¿Qué es un ordenador cuántico? Primera parte

Un ordenador, también llamado computador o computadora, es, como bien lo define wikipedia, una máquina electrónica que recibe y procesa datos para convertirlos en información conveniente y útil.

Pero esos datos, para cualquier ordenador, son en realidad números. Los ordenadores no entienden de literatura, ni de física, ni de música…, ni siquiera de matemáticas entienden. Ellos sólo entienden y manejan números, números muy grandes - eso sí -, números formados por muchas cifras y con muchos decimales.

Por otra parte al ordenador le suministramos información a través de “sus sentidos”, así como nosotros percibimos el mundo exterior a través de la vista, el oído, el gusto, el olfato o el tacto, el ordenador percibe sus datos a través del teclado, el lápiz óptico, el ratón, etc. Y se expresa mediante el monitor, la pantalla, los altavoces, etc.

Cuando tecleamos, por ejemplo, nuestro nombre sobre el teclado, al pulsar cada una de las letras y espacios lo que estamos haciendo es indicar a la computadora una secuencia de números (cada tecla, al ser pulsada, cortocircuita dos de las patitas de un pequeño circuito integrado, mediante la matriz de cables desnudos de cobre existente bajo las teclas de plástico). 

De igual modo cuando el ordenador nos quiere indicar un resultado, o simplemente escribir en la pantalla un pasaje del Quijote para nosotros, lo que hace es justamente lo contrario (en este caso envía señales eléctricas a algunos de los cables de cobre que se cruzan tras la superficie de la pantalla del monitor en pequeñas celdas que al recibir tensión se iluminan). Así, cada una de las celdas, en las que confluyan los pares de señales que el ordenador envió, se iluminarán para formar un pixel de imagen, que junto con otros muchos píxeles, o celdas iluminadas, conformarán y trazarán las imágenes visibles (en este caso las letras y palabras del párrafo mencionado).

Pero los números con los que el ordenador lo hace todo (desde escribir una poesía a realizar un complicado cálculo matemático, pasando por dibujar el esquema de una máquina, colorear una imagen o reproducir una canción, entre otros miles de cosas) no funcionan como los que usamos nosotros de forma cotidiana. Nosotros utilizamos diez dígitos, del cero al nueve, para representar cualquier cantidad posible, el ordenador, en cambio, sólo utiliza dos: el cero y el uno. 

Y es que con solo esos dos caracteres (cero o uno, blanco o negro, encendido o apagado, alto o bajo, con tensión o sin tensión…) se puede escribir cualquier número. 

Veamos un ejemplo:

Si yo quiero escribir el número 8, utilizando solo ceros y unos, puedo escribirlo así: 1000 (un uno seguido de tres ceros). 

El dígito más a la derecha vale 'uno' si está en 1 y 'cero' si está en 0. 

El segundo dígito vale 'dos' si está en 1 y 'cero' si está en 0.

El tercer dígito vale 'cuatro' si está en 1 y 'cero' si está en 0.

El cuarto dígito vale 'ocho' si está en 1 y 'cero' si está en 0. 

Por tanto el ocho se escribe encendiendo solo el cuarto dígito, comenzando a contar desde la derecha hacia la izquierda.

Para escribir el seis, por ejemplo, encendemos el tercer dígito (que vale cuatro) y el segundo (que vale dos), manteniendo los otros dos apagados, es decir 0110. 

Y para el siete encendemos el primero, el segundo y el tercero: 0111.

Si en vez de usar solo cuatro dígitos usamos 8, 16, 32, 64, 128... imaginad los números extensísimos que podemos llegar a representar, porque cada dígito que añadimos por la izquierda valdrá el doble que el que le precede.

Por ejemplo el número 15, en binario, sería 1111, para continuar con números más grandes añadimos dígitos. Así:

El 16   se escribe                0 0 0 1  0 0 0 0
El 32   se escribe                0 0 1 0  0 0 0 0
El 64   se escribe                0 1 0 0  0 0 0 0
El 65   se escribe                0 1 0 0  0 0 0 1
El 127 se escribe                0 1 1 1  1 1 1 1
El 255 se escribe                1 1 1 1  1 1 1 1
El 256 se escribe    0 0 0 1  0 0 0 0  0 0 0 0

De esta forma podemos ir aumentando dígitos hasta el infinito para conseguir cada vez números más grandes. La única limitación para seguir implementando dígitos es el espacio de almacenamiento que necesitamos, que aumentará conforme se haga más grande el número.

Como os decía al principio los números se pueden convertir en cualquier cosa, en letras por ejemplo, si a cada letra le asignamos un número específico.
Podemos empezar asignando a la “a” el “1”, y así hasta la “z” a la que asignamos el número “27”, luego volvemos a recorrer el abecedario desde la “A” a la que le asignamos el “28” y numeramos todas las mayúsculas hasta la “Z”, después asignamos número a los dígrafos: ch / ll / gu / qu / rr, también a cada uno de los signos de puntuación, etc., etc., etc.

Es evidente que para escribir la palabra “Casa”, al ordenador, para que nos entienda, tenemos que decirle que lo que vamos a escribir es una palabra, y luego deletrearle la palabra en cuestión. En vez de “Casa” le decimos: “30-01-20-01” (el 30 es "C" mayúscula, el 1 es "a" minúscula, el 20 "s" minúscula y el 1 es "a" minúscula) que en binario sería: 

00011110-00000001-00010100-00000001

Porque: 

DECIMAL            BINARIO

30 --> 0 0 0 1 1 1 1 0
01 --> 0 0 0 0 0 0 0 1
20 --> 0 0 0 1 0 1 0 0
01 --> 0 0 0 0 0 0 0 1

Así que nuestra palabra simple de cuatro letras para que el ordenador la entienda hay que convertirla a un número de 32 dígitos. Y así sucede para cualquier otro dato que queramos introducir al ordenador.
Imaginaos por ejemplo para escribir las obras completas de Cervantes, la cantidad de dígitos que se necesitan. 

Todos estos números se almacenan, en el interior de los ordenadores, en una especie de estanterías electrónicas a las que llamamos memorias. Una memoria de ordenador no es más que una pila de baldas con 8, 16, 32, 64… casilleros cada una.

Para almacenar nuestra palabra: “Casa” en una memoria digital, basta con poner una marca en cada una de las casillas que queremos que valga uno y no hacer nada en las demás. 

Así en la primera de las baldas, de nuestra estantería-memoria de treinta dos casilleros, tendríamos:

  0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

          _ _ _ X X X X _ _ _ _ _ _ _ _ X _ _  _ X _ X _ _ _ _ _ _ _ _ _ X

Con esas ocho celdas activadas (con tensión eléctrica) hemos escrito 'Casa' en la primera balda de nuestra memoria, y a esa balda en concreto le asignamos una dirección (la 00000111 por ejemplo) para que cuando queramos recuperar nuestra palabra solo tengamos que indicársela a la computadora y ella, automáticamente, después de leer los números en el casillero direccionado, envíe los datos a la pantalla en forma de números que encederán los píxeles necesarios para mostrar la palabra [Casa] en el display. 

De esta forma tan simple, con estanterías de datos (memorias) muy grandes (de muchas baldas apiladas, y muchos casilleros por balda), podemos guardar grandes cantidades de números (que representarán todo aquello que nosotros queramos codificar) que luego podemos recuperar cuando queramos para mostrarlos o para operar con ellos.

En realidad las memorias son circuitos electrónicos que, en vez de marcas o unos y ceros, lo que almacenan son niveles de tensión. Es tan simple como enviar y mantener 5 voltios de tensión, aplicados a las celdas del circuito integrado (memoria) que queremos que valgan 1, y no enviar nada, manteniendo esas otras por tanto a cero voltios, a las celdas que deben contener el valor 0.

No vamos a profundizar más en el ordenador clásico, pues sería preciso escribir varios libros para poderlo hacerlo seria y pormenorizadamente, pero creo que con lo expuesto hasta aquí se entiende básicamente su funcionamiento y es más que suficiente para ingresar en la segunda parte: en “lo cuántico”.

...Y ¿qué es cuántico?... Qué significa en realidad esta bonita palabra que suena a magia y que utilizan sin mesura y sin pudor todos aquellos que quieren “impresionar” al resto de los mortales intentando explicar lo que aún es inexplicable para la ciencia. 

Bueno… voy a intentar explicároslo como lo entiendo yo, sin magia ni meigas, pero esto será en una segunda entrega, pues esta ya se ha alargado en demasía. Os prometo que en unos días os sigo contando cosas sobre el intrigante ordenador cuántico. Hasta entonces gigasaludos y terabytes de gracias a todos y cada uno de mis apreciados lectores.

El Spin de las partículas subatómicas.

Según Stephen Hawking, y lo explica en su libro Breve Historia del Tiempo, lo que indica realmente el espín de una partícula es "cómo ésta se muestra, vista desde distintas direcciones”.

Hay que tener en cuenta que el spin no puede tomar cualquier valor, sino que está cuantizado, y siempre ha de ser múltiplo entero de la mitad de la Constante Reducida de Plank (h con barra / 2), lo que significa que, al medirlo, solo se pueden dar determinadas proyecciones de la partícula observada sobre una dirección concreta. 

CONSTRUYENDO EL COSMOS. EL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS.

Imagen: http://recursostic.educacion.es/bancoimagenes/web/

Todas las cosas que percibimos en la naturaleza son susceptibles de ser divididas en trozos muy pequeños. Esos trozos, los más diminutos que seáis capaces de conseguir, están hechos de moléculas, que son los pedacitos más chicos en los que podéis trocear cualquier objeto que tengáis a la mano y que, aunque os resulten invisibles a simple vista, mantienen todas las propiedades químicas de la sustancia de la que proceden. Si machacáis por ejemplo un grano de sal común hasta convertirlo en polvo finísimo, observaréis (al microscopio) las moléculas que lo componen; esto es, los fragmentos más pequeños de sal común machacada que pueden seguir llamándose cloruro de sodio porque aún son sal y, por tanto, mantienen todavía su capacidad de sazonar vuestra comida.

Existen infinidad de moléculas en la naturaleza, tantas como materiales seáis capaces de observar. Cualquier cosa que podáis ver, oír, oler, gustar o tocar, esté hecha de células, plásticos, maderas, gomas, minerales, metales, cartón… o de lo que sea, está construida, sin lugar a dudas, con infinidad de moléculas unidas las unas a las otras a modo de piezas de un lego miniatura.

El átomo de Rutherford y Bohr.

A pequeña escala todo se simplifica. Toda la materia del universo, las estructuras grandes y pequeñas, las montañas, nuestras viviendas, el aire que respiramos, los árboles, las rocas, los animales, el agua que bebemos… nosotros mismos, todo está hecho de átomos y de sus combinaciones.

Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas. Su diámetro es del orden de la diez millonésima parte de un milímetro, es decir en un milímetro caben diez millones de átomos alineados. Su masa también es casi inconcebible para nuestros sentidos, para que una balanza acuse una masa de un gramo, habría que colocar un cuatrillón de átomos de hidrógeno sobre el platillo de una balanza para que esta marque un gramo de peso en la Tierra.

El nombre «átomo» proviene del latín "atomum", y este del griego "ἄτομον", y significa: no divisible. El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo, fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, no fue considerado seriamente por los científicos hasta el siglo XIX, cuando fue introducido para explicar ciertas leyes químicas. Y No fue hasta el siglo XX, con el desarrollo de la física nuclear, que se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

¿Qué es la corriente eléctrica?

Seguro que os habéis preguntado alguna vez en qué consiste, o de qué está hecha, esa tremenda fuerza misteriosa que vive agazapada dentro de unos alambres de cobre, tras los agujeritos de los enchufes de vuestras casas. Esa bendita y a la vez terrible energía que es capaz de poner en marcha el televisor, hacer que giren a toda velocidad las cuchillas de la batidora, iluminar toda una habitación en medio de la oscuridad de la noche, o hacer que el agua hierva sobre la placa vitrocerámica de la cocina. 

Seguro que os interesa saber cómo se genera esa fuerza invisible que incluso sería capaz de arrebatar la vida a cualquiera si se la manipula inadecuadamente, sin observar las imprescindibles medidas de seguridad. Si es así, a vosotros, mentes inquietas y ávidas de conocimiento, va dedicado este post.

No es lo mismo calor que temperatura...

Es generalmente conocido que al calentar un objeto su temperatura aumenta, este hecho podría inducirnos a confundir calor con temperatura, pero aunque exista relación entre ambos, son conceptos diferentes.

Todos los átomos que componen la materia del universo, de los que estamos hechos nosotros mismos, nuestras casas, la comida que ingerimos o el aire que respiramos, se agitan continuamente en mayor o menor medida. Esa agitación perpetua, llamada energía térmica, es la que genera el calor de las sustancias.

Sin embargo la temperatura no es energía. La temperatura es realmente una medida. Una comparación entre la energía térmica de dos sustancias, sobre una escala graduada que determina el grado de calor de un cuerpo.

El calor de un cuerpo depende de su tamaño, y del tipo y número de partículas que lo componen. En cambio, la temperatura, no depende del tamaño del cuerpo, ni del de las partículas, si no de su velocidad.

Del Big Bang al ADN...

Después de la gran explosión a partir de la cual surgió el vasto universo en el que existimos, según la teoría del Big Bang, la materia, de la que todos nosotros estamos hechos, se encontraba en su estado atómico más simple. 

A partir de aquel momento inicial, el incipiente cosmos comenzó a expandirse y a saturar el extenso vacío poblándolo de infinidad de átomos de hidrógeno; formados a partir de asociaciones casuales de partículas subatómicas primigenias como los quarks, los electrones y otras.

Instantes después de la gran explosión, los progenitores de la materia actual, es decir, los los átomos primitivos de hidrógeno dispersos, compuestos cada uno de ellos por un par simple de protón y electrón, comenzaron a acumularse en pequeños grumos aislados que crecieron exponencialmente hasta formar grandes depósitos de material que pronto se convirtieron en los precursores de las primeras estrellas. 

Debida a la acumulación, y en consecuencia al tremendo sobrepeso de tan gran cantidad de materia depositada sobre aquellos cúmulos estelares, la presión y la temperatura comenzaron a aumentar en los núcleos de aquellas estrellas nuevas de forma exponencial, llegando a ser tan extremadamente altas (millones de toneladas y grados) que los átomos simples de hidrógeno comenzaron a fundirse entre ellos dando lugar a átomos de un material nuevo más elaborado: el helio; cuyos átomos están compuestos por dos protones, dos neutrones y dos electrones. 

Átomo de helio

De la unión de aquellos dos tipos de átomos; hidrógeno y helio, surgieron otros cada vez más complejos, como el litio, el berilio, el bromo, el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo, etc. De esta forma fueron apareciendo sucesivamente todos los elementos químicos hoy conocidos por el hombre; representados ordenadamente, con sus propiedades y características, en la consabida tabla periódica. 

Aquellas estrellas primigenias, surgidas hace ahora casi quince mil millones de años, se extinguieron con el tiempo o, dicho de otra forma “murieron”; como mueren todas las estrellas: explotando, y consiguientemente desperdigaron a lo largo y ancho del cosmos su materia estelar, la materia de la que estamos hechos todos los seres vivos: un sinfín de átomos de todos los elementos conocidos, los mismos que fraguaron (hace casi cinco mil millones de años) a nuestra estrella Sol y a sus ocho planetas, incluyendo a nuestra querida madre Tierra, e incluso a nosotros mismos.

ADN

Y… hablando de átomos, dispersos por el cosmos, o en cúmulos estelares y planetarios:

• Cuando un átomo simple de fósforo se enlaza con cuatro átomos de oxígeno, se produce un ion con estructura tetraédrica, conocido como grupo fosfato.

grupo fosfato

• Cuando cinco átomos de carbono se combinan con diez de hidrógeno y cinco de oxígeno, se forma algún tipo de isómero del grupo de las pentosas, como por ejemplo la ribosa, una aldopentosa que está presente en el ARN. Y, de ésta última, puede surgir de forma espontánea un glúcido insoluble, cuya disposición atómica da lugar a una molécula de un monosacárido (azúcar simple) muy especial, llamado desoxirribosa.

desoxirribosa

• Finalmente, cuando multitud de grupos fosfato se unen alineándose longitudinalmente, se forma una larga cadena cuyos eslabones son dichos grupos fosfato y de cada uno de los cuales penderá una pentosa que, a su vez, debe unirse por su lado libre a una base nitrogenada; la que en su momento le será asignada por la instrucción correspondiente del instructor mensajero encargado de realizar las copias de la vida. 

  

Las bases nitrogenadas son compuestos orgánicos. Existen tres tipos de ellas, pero nosotros sólo hablaremos de dos: las purinas y las pirimidinas.

A la primera clase pertenecen: la adenina, formada por cinco átomos de carbono, cinco de hidrógeno y cinco más de nitrógeno (C5 H5 N5) y la guanina, que es idéntica a la adenina pero con un átomo adicional de oxígeno (C5 H5 N5 O).

La segunda clase comprende: la timina, formada por quince átomos en total, cinco de carbono, seis de hidrógeno, dos de nitrógeno y dos de oxígeno (C5 H6 N2 O2), la citosina, de trece átomos: cuatro de carbono, cinco de hidrógeno, tres de nitrógeno y uno de oxígeno (C4 H5 N3 O), y el uracilo, con cuatro átomos de carbono, cuatro de hidrógeno, dos de nitrógeno y dos de oxígeno (4C 4H 2N 2O). (Adenina, guanina, timina y citosina, están presentes en las cadenas de ADN. En el ARN se sustituye la timina por uracilo).

De esta forma, la primitiva asociación espontánea de cuarenta átomos, (uno más si la base nitrogenada es la Guanina y uno menos si es la Citosina) que fueron horneados hace miles de millones de años en las entrañas de alguna de las innumerables estrellas que pueblan, o poblaron, el firmamento; átomos de elementos tan comunes como el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el fósforo, prodigiosamente reunidos en estructuras surgidas al azar en el pasado remoto, darán lugar a una organización más sorprendente aún y especialmente trascendental para la génesis de la vida; me estoy refiriendo al Nucleótido, (la pieza básica de la grandiosa molécula de ADN), que será utilizado como bit de información en el extenso código de instrucciones auto génicas que programan a cada célula para que se auto replique; e incluso, lo que aún es más milagroso, para que el organismo de la que es partícipe evolucione aprovechando esporádicos y escasísimos errores que se producen a veces en la copia del código, en beneficio propio y para perfeccionamiento y evolución de la especie de la que forma parte.

Estructura de un nucleótido

Como ya hemos dicho, en el ADN, cada bit de información está contenido en un nucleótido, y tendrá un valor entre cuatro posibles en función de la base nitrogenada que ese nucleótido lleve aparejada; a efectos de comprender el código representaremos esos valores por las letras, A, C, G, T, (correspondientes a las iniciales de cada una de las B.N.), de forma que la larga cadena de ADN estará escrita, toda ella, utilizando solamente las referidas cuatro letras, colocadas unas al lado de las otras como si de una línea de texto interminable se tratase.

Pues bien el código, en esa extensa línea de texto, consiste en formar bytes de tres bit o, lo que es lo mismo, palabras de tres letras.

Sabemos que con cuatro letras diferentes, tomadas de tres en tres. se pueden formar sesenta y cuatro grupos distintos. A cada uno de esos grupos de tres letras le llamaremos “triplete” (si hablamos de ADN) o “codón” (si se trata del ARN). 

Hay por tanto sesenta y cuatro codones posibles. El codón TAC es el codón de inicio, el que indica que en ese lugar comienza una frase, o instrucción de ADN, hay otros tres codones para representar el final de la secuencia, y el resto sirven para codificar cada uno de los veinte aminoácidos (Serina, Treonina, Cisteína, Asparagina, Glutamina, Tirosina, Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina, Prolina, Fenilalanina,Triptófano , Ácido aspártico, Ácido glutámico, Lisina, Arginina e Histidina) cuya combinación da lugar a las proteínas.

Las proteínas son las biomoléculas más versátiles y diversas indispensables para la vida. Constituyen el ochenta por ciento de la materia viva de todas las células, además son imprescindibles para la génesis y el crecimiento del organismo por sus funciones biorreguladoras, ya que forman parte de las enzimas y de los anticuerpos.

Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, como la estructural (ej.: colágeno), inmunológica (anticuerpos), enzimática (Ej: sacarasa y pepsina), contráctil (actina y miosina). homeostática: colaboran en el mantenimiento del pH (ya que actúan como un tampón químico), transducción de señales (Ej: rodopsina), protectora o defensiva (Ej: trombina y fibrinógeno), etc, etc.

Las proteínas de todos los seres vivos están determinadas mayoritariamente por su genética , es decir, la información genética determina en gran medida qué proteínas tienen nuestras células, nuestros tejido y, por tanto, todo nuestro organismo.

Pero si esta codificación de la que hemos estado hablando nos parece sorprendente, aún lo es más el increíble sistema inventado por la naturaleza para preservar ese código especial que porta la citada cadena de nucleótidos. 

Como cada una de las cuatro bases nitrogenadas (A,C,G,T) solo puede emparejarse con una de las otras en exclusiva, solo se pueden formar dos clases de parejas: la formada por la adenina al unirse con la timina, y viceversa (AT ó TA) y la de la citosina con la guanina (CG ó GC), sin embargo nunca pueden darse los emparejamientos AC, AG, TC, TG, CA, GA, CT ó GT.

Pues bien, en el ADN, no sólo existe la cadena de nucleótidos a la que hemos estado haciendo referencia hasta ahora, si no que para disponer de un sistema de seguridad y de corrección de posibles errores en el código, se forma otra cadena, idéntica a la primera, y ambas discurren paralelas y enrolladas entre sí en espiral, en una doble hélice formada por las dos hebras cuyos nucleótidos se enlazan, emparejándose de la única forma que pueden hacerlo, con sus parejas posibles; como explicamos anteriormente. De forma que, si se pierde o se destruye la base nitrogenada de un nucleótido cualquiera, es posible saber cual es el que se perdió, ya que a su nucleótido emparejado, el de la hebra paralela, sólo puede corresponderle una única pareja posible. 

Cuando cada una de las células de un organismo vivo se replica, las células hijas, en las que se divide, han de llevar en su interior una copia perfecta de las instrucciones de su célula madre. Para crear esa copia perfecta, la doble hélice de la célula madre se va separando trasversalmente de forma progresiva mientras un mecanismo especial de copia llamado ARN, el mensajero, va recorriendo una tras otra las bases nitrogenadas de uno de los dos filamentos desenrollados, dando, a la vez, las instrucciones necesarias a los organelos de la célula encargados de la replicación para que, utilizando los encimas y proteínas, materiales dispersos en el interior del citoplasma, se lleve a cabo la clonación bidireccional, en sentidos opuestos, de las dos nuevas cadenas, copias complementarias de las que están siendo leídas, que abandonarán la célula de la que han sido copiadas para constituir, a partir de la mitosis, el material genético de las nuevas células hijas, que a su vez repetirán el proceso de copia y división, una y otra vez, hasta que la célula se degenere y sea necesaria su apoptosis, o hasta que el organismo sea destruido.

Cada una de las células que conforman nuestros cuerpos son descendientes especializados de nuestra primera célula, la que surgió de la especialísima unión de dos ancestros sexuales que, tras fusionarse, reunieron en la cromatina de su núcleo un magistral manual de montaje compuesto por cuarenta y seis gruesos volúmenes de instrucciones (cromosomas) repletos de fórmulas y largas instrucciones (genes), veintitrés tomos provenientes de la colección materna y otros tantos heredados de la biblioteca paterna.
Esas particulares y personalísimas recetas de vida (alelos), están registradas en más de veinte mil parejas de fórmulas magistrales (genes), escritas en páginas a doble cara numeradas (locus).
En el proceso de fabricación de proteínas, durante la replicación de las células, el ARN lee esas recetas descritas en cada alelo del gen seleccionado en su locus correspondiente. Si la fórmula anotada para el proceso de fabricación es la misma en ambos alelos, sin duda la pondrá en práctica, pero si en cada alelo encuentra una fórmula diferente, en ese caso elegirá y pondrá en práctica siempre, la que esté escrita en mayúsculas, por ser ésta la dominante.

De esa forma tan especial está escrito y se perpetúa, copia tras copia, el manual de fabricación de cada ser vivo que existe en la naturaleza.

¿Qué es un agujero negro?

Los “agujeros negros”, también conocidos como “hoyos negros” (por su traducción del inglés “black holes”), son los objetos más extraños y espeluznantes de cuantos existen en nuestro universo conocido. De hecho, algunos científicos, los han llamado “estrellas congeladas”, e incluso de forma aún más terrorífica: “ojos del diablo”.

A finales del siglo XVIII, cuando estos objetos fueron predichos matemáticamente por John Michell y Pierre-Simón Laplaze, se les llamó “estrellas en colapso gravitatorio completo”. Y, seguramente aunque demasiado técnico, este es un nombre mucho más apropiado para referirse a ellos que aquellos otros que antes comentamos, incluyendo el de agujeros negros, que es el único que se usa en la actualidad. 

Veamos qué es, y en qué consiste realmente este objeto astronómico. Y, para comprenderlo, tendremos que recurrir a explicar algunos aspectos de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo mediante las cuales interaccionan las partículas materiales, y que son: 

• La interacción gravitatoria, o gravedad, gracias a la cual las masas, u objetos, tienen peso; incluyéndonos a nosotros mismos. Y gracias a la cual también, cuando saltamos con fuerza sobre el suelo no salimos volando hacia el espacio exterior.

• El electromagnetismo, especialmente la teoría cuántica de la interacción electromagnética, (que incluye aquella ley famosa que todos conocemos: que los polos opuestos se atraen y los polos idénticos se repelen). Esta interacción es la responsable de que los electrones (con carga negativa) orbiten sin escapar, a cierta distancia de los protones, que con carga positiva los atraen hacia el núcleo. Gracias a esta fuerza, los átomos, constituyentes de toda la materia conocida, mantienen sus estructuras conformadas de núcleo y nubes de orbitales electrónicos a su alrededor, y gracias a lo cual, también, nosotros mismos existimos sin volatilizarnos. 

• La fuerza nuclear fuerte, gracias a la cual los quarks que conforman los protones y neutrones se mantienen unidos y pegados mediante gluones, otorgando estabilidad a los núcleos atómicos.

• Y, por fin, la fuerza nuclear débil, que es la responsable de que esos quarks, que conforman las partículas constituyentes de los protones y los neutrones, se manifiesten en forma de quark up, con carga +2/3, o en forma de quark down, con carga -1/3. (Los protones están formados por dos quarks arriba y uno abajo, por eso tienen carga positiva: +2/3+2/3-1/3=+1, en cambio los neutrones se componen de dos quarks abajo y uno arriba, es decir no tienen carga: -1/3 -1/3 +2/3=0, en función del cambio de una de estas cargas dentro de los nucleones y la consecuente mutación del tipo de quark up en down y viceversa, un neutrón es capaz de transformarse en un protón, y un protón en un neutrón).

Pero, hablemos primero de la fuerza de la gavedad, y de sus efectos sobre todas las masas:

Es bien conocido por todos que cuando lanzamos una piedra hacia arriba, sobre nuestra vertical en el terreno, esta ascenderá una determinada altura a través del aire de la atmósfera y, cuando haya perdido la energía que la impulsaba, volverá a caer. 

Esto sucede porque el planeta Tierra es mucho más grande y masivo que nuestra protagonista, la piedrecita que estamos lanzando, y por consiguiente la tierra la atraerá hacia su centro de gravedad; con una fuerza que le imprimirá una aceleración de descenso de unos 9,8 m/s2. 

Pero, si no nos damos por satisfechos con el primer resultado conseguido en nuestro experimento y volvemos a lanzar la piedra, esta vez con mucha más fuerza y, por tanto, con más velocidad, comprobaremos que nuestro proyectil rocoso alcanzará una altitud bastante mayor que antes. Y así sucederá cada vez que aumentemos la fuerza del lanzamiento, consiguiendo que la piedra llegue más y más arriba cada vez. 

Llegará un momento en el que, si conseguimos aplicar una fuerza tal en el lanzamiento, como para conseguir que la piedra alcance una velocidad de -algo más de once kilómetros por segundo-, esta vencerá la atracción de la tierra y escapará como una exhalación en dirección al espacio exterior, abandonándonos para siempre.

Pues bien, esta velocidad necesaria para que cualquier masa u objeto abandone la atracción de la gravedad se llama, como no podía ser de otra forma, “velocidad de escape”, y es mayor cuanto mayor es la masa del objeto atractor (en nuestro caso el planeta Tierra). 

Por ejemplo, en una estrella pequeña, como es nuestro Sol, la velocidad de escape es de aproximadamente setecientos kilómetros por segundo. En algunas gigantes rojas conocidas, como en Betelgeuse de la constelación de Orión, es mucho mayor aún, del orden de decenas de miles de kilómetros por segundo.

Bien, ahora que ya sabemos que es la velocidad de escape, y aprovechando que hemos citado a Betelgeuse, esa espectacular estrella roja que engalana los cielos del hemisferio norte en invierno, vamos a continuar explicando qué les sucede a estas colosales gigantes. 

Hablemos de las estrellas y de lo que sucede en su seno:

Llega un momento en la vida de algunas gigantes rojas (que cuentan con determinada cantidad de masa mínima), en que se hinchan tanto (su radio supera los cien millones de kilómetros) que explotan violentamente en forma de supernovas, consumiendo toda su energía. 

Esa tremenda explosión somete a elevadísima presión a los átomos que componen su núcleo estelar, los cuales se comprimen de forma exponencial hasta concentrar toda la masa del astro en un pequeño volumen formando así una “enana blanca”, la que quizás, si su masa final es menor que la del llamado límite de Chandrsekhar, es decir, tiene  menor masa que aproximadamente una vez y media la de nuestro Sol, se enfriará tras miles de millones de años, convirtiéndose en una enana negra que morirá cuando se apague completamente, y terminará por desaparecer.

O, por el contrario, si su masa supera dicho límite, la presión de escape de los electrones (por la fuerza electromagnética) de sus átomos supercomprimidos, no será suficiente para contrarrestar por sí sola la tremenda fuerza de gravedad producida por el peso que genera la extremada densidad, es decir por la colosal acumulación de masa en un espacio tan reducido, y finalmente la estrella colapsará en un cuerpo aún más denso y más pequeño, dando lugar a una “estrella de neutrones”. 

Una estrella de neutrones es un objeto tan masivo, y sus átomos están sometidos a tanta presión, que la temperatura en su interior asciende hasta alcanzar tres mil millones de grados centígrados, a esta temperatura las partículas subatomicas adquieren tal velocidad que comienza a producirse el fenómeno conocido como "fotodesintegración", en ese momento los fotones comienzan a romper los núcleos atómicos, la fuerza nuclear débil comienza a desestabilizarse, y los protones comienzan a absorber a los electrones para convertirse en neutrones, hasta que por fin no quedan protones, ni electrones libres en la estrella, porque todas las partículas han degenerado en neutrones. 

Y llegados a ese punto, si ese núcleo supermasivo de neutrones degenerados de la estrella es superior al equivalente a tres veces la masa de nuestro Sol, el astro entra en un colapso imparable que termina dando lugar a la formación de ¡un agujero negro!

Y aquí viene a colación aquel experimento del que hablábamos al principio, en el que explicábamos que la piedra lanzada al espacio debía alcanzar la velocidad de escape para conseguir escapar (valga la redundancia) de nuestro planeta Tierra ¿lo recordáis?..., pues bien, la luz, como todos sabemos, viaja a la incomprensible (para nuestro raciocinio) velocidad de 300.000 kilómetros por segundo y, gracias a esa tremenda velocidad, es capaz de escapar de las estrellas del firmamento y llegar hasta nosotros; en forma de luz solar durante el día, o en forma de puntitos brillantes que podemos observar en el cielo nocturno cuando miramos las estrellas. 

Sin embargo, a pesar de su alucinante velocidad, la luz no es capaz de escapar de un agujero negro, porque la velocidad de escape necesaria para abandonar un objeto tan masivo es aún más elevada que la velocidad a la que se propaga la luz. 

Por esta razón los agujeros negros son negros, porque la luz, que intenta escapar de esas aterradoras estrellas, después de alcanzar una cierta altura (lo que llamamos horizonte de sucesos) vuelve a caer dentro de la estrella, atraída por la monstruosa gravedad del agujero negro, que no sólo atrae poderosamente a la luz, si no a cualquier cosa material que se aproxime demasiado a su intenso campo de gravedad.

En determinadas zonas de los agujeros negros, siempre cerca de su borde exterior, los objetos absorbidos sufren tal grado de presión que, parte de la materia que los compone, convertida en plasma, es salpicada hacia a fuera a velocidades próximas a las de la luz, (como cuando se presiona un limón con los dedos y parte del líquido es expelido a gran velocidad), cuando en un agujero negro, estos chorros de plasma, son observables desde la tierra, al objeto se le llama entonces “blazar”.

En el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, existe un gran agujero negro supermasivo que ha sido bautizado con el nombre de <Sgr A> (o Sagittarius A), los cálculos apuntan a que su masa es unos cuatro millones de veces mayor que la de nuestro Sol contenidas en un espacio total de unas 45 UAs. Las observaciones parecen indicar que, en la actualidad, está en estado de semi-reposo, pues ya ha consumido casi toda la masa estelar que existía a su alcance en el centro de la galaxia.

A pesar de todo los científicos piensan que no todo es destrucción alrededor de los agujeros negros. Suponen que estos colosales titanes contribuyen a la formación de nuevas estrellas, pues cuando atraen a los grandes objetos con los que se alimentan, a la vez remueven y presionan gas y polvo estelar que flota desperdigado en sus inmediaciones, propiciando así la génesis de nuevos astros. 

Stephen Hawking ha demostrado, matemáticamente, que los agujeros negros también terminan muriendo, y lo hacen a consecuencia de lo que se ha dado en llamar radiación de Hawking. Hasta ahora se creía que nada podría escapar del interior de un agujero negro, pero el eminente científico ha demostrado matemáticamente que los pares de partícula-antipartícula que continuamente se crean y se destruyen por doquier, de forma espontanea en el universo, pueden surgir también justamente en el borde del horizonte de sucesos, en ese caso, una mitad del par sería absorbido por el agujero negro y la otra mitad escaparía a través del cosmos y esta disgregación evitaría que el par se auto-aniquilase devolviendo la energía al sistema, una parte de la partícula sobreviviría y por tanto consumiría parte de la energía del monstruo. Tras miles de millones de años, la consecuencia de la infinita división de pares de partículas en el horizonte de sucesos del agujero negro, haría que éste terminara por perder toda su energía evaporándose y desapareciendo al fin. 

El estudio de los agujeros negros es crucial para la ciencia porque para comprenderlos y explicarlos matemáticamente haría falta unificar los dos principios teóricos más importantes de la física moderna, hoy por hoy aún incompatibles, estos son: la física de partículas, con su mecánica cuántica que conjuga los fenómenos que tienen lugar en el mundo de lo muy pequeño y lo muy liviano, y la teoría de la relatividad general, que explica la física de lo muy grande y de lo muy pesado. 

Lamentablemente, para desesperación de los físicos, todavía ambas teorías se siguen contradiciendo (quizás, en el futuro, la incipiente “teoría M” consiga la ansiada unificación). Así, mientras la mecánica cuántica se basa en principios de indeterminación, estados superpuestos, probabilidades y cálculos estadísticos para intentar localizar, ubicar y explicar las propiedades de las partículas subatómicas, la teoría de la relatividad general, en cambio, si es capaz de expresar la velocidad y ubicación exactas de cualquier cuerpo sideral en el cosmos.

¿Por qué no notamos el movimiento de rotación de la Tierra?

 

El movimiento espacial de nuestro cuerpo lo percibimos gracias a un sistema orgánico, en el que participan simultáneamente estímulos aferentes de tres fuentes: la visión, el órgano vestibular del oído interno y los sensores musculares, articulares y cutáneos que nos aportan una información somatosensorial o “propioceptiva” sobre el desplazamiento de nuestros cuerpos, y sobre el contacto físico de estos con la materia que nos rodea.
La combinación de toda esa información se integra en el sistema nervioso central, desde donde se emiten las órdenes para llevar a cabo las acciones de corrección o reacciones convenientes para mantener y/o restablecer el equilibrio corporal, la coordinación y el bienestar general.

El sistema vestibular registra directamente la orientación y el movimiento de la cabeza. El laberinto vestibular es una estructura ósea minúscula localizada en el oído interno que comprende los canales semicirculares llenos de líquido (endolinfa), el utrículo y el sáculo.

Cada uno de los tres conductos semicirculares se encuentra contenido aproximadamente en un plano, y resulta que el plano de cada uno de los conductos es casi perpendicular al plano de los otros dos. Estos planos son: uno horizontal y otros dos verticales.

Si ocurre un giro alrededor del eje vertical, el conducto semicircular horizontal es el que detecta el movimiento; si el giro ocurre alrededor del eje horizontal entonces es el conducto semicircular vertical el que registra el movimiento, de igual forma sucede para el tercer conducto semicircular.

Pero, de producirse cualquier otro giro, sobre un eje arbitrario, entonces cada uno de los conductos semicirculares acusará parte de dicho giro y consecuentemente se podrá calcular su componente o dirección. Así es como el cerebro calcula la ubicación espacial del el giro completo.

Pero ¿qué tiene esto que ver con la rotación de la Tierra?... 

Como sabemos nuestro planeta realiza varios movimientos. Respecto al de traslación, sabemos, por la relatividad especial de Einstein, que no somos capaces de distinguirlo (ya estemos nosotros mismos en reposo o en movimiento) por ser éste un desplazamiento lineal y uniforme. Así, cuando viajamos a lomos de nuestro planeta, en línea recta (o casi), a una velocidad cualquiera, por muy alta que esta sea (108.000 Km/h al rededor del Sol) no podemos detectar dicho movimiento. 

Pero ¿y el movimiento de rotación, a 1600Km/h, por qué tampoco lo notamos? Pues bien, hay que tener en cuenta que la Tierra es extremadamente grande y, por tanto, la ruta que seguimos sobre ella por el espacio tiene una curvatura muy pequeña, es decir, supone también para nosotros "casi" una línea recta. 

Por eso, el sistema vestibular no es capaz de acusar el movimiento de giro a lo largo de los 40.000 kilómetros que mide la circunferencia de la Tierra en la superficie terrestre sobre el ecuador, ya que este tarda 1.440 minutos en completarse, (aunque que suponga una velocidad absoluta de vértigo: casi 28 kilómetros por segundo). 

Pero es que, al fin y al cabo, se trata en realidad de una rotación a velocidad de 360º cada 24 horas, es decir velocidad de giro a 0,25º por minuto, o lo que es lo mismo 0,0042º por segundo. Y ese desplazamiento no es detectable por nuestro sistema vestibular, porque nuestro oído interno, el encargado de detectar los giros en el cuerpo, tiene un umbral de detección en torno a 2º por segundo, a partir del cual detecta el movimiento y por debajo del cual no lo detecta.

Por tanto, al igual que sentados en una silla de ruedas con los ojos vendados tampoco notaríamos nada si alguien nos hiciera girar, hasta dar una vuelta completa, siempre que emplee algo más de tres minutos en completarla. Y mucho menos entonces notamos la rotación completa del planeta en 24 horas.

Por tanto: El giro del planeta no se manifiesta para nuestro oído interno y es imperceptible a nuestros sentidos.

¿Cómo sabemos que existe la materia oscura si no la podemos ver?

Todos aquellos objetos brillantes que nosotros y los astrónomos podemos ver están compuestos de materia. Sabemos que toda la materia atrae otra materia, y esta fuerza de atracción se llama gravedad. La fuerza gravitacional de la Tierra es lo que nos mantiene sobre nuestro planeta, ya que nosotros también estamos compuestos de materia. Los atletas que saltan con garrocha, los ascensores, los aviones y los cohetes deben trabajar arduamente para superar la fuerza de la gravedad. Esa misma fuerza que te sujeta a ti y a mí a la superficie de la Tierra también mantiene en sus órbitas a las naves espaciales que están en órbita alrededor de la Tierra, e incluso a la Luna. La gravedad del Sol mantiene a la Tierra y a todos los demás planetas, cometas y asteroides de nuestro Sistema Solar en sus órbitas correspondientes alrededor del Sol.

Los científicos comprenden exactamente cómo se comportan los objetos cuando son atraídos por la gravedad. Tienen fórmulas matemáticas para calcular las órbitas y el movimiento de los objetos que se están atrayendo entre sí. De esta manera pueden enviar una nave espacial para encontrarse con un cometa en particular en un momento específico, o predecir exactamente cuándo Marte estará más cerca a la Tierra.

Ahora cuando los astrónomos observan una galaxia cuidadosamente, pueden medir con qué rapidez se están moviendo las estrellas que ella contiene. Los movimientos de las estrellas son el resultado de las fuerzas gravitacionales provenientes de toda la demás materia de la galaxia. Pero éste es el problema fundamental: Cuando los astrónomos hacen la suma de toda la materia correspondiente a todas las estrellas y gases y polvo visible usando diferentes tipos de telescopios, el total no alcanza para explicar los movimientos que ellos observan. ¡Las estrellas se están moviendo a mucha más rapidez de lo que deberían hacerlo! En otras palabras, toda la materia que podemos ver no alcanza para producir la gravedad que está atrayendo las cosas. Este problema aparece una y otra vez, casi en cualquier lugar que observemos en el Universo. No sólo las estrellas en las galaxias se mueven a mayor velocidad que la esperada, sino que también lo hacen las galaxias dentro de grupos de galaxias. En todos los casos, debe haber otra cosa ahí, algo que no podemos ver, algo oscuro.

Esto podría parecer muy misterioso, pero no es difícil de imaginar. Tú sabes que las personas no pueden flotar por el aire, de modo que si vieras a un hombre haciendo eso, sabrías inmediatamente que deben haber alambres que lo están sujetando, incluso si no los puedes ver.

El nombre que los científicos le han dado al material faltante es materia oscura. Podemos ver la materia brillante, como las estrellas, pero sabemos que hay algún otro tipo de materia, debido a la manera en que ésta influye sobre la materia brillante. El fondo oscuro del espacio que tendemos a ignorar mientras disfrutamos de las hermosas vistas del cielo oscuro en realidad no está tan vacío como pudieras creer. Aunque parezca sorprendente, hay más de 50 veces más de materia oscura que de materia brillante en el Universo.

¿Pero de qué está compuesta exactamente la materia oscura? Los agujeros negros y algunos objetos demasiado pequeños para ser estrellas (por lo cual no producen luz propia) forman parte de ella. Pero todo eso puede sumar a menos de la quinta parte de la cantidad total de materia oscura que debe existir ahí afuera. Creemos que la mayor parte de la materia negra está compuesta de partículas nuevas más pequeñas que los átomos que son diferentes de cualquier otra cosa que han detectado y estudiado los científicos. Parece que la esencia misma de la mayor parte de la materia del Universo es diferente de lo que estamos compuestos tú y yo y la Tierra y el Sol.


Fuente: NASA

Espejismo

Es habitual, en verano, al circular por rutas asfaltadas, observar un fenómeno conocido como “espejismo”. Puede verse también en algunas playas, cuando el sol es muy intenso y la arena seca está a muy alta temperatura, tanto que nos quema los pies si caminamos descalzos sobre ella. 

Este fenómeno se presenta a la vista como si delante de nosotros, a algunas decenas o incluso hasta varios cientos de metros, cuando al mirar la arena o el asfalto caliente, tenemos la sensación de estar viendo agua a lo lejos. Pero lo que vemos en realidad no es más que el reflejo del cielo, que al ser azul claro se parece a un gran charco de agua. 

La explicación de este fenómeno, es que las capas de aire caliente (las más próximas al suelo), tienen un índice de refracción menor que las que están más lejos y por eso van curvando la dirección de la luz, hasta que el ángulo supera al límite, produciendo la reflexión total. 

Un rayo de luz reflejado por un objeto lejano que va hacia abajo, y en la dirección del observador, va experimentando refracciones sucesivas al atravesar las distintas capas de aire; su inclinación hacia el suelo es cada vez menor y, tras llegar a la horizontal, el rayo sufre nuevas refracciones, aunque esta vez hacia arriba. Así es como, tras haber descrito una trayectoria curva de convexidad dirigida hacia abajo, llega al ojo del observador, que ve en el suelo (espejismo inferior) una imagen poco neta del objeto. Ahora bien, como otros rayos de procedencia real llegan también directamente al ojo del observador, éste tiene la impresión de ver a la vez el objeto (por ejemplo, una palmera en un desierto) y, al pie del mismo, una segunda imagen invertida, como si esta palmera se reflejara en una superficie líquida inexistente. Por tanto, en las horas más calurosas del verano, la imagen del cielo parece venir del asfalto de la carretera caliente, a la vez que ésta parece mojada o encharcada para el observador.

Los superconductores y el efecto meissner

"Un superconductor es un material que no opone resistencia al flujo de corriente eléctrica por él"

La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.

Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos.

Cuando un material pasa del estado normal al estado superconductor, el cambio en la resistividad puede ser muy abrupto y, se produce lo que en física se denomina "cambio de fase". Si miramos el material a una temperatura mayor que la crítica, encontraremos propiedades marcadamente distintas a las que veremos a temperaturas menores que la crítica.

Existen varios tipos de cambios de fase como por ejemplo el cambio de fase que se produce cuando enfriamos un recipiente con agua: si llegamos a enfriarlo lo suficiente (por debajo de 0ºC), veremos que el agua simplemente se congela. Las propiedades del agua a 25ºC y a -10ºC son claramente diferentes. Algo parecido ocurre en el cambio de fase superconductor, solo que las propiedades que cambian en la transición son propiedades eléctricas y magnéticas, y no propiedades estructurales como en el ejemplo del agua. Es más, para el caso de los metales que al enfriarlos se vuelven superconductores, se sabe que en la transición no hay cambio en la estructura cristalina ni en las propiedades elásticas del material.

Las propiedades que cambian en la transición del estado normal al estado superconductor son principalmente las propiedades magnéticas. 

"En el estado superconductor puro, prácticamente no hay penetración de flujo magnético en el material, y los efectos termoeléctricos desaparecen".

"Un superconductor no presenta resistencia al paso de corriente. Por lo tanto, un superconductor puede conducir corriente indefinidamente sin pérdida de energía aunque esté desenchufado".

Hicieron falta más de 40 años para comprender la superconductividad, hasta que en 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer resolvieron el problema con la teoría de BCS. En esta teoría los electrones se aparean -pares de Cooper- antes de formar un estado colectivo cuántico o condensado. Uno de los grandes logros de la teoría BCS era explicar cómo era posible que los electrones formaran pares -el mecanismo o el pegamento- ya que en estado libre los electrones se repelen. El pegamento resultó provenir de las vibraciones de los iones.

En el condensado los electrones adquieren la misma fase y actúan como una onda macroscópica. Una analogía para visualizar este estado sería imaginarse parejas (pares de Cooper) bailando al unísono.

La temperatura juega un papel crucial en la comprensión de la superconductividad. En física estadística la temperatura es igual a la energía cinética media de las partículas, es decir mide la capacidad de movimiento de las partículas. Al bajar la temperatura las partículas y en particular los iones de un material se mueven cada vez más lentamente y se producen los cambios de fase de gas a líquido y de líquido a sólido.

El primer superconductor que descubrió Karmelingh Onnes estaba a una temperatura de -269ºC, cerca del cero absoluto, y fue posible gracias a que previamente consiguió la licuefacción del helio en 1908. Actualmente el récord en temperatura crítica está en la familia de los cupratos con -135ºC para lo que es suficiente enfriar con nitrógeno líquido cuyo punto de licuefacción es de -196ºC.

El efecto meissner fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 (a veces se llama, más justamente, Efecto Meissner-Ochsenfeld), y consiste en lo siguiente:

"Cuando un superconductor se enfría por debajo de determinada temperatura, si se le aplica un campo magnético externo no demasiado fuerte, en el interior del superconductor el campo magnético se anula"

Básicamente, los electrones modifican sus órbitas para compensar el campo magnético externo de modo que en el interior, más allá de una determinada profundidad bajo la superficie, el campo sea nulo. Tiene que ver con el hecho de que, suficientemente frío, un superconductor no tiene resistencia eléctrica – esto requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero.

Este efecto puede utilizarse para producir un tipo de “levitación magnética”.Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él.

Pero, al contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo en el aire.
De hecho, si se aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia.

Los superconductores pueden tener muchas aplicaciones. Actualmente se les utiliza para crear campos magnéticos muy intensos, utilizados en escáneres para uso médico, así como frenos y aceleradores magnéticos y en reactores nucleares. 

De ser posible su manejo a temperaturas más altas podrían utilizarse para implementar grandes avances en ordenadores (respecto a su velocidad y capacidad de computación), también en la creación de motores mucho más potentes y eficientes, y en dispositivos y medios de transporte, capaces de levitar en el aire.

** El efecto josephson es un efecto físico que se manifiesta por la aparición de una corriente eléctrica por efecto túnel entre dos superconductores separados.

Según la Teoría BCS, la corriente eléctrica en los superconductores no la transportan electrones simples como sería el caso normal, sino pares de electrones, los llamados pares de Cooper.Cuando los dos superconductores están separados por una capa de un medio aislante o un metal no superconductor de unos pocos nanometros, los pares de Cooper pueden atravesar la barrera por efecto túnel, un efecto característico de la mecánica cuántica. Aunque los pares de Cooper no pueden existir en un aislante o un metal no superconductor, cuando la capa que separa los dos superconductores es lo suficientemente estrecha, estos la pueden atravesar y guardar su coherencia de fase. Es la persistencia de esta coherencia de fase lo que da lugar al efecto Josephson.

Luz IV. El color, de la atmósfera y del mar.

La luz es una forma de energía que se transmite mediante ondas. 

"A diferencia del sonido, que también viaja en forma de ondas pero que necesita de un medio material (aire, agua, sólidos) para transmitirse, la luz es una onda electro-magnética que puede viajar en el vacío o en medios transparentes (como el aire y el agua)".

La luz del Sol está compuesta de infinidad de ondas de diferentes longitudes. Nuestros ojos pueden ver un cierto rango de longitudes de onda, que corresponden a distintos colores: desde el rojo (longitud de onda más larga), pasando por anaranjado, amarillo, verde y azul, al violeta (la longitud de onda más corta que podemos ver). Para tener una idea, al color verde corresponde una longitud de onda de unas cinco diezmillonésimas de milímetro.

La atmósfera terrestre es una mezcla de moléculas gaseosas (78% nitrógeno, 21% oxígeno, 1% argón y vapor de agua, trazas de otros gases); hay también en suspensión partículas de polvo, cristales de hielo, cenizas, etc.

La atmósfera es más densa cerca de la superficie terrestre y está constituida por infinidad de pequeñas gotas de agua que provocan el fenómeno de la refracción en la luz del Sol, igual que hace un prisma de vidrio.

Los rayos violeta y azul son los que sufren la mayor dispersión con respecto al rayo blanco proveniente del Sol, mientras que los rayos rojo y amarillo son los que casi no sufren esta dispersión. Por ello el color con el que vemos el Sol es amarillo, al no haberse desviado apenas de su dirección, mientras que el resto del cielo es azul, al ser luz difusa que ha llegado a nuestros ojos rebotada en infinidad de gotas de agua. (La utilización de los faros antiniebla amarillos se basa en el hecho de que la difusión de este color en la niebla es menor que la de los demás colores).

El por qué de que el cielo no se vea de color violeta se debe a dos razones fundamentalmente. A que la luz solar contiene más luz azul que luz violeta, y a que el ojo humano (que en definitiva es el que capta las imágenes -aunque el cerebro las interprete) es más sensible a la luz azul que a la violeta. 

Así mismo, el color del sol es amarillo-rojizo, y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol (que es suma de todos los colores) se le quita el color azul, se obtiene una luz de color amarillo-rojiza.

Desde la superficie terrestre y durante los días despejados, observamos que el color del cielo es el azul. Pero, si tuviéramos la oportunidad de visitar la superficie de algún otro planeta no observaríamos el mismo color.

En órbita, fuera de la atmósfera terrestre, o desde la Luna, el Sol se ve blanco y el cielo negro. Al no haber moléculas que dispersen la luz, todas las longitudes de onda de la luz solar nos llegan por igual y el Sol se ve blanco. Y el cielo se ve negro porque no hay nada que disperse la luz.

Neptuno

En general, el color del cielo que se observa desde la superficie de cualquier planeta depende de la composición de su atmósfera. Si el planeta no tiene atmósfera, el cielo se verá negro aunque el Sol este iluminando su superficie. Esto ocurre, por ejemplo, en Mercurio y en la Luna.

 En planetas con atmósfera, el color del cielo que se observa desde su superficie varía. Por ejemplo, en la superficie de los planetas Marte y Venus, debido a que su atmósfera esta compuesta en mas de 90% por bióxido de Carbono, apreciaríamos un cielo rojo. En Neptuno, debido a que su atmósfera es de metano, observaríamos desde su superficie un cielo verde.

En el vacío, la luz viaja en línea recta y sin nada que la perturbe. Al penetrar en la atmósfera, la luz puede incidir sobre un grano de polvo o en una molécula. En cada uno de estos casos pasan cosas distintas: Los granos de polvo y las gotitas de agua son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda de la luz visible, por lo tanto actúan como "espejos" que reflejan la luz incidente en diferentes direcciones, sin cambiarle el color. La moléculas son más chicas que la longitud de onda de la luz visible. Cuando una onda luminosa choca con una molécula, ésta puede absorber la luz, y luego la emite en cualquier otra dirección. Este fenómeno se llama dispersión. Pero las moléculas son mucho más eficientes para dispersar la luz de longitud de onda corta (azul) que la luz de longitud de onda larga (rojo). Este proceso fue estudiado por el físico Lord John Rayleigh hacia 1870, por eso se lo conoce como "dispersión Rayleigh".

El color azul del cielo se debe a la dispersión Rayleigh. Cuando la luz del Sol atraviesa la atmósfera para llegar hasta nosotros, la mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla (longitudes de onda largas) pasa sin ser casi afectada. Sin embargo, buena parte de la luz de longitudes de onda más cortas es dispersada por las moléculas gaseosas del aire. A cualquier parte del cielo que miremos, estaremos viendo algo de esa luz dispersada, que es azul, y por eso el cielo es de ese color. En cambio, la luz que nos llega directamente del Sol perdió parte de su color azul, por eso el Sol se ve amarillento.

Al mirar hacia un punto más cercano al horizonte, el cielo se ve de un color azul más pálido. Esto se debe a que, para llegar hasta nosotros, la luz del cielo debe en este caso atravesar una mayor cantidad de aire, y por lo tanto vuelve a ser dispersada. La luz que nos llega del cielo cercano al horizonte habrá entonces perdido parte de su color azul y se verá pálida o blanquecina.

El cielo, alrededor del sol poniente, puede tomar colores muy variados. Cuando el aire contiene gran cantidad de partículas de polvo o gotitas de agua, éstas reflejan luz blanca en todas direcciones. Sobre esta luz actúa la dispersión Rayleigh, eliminando las longitudes de onda más cortas. Por eso el cielo se ve rojizo.

En el ocaso y en el amanecer, a medida que el Sol está mas cerca del horizonte, la luz debe atravesar una porción de atmosfera cada ver mayor para llegar a nuestros ojos (recordemos que la atmosfera terrestre es muy delgada comparada con el radio de la Tierra). Bien, pues el color del Sol va cambiando, primero anaranjado y luego rojizo, esto se debe a que se van dispersando cada vez más las longitudes de onda corta (azul y violeta) y solo nos llega la luz más roja y amarilla, de onda larga.

El color de la noche es azul, pero lo vemos negro porque sobre la atmósfera que nos rodea apenas llega luz y por tanto no se realiza suficiente difusión: no dando color a nada.

Cuando algo ilumina el cielo en la noche, volvemos a ver el color azul, tal y como se aprecia en la fotografía siguiente en la que la noche es iluminada por un rayo.

Las nubes son generalmente blancas porque las gotitas y cristalitos que contienen son de toda clase y tamaño, esto hace que los colores que rodean a cada corpúsculo se superpongan tan destructivamente que todo color desaparece, esparciendo (difractando) la luz en todas direcciones sin alterar su color inicial. Resultando obvio que a las partes de las nubes que no les da el Sol directamente aparezcan oscuras, acentuándose el efecto por el contraste, así se ven partes de las nubes grises contra otras partes blancas que están siendo iluminadas por el Sol.

Si esas gotas son grandes, parte de la luz se esparce, y además puede cambiar el color de la luz, resultando una atenuación de la luz blanca hacia tonos grises, cada vez más oscuros. Esta es la causa de que en días muy nublados, cuando las nubes son muy gruesas, el cielo aparezca más o menos gris, y a veces casi negro.

Los arcoiris se forman por la refracción de la luz del sol a través de las gotas de lluvia que caen. La luz blanca del sol es descompuesta en sus colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta) por la refracción y es emitida desde las gotas de agua en diferentes ángulos, por lo que de cada gota no podemos ver todos los colores. Así, el arcoiris que vemos, el que llega a nuestros ojos, está formado por esos colores, pero cada color proviene de distintas gotas dependiendo de la altura de estas: Las gotas del color violeta están más cerca del suelo que las que nos envían la luz roja.

El agua del mar absorbe con mayor facilidad las longitudes de onda larga (como el rojo, el naranja y el amarillo) que las longitudes de onda corta (como el azul y el violeta). Estas rebotan y son captadas por nuestro ojo. Aunque el agua es incolora porque toda las longitudes de onda la atraviesan, cuando la cantidad de agua es muy grande, a la luz le cuesta más atravesarla y refleja cierta tonalidad azul. Cuanto mayor sea la cantidad de agua, mayor será la cantidad de luz reflejada y por tanto, más intenso será el color azul del mar y también influye el reflejo del cielo en la superficie del agua. De ahí que en la orilla de una playa los tonos sean más claros y según aumenta la profundidad se vayan oscureciendo.Este efecto se produce en el agua pura, ya que si el agua alberga algas, barro u otras impurezas, la luz esparcida por esas partículas enmascarará el color habitual del agua que entonces se verá en tonos verdosos.

Lo normal es que en mar abierto (aguas profundas) el color dominante sea el azul oscuro, ya que allí el volumen de agua es tan enorme que la concentración de elementos contenidos en él es más pequeña que en zonas costeras (aguas someras), donde la coloración pardo-amarillenta y verdosa es más frecuente. Ocurre a veces que determinados microorganismos o algas alcanzan unas poblaciones tan grandes que literalmente tiñen el agua de tonalidades distintas a las que tendría el mar por efecto únicamente de las transformaciones a las que se ve sometida la radiación solar.