Día: febrero 19, 2018

Las ondas son fenómenos naturales, que entre otras muchas cosas nos permiten escuchar o contemplar lo que nos rodea. Las hay de muchísimos tipos, ondas sonoras, electromagnéticas, sobre la superficie del mar, etc. la lista es muy grande. Para que se produzcan es necesario que se den algunas circunstancias dependiendo de su naturaleza, del medio en que se propaguen o del propio espacio y tiempo. Como la mayoría de la gente conoce, una onda es una magnitud física, como lo es una tensión de una cuerda de un instrumento musical, la altura de la superficie de un lago o la presión del aire que varia con respecto al tiempo en un determinado lugar y con respecto a la distancia, pudiendo propagarse en el espacio. Su descripción física no es muy complicada y tiene una ecuación característica en la que en un lado aparece la variación de la magnitud con respecto al tiempo y en el otro con respecto al espacio. Han sido estudiadas ampliamente por eminentes científicos desde hace siglos. Albert Einstein con su teoría de la relatividad general describió un universo donde el espacio no es rígido, sino que se amolda a la materia que en él existe. Objetos masivos como planetas o estrellas curvan el espacio, creando la gravedad. Esto ya se ha probado, pero en 1917 fue más allá y se dio cuenta de que la naturaleza de ese espacio flexible permitía la propagación de ondas, operando con sus ecuaciones, estas podían llegar a ser una ecuación de ondas y le permitieron anunciar la posibilidad de las ondas gravitacionales. Estas ondas se propagan a la velocidad de la luz, alterando por donde pasan la gravedad y el espacio como si fuera un entramado flexible, pero son tan débiles que no se imaginó que pudieran ser detectadas jamás. Mas recientemente con el aumento de la comprensión de objetos supermasivos como estrellas de neutrones o agujeros negros, se pensó que si orbitaban podrían propagar ondas, pero aun así, solo producirían variaciones en el espacio del orden del tamaño de un protón. Las ansias humanas por conocer no tienen límites y algunos pensaron que era posible detectar estas alteraciones del espacio. Tres de los pioneros en esta materia fueron galardonados con el premio Novel de física 2017, Rainer Weiss, Barry C. Barish y  Kip S. Thorne por su decisiva contribución al detector LIGO que en 2015 detectó por primera vez estas ondas. El evento, denominado GW150914 (14-09-2015) fue detectado casi simultáneamente por los dos detectores L1, Livingston (Louisiana) y  H1, Hanford  (Washington) del observatorio LIGO y corresponde a dos agujeros negros de varias decenas de la masa del sol, orbitando mutuamente en un baile en el que giran a casi la velocidad de la luz y se aproximan hasta fusionarse. Este evento se produjo hace millones de años en otro extremo de la galaxia y hoy nos llega como una onda, como un electrocardiograma que si lo reproducimos en un altavoz es la música del universo. Imágenes cortesía Laboratorios LIGO

Aplicado a cualquier dispositivo electrónico entenderemos que es mejor si es digital. ¿Es esto cierto, es mas moderno lo digital y antiguo lo analógico? De la mayoría ya no podemos elegir, ya no hay analógicos y en algún caso casi ni digitales, como por ejemplo las calculadoras, que tuvieron su versión analógica en las reglas de cálculo. Tampoco existe una bipolarización estricta de las cosas, un aparato es digital si esta hecho con electrónica digital, pero si no es así, no tiene por qué necesariamente estar hecho con electrónica analógica (como una televisión antigua), podría ser un dispositivo mecánico o químico como una cámara de fotos de carrete de película, aunque también lo denominamos “fotografía analógica”. Digital se refiere a dedos, contar con los dedos y en los dispositivos electrónicos que utilizan y cuentan con magnitudes discretas, en concreto en binario, con “señal” o “no señal”. Con un concepto tan sencillo se puede cuantificar, calcular y computar casi cualquier cosa. Pero no fue fácil llegar hasta aquí, la humanidad necesito siglos de evolución científica y tecnológica. Como en tantas cosas, las maquinas que hacen esto necesitan dos cosas, una parte física de circuitos (hardware) y una intelectual, de programas y algoritmos (software). La parte intelectual parece más fácil y llevó la delantera. El matemático Al-Juarismi, allá por el siglo VIII o IX, estableció un procedimiento con una secuencia de reglas e instrucciones para resolver problemas, en su honor lo denominamos algoritmo, precursor de los programas informáticos. Ya en el siglo XX podemos destacar a Allan Turing como el gran matemático que en sus trabajos teorizó sobre como deberían ser los computadores automáticos. Se definieron las primeras arquitecturas de unidad central de proceso, memorias y periféricos. También los lenguajes de programación. Con tubos de vacío como circuito elemental de proceso binario, con los que se confeccionan los módulos de proceso más potentes, se construyeron los primeros computadores capaces de ejecutar secuencias de instrucciones (programa). Eran caros y muy grandes, restringidos a utilización en grandes proyectos gubernamentales de investigación. Con el transistor se pudieron construir ordenadores asequibles para grandes empresas. En esta línea podemos destacar el primer computador de oficina o computador personal, el “Programma” de Olivetti. La verdadera revolución se produjo en la miniaturización de los componentes. Poco después de inventar el transistor, Shockley creó su propia empresa para producirlos masivamente, pero no tubo mucho éxito. Ocho ingenieros de su empresa se cansaron de él y fundaron Fairchild Semiconductor y comenzaron a producir transistores de silicio (lo habitual era el germanio). Al poco fueron capaces de producir varios transistores interconectados en la misma base (chip), considerándose a Robert Noyce (Fairchild) como el inventor del circuito integrado, junto a Jack Kilby, de Texas Instruments, que había desarrollado un circuito integrado de germanio pocos meses antes. Tras varios años de éxito, muchos de los fundadores de Fairchild abandonaron la compañía y destacamos a Robert Noyce de nuevo y Gordon Moore que entre otros fundaron la compañía INTEL. Por aquel entonces, Intel recibió el encargo de la compañía japonesa Busicom de un circuito para una calculadora. El ingeniero Ted Hoff fue el encargado del proyecto y considero que podría utilizar la arquitectura de un computador para ello. Lo importante fue que integró todos los módulos de la unidad central de proceso de un ordenador en un solo circuito integrado. Con la idea de Ted Hoff, Intel encargó a Federico Faggin (procedente de Olivetti) el diseño de un microprocesador de propósito general en un solo chip, el Intel 4004 (año 1.971). Destacaremos este momento como merecedor de un monolito en la historia del hombre. Desde entonces los microprocesadores han disminuido de tamaño y aumentando de potencia. Siguiendo la ley de Moore precisamente, el cofundador de Intel, que dice que cada dos años se duplicará el numero de transistores de un microprocesador. Se utilizan prácticamente en todos los dispositivos electrónicos, electrodomésticos, coches, aviones, etc. nada funcionaría sin ellos. La ley de Moore ya no se cumple estrictamente, puede que estemos llegando al limite de esta tecnología y sea necesaria una nueva generación de ordenadores que tengan que ser creados por otros ingenieros y científicos, los ordenadores cuánticos quizás, estamos en sus manos.

Einstein creo dos teorías de la relatividad, la especial en 1905 y la general en 1915. Relacionadas pero diferentes y complementarias. Aunque era un físico teórico, permaneció en estrecho contacto con todos físicos experimentales de la época que le interesaban. Sus teorías las argumentaba con “experimentos mentales”, imaginaba barras y relojes para medir distancias y tiempo, cuartos cerrados que se desplazaban a velocidad constante o acelerada y observadores que se ubicaban en los diferentes sistemas de referencia (cuartos cerrados). Para su teoría especial solo necesitó dos premisas, que en cualquier sistema de referencia que se moviera a velocidad constante, se cumplían las mismas leyes de la física y la más interesante, que la velocidad de la luz es la misma independientemente de la velocidad a la que la vea cualquier observador. El ambiente científico de la época ya empujaba a estas conclusiones, pero fue el genio de Einstein el que supo encontrar los resultados más extraordinarios. Ya anteriormente otro ilustre genio supo unificar todas las leyes de la electricidad y magnetismo en sus famosas cuatro leyes de Maxwell y a partir de ahí deducir que podían existir ondas electromagnéticas, pues se podía crear una ecuación de onda que se propagaba por el espacio. Se producían dos circunstancias interesantes, la velocidad de la onda electromagnética era la misma que la velocidad de la luz que ya se conocía y la onda electromagnética se desplazaba (a la velocidad de la luz) pero no se sabía sobre que medio ni si este medio se movía a su vez. Empezó entonces a elucubrarse sobre la existencia de un entramado invisible, existente incluso en el vacío más absoluto y por medio del cual se desplazaba la luz, que ya se consideró que se trataba de una onda electromagnética. A este ente se le denomino “éter”. Se pensó que era el sistema de referencia absoluto y que todo se movía respecto a él. La luz se desplazaba por el éter como onda electromagnética de la misma forma que el sonido se propaga por el aire. Unos científicos americanos, Michelson y Morley, decidieron averiguar más cosas sobre la naturaleza del éter. Como la tierra se desplaza y gira, midiendo la velocidad de un rayo de luz en diferentes direcciones (la de un meridiano y un paralelo, por ejemplo), al ser la velocidad relativa respecto al éter diferente, se medirán velocidades de la luz diferentes. Pero no, después de realizar los experimentos se pudo comprobar que todas las velocidades eran iguales, con lo que quedaba en entredicho la existencia del éter como referencia absoluta para el desplazamiento de la luz y lo que es mucho más transcendental, la luz se ve moverse a la misma velocidad siempre, sea cual sea la velocidad del observador y la velocidad del sistema de referencia desde donde se proyecta la luz. Esto tendrá unas consecuencias casi mágicas, pues nuestra intuición no nos dice eso, basta con imaginar el ejemplo clásico de la persona andando por el pasillo de un tren en movimiento, un observador en el tren lo verá moverse a una velocidad diferente a la que lo ve un observador sentado en el andén de la estación, que será la velocidad del tren mas la del andar. Algún testimonio dice que Einstein no conocía estos experimentos cuando ya tenía avanzada su teoría y sí, realmente se habían hecho avances por otros científicos intrigados por la ecuación de ondas electromagnéticas que no parecía tener en cuenta el sistema de referencia. Fue entonces Lorentz el que introdujo unos ajustes en la ecuación para que fuera válida, tanto si estamos en un sistema inmóvil o en otro que se desplaza a una determinada velocidad. Lo que se denomina Transformación de Lorentz, que da un toque a las ecuaciones para que sirvan en todos los sistemas de referencia. A partir de estas premisas, Einstein obtuvo unas conclusiones sorprendentes, que afectaban al tiempo, al tamaño de las cosas y otras magnitudes físicas dependiendo de la velocidad a la que te mueves. Las demostraciones físicas de la teoría de la relatividad especial o restringida no son excesivamente complicadas, es asequible y está “relativamente” al alcance de cualquiera con interés científico. No es así con la teoría general de la relatividad que aparte de mucho interés, para descifrar sus fundamentos requiere cierto dominio del cálculo infinitesimal, algebra de tensores y otras materias. Conceptos como espacio-tiempo de Minkowski, geometrías no euclídeas, geometría de Riemman, tensor impulso-energía, tensor de Ricci, etc. son necesarios para adentrarse en la teoría. Como en tantas otras ocasiones, supo recoger los frutos que otros habían sembrado (como dijo Newton con modestia: Si he visto más lejos es porque me he subido a hombros de gigantes). Así como se suele atribuir la inspiración de Newton a la famosa manzana que se le cayó en la cabeza, en el caso de Einstein imaginó que un hombre en caída libre no sentiría la acción de la gravedad y otro encerrado en una caja en el espacio exterior, impulsado por un motor cohete, sentiría un peso similar al que se siente en la superficie de la tierra. Es decir, se siente la masa o un peso por causas aparentemente tan diferentes como acción de la gravedad o ser impulsado por una fuerza. Ya por aquella época, se había introducido el concepto espacio-tiempo en el que para definir un punto en el espacio, a las tres dimensiones espaciales conocidas: x, y, z, se le añadía una cuarta, el tiempo t, a la que para homogeneizar con las otras unidades de espacio se multiplicaba por c, la velocidad de la luz, una constante universal e independiente del sistema de referencia. Este nuevo vector o cuatri-vector (x,y,z,ct) fue objeto de estudio por parte de Minkowski y junto con la transformación de Lorentz, mediante notaciones vectoriales, matriciales y tensoriales, supo reconstruir toda la teoría de la relatividad especial. Para aprender la nueva herramienta, los tensores (algo parecido a las matrices) Einstein decidió ir a las fuentes y mantuvo contacto fluido con una

¿Cuáles son los genios científicos más grandes que ha dado la humanidad? Muchas son las mentes a lo largo de la historia que han consagrado su vida , pensando y experimentando para intentar comprender como funcionan las cosas, entendiendo por cosas, todo. Todo lo que somos capaces de percibir o intuir que existe y ello comprende desde la trayectoria de una piedra que lanzamos con la mano o que cae libremente hasta la naturaleza de los agujeros negros, pasando por el funcionamiento de nuestro cerebro, sin olvidar lo que puede haber más allá de la frontera del conocimiento y que de momento pertenece a la ciencia ficción, a la teoría, a la fantasía y el misterio, pero que no deja de turbar a las mentes inquietas. Galileo quizás es el primero de grandes genios científicos que revoluciono las estructuras del conocimiento imperante en su época. Época en la que estaba mal visto decir que la tierra no era el centro del universo o diseccionar un cadáver para conocer el funcionamiento del cuerpo humano. Es de todos conocido que Galileo fue perseguido por la inquisición por decir que era la tierra la que giraba alrededor del Sol y no al revés y casi le cuesta morir quemado en la hoguera. Pero Galileo además de astrónomo y de realizar notales descubrimientos sobre el sistema solar, dedicó un gran esfuerzo a la física, estudiando científicamente el movimiento de las cosas. El dijo que si no fuera por el aire, una pluma y una piedra caerían a la misma velocidad al suelo y a él se le atribuye un experimento dejando caer dos objetos de diferente peso desde la torra de Pisa. Pero también se preguntó cómo y porque se mueven los objetos, por que aceleran atraídos por la tierra o continúan moviéndose sin que nadie los empuje, realizando experimentos precisos y contestando a las teorías de Aristóteles imperantes desde siglos. Construyo relojes para medida de tiempo con precisión y midiendo los recorridos de esferas de metal deslizándose por rampas de diferentes inclinaciones, por primera vez las ecuaciones matemáticas que determinaban el movimiento continuo o acelerado de las cosas. Newton fue el que dio el siguiente gran paso en el conocimiento de la física. Posiblemente el más grande, consagro toda su vida al estudio y experimentación, construyendo incluso el mismo sus instrumentos para estos experimentos por no existir con suficiente precisión para sus necesidades. Realizo grandísimos avances en muchos campos y aunque se reservaba muchas de sus investigaciones para sí, publicó su obra maestra referencia para la posteridad, los “PRINCIPIA MATHEMATICA”. De todos es conocido que fue el descubridor de la ley de gravitación universal y estableció los principios de la mecánica, lo que nos enseño a conocer cómo funciona el universo, los movimientos de los planetas y de todos los objetos. Esto ya le reservaría un puesto entre los héroes de la ciencia, pero también realizo otra impresionante contribución a las matemáticas y fue el cálculo diferencial e integral, una impresionante herramienta para físicos e ingenieros, prácticamente imprescindible hoy en día en todos los ámbitos de la ciencia. Su contribución fue gigantesca. Se dedico plenamente a la investigación durante toda su vida y siempre fue reconocido, reposando sus restos en la Abadía de Westminster. Einstein es primer gran genio contemporáneo y que fue una estrella fuera de su mundo académico, aclamado y venerado por el público. Todavía hay personas vivas que lo conocieron, lo escucharon o lo vieron. Fue un físico teórico, aunque siempre tuvo en cuenta las experiencias de otros para sus estudios. De su mente nacieron sus maravillosas teorías que podríamos decir que por primera vez desafiaban a nuestros sentidos. El universo no era como lo veíamos, nuestros sentidos no nos dicen la verdad y el pudo abstraerse de ello. En esa misma época otros grandes empezaros a profundizar el lo pequeño, creando una nueva ciencia, la mecánica cuántica, en la que toda nuestra concepción de la vida y el sentido común debía quedar apartada. El hombre estaba desbordando la frontera de los sentidos y la lógica que le había mantenido en la tierra durante miles de años. Con 26 años publicó su TEORIA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD en la que decía que el tiempo transcurre más lentamente cuanto más velozmente te desplazas, que aunque fuera de las películas de ciencia ficción no lo podemos comprobar en nuestra vida cotidiana, es tan cierto como que los satélites de la constelación GPS deben corregir sus relojes atómicos para sincronizarlos con los de las estaciones terrestres y así proporcionar la precisión suficiente a nuestros navegadores. También dijo que la materia era lo mismo que la energía con su más famosa ecuación E=mc2, lo que también quedo demostrado con las reacciones nucleares. Nueve años mar tarde, tras muchos esfuerzos publicó esta vez su TEORIA GENERAL E LA RELATIVIDAD, de una belleza sublime, donde se considera que el tiempo es una dimensión más, al mismo nivel que las tres dimensiones espaciales que percibimos, creando el concepto espacio-tiempo, en el que la luz no viaja en línea recta, sino siguiendo su curvatura. Una curvatura provocada por la materia que en él se encuentra y en el que a su vez la materia se mueve según la curvatura de este espacio. A lo largo de su vida, realizó numerosas aportaciones a la ciencia y fue un referente moral para la sociedad. Tras la publicación de su gran obra, continuó buscando una teoría única que englobara lo grande y lo pequeño, el universo y el átomo, pero esto quedara para el siguiente gran genio de la humanidad.