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Jueves, 13 Junio 2013 06:18

Logran teletransporte estable a larga distancia

Logran teletransporte estable a larga distancia

Un grupo internacional de científicos ha encontrado un método estable de teletransporte cuántico entre dos nubes de átomos, un paso importante hacia una red de comunicación cuántica del futuro.

 

Científicos del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague junto con colegas españoles y británicos afirman haber transportado información entre dos nubes de átomos a través de un haz de luz láser a 50 centímetros de distancia.En ese experimento las nubes de miles de millones de átomos de gas cesio estaban contenidas en dos recipientes de vidrio dentro de una cámara en campo magnético.En cuanto la luz láser, con una longitud de onda específica, incide en los átomos de gas, los electrones más externos de los átomos reaccionan como agujas magnéticas apuntando en la misma dirección, arriba o abajo. Es esta dirección la que compone la información cuántica, igual que la información de un ordenador se compone de los números 0 y 1.


 
El gas después emite fotones, unidades de luz indivisibles, que contienen la información cuántica. La información sobre el posicionamiento de los electrones de los átomos en un recipiente es grabado en el fotón. Enviado al otro recipiente y descifrado a través de un detector, el fotón sincroniza los átomos del segundo recipiente con los del primero.


 
Una de las dificultades encontradas en tales experimentos era que los átomos perdían el posicionamiento de electrones grabado cada vez que colisionaban contra la pared de vidrio.


 
Para resolver el problema, los investigadores recubrieron el interior de cada contenedor con una capa de tipo parafina, evitando así que los átomos de gas perdieran su codificación.


 
Eugene Polzik, profesor y director del centro de investigación en el Instituto Niels Bohr, dijo: “Podríamos aumentar el alcance [del teletransporte] si tuviéramos más espacio y, en principio, se podría teletransportar información, por ejemplo a un satélite”.


 
Los resultados se publicaron en la revista científica ‘Nature Physics’.
 

12 junio 2013


(Con información de RT)

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Viernes, 03 Mayo 2013 06:34

Hallan evidencia de interacción entre antimateria y gravedad

Hallan evidencia de interacción entre antimateria y gravedad

La antimateria, lo opuesto a la materia que conocemos, ¿está sometida a la gravedad clásica o a una forma desconocida de antigravedad? Científicos aseguran, en un estudio publicado el miércoles por la revista británica Nature, que pronto podrán responder a esa interrogante, que los intriga desde hace mucho tiempo.

 

En la investigación efectuada por un equipo de físicos del Laboratorio de Berkeley y sus colegas del equipo Alpha del CERN (centro europeo de investigación nuclear), los científicos advierten que aún no es posible responder a esa pregunta sobre el movimiento de la antimateria.

 

Pero la importancia del estudio publicado por Nature es que presenta la primera evidencia directa de cómo los átomos de la antimateria interaccionan con la gravedad.

 

“En el caso improbable de que la antimateria cayera hacia arriba, debemos revisar nuestra concepción de la física y repensar la manera cómo funciona el universo”, subrayó Joel Fajans, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California.

 

La antimateria está constituida de antipartículas, conformadas por una carga eléctrica opuesta a la de la materia clásica.

 

Materia y antimateria habrían sido creadas en cantidades iguales instantes después del Big Bang, pero por una razón desconocida el universo privilegió la materia, y sólo quedan ínfimas cantidades de antimateria, principalmente cerca de los hoyos negros o los rayos cósmicos.

 

Medir la acción de la gravedad en la antimateria es un sueño de los científicos desde hace más de 50 años, al punto que ese tema centra innumerables coloquios internacionales.

 

Según las observaciones indirectas, se supone que la gravedad se aplica de la misma manera a la materia y a la antimateria en “caída libre”.

 

Pero para estar seguros, es necesario medir directamente los átomos de la antimateria.

 

Pero la antimateria se destruye al menor contacto con la materia, por lo que es particularmente difícil de estudiar.
En 1995, el CERN, cuya sede está en Ginebra, logró producir sus primeros átomos de antihidrógeno, que se destruyeron casi instantáneamente.

 

Grandes avances

 

Desde entonces, el equipo Alpha del CERN logró inmensos avances: en 2011, átomos de antihidrógeno pudieron ser aislados durante más de 16 minutos en una “trampa magnética”, abriendo la vía a la observación de sus propiedades.

 

Luego, el equipo Alpha decidió utilizar los datos recogidos en 434 átomos de antihidrógeno que habían atrapado para intentar medir la influencia de la gravedad sobre ellos.

 

Para hacerlo, compararon la relación entre la “masa de inercia” (la resistencia a la aceleración) del átomo de antihidrógeno, equivalente a la de un átomo de hidrógeno ordinario, y su “masa gravitacional” (que se aplica a la fuerza de gravedad registrada por un cuerpo) desconocida.

 

Pero los primeros resultados no han permitido dar una respuesta a la interrogante sobre el movimiento de la antimateria, ni comprobar si ésta se mueve en sentido inverso a la materia común.

 

Para su último experimento, Alpha empezó creando átomos de antihidrógeno uniendo un antiprotón (un protón con carga negativa) a un antielectrón (un electrón con carga positiva), y procedió a diferentes experimentos, que arrojaron resultados que provocaron optimismo en los científicos.

 

“¿Existe la antigravedad? Basados en experimentos realizados hasta el momento, no podemos decir sí o no”, señaló Fajans. “Sin embargo, no está dicha la última palabra”, subrayó el investigador, sugiriendo que la luz está al final del túnel, en relación a esta cuestión que los intriga.

 

El experimento de Alpha va a prolongarse en el proyecto Alpha-2, y será posible proceder a pruebas de precisión en un lapso de uno a cinco años, anticipó el estudio publicado por Nature.

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Sábado, 20 Abril 2013 17:37

Significado e impacto social de las ciencias de la complejidad

Significado e impacto social de las ciencias de la complejidad

 

1era reimpresión, 2015
Edición 2013. Formato: 11,5 x 17,5 cm, 76 páginas
P.V.P: $15.000 ISBN: 978-958-8554-66-5

 

Reseña:

La ciencia, no cabe duda, tiene implicaciones de orden social y político. En la amplia y creciente bibliografía sobre complejidad no existe ningún trabajo acerca del significado y el impacto social de los estudios sobre la misma. Este libro quiere llenar ese vacío y sirve, a la vez, de introducción básica a los más importantes conceptos y ejes de las ciencias de la complejidad.

 

Carlos Eduardo Maldonado. Ph.D. en filosofía por la KU Leuven ( Bélgica); postdoctorados como Visiting Scholar, University of Pittsburgh, como Visiting Research Professor, The Catholic University of America, Washington, D.C, como Visiting Scholar, University of Cambridge ( Inglaterra). Doctor Honoris Causa, por la Universidad de Timisoara, Rumania. Profesor Titular, Universidad del Rosario ( Bogotá, Colombia), Facultad de Ciencia Política y Gobierno.

 

 

Índice.

 

Prefacio de la segunda edición.

Introducción.

El carácter de la ciencia hoy.

La comunidad académica y la comunidad científica.

Las ciencias de la complejidad.

¿Qué significa pensar en el sentido de las ciencias de la complejidad? 

La complejidad tiene implicaciones sociales y políticas.

Tres tipos de sistemas sociales.

Un aspecto de la ciencia de punta actual: la compútación.

Addenda: I.

Addenda: II.

Referencias bibliográficas.

 

 

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Miércoles, 07 Noviembre 2012 06:07

"El bosón no lo explica todo, pero me ha cambiado la vida"

"El bosón no lo explica todo, pero me ha cambiado la vida"

El físico británico Peter Higgs ha afirmado hoy que el bosón que lleva su nombre, que formuló en 1964 y fue hallado el pasado 4 de julio, "no lo explica todo", aunque abre camino a nuevas investigaciones sobre el cosmos, pero ha reconocido que le ha cambiado la vida y ha desatado una higgsteria. Higgs (Newcastle, 1929) ha viajado por primera vez a Barcelona para explicar la denominada "partícula de Dios" en una conferencia organizada por la Obra Social de La Caixa y el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), en la que es su segunda estancia en España tras un viaje que realizó en 1989 a Madrid.

 

En rueda de prensa, Higgs ha confesado que es imposible explicar qué es el bosón de Higgs -una partícula subatómica que da masa a otras partículas- a una niña de 6 años y ha propuesto como analogía "una refracción de la luz en un medio transparente".

 

Higgs, que nunca ha usado el correo electrónico, ha vuelto a rechazar la denominación de "partícula de Dios" a su formulación y ha confesado que recibir el Premio Nobel era "una posibilidad que podría ocurrir", aunque también ha dicho que posiblemente el comité del Premio Nobel tiene algunos "físicos conservadores" que no son partidarios de concedérselo aún. Con una enorme humildad, el físico ha recordado que cuando en 1964 formuló su teoría de la existencia de esta partícula lo hizo en un escueto escrito que apenas ocupaba un folio que le fue rechazado por su editor científico, aunque su segunda versión más ampliada sí fue recogida, aceptada y publicada.

 

Higgs, que se ha fotografiado en el Museo de la Ciencia-CosmoCaixa junto a la figura de Albert Einstein, ha negado que el hallazgo del bosón sea comparable a lo que supuso el descubrimiento del ADN para la biología. "El bosón es ciertamente importante para la comprensión de la estructura de la materia, pero existe mucha física que no depende de esto", ha explicado el científico.

 

Aunque ha dicho que no puede predecir una aplicación práctica del descubrimiento, tanto él como su colega de la Universidad de Edimburgo, Alan Walker, y el director del IFAE (Instituto Físico de Altas Energías), Matteo Cavalli, han señalado que muchos descubrimientos, como la electricidad, el electromagnetismo o las ondas radiales no tuvieron aplicaciones sociales prácticas hasta muchos años después. Según Higgs, el hallazgo del bosón es "el final de un camino en la verificación del modelo estándar, pero es el comienzo de un nuevo camino que va más allá de este modelo físico, que no lo explica todo, y se tendrá que hacer un análisis más profundo del bosón de Higgs y probablemente se revelarán estructuras más amplias que se conectan con la cosmología y la energía oscura del universo, que son fundamentales para la astrofísica y la cosmología".

 

"Ese es el siguiente paso", ha dicho Higgs, que ha sido puntualizado por Matteo Cavalli: "Las consecuencias filosóficas del hallazgo son impredecibles". "El hallazgo -ha confesado- ha cambiado mi vida porque hace un año no era reclamado para dar ninguna rueda de prensa". "La publicidad de este hecho ha sido increíble por lo que me veo incapaz de satisfacer todas las peticiones que me hacen", ha explicado. Su colega y miembro de su equipo Alan Walker ha confesado que a Higgs le han propuesto de todo "excepto inaugurar un supermercado" y ha confesado que Higgs "nunca ha utilizado un correo electrónico", pese a que la comunidad científica ya habla de "higgsteria, por la locura que ha generado en el mundo de la física".

 

Higgs ha recordado que formuló su teoría en 1964 porque hasta entonces la teoría era "incoherente" y no ha descartado que pueda haber más partículas con masa y que éstas sean descubiertas en nuevas investigaciones en el LHC (Gran Acelerador de Hadrones, en sus siglas en inglés) del CERN (Centro Europeo de Física de Partículas).

 

Por Paco Niebla / EFEBarcelona06/11/2012 14:24 Actualizado: 07/11/2012 00:06

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Miércoles, 10 Octubre 2012 07:25

Un premio por mirar donde no se debe

Un premio por mirar donde no se debe
Una cualidad asombrosa de las partículas cuánticas es su especial reacción cuando se las intenta medir. Digamos que las partículas, como por ejemplo los fotones, son un poco vergonzosas frente al ojo medidor. Una partícula cuántica es una “mezcla de estados”... mientras no se la observa, pero apenas uno mira, chau, colapsa a un estado determinado. Lo que hicieron los físicos que recibieron esta vez el Premio Nobel –el francés Serge Haroche y el estadounidense David Jeffrey Wineland– es abrir una puerta hacia la observación de dos estados simultáneos. El solo hecho de medir implica, en la física cuántica, un cambio en lo que sucede en ese mundo de lo terriblemente diminuto. Ese cambio abre la perspectiva futura de la supercomputadora, una computadora cuántica, mucho más veloz que las actuales.


Una manera de entender esto (llevándolo al mundo macroscópico), de cajas y gatos, que, para el avisado lector serán más familiares que los fotones y los átomos, es recurriendo a la famosa paradoja del gato de Schroedinger.


La mecánica cuántica (MC), iniciada por Planck, Einstein y completada hacia el final de los años ’20 por obra y gracia de Heisenberg, Schroedinger, Bohr y Born, entre otros, se convirtió en una formidable herramienta para el estudio del universo atómico y nuclear, y desde entonces funcionó a la perfección. Desde entonces, también, tuvo sus costados inquietantes, por lo menos filosóficamente, tanto o más que la teoría de la relatividad.


El principio de incertidumbre, por ejemplo, afirma que es imposible conocer determinadas magnitudes con precisión en forma simultánea (por ejemplo, la posición y velocidad de un partícula). Un electrón está representado por una onda que indica la probabilidad de que el electrón esté en tal o cual lugar. Al principio, por lo menos, muchos físicos tomaron estas descripciones como tales, es decir, como meras descripciones, pero alrededor de los años ’30 cristalizó una teoría, “la interpretación de Copenhague”, piloteada principalmente por Niels Bohr, que adoptó una visión radicalizada del asunto, que ponía (y sigue poniendo) en tela de juicio todos los conceptos sobre la realidad, por lo menos, tal como se la conoce en la vida cotidiana.


Para los físicos de Copenhague, las imprecisiones, probabilidades e incertidumbres de la MC no son una limitación de la física o la señal de que la MC es una teoría incompleta. No. Para ellos, la naturaleza es así: un electrón es una superposición de probabilidades de estar aquí o allá, tal y como la MC lo describe. Pensar en un electrón en tal lugar no tiene sentido.


A menos que lo observemos. En ese caso, la función de onda “colapsa” hacia una posición fija; todos los estados se condensan y el electrón aparece campante ocupando una determinada posición. Esta postura despertó, como es natural, no pocas resistencias. Los teóricos de Copenhague sostienen que lo observado y el observador interactúan entre sí: de alguna manera el electrón “sabe” que está siendo observado y por eso su función de onda colapsa. Y si el electrón no está siendo observado, no tiene sentido preguntarse dónde está: es una superposición de estados diferentes.


No se trata, por cierto, de un interpretación tranquilizadora –desde el punto de vista clásico el observador y lo observado son dos entidades totalmente diferentes– y, como es natural, despertó serias resistencias.


Erwin Schroedinger (notablemente, uno de los héroes de la MC) publicó también una crítica de la concepción de Copenhague, proponiendo un experimento mental, que quedó en el folklore como “la paradoja del gato de Schroedinger” que, sin entrar a discutirlo, nos puede servir para ver qué es lo que hicieron estos dos señores.


Y es así. Imaginemos –decía Schroedinger– una caja completamente cerrada que contiene un gato vivo y una pequeña cantidad de material radiactivo. Imaginemos también que dentro de la caja hay un dispositivo diabólico (pero perfectamente posible), por el cual cuando una partícula es emitida por alguno de los átomos radiactivos, pone en funcionamiento un detector que a su vez suelta un martillo que rompe una ampolla de vidrio llena de un gas venenoso, efectivo e instantáneo. O sea, apenas un átomo se desintegra, el gato muere. Para la MC, no hay manera de saber en qué momento un átomo se va a desintegrar: todo se reduce a probabilidades. Solamente mirando, podemos saber si el átomo se ha desintegrado o no, y mientras la caja esté cerrada, el átomo (o los átomos en cuestión) son una mezcla de dos estados (se desintegró-no se desintegró). Entonces, razonaba Schroedinger, puesto que no tiene sentido preguntarse si el material radiactivo se desintegró o no hasta que abramos la caja y miremos, tampoco tiene sentido preguntarse si el gato está vivo o no hasta ese mismo momento. Simplemente –siguiendo la interpretación de Copenhague– el gato está en una mezcla de dos estados: “vivo” y “no vivo”, y pensar que está vivo o que está muerto no tiene sentido.


Pues bien, Serge Haroche y David J. Wineland recibieron en el día de ayer el Premio Nobel de Física por su trabajo en un método de medición y manipulación que les permitió mirar adentro de la caja y contemplar al gato en los dos estados simultáneos: vivo-muerto, o dicho un poco más técnicamente, atisbar partículas individuales (gatos) sin destruir el sistema cuántico que se intenta observar de manera directa. Los dos laureados vienen trabajando en el área de óptica cuántica, un campo que obsesiona a los físicos desde mediados de los ’80, y que trabaja precisamente estudiando la interacción entre luz y materia para desarrollar sistemas de medición específicamente cuánticos. Los métodos de Haroche y Wineland, que trabajan por separado y cada uno con su grupo, tienen sin embargo varias cosas en común.


Para Wineland y su equipo, el gato (o los gatos) fueron iones: armaron una trampa rodeándolos con campos eléctricos y manteniéndolos aislados del calor y la radiación del ambiente con experimentos en vacío a muy bajas temperaturas. Mediante láseres, el equipo de Wineland se encargó de suprimir el movimiento térmico en la trampa para llevar al ion a su estado más bajo de energía. Esa utilización de los rayos y pulsos láseres es la que habilita un estudio del sistema cuántico alrededor del ion. El pulso láser es usado para llevar al ion a una superposición de estados. Eso que vuelve tan incomprensible a veces la mecánica cuántica es la posibilidad de plantear varios estados al mismo tiempo para una partícula, situación imposible desde la física clásica a la que estamos acostumbrados por experiencia. Como en el experimento de la doble ranura, en el diminuto mundo de la mecánica cuántica, invisible para nuestro ojo, las partículas pueden estar en diferentes estados simultáneamente. Con un pulso láser, Wineland y su equipo del laboratorio de Boulder, Colorado, prepararon el ion para ocupar dos niveles diferentes de energía, llevándolo desde el menor nivel de energía hasta mitad de camino hacia el mayor, y abandonándolo a la mitad entre los dos niveles, con igualdad de probabilidades de terminar en cualquiera de ellos. Todo esto para estudiar el fenómeno cuántico de la superposición de estados de la manera más controlada y estable.


En el laboratorio de París, Serge Haroche y su equipo de investigación emplearon otro método para poder mirar dentro del mundo de lo cuántico: sus gatos fueron fotones que hicieron rebotar ida y vuelta entre dos espejos con tres centímetros de diferencia. Aquellos espejos, hechos de un material superconductor y enfriados por debajo del cero absoluto, son tan brillantes y reflejan de tal forma que pueden mantener a un fotón, solito, rebotando de ida y de vuelta en esos tres centímetros por casi una décima de segundo, antes de que el fotón sea absorbido o se pierda. Parece poco, pero una décima de segundo es mucho tiempo, ya que se mueve a 300 mil kilómetros por segundo, con lo cual en ese lapso recorre un tiempo record de vida para un fotón. Y mantenerlo rebotando durante ese tiempo implica que el fotón recorre 30 mil kilómetros, es decir, poco menos que un viaje alrededor de la Tierra. Con el fotón rebotando, Haroche introdujo grandes átomos (átomos Rydberg), preparados especialmente, que son enviados de a uno, cruzando el recorrido del fotón a una determinada velocidad que permita una interacción controlada con el fotón. Esta interacción altera las propiedades cuánticas del átomo y los cambios en la onda cuántica del átomo pueden ser medidos para comprobar la presencia o ausencia del fotón entre los dos espejos, comprobando que está ahí sin destruirlo. La interacción de los átomos Rydberg permite ir haciendo un mapa de la vida y muerte del fotón, paso a paso, con cada átomo que cruza su recorrido e interacciona con el fotón. Una derivación de este método le permitió a Haroche contar fotones en el interior de la cavidad.


Los laureados ayer con el Premio Nobel se enfrentaron con éxito al colapso y pérdida de la superposición de estados que genera el acto de medición de un estado cuántico, atrapando partículas elementales y sosteniendo la superposición de estados.


A partir del manejo de iones, el equipo de David Wineland construyó en base a su trampa de iones un reloj cien veces más preciso que el reloj atómico basado en caesium, estándar actual de la medición del tiempo. Como siempre, la ciencia promete y es importante que siga prometiendo avances deslumbrantes que pueden acontecer o volverse literatura de las próximas décadas. Un desarrollo de la trampa de iones permitiría la fabricación de una supercomputadora, una computadora cuántica, mucho más veloz que las actuales que no tenga que depender de la elección entre 0 y 1 por cada bit sino que pueda ser 0 y 1 al mismo tiempo. Por ahora, los bits cuánticos son sólo una promesa de alta tecnología.

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Jueves, 05 Julio 2012 06:40

El bosón de Higgs: una casi nada que lo explica casi todo

El bosón de Higgs: una casi nada que lo explica casi todo
El bosón de Higgs no solo era la pieza final que faltaba para rematar el Modelo Estándar de la física de partículas —la tabla periódica del mundo subatómico—, sino que también ha sido el centro neurálgico de casi todas las especulaciones sobre el Big Bang desarrolladas en las últimas décadas. El mote de “partícula de Dios” que le endosó el premio Nobel Leon Lederman se debe a este papel central en el origen de todas las cosas, o en el bang del Big Bang, en palabras del físico teórico Brian Greene.

 
Como cualquier otra cosa en la mecánica cuántica —la física de lo muy pequeño—, el bosón de Higgs tiene una naturaleza dual: es a la vez una partícula y un campo ondulatorio que permea todo el espacio. El lector no debe preocuparse si esto le resulta difícil de entender: también le pasó a Einstein en 1905, cuando propuso que la luz —hasta entonces un campo por el que se propagaban las ondas electromagnéticas— debía consistir también, de algún modo, en un chorro de partículas, los ahora familiares fotones.


Y la generalización de esta esquizofrenia cuántica a todas las partículas elementales, la teoría de la dualidad onda-corpúsculo, estuvo a punto de arruinar la tesis doctoral y hasta la carrera entera de su formulador, el príncipe Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie, séptimo duque de Broglie y par de Francia, que pese a ello, y al igual que Einstein, acabó recibiendo el premio Nobel por su idea descabellada. Cuando una teoría contraria a la intuición humana explica todos los datos conocidos y predice los que aún no se conocen, la equivocada no suele ser la teoría, sino la intuición humana.

 
Así que el bosón de Higgs, la partícula que acaban de detectar en el CERN, es también un campo de Higgs que permea todo el espacio. Según la cosmología moderna, ese campo es un residuo directo del Big Bang. El campo de Higgs fue la primera cosa que existió una fracción de segundo después del origen de nuestro universo, y la que explica no solo las propiedades de este mundo —como la masa exacta de todas las demás partículas elementales—, sino también su mera existencia.
 

El campo de Higgs fue el hacedor del bang, o de la inflación formidable que convirtió un microcosmos primigenio de fluctuaciones cuánticas en el majestuoso cielo nocturno que vemos hoy. Cada galaxia, y cada supercúmulo de galaxias, nació como un grumo microscópico en la jungla cuántica que ocupó el lugar de la nada en el primer instante de la existencia, como una ínfima fluctuación en la Bolsa de valores del vacío, amplificada hasta el tamaño de Andrómeda o de la Vía Láctea por la vertiginosa expansión —o inflación— del universo impulsada por el campo de Higgs.


El superacelerador del CERN en Ginebra, la verdadera catedral de la ingeniería y el conocimiento de nuestro tiempo, es el último paso de un viaje hacia atrás en el tiempo que emprendieron los físicos en la primera mitad del siglo XX. El universo era en su origen muy pequeño y denso en energía, y luego empezó a expandirse, y por lo tanto a enfriarse, en un proceso que sigue en marcha hoy mismo, y que además está acelerando. Cada nuevo acelerador, con sus colisiones cada vez más energéticas —más calientes— emula al universo primigenio en una fase cada vez más primitiva en su evolución inicial.

 
El principal objetivo de la física teórica contemporánea es unificar las cuatro fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria) bajo un único y profundo marco teórico, la “teoría del todo” que Einstein persiguió sin éxito durante los últimos 30 años de su vida.

 
El acelerador de Ginebra nos acerca más que nunca a la época remota en que todas las partículas y todas las fuerzas eran iguales, en que los campos de fuerza estaban evaporados. El campo de Higgs fue el primero en condensarse, y ello eliminó en cascada la simplicidad del universo primitivo: las partículas elementales adquirieron distintas masas, y también los bosones (como el fotón) que transmiten las fuerzas elementales, con lo que la única fuerza primordial se separó como las lenguas en la Torre de Babel.
 
El bosón de Higgs: una casi nada que lo explica casi todo.


Por Javier Sampedro Madrid 4 JUL 2012 - 21:04 CET



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Miércoles, 01 Abril 2009 06:29

Luz, electrones, fotones y contaminación

–Usted trabaja con fotoquímica y contaminación atmosférica. ¿Por qué no me cuenta un poco de qué se trata esto?
–Le cuento un poco la historia. Hice primero una tesis en La Plata sobre la fotoquímica de reacciones entre gases (moléculas como en la atmósfera, pero en un recipiente cerrado). La fotoquímica es, en realidad, el estudio de las reacciones químicas que tienen que ver con la luz: yo fui pasando por distintas etapas hasta que finalmente me dediqué a la fotoquímica de sólidos, o sistemas organizados.
 
–¿Y qué es lo que está haciendo ahora?
–Dos cosas. Por un lado, el estudio de reacciones que ocurren con luz en medios organizados u ordenados y, por el otro, estudiamos las reacciones químicas que ocurren en la atmósfera mediante trabajos de campo: medimos la concentración de contaminantes y tratamos de hacer modelos para predecir cómo va a seguir la cosa y cómo se puede mejorar. Eso me lleva, prácticamente, a mis orígenes: partí de las relaciones entre gases y volví a las relaciones entre gases. Son dos proyectos completamente diferentes. Las actividades nuestras en química atmosférica son bastante conocidas. Pero no es nuestra línea principal de investigación.
 
–¿Y de qué prefiere hablar?
–De lo que tiene menos prensa...
 
–Hablemos entonces de la luz y de los sólidos...
–El ejemplo paradigmático de la acción de la luz sobre sistemas organizados es la fotosíntesis: en ella tenemos luz que se irradia sobre las hojas, que contienen clorofila y otros pigmentos que se organizan para absorber la luz y la canalizan al centro de reacción. Luego, a través de la acción de ese centro, la luz se transforma en hidratos de carbono, etcétera, etcétera. Si bien esta es la acción paradigmática, no es la que nosotros estudiamos. Tomamos algunos elementos de esa fotosíntesis para crear sistemas artificiales que nos permitan aprovechar la luz solar para producir ciertas sustancias. Por ejemplo: hay un tratamiento de cáncer, que es la terapia fotodinámica, que se basa en la introducción de un colorante en el organismo y la irradiación en la zona donde está el cáncer. El colorante en general se introduce en forma sistémica y luego se lo focaliza en la zona en la que está el cáncer, de tal manera que cuando el colorante que se acumuló allí absorbe luz, se excita. El colorante es muy reactivo, de tal manera que se destruyen las células efectivamente.
 
–¿Es una terapia que se usa?
–En muchos países sí; acá no tengo referencia de que se esté usando fuera de la experimentación. Ahora se están utilizando mucho sistemas de nanopartículas, que o bien son ellas mismas reactivas frente a la luz, o bien se les incorporan colorantes para que sean reactivas. Eso tiene bastante éxito en el ámbito experimental. Para que sea más eficiente el proceso, debe haber muchas moléculas de colorante juntas. Pero eso tiene un problema: la energía que absorben estando todas juntas, se disipa en forma de calor por las reacciones que se establecen entre ellas. Las plantas han resuelto el problema organizándolas de tal manera que la concentración es muy grande, pero las interacciones entre las moléculas están evitadas al máximo. Un poquito eso es lo que queremos hacer; a veces por medios muy simples: tomamos un sólido, lo metemos en una solución de colorante y nos queda el sólido con colorante, por ejemplo. Otra manera es tomar un vidrio, poner sobre el vidrio un polímero cargado eléctricamente, arriba le ponemos un colorante con la carga opuesta, luego otra capa de polímero cargado y así sucesivamente.
 
–Un sandwich de polímero y colorante.
–Algo así. La técnica se llama autoensamblado capa por capa. Mucha gente intenta poner la molécula de colorante en el lugar específico, lo cual es muy valioso. Pero nosotros no hacemos eso: tratamos de buscar sistemas en los cuales las moléculas caigan donde tienen que caer. Esas son las dos vías que estamos explorando, como para poner la mayor cantidad posible de colorante en un sólido, ya sea para alguna terapia fotodinámica o para que una célula fotovoltaica funcione absorbiendo energía en distintas regiones del espectro. Eso se puede lograr teniendo distintos colorantes, que absorban la mayor cantidad de regiones del espectro. Esa es la estrategia que usan las plantas también.
 
–Vamos un poco a la intimidad de la acción de la luz. Tenemos una molécula que recibe un fotón, es decir, una partícula de luz. ¿Qué pasa con ese fotón?
–Las moléculas están conformadas por átomos, que a su vez tienen núcleos y electrones. Las moléculas en sí tienen orbitales, como los átomos: regiones difusas donde se encuentran los electrones. Los más externos son los que están involucrados en las reacciones químicas: cuando la molécula absorbe luz, se excitan y pasan a un orbital superior.
 
–¿Y allí qué es lo que pasa? ¿Cómo se transforma ese fotón en un salto a la capa superior?
–El fotón es un campo electromagnético en movimiento. La luz tiene un campo eléctrico y un campo magnético. En este caso nos interesa el campo eléctrico, que es oscilante. Ese campo interactúa con los electrones, si la energía le alcanza, el fotón se absorbe. A través, entonces, de la interacción entre el campo eléctrico y el electrón se logra una molécula con un electrón en un estado superior. ¿Por qué esto es conveniente? Es más energética, y si es más energética permite que se den ciertas reacciones que de otro modo no se darían o se darían demasiado lentamente. Esto abre el camino hacia el almacenamiento de energía. Es lo que hacen las plantas: transformar luz en energía y usar esa energía para generar compuestos que de otra manera no podrían generarse. El fotón activa una molécula de clorofila, que desencadena una cascada de reacciones, cuyos reactivos son el dióxido de carbono y el agua, y sus productos son la glucosa y otros hidratos de carbono.
 
–Y la idea es...
–La idea es excitar tantas moléculas como sea posible con la mayor amplitud espectral de luz posible y usar estos sistemas como bloques de construcción para otras cosas. Ahora bien: uno puede tener una célula fotoeléctrica, que cuando absorbe luz produce una separación de cargas, que salen por fuera, cierran el circuito y se genera una corriente. Esto requiere luz de una energía determinada, que es la energía a la cual la absorbe el material. Si uno quiere que el material absorba a un rango diferente de longitudes de onda, en una zona distinta del espectro, lo que se hace es ponerle un colorante que absorbiendo fotones se excita, entrega un electrón a ese electrodo y ese electrón es el que da la vuelta por fuera. Nuestras particulitas serían bloques de construcción para esto. Hay otro ejemplo: la fotocatálisis.
 
–Que es...
–... un proceso por el cual un material semiconductor (como el dióxido de titanio) absorbe un fotón, suelta un electrón y genera una vacancia. Ese electrón puede ir a incorporarse a otra molécula, y la molécula semiconductora puede recibir algún electrón proveniente de otro lado. La capacidad de esos huecos de recibir electrones es tan grande que pueden oxidar (sacar electrones de) un montón de moléculas y destruirlas, haciendo el proceso inverso de la fotosíntesis. Agarran el material y lo convierten en dióxido de carbono y agua, lo cual es muy interesante para procesos de descontaminación.
 
–Bueno, y ya que habló de contaminación, ¿por qué no me cuenta un poco de la otra línea de investigación?
–Hace como diez o quince años empezamos a trabajar, en colaboración con la Fundación Siglo XXI. Yo caí allí por nostalgia, porque venía de las relaciones fotoquímicas con los gases. Hemos aprendido, desde entonces, cuáles son los contaminantes más importantes. Lo que nos preguntamos, también, es por qué no estamos tan mal como Ciudad de México, o como Santiago de Chile.
 
–Pero eso puede no deberse a una razón química, sino a una razón meteorológica..., acá no estamos rodeados de montañas.
–Sí y no. Uno parte de una serie de contaminantes primarios (monóxido de carbono, monóxido de nitrógeno, hidrocarburos) que si tienen tiempo, con luz solar, se transforman en dióxido de nitrógeno y ozono, que son oxidantes. Estos son los causantes del smog, que se conoce en México o en Santiago. No es cuestión de la meteorología: la meteorología ayuda a dispersar los contaminantes y a hacer que no tengan tiempo para reaccionar, o que reaccionen lejos en otras condiciones. Meteorología es lo que pasó en abril del año pasado, donde a partir de los incendios que se produjeron en Tigre todo Buenos Aires se llenó de una humareda inmensa por diez días.
 
–Lo que yo decía es que la raíz química evidentemente está, pero que la causa por la cual no somos ni Santiago ni D.F. es que estamos en una ciudad abierta.
–Es así. Con una pequeña objeción. Uno piensa que el viento solamente barre. Pero si el viento barre, arrastra. Y lo que se produce aquí lo manda allá. El viento dispersa. Y no sólo el viento. Eso de que el viento barre es una verdad a medias, porque lo que hace también es dispersar.

 Por Leonardo Moledo
Publicado enInternacional
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