¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»? - José Ramón Martínez Saavedra

¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»?

(Por José Ramón Martínez Saavedra)

Capítulo 62 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Escribo estas líneas un caluroso día de junio en Madrid; todo aquel que haya pasado al menos un día de verano en esta ciudad sabe la tortura que supone salir a la calle pasadas las dos de la tarde: un asfalto tan caliente que se podrían incluso freír huevos en él, un aire tan irrespirable y pesado que se puede hasta cortar con un cuchillo y, además, un sol de justicia bajo el cual te achicharras vivo.

Y es que, digan lo que digan, no hay nada mejor que un día de verano en Madrid para acordarse de todos los procesos de transmisión de calor. El lector interesado puede observar, por ejemplo, la conducción de calor entre el asfalto y el aire que está en contacto con él; también puede estudiar la convección de este aire caliente, subiendo desde el asfalto, impactándole (sin piedad alguna) en la cara, haciéndole sudar. En ambos casos, el calor se transmite en un medio material: bien mediante el contacto entre los dos medios, bien mediante la aparición de corrientes dentro del material en sí.

Por último, no podemos olvidarnos del Sol, y de cómo esta inmensa bola de fuego es la responsable última de este calor (si se apagase, aunque fuese por un rato, a la hora de la siesta…). Sin embargo –a diferencia de los otros dos casos–, el calor del Sol no necesita de ningún tipo de medio material para transmitirse (y hacer reventar el termómetro), sino que calienta los objetos que tiene a su alrededor irradiándolos.

“Muy bien”, podrá decir el lector, “pero esta radiación, ¿de dónde sale? ¿Y qué tiene que ver con las transferencias de calor?”. Para ello, me temo que es necesario hacer un pequeño viaje al mundo subatómico, para tratar de explicar qué está ocurriendo ahí cuando hablamos de “transmisión de calor”: sin más dilación, reduzcamos nuestra escala en un factor de mil millones, a ver qué nos encontramos.

Una vez reducidos a esta escala, podemos fijarnos en los átomos del material: pequeñas bolas que… ¡se mueven! No demasiado, probablemente, pero parece que vibren alrededor de su posición de equilibrio: es esta energía asociada a la vibración de los átomos la que generalmente asociamos a escala macroscópica con la “temperatura” de un cuerpo. Con este modelo, que un cuerpo esté “más caliente” que otro quiere decir que sus átomos vibran más en comparación.

Esta imagen explica bastante bien los procesos de transmisión de calor por conducción: imaginad que ponemos en contacto dos cuerpos, uno muy caliente (átomos vibrando) y otro muy frío (átomos casi quietos). Al ponerlos en contacto, los átomos en la superficie empezarán a “colisionar” entre sí, intercambiando energía en el proceso: los átomos que antes estaban quietos empezarán a moverse (se pondrán calientes), mientras que los átomos que antes se agitaban furiosamente probablemente se agiten bastante menos ahora (en otras palabras, se enfriarán): este proceso ocurrirá hasta que ambos materiales se agiten con la misma intensidad (es decir, que tengan la misma temperatura).

Para procesos de convección el mecanismo es bastante similar: la principal diferencia en este caso proviene del hecho de que estos procesos ocurren principalmente en fluidos, sustancias en las que los átomos tienen una mayor libertad de movimiento. En el caso de fluidos, los cambios en la temperatura suelen venir acompañados de cambios en la densidad, lo cual hace que se produzcan corrientes para redistribuir el fluido en orden de densidades. Estas corrientes mezclan regiones calientes (con átomos vibrantes) con regiones frías (con átomos casi estáticos), las cuales se equilibran entre sí posteriormente mediante procesos de conducción.

Por último, el modelo también es útil para explicar los procesos de emisión de radiación: cuando un átomo vibra no lo hace con velocidad constante, sino que sufre aceleraciones y deceleraciones constantemente: estas aceleraciones afectan a todas las partículas que conforman el átomo, las cuales tienen generalmente carga eléctrica (como el electrón y el protón). La teoría electromagnética predice –sin entrar en mucho detalle– que una partícula cargada que experimenta un movimiento acelerado emitirá radiación electromagnética; los parámetros de dicha radiación (su intensidad y su frecuencia) dependen del movimiento en sí: si la partícula vibra más, tanto la intensidad de la radiación (es decir, cuánto calor emite) como su frecuencia (es decir, en qué tipo de radiación electromagnética lo va a emitir) pueden cambiar.

La radiación de las partículas cargadas, además, se extiende por el espacio. Otra predicción —esta más intuitiva— de la teoría electromagnética es que las partículas cargadas pueden interactuar con los campos electromagnéticos que las rodean, intercambiando energía con ellos. Esto, aplicado a nuestro caso, quiere decir que la energía liberada por una partícula cargada (en forma de un campo electromagnético propagándose en el espacio) puede ser reabsorbida por otras, las cuales no tienen por qué estar en su entorno más cercano.

Por supuesto, también hay muchos otros procesos por los que un material puede emitir y absorber radiación, la mayoría de ellos asociados a transiciones electrónicas. Sin embargo, podemos intentar imaginarnos un sistema en el que eliminamos cualquier otra fuente de radiación. En este caso, la única fuente de radiación posible es la que hemos comentado anteriormente: la proveniente del hecho de que las partículas cargadas se agitan en el interior del material. Es a dicha radiación a la que nos referimos como “radiación de cuerpo negro”.

Sin embargo, el origen del nombre “cuerpo negro” no proviene precisamente de considerar un emisor térmico, sino de otra definición que, a primera vista, no tiene nada que ver; como escribía Kirchoff en 1860 [1]:

La prueba que estoy a punto de ofrecer de la ley anterior asume que se puedan imaginar cuerpos tales que (para espesores despreciables) absorban completamente todos los rayos incidentes, y no reflejen ni transmitan ninguno de ellos. A dichos cuerpos los denominaré como “perfectamente negros” o, más brevemente, “cuerpos negros”.

Esta definición, aunque en apariencia antagónica, resulta equivalente a la imagen que dimos anteriormente: un cuerpo que absorba toda la energía de la radiación, sin reflejar ni transmitir nada, implica que no hay procesos de radiación al margen de los térmicos. La energía de la radiación se convierte, en última instancia, en energía cinética de los constituyentes del cuerpo (si el material no sufre cambios en su estructura interna, por supuesto). El incremento en la energía cinética produce una agitación más intensa de las partículas, provocando una mayor cantidad de radiación térmica liberada al entorno. Dicha radiación tiene dos propiedades características: su dependencia exclusiva de la temperatura y su isotropía. La primera se refiere a que la radiación solo depende de la temperatura a la que esté el cuerpo negro; parámetros como su composición, su geometría, cualquier variable microscópica… son irrelevantes: si conocemos la temperatura del cuerpo negro, conocemos su patrón de emisión de radiación. Por otro lado, con “isotropía” nos referimos a que el tipo de radiación que emite el cuerpo es idéntica en todas las direcciones: da igual por dónde miremos, siempre encontraremos el mismo patrón de emisión tanto en intensidad como en la distribución en frecuencias de la luz.

Ambas propiedades se explican relativamente bien con nuestro modelo: si un material tiene la misma temperatura en todos lados, la energía cinética asociada a la agitación de las partículas tiene que ser la misma en prácticamente todos lados. Como dijimos anteriormente, cada temperatura tiene asociada una “energía cinética promedio” con la que se agitan los cuerpos: como el patrón de radiación depende únicamente de la cantidad de energía disponible de cara a que los componentes del material se agiten, el patrón de radiación debe depender de la temperatura única y exclusivamente. Por otra parte, este movimiento de agitación es aleatorio, y no tiene una dirección privilegiada; por tanto, en promedio se emitirá radiación en todas las direcciones posibles por igual, dando lugar al patrón isótropo de radiación que comentábamos anteriormente.

Otra propiedad extraordinariamente interesante de la radiación de cuerpo negro es su color: aunque parece de perogrullo preguntarse “¿de qué color es un cuerpo negro?”, lo cierto es que el color de un cuerpo negro depende de la temperatura a la que esté: si aumentamos su temperatura, empezaremos a ver que el material pasa de negro a rojo, de rojo a amarillo, de amarillo a blanco y de blanco a… ¿azul? ¿Cómo que azul? La respuesta a esto, en el siguiente capítulo.

 

 

Notas:

[1] «The proof I am about to give of the law above stated, rests on the supposition that bodies can be imagined which, for infinitely small thicknesses, completely absorbs all incident rays, and neither reflect nor transmit any. I shall call such bodies perfectly black, or, more briefly, black bodies». Extraído de “On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat. The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science (Taylor & Francis) 20 (130)”

 

 

 

José Ramón Martínez Saavedra

Magíster en Fotónica

Doctorando — ICFO-Institut de Ciències Fotòniques

 

Nacido en Madrid en 1990. Estudiante de doctorado en el grupo de Nanofotónica Teórica del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona. Máster en Fotónica por la Universidad Politécnica de Cataluña, y Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid.

Actualmente compagina sus estudios en respuesta óptica de nanoestructuras y metamateriales con una labor ocasional de divulgación científica, así como con incursiones en el mundo culinario (estas últimas sin demasiado éxito).

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Arquímedes y la flotabilidad de los cuerpos sumergidos - Mario Sánchez Sanz

Arquímedes y la flotabilidad de los cuerpos sumergidos.

(Por Mario Sánchez Sanz)

Capítulo 71 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

El “eureka” de Arquímedes es, con permiso de la manzana de Newton, el falso mito asociado a la ciencia más reconocible por todos nosotros. La imagen del joven matemático corriendo desnudo por la ciudad griega de Siracusa, con la falsa corona de oro del rey Hierón en la mano, es suficientemente sugerente como para dejar que la realidad estropee una buena historia.  Dejando de lado la anécdota, la contribución de Arquímedes fue de tal importancia que cualquier estudiante de secundaria es capaz de recitar de memoria el principio de Arquímedes:

“la fuerza de flotabilidad que aparece en un cuerpo sumergido es igual al peso del volumen de fluido que el cuerpo desaloja”.

Enunciado de esta manera es probable que nos preguntemos a nosotros mismos sí realmente entendemos su significado. Afortunadamente, todos hemos experimentado esa fuerza de flotabilidad de la que habla Arquímedes cuando nos bañamos en una piscina o en el mar.  Si recordamos el esfuerzo que nos requiere levantar un objeto pesado en el agua e intentamos repetir esa acción fuera de ella, nos daremos cuenta rápidamente que la sensación de ligereza del primer ejercicio no se debía a nuestras duras sesiones de gimnasio, sino a la ayuda que el fluido nos estaba prestando. Barcos, submarinos, boyas y un largo etcétera explican su funcionamiento a través del principio de Arquímedes.

A pesar de no ser mencionado, el concepto fundamental que subyace implícitamente en el enunciado del principio de Arquímedes es el de presión hidrostática. La presión se define como una fuerza por unidad de superficie y tiene unidades de Pascales o N/m². Bajo un campo de presión constante, es posible calcular la fuerza que esa presión ejerce sobre una superficie de área S multiplicando el valor de la presión por S. Para campos de presiones variables, el cálculo de la fuerza implica, generalmente, el uso del cálculo integral y puede llegar a ser complicado en cuerpos con superficies irregulares.

Aunque nos hayamos acostumbrado a ella y no la notemos, la presión forma parte de nuestra vida diaria. Cuando caminamos por la calle y nos dirigimos a nuestros quehaceres diarios, nos olvidamos que nos movemos en el interior de un fluido, el aire. Al nivel del mar, cualquiera de nosotros siente una presión constante, que conocemos como presión atmosférica, generada por el peso de la ancha capa de aire que nos separa del espacio exterior. Si asumimos que el aire está quieto, es posible calcular la magnitud de esa presión multiplicando la densidad del aire (1.1 kg/m³ a 20 ºC) por la aceleración de la gravedad (9.81 m/s²) y por la anchura de la atmósfera (unos 9.5 km, aproximadamente) para obtener un número que se acerca a 101300 N/m² o 1 atmósfera de presión. Cuanto mayor sea el espesor de la capa de aire o mayor sea la densidad del aire, mayor será la presión que tenemos que soportar. Lo contrario ocurre cuando disminuimos la densidad del aire o disminuye el espesor de la capa de aire que tenemos sobre nosotros, como bien saben los montañeros que sufren de “mal de altura” debido a la disminución de la presión atmosférica al ascender por encima de los 4000 o 5000 metros. La densidad del fluido es fundamental a la hora de determinar cómo cambia la presión. Como acabamos de describir, para encontrar variaciones notables en la presión atmosférica necesitamos variar la anchura de la capa de aire sobre nosotros en cantidades cercanas al kilómetro. Eso no ocurre si estudiamos como cambia la presión en el agua a medida que nos sumergimos en ella. Aunque los principios que explican los cambios de presión son los mismos, el incremento de presión con la profundidad es mucho más rápido en el agua debido a que su densidad r=1000 kg/m³ es casi 1000 veces superior a la densidad del aire r=1.1 kg/m³. Así, cada vez que nos sumergimos 10 metros en el mar, la presión aumenta en aproximadamente una atmósfera [1].

Para entender el principio de Arquímedes vamos a realizar un sencillo experimento mental. Para ello vamos a sumergir, en agua, un cubo de Rubik. Este juguete, en el que muchos hemos invertido muchas más horas de las que deberíamos en épocas de exámenes, no es más que un prisma cuadrado con una longitud de lado “𝐿” conocida. Para estudiar en qué consiste la fuerza de la flotabilidad, sumergimos el cubo en un fluido de tal forma que dos de sus caras permanezcan paralelas a la superficie. Para medir la profundidad a la que colocamos el cubo, situamos nuestro sistema de referencia en la superficie de agua de forma que la profundidad la definimos como la distancia vertical medida desde la superficie del agua hasta la cara superior del cubo. Como ya hemos visto anteriormente, la presión aumenta a medida que sumergimos el cubo a una mayor profundidad, de forma que si la distancia entre la cara superior del cubo y la superficie del agua es “ℎ”, la presión a la que se ve sometida esa cara del cubo será 𝑝 = 𝜌𝑔ℎ. Esa presión induce una fuerza vertical 𝐹_𝑠 = ― 𝜌𝑔ℎ𝐿², donde el signo negativo indica que la fuerza tiende a desplazar el cubo hacia aguas más profundas. Si repetimos el ejercicio sobre la cara inferior, la presión en esa cara será 𝑝 = 𝜌𝑔(ℎ + 𝐿) y la fuerza asociada 𝐹_𝑖=𝜌𝑔(ℎ + 𝐿)𝐿², en este caso con signo positivo porque esa fuerza trata de desplazar al cubo hacia la superficie del fluido. Sumando ambas fuerzas, obtenemos la fuerza vertical neta inducida por el campo de presiones sobre nuestro cubo de Rubik para dar 𝐹 = 𝐹_𝑠 + 𝐹_𝑖 = 𝜌𝑔𝐿³, magnitud positiva que representa el peso del volumen de agua desalojado por el cubo, cuyo volumen es 𝐿³.

La fuerza neta 𝐹 que acabamos de calcular, conocida también como la fuerza de flotabilidad, es independiente de la profundidad a la que coloquemos nuestro cubo y será siempre la misma si el cubo está completamente sumergido. Obviamente, para saber si eso va a ser así, tenemos que tener en cuenta que el cubo tiene un peso 𝑊. Si consideramos que el material del que está hecho el cubo tiene una densidad 𝜌_𝑐, su peso lo podemos expresar como 𝑊 = ―𝜌_𝑐𝑔𝐿³   donde el signo negativo indica que la esa fuerza intenta desplazar al cubo hacia profundidades mayores. Teniendo en cuenta que sobre el cubo únicamente actúan estás dos fuerzas, la segunda ley de Newton nos permite determinar la dirección hacia la cual se desplazará nuestro prisma en función del signo del resultado de la suma de nuestras dos fuerzas  𝐹 + 𝑊 =(𝜌―𝜌_𝑐)𝑔𝐿³:

1) Si la suma de las dos fuerzas resulta ser idénticamente nula, nuestro cubo se encuentra en equilibrio y se quedará, hasta el final de los tiempos, en la misma posición en la que lo hemos colocado inicialmente. Esto ocurre únicamente si las densidades del fluido y del cuerpo que hemos sumergido son idénticas 𝜌 = 𝜌_𝑐.

2) Si la suma es positiva, el resultado indicaría que la fuerza de flotabilidad 𝐹 es mayor que el peso y el cubo se desplazaría hacia la superficie del agua, donde quedaría parcialmente sumergido hasta que la fuerza de flotabilidad igualara al peso. Este caso representa lo que ocurre con los barcos y lo analizaremos con más detalle un poco más abajo.

3) Si la suma es negativa, la fuerza de flotabilidad no es suficiente para compensar al peso del cubo y éste se hundiría irremediablemente hasta llegar al fondo del mar.

El caso número 2, en el que el cubo queda parcialmente sumergido en la superficie del agua, podemos utilizarlo para entender por qué flotan los barcos. Claro, hasta el momento ya sabemos que cuando el cubo se encuentra completamente sumergido, la fuerza de flotabilidad 𝐹 se calcula tal y como hemos indicado más arriba. Si la densidad del material del que está hecho el cubo es más pequeña que la densidad del fluido en el que el cubo está inmerso 𝜌 > 𝜌_𝑐, el cubo asciende hasta alcanzar la superficie donde permanece parcialmente sumergido. Para obtener la proporción del cubo que queda bajo el agua solo tenemos que igualar las dos fuerzas y obtener el volumen del cubo que debería estar sumergido para que la fuerza de flotabilidad igual al peso, que resulta ser  (𝜌_𝑐 / 𝜌)𝐿³< 𝐿³. Cuanto mayor sea la densidad del fluido respecto a la densidad del cubo, menor será el volumen del cubo que queda sumergido.

El resultado que hemos obtenido anteriormente se puede generalizar para cuerpos con geometrías más complejas que la del cubo de Rubik que hemos usado nosotros. Es posible demostrar, con ayuda del cálculo integral y del teorema de Gauss, que la fuerza de flotabilidad se puede expresar, de forma general, como 𝐹 = 𝜌𝑔𝑉, donde 𝑉 representan el volumen del cuerpo que está sumergido en el fluido que consideremos. La construcción de barcos, desde la antigüedad, se basa en esta idea. El diseño trata de buscar  minimizar el peso del barco, usando para ello materiales lo más ligeros posibles, maximizando la flotabilidad con un diseño apropiado del casco del barco. Obviamente, no es lo mismo el diseño de un barco que se mueve a baja velocidad que uno pensado para desplazamientos rápidos, donde el casco se eleva para disminuir la superficie de contacto con el agua reduciendo, de esta forma, la resistencia que el líquido presenta al desplazamiento del barco. En barcos lentos, como pueden ser los barcos de transporte de mercancías, el buque navegando desplaza prácticamente el mismo volumen de agua sumergida que en parado.

Una de las aplicaciones más espectaculares del principio de Arquímedes es, sin duda, el submarino. Concebido por Isaac Peral en 1884, el primer submarino construido fue botado  en 1888 consiguiendo, tras unos pocos ensayos, simular el ataque a un navío durante la noche volviendo a puerto sin ser detectado. Unos años más tarde, su diseño fue mejorado por John Phillip Holland sustituyendo las baterías que Peral instaló como sistema de propulsión por un motor de combustión interna.

El principio de funcionamiento del submarino es conceptualmente sencillo. Está compuesto por un doble casco que forma una cámara que puede llenarse de aire o agua en función de si se quiere que el submarino descienda o ascienda. Cuando el submarino se encuentra en flotación, se introduce agua dentro de esa cámara aumentando, así, su peso. Puesto que la flotabilidad depende del volumen del casco interior, a medida que se llena de agua la cámara conseguimos un desplazamiento controlado hacia aguas más profundas. Por el contrario, para ascender, se vacía de agua la cámara formada por los dos cascos llenándola de aire comprimido. Con esta sencilla maniobra, se consigue disminuir el peso y aumentar la flotabilidad del  submarino. A medida que el submarino desciende a mayores profundidades, la presión que debe soportar el casco es mayor. En el diseño de submarinos se define la máxima profundidad de operación y la profundidad de colapso. La primera marca la máxima profundidad a la que el submarino podría sumergirse para operación normal mientras la segunda es la profundidad a la que el casco del submarino fallaría por colapso estructural. Los submarinos atómicos modernos de la clase Seawolf son capaces de alcanzar profundidades de operación de 490 metros [2] (47.4 atmósferas de presión) y profundidades de colapso de 730 metros (70 atmósferas de presión).

En el año 2012, el director de cine James Cameron descendió, con la ayuda de un submarino especialmente diseñado para soportar altas presiones, hasta los 11000 metros de profundidad. El batiscafo que le protegía soportó cerca de 1064 atmósferas de presión.

De forma rutinaria, ciertos mamíferos marinos alcanzan 1500 metros de profundidad en busca de alimento. Como hemos aprendido anteriormente, el balance entre la flotabilidad y el peso determina la profundidad a la que un cuerpo sumergido encuentra el equilibrio. Por una razón u otra, peces y mamíferos marinos se ven obligado a modificar la profundidad a la que nadan, acción que, en principio, implicaría un esfuerzo muscular y un consumo de energía. Para entender este hecho, recurro una vez más al ejemplo de la piscina para que el lector experimente en su propio cuerpo el esfuerzo que es necesario realizar para mantener la profundidad de inmersión. Claro, si no podemos cambiar nuestro peso y no podemos modificar nuestra flotabilidad, la única manera de permanece estacionarios a una distancia de la superficie es nadando, es decir, realizando una fuerza que compense el exceso de peso, que nos llevaría al fondo, o de flotabilidad, que nos llevaría a la superficie.

Los peces y mamíferos marinos han desarrollado un órgano extraordinario que permite modificar su densidad e igualarla a la del agua que les rodea para evitar malgastar energía en mantener su profundidad. La vejiga natatoria es un órgano de flotación con paredes flexibles, que se sitúa en la columna vertebral y que permite modificar la densidad del pez introduciendo aire en ella cada vez que acceden a la superficie del agua. Para modificar su densidad, expulsan poco a poco el aire de la vejiga hasta llegar a la profundidad deseada. De esa manera, solo es necesario hacer un esfuerzo muscular para regresar a la superficie del agua,  donde llenaría de nuevo su vejiga para volver a sumergirse.

                                                

Notas: 

[1] Claro, como la densidad del agua es  𝜌=1000 kg/m³, para que la presión aumente en una atmósfera, el espesor de la columna de agua sobre nosotros debe ser  𝑧 = 101300/(1000·9.8) = 10.33 𝑚 .

[2] Federation of American Scientists (8 December 1998). "Run Silent, Run Deep". Military Analysis Network. Retrieved 10 May 2010.

 

 

Mario Sánchez Sanz

Doctor en Ingeniería Matemática

Profesor Titular, Universidad Carlos III de Madrid

 

Doctor en Ingeniería Matemática por la Universidad Carlos III de Madrid en 2007. Ese mismo año se incorporó a la ETSI Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid tras recibir una beca Juan de la Cierva.

Tras varias estancias de investigación en la Universidad de East Anglia (Norwich, UK), en la Universidad de Yale (New Haven, USA), en la Universidad de California en Berkeley (Berkeley, USA) y en la Universidad California en San Diego (San Diego, USA) , se incorporó como profesor titular de Mecánica de Fluidos en la Universidad Carlos III en Junio de 2012.

Su investigación se centra en la mejora de la eficiencia de la combustión de biocombustibles y combustibles fósiles, la dinámica de gases reactivos y no reactivos y los sistemas de producción de potencia portátil (MEMS, baterías sin membrana).

¿El universo tiene borde? - Elena Denia

¿El universo tiene borde? 

(Por Elena Denia)

Capítulo 8 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

There was a young lady named Bright,

Whose speed was far faster than light;

She started one day

In a relative way,

And returned on the previous night.

 

Arthur Henry Reginald Buller (1874 – 1944)

Todos alguna vez hemos escrutado la línea del horizonte, aguzando la vista para encontrar un atisbo de tierra o el final de los océanos. A lo largo de la historia, desde el más tenaz de los conquistadores hasta el individuo que da un paseo desinteresado por la costa, se ha preguntado por los bordes de la gran masa de agua. <Más allá hay dragones>, decían unos. <Es un abismo sin límite>, aseguraban otros. Las playas siempre han sido un escenario evocador.

Con la misma naturalidad hemos levantado la mirada hacia los cielos. Si bien es cierto que lidiar con la incertidumbre no es tarea fácil, el misterio siempre ha tenido un atractivo intrínseco al ser humano; curiosidad, afán de conocimiento –si se prefiere–; muchos de nosotros nos hemos preguntado alguna vez: ¿el universo tiene borde?

Al pensar en los confines del cosmos uno se puede imaginar en su busca, avanzando incesantemente en una nave a través del espacio. Este experimento mental permite plantear la idea de que, en algún momento, se acabarán los planetas, las estrellas, el polvo y todo lo demás. Que nos enfrentaremos a un vacío oscuro que aguarda alguna extraña deformación del tejido espaciotemporal, donde todo se acabe. A priori parece razonable, sobre todo después de escuchar a los expertos decir que lo más probable es que el universo sea plano.

Estamos ante un error conceptual que numerosas veces hace desistir al interesado. A menudo se dice que el universo es plano (geometría euclídea), esférico o con la forma de una silla de montar a caballo (geometría hiperbólica). Estas ideas generan confusión, porque uno se imagina el cosmos, por ejemplo, como la base de una pizza colosal o con la forma de una gran sandía. Sin embargo, cuando se citan esas tres posibilidades se está haciendo referencia a la geometría del tejido del universo en un entorno local, no a su morfología como un objeto único.

En el escenario local, una ciudad puede considerarse plana. Pero si pensamos en todo un continente, la curvatura de la Tierra empieza a manifestarse. En la ciudad, la suma de los ángulos de un triángulo siempre será 180º. En cambio, si trazamos el triángulo sobre el globo terrestre, la suma de sus ángulos será superior. Y si lo trazamos después sobre una silla de montar, veremos que es inferior.

Algo parecido sucede con el tejido del cosmos. No se trata de lo inmenso que sea el dibujo de nuestro triángulo, sino de comprender que el espaciotiempo es un tejido que se deforma con la presencia de masa, y la curvatura ya no se produce sobre la superficie terrestre, sino en tres dimensiones espaciales y una temporal, algo un poco más complejo de imaginar, pero todavía intuitivo. En cualquier caso este tejido, mayoritariamente, presenta una geometría cercana a la euclídea. Esto significa que los triángulos que pintemos con una brocha sideral sumarán típicamente 180º, salvando algunas pequeñas deformaciones ocasionadas por la materia –de hecho, si uno observa con cuidado, descubrirá que nuestra ciudad también presenta algún que otro desnivel–.

Además, pensando a grandes escalas, el universo es homogéneo e isótropo –éste es el llamado principio cosmológico–. Homogéneo porque al comparar dos fragmentos cualesquiera, eso sí, lo suficientemente grandes, presentan un aspecto similar; con cúmulos de galaxias y filamentos que conectan tales estructuras. E isótropo porque podemos mirar en direcciones arbitrarias y también presentará un aspecto similar.

Para ilustrarlo de forma más mundana, solo hay que pensar en que desde cualquier posición en la superficie de la Tierra podemos mirar hacia la profundidad del cosmos, sin que encontremos un lugar preferido para capturar la luz –excepto, por supuesto, aquellos espacios más despejados donde situar los telescopios–. El universo se nos presentará, aproximadamente, con el mismo aspecto en todas direcciones. Se mire como se mire, ahí estarán los cúmulos y los súper cúmulos; ya sean de polvo, de estrellas o de galaxias.

Y nosotros los observamos porque atrapamos sus partículas de luz –fotones– con los telescopios. Y es de esa luz de donde extraemos la información más variada, desde la composición química de un astro concreto hasta el alejamiento acelerado de una galaxia respecto a la nuestra.

De hecho, mirar hacia el universo profundo se traduce en capturar la luz más antigua que nos llega: el fondo cósmico de microondas, la radiación que se liberó hace cerca de 14 mil millones de años, poco después de la gran explosión que marcó el inicio de los tiempos, el Big Bang. 

El universo a escala logarítmica. Imagen creada por el artista Pablo Carlos Budassi como regalo de cumpleaños para su hijo, a partir de imágenes de la Nasa y mapas de la Universidad de Princeton.

Así, desde cualquier punto del globo terrestre, tendremos un límite visible al mirar hacia el espacio, un límite que en términos de distancia alcanza esos 14 mil millones de años luz. Pero siempre será el mismo, observemos desde España o desde las Islas Seychelles. Esta distancia define el radio del universo observable, que por extensión supone un horizonte observable que encierra la porción del cosmos que somos capaces de apreciar.

Hasta aquí tenemos frente a nosotros el borde del universo observable, situado a unos 14 mil millones de años luz apuntando en todas direcciones. Sin embargo, no podemos ignorar el hecho de que estamos mirando constantemente hacia el pasado, pues los fotones ancestrales que nos llegan provienen desde casi el principio de los tiempos. Quizá este borde no satisfaga al lector, al fin y al cabo, ¿podemos sentirnos aún contenidos en la piel del bebé que fuimos?

Para no perder la cordura, parece razonable retomar nuestro experimento mental y volver a surcar el espacio en nuestra intrépida expedición. Comprobaremos, una vez en marcha, que nuestro reloj de bolsillo no dejará de hacer <tic tac>: la flecha del tiempo siempre apunta hacia adelante. De este modo escaparemos del sistema solar, atravesaremos otros sistemas planetarios, también los confines de nuestra galaxia y los cúmulos globulares que la orbitan. Y todos estos objetos continuarán envejeciendo a nuestro alrededor, cada uno a su propio ritmo, con el devenir de un <tic tac> diferente –pero esto ya es otra historia–. ¿Nos encontraremos, entonces, con algún tope si viajamos a través del espacio indefinidamente?

Para tropezar con esa frontera debemos superar la velocidad de la luz y así poder abarcar una visión más allá del universo observable, porque precisamente esa es nuestra limitación: no podemos acceder a las partes del universo cuya distancia es tan prolongada que la luz no ha tenido tiempo suficiente para llegar hasta nosotros. Dadas tales complicaciones, no habrá más remedio que abortar nuestra misión por cuestiones técnicas. No obstante, al margen de esa restricción física, ¿quién nos impide tratar de deducirlo de manera teórica? Al menos –de momento– se pueden garabatear algunas soluciones interesantes sobre el papel e imaginarlas de forma conceptual en nuestras mentes.

Pensemos entonces, en la recta final de este ejercicio abstracto, en la geometría global del universo, que abarca tanto el fragmento observable así como todo lo demás.

Tratamos de dibujar el espacio métrico que ocupa el cosmos, la forma de su recipiente. Es aquí cuando debemos hacer el mayor esfuerzo y empujar nuestras mentes hacia el cambio de paradigma que supuso la relatividad general. Porque ya no podemos considerar al universo como un ente estático que podamos medir. Porque el tiempo transcurre. Y lo hace de forma distinta en las diversas partes. La cuestión, por tanto, no solo concierne al cómo es, sino también al cuándo lo ha sido, y por ello nuestro empeño por congelarlo para poder sacar la escuadra y el cartabón no es más que pura testarudez. Obstinación. Resistencia a entender que el tiempo fluye a distintas velocidades y que la sustancia espaciotemporal es solo una. No hay tiempo sin el espacio que le corresponde, ni espacio para el que no le es propio un tiempo.

Pese a todo ello, y para no defraudar al lector, puede quedarse con la idea de que, en realidad, no sabemos si el universo se extiende indefinidamente o si está contenido en un espacio métrico limitado. En el primer caso, tendríamos infinitos caminos que seguir con nuestra nave, como en el plano euclidiano. En el segundo caso, el confinado o compacto, podríamos descubrir, con gran sorpresa, que siguiendo un camino llegásemos al punto de partida, como sucede con las geodésicas de una esfera. «No se sabe la forma absoluta del universo», podría decir tranquilo, sin verse demasiado alejado de su zona de confort y acariciando en su bolsillo el reloj familiar; con el capricho de que el <tic tac> sea unívoco en cada recoveco cósmico.

Sin embargo, lo inquietante de todo este asunto es que preguntarse por la forma del universo, muy posiblemente, sea un sinsentido. Porque la forma, ¿la forma, cuándo?

Elena Denia

MSc en Física Avanzada, especialidad Cosmología

Investigadora del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Instituto de gestión de la innovación INGENIO

Universidad Politécnica de Valencia

Graduada en Física (Universidad de Valencia), con un máster en Periodismo y Comunicación de la Ciencia, la Tecnología y el Medio Ambiente (Universidad Carlos III de Madrid) y un segundo máster en Física Avanzada con especialidad en Astrofísica (Universidad de Valencia). 

Actualmente tiene un contrato predoctoral FPI del Ministerio de Economía y Competitividad con el que investiga para el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el instituto de gestión de la innovación INGENIO (Universidad Politécnica de Valencia). Su investigación está orientada hacia cuestiones relacionadas con la cultura científica, incluyendo percepción social de la ciencia y tecnología y comprensión pública de la ciencia. 

Es directora y locutora del programa de divulgación El Café Cuántico, creado en 2014. También colabora con reportajes en el suplemento de ciencia del Heraldo de Aragón.

Universo en expansión - Juan García-Bellido Capdevila

Si el universo está en expansión ¿cómo fue al principio?

(Por Juan García-Bellido Capdevila)

Capítulo 59 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

1          Hubble y la expansión del universo.

Cuando Albert Einstein formuló la teoría de la relatividad general, hace ahora un siglo, no podía imaginar que nuestra visión del universo iba a cambiar de manera tan drástica. Unos años después, Vesto Slipher y Edwin Hubble mostraban que los objetos nebulosos que ahora llamamos galaxias se alejaban de nosotros a enormes velocidades. George Lemaitre, usando las ecuaciones de Einstein y Alexander Friedmann interpretó correctamente dichos desplazamientos como debidos a la expansión del universo. Esto cautivó la imaginación de los cosmólogos y abrió las puertas a la exploración de un posible origen del universo: si el universo está hoy en expansión, eso es que en el pasado tuvo que estar más concentrado y por tanto más caliente. Por otra parte, si el universo tuvo un origen, entonces tenemos acceso a solo una región finita del universo (que llamamos universo observable) que es aquella de la cual nos llega luz y cuyo tamaño es aproximadamente la edad del universo por la velocidad de la luz. Hoy en día nos llega luz de los confines del universo, en concreto del momento en que el plasma caliente primigenio se enfrió por la expansión lo suficiente para que se formaran los primeros átomos. Esta luz la detectamos en el rango de microondas y constituye la imagen más antigua del universo.

Ahora bien, si el universo está en expansión ¿qué agente actuó como disparador? La respuesta curiosamente estaba implícita en las propiedades del fondo de radiación de microondas. La luz de este fondo tiene un espectro de energía que corresponde a una única temperatura, cualquiera que sea la dirección en la que miremos. Según las ecuaciones de Einstein, esto no debería ser posible ya que fué emitida hace miles de millones de años, cuando el universo era mucho más pequeño, y regiones que hoy en día estan separadas por más de un grado en el cielo, entonces no estaban en contacto causal, luego no podrían haberse puesto de acuerdo en emitir fotones con la misma temperatura. A esas regiones causales se les conoce como horizontes, y son una característica ineludible de la estructura del espacio-tiempo.

 

2          Cosmología inflacionaria.

La solución vino de la mano de la física de altas energías, que postuló un periodo de expansión acelerada anterior a la formación de los primeros elementos, llamado inflación. De manera que regiones que estaban en contacto causal durante inflación dejaron de estarlo debido a la rápida expansión, que las sacó fuera del horizonte. Más tarde, cuando la inflación termina y se genera toda la materia, la expansión decelerada hace que vuelvan a entrar en el horizonte. Luego la razón por la que vemos regiones separadas en el cielo con la misma temperatura es una consecuencia directa de ese proceso inflacionario, que dio el pistoletazo de salida a la expansión del universo. La dinámica responsable de la inflación aún no se conoce. La teoría postula un campo escalar efectivo similar al de Higgs cuya densidad de energía acelera el universo. El origen de este proceso inflacionario bien podría ser una fluctuación cuántica del propio espacio-tiempo, a escalas de energías próximas a las de la gravedad cuántica, caracterizadas por la masa de Planck, diecinueve órdenes de magnitud mayor que la masa del protón y muy lejos de poder ser explorada con los actuales aceleradores de partículas.

 

3          Fluctuaciones cuánticas y formación de galaxias.

La enorme densidad de energía responsable del proceso inflacionario hizo que el universo se expandiera al menos treinta órdenes de magnitud, hasta tamaños del órden de un centímetro. Esta fenomenal expansión allanó cualquier grumo que pudiera tener el universo primordial y lo hizo extraordinariamente plano (esto es, Euclídeo). Lo interesante es que las propias fluctuaciones cuánticas del campo del inflatón perturbaron la métrica del espacio-tiempo, dejando su huella en forma de ondas, similar a las que deja la marea en la arena cuando se retira. Al final de la inflación, la enorme densidad de energía se transformó de forma explosiva (de ahí el nombre de “Big Bang”) en otras partículas de materia y energía que llenaron esas huellas. Cuando observamos el fondo de radiación de microondas se pueden ver los grumos de materia, en los cuales se dispersan los fotones antes de viajar hacia nosotros, como pequeñas desviaciones respecto a la temperatura común del fondo. Estas pequeñas perturbaciones de materia fueron creciendo conforme se expandía el universo, hasta formar las galaxias y cúmulos de galaxias. Las propiedades estadísticas de las fluctuaciones en la temperatura del fondo de microondas y las perturbaciones en la densidad de galaxias concuerdan entre sí y están de acuerdo con las predichas por el paradigma de inflación. Sin embargo, estas fluctuaciones no nos permiten todavía medir la escala de energía a la que este proceso ocurrió. Para ello es necesario tener en cuenta que, además de grumos de densidad, la inflación genera ondas gravitacionales, cuya amplitud es proporcional a la escala de inflación. Si en un futuro próximo detectamos las huellas dejadas por las ondas gravitacionales en la polarización del fondo de radiación, podremos determinar dicha escala de energía. Hay varios experimentos tomando datos en estos momentos y varios satélites propuestos, y su detección abriría la exploración de nueva física a gran escala de energía, inalcanzable por los actuales y futuros aceleradores de partículas.

 

4          El recalentamiento después de Inflación: el Big Bang.

Como hemos descrito antes, al final de inflación se genera toda la materia y energía en un proceso explosivo asociado a la desintegración del campo del inflatón, que llamamos el Big Bang. El proceso es tan violento que debió dejar un fondo de ondas gravitacionales que eventualmente seremos capaces de detectar, aunque su frecuencia típica está muy lejos del rango de sensitividad de los detectores actuales como LIGO. Antes del Big Bang, la enorme expansión inflacionaria del universo diluyó toda la materia que pudiera haber habido antes, luego solo quedaba el campo homogéneo del inflatón, es decir, la entropía del universo era aproximadamente cero. Con la fenomenal conversión de energía en el Big Bang se formaron de golpe trillones de trillones de partículas (concretamente diez elevado a noventa partículas), y por tanto una enorme entropía. Desde ese momento, el univeso se expande lentamente de forma cuasiadiabática, sin producción de entropía. En termodinámica cuántica hay un límite (descubierto por Bekenstein) a la cantidad de entropía que puede almacenar una región finita del espacio. La máxima entropía se alcanza cuando todo el sistema en dicha región llega al equilibrio termodinámico. A pesar de la enorme producción de partículas y entropía al final de inflación, el universo tenía un tamaño tan grande que la máxima entropía que podía contener era aún mucho mayor que la generada en el Big Bang. Eso ha permitido que en la evolución posterior del universo sea posible tener procesos que creen estructuras ordenadas que disminuyen la entropía, a costa de la entropía total del universo, que aumenta. Hoy en día los procesos de formación de galaxias por colapso gravitacional son capaces de crear orden porque aún nos queda un potencial enorme de aumento de entropía antes de llegar al equilibrio termodinámico. Esto explica, entre otras cosas, que sea posible que se dé la vida en nuestro universo, pues crea orden a costa de la entropía total, algo que obsesionaba a Lord Kelvin y a Ludwig Boltzmann a finales del s.XIX, que no entendían por qué no habíamos llegado ya a la muerte térmica en un universo eterno e infinito. Luego inflación no solo explica por qué es plano y homogéneo nuestro universo, sino que da el pisoletazo de salida del Big Bang y determina las condiciones iniciales de baja entropía que permiten la vida. Esta propiedad de inflación no suele discutirse, pero resulta esencial para comprender nuestra existencia en el universo.

 

5          Metauniverso: la estructura a muy gran escala del universo.

Nosotros observamos una región finita del universo, aquella de la cual nos llegan fotones y ondas gravitacionales desde el origen del universo. Esta región es una esfera centrada en la Tierra, con radio aproximado de cuarenta y seis mil millones de años luz, y constituye un horizonte físico. Puede parecer inmenso, inabarcable, pero esa región no comprende todo el universo. Aunque no nos llegue luz, sabemos que hay espacio-tiempo más allá de este horizonte ya que observamos que nuestro universo observable es aproximadamente euclídeo, con una curvatura espacial menor del 0.1%, luego al menos el espacio se extiende unas mil veces más allá del universo observable.

En el contexto de inflación,  el universo es esencialmente infinito, nuestra región del universo surgió hace trece mil ochocientos millones de años, pasó por un periodo inflacionario y más tarde decayó generando todo lo que vemos, pero hay regiones del universo muy alejadas de nosotros que podrían estar aún sufriendo dicho proceso de expansión acelerada. Es más, según el paradigma de inflación, dichas regiones podrían ser muy distintas de la nuestra, incluso con distintas constantes fundamentales como la masa del neutrino o la constante de interacción fuerte o el contenido de materia oscura. Hablamos por tanto de un “metauniverso”, donde las características locales no tienen por qué ser universales. Es cierto que esta estructura a muy gran escala de universo está tan lejos que no tenemos ninguna evidencia de su existencia, luego es más especulativo que ninguna de las otras predicciones de inflación.

 

6          El futuro de la expansión del universo.

En estos momentos conocemos con bastante precisión el contenido de materia y energía del universo observable. Sabemos que además de materia similar a aquella de la cual estamos hechos, hay una enorme cantidad de materia oscura, posiblemente agujeros negros primordiales, generados cuando el universo tenía menos de un segundo. También hay una pequeñísima densidad de energía (así llamada oscura) responsable de la aceleración actual del universo, que por el momento no somos capaces de distinguirla de una constante cosmológica. Pues bien, el futuro de la expansión del universo depende muy sensiblemente de la naturaleza de dicha energía oscura. Si es una constante fundamental, entonces el universo se seguirá expandiendo de forma acelerada y diluyéndose hasta que cada galaxia terminará aislada, en lo que se conoce con el Big Chill. Alternativamente, si la energía oscura decae en materia, como ocurrió al final de inflación, podría terminar en un Big Crunch. Finalmente, si la energía oscura crece con el tiempo, entonces la aceleración se hace cada vez mayor e incluso la estructura del espacio-tiempo sufre un desgarro y terminamos con un Big Rip. Ninguna de las tres alternativas son atractivas, pero su realización dependerá del contenido de materia y energía del universo observable. Por ello se están estudiando enormes cantidades de galaxias, en grandes regiones del espacio, para poder determinar con mayor precisión cuál es la naturaleza de la energía oscura y por tanto el destino del universo. Creo que el esfuerzo bien vale la pena.

Figure Caption: El proceso inflacionario se describe como una canica (cuya posición determina el valor del campo del inflatón) cayendo en un cuenco (cuya altura determina la densidad de energía del campo). La enorme energía aproximadamente constante del inflatón acelera el universo de forma casi exponencial. Al final de inflación las oscilaciones del campo alrededor del fondo del potencial recalienta el universo, generando toda la materia y energía que observamos. Llamamos Big Bang a este proceso y es tan violento que tuvo que producir enormes cantidades de ondas gravitacionales, que eventualmente serán detectadas.

 

Bibliografía:

“El universo inflacionario”, Alan Guth, Investigación y Ciencia, Nº 94, Julio 1984

“El universo inflacionario autoregenerante”, Andrei Linde, Investigación y Ciencia, Nº 220, Julio 1995

“El universo elegante”, Brian Green, Ed. Crítica, Drakontos (2006).

 

 

Juan García-Bellido Capdevila

Doctor Física Teórica

Catedrático, Universidad Autónoma de Madrid

 

Juan García-Bellido Capdevila

Profesor de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid e investigador del Instituto de Física Teórica del CSIC.

Autor de más de centenar y medio de artículos en revistas especializadas, es un cosmólogo teórico reconocido internacionalmente. Discípulo de Andrei Linde, ha trabajado en el CERN, el Imperial College de Londres y la Universidad de Stanford.

Sus investigaciones cubren un amplio rango de fenómenos, desde el origen del universo en términos de la teoría de la inflación cosmológica, hasta la formación de galaxias y la naturaleza de la materia y energía oscuras.

Es un amante de la música y de la pintura. Está casado y tiene dos hijos.

¿Un futuro para la ciencia? - Bernardo Herradón

¿Un futuro para la ciencia? Una visión desde la química.

(Por Bernardo Herradón)

Capítulo 72 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos, estamos rodeados de ciencia. Como se indicará más adelante, los beneficios que obtenemos de la ciencia (y sus aplicaciones, la tecnología) superan con mucho a sus posibles riesgos o perjuicios. También hay que tener en cuenta que la mayoría de los aspectos negativos relacionados con la ciencia y la tecnología se deben a su mal uso.

En este capítulo nos aventuramos a hacer pronósticos sobre el futuro de la ciencia, especialmente de la química, basándonos en su evolución reciente, sin olvidar alguna llamada de atención sobre aspectos que pueden hacer peligrar su progreso.

 

1          ¿Habrá ciencia en el futuro?

Esta parece una pregunta de fácil respuesta, ¿cómo no va a existir la ciencia?, ¡con la inmensa cantidad de comodidades y avances que nos proporciona! Sin embargo, hay signos preocupantes que no hacen ser muy optimista sobre el futuro ni tan contundente en esta respuesta. Estas señales son globales, pero se acentúan en países con poca tradición científica, como España. Algunos aspectos preocupantes son:

1.1 Baja percepción social de la ciencia.

Muchas personas no son capaces (o no quieren) de reconocer lo que la ciencia ha hecho por su calidad de vida; e, incluso se destacan aspectos negativos puntuales, tales como “la contaminación ambiental”, “el miedo a los transgénicos”, “la desconfianza sobre métodos para producir energía”, etc.

1.2 Pobre cultura científica.

La sociedad actual aprecia ciertos valores; en los que, por desgracia, la cultura (sin calificativos) no ocupa un papel predominante. Algunos de los asuntos indicados en el párrafo anterior tienen que ver con la falta de cultura del receptor de la información.

1.3 El ‘éxito’ de las pseudociencias.

Como consecuencia de las situaciones comentadas en los dos párrafos anteriores, estamos invadidos por numerosas actividades que, sin base científica, nos “las venden” como científicas. Entre estas podemos citar la relacionadas con la medicina (con la homeopatía, los movimientos anti-vacuna como actividades más destacadas o la mal llamada ‘medicina alternativa’) [1], que supone un peligro para la salud individual y colectiva; o falsas creencias (la astrología es un ejemplo significativo); o las religiones que se mezclan con la ciencia; entre otras.

1.4 El papel de los científicos.

Muchos científicos son responsables de la crisis por la que está pasando la ciencia. En este aspecto podemos destacar dos facetas: su resistencia a transmitir conocimiento (cultura científica) y la ‘exageración’ a la hora de destacar sus logros. En octubre de 2013, la revista The Economist publicó el extenso informe How Science goes Wrong sobre aspectos negativos para la ciencia, como la irreproducibilidad de resultados, la retirada de artículos por mostrar datos incorrectos, etc.

1.5 La política científica.

Por desgracia, en algunos países como el nuestro, la cultura, la educación y la ciencia nunca son prioridades políticas [2]. Comentar que debido a la gravísima crisis económica que estamos padeciendo, las inversiones en estas áreas han disminuido considerablemente. Para la ciencia esta situación es catastrófica, especialmente en dos aspectos. Por un lado, está produciendo que muchos proyectos de investigación se tienen que paralizar (así como el mantenimiento de grandes equipos) y será mucho más costoso y trabajoso si se tienen que retomar en el futuro. Por otro lado, la esperanza de los jóvenes de realizar una carrera científica se está viendo frustrada.

Por lo tanto, vista la situación de la ciencia actualmente, nos podemos preguntar si merece la pena hacer predicciones de futuro sobre la ciencia, su desarrollo y sus aplicaciones. Sin embargo, seremos optimistas y pensaremos que las deficiencias apuntadas en los párrafos anteriores son coyunturales y que habrá ciencia en el futuro. Antes de ir a las predicciones, conviene recordar los beneficios de la ciencia para la humanidad.

 

2          Lo que la ciencia nos proporciona.

Desde los albores de la humanidad con la generación y control del fuego, hemos visto progresos considerables que han desembocado en la situación actual con una civilización tecnológicamente muy desarrollada, en la que gracias a la ciencia tenemos:

2.1 Una vida más larga.

El aumento de la esperanza de vida al nacer se ha duplicado en poco más de 100 años, principalmente debido a los avances médicos basados en desarrollos científicos en diversas áreas.

2.2 La vida es más saludable.

Monitoriza nuestra salud. Proporciona medicinas que curan nuestras enfermedades, piezas de recambio para nuestro cuerpo, palia dolores y achaques.

2.3 Agua pura y potable.

Gracias a una combinación de procesos químicos y químico-físicos, disponemos de agua que podemos beber, usar para nuestra higiene o regar nuestras plantaciones.

2.4 Cuidado del ganado y animales de compañía.

El aumento en la esperanza de vida también se hace patente el resto de animales, en particular, el ganado y los animales de compañía.

2.5 Más y mejores alimentos.

Disponemos de campos más productivos y un ganado más cuidado. Una vez producido el alimento, lo podemos conservar más tiempo en mejores condiciones.

2.6 Nos proporciona energía.

Calor en invierno, frescor en verano, electricidad para la iluminación, nos permite circular en vehículos, etc.

2.7 Nuestra vida cotidiana es más cómoda.

Con el uso de electrodomésticos, la iluminación, el transporte, etc.

2.8 Objetos de nuestra vida cotidiana.

Hace que nuestras ropas y sus colores sean más resistentes y atractivos; mejora nuestro aspecto con perfumes, productos de higiene y de cosmética; contribuye en la limpieza del hogar y de nuestros utensilios; ayuda a mantener frescos nuestros alimentos; y prácticamente nos proporciona todos los artículos que usamos a diario.

2.9 Facilita el ocio.

Actividades como el deporte, la jardinería, la lectura, escuchar música, etc. le deben mucho a la ciencia.

2.10 Estar a la última en tecnología.

Disponer del ordenador más potente y ligero, el teléfono móvil más versátil y con una batería duradera y ligera, el sistema más moderno de iluminación, el medio de transporte adecuado, el material para batir marcas deportivas; y muchas aplicaciones más.

2.11 “Alimenta” el espíritu.

Este aspecto no hay que desdeñarlo. El ser humano es la única especie del planeta que puede disfrutar del placer de aprender, ahondar en el conocimiento. Esta es una faceta en la que la investigación básica juega un papel fundamental.

 

3          ¿Es la ciencia predecible? ¿Deben los científicos hacer predicciones?

La respuesta a la primera pregunta es SI y NO.

3.1 Ciencia predecible.

La ciencia predecible permite avanzar lento pero seguro; esto no es negativo, pues contribuye a satisfacer la mayoría de las necesidades del ser humano. La ciencia predecible es el resultado del diseño basado en el conocimiento previo. Por poner un ejemplo. Imaginemos que necesitamos una sustancia química para tratar una enfermedad y que este fármaco solo supone una ligera mejora respecto a lo anteriormente conocido (esta mejora puede ser debida a muchos factores: más actividad biológica, mayor facilidad de absorción, más fácil dosificación, más estabilidad in vivo, etc.) y que, con los conocimientos actuales de la química, podemos prepararla con ‘relativa’ facilidad. La ciencia lo hace y se consigue un ligero avance usando ciencia predecible.

3.2 Ciencia no predecible.

La ciencia no predecible es en la que se obtienen resultados inesperados. Una vez que se ha confirmado que los resultados son reproducibles, los científicos deben explicar estos resultados. Este tipo de resultados son los que dan origen a las revoluciones científicas. Como ejemplo nos puede servir todos los resultados sorprendentes que se obtuvieron a finales del siglo XIX y principios del siglo XX, como los descubrimientos de los rayos X y de la radiactividad, las pruebas de la existencia del electrón, el efecto fotoeléctrico, los experimentos de bombardeo de láminas metálica con partículas a, etc. Todos estos hallazgos requirieron el desarrollo de nuevas teorías para explicarlos, dando lugar al nacimiento de la mecánica cuántica.

3.3 ¿Deben los científicos predecir?

Por otro lado, ¿deben los científicos predecir? La respuesta es SI. Como Whitesides ha expuesto, hay varias razones [3]:

a) planificar nuestro trabajo

b) alimentar nuestra curiosidad

c) por razones filosóficas, pues la ciencia y la tecnología son importantes elementos culturales en nuestro tiempo y sociedad

d) por razones éticas: ¿qué investigación no deberíamos hacer?

e) los científicos y la ciencia se deben implicar en los cambios sociales

f) la sociedad espera que los científicos especulemos con el futuro.

 

4          El futuro: ciencia básica.

Aunque estamos jugando a adivino, los pronósticos se basan en algunos avances científicos recientes que deberán desarrollarse en las próximas décadas. Aunque en el título de este apartado se menciona la ‘ciencia básica’, estamos de acuerdo con la frase de Pasteur de que “no existen áreas de la ciencia a las que podamos llamar básica y aplicada, sino que existe la ciencia y sus aplicaciones”.

Sin embargo, como se discutirá en el apartado siguiente, la ciencia debería avanzar para satisfacer las necesidades del ser humano; pero siempre recordando que, históricamente, la inmensa mayoría de los dispositivos que usamos actualmente han surgido de investigaciones básicas que no pretendían ninguna aplicación práctica.

Actualmente en todas las ciencias se vive una situación ‘excitante’, con avances espectaculares recientes que deberían ser confirmados y desarrollados en las próximas décadas. A continuación, se apuntan algunas áreas de desarrollo futuro en las cinco ciencias básicas.

4.1 Física.

El principal objetivo de la física es, nada más y nada menos, que entender las leyes que rigen el universo y expresarlas en forma matemática. La confirmación experimental de la existencia del bosón de Higgs y los hallazgos que se están produciendo en el LHC y en otros aceleradores de partículas suponen un avance considerable en el modelo estándar que intenta explicar la interacción entre la materia y la energía desde el punto de vista de las interacciones fundamentales (electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil); pero aún queda mucho por descubrir. Algunos de los mayores avances en física estarán relacionados con la teoría cuántica de la gravitación (y la detección del gravitón, la partícula que media en esta interacción), la materia oscura, la energía oscura y el origen del universo. El reciente anuncio de la detección de ondas gravitacionales también es un progreso muy importante para entender el origen y destino del universo.

4.2 Biología.

El objetivo de la biología no es menos importante que el de la física: entender qué es la vida y su evolución. La biología moderna se sustenta en dos aproximaciones científicas: la evolutiva y la molecular, frecuentemente unidas. En los últimos años hemos presenciado avances espectaculares en la filogenética de numerosos seres vivos, especialmente del ser humano, basado en los progresos de la biología molecular. Este tipo de investigaciones, en la frontera entre la biología y la paleontología, se seguirá desarrollando en las próximas décadas. Recientemente se han publicado avances impresionantes en la denominada biología sintética. Dejando aparte denominaciones tan llamativas (y falsas) como “que los científicos juegan a ser Dios”, esta área científica puede ayudarnos a entender los aspectos básicos de lo que constituye la vida y su evolución.

4.3 Geología.

En geología se seguirá avanzando en la comprensión de las erupciones volcánicas y en los terremotos, que pueden servir para su predicción. La investigación de objetos extraterrestres supondrá un tema de interés para las próximas generaciones de geólogos.

4.4 Matemática.

La mayoría de los matemáticos seguirán investigando en temas que, aparentemente, no tienen aplicaciones prácticas; sin embargo, como se ha demostrado a lo largo de la historia, muchos desarrollos científicos en matemáticas han tenido aplicaciones en áreas científicas y tecnológicas en áreas muy distantes [4].

4.5 Química.

Finalmente, la química debería seguir cumpliendo el papel que lleva realizando desde hace más de 200 años: proporcionar los materiales que usamos en nuestra vida cotidiana (la química es la ciencia de las cosas cotidianas), lo que se discutirá más adelante. Sin embargo, la química también tiene que desarrollarse en algunos aspectos que establezcan de manera inequívoca sus fundamentos, (lo que ya ocurre en física). Este objetivo se logrará a través de la matematización de la química, lo que servirá para: a) establecer sus bases teóricas; b) interpretar más fácilmente los resultados; y c) aumentar el poder de predicción. Los avances en matemáticas, física y ciencias de la computación serán de gran ayuda para alcanzar estos objetivos. El desarrollo en el área frontera entre la química y las matemáticas también tiene implicaciones en la filosofía de la ciencia, pues puede ayudar a profundizar en las relaciones entre estas dos ciencias y la física (con las dos opciones extremas: el reduccionismo y el autonomismo).

 

5          El futuro: las aplicaciones de la química.

¿Qué debe hacer la ciencia, en general, y la química, en particular, en el futuro? La respuesta es fácil. Como en los dos últimos siglos: la química debe satisfacer las necesidades de la sociedad.

Aunque no sabemos cuales serán estas necesidades, podemos anticipar que, tal como está la sociedad actualmente, las áreas (muy amplias) que tendremos que atender son:

5.1 Energía.

Actualmente nuestra sociedad es consumidora en exceso de energía. Esto es consecuencia de nuestro progreso. La energía que consumimos procede principalmente de los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón). Los inconvenientes son graves: recursos limitados, no renovables, y contaminantes. Además, desde el punto de vista químico, quemar derivados del petróleo supone que estamos gastando miles de compuestos químicos que suponen las materias primas con las que fabricamos bienes de consumo, principalmente los plásticos y polímeros con infinidad de aplicaciones. El futuro de la energía depende del uso de fuentes renovables de energía (por ejemplo, la solar), que convertiremos en electricidad. La química está desarrollando procesos y materiales con lo que se puede aprovechar más eficientemente la energía solar y almacenar de manera adecuada energía eléctrica (pilas, baterías, supercondensadores, células de combustible, etc.).

5.2 Medio ambiente.

El deterioro medioambiental está estrechamente relacionado con nuestro consumo excesivo de energía. Si conseguimos los objetivos indicados en el apartado anterior, también contribuiremos a resolver el problema medioambiental. Es indudable que parte de la culpa de la alta contaminación ambiental se debe al uso excesivo y no adecuado de sustancias químicas. La química contribuirá implantando procesos industriales que sean medioambientalmente más adecuado (la conocida como química verde y química sostenible), sustancias químicas menos perjudiciales e investigando métodos para eliminar contaminantes ambientales, como por ejemplo procesos que sean capaces de eliminar el dióxido de carbono o los óxidos de nitrógeno de la atmósfera.

5.3 Salud.

La química seguirá proporcionando compuestos biológicamente activos que se podrán usar como fármacos. También se desarrollarán biomateriales que servirán para reparar o reemplazar partes de nuestro cuerpo, un área de intenso desarrollo actualmente. Con sustancias químicas se estudiarán procesos biológicos con implicaciones en el desarrollo de enfermedades (la química como una herramienta en biomedicina).

5.4 Alimentos y agua.

La química seguirá contribuyendo a que los campos sean más productivos, mejoraremos la calidad de los alimentos, haciéndolos más seguros. Un aspecto importante es que tenemos que conseguir métodos de purificación de agua que sean transportables a cualquier lugar del planeta.

5.5 Materiales tecnológicos.

El futuro dependerá de tener instrumentos eficientes, pequeños y atractivos que sean útiles en nuestro trabajo, ocio y vida cotidiana. Dentro de estos desarrollos tenderemos a la miniaturización (la nanotecnología es el futuro y la química tiene mucho que aportar) en dispositivos electrónicos, mejores equipamientos deportivos y muchas más aplicaciones.

5.6 Aspectos sociales.

Además, la ciencia del siglo XXI tiene que cumplir una función social, contribuyendo a las acciones de igualdad (de género y entre países). Concretamente, la química debe contribuir a la mejora de las condiciones de vida (salud, higiene, alimentación, agua) de los países en vías de desarrollo.

Para lograr todos estos objetivos, miles de químicos de todo el mundo están investigando activamente para obtener y estudiar sustancias químicas (materiales y fármacos) con lo que abordar los retos indicados en los párrafos anteriores. Algunas áreas de desarrollo actualmente son:

-Máquinas moleculares

-Cristales líquidos más resistentes y energéticamente más adecuados

-Materiales con óptica no lineal

-Electrónica molecular

-Interruptores moleculares (en electrónica o en computación)

-Ordenadores moleculares

-Materiales quimioluminiscentes (conversión de energía química en luz)

-Diodos emisores de luz

-Antenas de luz (conversión de energía lumínica en química, centros fotosintéticos artificiales)

-Materiales nanoestructurados

-Equipos pequeños para monitorización (ambiental, salud, etc.)

-Almacenamiento y transporte de hidrógeno

-Almacenamiento y transporte de electricidad

-Producción eficiente de energía (con el menor impacto medioambiental)

-Convertidores de energía (química/lumínica/eléctrica).

-Nanocápsulas para transporte de fármacos

-Biomateriales: inertes biológicamente o que se integren en el tejido (funcionales)

-Purificación y potabilización de agua

-Fármacos para tratar enfermedades neurodegenerativas

-Compuestos para estudiar procesos biológicos con aplicaciones en biomedicina (interacción de proteínas, ácidos nucleicos, rutas de señalización, inmunología, etc.)

-Fármacos para tratar enfermedades raras

-Fármacos para tratar enfermedades de países en vías de desarrollo

Y todo esto, de manera eficaz; lo que, en química, significa: con el mínimo impacto ambiental, con el mayor aprovechamiento energético, y lo más barato posible.

 

6          Ciencia y futuro.

En este breve capítulo nos hemos atrevido a pronosticar algunos aspectos del futuro de la humanidad que dependerán del desarrollo científico y tecnológico. Estando de acuerdo con la frase (atribuida a Bohr) “hacer predicciones es difícil, especialmente sobre el futuro”, no queremos ponernos el gorro de futurólogos y lo apuntado en este capítulo debe considerarse especulativo.

Pero se puede afirmar que no sabemos cómo será el futuro de la humanidad, no sabemos cómo será el futuro de la ciencia, ni de la química; lo que sí sabemos es que SIN CIENCIA NO HAY FUTURO.

 

Notas:

[1] Realmente no hay alternativa a la medicina, por lo tanto este término es un oximoron.

[2] B. Herradón, Journal of Feelsynapsis 2013, # 11, 46. (JoF 2013, # 11, 46; http://jof.feelsynapsis.com/011/index.html )

[3] G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 3632.

[4] Este aspecto se discute en el artículo The unplanned impact of Mathematics, publicado en la revista Nature 2011, 475, 166. (Esta información está sacada de la página http://www.graphene-info.com/graphene-products).

 

 

Bernardo Herradón

Doctor en Química

IQOG - CSIC