miércoles, 31 de agosto de 2011

La Constitución de 9491 Thooft

El holandés Gerard ‘t Hooft es una de los grandes físicos de las últimas décadas. Su trabajo sobre la llamada interacción electrodébil mereció el Premio Nobel de Física en 1999, compartido con su colega Martin Veltman. En reconocimiento a su labor científica, en abril de 2000 la Unión Astronómica Internacional nombró a uno de los asteroides que orbitan en el Cinturón de Asteroides como 9491 Thooft. Entre sus vecinos está el asteroide B 612, que es el planeta imaginario de la novela El Principito, de Antoine de Saint-Exupéry.

Situación del asteroide 9491 Thooft el 30 de Agosto de 2011
(NASA/JPL).

¿Qué es lo que harías tú en caso de que hubiesen bautizado un asteroide con tu nombre? ‘t Hooft, con su peculiar sentido del humor, no tuvo dudas: escribir una constitución para que sus futuros habitantes la aprueben el día de su futura independencia. El primer borrador de la Constitución de 9491 Thooft fue concebido el 17 de abril de 2000, y cuenta con los siguientes catorce artículos:

Artículo 1
9491 Thooft tiene una zona territorial de 137,036 km en todas direcciones, medido desde su centro de masas inercial.

Artículo 2
Todo extranjero que llegue a 9491 Thooft debe estar en posesión de:
Ø    Un visado de visitante (V-1) si va a permanecer en 9491 Thooft por un periodo menor a un año 9491 Thooft.
Ø Un visado de inmigrante (I-1) para aquellos que vayan a permanecer de manera indefinida.
Ø   Un visado de vuelo (F-1) para aquellas naves tripuladas y no tripuladas que quieran entrar en la zona territorial.

Artículo 3
La cantidad de dificultad burocrática requerida para obtener cualquiera de los visados anteriores debe ser siempre menor que la mitad de lo que deben soportar los postdoctorados extranjeros y sus familias cuando desean pedir un trabajo temporal en Holanda. Esto incluye desde luego la ciudad de Utrecht. (Nota: ‘t Hooft es catedrático de Física de la Universidad de Utrecht, de ahí la referencia explícita a la ciudad.)

Todas las regulaciones burocráticas publicadas que afecten a los habitantes o visitantes de 9491 Thooft sólo se aplicarán cuando y donde sirvan para un objetivo razonable. Las reglas generales no pueden ser instituidas sin excepciones, para tener en cuenta aquellos casos en que puedan ser contraproducentes y dañinas.

Si, en una delegación del gobierno, alguien tiene que esperar en la cola durante más de 15 minutos, el funcionario en cuestión está obligado a pedir perdón humildemente y explicar la razón de la tardanza.

Artículo 4
Ya que la Unión Astronómica Internacional no ha podido colocar un apóstrofe en el nombre de 9491 Thooft, se perseguirá el uso de apóstrofes en todo el territorio de 9491 Thooft. No se permitirá en el asteroide el uso de teclados que tenga un apóstrofe. (Nota: para conocer algunas peculiaridades de la grafía de su apellido, podéis ver aquí su propia explicación.)

Aclaración: No sólo se ha quitado el apóstrofe del nombre, sino también el espacio entre t y Hooft, y se han cambiado las letras mayúsculas. Sin embargo, como los espacios antes y después del nombre todavía están presentes, y ya que la t se puso en mayúsculas, se admiten teclados con barras espaciadoras y letras mayúsculas. Se debe corregir otro malentendido: si su nombre es D'Arcy, u O'Connor, o # & '!' 96, usted puede visitar el asteroide, pero durante la visita, y en su visado, estos nombres serán deletreados como: Darcy, Oconnor y # &! 96. Huelga decir que la frase anterior de la aclaración no se mostrará en las versiones de la Constitución usada en el asteroide.

Artículo 5
Toda industria en 9491 Thooft debe hacer uso de unidades métricas o de unidades de Planck, con la excepción de las unidades de tiempo descritas en el Artículo 12. En particular, se declaran ilegales las millas, las pulgadas y los galones. (Nota: puñalada explícita a los ingleses, sí señor.) Se prohíbe el uso de unidades gaussianas, esu o emu. El tensor métrico debe darse con la convección de signo (-+++).

Artículo 6
Todas las bibliotecas y edificios universitarios en 9491 Thooft deben permanecer abiertos de día y de noche, a pesar de la duración de los días y las noches en 9491 Thooft.

Artículo 7
Aunque la forma exacta de 9491 Thooft sea actualmente desconocida, se debe castigar cualquier comparación con cifras obscenas o productos de comida insanos.

Artículo 8
Aquellos que sean sorprendidos ensuciando 9491 Thooft no deben ser multados, pero sí serán condenados a la limpieza de la región del delito, a la satisfacción de las autoridades locales.

Artículo 9
Los formularios fiscales en 9491 Thooft nunca deben ser más largos que una página. Se define una página como un trozo de texto que no contiene más de 600 palabras. A su vez, una palabra no puede contener más de 12 letras, siendo una letra uno de los, como máximo, 127 símbolos diferentes.

Aclaración: estas especificaciones detalladas fueron exigidas por, al menos, un lector atento que, justificablemente, no confía en ningún burócrata, ni siquiera en los de 9491 Thooft. Los 127 símbolos incluyen minúsculas, mayúsculas, números, comas, guiones, etc., pero, por supuesto, el apóstrofe queda excluido.

Artículo 10
Mientras los científicos en 9491 Thooft seguirán la búsqueda de teorías unificadas del Universo, la unificación del Cinturón de Asteroide también recibirá un fuerte impulso. 9491 Thooft buscará la manera de incorporarse a un posible Cinturón Unido de Asteroides, aunque no a costa de su propia herencia cultural y lingüística, o de su Constitución.

Artículo 11
Privilegios como la admisión en una universidad deben decidirse exclusivamente sobre la base de una capacidad demostrada, no sobre la base de raza, sexo, religión, información directamente sacada del genoma de alguien, o cualquier clase de sistema de lotería.

Artículo 12
Los años y los días se cuentan de acuerdo con los períodos orbitales y períodos de rotación. El día del descubrimiento por C. J. van Houten e I. van Houten-Groeneveld (con el telescopio Schmidt en el Observatorio Palomar), el 25 de marzo de 1971 en la notación de la Tierra, será el Día 0 del Año 0.

Aclaración: no repetimos el loco error de los cristianos, que comenzaron con el día 1 del año 1. Los nombres de nuestros héroes nacionales serán por supuesto deletreados como C.J. Vanhouten e I. Vanhouten-Groeneveld. Un año 9491 Thooft dura 1203.5927 días de la Tierra, o 3.295 años de la Tierra (posibilidad de futuras correcciones no excluidas).

Artículo 13
No se permiten armas de ninguna clase en o debajo de la superficie de 9491 Thooft, o dentro de su zona territorial. Se define un arma como cualquier objeto construido con el objetivo de matar o dañar a la gente. Este artículo se aplica a todas las clases de armas.

Estos artículos cubren armas de mano así como armas de destrucción masiva, sin tener en cuenta que se apunten con ellas a habitantes del asteroide o a algún otro miembro de la raza humana. Una de las consecuencias de este artículo es que no se puede aplicar violencia alguna en hacer cumplir la Ley, ya que los Oficiales de Aplicación de la Ley no estarán exentos de esta regulación. Se hace cumplir la ley únicamente mediante debate y persuasión, y la pena a los infractores será la exposición y el desprecio. Se les aconsejará continuamente que se marchen. Los jueces pueden condenar a un autor a llevar una etiqueta de identificación en la oreja, claramente visible e inamovible.

Artículo 14
9491 Thooft tiene libertad de religión. Esto implica que no se permiten los insultos acerca de las creencias religiosas de una persona, grupo o secta. Sin embargo, hay un límite fundamental de esta libertad. No se permite adorar o predicar la violencia hacia la gente u otras posibles formas de vida inteligentes. Si una religión está basada en una o varias escrituras sagradas que contienen páginas que abogan por la violencia contra no creyentes, excepto creyentes o seguidores de creencia diferentes, no se reconocerán aquellas páginas como sagradas.

Por lo tanto, los insultos dirigidos directamente a tales páginas están permitidos. Esta limitación fue olvidada por aquellas civilizaciones occidentales primitivas del siglo XXI en el planeta Tierra, un descuido que ha causado una confusión innecesaria entre sus habitantes.

Obtención del visado (anexo)
Se han recibido varias solicitudes para la obtención de un visado para el asteroide 9491 Thooft. Se necesita lo siguiente:
  1. Una copia de la primera página de su pasaporte, y una fotografía si no se muestra en su pasaporte.
  2. Una copia de su certificado de nadador. (Por favor envíe estas copias por correo electrónico como un .gif, .jpg u otro archivo reconocible.)
  3. Una prueba de que usted nunca ha sido golpeado por un meteorito.
  4. La cantidad de 94,91 florines Thooft en un cheque.
  5. Si usted solicita un visado de vuelo, se deben incluir los detalles de vuelo de su nave espacial.
En vista del Artículo 3 de la Constitución 9491 Thooft, sin embargo, sus burócratas están obligados a considerar con mucho gusto aquellas peticiones donde no se proporcionen todos, o ninguno, de los susodichos requisitos. Al candidato se le pedirá enviarnos sustitutos razonables.

¿Qué te ha parecido? Puedes ver la página web con la Constitución original aquí. Y si tienes alguna propuesta que hacerle, sólo tienes que escribirle a su correo electrónico, g.thooft@phys.uu.nl.

martes, 16 de agosto de 2011

El piquero enmascarado


video

Esta escena, grabada en las Islas Galápagos, es una de las más duras que he visto en un documental de animales. Unos cuarenta días después de poner sus dos huevos, nacen las crías del piquero enmascarado (masked booby, en inglés). Normalmente sólo eclosiona uno de los huevos, pero en el caso de que nazcan los dos, el segundo lo hace varios días más tarde que el primero –normalmente entre tres y siete días. Entonces ocurre un acto brutal, en el que el polluelo mayor y más grande, aprovechando la debilidad del hermano pequeño recién nacido, lo empuja sin contemplaciones lo más lejos posible fuera del nido. Todo esto sucede ante la impasible mirada de la madre, quien no moverá una pata para evitarlo ni para ayudarlo. Apartado del abrigo materno y sin fuerzas para volver a él, el polluelo desahuciado está sentenciado a muerte, víctima de la deshidratación o de algún depredador.

Como se explica en el vídeo, nadie comprende exactamente por qué siempre se produce este fratricidio y sólo sobrevive uno de los dos piqueros enmascarados. ¿Ponen los padres dos huevos como una póliza de seguro por si uno es destruido? ¿O se trata de una reliquia evolutiva del pasado, cuando la especie podía sacar cómodamente adelante a dos crías? Sea lo que sea, se trata de sistema muy eficaz para el piquero enmascarado, en un mundo en el que los riesgos son muy altos y lo que cuenta es la supervivencia de la especie. 

Fuente: Youtube

NOTA: Esta entrada participa en la Primera Edición del BioCarnaval de Verano que este mes alberga el blog Jindetrés, sal.


jueves, 11 de agosto de 2011

El arte de la simulación (científica)

Con este título podría parecer que vamos a analizar la afición de algunos jugadores de fútbol a dejarse caer en el campo...Pero no, eso lo dejo para otra ocasión

Esta vez hablaremos de una herramienta esencial para muchos científicos: la simulación por ordenador. Gracias a la enorme capacidad de cálculo de los ordenadores actuales, las simulaciones científicas permiten reproducir una realidad pasada o futura, o bien generar datos que los experimentos de laboratorio no pueden obtener. ¿Se puede contemplar la evolución de una galaxia joven en el Universo temprano? No, ya es un poco tarde para hacerlo. Pero sí se puede simular. ¿Podríamos seguir con detalle el flujo de las células sanguíneas y observar cómo se forma un coágulo en una arteria? No con la tecnología actual, aunque para eso está la simulación. ¿Qué pasará cuando se produzca un terrible terremoto en California? Como no conviene esperar a que ocurra, mejor simularlo antes.

Las simulaciones tienen además otra gran ventaja. Hoy en día, cualquier investigación genera una enorme cantidad de datos que son muy difíciles de manejar. Las simulaciones permiten visualizar esa montaña de datos en forma de vistosos gráficos, en los que el ojo humano puede buscar patrones que de otra manera sería mucho más complicado encontrar, incluso para un ordenador.

Hacer una simulación por ordenador que sea útil no es un trabajo sencillo. Hay que tener las herramientas apropiadas para hacerlo (software de animación en 3-D) y luego saber manejarlas (lenguaje de programación). Como la labor de un investigador es ya por sí sola bastante compleja, muchos acuden a científicos especializados en este tipo de procesos. También hay que tener en cuenta la gran cantidad de recursos que puede consumir una simulación. Para conseguir datos útiles en un tiempo prudencial, pueden ser necesarios millones de horas de procesamiento (media hora de un ordenador personal de doble núcleo a pleno rendimiento equivale a una hora de procesamiento).

Para premiar las simulaciones científicas más destacadas del 2010, se convocó una competición llamada la “Noche de la Visualización”, dentro del programa anual SciDAC (Scientific Discovery Through Advance Computing), del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Siendo una competición organizada en Estados Unidos por un departamento federal de ese país, ya te puedes imaginar de dónde eran mayoritariamente los participantes. (Evidentemente, también hay simulación científica fuera de Estados Unidos, pero habrá que esperar a otra entrada para comprobarlo.)

De los treinta y dos participantes, dos simulaciones merecieron un premio del comité científico, y otras ocho recibieron el reconocimiento del público por su trabajo. Revisemos las simulaciones galardonadas a continuación:

PREMIOS DEL JURADO

Categoría de estética visual

MAGNETISMO EN UN NÚCLEO ACTIVO DE GALAXIA


Es muy probable que todas las galaxias tenga en su centro un agujero negro supermasivo –cientos de millones de veces más grande que el Sol-. Algunos, como el agujero negro de la Vía Láctea, son relativamente tranquilos. Pero otros engullen materia vorazmente de un enorme disco giratorio de gas y polvo. Los astrónomos llaman a dichos objetos núcleos activos de galaxias (AGN, de sus siglas en inglés), por los poderosos chorros de radiación que emiten, y que pueden llegar a ensombrecer al resto de la galaxia.

Además de radiación, los núcleos activos de galaxias también aceleran partículas cargadas que generan un campo magnético. Aunque este magnetismo es extremadamente débil, esta simulación sugiere que juegan un papel importante en la configuración del universo visible.

Este modelo muestra  las líneas de campo magnético de un AGN alrededor de seis mil millones de años después del Big Bang, situado en un cubo cuyo tamaño representa el universo observable.

Simulación: P.M. Sutter, P.M. Ricker, H.-Y. Yang, G. Foreman, D. Pugmire /ORNL

Categoría de Presentación de la Información

TURBINAS CAPTURADORAS DE CARBONO


Los modelos por ordenador pueden ayudar a los investigadores a emular sus resultados experimentales y cuantificar las fuerzas en juego —y luego llevarlas a los extremos.

Un buen ejemplo es esta simulación de una tecnología impulsada por una turbina, diseñada para capturar el dióxido de carbono generado por las industrias de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural).

El proceso se basa en aplicar velocidades supersónicas a la compresión de choque del dióxido de carbono para conseguir que sea más fácil de almacenar. La simulación de arriba se complementa a la perfección con los experimentos que se llevan a cabo en la realidad en túneles aerodinámicos, lo que permite que los ingenieros mejoren rápidamente los prototipos.

Esta simulación forma parte de otra más grande que necesitó aproximadamente 2 millones de horas de procesador.

Simulación: M. Matheson, A. Grosvenor, A.A. Zheltoyodoy/Ramgen Power Systems/Khristianovich Insitute/ORNL

PREMIOS OTORGADOS POR EL PÚBLICO

FLUJO DE SANGRE



Para explorar las interacciones microscópicas entre células sanas de la sangre (rojo) y células enfermas (azul), los investigadores realizaron esta simulación donde aplicaron conceptos de física de fluidos y dinámica de partículas.

En la primera parte del vídeo, células de la sangre y partículas de plasma (pequeñas esferas) circulan por una arteria. Los cortes de diversos colores a través de la arteria revelan la velocidad de los componentes sanguíneos.

Una segunda simulación muestra cómo las plaquetas rellenan un aneurisma potencialmente letal, es decir, una dilatación localizada en un vaso sanguíneo debido a un debilitamiento de la pared vascular.

Este tipo de simulaciones del flujo de la sangre arterial pueden arrojar luz sobre la adhesión de células a las paredes de la arteria y la formación de coágulos.

Simulation: L. Grinberg, G. Karniadakis, D. Fedosov, B. Caswell, J.A. Insley, M.E. Papka/Brown University/ANL


TERREMOTO DE MAGNITUD 8


A pesar de que los sismólogos están muy atentos a las fallas de la corteza terrestre, las rupturas masivas son muy poco frecuentes como para entenderse bien.

Para comprobar el comportamiento de grandes terremotos a lo largo de la falla de San Andrés, el científico Amit Chourasia y sus colegas, del Centro de Supercomputación de San Diego, han creado un modelo de terremoto de magnitud 8 en el “peor escenario posible”.

La simulación, la más completa que se ha hecho hasta ahora de este tipo, ha llevado la friolera de 5,3 millones de horas de procesamiento para computarla y condensa unos cuatro minutos de tiempo después de una fractura de la falla en Parkfield, a medio camino entre Los Ángeles y San Francisco. La mayor parte de la energía liberada se transmite hacia el sur, pero, a diferencia de anteriores simulaciones de terremotos, ésta muestra el movimiento esporádico de zonas terrestres a una altura exagerada. También llama la atención que las ondas todavía se estén agitando en Los Ángeles (debido, al parecer, a reverberaciones en el subsuelo de la zona), mientras la ruptura sigue su curso y el frente de ondas se acerca a San Diego.

La simulación revela un frente cónico de energía que recuerda al cono de Mach, un fenómeno producido por los aviones cuando superan la velocidad del sonido. Esto no se había visto en anteriores simulaciones y no se sabe si ocurrirá en la vida real. Pero por lo menos ya tienen una buena idea de su aspecto en caso de que existan.

Simulación: A. Chourasia, Y. Cui, K. Olsen, T. Jordan, K. Lee, J. Zhou, P. Small, D. Roten, G. Ely, D. Panda, J. Levesque, S. Day, P. Maechling /SDSC /SDSU /USC/OSU/Cray, Inc./ORNL/NSF

MAGNETISMO ESTELAR


Los astrofísicos saben que el magnetismo del Sol produce la aparición de manchas solares, esto es, erupciones en la fotosfera solar que pueden lanzar enormes chorros de partículas energéticas al espacio.

Pero el proceso por el cual se forman estas manchas no está claro todavía. Las últimas predicciones sobre el ciclo solar más reciente han fallado: en lugar de una actividad elevada, ha sido bastante tranquilo de momento.

Brown y otros están modelando los campos magnéticos en estrellas como el Sol para entender cómo funciona. En particular, quieren saber cómo el magnetismo estelar responde y dirige el flujo de gases calientes cerca de la superficie de una estrella.

Para su sorpresa, los científicos han descubierto perturbaciones en la corona que pueden preceder a la aparición de una mancha solar. Por desgracia, se encuentran justo en el límite de la resolución de su modelo, y seguramente haya que hacer otra simulación mucho más detallada para observar estas estructuras.

La animación de arriba comprime aproximadamente cinco años de fluctuaciones magnéticas. Es una parte de una simulación de 75 años de duración que ocupó entre 4 y 8 millones de horas de procesamiento para computarla.

Simulation: C. Brownlee, B. Brown, J. Clyne, C. Touati/NSF/NCAR

MAGNETISMO DE LA ONDA DE CHOQUE DE UNA SUPERNOVA


Las estrellas y los núcleos galácticos activos no son los únicos objetos que generan magnetismo difícil de observar.

Algunas estrellas masivas mueren como violentas supernovas, y los astrofísicos piensan que la onda de choque de la explosión puede crear campos magnéticos, los cuales pueden modelar el aspecto del remanente millones de años después de la gigantesca explosión de la estrella.

Para estimar qué aspecto tendría este magnetismo y cómo influiría en el flujo de material que acompaña a la onda de choque, el científico David Pugmire del Laboratorio Nacional Oak Ridge y un equipo de astrofísicos han creado esta simulación.

Aunque no tan compleja como otras simulaciones galardonadas, su simplicidad es reveladora. La simulación congela el tiempo justo después de la explosión de una supernova y muestra cómo las líneas de campo magnético apuntan a una estrella de neutrones central, que es lo que queda de muchas supernovas.

Simulación: E. Endeve, C. Cardall, R. Budiardja, A. Mezzacappa, D. Pugmire/ORNL.

ACELERADORES DE PLASMA


Los aceleradores de partículas hacen chocar los componentes de la materia a velocidades cercanas a las de la luz, en un intento de recrear lo que ocurrió poco después del Big Bang. El problema es que este tipo de máquinas requieren mucho espacio y dinero para construirse. El LHC, por ejemplo, se extiende unos 27 kilómetros y ha costado cerca de 10.000 millones de euros.

Los científicos ya están buscando nuevas alternativas a la tecnología convencional para reducir su tamaño y coste. Una de ellas tiene como elementos principales un láser y plasma. Si se dirige un haz de láser hacia un plasma, se genera una enorme perturbación que se propaga por el plasma en forma de onda. El potente campo eléctrico que se crea acelerará a cualquier partícula cargada que se encuentre en su camino a casi la velocidad de la luz, todo ello en apenas un metro de espacio.

Esta tecnología todavía está en desarrollo. Para que llegue a desbancar a los aceleradores tradicionales es necesario que sea totalmente estable, en cuanto a la energía y carga de cada emisión. No es el caso ahora mismo. Precisamente este tipo de simulaciones ayudan a mejorar el diseño para conseguirlo.

Simulación: E. Cormier-Michel, D.L. Bruhwiler, M. Durant, D. Kindig, V.H. Ranjbar, B.M. Cowan, J.R. Cary C.G.R. Geddes, M. Chen, O. Ruebel / LBNL /Tech-X Corp.

RADIACIÓN DE GALAXIAS JÓVENES



Los investigadores sospechan que el universo se expandió desde un punto extremadamente caliente y denso hasta el universo actual durante un período de unos trece mil millones de años. Saber lo que pasó exactamente entre medias es difícil de decir, pero los modelos por ordenador pueden hacer predicciones útiles.

Un enigma que los cosmólogos tratan de resolver con simulaciones es hasta qué punto las características de las estrellas jóvenes han configurado el universo actual; en concreto, su gravedad, su dinámica interna y su radiación.

Las simulaciones de arriba son instantáneas del Universo tal y como pudo haber sido hace mil novecientos millones de años. Los bordes de los cubos miden cada uno aproximadamente 36 millones de años-luz de ancho, y su interior contiene cúmulos de galaxias.

La simulación de arriba a la izquierda modela la densidad y las interacciones gravitatorias de la materia visible, y la de arriba a la derecha modela la hidrodinámica de la materia oscura (materia de origen desconocido que supone el 83 por ciento de toda la materia en el universo). El cubo de abajo a la izquierda simula la salida de luz de estrellas primordiales sin metal, mientras que el cubo de abajo a la derecha muestra cómo esa luz podría ser absorbida y emitida de nuevo por el gas circundante y el polvo.

Todas las simulaciones ocuparon aproximadamente 2 millones de horas de procesamiento para generarse. Son tan intrincadas que, meses después de su creación, los físicos todavía rebuscan entre los datos para ver lo que hay.

Simulación: R. Harkness, D.R. Reynolds, M.L. Normal, R. Wagner, M. Hereld, J.A. Insley, E.C. Olson, M.E. Papka, V. Vishwanath/SDSC/Southern Methodist Univ./Univ. of Chicago/ANL

SISTEMA DE PROTECCIÓN PARA AMENAZAS DE ALTURA


Cuando las tropas se establecen en áreas de conflicto, se enfrentan a la amenaza de disparos de mortero. Un simple tejado no puede detener este tipo de ataques.

Para eso está el “sistema de cobertura por lo alto” (traducción patatera de “overhead coverage system”) del ejército de Estados Unidos, una estructura que podría montarse en cuestión de horas y que cubriría blancos fáciles y desprotegidos como puede ser un comedor en el frente.

La simulación de arriba muestra cómo la onda explosiva podría dirigirse lejos de las tropas con un diseño de dos capas. Una capa externa hecha de un metal ondulado hace detonar el explosivo mientras que una capa interior protege la estructura y dirige la onda expansiva hacia los lados abiertos del tejado. Hay que decir que el diseño de la capa interior es confidencial: no se sabe de qué está hecha.

(NOTA: Que esto merezca una mención especial en un concurso de simulaciones científicas sólo pasa en Estados Unidos.)

Simulación: C. Price, J.A. Sherburn, D. Nelson, J. McCleave, M. Stephens, R. Hand, K. George, and Mi. Valenciano/DoD

TURBULENCIAS EN GRANJAS EÓLICAS


Por alguna razón, muchas granjas eólicas no son tan eficientes como sus ingenieros esperaban. Para averiguar lo que falla en la conversión de energía eólica a energía eléctrica, los investigadores realizaron esta simulación.

"Las turbinas tienen estelas, y tratamos de entender como estas estelas afectan a las turbinas río abajo," dijo el informático Kenny Gruchalla del Laboratorio de Energía Renovable Nacional.

Los modelos, que se centran en los remolinos de aire y agua alrededor de las láminas de la turbina que gira, pueden dirigir la colocación de futuras series y maximizar su salida.

Simulación: K. Gruchalla, M.J. Churchfield, P.J. Moriarty, S. Lee, Y. Li, J.K. Lundquist, J. Michalakes, A. Purkayasthra, M.A. Sprague/NREL


FUENTE: Wired

martes, 2 de agosto de 2011

Una capa de invisibilidad temporal


Leí la noticia hace casi un mes y tengo que reconocer que me quedé boquiabierto. En los últimos tiempos, los científicos están realizando grandes progresos para conseguir la llamada capa de invisibilidad, que oculta objetos de forma similar a como lo hace la capa de Harry Potter. Pero la noticia no hablaba de una capa de invisibilidad “normal y corriente”, si me permites llamarla así. Esto iba más allá todavía: unos físicos del Imperial College de Londres afirmaban haber encontrado una forma teórica de ocultar, no objetos, sino algo más alucinante todavía…¡sucesos! Sí, has leído bien. Sucesos, eventos, hechos, como lo quieras llamar. Básicamente, se trata del mismo principio físico que hace posible las capas de invisibilidad, pero en vez de ocultar cosas en el espacio, esconde eventos en el tiempo. E igual que un observador no sería capaz de ver un objeto cubierto por la capa de invisibilidad “espacial”, tampoco podría observar un suceso oculto con esta flamante capa de invisibilidad “temporal”, aunque ocurriese delante de sus ojos. 

¿Verdad que parece increíble?

Esquivar la luz
Pero empecemos por el principio, intentando comprender cómo funciona una capa de invisibilidad “espacial”, que ya tiene su miga. Hasta hace una década se creía que era una idea más propia de la ciencia-ficción, pero en la actualidad estamos mucho más cerca de hacerlo realidad, gracias a los llamados metamateriales, unos materiales con unas sorprendentes propiedades que no se pueden encontrar en la naturaleza.

Un metamaterial de fibra de vidrio con
celdas de cobre (dominio público).
¿Qué son los metamateriales? Se trata de estructuras artificiales creadas en el laboratorio a partir de elementos naturales como metales (cobre, plata,…) o semiconductores, como el silicio. Los científicos disponen estos elementos de manera minuciosa a escalas diminutas, cientos de veces más pequeñas que el grosor de un pelo. Según la disposición exacta y la distribución concreta de sus elementos, los científicos puede conseguir que la luz tenga un comportamiento “anómalo” al atravesarlos. Por ejemplo, pueden modificar el índice de refracción en el interior de un metamaterial, de tal manera que la luz lo rodee, en vez de atravesarlo o reflejarse. La idea es similar a lo que hace el agua de un río cuando se encuentra una roca: la rodea y luego se vuelve a juntar, sin que quede ninguna huella de su presencia.

Imagínate que construyes un metamaterial así y envuelves con él un objeto cualquiera. Como el metamaterial impide que la luz llegue a iluminarlo, entonces no podrías verlo, ni tan siquiera el más mínimo reflejo o sombra. En cambio, podrías ver los objetos que se encuentran a su espalda, ya que la luz lo rodearía. Si no puedes ver un objeto y sí lo que tiene por detrás, ¡entonces es que se ha vuelto invisible! En la práctica, este metamaterial funcionaría como una capa de invisibilidad. 

Como decía al principio, los científicos realizan progresos continuamente. Empezaron construyendo capas de invisibilidad para luz de determinadas longitudes de onda que el ojo no puede captar, como la llamada radiación de microondas. Luego se fueron acercando al espectro visible de la luz, cuya longitud de onda está comprendida entre los 380 y los 780 nanómetros. (Cada longitud de onda del espectro visible la captan nuestros ojos como un color diferente.) Y, atención a la noticia de última hora, por primera vez se ha conseguido diseñar un material que oculta objetos a la luz visible. La capa de invisibilidad "espacial" está más cerca que nunca, por no decir que ya se ha logrado.

Un pollo en la autopista
El concepto de una capa de invisibilidad temporal es ligeramente diferente. Para explicarlo vamos a recurrir a una analogía muy ilustrativa que utiliza Paul Kinsler, uno de los cerebros de la idea de la capa temporal. Imagínate que un pollo se encuentra al borde de una autopista, por donde circulan los coches a una determinada velocidad constante. Lejos de allí se encuentra un Observatorio de Tráfico, que vigila la circulación de los coches. El pollo quiere llegar al otro lado de la autopista sin perturbar el tráfico, de forma que su acción pase desapercibida para el Observatorio. Si cruza sin más, obligaría a los coches a pegar un brusco frenazo o a cambiar su trayectoria para esquivarlo, lo que alteraría la normal circulación de los coches. La maniobra, además de provocar un accidente, sería fácilmente reconocible por el Observatorio. ¿Cómo puede hacerlo entonces?

Crédito: Paul Kinsler, Imperial College of London

La idea es la siguiente. En un momento dado, los coches que superan al pollo aceleran, y los que todavía no han llegado hasta él frenan, de tal manera que se forma un hueco en el tráfico. Entonces el pollo aprovecha la ocasión para cruzar rápidamente la autopista sin ser atropellado por los coches. Una vez que el pollo ha alcanzado su objetivo, los coches de delante deben frenar, al mismo tiempo que los de atrás aceleran. Así se reestablece la circulación y todo vuelve a la normalidad. El pollo no ha interaccionado en ningún momento con los coches, ya que éstos siguen manteniendo la misma trayectoria inicial; sólo han frenado y acelerado en ese tramo, pero de tal manera que estas aceleraciones y deceleraciones no cambian la velocidad media que llevaban. En consecuencia, cuando los coches llegan al Observatorio de Tráfico, no hay ninguna evidencia de que un pollo haya cruzado la autopista.

Veamos la secuencia completa en esta imagen animada:

Crédito: Paul Kinsler, Imperial College of London

La capa de invisibilidad temporal
Por extraño que parezca, así es cómo funciona una capa de invisibilidad temporal. Sólo hay que sustituir los coches por fotones, el Observatorio de Tráfico por nuestros ojos y el pollo cruzando la autopista por el suceso que queremos ocultar. Ahora se entiende el sentido de la analogía anterior: el Observatorio de Tráfico recoge y analiza los datos del flujo de coches, de la misma forma que los ojos registran información de los fotones que impactan en la retina.

Veamos otro ejemplo más "real" que el pollo y la autopista. La escena se desarrolla ahora en la cámara acorazada de un banco. Las cámaras de seguridad graban todo lo que ocurre, puesto que los fotones que emiten las lámparas rebotan en los objetos de la habitación y alcanzan el objetivo de la cámara. Imagínate ahora que podemos manipular la velocidad de la luz, de tal manera que aceleramos los fotones antes de un momento dado y frenamos los fotones después de ese momento. Esto crearía un breve periodo de “oscuridad” en el flujo de fotones, como ocurría en el tráfico al acelerar y frenar los coches.

Ahora suponte que durante este momento de “oscuridad”, un ladrón entra en escena, abre la caja fuerte y roba el dinero, teniendo cuidado de dejar todo exactamente como estaba. Con la marcha del ladrón, el proceso de acelerar y frenar la luz se invierte, de manera que, cuando la luz alcanza las cámaras de vigilancia, todo tiene el mismo aspecto que antes. Si vieses lo que han grabado las cámaras, comprobarías que no hay ni rastro en ellas del robo de la caja fuerte. ¡Exactamente como si alguien hubiese editado la cinta y cortado esa escena! 

En definitiva, manipulando la velocidad de la luz en una región del espacio durante cierto tiempo podemos crear, al menos en teoría, una capa de invisibilidad temporal que puede ocultar eventos. Existen, sin embargo, dos limitaciones importantes. La primera es que la luz viaja muy rápido, casi 300,000 kilómetros por segundo en el vacío, por lo que habría que frenar y acelerar muchísimo los fotones para conseguir un hueco temporal apreciable. Por otro lado, como nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío, esta artimaña sólo funcionaría en un medio en el que la luz viaje con más lentitud que en el vacío, como ocurre en el interior de una fibra óptica. En tal caso, un suceso en el interior de un cable de fibra óptica –por ejemplo, una señal eléctrica que cambia de “on” a “off”- podría ocultarse a la vista. De todas maneras, según los expertos, todavía habría que esperar varios años para conseguir algo parecido.

Algo más que teoría
Hasta aquí era lo que había escrito acerca del tema cuando, el 14 de julio, me encuentro con esta noticia en Sciencie News: un equipo de la Universidad de Cornell, en Nueva York, reportan la primera prueba experimental de un “ocultamiento temporal”…¡Ya lo han conseguido! ¡Y los expertos pensando que podría tardarse años!

El equipo de Cornell, cuyo artículo todavía está pendiente de publicación en arXiv.org, manipuló la luz en un cable de fibra óptica utilizando una lente temporal, un dispositivo de silicio desarrollado para aumentar la velocidad en la transferencia de datos. Una parte de la luz que pasaba a través de esta lente se aceleró, y una parte se frenó, creando un hueco de oscuridad. Entonces, después de que la luz pasase el punto donde ocurría el suceso que se quiere ocultar, los científicos invirtieron el proceso mediante una segunda lente: la luz que había sido acelerada se frenó, y la que se había frenado se aceleró. De esta manera llegó intacta a su destino, sin que se registrase el hueco ni nada que hubiese pasado durante ese breve momento.

Esquema del experimento realizado por el equipo de Cornell.

El hueco apenas duró unas 15 milmillonésimas de segundo, pero fue suficiente para ocultar pulsos de luz creados dentro de la capa de invisibilidad. En teoría, este hueco temporal se podría aumentar a más de un microsegundo en un cable más largo, aunque para tiempos mayores, las imperfecciones de la técnica serían tales que se revelaría la presencia del hueco.

¿Y qué aplicaciones podría tener esto? De momento, queridos ladrones, está descartado que sirva para ocultar sucesos en nuestra vida cotidiana, como robar una caja fuerte. Según Paul Kinsler, se podría usar la capa para crear un hueco temporal en una corriente continua de datos, lo que permitiría usar dicho intervalo para tratar algunos datos de mayor prioridad, sin dejar rastro de esta manipulación. En realidad, la idea de una capa de invisibilidad temporal ya es en sí misma un avance conceptual significativo. Por ello, quizás su aplicación más importante puede ser simplemente tener una forma diferente de plantear el procesamiento de señales, lo que podría conducir a nuevas ideas para dispositivos y aplicaciones. El hecho que se haya conseguido tan pronto un experimento basado en este concepto teórico es una buena prueba.

Pues eso, que se abre todo un nuevo mundo de posibilidades...y yo sigo boquiabierto.




NOTA: Esta entrada participa en la XXII Edición del Carnaval de la Física, que organiza en esta ocasión BioUnalm.



REFERENCIAS:

1.    M. W. McCall et al, A spacetime cloak, or a history editor, J. Opt. 13, 024003 (2011).
2.   M. Friedman et al., Demonstration of temporal cloacking, 11 de julio de 2011. Pendiente de publicación en arXiv.org.