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20 de noviembre de 2013

Sobre el número cero y la nada...

Figura en medio de la nada

¿Qué pasa en el cerebro cuando uno no está pensando en nada? ¿Cuál es el propósito de un animal que no está haciendo nada? ¿Qué había antes del Big Bang?

"Cada vez que un científico se hace preguntas de ese estilo, el resultado es interesante", le dice a la BBC Jeremy Webb, editor en jefe de la revista New Scientist, que acaba de publicar un libro llamado "Nothing: From absolute zero to cosmic oblivion" (Nada: del cero absoluto al olvido cósmico).
En biología, por ejemplo, hay animales, como el perezoso o la serpiente pitón, que pasan largos períodos de tiempo haciendo nada. ¿O no?

"La pitón es asombrosa: una serpiente no es más que un cerebro y un estómago (claro que eso se podría decir de todos nosotros). Pero lo peculiar es que puede acelerar el ritmo de su metabolismo 44 veces", señala Webb.

"Así que cuando parece que está comatosa tirada en el piso, está trabajando realmente duro pues su sistema de digestión está esforzándose hasta el límite. Lo que pasa con las serpientes es que comen tan esporádicamente que necesitan aprovechar hasta el último vestigio de sustancia".

De manera que a menudo, cuando pensamos que un animal no está haciendo nada, resulta que está muy ocupado.

Algo parecido pasa con el cerebro.

La vida íntima del cerebro

Se podría pensar que cuando uno se relaja después de un día de trabajo, el cerebro descansa y el uso de energía disminuye: qué se comporta casi como una computadora cuando la apagan. Pero no es así.

Actividad cerebral

El cerebro no parece descansar

"En los 80s, los científicos empezaron a notar que cuando uno deja de pensar activamente, hay una red de regiones en el cerebro que se prende y el uso de energía nunca baja. Se le llama red neuronal por defecto (RND)", explica Webb.

"La gran pregunta es qué está haciendo ese sistema. Al principio se pensaba que sólo se activaba en momentos como cuando se sueña despierto. Pero recientemente los científicos descubrieron que esta red está activa durante las primeras etapas del sueño, lo que indica es que está guardando recuerdos y dándoles significado: es un recuerdo feliz, importante, aterrador... ese tipo de cosas".

"Lo interesante es que la nada no parece existir", apunta director de la compañía de teatro Complicite, Simon McBurney.

"Cada vez que se piensa que no hay nada o que no está pasando nada, no es cierto. Incluso el cero... el cero dividido cero, ¿es cero o es infinito? Uno empieza a hablar de nada y termina hablando de todo", dice McBurney, quien exploró el mundo de las matemáticas cuando escribió la obra "Un número que desaparece".

El cero inofensivo

Ceros

El cero tiene dos facetas y una de ellas no fue muy bienvenida cuando llegó.

El cero tiene dos caras en nuestro mundo. Una es la de marcador de posición: al tomar un lugar, nos ayuda a saber que 2013 no es 213 o 2130. Los antiguos babilonios no tenían un marcador de posición.

"Con suerte, dejaban un espacio para evitar confusiones. No se sabe qué impulsó el cambio pero alrededor de 300a.C. a alguien se le ocurrió poner un marcador de posición -dos flechas oblicuas- y, de repente, las matemáticas se volvieron más fáciles de entender. Y unos siete siglos más tarde, al otro lado del mundo, el cero fue inventado por segunda vez. En este caso, fueron los astrónomos mayas en Centroamérica, que empezaron a usar un símbolo como la concha de un caracol en su calendario", cuenta Webb.

Habían inventado el cero como un símbolo, que representaba un espacio, pero aún no como número, que puede ser usado para calcular y tiene sus propiedades matemáticas propias. Cuando el número al fin llegó, causó revuelo.

"Primero la idea del cero era prohibida y luego no se permitía hacer varias cosas con él pues llevaba a implicaciones espinosas. Era un tabú pensar en el cero", recuerda McBurney.

El cero herético

"Se puede decir que el concepto del cero empezó en India -con el astrónomo Brahmagupta en el siglo VII-. Quizás la idea del cero no podría haber sido concebida por ninguna otra cultura: para los occidentales era herética", subraya McBurney.

Efectivamente, agrega Webb, "en la Grecia antigua, la cosmología y ciencia predominante de la época dictaba: el vacío no puede existir. Los dioses no habrían creado algo que valiera nada. Así que la Grecia antigua era incapaz de avanzar hacia la noción del cero".

Números

Tabla de 1882 que muestra el desarrollo de los números, de izq. a der., del siglo I al XIV. Las tres columnas de la izq. son números indios.

En India, entendían la nada. Y Brahmagupta puso esa nada -que se llamaba sunya- en las matemáticas, que súbitamente se tornaron más abstractas; aparecieron los números negativos y el infinito en ambas direcciones.

Pasaron casi mil años antes de que llegara a Europa, en 1202, gracias a un joven italiano llamado Leonardo Fibonacci y su libro "Liber Abaci".

"Él detalla el sistema de conteo árabe, con el que se había topado en sus viajes por las costas sur del Mediterráneo (el cero había viajado de India con los moros)", le cuenta Webb a la BBC.

La recepción fue mixta.

En Florencia, por ejemplo, en 1299 prohibieron el uso del cero pues, aunque los mercaderes y banqueros pudieron inmediatamente apreciar las ventajas del nuevo sistema, las autoridades consideraron que era una invitación abierta al fraude, ya que agregando un solo dígito al final se podían multiplicar las ganancias, algo que no se podía hacer con los números romanos.

No es sino hasta el siglo XVII que el cero triunfó, y de qué manera: no sólo es imposible imaginar el mundo sin él sino que es uno de sólo dos protagonistas del sistema binario reinante.

¿Pero el cero es nada?

Si uno tiene una caja con cero cosas adentro, se puede decir que está vacía, que no tiene nada.

Y si se le suma a cualquier número un cero, no pasa nada: sigue igual.

Sin embargo, con sólo agregarle un cero a cualquier número, se vuelve 10 veces más grande.

Y no hay número que, por grande que sea, sobreviva a ser multiplicado por cero.

Eso, sin internarnos en lo que sucede cuando el mismo cero se divide por cero y el resultado tiende a infinito, que se parece más al todo que a la nada.

El gran vacío

Si es difícil declarar que el cero es nada, ¿qué tal el espacio?

Energía del punto cero

La energía del punto cero es la más baja que un sistema físico mecano-cuántico puede poseer.

"El tiempo y el espacio son parte del Universo físico, no son sencillamente un escenario en el que pasan cosas", es una noción que entusiasma a la astrónoma Carolin Crawford.

"El espacio es un protagonista, tiene propiedades físicas. Incluso si está desprovisto de materia el hecho es que tiene energía, campos de fuerza que lo atraviesan; tiene forma, se hincha, se expande, está haciendo que el Universo se separe... hay cosas sucediendo en el espacio, incluso cuando está completamente vacío", le dice a la BBC.

"Incluso cuando uno encuentra el vacío más enorme en el que no hay materia, hay mucha energía y cosas pasando a nivel cuántico -se crean pequeños pares de partículas que se destruyen mutuamente-... está bullendo con cosas sucediendo todo el tiempo y eso influye en lo que pasa en todo el Universo".

El espacio, entonces, es un estadio muy activo y turbulento en el que todo lo demás sucede.

Además, apunta Webb, hay cosas que suceden sin que nada las cause.

"Estamos acostumbrados a causa-efecto, pero en física cuántica las cosas pueden pasar sin razón. Y eso es extraordinario: que el Universo pueda haber sencillamente aparecido sin ninguna razón".

Y eso implica que quizás es ahí donde está esa escurridiza nada.

"Hay una famosa frase de Stephen Hawking que dice que preguntar qué había antes del Big Bang es lo mismo que preguntar qué hay al norte del Polo Norte. La respuesta es que la pregunta es absurda: no hay nada al norte del Polo Norte".

Quizás, sólo quizás.

Tomado de:

BBC Ciencia

9 de septiembre de 2013

¿Qué ocurre en tu cerebro cuando saltas en paracaídas por primera vez?

El “subidón” que produce lanzarse al vacío desde un avión con un paracaídas en la espalda se debe a la secreción de dopamina, un neurotransmisor ligado al placer que, normalmente, nos deja con ganas de repetir la experiencia. Ante el “peligro” físico al que nos vemos sometidos practicando deportes de riesgo también se secreta adrenalina o epinefrina que, además de acelerar el corazón, acentúa los sentidos y dilata las pupilas para que entre más luz por los ojos. Juntas, la adrenalina y la dopamina inhiben a la zona frontal del cerebro, que es la responsable del control y del pensamiento racional. Y mandan señales al hipocampo para que almacene todo lo que está sucediendo en la memoria a largo plazo, a ser posible con todo lujo de detalles. Por eso, cuando una experiencia es nueva, las neuronas del hipocampo se activan el doble que ante cualquier otro estímulo, y el tiempo parece durar mucho más, un 36% más para ser exactos, según una estimación publicada hace poco en la revista PLoS ONE.

Y mientras saltamos, ¿somos conscientes de la altitud? Según concluía Kate Jeffrey en un estudio publicado hace poco en Nature Neuroscience, percibimos las distancias en dos dimensiones. O lo que es lo mismo, nuestro cerebro calcula bien las distancias en un plano horizontal, pero no distingue entre “un poco alto”, “bastante alto” y “muy alto”.

Tomado de:

Muy Interesante

30 de marzo de 2013

El efecto Casimir: explicación con vídeos

Hace ya más de medio siglo que Casimir postuló la existencia de una fuerza de atracción a distancias muy cortas, para objetos separados por menos de una micra. Desde entonces, la fuerza ha sido más que verificada experimentalmente.



Esta pequeña esfera de 0.1mm se usó para medir experimentalmente la atracción debida al efecto Casimir en 1998. (fuente)
El origen de esta misteriosa fuerza no tiene nada que ver ni con la gravedad ni la electricidad estática, sino con la teoría cuántica que dice que un campo de fuerzas, como el electromagnético, no puede ser totalmente nulo en ningún punto del espacio: el espacio está permeado por una energía mínima, la energía del vacío, o energía del punto cero.



La fuerza (en pico Newtons) entre una esfera y un plano se deja de sentir cuando se alejan unos ~0.0003mm. (Fuente)

¿Cómo se llega a generar una fuerza a partir de esta energía del vacío?

La explicación sin fórmulas es relativamente sencilla: la energía del punto cero de cualquier sistema cuántico implica que siempre existirán ondas. Para un péndulo de un reloj de pared, significa que aunque parezca que está totalmente inmóvil, en realidad debe estar oscilando muy poquito, pero no cero. Según la física cuántica, un péndulo no puede pararse del todo.

Con las ondas electromagnéticas en el espacio vacío ocurre algo parecido: si colocamos dos placas muy cerca, como en la figura, aparecerán ondas de distintas frecuencias debido a esta energía del vacío. Pero en el espacio entre las placas, las condiciones de contorno no permiten que se generen las mismas ondas que en las caras exteriores. Esta diferencia provoca una diferencia en las presiones internas y externas, haciendo que las placas se atraigan (¡la presión puede llegar a ser tan alta como la de una atmósfera terrestre!).



Representación artística del efecto Casimir (Fuente)


Equivalentes didácticos

El siguiente vídeo ilustra un símil del efecto Casimir con placas metálicas de un buen tamaño, nada de micras. Para que la escala se mantenga, se usan ondas también más grandes que las electromagnéticas: ondas de sonido. Reproduciendo un sonido de ruido (lo más parecido a partículas virtuales que aparecen al azar en el vacío), las ondas de sonido "grandes" no caben en los espacios entre las placas, creando una minúscula diferencia de presión, pero suficiente como para hacer que se atraigan:




  Y en este otro vídeo, se sigue la misma idea pero empleando ondas en un líquido en lugar de en el aire. Espero que os guste:


a

Fuente:

Ciencia Explicada

29 de enero de 2013

¿Por qué cuesta abrir la puerta del frigorífico?




Sí, es verdad. En ocasiones cuesta abrir la puerta del frigorífico.

No es que no se pueda abrir, sino que opone una resistencia mayor a la acostumbrada y no obliga a tirar con más fuerza de la habitual. Para abrirse con ímpetu, con un ruido sordo y seco, con un POP.

¿Y cuándo pasa eso?

Cuando mantenemos abierta la puerta del frigorífico durante mucho tiempo, se almacena mucho aire caliente que sustituye al aire frío que estaba en su interior, simplemente porque el calor se desplaza siempre de los lugares de mayor temperatura a los de menor.

Cuando se cierra la puerta, el aire caliente encerrado se enfía y, por ello, reduce su volumen y su presión, lo que da como resultado, para explicarlo llanamente, un cierto efecto de vacío.

Esta diferencia de presión es la que debemos de vencer al tirar ccon más fuerza de la puerta. Y es al igualarse las presiones que se produce el sonido sordo que acompaña la apertura.

Tomado de:

Saber Curioso 

7 de junio de 2011

Científicos crean luz de la nada por primera vez

Los físicos lograron sacar «chispas» del vacío gracias a una sofisticada máquina cuántica


Un grupo de físicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gothenburg, Suecia, ha logrado algo casi «divino». Ha producido fotones visibles a partir de las partículas virtuales que se creía existían en el vacío cuántico. En pocas palabras: han obtenido luz prácticamente de la nada. Para conseguir esta hazaña científica, algo que hasta ahora era solo una teoría, el equipo ha utilizado un dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID) que consigue modular la velocidad de la luz.

Los investigadores presentarán sus conclusiones la próxima semana en Padua, Italia. De momento, la investigación aparece publicada en arXiv.org, y los autores no quieren ofrecer más datos hasta que su trabajo esté listo para su publicación en una revista de alto nivel. Sin embargo, científicos que no están directamente vinculados al equipo de Chalmers aseguran en la web de Nature que el resultado es impresionante. Si la investigación se verifica, se convertirá en una de las pruebas experimentales más inusuales de la mecánica cuántica en los últimos años y «un hito importante», afirma John Pendry, físico teórico del Imperial College de Londres, ajeno al estudio. «Es un gran avance», añade Federico Capasso, un físico experimental en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, quien ha trabajado en los efectos cuánticos similares.

El experimento radica en uno de los más extraños y más importantes principios de la mecánica cuántica: el principio de que el espacio vacío es.... todo lo contrario. La teoría cuántica predice que el vacío es en realidad una espuma retorcida en el que las partículas revolotean.

La existencia de estas partículas es tan fugaz que a menudo se describe como virtual. Sin embargo, puede tener efectos tangibles. Por ejemplo, si dos espejos se colocan muy muy próximos entre sí, las partículas virtuales que existen entre ellos y fuera crearán una fuerza que empujará las placas metálicas entre sí. Es lo que se conoce como «Efecto Casimir», en honor al físico holandés Hendrik B.G. Casimir, quien propuso esta teoría junto a su colega Dirk Polder en 1940.

Un experimento «muy inteligente»

Durante décadas, los teóricos han predicho que un efecto similar puede producirse en un solo espejo que se está moviendo muy rápidamente. Según la teoría, un espejo puede absorber la energía de los fotones virtuales en su superficie y volver a emitir esa energía como fotones reales. El efecto sólo funciona cuando el espejo se mueve a través del vacío a casi la velocidad de la luz, lo que es casi imposible para los dispositivos mecánicos que utilizamos a diario.

Los físicos de Chalmers consiguieron evitar el problema utilizando una pieza de la electrónica cuántica conocida como dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID), que es extraordinariamente sensible a los campos magnéticos. De esta forma, el dispositivo actuó como un espejo y ajustando la dirección del campo magnético miles de millones de veces por segundo consiguieron «menearlo» a alrededor del 5% de la velocidad de la luz, lo suficiente para ver el efecto.

El resultado fue una lluvia de fotones saltando desde el vacío. Capasso cree que el experimento es «muy inteligente», y una buena demostración de la mecánica cuántica, aunque duda de que pueda tener algún efecto práctico. Sea como sea, para los físicos es un logro realmente emocionante.

Fuente:

ABC (España)

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