, y con ella la segunda constante de Planck, k.

Que a la segunda constante de Planck se la conociese como constante de Boltzmann era algo que a Planck no le hacía ninguna gracia, como no pudo evitar expresar en la conferencia que pronunció veinte años después en Estocolmo con motivo de su premio Nobel(1918).

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Disfrutando a otro nivel

La foto que abre esta anotación corresponde a la iglesia de San Juan Apóstol y Evangelista de Santianes de Pravia (Asturias). Fue construida entre 774 y 783 por orden del rey Silo, con motivo del traslado de la capital asturiana a Pravia desde Cangas de Onís. Muy poco después, Abderramán I comenzaba la reforma de la basílica visigoda de San Vicente Mártir (siglo VI) para convertirla en lo que hoy conocemos como Mezquita de Córdoba. Y esto, ¿a qué viene?

En un episodio de los Simpsons, el profesor Frink se divierte con un juguete preescolar en el que unas bolas de colores dan vueltas en una semiesfera transparente montada sobre ruedas conforme él desplaza el conjunto con una barra. Cuando Maggie se lo reclama, Frink le espeta: “No. Tú no lo disfrutarías a tantos niveles como yo”. Si bien la posición de Frink es extrema, como corresponde a la caricatura que son los Simpsons, encierra posiblemente una gran verdad: la capacidad que la cultura científica nos da de disfrutar de las cosas a más niveles. Si el amable lector llega al final de este breve relato disfrutará, quizás, de San Juan de Santianes y de la Mezquita, a un nivel más.

En 2012 el equipo de investigadores encabezado por Fusa Miyake publicaba en Nature [1] la detección de altos niveles de los isótopos carbono-14 y berilio-10 en los anillos de los árboles formados en 775, lo que sugiere que un pico de radiación habría llegado a la Tierra el año 774 o el 775. Es decir, los árboles que se talaron para construir las vigas, artesonados y andamios de San Juan y la Mezquita podrían tener estos anillos enriquecidos.

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Antilentes gravitacionales: el lado brillante del vacío

Según la teoría de la relatividad general de Einstein la masa curva el espaciotiempo, creando campos gravitacionales. Por lo tanto, el espaciotiempo alrededor de objetos muy masivos (como cúmulos galácticos o agujeros negros) está curvado y, como resultado, la luz de una fuente (como una galaxia) que está detrás del objeto masivo desde el punto de vista de un observador, en la Tierra por ejemplo, se “curva” al propagarse por este espaciotiempo curvo. El objeto masivo se comporta como una lente que puede magnificar y distorsionar la imagen del objeto que está detrás. Esta teoría se confirmó en 1919 durante un eclipse solar cuando Arthur Eddington observó que la luz de las estrellas que pasaban cerca del Sol estaba ligeramente “desviada”, con lo que las estrellas aparecían algo fuera de su posición.

Einstein también se dio cuenta de que era posible además que, en las condiciones adecuadas, podrían observarse múltiples imágenes de una sola fuente, lo que hoy se llama lente gravitacional. Sin embargo, como sólo consideró lentes gravitacionales de estrellas individuales, llegó a la conclusión de que el fenómeno sería inobservable hasta donde podía prever. Fue Fritz Zwicky quien, en 1937, consideró por primera vez el caso en el que fuese una galaxia la que podría actuar como fuente, algo que de acuerdo con sus cálculos sí podría ser observable. En 1979 se descubría la primera lente gravitacional.

Tenemos pues que la masa concentrada en un cúmulo de galaxias curva el espacio tiempo haciendo que las galaxias que están detrás en la línea de observación aparezcan más brillantes o distorsionadas. Pero, ¿qué pasa si en vez de una gran masa tenemos un gran vacío?¿Y si en un volumen importante de espaciotiempo no hay casi nada de masa, es decir una zona con una densidad mucho más baja que el entorno? Tendríamos una curvatura del espaciotiempo, digamos, “negativa”, hacia el otro “lado”. ¿Qué pasaría entonces con la luz de una galaxia que esté detrás del vacío en la línea de observación?

Pues ocurre que existe un efecto lente gravitacional similar al que hemos visto. En el universo observable existen “vacíos” sin apenas galaxias, que miden entre decenas y centenares de millones de años luz de extremo a extremo. Párate un momento y piensa en los números que acabas de leer. ¿Impresionado? Deberías, todos esos vacíos juntos suman más de la mitad del volumen del universo observable. Gráficamente lo tienes en esta imagen de la estructura a gran escala del universo:

La intuición nos dice que si una curvatura positiva tiene un efecto, en este caso el que la galaxia que está detrás aparezca más brillante, una curvatura negativa debería tener el efecto contrario, esto es, la luz de la galaxia debería aparecer más débil. Pues es posible que no sea así. Nuevos cálculos de un grupo de investigadores encabezado por Krysztof Bolejko, de la Universidad de Sydney (Australia), y publicados en Physical Review Letters dicen que los vacíos podrían hacer que los objetos de fondo aparezcan mucho más brillantes de lo que realmente son.

Los investigadores han llegado a sus conclusiones teniendo en consideración un efecto que se solía despreciar en estos cálculos: el efecto Doppler relativista. Este efecto es importante porque los vacíos se expanden más rápido que el conjunto del universo. Este desplazamiento al rojo adicional lleva a sobrestimar la distancia a los objetos que están cerca del lado lejano del vacío, por lo que aparecen más brillantes (no confundamos brillo con luminosidad) de lo que realmente son.

Si esto fuese así, muchas anomalías estadísticas detectadas en la topografía de galaxias y supernovas en las proximidades de grandes vacíos podrían quedar explicadas.  

Referencia:

Bolejko, K., Clarkson, C., Maartens, R., Bacon, D., Meures, N., & Beynon, E. (2013). Antilensing: The Bright Side of Voids Physical Review Letters, 110 (2) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.021302


Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXXVIII Edición del Carnaval de la Física, que acoge Eureka.

Modelos en ciencia: la sinapsis tripartita no existe en adultos

En muchas ocasiones, en la elaboración de noticias se olvida mencionar, o si se hace no se da la relevancia necesaria, con qué y cómo se ha obtenido determinado resultado. Es habitual que en ciencia se trabaje con modelos, ya sean reproducciones físicas a escala, sistemas de ecuaciones matemáticas o, en el caso de la biomedicina, con modelos animales.

Al tener todos los seres vivos de la Tierra un ancestro común, los científicos pueden usar gusanos, moscas, ratones, ratas o monos para estudiar en ellos aspectos fisiológicos, terapéuticos o toxicológicos que no sería ético realizar con humanos. Pero ello conlleva sus riesgos desde el punto de vista del avance científico. Un magnífico ejemplo acaba de aparecer en Science.

Este trabajo, encabezado por Wei Sun, del equipo de Maiken Nedergaard en la Universidad de Rochester (EE.UU.), pone del revés lo que se suponía que se había aprendido en las últimas décadas acerca de la forma en el que las neuronas se comunican. De confirmarse, significaría que la sinapsis tripartita, un concepto según el cual múltiples células colaboran a nivel sináptico a la hora de transmitir la señal en el sistema nervioso central, no existiría en el encéfalo adulto, sino sólo en la fase de desarrollo. 

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Ciencia EDocet: el periódico gratuito

Cualquiera que sea usuario de Twitter sabe de la existencia de Paper.li, una forma sencilla de recoger en formato periódico los enlaces que usuarios preseleccionados han compartido en esa red social. Es gratuito y no requiere más esfuerzo que darse de alta y configurarlo inicialmente.

Llevaba tiempo considerando la posibilidad de hacer un periódico en el que se recogiesen en un sólo sitio las noticias y artículos interesantes sobre ciencia, tecnología y su mundo que se comparten diariamente en Twitter. Es una forma muy cómoda y rápida de tener acceso a una información que de otra forma estaría dispersa.

Ciencia EDocet nació anoche y ya tiene su primera edición accesible. Se publica diariamente sobre las 10 de la noche (hora peninsular española). Podéis echarle un vistazo y, si os interesa, suscribiros gratuitamente para recibirlo por correo. Si tiene éxito es posible que suscriba la cuenta pro de forma que los suscriptores no tengáis que ver anuncios, de los que, por cierto, yo no me llevo un céntimo.

Comentarios, sugerencias y fuentes de Twitter interesantes son muy bienvenidos.

¡Que disfrutéis Ciencia EDocet!

P.S.:

También existe una página de facebook, con contenidos específicos aparte de los del blog y Twitter.

La clave de la memoria que no lo era

La semana pasada describíamos 6 propuestas para mejorar la forma en que se haceciencia. Una de ellas era asumir que ningún estudio aislado prueba nada. Ni tampoco una serie de ellos. Ni siquiera si la publica Science.

Sendos estudios independientes realizados uno en la Universidad de California en San Francisco [1] y el otro en la Universidad Johns Hopkins en Baltimore [2], han demostrado que un modelo que estaba prácticamente aceptado para la formación de recuerdos a largo plazo no se sostiene. Ambos estudios, publicados en Nature, coinciden al encontrar que ratones carentes de una enzima, que se suponía que era la responsable de “fabricar” los recuerdos, eran tan capaces de formarlos como los ratones normales. Pongámoslo en contexto.

Se cree que cuando aprendemos algo lo que ocurre es que se forman nuevas conexiones entre neuronas, nuevas sinapsis, y que se refuerzan de tal forma que se recuerda en el futuro. La cuestión es, ¿cómo se refuerzan las conexiones para que se formen los recuerdos a largo plazo?

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Risas enlatadas y mesías

La risa enlatada, heredera de la claque teatral, no es un invento precisamente moderno. Nació en la radio estadounidense de los años cuarenta cuando el guionista Bill Morrow insistió en introducirla en un programa no demasiado gracioso. Sesenta años después sigue usándose, fundamentalmente en televisión, si bien en algunos casos se sustituye por una audiencia en directo, eso sí, convenientemente dirigida y animada. Y esto tiene que ver mucho con el éxito de los me gusta de Facebook, los retuits de Twitter, los espacios en las portadas de los medios digitales con los artículos más leídos, los más compartidos o los más comentados, con las listas de los libros más vendidos, con los bares con más gente, los restaurantes de carretera con más camiones y con los círculos sociales cerrados de las religiones.

Nosotros, que nos creemos tan racionales habitualmente, nos dejamos guiar a la hora de tomar decisiones en innumerable número de ocasiones por unas reglas generales que traemos de serie por el hecho de ser miembros de la especie llamadas prejuicios cognitivos para, una vez tomada la decisión, racionalizarla después. Uno de estos prejuicios cognitivos es la prueba social.

Correcto es lo que hace la mayoría

El principio de la prueba social (PPS) afirma que determinamos lo que es correcto averiguando lo que los demás piensan que es correcto. El PPS se aplica especialmente cuando decidimos qué constituye un comportamiento correcto en una situación dada. Y decidimos que un comportamiento es correcto en una determinada coyuntura cuando vemos a los demás realizarlo, ya sea qué hacer con un bote de refresco vacío a la salida del cine, a qué velocidad circular por un tramo de autopista o cómo comer el marisco en una boda de postín.

Como regla general el PPS tiene sentido y acierta en buen número de ocasiones. En principio cometeremos menos errores actuando conforme a lo que los congéneres consideran bueno que yendo en contra. Habitualmente, cuando mucha gente hace algo resulta ser la elección correcta. Esta característica del PPS es a la vez su mayor fortaleza y su mayor debilidad.

Si te fijas la próxima vez que veas un programa de televisión con risas incorporadas te darás cuenta de que la gente que te rodea sonríe casi sistemáticamente cuando se oyen las risas...aunque sean incapaces de explicar el chiste, suponiendo que éste exista y tenga gracia. Este es el peligro del PPS: responder a la prueba social de una forma tan automatizada e irreflexiva que seamos engañados por argumentos parciales o, directamente, falsos. Y aquí nace la posibilidad de manipulación y abuso.

Suelo repetir que la mejor ventana a la forma de funcionar de la mente humana es un libro de técnicas de venta. No suelen tener un contenido científico en el sentido habitual del término, pero sí suelen concentrar la sabiduría acumulada durante siglos sobre cómo usar los prejuicios cognitivos, aunque ni los llamen así o ni siquiera sepan lo que son, para convencer a una persona de que será más feliz separándose de su dinero. Una de las máximas que se suele encontrar basada en el PPS podría resumirse así: “Dado que el 95% de las personas son imitadoras y sólo el 5% iniciadoras, resulta que la inmensa mayoría de la gente se ve más persuadida por las acciones de los otros que por ninguna razón que puedas esgrimir. Por tanto convence a ese 5%, que los demás le seguirán.” Un buen ejercicio la próxima vez que veas la televisión es detectar cuántos anuncios se basan total o parcialmente en esta expresión del PPS.

El PPS tiene un poder enorme, mucho más del que estamos dispuestos a atribuirle, tanto que toda una vida puede cambiarse por lo que el PPS nos permite creer. Estudios realizados sobre el PPS indican que funciona mejor cuando la prueba social la da un grupo numeroso de personas. Pero, ¿qué ocurre si es todo nuestro entorno el que piensa que algo es lo correcto aunque objetivamente sea un sinsentido? Pues ocurre que entramos en el mundo de las sectas religiosas, y entren aquí todas las religiones organizadas que separen a sus miembros de la interacción libre con el conjunto de la sociedad. Y es que, tengámoslo claro, no es necesario que se ejerza una coerción sobre la persona, es la persona misma la que usa la prueba social para convencerse de que lo que prefiere que sea cierto parezca que es cierto.

El mesías anunciado por los profetas, el ungido del Señor, Sabbatai Zevi

Hay muchos ejemplos del poder maléfico del PPS a lo largo de los siglos. La Alemania nazi es un ejemplo evidente pero, para mi, ninguno supera la historia de los sabateos, los seguidores de Zevi, el llamado mesías.

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La extraordinaria fotoluminiscencia de los triángulos monocapa de tungstenita

La estructura de la molibdenita es similar a la de la tungstenita

Cuando pensamos en nanotubos, automáticamente asumimos que estamos hablando de una estructura de átomos de carbono. Y, si bien esto es cierto en un buen número de ocasiones, no siempre es así.

El sulfuro de tungsteno* (IV) es un compuesto de fórmula WS₂ que se encuentra en la naturaleza en la tungstenita (que es algo distinto a la wolframita), material conocido por su uso en la industria petrolera como catalizador, entre otras cosas. El WS₂ adopta una estructura en capas con los átomos de W en una esfera de coordinación trigonal prismática. Debido a esta estructura en capas, característica que comparte con el grafito, forma nanotubos inorgánicos, descubiertos en 1992.

Al igual que el grafito, el WS₂ puede separarse capa a capa. Cuando tenemos una sola capa de grafito obtenemos grafeno. Un equipo de la Universidad Estatal de Pennsylvania (EE.UU.), encabezado por Humberto Gutiérrez, acaba de publicar en NANOletters la obtención de una monocapa de WS2, con unas propiedades sorprendentes... e inexplicadas.

A la hora de obtener las monocapas la forma de éstas era triangular. Y, a temperatura ambiente, la fotoluminiscencia de los bordes era 25 veces mayor que la del interior del triángulo. Se llama fotoluminiscencia a cualquier proceso por el cual un material absorbe radiación electromagnética (fotones) y re-emite radiación electromagnética; ejemplos son la fosforescencia y la fluorescencia. Los cambios en la estructura electrónica por sí mismos no explican el fenómeno en este caso. ¿Alguien buscaba un reto teórico?

* Que no wolframio

Referencia:

Gutiérrez, H., Perea-López, N., Elías, A., Berkdemir, A., Wang, B., Lv, R., López-Urías, F., Crespi, V., Terrones, H., & Terrones, M. (2012). Extraordinary Room-Temperature Photoluminescence in Triangular WS Monolayers Nano Letters DOI: 10.1021/nl3026357

6 propuestas para mejorar la forma en que se hace ciencia

Cuando pensamos en el método científico solemos tener en mente algo parecido al esquema que abre esta anotación. Sin embargo, a la hora de la verdad, con tantos científicos trabajando en el mundo, con, literalmente, miles de journals en circulación, es relativamente frecuente encontrarse con que hay gente sin escrúpulos capaz de saltarse uno (e incluso varios) de los pasos descritos arriba. Hay hasta blogs dedicados a recoger las cada vez más frecuentes retracciones (retirada de artículos publicados por problemas éticos o metodológicos) que ocurren en todo tipo de journals, incluidos los más prestigiosos. Podría argumentarse que la ciencia se termina autocorrigiendo pero, en un mundo ultraespecializado y de recursos limitados, el tiempo necesario para que ello ocurra implica unos costes cada vez más inasumibles.

En artículo reciente en The New Yorker, Gary Marcus, profesor de psicología en la Universidad de Nueva York (EE.UU.), se hace eco de las propuestas que se publican en el último número de Perspectives on Psychological Science para reformar aquellos elementos que están favoreciendo que, primero, se desvirtúe el método científico y, segundo, se malgasten los escasos recursos en investigaciones no válidas. Las medidas que se plantean son las siguientes.

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