Partículas elementales, masa y bosón de Higgs

Visita del profesor McManus al túnel del gran colisionador de hadrones (LHC) donde se han realizado los experimentos que han permitido demostrar la existencia del bosón de Higgs.

Visita del profesor McManus al túnel del gran colisionador de hadrones (LHC) donde se han realizado los experimentos que han permitido demostrar la existencia del bosón de Higgs.

Seguro que en el Instituto te han repetido una y mil veces que el Universo está formado por materia y energía, que la materia es aquello que “se puede tocar”, que tiene masa y que la energía es una propiedad asociada a los cambios que puede sufrir la materia. Y de esta forma, asumimos esta sencilla estructura dual del Universo en la que todo cabe en uno de esos dos compartimentos bien diferenciados. Nuestros sentidos nos sugieren que el modelo se ajusta bien a lo que percibimos: Por una parte está los que vemos y podemos tocar y, por otra, un algo escurridizo, que puede transmitirse y que hace que eso que vemos y podemos tocar no sea siempre igual y modifique sus características.

También aprendemos que la masa (que definimos como cantidad de materia), a diferencia del peso, es una propiedad invariable de los objetos materiales, y nos sentimos satisfechos cuando comprendemos que, mientras que nuestro peso varía porque depende de la interacción con el campo gravitarorio de cada planeta (que es diferente  en cada caso), nuestra masa siempre es la misma porque no depende de ninguna interacción.

La verdad es que el modelo es útil y funciona muy bien a nuestra escala para comprender nuestro mundo cotidiano. Pero si nos seguimos haciendo preguntas y queremos comprender el Universo más allá de nuestra experiencia directa, a la escala más pequeña y elemental posible, entonces surgen las sorpresas…

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Gravedad cero, ingravidez y microgravedad

La fuerza de la gravedad es el resultado de la propia naturaleza de la materia. Cualquier objeto con masa genera un campo gravitatorio que se manifiesta como una fuerza de atracción  sobre otros objetos. Como sabes, la intensidad de este campo es mayor cuanto más grande sea la masa del objeto, pero menor cuánto más lejos nos situemos de dicho objeto.

Comparación de las 4 fuerzas fundamentales del Universo. La gravedad es, con diferencia, la más débil de las cuatro, aunque se debilita muy lentamente con la distancia

La gravedad es en realidad una fuerza muy débil en comparación con las otras fuerzas fundamentales del Universo, tanto, que hace muy difícil su estudio a nivel subatómico; pero la cantidad de masa que se acumula en los cuerpos celestes es tan grande, que su intensidad alcanza valores considerables, hasta el punto de condicionar totalmente el comportamiento de procesos geológicos y biológicos.

Por eso, siempre ha atraído la idea de suprimir la fuerza de la gravedad de nuestro planeta y estudiar cómo se comportan los fenómenos físicos y procesos biológicos  en dichas condiciones. El empeño es, sin embargo, inútil. La gravedad no puede anularse porque es consecuencia de la propia naturaleza de la materia (y del espacio), así que si definimos la ingravidez o gravedad cero como la ausencia de fuerza gravitatoria, la única forma de lograrla sería alcanzar un punto del universo infinitamente alejado de cualquier objeto material.

Ahora bien, una cosa es suprimir la gravedad (misión imposible, en sentido literal) y otra suprimir sus efectos, es decir, lograr condiciones o sistemas de referencia que se comporten sin los efectos gravitatorios, es decir, como si la fuerza de gravedad no existiese.

Afortunadamente, este segundo objetivo sí es posible, de forma que cuando hablamos de ingravidez  o gravedad cero debemos entenderlo, en todo caso,  en este sentido.

Concepto de microgravedad

En la práctica, sin embargo, la ingravidez (en el sentido limitado de “supresión de los efectos físicos de los campos gravitatorios”) no es posible en sentido estricto para un objeto material y los científicos han decidido precisar los términos. Cualquier objeto que posea masa genera un campo gravitatorio así que un objeto o ser vivo estudiado dentro de una cápsula en mitad del espacio estaría afectado por la pequeña fuerza gravitatoria provocada por la masa de la cápsula y los objetos que contenga.

Por otra parte, en las situaciones en las que se pueden lograr condiciones que simulen falta de gravedad de forma prolongada, como son las naves orbitales, se suelen producir vibraciones que añadan pequeñas aceleraciones que perturban la supuesta gravedad cero.
Por tanto, y para hablar con propiedad, la gravedad cero, aunque es válida como concepto, no puede tener lugar durante el estudio de un objeto material más que durante breves instantes. Por ello, los científicos, han preferido el término de microgravedad para referirse a aquellas condiciones en las que un objeto sólo está sometido a los efectos de las débiles fuerzas gravitatorias de su propia materia o la de su contenedor.

En términos cuantitativos se considera microgravedad cuando las aceleraciones que actúan son inferiores a una diezmilésima del valor de la gravedad terrestre.

En general se acepta que la intensidad d ela microgravedad es tan insignificante que sus efectos pueden ser despreciados en la mayor parte de estudios. Es decir, que los resultados de los experimentos no serían distintos si se consiguieran condiciones de gravedad matemáticamente cero.
No obstante, para ser rigurosos y reconocer este hecho, es preferible hablar de condiciones de microgravedad en lugar de condiciones de ingravidez o gravedad cero.

Cómo conseguir condiciones de microgravedad

Existen varias estrategias para conseguir condiciones de microgravedad:
Movimientos de caída libre
Cuando una fuerza actúa sobre una masa ya sabes que provoca sobre esta un cambio progresivo de su velocidad o dirección al que llamamos aceleración. La fuerza de la gravedad provoca en los objetos sobre los que actúa una aceleración de aproximadamente 9,8 m/s2. Esto que quiere decir que por cada segundo que un objeto está desplazándose bajo los fectos exclusivos de la fuerza gravitatoria terrestre (por ejemplo, cayendo en el vacío atraído por la gravedad terrestre), su velocidad aumenta 9,8 m/s cada segundo.
Los efectos habituales de la gravedad se notan debido a la resistencia que ofrecen los objetos o los seres vivos a cambiar de posición como consecuencia de la gravedad. Notamos el peso de nuestro cuerpo sobre nuestros pies debido a la resistencia que el suelo ofrece a la fuerza de gravedad que “tira” de nuestro cuerpo hacia el centro del planeta. Es la resistencia a este movimiento lo que percibimos como gravedad.
Pero si un objeto se desplaza libremente gobernado sólo por la aceleración que produce la gravedad, entonces los efectos gravitatorios dejan de notarse. Así pues, la forma más sencilla de neutralizar los efectos de la gravedad es “dejarse llevar por ella” en un movimiento de caída libre. Esto no hace que desaparezca la fuerza gravitatoria como tal, pero sí anula sus efectos.

Existen varios modos de lograr trayectorias de caída libre controlada.

Torre de caída libre de Isla Mágica (Sevilla).

El ejemplo más simple es el de las torres de caída libre, como las que hay en algunos parques de atracciones. De hecho, a veces se han realizado experiencias científicas de este tipo en ellas. El problema es que la duración de la caída es muy breve, insuficiente para estudiar la mayor parte de procesos biológicos y bastentes procesos químicos.
La segunda opción es utilizar vuelos de caída libre realizados por aviones especiales. Determinadas versiones  de aviones comerciales con cabinas modificadas pueden realizar trayectorias de vuelo parabólico en cuya parte superior se pueden generar condiciones de microgravedad.

Condiciones de gravedad durante un vuelo parabólico. Zonas de gravedad normal, hipergravedad y microgravedad

Generalmente, en el mismo vuelo se realizan varios ciclos de subida y bajada, en cada uno de los cuales se logran breves periodos de alrededor de medio minuto en los que se cuenta con condiciones de microgravedad.

Este tipo de vuelos son habituales en el entrenamiento de astronautas y para realizar algunos experimentos científicos en el  interior de estos aviones.  Últimamente también se han puesto de moda vuelos de “gravedad cero” con fines turísticos. Pero los tiempos siguen siendo cortos para muchos tipos de experimentos y el gasto, como es lógico,  mucho mayor. Si quieres saber más sobre vuelos de gravedad cero te recomiendo este interesante artículo.
Si queremos un movimiento de caída libre prolongado, tendremos que recurrir a cápsulas o estaciones  orbitales que giran alrededor del planeta de forma estable. Probablemente estés pensando que se trata de que la estación espacial gire y no de que caiga hacia el suelo, pero observa que, en realidad, no es necesario que un objeto se mueva perpendicularmente hacia la superficie del planeta para que se produzcan condiciones de microgravedad. Todo dependerá del movimiento inicial del objeto en el  momento en el que sólo actúe la gravedad.

Estación Espacial Internacional. A bordo de la mayor estación espacial, se realizan diversos experimentos para estudiar como las condiciones de microgravedad afectan a diversos tipos de procesos físicos, químicos y biológicos.

Fíjate en que la trayectoria que sigue un satélite alrededor del planeta es curva, manteniéndose siempre a la misma distancia de la superficie de la Tierra. Podríamos decir que la estación orbital está “cayendo” permanentemente, pero su velocidad precisa y la curvatura de la Tierra le impiden estrellarse contra el suelo.

Hay quienes creen que en la estación espacial hay condiciones de ingravidez  debido a la distancia a la que está del planeta. En realidad a 400 kilómetros de altura, que es la altura media de la estación espacial, la gravedad sigue siendo muy intensa, aproximadamente un 90% de la que hay en la superficie del planeta. En realidad, las condiciones de microgravedad que tienen lugar dentro de las ISS no se deben a su distancia a la Tierra sino a su movimiento orbital alrededor de la misma.
En la ISS pueden realizarse experimentos de microgravedad prolongados, aunque eso sí, con un coste elevadísmo. No en vano, la estación espacial internacional es el proyecto tecnológico internacional más caro de la Historia.
Magnetismo y gravedad
Todos tenemos experiencia de cómo la fuerza de un imán actúa sobre determinados materiales, pero no sobre otros. Sin embargo, si un campo magnético es suficientemente intenso puede ejercer fuerzas  sobre materiales o sustancias que habitualmente no muestran propiedades magnéticas. A estos fenómenos se les llama paramagnéticos.
El agua, debido a la débil polarización de sus moléculas, tiene propiedades paramagnéticas, es decir, bajo la acción de campos magnéticos muy intensos adquiere propiedades magnéticas y es influida por campos de este tipo.
Por tanto, es posible ejercer una fuerza magnética sobre una pequeña masa de agua que se contraponga a la fuerza gravitatoria (de igual intensidad y dirección, pero sentido contrario). Puesto que los seres vivos estamos constituidos en un 70% por agua, esta técnica también abre la posibilidad de obtener condiciones de microgravedad estables para organismos vivos. La dificultad estriba en que las distancias en las que es posible mantener un campo magnético tan intenso son muy pequeñas, por lo que estos dispositivo sólo son útiles en volúmenes muy pequeños de apenas unos centímetros cúbicos, válidos sólo para organismos muy pequeños y en condiciones muy especiales.

Observa que en este caso  tampoco se elimina la fuerza de gravedad, sólo se añade otra (la magnética) que se contrapone, de forma que la fuerza total resultante sea cero.
Clinostatos
Existe una alternativa a todas estas técnicas que permiten simular las condiciones de microgravedad de una forma más simple y barata, (especialmente en sus versiones más sencillas). Se trata de unos disposititivos electromecánicos llamados clinostatos que proporcionan un movimiento continuo que hace variar la orientación de un objeto con respecto al vector gravitatorio.

OLYMPUS DIGITAL CAMERAExisten varios tipos de clinostatos que responden a diferentes finalidades y que se diferencian fundamentalmente en el número de ejes de rotación que emplean. El clinostato clásico (1D o 2D) se corresponde con un motor que proporciona una rotación continua y lenta (1-10 rpm) a una muestra o conjunto de muestras. El eje de rotación es perpendicular al vector gravitatorio, de manera que, tomando como sistema de referencia la propia muestra, se va producir una variación continua de la dirección de la fuerza gravitatoria en todas las direcciones dentro de un determinado plano.

Una variante del diseño clásico es el clinostato de rotación rápida. El nombre sugiere su particularidad: sus velocidades de rotación están entre 50 y 120 rpm. En los clinostatos “lentos” se ha observado que se producen algunas diferencias a nivel celular con respecto a los experimentos que se hacen en el espacio. Parece que las ce´lulas se ven sometidas a la fuerza mecánica de la gravedad en todas direcciones y esto produce algunos cambios. Por su parte, en los clinostatos de rotación rápida, a las partículas no les da tiepo a sedimentar por efecto de la gravedad y esto contribuye a simular mejor los efectos de la microgravedad.

La desventaja de los clinostatos de rotación rápida es que el volumen en el que se pueden conseguir estas condiciones de microgravedad simulada es muy pequeño (en torno a 1-2 mm). En cuanto nos alejamos del eje de rotación la fuerza centrífuga se hace mucho más intensa debido a la rápida rotación, afectando de esta forma a todos los resultados.

También es posible construir clinostatos  3D que incorporan 2 o 3 ejes de rotación perpendiculares entre sí. Programando mediante algoritmos la variación de las velocidades de rotación de cada eje, se puede conseguir que la muestra colocada en este tipo de dispositivo varíe de forma aleatoria su posición con respecto a la gravedad. Por ello, estos dispositivos suelen recibir el nombre abreviado de RPM (random position machine).

En este todos estos aparatos, la gravedad sigue actúando normalmente en cada instante, pero debido a la rotación, la resultante promediada para cierto intervalo de tiempo (dependiendo de la velocidad de rotación) es cero.

Esta diferencia es muy importante y debe ser tenida en cuenta como limitación del método en función de los tiempos de respuesta del sistema que se esté estudiando. Sin embargo, esta debilidad puede ser una ventaja a la hora de estudiar los mecanismos mediante los que determinados sistemas responden a los estímulos gravitatorios, jugando simplemente con la velocida de giro.
Nuevamente, esta sencilla estrategia no suprime la fuerza gravitatoria, pero sí neutraliza su direccionalidad, que es la característica principal útil como estímulo para las plantas.
La simulación de microgravedad mediante clinostatos presenta algunas objeciones metodológicas importantes, pero, a cambio, ofrece posibilidades de experimentación muy variadas y accesibles. Si quieres saber más sobre los clinostatos y sus tipos puedes visitar el siguiente enlace.

Radiación electromagnética, atmósfera y vida

En otra entrada anterior os hablaba sobre qué es la radiación electromagnética y cuál es su naturaleza. Ya en aquella ocasión mencionaba la amplia variedad de orígenes, usos y efectos que pueden tener las radiaciones electromagnéticas debido a la amplitud de escala de la energía asociada a estas ondas. Especialmente interesante es la relación entre el fenómeno de la vida y este tipo de energía.

Radiación electromagnética y vida son fenómenos íntimamente ligados de formas muy diversas y, en algunos casos, de manera poco conocida. Por una parte, no se puede comprender el origen y mantenimiento de la vida en la Tierra sin tener en cuenta determinados tipos de radiación electromagnética. Por otra parte, algunos tipos de radiación electromagnética pueden ser letales para la vida y la protección que la Tierra ofrece frente a ellas, en gran medida gracias a la atmósfera, es esencial para que la vida prosiga. La relación estrecha entre radiación electromagnética y vida aporta, además una “conexión cósmica” más de esta última, ya que la mayor parte de la radiación electromagnética que llega hasta el planeta proviene directa o indirectamente del espacio.

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Moléculas ancestrales: Reloj molecular usado como “máquina del tiempo”

Este pasado mes de agosto alcanzó bastante notoriedad en las páginas de divulgación científica un estudio liderado por científicos de la Universidad de Granada sobre la estructura comparada de un tipo de proteína denominada tiorredoxina, que se halla presente en casi todas las formas de vida, desde las bacterias más simples, hasta el ser humano. Tanto en inglés como en castellano, muchos de los artículos incluían en su título la expresión “proteína resucitada“.

No voy a negar que lo imposible del título estimuló mi interés por la noticia. ¿Cómo resucitar aquello que no tiene vida? Porque ya sabes, estoy seguro, que aunque los seres vivos estén formados por determinadas moléculas, entre ellas, proteínas, éstas como tal,  no están vivas.

Naturalmente aquella expresión era un juego de palabras con un fin publicitario.

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La central nuclear de Fukushima seguirá dando problemas

Explosión en la central nuclear de Fukushima poco después del tsunami que asoló la región.

Cuando el 11 de marzo de 2011 se produjo el tsunami que arrasó una parte de la costa este japonesa, el temor inmediato fue el efecto directo de la subida repentina del nivel del mar sobre los habitantes de la zona costera y sus casas. En efecto, la destrucción y las muertes provocadas por la ola gigante fueron terribles. Sin embargo, hoy, más de dos años después, la mayor preocupación de aquel desastre natural tiene mucho que ver con la mano del hombre, y no sólo con los caprichos de la Naturaleza. Los sistemas de refrigeración de un complejo nuclear situado en Fukushima, una de las zonas costeras afectadas por el tsunami, fueron inutilizados por la inundación masiva que sufrió la zona, dando lugar a la peor crisis nuclear después de la de Chernobil.

Sin la fuente de refrigeración adecuada, varios reactores de la planta comenzaron a sobrecalentarse peligrosamente iniciándose un peligroso proceso de fusión de sus núcleos de combustible nuclear. Algunas medidas desesperadas consiguieron evitar el desastre que hubiera supuesto una destrucción de los edificios contenedores de los reactores, pero a costa de liberar cierta cantidad de gases radiactivos de los reactores más dañados (para evitar una explosión) y de enfriar a marchas forzadas el reactor  con grandes cantidades de agua que quedaron contaminadas y que inicialmente debieron ser devueltas al mar.

Se diseñó entonces un plan de contención, cuyo elemento clave era la refrigeración permanente de los núcleos dañados. Dos años después, el problema no ha terminado ni mucho menos y durante el mes de agosto de 2013, han ocurrido nuevos hechos muy preocupantes.

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Radiación electromagnética: energía con doble personalidad

profesor McManus y radiación electromagnéticaLa radiación electromagnética inunda el Universo desde sus comienzos y nos llega constantemente desde el espacio ofreciéndonos información valiosísima sobre los cuerpos celestes que lo componen y también sobre las primeras etapas de su formación. De entre todas las formas de energía, ninguna puede ser  tan esencial ni tan mortífera al mismo tiempo para la vida, como la radiación electromagnética.  Pero además, en el último siglo, el ser humano ha aprendido a producirla y/o utilizarla  en aplicaciones tan diversas como las radiografías, las comunicaciones de radio y televisión, la telefonía móvil, las redes Wi-Fi, los hornos microondas y un sinfín más.

En realidad, y a pesar de la amplia utilización que hacemos de ella, esta forma de energía no ha empezado a conocerse con precisión hasta hace poco más de un siglo y aún quedan muchos detalles que no son comprendidos plenamente. (continuar leyendo)…

Dietas para adelgazar (II). Cómo perdemos peso

Hola amigos/as. En un post anterior sobre los mecanismos  del metabolismo para almacenar energía os contaba los motivos y procesos que nos hacen engordar. En él os explicaba que la fabricación de triglicéridos por su interés como reserva energética y su acumulación en el tejido adiposo bajo la piel son los causantes de que engordemos cuando ingerimos más energía de la que necesitamos. Es, curiosamente, el espíritu previsor y ahorrativo de los seres vivos quien contribuye  a provocar este proceso que tanto nos puede molestar o perjudicar. (continuar leyendo)…