Ciencia Hoy

Celebrando 20 años del Telescopio Espacial Hubble

2010-04-23T12:39:00.000-07:00

Por Joel Jimenez

Dentro de la ciencia uno de los instrumentos científicos más poderosos es sin duda el telescopio espacial Hubble (HST). Los descubrimientos derivados de sus productos han revolucionado la investigación astronómica, desde la ciencia planetaria hasta la cosmología. Las imágenes captadas por el Hubble siempre son extraordinarias e impresionantes.

La NASA, ESA y STScI celebran los grandes hallazgos del Hubble con una “nueva” imagen dada a conocer hace unos días. Este evento celebra el vigésimo aniversario del lanzamiento y puesta en orbita del Hubble. La imagen destaca una pequeña porción de una de las más largas regiones observadas del nacimiento de una estrella dentro de la galaxia, la Nebulosa Carina. Carina es una larga y brillante nebulosa que rodea varios grupos de estrellas.

Nebulosa Carina (NASA/ESA). (Click for zoom)

La nueva escena es un remanente de las imágenes clásicas “Los pilares de la creación” obtenidas en 1995, y es de una apariencia fabulosa. Esta nueva imagen llamada la “Montaña Mística” captura la actividad caótica sobre uno de los pilares de gas y polvo espacial, de tres años luz de altura. El pilar es expandido desde su interior por las estrellas nacientes que arrojan fuertes corrientes de gas muy caliente y que son visibles durante sus movimientos por las cúpulas. Las corrientes de gas altamente ionizado fluyen fuera de las colinas de la estructura, que iluminadas por la luz estelar, parecen flotar alrededor. Las partes mas densas del pilar se resisten a la erosión de la radiación que reciben. Los colores en esta imagen compuesta corresponden al resplandor de oxigeno (azul), hidrogeno y nitrógeno (verde), y sulfuro (rojo).

La "Montaña mistica", id: heic1007a (NASA, ESA, M. Livio and the Hubble 20th Anniversary Team (STScI)). (Click for zoom)

Acercamiento a algunas estructuras de la "Montaña mistica". (NASA/ESA) (Click for zoom)

Video:

Telescopio Espacial Hubble

Vuelo de insectos: La capacidad de estabilización de la mosca de fruta.

2010-04-19T01:48:00.001-07:00

Por J. Jimenez

Cuando nos movemos a través de ambientes naturales requerimos de mecanismos que nos permitan el mantener estabilidad motriz en caso de variaciones impredecibles. En insectos voladores, las técnicas aplicadas en el andar de sus recorridos juegan un papel importante en el control del vuelo. La mosca, este insecto de dos alas y 4-10 mm de longitud, posee unas habilidades de vuelo increíbles. Cuando se encuentra en vuelo no es nada fácil alterar su trayectoria hacia su presa (sea fruta ó humanos), situación que cualquiera de nosotros habrá enfrentado alguna vez en la interminable batalla Hombre vs. Mosca. La insistencia de las moscas puede ser molesta, pero su habilidad para mantener un vuelo estable, aun en la presencia de interferencias, es impresionante.

Ristroph [1] y colegas han estudiado en detalle como las moscas de fruta se recuperan de perturbaciones durante el vuelo y proponen un mecanismo que explica la auto-estabilización que utilizan.

En sus experimentos Ristroph y colegas trazaron gráficamente el vuelo libre de la mosca de fruta (Drosophila melanogaster) utilizando un arreglo ortogonal de cámaras de alta velocidad (8000 imágenes/segundo)., ver Fig. 1. Se fijo a la mosca utilizando cables de carbón y acero de 1.5 mm pegados a su espalda con el fin de controlar de manera adecuada las perturbaciones durante su vuelo.

Fig.1 Reconstrucción tridimensional de la recuperación de maniobra.

Cuando la mosca entra a la sección de prueba, un disparador óptico detecta al insecto iniciando la grabación y activa un par de rollos de Helmholtz que producen un campo magnético. El campo y el alambre de acero están orientados horizontalmente, por lo que el torque que resulta sobre el alambre re-orienta el ángulo de viraje del insecto. Además, se usa un sistema de seguimiento de trayectoria para extraer la geometría tridimensional y los movimientos del ala. Los videos y datos obtenidos revelan que los insectos reaccionan a las perturbaciones mecánicas tratando de corregir su camino, y que esta reacción depende de la fuerza de la perturbación, ver Fig.2. Para perturbaciones que causaron deflexiones alrededor de los 45 grados, los insectos se recuperaron rápidamente. Típicamente regresaban a su trayectoria original dentro de menos de 60 milisegundos. Cuando se llevo más allá de los 45 grados, las moscas podían regresar, pero de manera menos precisa. Las moscas contrarrestan la rotación impuesta generando un torque aerodinámico al ajustar el ángulo del ala.

Fig. 2. (A) Movimiento de cuerpo y ala para un caso de corrección correcta. (B) Angulo de guiñada en función del tiempo medido en periodos de alabeo. (C) Diferencia del ángulo de ataque, experimental contra modelo de control proporcional-derivativo.

Estas investigaciones revelan que existe un mecanismo de auto-estabilización en el cual se usan cambios finos de la orientación del ala. Esto podría significar que mucho de la capacidad del vuelo de la mosca esta en función de la fortaleza y elasticidad de sus alas, con ello se reduce la necesidad de comando y control por su sistema nervioso. Esto es lo que se le llamaría un sistema de control “pasivo”.

Referencia:

[1] Ristroph L., Bergou A. J., Ristroph G., Coumes, K., Gordon, J. , Guckenheimer Z., Wang, J. Cohen, I., Discovering the flight autostabilizer of fruit flies by inducing aerial stumbles, PNAS, vol. 107, N. 11, March 2010, pp. 4820-4824.

Video (Vuelo):

Flies "swim" when they're flying from Science News on Vimeo.

Arte de la ciencia exacta

2010-04-09T00:31:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Anualmente la Sociedad Americana de Física (APS) en su división de mecánica de fluidos selecciona las mejores imágenes y exhibe una galería. La exhibición muestra imágenes maravillosas y sorprendentes de diversos fenómenos de flujo de fluidos, imágenes resultado de exploraciones experimentales y computacionales de investigadores de varias instituciones alrededor del mundo. La siguiente parte es una pequeña muestra de algunos de los ganadores.

Ondulaciones en delgadas capas de jabón (2009)
Las ondulaciones producidas en una delgada capa de jabón asemejan el flujo de aire de algún abanico de mano, esta imagen de un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Dinamarca fue creada usando un ventilador sobre una delgada capa lo que produjo esta admirable forma.

Burbujas producidas por pulsos laser (2009)
Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Nanyang en Singapur fotografiaron 25 burbujas de manera simultánea que fueron producidas usando pulsos láser hacia un líquido. En este arreglo –imagen tomada seis microsegundos después del impacto del láser- la presión de aire en las burbujas centrales es casi la misma que del flujo que la rodea. Esto permite a las burbujas aumentar su tamaño antes de colapsar. Sin embargo, las burbujas externas colapsan rápidamente debido a la alta presión del flujo exterior. Nótese que las burbujas en los bordes empiezan colapsar, mientras que las del centro casi han alcanzado su mayor tamaño.

Inestabilidad Kevin-Helmholtz con caracteristica fractal (2008)
Investigadores de la Universidad de Toulouse y la Universidad de San Andres, en Francia y en el Reino Unido, respectivamente, han producido una imagen de instabilidades de Kevin-Helmholtz con características fractales. La autosemejanza en las escalas puede verse en la serie de figuras (a)-(e) las cuales exponen la ruta hacia la turbulencia a través de un proceso fractal.

Acuario de microfluidos (2007)
Investigadores de la Universidad de California, E.U.A., han creado un mapa visual de dos flujos de fluido en un micro-canal (altura=100 micro-metros, ancho=2 mm) de forma de diamante. En esta imagen se muestran la influencia de las propiedades del fluido en la morfología del microflujo. Con ello se pretende investigar fenómenos como la mezcla, coalición, humedad, lubricación, etc. Se les han dado nombres de animales acuáticos a las figuras para una sencilla identificacion, por lo que se produce un “acuario de microfluidos”.

Caminando sobre agua (2003)
Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachussets han logrado visualizar el patrón de flujo que produce un insecto al caminar sobre el agua. Este insecto, -muy común en ríos, lagos- es soportado por la tensión superficial generada por la curvatura de la superficie. Su cuerpo y sus patas están cubiertos de miles de pequeños cabellos que permiten a sus extremidades el repeler la humedad. Además de lograr desplazarse al poner en movimiento sus patas centrales y que en el proceso transfieren momentum al fluido a través de vortices.

Video concursante.
Tornados en microcanales (Arizona State University).

Cuspides No-Newtonianas (UNAM)

En busca de soluciones a la crisis energética: Los reactores nucleares híbridos

2009-07-20T09:28:00.000-07:00

Por S. Almaraz

Con las reservas naturales de combustibles fósiles agotándose, los efectos que este tipo de combustibles tienen en el calentamiento global, el incremento en los costos y el crecimiento de la demanda mundial de energía a una tasa sin precedente, la era de los combustibles fósiles esta llegando a su fin. Existe una creciente urgencia global en generar energía libre de emisiones de carbón (CO2) y tener una fuente que garantice el suministro energético mundial y minimice el impacto ambiental.

La energía nuclear ha renacido como una alternativa ante esta crisis energética, aunque es indudable que no cuenta con aceptación en gran parte de la sociedad principalmente por cuestiones de seguridad y de manejo de los desechos radioactivos, diferentes avances científicos y tecnológicos estarían a punto de cambiar esta percepción.

Existen 2 formas de extraer energía de un núcleo: fisión y fusión. La fisión nuclear se logra rompiendo núcleos muy pesados como ciertos isótopos del uranio y el plutonio, para ello se necesitan neutrones que sean absorbidos por el núcleo lo que crea una configuración muy inestable dando lugar al rompimiento del núcleo (fisión nuclear) y liberando grandes cantidades de energía. Para generar energía nuclear sustentable se necesita un flujo constante de neutrones que genere constantemente el rompimiento de los núcleos, esto se consigue generando una reacción en cadena en donde el núcleo al romperse, también emite neutrones que son utilizados por otro núcleo y así sucesivamente.

Inversamente, la fusión nuclear se lleva a cabo cuando núcleos ligeros (usualmente se utilizan los isótopos del hidrogeno: deuterio y tritio) llegan a juntarse liberando energía y produciendo gran cantidad de neutrones. Este es el proceso que ocurre naturalmente en las estrellas, donde las condiciones de presión y temperatura son las adecuadas.

Los reactores nucleares actuales producen energía por fisión nuclear, con la desventaja de que también producen desechos radioactivos que deben ser almacenados hasta por cientos o incluso miles de años. Regularmente los desechos nucleares son almacenados en lugares especiales, pero también pueden ser procesados si son sometidos al adecuado flujo de neutrones, pues pueden ser transmutados en elementos de vida mas corta o incluso en elementos estables. La fisión nuclear produce aproximadamente 15 veces mas energía que la fusión nuclear, sin embargo, la fusión nuclear no produce desechos nucleares, pero las condiciones de confinamiento requeridas son muy difíciles de controlar y no existe aun producción comercial de energía por este método. Los avances tecnológicos y científicos requeridos para la explotación comercial de la energía por fusión nuclear se estima que tardaran alrededor de 20 a 50 años en llegar.

Los reactores híbridos de fusión-fisión, fueron concebidos para capitalizar las ventajas y minimizar las desventajas de ambos procesos. El proceso de fisión nuclear genera mucha energía pero necesita un flujo constante de neutrones y produce desechos radioactivos de muy larga vida. La fusión nuclear genera, con la actual tecnología, menos energía de la que consume pero produce muchos neutrones. La idea es construir una maquina hibrida, el centro de la cual consistiría de un reactor de fusión rodeado por desechos radioactivos que funcionarían como el material fisionable, todo dentro de un reactor de fisión. El reactor de fusión generaría los neutrones que son utilizados para mantener la fisión activa, el reactor de fisión produciría la energía necesaria para el funcionamiento del reactor de fusión, quitando la necesidad de mantener la reacción en cadena y en consecuencia teniendo más control sobre la generación de energía, lo que se traduce en más seguridad. Este tipo de reactor podría generar electricidad, producir energía como cualquier reactor de fisión convencional y proveer una forma de transmutar los desechos nucleares de vida muy larga en materiales no radioactivos o desechos con vidas mucho mas cortas.

Hoy en día existen 3 diseños de reactores híbridos, la parte critica se basa en el funcionamiento del reactor de fusión, ya que se necesita concentrar el combustible en una región muy confinada del espacio, para ello, 2 de los diseños se basan en confinamiento por campos magnéticos. El instituto tecnológico de Georgia propone un diseño basado en un el campo magnético anular (tokamak) en el cual el material fisionable (desechos nucleares de fisión) esta dentro de los magnetos del tokamak, rodeando el plasma de fusión.

En el concepto propuesto por la universidad de Texas, difiere en que el material fisionable se encuentra afuera del campo magnético.

En el laboratorio Nacional de Lawrence Livermore, se investiga el confinamiento inercial, el cual consiste en generar fusión nuclear enfocando láseres en una pequeña región del espacio donde se encuentra el combustible. En ambos casos, la fusión nuclear crearía neutrones que causarían fisión en el material fisionable. El proceso reduciría los desechos radioactivos hasta en un 99% a los generados por un reactor de fisión convencional, además de que al quemar estos desechos también se produciría energía.

Los reactores híbridos generarían una expansión mundial de la energía nuclear en forma segura y sustentable. Los científicos esperan hacer de la energía nuclear una alternativa más viable mientras se desarrollan otras formas de producción de energía como la energía solar, eólica o fusión pura.

Con el apoyo a la ciencia y la tecnología los gobiernos del mundo pueden resolver muchos de los problemas de la sociedad y salir de situaciones críticas que permitan una convivencia sustentable de toda la humanidad con nuestro entorno.

Referencias

M. Kotschenreuther, et al., Fusion-fission transmutation Scheme-Efficent destruction of nuclear waste, Fusion Enginnering and Design, 84 (2009) 83-88.

http://ptonline.aip.org/journals/doc/PHTOAD-ft/vol_62/iss_7/24_1.shtml

http://www.nature.com/nphys/journal/v5/n6/full/nphys1288.html

Simulación de fluidos usando dinámica molecular

2009-04-21T21:53:00.000-07:00

Nano and Micro Fluid Dynamics

Por Joel Jiménez

Un fluido es una sustancia que esta compuesta por átomos y moléculas. Las complejas estructuras que forman los fluidos al fluir emanan del movimiento colectivo de sus elementos constituyentes. La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos), así como las fuerzas que lo provocan. Además, se encarga de investigar la interacción del flujo de fluidos con su entorno. La mecánica de fluidos esta basada en la hipótesis del medio continuo, en esta se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y discontinuidades. Basado en esta hipótesis se desarrolla un conjunto de ecuaciones matemáticas, que provienen de principios básicos como conservación de masa, momentum y energía. El modelo matemático que gobierna el movimiento de los fluidos son las llamadas ecuaciones de Navier-Stokes.

Estela detrás de una placa plana en un flujo de agua (ONERA)

La hipótesis del continuo resulta inválida en sistemas donde existen escalas de longitud muy pequeñas, por ejemplo en escalas de micrómetros ó nanómetros. Las áreas de estudio a estas escalas son llamadas mirofluidica (sistemas como canales y tubos de longitudes menores a un milímetro) y nanofluidica (sistemas con longitudes menores a un micrón); como referencia el espesor de un cabello humano es de 100 micrones. Actualmente se dedica un gran esfuerzo en la ciencia y tecnología hacia el diseño y desarrollo de dispositivos a estas escalas. En estas escalas la mayoría de las simulaciones de fluidos son hechas por computadora. Las computadoras proveen una capacidad muy extensa en cálculos numéricos.

El área dedicada al estudio de movimiento de átomos y moléculas es conocida como Dinámica Molecular (DM). En la DM los átomos y moléculas interactúan por ciertos periodos de tiempo, la modelación incluye el uso de las representaciones matemáticas de la física (por ejemplo, leyes de movimiento clásicas) dando lugar al movimiento de los átomos. Cuando se incluyen un gran número de átomos la(s) computadora(s) enfrentan grandes dificultades, sin embargo con el constante avance en la computación las simulaciones moleculares son cada vez más rápidas y complejas. Richards y Krauss [1], han mostrado la extraordinaria capacidad de la dinámica molecular en simular un flujo a gran escala, ellos utilizaron 9 mil millones de átomos (cobre y aluminio a una temperatura de 2000 K) en una geometría cuasi-bidimensional, en ella se estudio la llamada inestabilidad de Kevin-Helmholtz. La inestabilidad de Kevin-Helmholtz ocurre cuando existe una velocidad de corte entre la interfase de dos fluidos, esto resulta en una estructura compleja de vórtices que da lugar a fenómenos de mezcla. Cabe agregar que aun cuando la dinámica molecular es muy útil, el uso de recursos es prohibitivo en simular problemas a escala humana, además de hacer difícil el trazar las relaciones entre los diferentes parámetros del problema.

[1] Atoms in the Surf: Molecular Dynamics Simulation of the Kelvin-Helmholtz Instability using 9 Billion Atoms, http://arxiv.org/abs/0810.3037

Video:

Simulación e inestabilidad Kevin-Helmholtz

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC)

2008-10-03T02:48:00.000-07:00

Por S. Almaraz

El LHC es el último y mas poderoso acelerador de partículas que se ha construido en el mundo, es un proyecto internacional de investigación en física de partículas basado en el laboratorio europeo CERN que se encuentra en Ginebra, Suiza. Aquí, físicos e ingenieros de 111 paises crearon y llevan a cabo actualmente el experimento científico más grande realizado en la historia de la humanidad.

Este gigantesco instrumento científico es un acelerador de partículas localizado 100 metros bajo tierra en la frontera entre Suiza y Francia, en donde 2 haces de partículas subatómicas llamadas "Hadrones" (los cuales en este caso seran protones o iones de Plomo) viajarán en direcciones opuestas dentro del acelerador, ganando energía con cada vuelta hasta alcanzar la energía máxima y chocar de frente, generando partículas jamas vistas que los científicos analizaran utilizando los diferentes detectores construidos y dedicados especialmente para el LHC.

Con sus 27 kilometros de circunferencia, el LHC es la máquina más grande y poderosa creada por el hombre; a su máxima potencia, los protones viajarán a 99.99% de la velocidad de la luz generando alrededor de 600 millones de colisiones por segundo a 14 TeV (tera-electronvoltios). En el instante en que los protones choquen de frente, se alcanzarán temperaturas 100,000 veces más altas que la del centro del sol. En contraste, el sistema cryogénico consiste de Helio superfluido que circula alrededor del anillo del acelerador, el cual lo mantiene a una temperatura de -271.3 °C, haciendolo aún más frio que el espacio exterior. Para evitar las colisiones con partículas de gas en el interior del acelerador, los haces de partículas viajarán en ultra alto vacio (tan vacio o más que el espacio interplanetario). Para detectar y registrar esta gran cantidad de eventos se han construido los detectores más grandes y sofisticados asi como el sistema de supercomputadoras más poderoso en el mundo.

Existen muchas teorias acerca de cuales serán los resultados de estas colisiones. El LHC ha sido construido para ayudar a encontrar respuestas a algunas de las preguntas fundamentales y aún sin resolver en la física de partículas. El conocimiento de las partículas fundamentales de las cuales esta hecho el universo y sus interacciones, esta encapsulado en lo que es conocido como el “Modelo Estándar” de la física de partículas. Sin embargo existen vacios en la teoria, los cuales se pretenden llenar con los datos experimentales arrojados por el LHC, solo estos datos pueden ampliar nuestro conocimiento e inclinar la balanza en favor de aquellos que buscan confirmación del conocimiento establecido o de los que sueñan desafiarlo.

¿Qué pasaría si algo sale mal en el LHC?, como se ha mencionado, este alcanzará energías jamás producidas por el hombre, ¿hay probabilidades de lo que se pretende crear con esta máquina nos destruya? Existen muchas dudas acerca de lo que descubrirá el LHC, por eso mismo, algunos miembros de la comunidad científica han demandado judicialmente al proyecto para que se haga una valoracion de riesgos [1]. El proyecto del LHC ha sido sometido y ha aprobado rigurosos exámenes de seguridad y confiabilidad.

El punto fundamental es que aunque el LHC alcanzará las más altas energías producidas en un acelerador de partículas, energías de esta magnitud o mayores, se producen a menudo en el espacio exterior, por ejemplo en los rayos cósmicos. Asi lo que se produzca en el LHC, es algo que la naturaleza ha estado produciendo continuamente. Además la máxima energía producida esta restringida a un pequeño volumen al interior de los detectores, los cuales estan diseñados para detectar, interactuar, localizar y detener todo lo que se produzca (a excepción de los neutrinos), ya que capturar todas las diferentes formas de energía es escencial para identificar que tipo de partículas se han producido. El peligro principal es para el acelerador mismo, la mayor preocupación es que la energía pueda ser deflectada hacia las paredes, la linea del haz o los imanes del LHC, lo que causaría grandes destrozos. Por ello, el LHC esta equipado con varios sistemas de seguridad automáticos los cuales monitorean todas las partes críticas del acelerador y si algo no esperado en el funcionamiento sucede se cortará la energía automaticamente y se desviará el haz de partículas hacia un tunel dispuesto para disipar la energía en forma segura.

Algunas preguntas sin respuesta…

Los científicos creen que nuestro unvierso se originó a partir de una explosión inimaginablemente violenta a la que se le conoce como “Big Bang”, a partir de ahi, el unvierso se ha ido enfriando y volviendo menos energético. Se piensa que muy temprano en el proceso de enfriamiento, la materia y las fuerzas que forman nuestro universo se condensaron a partir de esta bola de energía, sin embargo no se entiende cómo y por qué se desarrollo el universo de la manera que lo vemos ahora. Las colisiones que se produciran en el LHC recrearan en microescala las energías y las condiciones que existieron en el universo millonésimas de segundo después del Big Bang, dando respuesta a algunas de las preguntas fundamentales y mas audaces de la ciencia.

El bosón de Higgs y el misterio de la masa.

Sabemos que algunas partículas como el electrón o los quarks, tienen masa, sin embargo, otras como los fotones no tienen, la pregunta es entonces ¿qué es la masa?, o ¿por qué algunas particulas tienen masa y otras no? La respuesta mas aceptada propone la existencia de un campo (el campo de Higgs) el cual permea todo el universo e interactua con solo algunas partículas dandoles masa. Si la teoria es acertada el campo de Higgs se debe revelar como una partícula, el bosón de Higgs, la cual deberia ser producida y detectada a las energias del LHC.

Las partículas super-simétricas y el universo invisible.

Todo lo que vemos en el universo, desde un grano de arena hasta las estrellas y galaxias, pasando por los seres vivos, estamos hechos de materia, el problema es que juntando toda la materia en el unvierso solo llegamos al 4% del mismo, ¡No sabemos qué es o de qué esta hecho el otro 96%! Se cree que la materia obscura y la energía obscura forman esta parte desconocida, sin embargo son muy difíciles de detectar y estudiar. La teoria de la supersimetria sugiere que todas las partículas tienen compañeros supersimétricos que aún no han sido detectados, pero si existen, el LHC deberia encontrarlos. Una possible explicación es que la materia obscura consista de partículas supersimétricas.

La antimateria.

Al principio de nuestro universo, el Big Bang debio haber creado cantidades iguales de materia y de antimateria, pero cuando materia y antimateria se juntan, se aniquilan produciendo energía. Sin embargo, en algun momento, de alguna manera una pequeña fracción de materia debió haber sobrevivido para formar nuestro unvierso como lo vemos hoy, aunque se ha detectado la antimateria y se sabe que algunas partículas decaen en antipartículas, no se entiende porque la naturaleza parece tener preferencia hacia la materia sobre la antimateria. Uno de los experimentos del LHC esta dedicado a encontrar las diferencias en el decaimiento de las partículas producidas y determinar que paso o donde esta la antimateria.

El quark-gluón plasma y los secretos del Big Bang.

La materia como la conocemos esta formada por átomos, los cuales contienen nucleos compuestos por protones y neutrones, los cuales a su vez, estan hechos de quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones. Esta interaccion es muy fuerte y hasta ahora no se han encontrado quarks aislados. Sin embargo se cree que durante los primeros microsegundos despues del Big Bang, el unverso pudo haber contenido una muy caliente y densa mezcla de quarks y gluones a la que se le llama el quark-gluón plasma. Cuando nucleos de Plomo colisionen en el LHC, se daran las condiciones que recrearán ese temprano estado en la evolución del unvierso, proporcionando información muy importante acerca de este estado de la materia.

Las extra-dimensiones del espacio y los universos ocultos.

Einstein mostro que las tres dimensiones espaciales y el tiempo estan relacionados creando un universo de 4 dimensiones. En la actualidad muchos físicos piensan que el universo tiene más dimensiones, por ejemplo la teoria de cuerdas sugiere que existen dimensiones espaciales adicionales a las observadas. La fuerza de gravedad no se ajusta de una manera cómoda a las descripciones de las demas interacciones del unvierso, es ademas mucho más débil que las otras fuerzas fundamentales. Una posible explicación es que nuestro universo sea parte de una realidad multi-dimensional más grande y que la gravedad pueda influir en las otras dimensiones, lo que la haria parecer mas débil que las demas interacciones. El LHC puede permitirnos obtener evidencia de esas extradimensiones, por ejemplo, con la producción de hoyos negros miniatura los cuales entrarian y saldrian de nuestro unvierso en una pequeña fracción de segundo.

Todas estas preguntas y posibles respuestas hacen que el LHC sea esperado con gran entusiasmo por la comunidad científica internacional, los resultados que arroje pueden ser totalmente inesperados, ¡pero eso es parte del proyecto! Cabe señalar que el LHC no creará un nuevo universo, ya que aunque pretende recrear a microescala las condiciones que se dieron poco despues de que se inicio el Big Bang, no poseé la energía para crear las condiciones del Big Bang mismo. De acuerdo a los reportes de seguridad [2], no existe la posibilidad de que hoyos negros microscópicos producidos en las colisiones se traguen la tierra, o que se creén perturbaciones que destruyan nuestro universo. Los investigadores esperan confirmar predicciones hechas a partir de teorias y experimentos previos. Sin embargo, parte de la excitación del proyecto es que pueden descubrir hechos totalmente nuevos acerca de la materia y del origen del universo de los cuales pronto seremos testigos.

REFERENCIAS

http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/

http://www.lhc.ac.uk/

[1] http://www.lhcdefense.org/

[2] http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf

Video:

LHC (CERN TV) y El LHC rap

La Política y el uso del Miedo

2008-09-28T18:22:00.000-07:00

Por J. Jimenez

La política es una actividad humana con el fin a gobernar o dirigir la acción del estado en beneficio de la sociedad. Esta es una actividad orientada, ideológicamente, a la toma de decisiones de un grupo para el logro de unos objetivos. La ideología política esta en general compuesta de dos propiedades, la económica y la social. Por lo que su clasificación entra en cierto espectro que depende de la afinidad a estas dos propiedades. Por ejemplo, pudiera clasificarse en totalitarismo, conservadurismo, socialismo o liberalismo.

En una nación democrática, la organización del Estado o gobierno, es elegida mediante el voto de la sociedad, y con ello cierto grupo o individuo político obtendrá legitimidad a representarlo por la obtención mayoritaria del voto. Así, la intención del voto del individuo (influenciada por su ideología política), es muy importante por grupos políticos diversos. Por ello es importante para los grupos políticos la influencia que pudieran tener en malear esta intención (que es cada día mas evidente en el uso mediático de la información con fines políticos), pero es aun de mas importancia que el ciudadano tenga conocimiento y no dar cabida a artimañas inapropiadas.

Una persona puede sentirse afín a cierta ideología, y en base a ella demuestra una actitud hacia ciertos temas sociales, como el aborto, inmigración, penas capitales, libertad de expresión, seguridad social, etc. La actitud individual a estos temas siempre se ha relacionado a su estatus económico, familiar, de amistad y educación.

La investigación de Oxley, D. y colegas [1] sugiere que las posturas políticas pudieran tener bases biológicas. Esto es, que hay variaciones en sus posturas al someter a los individuos a estrés físico. Ellos tomaron un grupo de participantes con fuertes creencias políticas, individuos con una medible baja sensitividad hacia ruidos abruptos e imágenes intimidantes eran mas afines a políticas como: inmigración liberal, pacifismo, control de armas, mientras que individuos con una medible mayor reacción fisiológica al mismo estimulo fueron mas afines a favor de la defensa del gasto económico, pena capital, patriotismo y políticas de guerra.

La investigación conducida indica que las respuestas del individuo esta correlacionada en que la persona fuera liberal o conservadora socialmente hablando. Los métodos empleados fue dar a los participantes dos pruebas y medir su respuesta fisiológica a la intimidación. Primeramente se utilizo equipo para medir su conductancia de la piel, la cual se sabe aumenta con el estrés emocional en respuesta al aumento de su humedad. A estos se les mostraron imágenes fuertes, como personas ensangrentadas. La otra medida se dirigió al parpadeo involuntario a eventos de sobresalto, como ruido abrupto muy fuerte.

Los grupos se dividieron en dos, en uno se encontraban aquellos con interés en proteger la “unidad social”, dentro de este grupo están aquellos que soportan fines como, pena de muerte, actos patrióticos, obediencia, verdad bíblica. Y a su vez se oponen al pacifismo, inmigración, control de armas, sexo premarital, boda homosexual, derechos al aborto y pornografía. El otro grupo eran participantes con menor interés de la “unidad social”.

En la primera grafica (izq.) se muestra el resultado de la medición de la conductividad, los participantes que mostraban mayor interés en proteger la “unidad social” se distinguieron por mostrar un incremento (en azul) en la conductancia cuando el estimulo de intimidación se les presentaba. Aquellos que presentaban un menor interés en la “unidad social” se vieron casi no afectados. En la segunda grafica (der.) se muestra el resultado del estudio del parpadeo al estimulo de sobresalto, similarmente a las mediciones previas mostraron mayor sensibilidad en individuos que apoyan las políticas de protección de la unidad social (en azul).

Fig.1. Cambios en la conductancia de la piel al exponer a imágenes intimidatorias (izq). Cambios en la media del parpadeo en respuesta a sonido abrupto de individuos afines a políticas sociales de protección (der.). Ref. [1]

Como conclusión esta investigación sugiere que la afinidad política varía con la exposición a intimidación fisiológica, y que se relaciona con la experiencia y procesamiento de estas amenazas ambientales. Con esto, se presenta como una posible explicación al hecho de falta de maleabilidad en creencias a individuos con fuerte convicción política.

Referencia:

[1] Oxley, D. R., Smith, K. B., Alford, J. R., Hibbing M. v., Miller, J. L., Scalora, M., Hatemi, P. K., Hibbing, J. R., Political Attitudes Vary with Physiological Traits, Science, vol. 321, 19 Sept. 2008.

The Shock doctrine (video):

Los Huracanes y el aumento de su fuerza

2008-09-07T22:38:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Un ciclón tropical es caracterizado por una baja presión en su centro y numerosas tormentas eléctricas que producen vientos muy fuertes y una gran cantidad de lluvia. De acuerdo a su localización y fuerza, los ciclones tropicales suelen ser nombrados también como: Huracán, tifón, depresión tropical o simplemente ciclón. Es sabido que estos forman parte del sistema de circulación atmosférica que permite el movimiento del a calor del Ecuador a mayores latitudes. La temporada en que los huracanes tienen su máxima actividad es al final del verano, cuando la temperatura superficial de los océanos es más cálida

Este año la temporada de huracanes parece ser más agresiva que en tiempos anteriores, científicos han presentado evidencia firme que muestra que el calentamiento global ha influido en el incremento de la intensidad de las tormentas extremas a nivel global.

Argumentos teóricos y simulaciones computacionales indican que los vientos de los ciclones tropicales aumentan al incrementar la temperatura oceánica. Elsner J., Kossin J. y Jagger T. [1], investigadores de la Universidad de Florida y la Universidad de Wisconsin-Madison han presentado un estudio que concuerda con la hipótesis que el calentamiento global contribuye con el incremento en la intensidad de los ciclones. Este estudio utiliza imágenes satelitales para el diagnostico de los vientos de 2,097 ciclones tropicales en el periodo de 1981-2006. Fig. 1(a) muestra la velocidad máxima del viento que se presento a dado año, y el número de ciclones se muestra en pequeños números sobre el eje de los años. Una tendencia de aumento se muestra en la velocidad máxima, aunque no parece haber un aumento en frecuencia. El análisis estadístico arroja que los incrementos son mayores para ciclones al Norte del Atlántico (Incluye el Océano Atlántico, el Mar Caribe y el Golfo de México). Por lo tanto, no hay un significante aumento en el numero de ciclones, sin embargo se encontró que si existe un aumento notable en la fuerza en que se presentan, por lo que hubo un mayor numero de tormentas que excedieron los 210 km/hr (Categoría 4 y 5, en la escala Zafiro-Simpson).

Figura 1. Análisis de los datos de imagenes satelitales sobre la macima velocidad en la vida de los ciclones tropicales. Lineas de tendencia para la media, 0.75 cuantil, 1.5 veces el rango del intercuartil. [1]

El aumento de las temperaturas oceánicas es la causa principal en la tendencia que los ciclones sean cada vez más fuertes. En promedio 13 ciclones se observan por año. El estudio estima que un aumento de un grado centígrado (1°C) en la superficie-del-mar puede resultar en un incremento del 31% en la frecuencia global de huracanes de categoría 4 a 5: de 13 a 17.

Referencias:

[1] Elsner J., Kossin J. and Jagger T., The increasing intensity of the strongest tropical cyclones, Nature, vol. 455, Sept. 2008.

Formación de Huracanes ( en ingles):

Desarrollo vertebral en animales

2008-07-22T19:16:00.000-07:00

Por J. Jimenez

La evolución ha producido una amplia diversidad en las formas corporales en los seres vivos de acuerdo a su estilo de vida. La forma corporal de los animales esta relacionada con su estructura de huesos, en especial con el número de vértebras que posee. Cabe mencionar que se denomina vértebra a cada uno de los huesos que conforman la columna vertebral. En algunos animales el número de vértebras ha ido al extremo, por ejemplo en serpientes en general tienen más de 300 que resulta impresionante al compararse con los 33 del humano.

Las vértebras se desarrollan de segmentos de tejido de nombre “somitas”, las cuales se forman una después de otra, en dirección cabeza-rabo ó inicio-final, en el embrión (ver Fig. 1). Estas somitas se dividen al final de la “cabeza” del mesodermo presomitico (PSM), un tejido inmaduro produce la generación de somitas. Esta separación en pequeñas protuberancias es regulada por un modelo tipo “reloj y un frente de onda”. Ondas cíclicas de expresión genética, controladas por un oscilador molecular llamado reloj de segmentación, se distribuyen por el PSM de inicio a final (de cabeza a rabo). Estas oscilaciones proceden cuando se unen a una onda de maduración que barre a través del PSM en la dirección opuesta. Cada ciclo resulta en un nuevo par de somitas, el proceso termina cuando la onda de maduración llega a mantenerse con el “final” del PSM.

Figure 1. Somito-genesis, a) Somitas, segmentos regulares embrionicos, de los cuales algunos huesos (incluyendo vértebras) se desarrollan en vertebrados por un modelo reloj-frente de onda. b) En serpientes esta formación es mucho mas rápida, comparado con animales de cuerpos mas cortos. (Vonk F. J. y Richardson M. K., [1]).

Gómez, et al. [2], han publicado recientemente un estudio sobre el desarrollo vertebral a nivel embrionario en serpientes, peces, ratones y pollos. Su estudio corrobora la existencia de un “reloj” que regula el desarrollo de divisiones en el arreglo de vértebras, así en las serpientes este “reloj” tendría un tic-tac acelerado (relativo a la razón de crecimiento) en comparación con otras especies. Asumiendo que una somita es formada durante cada oscilación de este reloj, se puede deducir que el periodo de las oscilaciones al contar la razón de formación de somitas en embriones. En la serpiente de maíz (Elaphe guttata guttata), el promedio de formación de somitas es de un par cada 100 minutos, comparado a las razones de un par cada 10, 90 y 120 min., en pez tipo zebra, pollo y ratón, respectivamente. Otro aspecto interesante es que durante esta somito-génesis el tamaño se incrementa al inicio, pero gradualmente se contrae hasta que se agota, lo que termina con la formaron de somitas. Ver Fig. 2 y Fig. 3.

Figura 2. Formación vertebral y somito-genesis de la serpiente de maíz. a) vértebras, b) tiempo de desarrollo, (Gomez, et al., [2]).

Figura 3. Dinámica del PSM en pez zebra, serpiente de maíz, pollo y ratón, a-t, vistas dorsales y laterales. u-x, gráficas de la evolución de la formación de somitas en estas especies, (Gomez, et al., [2]).

Este mecanismo de reloj-frente de onda al parecer es muy importante para la selección natural, ya que cambios en el número de vértebras en los seres vivos puede afectar de manera importante a su salud y desempeño. Por ejemplo, el número de vértebras en animales puede influenciar su velocidad en locomoción.

Referencias:

[1] Vonk F. J. and Richardson M. K., Serpent clocks tick faster, Nature, vol.454, 17 July 2008.

[2] Gomez, C., Ozbudak, E. M., Wunderlich, J., Baumann, D., Lewis, J., Pourquie, O., Control of segment number in vertebrae embryos, Nature, vol. 454, 17 July 2008.

Video (Desarrollo embrionario Pez zebra):

Las sondas espaciales Viajero 1 y 2

2008-07-07T19:10:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Las misiones Viajero o “Voyager” de la Agencia Espacial Norteamericana (N.A.S.A.), han transformado la visión de la humanidad del Sistema Solar. El viajero 1 o “Voyager 1”, es una sonda espacial lanzada para explorar los limites del sistema solar y mas allá. Lanzada en septiembre de 1977 aun sigue operacional. Este viajero ha visitado Júpiter y Saturno, siendo la primera sonda espacial en mostrar imágenes de las lunas de estos planetas. Hasta mayo del 2008, el viajero 1 esta a una distancia de unos 15.89x10⁹ km, o 106.26 Unidades Astronómicas (UA) del Sol. El viajero 2 o “Voyager 2”, fue lanzada en Agosto de 1977, un poco antes de viajero 1. Esto debido a fallas de viajero 2, pero que sirvieron como aprendizaje y permitió que viajero 1 despegara satisfactoriamente. La trayectoria de viajero 1 fue mas corta, con lo que se acerco antes a Júpiter en Marzo de 1979. Posteriormente fue a Saturno en Noviembre de 1980. Viajero 2 paso por Júpiter (en julio de 1979) y Saturno (en Agosto de 1981) también.

Estas misiones espaciales han sido muy exitosas, han tomado imágenes de alta resolución de atmósferas, satélites, anillos, las lunas de Júpiter y Saturno, además de sus Magnetosferas. Actualmente viajero 2 ha seguido al viajero 1 a una región mas allá del alcance del viento solar, donde la influencia del espacio interestelar es mucho mayor, con ello abre una nueva era de exploración.

Gran parte de la investigación reciente se esta realizando en la Heliosfera. Este es el nombre que se le da a la región espacial que se encuentra bajo la influencia del viento solar, que se compone de iones procedentes de la atmósfera solar. Esto da origen a una burbuja en cuyo interior se encuentran los planetas de nuestro Sistema Solar. El límite que impone la burbuja se llama heliopausa (Heliopause). La capa que separa a la heliopausa del frente de choque de terminación se llama heliofunda (Heliosheath).

Viajero 2 ha realizado múltiples cruces con la heliofunda, esto se presume es debido a los cambios dinámicos de la onda de choque (movimientos rápidos al interior y exterior, re-formación de la onda), efectos similares a los que podríamos ver en una llave de agua de cocina, solo como analogía, en este el agua es radiada de un punto, similar al fenómeno de radiación del Sol. Entonces el agua forma una onda de choque envolvente casi-circular, y si añadimos, un medio de flujo uniforme representado por agua jabonosa proveniente de la izquierda, se asemejaría a la interacción del Sol con el espacio interestelar [2]. Ver figura siguiente.

Las observaciones de los viajeros han corroborado la existencia de esta onda de choque, la cual al parecer es muy compleja en sus interacciones. Además, ha establecido una nueva perspectiva en nuestra visión de la interacción del Sol con la Galaxia.

Referencias:

[1] Jokipii, J., A shock for Voyager 2, Nature, Vol.454, July 2008.

Videos:

Video revista Nature: http://www.nature.com/nature/videoarchive/voyager/

¿Que paso antes del origen del universo?

2008-06-09T15:55:00.000-07:00

Por S. Almaraz

Una de las preguntas más importantes en la ciencia es ¿como empezó el universo?

La teoría de la gran explosión ha sido considerada por los científicos como el mejor modelo para explicar el inicio del universo, utilizando la teoría de la relatividad general de Einstein y extrapolando el tiempo y la expansión del universo hacia atrás, se llega a que el nacimiento del universo sucedió hace aproximadamente 13.7 mil millones de años a partir de una “singularidad” que consiste de un punto de volumen igual a cero pero al mismo tiempo con densidad y energía infinitos.

La teoría de la “gran explosión” (Big Bang), ha sido exitosamente confirmada por varias observaciones independientes, por ejemplo, el corrimiento al rojo de las galaxias es el resultado de la expansión del universo, la radiación de fondo, que es radiación cósmica de microondas existente en todo el universo, provee evidencia de que debido a la expansión, el universo se ha enfriado naturalmente a partir de densidades y temperaturas extremas al inicio. La abundancia de los elementos ligeros, Hidrógeno y Helio en el universo, se ajusta casi perfectamente a las predicciones calculadas provenientes del la teoría de núcleosíntesis en la gran explosión.

Sin embargo, existen misterios del universo que no son explicados por el modelo de la gran explosión. Una de las fallas encontradas al modelo es que lo que paso durante la gran explosión no puede ser derivado de la teoría pues existe un punto en el tiempo a partir del cual deja de ser válida, este punto es el tiempo de Planck (10^-43 seg.) y ha sido una barrera en los intentos científicos de entender el origen de nuestro universo en expansión. La singularidad esta en total contradicción con el principio de incertidumbre, fundamento de la física cuántica, ya que según este, no es posible una densidad infinita. Así, la singularidad al inicio del universo parece ser una limitación de la teoría de relatividad general más que un inicio físico del universo [1].

El físico mexicano Alejandro Corichi, investigador del Instituto de Matemáticas de la UNAM , en colaboración con investigadores del "Institute for Gravitation and the Cosmos" perteneciente a la Universidad estatal de Pennsylvania en Estados Unidos, y del "Perimeter Institute for Theoretical Physics" en Ontario, Canadá, han propuesto que en lugar de la gran explosión lo que ocurrió fue un “gran rebote” (Big Bounce) [2].

Los investigadores desarrollaron una herramienta matemática llamada “Loop quantum gravity”[3] que combina relatividad general con física cuántica, esta teoría predice que en su origen, nuestro universo tenia un volumen que no es cero y una energía que no es infinita, con lo cual, las ecuaciones de la teoría producen resultados matemáticos válidos durante y antes de la gran explosión, abriendo así una ventana en el tiempo que permite mirar antes del gran rebote, concluyendo que nuestro universo es el resultado de un universo anterior que se colapsó y dio origen al nuestro.

Aunque la idea de un universo oscilatorio o de un modelo cíclico de universos no es nueva, Alejandro Corichi, en su artículo publicado en Physical Review Letters en abril del 2008, no solo resuelve exactamente el primer modelo matemático que establece la existencia de un gran rebote sino que va mas allá y demuestra que, dentro de su modelo, existen propiedades del universo anterior que fueron retenidas después de ocurrir el gran rebote y que se conservan en nuestro universo. El modelo utilizado es muy simplificado pero el hecho de que sea el primero en su tipo que es posible resolverlo exactamente da a los científicos oportunidad de buscar observables que sean predichas por la teoría, así como derivar propiedades y características del universo anterior.

Referencias

[1]M. Bojowald, Nature Physics 3, 523 - 525 (2007)

[2]A. Corichi and P. Singh, PRL 100, 161302 (2008)

[3] http://gravity.psu.edu/

Brazo robótico controlado con la mente

2008-05-31T23:07:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Visualicemos por un momento a un mono llevándose a la boca un pequeño dulce, una imagen nada fuera de lo común, ¿no?, que tal si este mono en vez recoger el pequeño dulce con su propia mano utilizara un brazo mecánico con movimiento controlado por su mente, una situación propia de la ciencia ficción. Sin embargo hoy, científicos dedicados a la Neurobiología de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Carnegie-Mellon han logrado este hecho instalando pequeños sensores en el cerebro de dos monos, los cuales permiten por medio de una interfase el aprender a controlar un brazo mecánico solo con sus pensamientos cuando se les ha puesto la tarea de tomar un pedazo de comida y llevarlo a la boca.

Esta es una de las demostraciones más sorprendentes de la llamada tecnología de cerebro-control de interfaces artificiales. En estudios previos investigadores habían logrado que personas con parálisis pudieran aprender a controlar un cursor en una pantalla de computadora. El estudio llevado a cabo en monos (especie Macaca mulatta) es un avance importante, el mono parece controlar el dispositivo mecánico como una extremidad propia, además de refinar sus movimientos constantemente al interactuar con objetos reales y en tiempo real.

El movimiento de una extremidad propia como un brazo esta bien representado en ciertos grupos de neuronas de la corteza motora del cerebro. Así, el uso de patrones de actividad cortical ha sido usado en este campo de investigación en desarrollo de interfaz cerebro-maquina. Lo que esto significa es que movimientos de nuestro brazo, tienen algún patrón de actividad bien definida visto por ejemplo en imágenes en tiempo real de nuestro cerebro. Estas interfaces cerebro-maquina capturan las transmisiones cerebrales que involucran la intención de un sujeto a actuar. Por lo que estas señales son traducidas a comandos que pudieran controlar el movimiento de algún dispositivo mecánico por medio de una computadora.

A los monos se les implantaron arreglos de micro-electrodos intracorticales en su corteza motora primaria [1]. Los brazos mecánicos tenían cinco grados de libertad: tres en el hombro, una en el codo y uno en la mano. Para darles un control propio del brazo mecánico, a cada mono se le restringió el movimiento de brazos, el brazo mecánico se posiciono cerca de su hombro. Posteriormente al llevar a cabo el experimento, se ponía al mono algún alimento a su alcance, la acción natural del mono era el deseo de mover el brazo mecánico, por lo que la actividad cerebral o señal era procesada y usada para el control tridimensional del brazo, así como su velocidad y la apertura de la mano en tiempo real (ver siguiente imagen [1]).

Estas investigaciones traerán muchos beneficios, por ejemplo a personas discapacitadas por amputación o parálisis que necesiten la restauración de alguna extremidad; con ello mejorar su calidad de vida.

Referencia:

[1] Velliste M., Perel S., Chance M., Whitford A., Schwartz A., Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding, Nature Letters, May 2008.

Video:

Objetos Invisibles

2008-05-26T14:31:00.000-07:00

Por A. Guajardo-Cuéllar

Uno de los tópicos favoritos de los escritores de ciencia ficción es la posibilidad de ser invisibles. La lista de películas y novelas que hacen referencia al tema es numerosa, y por mencionar algún ejemplo de ellas que sean de conocimiento de este autor se tiene a "Depredador", "la liga extraordinaria" y "El hombre sin sombra". Es en esta última donde la invisibilidad del personaje se obtiene a través de introducir una sustancia dentro del personaje. Hasta ahora la posibilidad de obtener la invisibilidad modificando la composición de un objeto como lo sugeriría el ejemplo mencionado se ve poco probable. Se sabe que la luz debe de viajar en línea recta entre dos puntos y de esta forma recorrer la distancia mas corta, sin embargo comportamiento diferente de ondas electromagnéticas se puede observar ante la presencia de objetos de escala comparable al de las estrellas que son capaces de deformar el espacio y de esta forma hacer que las ondas electromagnéticas viajen en forma curveada, lo anterior es una explicación burda de la teoría general de la relatividad.

Para efectos prácticos el concepto descrito no es factible dado que la escala en la que el ser humano tiene percepción no es del mismo orden de magnitud que la necesaria para obtener el efecto deseado, sin embargo el concepto de un espacio curveado puede ser de utilidad. Investigadores de la Universidad de Duke [1], [2] encontraron una forma de reproducir invisibilidad basada en lo explicado. La idea en principio parece bastante simple y consiste en simplemente resolver las ecuaciones de Maxwell en un sistema coordenado que contenga la configuración de un espacio curveado. Pensemos en el siguiente experimento mental para comprender la idea, supóngase que se tiene en un inicio un sistema coordenado que describe un una malla cuadrada, lo cual puede ser descrito digamos por coordenadas rectangulares simplemente, ahora supóngase que en vez de tener una malla rectangular se tenga una malla que contenga un espacio curveado, ahora se requerirá una transformación de coordenadas que describan la nueva malla, y las ondas electromagnéticas seguirán las líneas de corriente de la nueva malla. En resumen el procedimiento consiste en hacer una transformación del espacio, y resolver las ecuaciones de Maxwell en este espacio. Después de realizar las transformaciones los parámetros presentes en las ecuaciones como la permeabilidad y la permitividad también sufrirán modificaciones quedando ahora en función de la nueva geometría. Este último aspecto es el que hace que la posibilidad de alcanzar invisibilidad aun sea un reto. En palabras simples, se puede decir lo siguiente, el problema ya ha sido solucionado matemáticamente pero el reto es la fabricación de materiales que contengan las propiedades requeridas dada la solución matemática en el espacio transformado. El objetivo ha sido alcanzado por materiales llamado metamateriales que son materiales modificados en su estructura mas que en su composición.

Este descubrimiento no tan reciente (2006) es un gran avance y se puede pensar en un sin numero de aplicaciones. Es importante mencionar que el objetivo de este estudio es obtener la invisibilidad sin que esta sea un dispositivo óptico contrario a lo que algunos otros investigadores han alcanzado como el japonés Susumi Tachi el cual ha inventado dispositivos que se basan en técnicas de camuflaje análogas a las que presentan ciertos animales en la naturaleza. Se puede concluir de esta discusión que una idea tan simple como puede ser el tratar las ecuaciones de Maxwell en un espacio deformado puede dar pie a una idea tan ingeniosa. No será esta la primera vez que una idea simple tiene un gran impacto.

[1] Schurig, D., Mock, J.J., Justice, B.J., Cummer, S.A., Pendry, J.B., Starr, A.F., Smith, D.R., Material Electromagnetic Cloack at Microwave Frequencies, Science, vol. 314, p. 977-980, 2006.
[2] www.ee.duke.edu/~drsmith/cloaking.html

El explorador espacial Phoenix

2008-05-26T14:20:00.000-07:00

Por J. Jimenez

El explorador espacial Phoenix, estará encargado de estudiar la presencia de agua y búsqueda de moléculas orgánicas en el suelo ártico marciano. Marte es un planeta con un desierto frío y sin agua en su superficie. Sin embargo, descubrimientos de exploradores anteriores, como la “Mars Odissey” en el 2002, mostraron que habría unas grandes cantidades de agua-hielo en el subsuelo de la zona ártica del norte marciano.

Esta misión marciana es operada por la NASA, el laboratorio lunar y planetario de la Universidad de Arizona, además de otros grupos como el de la JPL, Lockheed Martin, y la agencia espacial canadiense. Su diseño comenzó en Agosto del 2003, su lanzamiento fue en Agosto del 2007, y su arribo a suelo marciano en Mayo del 2008.

Los objetivos específicos son:

1) Estudiar la historia de la presencia de agua examinando el hielo del subsuelo marciano. Phoenix excavará en el terreno con el instrumental científico.

2) Determinar si el suelo del ártico marciano pudiera soportar vida. Descubrimientos recientes muestran que la vida puede existir aun un en condiciones extremas. Ciertas bacterias podrían estar presentes. La sonda contiene equipo para llevar a cabo experimentos químicos, como el determinar la composición del terreno y buscar elementos como carbón, nitrógeno, fósforos e hidrogeno. Phoenix también buscará en terrenos protegidos de la radiación solar.

Los instrumentos a bordo del Phoenix son de tecnología de punta, entre ellos se encuentra: Un brazo robótico con cámara integrada, que preemitirá excavar y recoger muestras, a su vez de posicionarlas en los instrumentos de análisis. Equipo de análisis de microscopia, electroquímica y conductividad, con las muestras recogidas este equipo podrá determinar características importantes como acidez, salinidad y composición. Estación meteorológica, este equipo permitirá grabar el clima actual en la región donde trabaje la sonda por medio de sensores de temperatura y presión.

Hoy, Marte es un planeta frió, seco y con una atmósfera de dióxido de carbono. La superficie marciana no tiene agua en su superficie (no ríos, lagos, u océanos). Sin embargo, la evidencia apunta que en el pasado fue muy diferente. Las anteriores exploraciones han revelado que alguna vez pudo haber fluido agua en Marte, por ejemplo las observaciones de los canales que conectan áreas bajas y altas. La búsqueda del agua es importante ya que todas las formas de vida conocidas requieren de ella para sobrevivir. Las siguientes son unas de las primeras imagenes del Phoenix.

Animación del Phoenix:

Libro: Consejos para el investigador joven

2008-05-26T11:52:00.001-07:00

Por Möbius

Un libro muy interesante para aquellos que están iniciando en la investigación científica es Consejos para el joven investigador (Advice for the young investigator) de Santiago Ramón y Cajal , médico, neurólogo e investigador español que ganó el premio Nobel de Medicina en 1906 por fundar las bases de la neurología moderna. Este libro es la versión en inglés de Reglas y consejos sobre investigación biológica (los tónicos de la libertad) cuya cuarta edición se escribió en 1916. Aunque el libro se centra en la investigación médica-biológica, sus principios pueden ser aplicados a la mayoría de los campos científicos. La idea del libro es dar una serie de consejos para alentar al joven investigador en el trabajo científico. En sus primeras hojas habla de como el joven puede caer en ciertos errores como el creer que ya no puede contribuir más en la ciencia por que "todos los problemas importantes ya están resultos" o como eliminar inseguridades al sentirse que no tiene la capacidad necesaria para hacer ciencia. Habla también de la importancia de los lenguajes, en especial aquellos que son estándar para la ciencia, en aquella época el Alemán, Francés e Inglés (probablemente ahora solo el Inglés) así como de ciertas metodologías que son escenciales para cualquier científico.

Un detalle que me pareció muy interesante es que aún y cuando su primera edición se escribió hace más de 100 años, gran parte de sus enseñanzas siguen vigentes. Un ejemplo que aplica muy bien a paises de habla hispana, es una explicación de cómo el rezago científico aquejaba en aquel entonces a España y como los jóvenes pueden ayudar a combatirlo. Una situación que ahora es evidente en paises de América Latina. Google books tiene acceso gratis a fragmentos de este libro (en inglés) : Advice for the young investigator.

Fractales y la dimensión fractal de la línea de costa de México

2008-05-19T23:10:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Un fractal es una forma geométrica que consiste en una estructura que se repite a si misma a cualquier escala que se le observe. El término fractal fue propuesto por el matemático Benoît Mandelbrot y deriva del Latín fractus, que significa quebrado o fracturado.

La característica básica de un fractal es la autosemejanza. Los fractales son, al mismo tiempo, muy complejos y particularmente simples. Son complejos en virtud de su detalle infinito y sus propiedades matemáticas únicas; sin embargo, son simples por que pueden ser generados por la aplicación sucesiva de una simple iteración, y en la introducción de elementos aleatorios. Por lo que, su forma es especificada por un algoritmo iterativo que instruye como construir el objeto. Por ejemplo, consideremos el conocido fractal “curva de Koch”, el algoritmo para generarlo es añadir repetidamente un triangulo equilátero en cada uno de sus bordes, triangulo en el cual sus lados corresponden a un tercio del largo del borde (Ver la siguiente figura, nótese el parecido a un copo de nieve). El perímetro de la curva de Koch aumenta por 4/3 a cada iteración, así en teoría, al hacer n-infinitas iteraciones su perímetro se hace infinitamente largo. Imagine si quisiera recorrerse idealmente con un lápiz toda la curva que comprende este perímetro, no se llegaría jamás al final, aun cuando encierra una figura hexagonal de área perfectamente limitada.

Los fractales aparecen en la Naturaleza con bastante frecuencia, mostrando su escalada autosemejanza, por ejemplo, en plantas, árboles, nubes, montanas, líneas costeras, en los copos de nieve, en el sistema vascular de la circulación sanguínea, etc. Como ejemplo, los copos de nieve y un brócoli tipo Romanesco.

Un concepto matemático interesante en el campo de los fractales es su dimensión de auto-semejanza. La gran mayoría de nosotros estamos familiarizados con las provenientes de la geometría Euclidiana de la instrucción que recibimos en la escuela. Su legado es que el espacio tiene 3-dimensiones, un plano tiene 2, y un punto tiene cero. En nuestra vida diaria es común concebir estos objetos bidimensionales: por ejemplo, un mapa, que para propósitos prácticos es bidimensional. Nosotros vivimos en un mundo tridimensional, lo que quiere decir que necesitamos tres números para situar un punto: por ejemplo, longitud, latitud y altitud. Por ello estamos acostumbrados a tratar con puntos, líneas, áreas y volumenes.

Para entender mejor el carácter de dimensión hagamos el siguiente ejercicio: Tomemos un segmento de línea de largo 1 metro (m), un cuadrado de área 1 m² y un cubo de volumen 1 m³. La dimensión fractal, D, como veremos es una generalización de la dimensión Euclidea. Si partimos de un segmento de longitud 1, y lo partimos en segmentos de longitud o razón de escala {r} obtendremos N(r) partes, (N(r), significa N es función de r), entonces como se muestra en la siguiente figura:

Para la línea Nr¹=1; para el cuadrado, Nr²=1; y para el cubo, Nr³=1. Por ejemplo, para clarificar la idea tomemos el cuadrado dividido en 4 partes autosemejantes, N=4, r=1/2, esto implica, 4*(1/2)²=1. Para el cubo dividido en 8 partes autosemejantes, N=8, r=1/2, esto implica 8*(1/2)³=1. Por convención tomemos al exponente como {D}. En general, Nr^D=1, entonces en forma logarítmica

D=log N / log(1/r)

Al tomar el limite cuando r tiende a cero (como esperaríamos para un fractal)

D= lim_r-0{log N / log(1/r)}

Es la llamada dimensión fractal Hausdorff-Besicovitch.

Tomemos el fractal conocido como la curva de Koch en su versión lineal. Empecemos por un segmento de línea S₀. Para generar S₁, borremos la parte central de un tercio de S₀ y reemplazársele por otros dos lados de un triangulo equilátero. Subsecuentemente cada siguiente fase es generada recursivamente por la misma regla: S_n es obtenida reemplazando la parte central de cada segmento en S_n-1por otros dos lados de un triangulo equilátero. El arreglo limite S_infinito es la curva de Koch [1].

Usando la definición de dimensión por autosemejanza, la curva esta compuesta de 4 piezas iguales, cada una similar a la original, pero escalada por un factor de 3 en ambas direcciones, por lo que tendremos que el numero de copias N=4 cuando el factor de escala 1/r =3, por lo que D=ln4/ln3= 1.26 . En sentido mas estricto, para la generación n-esima de la curva de Koch, r=r₀/3ⁿ, el numero de partes N es proporcional a 4ⁿ, igualmente usando la definición de dimensión fractal de Hausdorff-Besicovitch, D=1.26.

Esta es una característica muy interesante ya que D esta entre dimensión 1 y 2, de alguna manera satisfaciendo para una curva infinita, siendo mas que un objeto uni-dimensional.

Una aplicación interesante de este concepto viene de Mandelbrot, en su publicación, ¿Que tan larga es la Costa de Gran Bretaña?: Autosemejanza estadística y dimensión fractal [2]. Bien es sabido que la costa o el límite de cualquier país es irregular. Mandelbrot supuso que estas curvas geográficas son indefinibles en su largo por su fino detalle. Sin embargo, si presentara auto-semejanza, con lo que cada porción pudiera ser considerada una imagen de escala reducida del todo, el grado de complicación podría ser descrito por una dimensión fractal. Mandelbrot baso esta investigación en los estudios hechos por Richardson sobre mediciones de curvas geográficas por polígonos.

Por ejemplo si tenemos una línea de costa irregular, podemos empezar por medirla con una regla para obtener un estimado. El largo estimado, L(G), igual al largo de la regla, G, multiplicado por M, donde M es una constante. Es obvio que al ir disminuyendo el tamaño de la regla, el largo de la línea de costa aumentara debido a que estamos “adaptándonos” más a la irregularidad de la línea. Richardson observo que si hacemos un gráfico logarítmico del Largo medido vs. Largo de la escala usada (regla) esta tiene una relación lineal, como se muestra en la siguiente figura.

Richardson propuso una formula empírica de sus datos:

L(G)=MG^1-R

Donde R es una constante al menos igual a 1. R es característica a la línea de costa medida. Esta formula representa una función potencial.

Mandelbrot relaciono esta formula con la dimensión fractal con ello demostró que en esta curva log-log un escalamiento potencial lleva a estimar la dimensión fraccional de la línea de costa. Nota: L(G)=MG^1-R, es igual a, log L(G)=(1-R)log G + b, donde b=log M.

Por lo que (1-R) representa la pendiente y la dimensión fractal, D=R. R=1, representaría una frontera que luce recta en el mapa. Algunos datos: Gran Bretaña que luce irregular tiene R=1.25, España y Portugal R=1.14, Australia R=1.13, Sudáfrica R=1.02.

Con este análisis podemos calcular la dimensión fractal de la línea de costa de México, estimación que mostrare a continuación. Primero es necesario tener la referencia geográfica adecuada, para ello usaremos la base de datos del INEGI (Instituto Nacional de Geografía e Informática, México) la cual cuenta con un mapa digital e incluye la opción de medición de distancia. Haremos una tabla del largo estimado L(G) y de la escala usada, G, en kilómetros. Tres diferentes escalas fueron empleadas (lineas rojo-blanco en la frontera exterior, ver Figuras siguientes).

L(G) [km]	G [km]
8500	500
9900	300
11100	100

Posteriormente, realizamos una graficación log-log de los datos, y podemos hacer una aproximación por regresión lineal, de lo que obtenemos:

(1-R)=-0.156,

Por lo que R=1.156, siendo esta la dimensión fractal de la línea de costa de la Republica Mexicana. Note que la longitud estimada de la línea de costa de es de 11,100 km, muy cercano al valor oficial de 11,122 km.

Dimensión fractal de otros objetos son: Membrana pulmonar, D=2.9; Galaxias, D=1.23; Atractor de Lorenz, D=2.05; Turbulencia (disipación), D=2.5-2.6; Piramide del Sol (Teotihuacan), D=1.8882; Piramide de la Luna (Teotihuacan), D= 1.8993 [3].

Las aplicaciones de los fractales son muchas y científicos constantemente encuentran nuevas o descubren su presencia en la Naturaleza. ¿Qué otros fenómenos incluirán características fractales?, la búsqueda continua…

Referencias:
[1] Strogatz, S., Nonlinear Dynamics and Chaos, Perseus Books, 1994.
[2] Mandelbrot, B., How long is the Coast of Britain?: Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension, Science, vol. 156, p.636-638,1967.
[3] Oleschko, K., Brambila, R., Brambila, F., Parrot, J-F., Lopez, P., Fractal Analysis of Teotihuacan México, Journal of Archaeological Science, vol. 27, p. 1007-1016, 2000.

La Molécula del Mes

2008-05-17T10:50:00.000-07:00

Por Möbius

Cada mes la base de datos de proteinas más importante a nivel internacional conocida como "Protein Data Bank" o PDB dedica una sección a la explicación a nivel de divulgación de una proteina o molécula de importancia para los seres vivos. Lo interesante de esta sección son las ilustraciones de David S. Goodsell que muestran de una manera ejemplar las formas moleculares de la llamada maquinaria de la vida.

A manera de ejemplo describiré una de mis ediciones favoritas de "Molecule of the month". En Junio del 2006, David Goodsell presentó la ilustración y descripción de la Luciferasa. Esta singular proteina es la razón por la que las luciérnagas brillan en la noche. La ilustración es la siguiente:

La imagen muestra a una molécula globular con un centro de color fosforescente. Una explicación simplificada del funcionamiento de esta proteina nos dice que con la ayuda de otra proteina llamada luciferin se forma un complejo que cataliza oxígeno y otra molécula energética llamada trifosfato de adenosina o ATP (por sus siglás en inglés) para generar dióxido de carbono que en el proceso emite fotones de luz verde. Además de su uso en la naturaleza, científicos usan esta enzima para medir procesos biológicos que consumen energía proveniente del ATP.

La descripción más técnica de esta proteina así como su estructura en tres dimensiones se puede accesar aquí: 2d1s. Otros ejemplos muy interesantes de otras proteinas y macromoléculas que tienen funciones primordiales en el humano y otros organismos se describen en la molécula del mes. Por mencionar algunos estan al ácido desoxiribonucléico (ADN) que contiene codificada toda la información genética para producir proteinas, el ribosoma que es la maquinaria que lee el ADN y fabrica proteinas hasta los priones que son las proteinas responsables de la enfermedad de las vacas locas que atacó a Inglaterra hace unos años. Todas estas descripciones estan acompañadas de las imágenes cuasi-artísticas de David Goodsell. Un link a la molécula del mes es el siguiente: Molecule of the month (la página está en inglés). Espero que disfruten la lectura de esta sección tanto como yo lo hago.

Galaxias en colisión

2008-05-05T20:45:00.000-07:00

Por J. Jimenez

El telescopio espacial Hubble es un telescopio que orbita la Tierra a unos 580 km de altura. El Hubble fue puesto en orbita en abril de 1990 por la agencia espacial de los Estados Unidos de América (NASA) y la agencia espacial Europea (ESA). Su posición fuera de la atmósfera terrestre le permite tomar imágenes muy detalladas con casi luz nula de fondo. El Hubble también ha tomado las imágenes de luz visible de los objetos mas distantes en el espacio. Algunas de sus observaciones han traído significantes avances en astrofísica, donde permitió determinar de manera mas precisa la razón de expansión del Universo.

Imágenes astronómicas generalmente presentan a las galaxias como estáticas y solitarias, como una majestuosa isla formada por objetos brillantes. Pero las galaxias son dinámicas, inclusive algunas tienen interacción con otras, produciendo impresionantes estados al colisionar y fusionar. Su transformación produce nuevas formas y modifica su dinámica. Apenas hace unos días, el Hubble proporciono 59 imágenes de galaxias en colisión, en ellas se observa un detalle asombroso. Algunas imágenes se muestran a continuación con algunos detalles sobre estas.

NGC 6050/IC 1179 (Arp 272) muestra una colisión de dos galaxias en espiral, NGC 6050 e IC 1179, localizadas en la constelación de Hércules. Las dos galaxias estan unidas por sus brazos.

UGC 8335 es un par de galaxias en espiral interactuando. La interacción tiene unidas a las galaxias vía un puente de material y tiene dos colas curvadas de gas con algunas estrellas en otras de sus partes. Ambas galaxias muestran líneas de polvo en sus centros. UGC 8335 esta localizada en la constelación de la Osa Mayor a unos 400 millones de años luz de la Tierra.

Arp 148 muestra el impresionante resultado del encuentro de dos galaxias, que resulta en una galaxia en forma de anillo con una “larga cola” que la acompaña. La colisión entre las dos galaxias produjo un efecto de onda de choque que primero atrajo materia al centro y posteriormente se propago hacia el anillo. Arp 18 es localizada en la Osa mayor.

ESO 593-8 muestra un par de galaxias interactuando con una galaxia que pareciera una pluma de ave que las cruza. Los dos componentes probablemente se fusionan para formar solo una galaxia en el futuro. El par es adornado con un número de grupos estelares brillantes. ESO 593-8 esta localizada en la constelación de Sagitario, a unos 650 millones de años luz de la Tierra.

Aqui algunas animaciones de las galaxias en colision por "NewScientist":

Varicela y Esclerosis Múltiple

2008-04-24T20:18:00.000-07:00

Por Möbius

Hace unas semanas se dio a conocer en los medios que científicos del Instituto Nacional de Neurología y Neurocirugía así como del Centro de Patología Experimental del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) de México encontraron una conexión entre el virus de la Varicela y la Esclerosis Multiple (EM). La EM es una enfermedad neurológica degenerativa que se presenta en los adultos jóvenes y que se manifiesta con el deterioro neuromotor del enfermo y en muchas ocasiones puede llegar a ser mortal. Un ejemplo famoso de un enfermo de EM es el físico teórico y divulgador de ciencia Stephen Hawking. Este resultado podría tener consecuencias muy importantes para el tratamiento y prevención de la EM ya que aunque existían hipótesis conectando esta enfermedad con un virus, no se había podido demostrar experimentalmente.

Los medios se han concentrado en divulgar la noticia de este descubrimiento y en hacer notorio su potencial terapeútico pero no han sido muy claros en como hicieron este descubrimiento. Trataré de dar una explicación simplificada sin tener el rigor científico y técnico que se presenta en el trabajo de Julio Sotelo y colegas [1]. La correlación entre el virus de la Varicela y la EM no es nueva y como todo trabajo científico tiene un sustento en observaciones previas, la cuestión es que la mayoría de las relaciones se centraban en estudios epidemiológicos donde se hacían relaciones causales entre la enfermedad y pacientes con EM. Pero ¿En que consistió este nuevo estudio que formalizó estas correlaciones?. La respuesta es una combinación de técnicas experimentales que hace hace apenas unos años eran inexistentes.

Los investigadores mexicanos extrajeron fluido espinal-cerebral y sangre de pacientes con EM, EM severa y un grupo de control. Dentro de este fluido identificaron, usando la técnica de microscopía electrónica, la presencia inusual y abundante de partículas virales idénticas a las del virus de la Varicela. El simple hecho de que partículas virales tengan una morfología similar o idéntica a la de la Varicela no es una prueba rigurosa de la presencia de este virus, así que se tomaron muestras de estos fluidos y se analizó su contenido de ADN. Una técnica para lograr esto es la famosa Reacción en Cadena de la Polimerasa o PCR por sus siglas en inglés. Esta tecnología permite utilizar una muestra pequeña de ADN y amplificar su contenido de tal manera que puede ser detectada la sequencia de nuclétidos de la muestra en cuestión. En otras palabras el ADN se copia y multiplica tantas veces que su exceso es fácil de identificar con la tecnología apropiada. Una vez que identificaron las sequencias genéticas de la muestra, es decir una serie de "palabras" compuestas por 4 letras C,A,T,G se puede hacer una búsqueda en bases de datos biológicas para identificar a que organismo pertenece este ADN. Por ejemplo haga click en el siguiente link para accesar la secuencia genética de un virus parecido a la Varicela, el virus del Herpes (Secuencia Genetica en NCBI). Una vez que se identificó que efectivamente estas secuencias eran del virus de la Varicela, se hicieron estudios para cuantificar la cantidad presente en pacientes control (pacientes sanos), pacientes con EM y aquellos con EM aguda; se pudo encontrar que en los pacientes con EM aguda el nivel de partículas virales activas era estadísticamente significativo. Por otro lado en pacientes control la presencia era casi inexistente. Los estudios se repitieron como modo de validación en laboratorios alternos y además de hacerlo en el fluido espinal se realizaron en sangre. Todos los estudios llevaron a la misma respuesta, el virus de la Varicela se encuentra en estado activo en pacientes cuya patología de EM es aguda. Finalmente se buscaron rastros de otros virus en las muestras pero los resultados fueron negativos.

Una hipótesis interesante a la que llegaron Sotelo y colegas es que el virus de la Varicela puede tener manifestaciones diferentes en diversas estapas de desarrollo del individuo. Por ejemplo en la niñez el virus se manifiesta como Varicela (ronchas), en la etapa adulta como EM y en la etapa de vejez como Zoster. Una pregunta obvia es por que no se había identificado esto anteriormente. Estos científicos mencionan en su artículo tres razones principales: 1) el virus es huesped solo en humanos, lo que imposibilita su experimentación con animales; 2) el virus es difícil de aislar y 3) el periodo de asilamiento esta restringido a un corto tiempo al incio de la infección.

Para finalizar, este descubrimiento abre nuevas avenidas para su tratamiento y prevención ya que toda la investigación y tratamiento de la Varicela tiene potencial para ser usado en la cura de la EM. Ojalá sea así y pronto podamos festejar que la Esclerosis Multiple está, al menos, bajo control.

Dedicado a mi tía Martha, víctima de la Esclerósis Multiple

Referencia:
[1] Julio Sotelo, Adolfo Martínez-Palomo, Graciela Ordoñez y Benjamin Pineda. Varicella-zoster virus in cerebrospinal fluid at relapses of multiple sclerosis. Annals of Neurology. Vol 63, No 3. 2008

Edward Lorenz y la Teoria del Caos

2008-04-19T13:41:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Edward Lorenz (23 Mayo 1917-16 Abril 2008) era un investigador en meteorología del MIT (Massachusetts Institute of Technology). Dentro de sus investigaciones revelo lo que seria una revolución científica llamada, “Teoría del Caos”.

Lorenz fue el primero en reconocer el comportamiento caótico de un sistema. A principios de los años 1960’s, Lorenz encontró que pequeñas diferencias en un sistema dinámico como la atmósfera terrestre pueden desencadenar un vasto y en muchas ocasiones resultados inesperados. Estas observaciones lo llevaron a formular lo que es conocido como el efecto mariposa. El efecto mariposa es un término usado para referirse que pequeños cambios en un sistema dinámico pueden producir comportamientos inesperados, la analogía es que un aleteo de mariposa en Brasil pudiera causar un tornado en Texas, de donde toma ese nombre. Los hallazgos de Lorenz marcaron el comienzo de nuevas áreas de estudio, no solo en las matemáticas, sino también en las ciencias biológicas, sociales y físicas. Algunos científicos consideran que tres grandes revoluciones en la ciencia del siglo XX fueron la teoría la relatividad, la mecánica cuántica y el caos.

Las que hoy son conocidas como ecuaciones de Lorenz, son el parteaguas de esta llamada revolución, esta investigacion esta en su escrito "Deterministic Nonperiodic Flow" [1]. Lorenz derivó este sistema tridimensional de ecuaciones diferenciales no-lineales, sistema que es un modelo matemático simplificado de la recirculación por convección que aparece en la atmósfera. Lorenz descubrió que este simple modelo puede desarrollar una dinámica errática extrema: sobre un amplio rango de parámetros, las soluciones oscilan irregularmente, nunca repitiéndose exactamente, pero siempre permaneciendo entre los límites de una región del espacio de fase. Cuando Lorenz graficó las trayectorias en el espacio tridimensional, el descubrió que se situaba en un complicado arreglo, hoy conocido como atractor extraño. El atractor extraño, no es un punto o una curva o una superficie, es un fractal con una dimensión entre 2 y 3.

Las ecuaciones de Lorenz son:

donde \sigma, r, b>0, son parámetros. \sigma es el llamado número de Prandtl, r es el número de Rayleigh, y b es la relación de aspecto de los “rollos” o recirculaciones por convección. Las variables x, y, z, son la razon de rotacion, el gradiente de temperatura y la desviación de la temperatura respecto al valor de equilibrio, respectivamente. Es un sistema no-lineal por las dos no-linealidades, los términos xy y xz.

Soluciones numéricas del sistema son mostradas a continuación, como ejemplo usando \sigma=10, b=8/3, r=28. Una maravillosa estructura emerge si la solución es visualizada como una trayectoria en el espacio (x(t),y(t),z(t)). Aquí se muestra el patrón tipo mariposa.

Lorenz observó dos cosas fundamentales que ocurrían en su modelo: (1) Una diferencia en las condiciones iniciales antes de los cálculos, incluso del tipo infinitesimal, cambia de forma dramática los resultados. La predicción solo puede hacerse para periodos de tiempos cortos. Por ello existe una extrema sensibilidad a las condiciones iniciales. (2)La impredecibilidad del sistema no implica un comportamiento azaroso, tiene una curiosa tendencia a evolucionar dentro de una zona muy concreta del espacio de fases.

En 1991, Lorenz recibió el premio Kyoto para ciencias básicas en el campo de ciencias planetarias y terrestres. El comité de Kyoto asienta que Lorenz deber ser reconocido por establecer “Las bases teóricas de la predicción del clima, a si mismo, las bases para la física atmosférica asistida por computadora”. El comité añade que “Lorenz impacto a la ciencia con el descubrimiento del ‘caos deterministico’ un principio que ha influenciado profundamente un amplio espectro de ciencias y trajo otra visión de la Naturaleza”.

Referencia:
[1] E. N. Lorenz, Deterministic Nonperiodic Flow, Journal of the Atmospheric Sciences, vol. 20, p. 130-141, 1963.

Un video del atractor en realidad virtual:

Diez libros que cambiaron la ciencia (Parte 2)

2008-04-06T18:44:00.000-07:00

Por J. Jimenez

6. Micrografía por Robert Hooke (1665).

Micrografía es un libro que recopila las primeras ilustraciones sobre observaciones hechas con microscopia óptica. Hooke describe diversos objetos categorizados por su estructura, mostrados desde formas simples hacia unas más complejas. Hooke determina la estructura porosa del corcho. Con ayuda del microscopio descubre que los tejidos de éste, están compuestos de pequeñas "celdillas" o "células". En muchos tejidos vegetales encuentra el mismo tipo de estructura; esto es, una pared membranosa y un contenido más o menos fluido.

http://archive.nlm.nih.gov/proj/ttp/flash/hooke/hooke.html

7. Principios matemáticos de la filosofía natural por Isaac Newton (1687).

Esta es la obra científica considerada por muchos como la más importante jamás publicada. Tres volúmenes forman parte de esta obra, en ella se describen los fundamentos de la física y la astronomía. En ella se introducen sus famosas leyes del movimiento. El primer volumen incluye definiciones y una exposición de la matemática del cálculo. En el segundo habla de las aplicaciones, por ejemplo, del movimiento de un cuerpo a través de un medio resistivo. El tercer volumen es un ensayo sobre gravitación universal, en el cual estudia los movimientos de planetas del sistema solar basado en sus previos fundamentos descritos en lo primeros volúmenes.

http://rack1.ul.cs.cmu.edu/is/newton/

8. Tratado de química elemental por Antoine Lavoiser (1789).

Esta obra es considerada como la base de la química moderna. Es dividida en tres partes. La primera es una exposición de la nueva química y discute temas (algunos por primera vez) como el calor, la composición y análisis del aire atmosférico. La segunda parte trata sobre las combinaciones de los ácidos con bases en la formación de sales. El tercer tomo es una descripción sus de los instrumentos de trabajo donde incluye detalladas ilustraciones (hechas por su esposa). En este trabajo, Lavoisier desecha la teoría del flogisto y establece el concepto de elementos como substancias que no pueden ser descompuestas más.

http://moro.imss.fi.it/lavoisier/main.asp

9. El origen de las especies por Charles Darwin (1859).

Obra en las que se cimientan las bases de la moderna teoría de la evolución, al plantear el concepto de evolución de las especies a través de un lento proceso de selección natural. La importancia de esta obra recae en las ideas críticas que desarrolla: El hecho de que la evolución ocurre, que selección natural es la fuerza conductora o mecanismo detrás del proceso de la evolución y el concepto de que todas las formas de vida están relacionadas unas a otras genealógicamente. Las ideas presentadas en esta obra forman parte de la biología moderna y aun hoy continúan siendo controversiales para ciertos grupos religiosos quienes la contradicen con explicaciones creacionistas.

http://darwin-online.org.uk/contents.html#books

10. Relatividad: Teoría especial y general por Albert Einstein (1916).

Las teorías de Einstein cambiaron las nociones que se tenían sobre los cuerpos en movimiento. Tiempo y espacio, no son absolutos, demostró. La relatividad especial explica la estructura de espacio-tiempo y la general provee de una teoría de gravitación. Esta obra es una introducción donde Einstein pretende dar una idea lo mas exacta posible de estas teorías, pensando en aquellos que sin dominar el aparato matemático de la física teórica, tienen interés desde el punto de vista científico ó filosófico.

http://etext.virginia.edu/toc/modeng/public/EinRela.html

Diez libros que cambiaron la ciencia (Parte 1)

2008-03-31T20:04:00.000-07:00

Por J. Jimenez

1. Física por Aristóteles (330 A.C)

La Física trata de un conjunto de principios generales atinentes a la totalidad de las ciencias, fundamentalmente las del mundo corpóreo; es decir, aquellos principios sin los cuales no se podría comprender la realidad. Así, Aristóteles estudia las substancias pertenecientes al mundo físico, tanto las terrestres, como las celestes; ambas son móviles, pero sus movimientos son diferentes; las celestes poseen movimiento circular; las substancias del mundo terrestre, movimiento local, así como mutación de generación y corrupción. Aristóteles ofrece un análisis muy matizado del movimiento; hay movimientos accidentales (local, cuantitativo y cualitativo) y movimiento substancial. Este libro esta compuesto por ocho volúmenes.

http://classics.mit.edu/Aristotle/physics.html

2. Sobre las revoluciones de la esfera celeste por Nicolás Copernico (1543).

El modelo astronómico que imperaba en tiempos de Copernico era el de Claudio Ptolomeo, que afirmaba que la tierra se hallaba estática y que tanto el Sol como los planetas giraban a su alrededor. Al realizar sus observaciones astronómicas, Copérnico descubrió anomalías en el sistema ptolemaico y comenzó a dudar de sus postulados básicos. Copérnico llegó a la conclusión de que la Tierra se movía, girando sobre sí misma (un giro completo equivalía a un día) y alrededor del sol (un giro completo equivalía a un año). También sostenía que el eje de la Tierra se hallaba inclinado. Con la publicación del trabajo de Copérnico se asentaron las bases de la Astronomía Moderna, que sería desarrollada luego por Galileo, Brahe, Kepler y Newton, entre otros.

http://ads.harvard.edu/books/1543droc.book/

3. La fabrica del cuerpo humano por Andrés Vesalio (1543).

Este es uno de los textos médicos de mayor influencia publicados hasta hoy, no solo por los métodos científicos usados para producirlo, sino también por las ilustraciones artísticas de sus hallazgos en anatomía. Vesalio realizo cuidadosamente sus propias disecciones, además de observar cuidadosamente y en gran detalle al cuerpo humano, a su vez confirmar o refutar muchos de los estatutos fisiológicos y anatómicos de Galeno.

http://archive.nlm.nih.gov/proj/ttp/vesaliusgallery.htm

4. Dialogo concerniente a los dos sistemas que gobiernan el mundo por Galileo Galilei (1632).

En esta obra Galileo se burla implícitamente del geocentrismo de Ptolomeo. El Diálogo es a la vez una revolución y un verdadero escándalo. El libro es en efecto abiertamente pro-copernicano. El Diálogo se desarrolla en Venecia durante cuatro jornadas entre tres interlocutores: Filipo Salviati, un Florentino seguidor de Copérnico, Giovan Francesco Sagredo, un veneciano ilustrado sin tomar partido, y Simplicio, un mediocre defensor de la física aristotélica. El Papa mismo se alinea entonces rápidamente con la opinión de los adversarios de Galileo: él le había pedido una presentación objetiva de las dos teorías, no un alegato por Copérnico. Galileo es entonces convocado de nuevo por el Santo Oficio, el 1 octubre 1632. Enfermo, no puede acudir a Roma hasta febrero de 1633. Los interrogatorios prosiguen hasta el 21 de junio donde la amenaza de tortura es evocada bajo órdenes del papa; Galileo cede.

http://webexhibits.org/calendars/year-text-Galileo.html

5. Discurso del método por Rene Descartes (1637).

El Discurso del Método es la principal obra escrita por René Descartes considerada una obra fundamental de la filosofía occidental con implicaciones para el desarrollo de la filosofía y de la ciencia. Consistía, en realidad, el prólogo a tres ensayos: Dióptrica, Meteoros y Geometría; agrupados bajo el título conjunto de Ensayos filosóficos. De este sale uno de sus famosos principios “pienso, luego existo”.

http://www.librosmaravillosos.com/metodo/index.html

El Agua

2008-03-24T03:06:00.000-07:00

Por J. Jiménez

Agua, es aquella sustancia química esencial para el sobrevivir de todas las formas de vida conocidas. Esta cubre el 72 por ciento de la superficie de la Tierra y en el cuerpo humano ocupa un 55 a 78 porciento de su masa, dependiendo del tamaño corporal. Así, el discutir su importancia no es polémico. Sin embargo, la discusión de la carencia de agua a nivel mundial es de gran importancia actualmente. El 22 de marzo es el día internacional del agua, según un acuerdo realizado en la ONU (Organización de las Naciones Unidas). Este es un esfuerzo por promover un remedio hacia los problemas alrededor del agua. Hoy, los problemas relacionados a la escasez de agua pudieran clasificarse en tres tendencias de estudio. Las causas, la situación actual y sus estrategias de solución. A continuación se discutirán ciertos temas dentro de estas tres clasificaciones.

Las causas

Actualmente, los efectos de carencia de agua están esparciéndose en todos los ámbitos produciendo problemas muy serios, a nivel personal existe un impacto en la salud y salubridad; en actividades económicas, afecta la agricultura y la producción de energía. Muchas son las causas que han producido esta situación, por ejemplo, el aumento del uso del agua, la acelerada urbanización, el uso de fertilizantes, el cambio climatico que modifica los ciclos hidrológicos de los ecosistemas. Entre estos, el más citado es tal vez, el aumento de la población, donde actualmente asciende a 6,700 millones de habitantes, con una razón de crecimiento del 1.14 porciento anual.

La situación actual

Existen aproximadamente 35 millones de km³ de agua fresca en el mundo, donde casi un 70 porciento es hielo y el otro 30 porciento es agua del subsuelo. Menos del uno por ciento llena los lagos, ríos, pantanos, etc. [1]. Así, toda esta fuente representa el capital de agua renovable del cual dependen la agricultura, la industria y el agua domestica. La agricultura y la industrialización hacen el mayor uso del agua, como puede observarse en la siguiente figura.

Un problema grave es la sequía de algunas zonas, la falta de humedad resulta en una fuerte reducción de evaporación y refrigeración del suelo. Científicos climáticos creen que a mediados de este siglo los veranos con calor extremo y carencia de lluvia pueden volverse algo común. Cambios en la humedad del suelo (“soil moisture”, en ingles) podrían causar erosión, perdida de nutrientes del suelo e incluso afectar la formación de nubes. La siguiente figura es una predicción de la humedad del suelo [2] usando diferentes modelos climáticos, en ella se muestra el cambio que existe del periodo 2068-98 vs 1960-90, zonas rojas representan lugares que disminuyeron su humedad, zonas azules que la aumentaron. Las expectativas son que los impactos mas severos ocurren en las zonas de transición de climas húmedos a secos.

Un problema relacionado con la sequía es la escasez de agua potable y la salubridad, la cual es la mayor causante de enfermedad a nivel mundial. Dos millones de personas, la mayoría niños, mueren cada año de enfermedades relacionadas a la escasez e insalubridad del agua. Alrededor de 1,200 millones de personas vive en áreas donde no existe suficiente agua para la necesidad de todos. La siguiente figura muestra un mapa sobre escasez del agua[3].

Para el 2025, se estima que 3,400 millones de personas vivirán en países con problemas de escasez de agua. Se considera que para producir nuestra ración de comida diaria se necesita de aproximadamente 3,000 litros de agua, 1,000 veces más de la que necesitamos para beber.

Las estrategias de solución

Si continuamos con el uso desmedido del agua a todos los niveles, personal, industrial y/o en la agricultura, en poco tiempo acabaremos con todos los suplementos a menos que tomemos acciones correctivas.

Estrategias en disminuir y racionalizar adecuadamente el consumo del agua están en constante desarrollo. No solo los gobiernos y empresas deben atacar este problema de inmediato. También, nosotros, los ciudadanos debemos de disminuir nuestro gasto diario de agua y consumir menos productos. El aprovechamiento eficiente de este recurso natural será elemento clave.

El humano parece haber perdido la memoria en su detonante modernización, en tiempos pasados teníamos muy presentes que el hombre era parte de la naturaleza y la naturaleza era el hombre, así se trataba incansablemente de no afectar la madre Tierra. ¿Donde quedaron estas ideologías?, este no es un ensayo para adular generaciones pasadas, sino retomar ciertos ejemplos que tal vez pudieran ayudarnos ó guiarnos en estrategias sencillas y disponibles a toda comunidad.

Por ejemplo, los antiguos nahuas tuvieron que enfrentar innumerables batallas, no solo con otras tribus, sino también con el lugar donde asentaron su ciudad. El clima tropical hacía que los fértiles valles de la región fuesen casi ideales para el cultivo, a pesar de hallarse a poco menos de 2,000 metros de altitud; las intensas lluvias aseguraban cosechas abundantes durante los seis meses de la estación. Tan favorables condiciones hicieron de esta región la cuna de la agricultura del Nuevo Mundo y el suelo natal del maíz.

La confederación de pueblos nahuas era formada por Tezcoco, México-Tenochtitlan y Tlacopan, llamada la triple alizanza. En los tiempos de Netzahualcoyotl (gobernante de Tezcoco, 1430 d.C.), 8,060 kilómetros cuadrados era la extensión del valle de México; 1,000 kilómetros estaban cubiertos por las aguas de un gran lago. El gran lago estaba formado por otros pequeños. Este lago tenía la particularidad de estar dividido en zonas, una de agua dulce y una de agua salada. En tiempos de sequía la zona salada no recibía agua que escurría de las montanas y bajaba su nivel, entonces el agua dulce de los lagos, proveniente de manantiales, invadía la zona salada. Por el contrario, en época de lluvias subía el nivel del agua de la zona salada e invadía la zona de agua dulce que quedaba en un nivel mas bajo. La invasión por las aguas saladas ocasionaba inundaciones en los pueblos y ciudades circundantes, además de dañar cultivos, incrementar las necesidades de las tierras de cultivo e incrementar la necesidad de agua potable para la población. Para solucionar estos problemas fue necesario de varias obras de ingeniería hidráulica, muchas proyectadas y dirigidas por Netzahualcoyotl [4] . Su construcción, de cuyos modestos orígenes apenas quedan rastros, fue progresando gradualmente hasta alcanzar una escala monumental.

Grandes construcciones son [4]: el acueducto de Chapultepec, sobre las bases de un acueducto antiguo se construyeron canales, de piedra y argamasa de cal. Tenía una longitud de 5 kilómetros, con varios puentes y canales. El acueducto llegaba a un gran estanque que contenía y distribuía el agua, en este lugar el canal se hacia subterráneo y conducía el agua hasta el interior de la casa de las personas importantes de la ciudad, donde se distribuiría posteriormente. Otra obra fue el dique, que se utilizaría para prevenir la inundación de Tenochtitlan por el lago de Tezcoco, tenía una longitud mayor a los 16 kilómetros y anchura de 6 metros, se estima que participaron unos 20,000 trabajadores en su construcción. Para la agricultura, se desarrollaron las llamadas terrazas ([4] y [5]), que es la agricultura de las laderas de montañas. Estas terrazas tienen muros de contención, hechos de adobe y piedra reforzándose con la vegetación que crecía en sus bordes; las terrazas permitían aumentar la superficie del cultivo, retener la humedad y evitar la erosión; el agua para regarlas era llevada desde lugares lejanos por medio de canales ó acueductos. Los agricultores, al adoptar un método de regadío tan eficiente, redujeron la acumulación de minerales en la tierra, al tiempo que minimizaban la cantidad de agua necesaria para la vida de las plantas de cada terraza; aumentaron así la superficie total de irrigación.

Este es solo un ejemplo en la historia y parece ser común el uso de sistemas similares en América Latina en culturas aledañas. De esto podemos argumentar que gobernantes deben valerse del ingenio (hoy la establecida ciencia) para obras que beneficien a su comunidad, a su vez de estar en armonía con la Naturaleza, y tratando de intervenir lo mas mínimo en su transcurso. Mas aun, la gente deberá participar arduamente en estos proyectos. La cosmovisión de la vida en esos tiempos era otra, por supuesto, pero hay ciertas enseñanzas que pudiéramos recuperar y adaptar a la modernidad. Para finalizar, que mejor que en las palabras del propio Netzahualcoyotl:

Kin ok tlamati noyollo
nik kaki in kuikatl,
nik itta in xochitl.
Maka in kuetlawia in tlaltikpak!

Lo he comprendido al fin:
oigo un canto: veo una flor:
¡oh, que jamás se marchiten!.

Referencias:
[1] Living Planet Report 2006, World Wild Life Fund (WWF).
[2] Schiermeier, Q., A Long Dry Summer, Nature, vol.452:20, p. 270-273, March 2008.
[3] Marris, E., More Crop per Drop, Nature, vol.452:20, p. 273-277, March 2008.
[4] Lugo P. R., Netzahualcoyotl: El hacedor de todas las cosas, Instituto Mexiquense de Cultura, 1996.
[5] Caran S. C. and Neely, J. A., Hydraulic Engineering in Prehistoric Mexico, Scientific American, vol.295:4, p. 78-85, October 2006.

Recordando a dos grandes

2008-03-22T06:59:00.000-07:00

Por Möbius

Este pasado 18 de Marzo del 2008 murió uno de los más grandes escritores de ciencia ficción de nuestros tiempos: Arthur C. Clarke. Una de las cosas que más lo destacaron fue su inclinación por la ciencia más que la ficción. Ya que además de escribir su famosa obra 2001 Odisea del Espacio se encargó de divulgar la ciencia y la tecnología. Fue asesor técnico de varias misiones espaciales y fue uno de los pioneros en proponer el uso de satélites artificiales como medios de telecomunicación. Para honrar su muerte incluí en este segmento la primera parte de un video, no muy conocido, del mismo Arthur C. Clarke presentando el concepto de los fractales. Larga vida a este autor y divulgador de ciencia!

Richard Feynman

Otro de los grandes en la ciencia que recordamos es Richard Feynman. Uno de los físicos más importantes del siglo veinte. Sus contribuciones científicas son variadas incluyendo física nuclear, electrodinámica cuántica por la cual recibió el premio Nobel e incluso computación. Sin duda uno de sus más importantes contribuciones fue su carisma y habilidad para la enseñanza científica. Las "Feynman lectures on..." han sido traducidas a varios idiomas y son consideras unos de los mejores libros de texto para enseñar física básica. En este blog recordamos a Richard Feynman con un link a una serie de pláticas acerca de la física de partículas presentada por el mismo Feynman en la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda. Estos videos poco comunes del Vega Science Trust son la perfecta evidencia de la curiosidad y la claridad para la presentación de temas científicos del gran señor Feynman.

Link a los videos de Richard Feynman cortesía del Vega Science Trust

El futuro del planeta Tierra

2008-03-18T21:44:00.000-07:00

Por J. Jimenez

Evidencia genética muestra que el humano moderno habita la Tierra desde hace unos 200,000 de años y se estima que actualmente somos 6,700 millones de habitantes los que compartimos este inmenso hogar. Si la naturaleza sigue su curso de manera habitual, nuestro hogar, la Tierra, será arrastrado de su orbita por una gigante roja (producto de la evolución del Sol) y su trayectoria acabara hacia una muerte rápida y vaporosa.

La ciencia astronómica moderna categoriza a una estrella por su luminosidad y su temperatura en la llamada “secuencia principal”. Se denomina secuencia principal a la región del diagrama de Hertzsprung-Russell en la que se encuentran la mayor parte de las estrellas. El Sol es una estrella de la secuencia principal que ha permanecido durante 4,500 millones de años en esta secuencia estable. Cuando el suministro de hidrógeno en el núcleo finalice, el Sol comenzará a expandirse y su superficie se enfriará. Como resultado, se convertirá en una gigante roja, esto en unos 7,600 millones de años en el futuro.

Para la Tierra el coexistir con esta gigante roja tiene descomunales problemas, sus océanos hervirán hasta desaparecer, toda forma de vida conocida desaparecerá. Bajo este panorama desalentador, la Tierra tiene sus días contados, ¿ó no?. Hablar sobre la presencia humana en este escenario apocalíptico es difícil de creer, sin embargo si el humano es capaz de sobrevivir a sus amenazas de vida, como guerras, enfermedades y/ó carencia de alimento, entre otras, podríamos afrontar este ultimo trance. Se necesitarían estrategias de sobrevivencia con tareas colosales en el ámbito científico. Esto motivaría a encontrar caminos para dejar nuestro planeta y colonizar otras áreas de la galaxia.

Ahora, si somos hogareños pensaríamos en opciones como la propuesta por Korycansky et al., Korycansky y otros científicos no descartan que nuestra tecnología evolucione a un punto en que pudieran llevarse a cabo ingenierías de larga escala. A lo que se refieren es a una migración de la Tierra usando asistencia gravitacional de objetos como asteroides ó cometas. Esta estrategia se basa en modificar gradualmente la orbita de nuestro planeta hacia una diferente con el fin de escapar del creciente flujo de radiación. La idea es usar cuerpos de gran masa como asteroides, la masa de estos seria usada como un mecanismo de asistencia-gravitatoria para incrementar la energía orbital de la Tierra y con ello incrementar su distancia al Sol. La asistencia gravitatoria es usada actualmente por las sondas espaciales para obtener un “empujón” y ganar velocidad al pasar cerca de grandes cuerpos como Venus ó Júpiter. Se estima que bajo este esquema la Tierra necesitaría de un encuentro cada 6000 años (en promedio) usando cuerpos con una masa de aproximadamente 10¹⁹ kg. Este sistema parece prometedor ya que podría ser eficiente en la preservación de la biosfera.

Asi nuestros futuros descendientes podrian preguntarse mutuamente, ¿Y tú te vas ó te quedas?.

Referencias:

Korycansky D. G., Laughlin G. y Adams F. C., Astronomical Engineering: A strategy for modifying planetary orbits, Astrophysics and Space Science, 275:349-366, 2001.

Kissing the Earth Goodbye, Science Times, NYT,11 Marzo 2008.

El ciclo de vida del Sol (Youtube video):

La tendencia global en el surgimiento de enfermedades infecciosas

2008-03-02T23:46:00.000-08:00

Por J. Jimenez

Base: "Global trends in emerging infectious diseases", Nature vol.451, 21 Feb 2008.

Jones, et al., reportan un estudio sobre el surgimiento de enfermedades infecciosas a nivel global. Este estudio reporta el surgimiento de 335 enfermedades infecciosas en el periodo de 1940-2004. Es evidente que el surgimiento de enfermedades infecciosas (SEIs) son una verdadera amenaza a la salud pública y la estabilidad de las economías globales.

Entre sus resultados es interesante que el SEIs ha aumentado desde 1940, alcanzando un máximo en los 80’s. Esta alta proporción en los eventos de los 80’s es atribuido ampliamente a aquellas enfermedades asociadas con el VIH/SIDA. Entre el SEIs de mayor aparición son aquellas relacionadas a patología del tipo bacteriológica y viral. En la siguiente figura se muestran estas distribuciones. Además se incluyo su clasificación a la respuesta a medicamento.

La mas altas concentraciones en SEIs de eventos por millón cuadrado de kilómetros terrestres, fue encontrada entre los 30-60 grados Norte y entre 30-40 Sur, con los mayores puntos rojos en el Noreste de los Estados Unidos, Europa del Oeste, Japón y Sureste de Australia. Se hace la hipótesis que los mayores promotores de esta distribución de EIs son debido a causas socio-económicas (aumento de población, uso de antibióticos y prácticas en la agricultura), además de condiciones ambientales y ecológicas que pudieran afectar la distribución patógena humana. En la siguiente figura se muestra la distribución del SEIs, los círculos representan la cantidad de eventos, en el que su tamaño es proporcional.

Se reporta también un análisis predictivo del SEIs, en sus resultados se categorizan las zonas con mayor probabilidad de un brote de EIs. Su caracterización global se muestra en la siguiente figura, donde: a-patogeno de origen animal (silvestre), b-patogeno vida animal (no-silvestre), c-patogenos resistentes a medicamento, d-patogenos de diseminacion vectorial. Como resultado se enfatiza que mayor esfuerzo deberá de hacerse en zonas de baja latitud, como África tropical, América Latina y Asia.

Políticas promovidas en países como México deberán de tener en cuenta este tipo de estudios al tratar con temas de Salud Publica y promoción en la investigación en ciencias de la Salud, cabe señalar que el sur de México es el más sensible a estos riesgos debido a su localización geográfica y su estatus ecológico.

Nota: Hacer click sobre la imagen para mejor visualización.

Links:

How bacteria cause disease?, University of California (Youtube video).

El calendario cósmico y la presencia del hombre en la historia del universo

2008-02-26T20:50:00.000-08:00

Por J. Jimenez

Universo, así es como llamamos comúnmente a todo lo existente físicamente, en ello se incluye, al espacio y tiempo, a todas las formas de materia, energía y momentum, y a su vez de todas las leyes físicas que lo gobiernan. El Universo es ya alguien de experiencia, su edad basada en observaciones astronómicas es de alrededor de 13.7 billones de años. Así, la historia humana es muy, muy joven, nuestro tiempo de vida se mide en décadas; nuestra generación familiar en siglos y toda la historia registrada en milenios.

Existen grandes periodos en los cuales no existió registro alguno, pero aun así somos capaces de extraer alguna información por la arqueología, paleontología y geología. Por las teorías astrofísicas somos capaces de calcular la edad de eventos en el cosmos, como edad de planetas, estrellas y galaxias, así mismo de una estimación del tiempo que ha transcurrido desde el extraordinario evento llamado la “Gran explosión”. La gran explosión pudiera ser el origen del Universo ó una discontinuidad en la cual información de eras anteriores a este evento fueron destruidas. Aunque, es ciertamente el evento mas reciente para el cual tenemos un registro.

Para dimensionar la vieja historia del Universo podemos usar el llamado calendario cósmico. El calendario cósmico fue propuesto por “Carl Sagan” en su libro “Dragones del Eden”. En este calendario cronológico del universo, el tiempo de vida del Universo, 13.7 billones de años correspondería a un año completo del calendario cósmico. Así, cada billón de años de historia correspondería a 24 días del calendario cósmico. Un segundo del calendario cósmico correspondería a 475 años terrestres.

Los eventos de este calendario incluyen:

Enero 1	Gran Explosión.
Mayo 1	Origen de la vial Láctea.
Septiembre 9	Origen del sistema solar.
Septiembre 14	Formación de la Tierra.
Septiembre 25	Origen de la vida en la Tierra.
Octubre 2	Formación de las rocas más viejas conocidas.
Noviembre 15	Florecimiento de Eucariota (Primeras células con núcleo)

Los eventos que incluyen al humano aparecen hasta el último día de diciembre, 31 Diciembre:

1:30 PM	Origen del Procónsul y Ramapitecus, posibles ancestros del mono y hombre.
10:30 PM	Primeros Humanos.
11:00 PM	Uso de herramientas de piedra.
11:46 PM	Domesticación del Fuego.
11:59 PM	Invención de la Agricultura.
11:59:50 PM	Primeras dinastías, Sumera, Ebla, Egipcia.
11:59:51 PM	Invención del alfabeto.
11:59:53 PM	de Bronce, Cultura Olmeca, invención de la brújula.
11:59:56 PM	Metalurgia. Nacimiento de la geometría Euclidiana, física de Arquímedes, astronomía Ptolomeica, Imperio Romano, Nacimiento de Cristo.
11:59:58 PM	Civilización Maya, Imperio Bizantino, invasión Mongol.
11:59:59 PM	Implementación de los métodos experimentales en la ciencia. Amplio desarrollo de la ciencia y tecnología, emergencia de una cultura global, adquisición de medios para auto destrucción de la especie humana, primeros pasos en exploración espacial y la búsqueda de vida extraterrestre.
Primer segundo del año nuevo:	Eventos actuales

La visión que nos proporciona este calendario es muy interesante, nos da una perspectiva de humildad en el desarrollo del hombre en comparación de la Naturaleza. ¿Que increíbles eventos surgirán al correr de los segundos, horas, días del próximo año del calendario cósmico?.

El calendario cósmico por Carl Sagan (Programa Cosmos):

Células Suicidas

2008-02-19T21:38:00.000-08:00

Por Möbius

Paradoja: "Para vivir uno tiene que morir". Aunque suene poético, la ciencia nos enseña que uno de los procesos más importantes de los sistemas biológicos es la muerte celular. La apoptosis es uno de los llamados procesos de muerte celular programada que mantienen, paradójicamente, a los organismos vivos.

El proceso de proliferación celular es necesario para el desarrollo de un organismo y para su supervivencia, pero esta duplicación tiene que estar controlada por complejos sistemas de señales que normalmente son regulados por la actividad de ciertas proteinas. De esta manera un organismo puede mantener un ritmo de crecimiento controlado donde las funciones biológicas más importantes pueden llevarse a cabo. Uno de estos procesos de regulación involucra la muerte de ciertas células.

En ocasiones donde se ha producido una cantidad excesiva de celulas o donde éstas tienen daño en su composición genética o incluso un desarrollo inapropiado, las células entran en un estado de "condena de muerte" donde incluso participan en su propia destrucción. Este suicido colectivo celular es tan vital y común que más de 50 mil millones de células mueren en un adulto promedio diariamente. Durante nuestra vida reemplazamos varias veces todas las células de nuestro cuerpo.

Un dato interesante es que en algunos casos, el suicidio esta programado por default y se impide solo si se reciben ciertas señales de supervivencia. De no recibir estas señales se entra en una etapa de autodestrucción que incluye la propía autodigestión sucesiva de membranas y otras partes estructurales vitales. En otras palabras este canibalismo permite que tumores cancerígenos se desarrollen. A diferencia de la necrosis, que es la muerte debida a un daño patológico, la apoptosis es parte de un sistema sano y en desarrollo.

Podemos concluir que la clave para la supervivencia del organismo no radica en en que tantas células son capaces de ser producidas sino como su población es regulada. Por un lado sin las células suicidas se producen enfermedades como cancer, desórdenes inmunológicos e infecciones virales pero por el otro, un exceso de éstas pueden propiciar Alzheimer, Parkinson e incluso SIDA.

Al final de cuentas podríamos afirmar que todo ser humano esta en un constante "suicidio celular". Esto nos lleva a preguntas filosóficas como la del famoso bote de Delfos. Esté dilema propuesto por el Oráculo de Delfos hace la siguiente pregunta: Si a un bote se le reemplazan poco a poco sus tablas hasta el punto de que es reemplazado por completo. ¿Sigue siendo el mismo bote? Lo mismo nos podemos preguntar de nosotros mismos al saber que todas nuestras células son reemplazadas varias veces en el transcurso de nuestra vida. La respuesta queda a juicio del lector.

Referencia: Craig B. Thompson. Apoptosis in the Pathogenesis and Treatment of Disease. Science Vol. 267. p. 1456-1462. 1995

Recolección de energía biomecánica: Generación de energía eléctrica al caminar

2008-02-14T21:25:00.000-08:00

Por J. Jimenez

Base: "Biomechanical Energy Harvesting", Science vol.319, 08/02/2008

Investigadores de la Universidad Simon Fraser, la Universidad de Pittsburg y la Universidad de Michigan han desarrollado un recolector de energía biomecánica que genera electricidad al caminar y que requiere un esfuerzo mínimo para el usuario. El dispositivo ortopédico mecánico es montado en la rodilla y selectivamente recoge la energía que se pierde cuando la persona frena la rodilla después de mover la pierna hacia adelante para dar un paso. El mecanismo funciona en gran medida como las cargas regenerativas del freno en la batería de algunos vehículos híbridos, estos recogen la energía cinética que, de otra manera, se disiparía como calor cuando disminuye la velocidad de un vehículo.

Es bien sabido que el cuerpo humano es una rica fuente de energía. Una persona de tamaño promedio almacena en su grasa corporal energía a la par de una batería de mil kilogramos. El humano usa su musculatura para convertir esta energía química almacenada en trabajo mecánico con eficiencias hasta del veinticinco por ciento. Muchos dispositivos han sido creados para producir electricidad aprovechando la capacidad mecánica del humano, como generadores manuales, lamparas, radios, cargadores telefónicos, etc. Sin embargo estos necesitan que el usuario centre su atención en la generación de la energía misma, en vez de tener la libertad de dedicarse a otras actividades durante este periodo, con lo que resulta en pequeñas cosechas de energía.

El dispositivo creado es en esencia un chasis de aluminio y un generador montado en una rodilla ortopédica, con un peso de aproximadamente 1.6 kg, situado uno en cada rodilla del usuario. Su engranaje interno convierte la baja velocidad y alto torque en la rodilla, en alta velocidad y bajo torque al generador, cuenta con un embrague de una sola vía que permite el enganchamiento selectivo durante la extensión de la rodilla únicamente y desenganche durante la flexión.

Aun cuando este tipo de dispositivos están en la etapa de diseño, tratando de disminuir costos, peso del equipo, mayor eficiencia, entre otros; el potencial de aplicación de estas tecnologías es prometedor, entre sus aplicaciones principales se planea usar en dispositivos de comunicación, prótesis ortopédicas artificiales y otros artefactos de uso común.

Links:

http://www.technologyreview.com/Infotech/20177/page1/?a=f

http://www.youtube.com/watch?v=ckaZ5-mrsPM

Instintos asesinos: La perspectiva evolutiva sobre la violencia humana.

2008-02-04T23:31:00.000-08:00

Por J. Jimenez
Base: "Killer Instincts", Nature vol.451, 31/01/2008

Un creciente número de psicólogos, neurocientíficos y antropólogos han acumulado evidencia que permite entender muchos aspectos del comportamiento antisocial del humano, incluyendo violencia y asesinato.

Daly y Wilson, investigadores de la Universidad de Ontario, reportan que la mente y el cerebro humano tiene una predisposición hacia la violencia, y que acciones de homicidio son usualmente un “producto” de la búsqueda de alguna meta.

Una condición clave para la evidencia del carácter evolutivo del homicidio es el hecho de que la mayoría de la violencia fatal es cometida por el hombre. Psicólogos evolucionarios mencionan que esto se debe a que el hombre ha evolucionado hacia la competitividad mas intensamente que las mujeres en la búsqueda de estatus, beneficio material y parejas sexuales. Daly y Wilson argumentan que este tipo competitivo, es mayormente explosivo en hombres de bajo estatus socioeconómico en regiones de alta desigualdad social, motivada en parte por el sentido de todo por ganar y nada que perder.

Aunque las mujeres también compiten, lo hacen en menor proporción y menor tendencia al uso de la fuerza hostil, ya que el riesgo de tales acciones es mucho mayor. Por ejemplo, la muerte de la madre tiene un impacto directo en la supervivencia de su cría, pero comúnmente la muerte del padre no lo es tanto.

Raine y LaCasse de la Universidad del Sur de California, han llevado a cabo estudios neurobiológicos sobre el homicidio, el estudio se ha centrado en unas decenas de cerebros de asesinos culpados por razones de enfermedad mental, un dato interesante es la presencia de un nexo entre un menor volumen de materia gris en el área orbitofrontal de la corteza cerebral, parte la cual es asociada con la toma de decisiones y la regulación de emociones, con una mayor agresividad y comportamiento antisocial. Por tanto, así como la evolución ha dotado al hombre con un cuerpo de mayor tamaño y fuerza en promedio, también ha dotado a la mujer de mayores recursos necesarios para regular la violencia y comportamiento antisocial.

Otro dato interesante es que se ha encontrado una conexión entre el comportamiento homicida y la capacidad de seguir bases morales. Con la ayuda de estudios de imagen sobre la actividad cerebral se ha podido entender el rol de los prejuicios morales sobre la acción emocional que viene de romper esos códigos de moral. Por lo que se ha propuesto que es posible que estos sentimientos sobre moral tengan un impacto de inhibición en el comportamiento agresivo y fatal.

Links:

http://news.bbc.co.uk/2/hi/programmes/if/4102371.stm

Los algoritmos del amor

2008-02-03T23:33:00.000-08:00

Por J.Jimenez
Base: NYT, Science Times 29/01/08

Desde tiempos antiguos la búsqueda de una pareja sentimental incluía el contar con la ayuda de familiares, amigos e inclusive la magia, hechicería y demás. Sin embargo ya hace algunos años la ciencia intenta participar en esta difícil tarea, ¿Como?, con los llamados algoritmos del amor.

Dentro del vasto mundo del Internet existen páginas donde se ofrece el servicio de buscar pareja, sitios como Perfectmatch.com, Chemistry.com, etc. La presencia de este tipo de sitios ha aumentado considerablemente, un comportamiento predecible si tenemos en cuenta que produce ganancias de al menos 300 millones de dólares anuales. Este “boom” incita a que científicos desarrollen y mejoren cada día sus “algoritmos del amor”, donde se incluye la participación de académicos y sus grupos de investigación de distintas instituciones como la Universidad de Washington, Rutgers, UCLA, entre otras.

Los “algoritmos del amor” son métodos efectivos en los cuales una lista de bien definidas instrucciones nos ayudan a completar una tarea. Estos algoritmos se basan en diferentes técnicas como la estadística tradicional usando una enorme cantidad de datos recopilados, datos los cuales son utilizados para buscar la compatibilidad entre las personas. Una debilidad de este campo, es que al parecer sus métodos todavía no se han enfrentado a una rigurosa revisión en publicaciones científicas.

Fuente:

http://www.nytimes.com/2008/01/29/science/29tier.html