Hace casi un año publicaba un artículo en el que intentaba explicar qué es el LHC y para qué servía. Hoy se registraron las primeras colisiones a 7TeV (7 Tera Electron Volts) en los experimentos ATLAS y CMS. Aquellos que busquen un artículo técnico pero entendible, pueden visitar la página de Francis The Mule en la que se muestran algunas imágenes y se discute un poco sobre lo que se observa.

Para aquellos que se preguntan qué son los 7 TeV de los que tanto se habla, la respuesta es simple: Si generamos un campo eléctrico entre dos placas, por ejemplo, cuya diferencia de tensión es de 1 Volt, un electrón que sea atraído por una de las placas (y repelido por la otra) alcanzará una energía de 1eV (electron volt). Si conocemos la masa del electrón, podemos calcular su velocidad. Lo mismo sucede con los protones, si sabemos que energía alcanzan y conocemos su masa, podemos calcular la velocidad. En general resulta más útil hablar directamente en unidades de energía y no de velocidad ya que es lo que realmente hará la diferencia en el experimento. Ahora bien, 1TeV es equivalente a 1.000.000.000.000eV por lo que la velocidad que alcanzan esos protones en el LHC es alucinante (pero menor que la velocidad de la luz.)

Para los que quieran seguir los eventos en vivo, pueden hacerlo a través de la página del LHC, que seguirá los eventos más importantes segundo a segundo. Si quieren repasar para qué sirve el LHC les dejo el artículo bien completo y fácil de entender de Ciencia Kanija.

Y como no podían faltar, las noticias de rigor de Clarín y La Nación

El cero absoluto, la menor temperatura teóricamente posible, corresponde a  doscientos setenta y tres con quince grados Celsius bajo cero (-273,15 ºC) que en la escala termodinámica de Kelvin es cero grados.

Las primeras incursiones en estas esferas límites de la materia tuvieron relación con la experimentación de gases cuya sensibilidad a la temperatura y la presión los convierte en cuerpos ideales para profundizar en los extremos térmicos de la materia.

Tomando como base la ecuación descrita por Boile, Charles y Lussac, donde temperatura, presión y volumen se afectan mutuamente, la presión sería nula siempre que existiera una temperatura cero.

Cuando la materia se enfría, las partículas que la componen, van perdiendo energía progresivamente. En teoría, cuando se llega al cero absoluto, es tal la falta de energía que sufre el sistema que a nivel subatómico, los electrones empiezan a "caer" en órbitas cada vez más cercanas al núcleo.

Se ha llegado a descender hasta 0,7 K, temperaturas criogénica, mediante técnicas muy sofisticadas donde se usa helio líquido. El helio alcanza su punto de ebullición a -268,9 ºC y puede manipularse en criostatos: recipientes extremadamente aislados  diseñados por un ingeniero mecánico norteamericano: Samuel Collins.

Se supone que, al llegar al extremo de las bajas temperaturas, los electrones que pululan alrededor del núcleo atómico caigan finalmente en espiral sobre ese centro másico atraídos por la vieja fuerza gravitatoria.

Sin embargo este comportamiento estaría contradiciendo un principio fundamental de la física moderna: El Principio de Incertidumbre postulado por Werner Heisenberg. En efecto, este bastión de la física cuántica afirma que en ningún caso podremos conocer, sin un margen de error determinado, la velocidad (c) y la posición (p) exactas de la partícula.

Pero si sabemos que en el cero absoluto los electrones caerán sobre al núcleo debido a su pérdida energética, en franca discrepancia con el principio citado anteriormente, estaríamos conociendo su velocidad ( c = 0) y su posición ( p = núcleo del átomo)

Tal vez estas conclusiones no sean, después de todo, tan contradictorias. Quizá, cuando los electrones hayan colapsado, ya no sean electrones, ni partículas de ninguna clase, tal vez se trate ahora de un aglutinado núcleo sin periferia, una forma de materia sin propiedades electrónicas.

                Toda concepción que propone un orden para explicar la realidad perceptible es un modelo que puede ser expresado con palabras, con ecuaciones matemáticas o mediante otras formas de comunicación.

                Los modelos han ido evolucionando desde visiones míticas y religiosas a concepciones cada vez menos parciales y antropocéntricas; explicaciones que se ciñen a la lógica, sistematizándose, y se demuestran experimentalmente por razón de una medición repetible.

                El perfeccionamiento de los modelos se debe, en gran medida, a la evolución de la tecnología científica. Los aparatos que pesan, miden, detectan, en fin...los ingenios que, prolongando los sentidos del ser humano, perciben presencias indetectables para cualquiera de nosotros.

                Vemos que si se orquesta, la búsqueda de una respuesta sobre la naturaleza de las cosas, con el auxilio de estos artefactos, el conciso lenguaje matemático y una lógica subyacente al proceso, el resultado es un modelo científico con propensión a corregirse permanentemente en función a los constantes progresos en aparatos de espionaje micro y macrocósmico.

                 Las visiones míticas y poéticas del universo prehistórico dan paso a concepciones con menor carga de incertidumbre y subjetividad. Avanza entre las sombras de la ignorancia original, de la mano del método empírico, para intentar demostrar una ley natural repitiendo el experimento y midiendo una y otra vez sus consecuencias hasta dar con ella. Así es como se generaliza una ley física, un conjunto Las visiones míticas y poéticas del universo prehistórico dan paso a concepciones con menor carga de incertidumbre y subjetividad. Avanza entre las sombras de la ignorancia original, de la mano del método empírico, para intentar demostrar una ley natural repitiendo el experimento y midiendo una y otra vez sus consecuencias hasta dar con ella. Así es como se generaliza una ley física, un conjunto de leyes físicas, un modelo científico.

 

           El fenómeno de la observación, que involucra al menos dos elementos, determina físicamente el mundo. Todo lo que vemos y tocamos es el producto de factores latentes en el objeto observado y presentes en las operaciones de lectura del observador. La información se modifica en el pasaje psicológico desde “lo que es en sí” hacia “lo que es para mi”. No hay universo físico, tal como lo comprendemos ahora, más allá de una conciencia que lo determine, no hay nada más que un caos de probabilidad. Este es el paradigma científico de la física cuántica. La "doble vida" del electrón desentrañada por Louis de Broglie deja al descubierto una característica que la hace ser la partícula más intrigante y a la vez, maravillosa.

                El efecto observador se explica con el experimento de las ranuras. El mismo consiste en dos rendijas paralelas y verticales hechas en un plano impermeable atrás del cual se ubica una pantalla sensible a los impactos de partículas u ondas. Del lado opuesto a la pantalla se lanzan los trocitos de materia. Cuando se experimentó, algunos trozos rebotaron sin pasar por las ranuras. Otros pasaron dejando en la pantalla dos líneas del ancho de las ranuras y un vacío al medio. Ese patrón dejado por las partículas materiales era de esperar.

                Los científicos quisieron probar que ocurriría si en vez de partículas se trabajaba con ondas. El patrón que dejó el bombardeo de ondas que se colaron por las rendijas fue todo un esquema de interferencias muy diferente al que dejara la lluvia de trocitos. En la pantalla apareció una franja gruesa al centro y una serie de barras más finas a los lados, paralelas y cada vez más estrechas.

                Una vez comprobada la diferencia en el comportamiento material respecto al ondular, el experimento llegó a su punto cumbre. Se intentaría dilucidar la naturaleza material u ondular del electrón haciendo pasar al mismo por las ranuras del panel.

                El resultado fue sorprendente. Al emitir un electrón este dejaba un patrón de interferencias en la pantalla igual al que dejaron las ondas. Esto significaba que el electrón se partía en dos reforzándose en algunas partes y cancelándose en otras.

                Fascinados por este fenómeno los físicos decidieron observar atentamente qué pasaba en el instante en que el electrón traspasaba las ranuras. Para ello colocaron una cámara capaz de seguirlo y registrarlo en su itinerario. Entonces ocurrió la paradoja que hace hoy tan extraordinaria a la física cuántica. La observación colapsó la onda y el electrón pasó por una ranura dejando, en la pantalla, una impresión como la que dejaron los trocitos de materia. El electrón resultó ser partícula material y onda al mismo tiempo. El observador precipita la energía en materia y le restringe a tomar un camino. Sin embargo la conclusión fue que el electrón pasó por una ranura solamente, que pasó por la otra ranura en ese instante, que pasó por las dos al mismo tiempo y que, en simultáneo, no pasó por ninguna de las dos.

El hielo derritiéndose es un ejemplo típico del aumento de entropía de un sistema

La entropía es un término que surge de la termodinámica, una parte de la Física que en un principio se dedicó a estudiar el calor y las máquinas que se podían construir; con el tiempo esta disciplina fue cambiando y evolucionando, hasta que se transformó en lo que se conoce como física estadística. Algunas definiciones que la termodinámica había introducido casi como axiomáticas, hoy en día es posible derivarlas de principios más generales, dentro de los cuales se encuentra la Entropía.

Casi cualquier sistema físico "grande" está compuesto por muchas partículas (moléculas, átomos, etc.) y cuando decimos muchas nos referimos, por ejemplo, a un 1 seguido de 26 ceros (el número de Avogadro: 6.02 10²³ a forma de comparación, en todas las playas del mundo no hay tantos granos de arena. Es claro que con números tan grandes es imposible seguir la trayectoria de cada una de las partículas independientemente (no habría computadora capaz de ello) y tampoco vale la pena, porque se las puede tratar estadísticamente.

Pensemos con pocas partículas primero; supongamos que tenemos 5 y que cada una puede tener 3 energías diferentes 1, 2 y 3. Si el sistema tiene una energía de 10, hay muchísimas formas de lograrlo (5 partículas en energía 2, 3 en energía 2, una en 1 y una en 3, etc. etc.) pero hay sólo una forma de lograr energía 5 (todas en energía 1) o la energía 15 (todas en energía 5.) Entonces podemos preguntarnos cuál de todas esas configuraciones es la más probable; uno de los principios fundamentales de la mecánica estadística dice que todas las configuraciones son equiprobables, o sea que la 1,1,1,1,1 o la 1,2,3,2,3 tienen la misma probabilidad de aparecer; pero cada energía tiene diferentes probabilidades, por ejemplo la energía 1 tiene sólo 1 probabilidad, pero la energía 10 tiene muchas. La suma de todas las combinaciones que dan una cantidad de energía determinada se llama "multiplicidad."

Ahora, hay que establecer una relación entre la multiplicidad y la entropía; por motivos un poco complicados de explicar sólo con palabras, se tiene la siguiente relación:

Una visión que suele darse de la Entropía es que es una medida del desorden de un sistema: cuanto mayor sea más desordenado será el sistema y por lo tanto será más probable tenerlo. En general un sistema desordenado es más fácil de obtener que un sistema ordenado; piensen qué es más fácil: tener un cuarto donde cada cosa está en su lugar o ir dejando la ropa tirada por el suelo:-D.

En 1851 ya era bien sabido que la Tierra rotaba, entonces es lícito preguntarse qué tiene de especial el péndulo y yo creo que es su simplicidad. Primero expliquemos cómo funciona.

Al hacer oscilar un péndulo éste se moverá sobre un plano. En general, el movimiento acabará muy rápidamente y no se notará nada extraño, pero si el péndulo es lo suficientemente grande y pesado oscilará durante varias horas (o días con un montaje apropiado) y se notará que el plano de oscilación varía en el tiempo; el movimiento del péndulo está fijo respecto de las estrellas muy distantes, mientras que la Tierra gira, el resultado es evidente.

La velocidad de rotación no es igual en cualquier punto de la Tierra. Por ejemplo, estando en el Polo (norte o sur) el péndulo efectuará una rotación completa cada 24 horas; pero estando en el Ecuador el péndulo siempre mantendrá el mismo plano. En general se tiene que la velocidad angular está relacionada con la latitud por:

.

Lo que siempre me sorprendió de este experimento es su simplicidad; el movimiento oscilatorio ya era bien conocido y se lo considera un problema resuelto de la física. Entonces es un ejemplo perfecto para mostrar que una vez que se conoce a fondo un aspecto se lo puede aplicar para resolver nuevos problemas. Ya en 1851 había observaciones de la rotación de la Tierra como el achatamiento en los polos, pero el péndulo es el primer experimento dinámico que muestra la rotación de la Tierra.

Para los que están un poco más interesados en las ecuaciones, pueden seguir leyendo este post. Desde el punto de vista de un sistema de coordenadas fijo a la Tierra, tendremos, además de la fuerza gravitacional y la que ejerce el cable que sostiene al péndulo, la fuerza de Coriolis. La primera, en la aproximación de ángulo pequeño puede ser escrita para cada una de las coordenadas e como:

Mientras que la fuerza de Coriolis puede ser expresada como:

Donde es la velocidad angular de la Tierra. Usando las ecuaciones de Newton para la dirección e :

Pasando a coordenadas complejas tenemos:

Que si medimos el tiempo en días tiene es decir que el plano de oscilación gira en en un ángulo por día, como se había escrito al principio del post.

Más Información | Péndulo en la FCEN - UBA (Argentina)
Más Información | Wikipedia (Inglés)
Lectura Sugerida | El Péndulo de Foucault - Umberto Eco. Si bien el péndulo en sí es sólo una excusa en el libro, tiene un par de pasajes muy interesantes sobre lo que significa el experimento.

La fusión nuclear es vista como la panacea en un mundo que cada vez requiere de más energía. El combustible en este proceso es deuterio y tritio, dos formas más pesadas del hidrógeno. El deuterio es encontrado comúnmente en el agua de mar, mientras que el tritio puede ser hecho artificialmente. Cuando estos isótopos se combinan, una pequeña porción de masa es perdida y se libera una cantidad colosal de masa. Este proceso ocurre naturalmente en el interior del Sol, donde la presión extrema permite que suceda a 10 millones de grados Celsius. En la Tierra, la temperatura necesaria para producir el mismo efecto es de 100 millones de grados.

Si se demuestra como una tecnología viable, el uso de láseres será rival de la técnica favorita actualmente para iniciar la fusión que es usando imanes superconductores para contener y fusionar núcleos de hidrógeno. Esta técnica está siendo utilizada en el reactor Iter que está siendo construido en Cadarache, en el sur de Francia.

El Reino Unido propuso la creación de una instalación con un láser todavía más poderoso, llamado HIPER, que sería capaz de estudiar la factibilidad de usar la fusión gracias al láser para generar energía. "Hiper es una instalación de gran escala, por lo que debemos confirmar que nuestro entendimiento es correcto," explicó el profesor Peter Norreys, del Laboratorio Rutherford Appleton, donde el experimento fue llevado a cabo.

Más Información | BBC News (inglés)

La luz es un objeto que interesó a los físicos durante milenios y lo continua haciendo. Recién a comienzos del siglo pasado se pudo establecer la dualidad onda-partícula; además se encontró que existe en el universo un límite a la velocidad que se puede alcanzar y es justamente la de propagación de la luz en el vacío, sin contar que es además la fuente de las auroras boreales, y básicamente de la vida en nuestro planeta. Recientemente investigadores de la Universidad de Glasgow y de Bristol, en el Reino Unido, encontraron lo que denominaron el "lado oscuro de la luz", es decir que el campo electromagnético está atravesado por vórtices de oscuridad y además notaron que estas líneas tienen una estructura fractal.

Ya se había notado un fenómeno particular cuando el haz de un láser coherente y monocromático impacta sobre una superficie rugosa: se pueden observar pequeñas zonas de oscuridad y claridad que inclusive parecerían moverse a medida que el observador cambia de posición. Estos puntos oscuros se deben a la figura de interferencia que genera la luz difractada desde diferentes puntos de la superficie. En el artículo publicado por los investigadores británicos describen cómo modelaron la superposición de ondas que lleva a esa figura de interferencia, usando métodos numéricos y experimentales de lo más variados.

Al medir las superposiciones con un interferómetro, los científicos pudieron construir una imagen 3D de los vórtices ópticos. Sorprendentemente encontraron dos tipos: el 73% eran vórtices infinitos, esparcidos a lo largo de todo el haz de luz; el resto eran lazos cerrados, es decir cuando la línea del vórtice regresa al punto inicial en un área pequeña. Investigando la estructura de las líneas un poco más a fondo descubrieron con son invariantes de escala, es decir que si uno hace un zoom, lo que ve es exactamente lo mismo que antes, por lo que se trata de líneas fractales.

Una pregunta de muchos físicos es cómo fue posible la formación de galaxias si la materia estaba uniformemente distribuida en un único punto que luego dio origen al universo. Estos vórtices serían similares a las anomalías presentes en el inicio del universo, según algunos modelos cosmológicos, es decir pequeñas acumulaciones de materia en determinados puntos y no una distribución uniforme, y de esta forma se podría haber dado la posibilidad de la formación de galaxias y planetas. Es por esto que los investigadores británicos piensan que no sean meras coincidencias; especulan con la posibilidad de haber descubierto una propiedad universal de todos los sistemas ópticos que sería capaz de acercar ramas de la física hasta hoy completamente diferentes.

Más Información | Physorg

El láser posee una intensidad de 20 mil millones de billones (20.10²¹) de Watts por centímetro cuadrado, conteniendo 300 Terawatts de potencia en total; eso es 300 veces más potencia que la de la entera red eléctrica de Estados Unidos. Toda la potencia del haz está concentrada en un diámetro de 1,3 micrones, aproximadamente cien veces más pequeño que un cabello humano. Según los investigadores este láser es 2 órdenes de magnitud más intenso que cualquier otro en el mundo.

Dentro de otras ventajas, este láser puede producir el haz una vez cada 10 segundos, mientras que otros dispositivos similares sólo una vez cada algunas horas. "Podemos obtener una potencia tan elevada colocando una pequeña cantidad de energía en un pequeño, muy pequeño intervalo de tiempo," dijo Yanovsky, uno de los investigadores. "Estamos almacenando energía y liberándola en una fracción microscópica de tiempo." Para obtener valores tan elevados, el equipo agregó otro amplificador al sistema de láser HERCULES, que funcionaba previamente a 50 terawatts.

El HERCULES es un láser de titanio-safiro que ocupa varios cuartos en el Centro para Óptica Ultra Rápida, de la Universidad de Michigan. La luz que se le introduce rebota en una serie de espejos y otros elementos ópticos, como si fuera un Pinball, aumentando así su energía y enfocándose cada vez más a lo largo de su camino. Además de aplicaciones médicas, láseres tan intensos como este pueden expandir las fronteras de la ciencia, al permitir "hervir el vacío": según algunos físicos, sería posible generar materia a partir del vacío al enfocar un haz lo suficientemente intenso, como el del nuevo láser. También permitiría explorar nuevas técnicas de fusión, es decir la unión de átomos de poca masa para generar otros más pesados.

Más Información | Physorg

Ingenieros de la Universidad de Purdue mostraron como controlar con gran precisión las propiedades espectrales de pulsos de luz ultra-rápidos, un paso hacia la creación de sensores avanzados, tecnologías de comunicaciones más poderosas e instrumentos de laboratorio más precisos.

Los pulsos láser pueden ser vinculados con las luces estroboscópicas usadas en fotografía de alta velocidad para congelar objetos que se mueven a gran velocidad como balas o insectos volando. Estos pulsos de láser, sin embargo, son millones de veces más rápidos que esas luces, durando apenas una billonésima parte de un segundo (entre un picosegundo y un femtosegundo.)

Las propiedades de los pulsos, cuando son representados en un gráfico, toman formas específicas que caracterizan el cambio de la intensidad luminosa del comienzo al fin de cada pulso. Controlar esta intensidad con precisión, que se llama “modelado del pulso”, permitirá a los investigadores dar a los pulsos del láser aplicaciones específicas, dijo Andrew Weiner, profesor de Purdue.

Los investigadores en otras instituciones desarrollaron láseres ultra-rápidos produciendo trenes de pulsos que se dividen en cientos de miles de segmentos, con cada segmento representando una porción diferente del espectro formando un pulso. Los segmentos son llamados de “líneas de peine” porque se asemejan a los dientes de un peine cuando se los representa en un gráfico, y el pulso entero se llama “peine de frecuencia de femtosegundo.”

El premio Nobel en física de 2005 fue dado a investigadores que justamente controlaron las frecuencias de estas líneas y demostraron aplicaciones relacionadas con relojes ópticos sofisticados, que podrían mejorar las comunicaciones, los sistemas de navegación y permitir nuevos experimentos para probar teorías físicas, dentro de otros usos posibles.
En la nueva investigación, los ingenieros de Purdue “dieron forma” a 100 líneas de uno de dichos peines de frecuencia en un solo pulso.

“Todavía hay enormes desafíos tecnológicos por delante, pero realmente vemos 100 líneas como un hito, un gran paso,” dijo Weiner. La investigación se centra en el Laboratorio de Óptica Ultra-Rápida y Comunicaciones por Fibra Óptica de Purdue.

La técnica para dar forma al pulso, llamada generación de ondas ópticas arbitrarias no es nueva. Sin embargo el equipo de Purdue es el primero en lograr darle forma a pulsos de luz de un peine de frecuencia de femtosegundo y en demostrar la técnica en una escala tan pequeña controlando las propiedades de 100 peines espectrales dentro de cada pulso.

Al controlar con precisión esta “fina estructura en frecuencia” de los pulsos láser, los investigadores esperan crear sensores ópticos avanzados que detecten y midan materiales peligrosos o contaminantes, espectroscopia ultra-sensible para investigaciones de laboratorio, y sistemas de comunicaciones basadas en óptica que transmitan volúmenes mayores de información con mejor calidad, aumentando el ancho de banda. Sin embargo, realizar por completo estos objetivos necesitaría controlar entre 100.000 y 1 millón de líneas de peine en cada pulso, dijo Weiner.

El avance de los ingenieros de Purdue permite a los investigadores controlar la amplitud y la fase de líneas individuales, o los puntos altos y bajos de cada línea espectral, representando un paso hacia la aplicación de esta técnica para tecnologías avanzadas.

Fuente: Science Daily

Un equipo internacional de investigación, conducido por científicos del London Centre para Nanotecnología (LCN, por sus siglas en inglés), encontró una forma de cambiar las propiedades magnéticas de un material de “duro” a “blando” y viceversa –descubrimiento que podría llevar a nuevas maneras de controlar dispositivos electromagnéticos. La investigación apareció en la revista Nature del 2 de Agosto y muestra cómo un imán puede ser “templado” al ser sometido a otro campo magnético, perpendicular al original.

Los imanes pueden ser clasificados por sus propiedades magnéticas “duras” o “blandas”. Los imanes duros, algunas veces llamados también de “permanentes”, tienen paredes de dominios fijas lo que quiere decir que el material permanece magnetizado por un largo tiempo. Los imanes blandos tienen paredes de dominio movibles, que pueden ser fácilmente invertidas. Estos materiales muestran propiedades magnéticas no permanentes.

El profesor Gabriel Aeppli, director del LCN y miembro del equipo de investigación, explicó la importancia de este descubrimiento: “Que un imán sea duro o blando determina para qué se lo puede usar. Típicamente, se usaría un imán permanente para adherir una nota a la puerta del refrigerador porque se espera que permanezca allí por un largo tiempo. Por el otro lado, se puede usar un imán blando en un motor o transformador porque se adaptaría mejor a los cambios rápidos en la corriente alterna y disiparía mucha menos energía que un imán duro.

“Es raro poder templar continuamente las paredes de un imán, pero hemos ahora mostrado cómo puede ser hecho en un imán modelo a bajas temperaturas. En el proceso, demostramos un camino nuevo en aplicaciones de imanes a temperaturas más elevadas y mostramos cómo el desorden químico en el orden del nanómetro (la mil millonésima parte de un metro) pueden tener un efecto enorme en las propiedades macroscópicas (orden del centímetro) de un imán.

La mayor parte de los sistemas físicos y biológicos pueden ser pensados como desordenados. Los semiconductores se basan en impurezas situadas al azar para sus propiedades eléctricas y usos, mientras que las impurezas químicas y estructurales en los imanes determinan qué tan fijas se encuentran las paredes del dominio, es decir qué tan fácilmente puede ser cambiada la polaridad.

“Desde un punto teórico, fue realmente interesante para nosotros ver que las propiedades de un sistema grande, desordenado que era dominado en gran medida por una rara configuración de impurezas,” dijo el profesor Aeppli. “Al contrario de los sistemas biológicos, en la ciencia de materiales, estamos acostumbrados a ver comportamientos que son dominados por las características promedio del sistema. Aquí podemos observar la influencia masiva de un número minúsculo de defectos químicos y estructurales.”

Fuente: Science Daily