Tot allò que faria Leonhard Euler…

Ja sabem quins han estat els guardonats amb el Premi Nobel de Física d’enguany. Els guanyadors són Serge Haroche i David Wineland “pels seus revolucionaris mètodes experimentals que han permès mesurar i manipular sistemes quàntics individuals”. Haroche treballa al College de France, a París,  i Wineland treballa a l’importantíssim National Institute of Standards and Technology de Colorado, EUA.

La física quàntica és allò que sempre anomenen a les pel·lícules quan volen posar un exemple de cosa molt difícil. Però podem entendre què és? La física quàntica governa el comportament dels àtoms i de les partícules fonamentals. És molt difícil pensar en la física quàntica perquè estem acostumats a imaginar-nos experiments a escala macroscòpica, però les lleis de física són molt diferents a escales microscòpiques, Tot allò que li pot passar a un electró quànticament és difícil d’explicar sobre un avió, un croissant o un hipopòtam. Això és la física quàntica i la seua grandesa. Els treballs de Haroche i Wineland han permès explorar una mica més el món quàntic amb els seus experiments. Haroche ha perfeccionat els mètodes per capturar fotons (partícules sense massa que transporten la llum) entre dos miralls per després poder llançar altres partícules que puguin xafardejar què fan els fotons en aquest parany. D’aquesta manera, Haroche i els seus col·laboradors han aconseguit mesurar al laboratori les propietats dels fotons “atrapats”, les quals estan en perfecte acord amb la teoria quàntica. Wineland, d’altra banda, ha dissenyat trampes d’ions (nuclis atòmics carregats) mitjançant camps electromagnètics, als quals després els llancen fotons per saber com es comporten en el parany. Pobres fotons i pobres ions! D’aquesta manera tots dos físics experimentals han aconseguit manipular sistemes quàntics amb una precisió molt fina, del tal manera que es poden extreure els secrets de com es comporten algunes partícules a nivell quàntic.

Una propietat molt misteriosa de la física quàntica és que un sistema es comporta de la manera més estranya possible, sí, hi ha polítics que també ho fan però no crec que tingui res a veure la quàntica aquí. L’experiment més famós de la física quàntica és del del gat d’Schrödinger, un gat quàntic que pot estar viu i mort alhora. Al Youtube hi ha un video explicatiu molt divertiot sobre com pot er possible això… però ara no el trobo… D’aquesta manera, els experiments de Haroche i Wineland són una versió moderna i en el món real (no només un experiment pensat) del gat de Schrödinger, bàsicament els premiats amb el Nobel d’enguany han canviat gats per ions i fotons. Tota una gesta experimental i tècnica.

Algunes de les aplicacions dels treballs dels premiats d’enguany inclouen rellotges atòmics d’alta precisió, molt usats avui en dia en navegació, així com també el desenvolupament de dispositius electrònics que prometen revolucionar el nostre món de a mateixa manera que mai ho va fer el desenvolupament del làser. Els treballs de Haroche i Wineland també són considerats com pioners per al desenvolupament del somiat computador quàntic, un ordinador que tindria tant poder de càlcul, rapidesa i emmagatzematge que faria veure la nostra actual tecnologia com ara veiem aquells ordinadors que feien servir transistors a tub i cintes magnètiques. Els mesuraments d’alta precisió en astrofísica també es beneficiarien de la tecnologia desenvolupada per estudiar sistemes quàntics, incloent mesures d’efectes diminuts de la gravetat, com els usats pels observatoris d’ones gravitacionals.

Si voleu informació més tècnica i millor explicada mireu l’article del bloc La Ciencia de la Mula Francis, que tot i el nom, és dels millors que existeixen sobre ciència.

En la ciència ficció l’objecte més temut de l’univers, és sens dubte el forat negre. Amb el típic argument que “res no pot escapar d’ells” un s’imagina un forat gegant enmig de l’espai que absorveix tot el que es posa en el seu camí,. Però és real aquesta descripció d’un forat negre?

A finals del segle XVIII, 2 científics van descriure matemàticament un objecte que anomenaren estrella fosca (sincerament em sonaria a una marca de cervesa negra). John Michell, geòleg anglès va descriure el 1783 a la Royal Society (poca broma!) una esfera negra: “Si el radi d’una esfera fos 500 vegades més gran que el radi del Sol però amb la mateixa densitat, i suposant que la llum es veiés afectada per la gravitació (Newtoniana, no se’n coneixia cap més encara), llavors la llum que intentés escapar d’aquesta esfera no podria sortir per culpa de la seua pròpia gravitació”. Pierre-Simon de Laplace, matemàtic i astrònom francès, va arribar a una conclusió similar el 1796. Aquestes hipotètiques esferes se les considerava negres, perquè ni tan sols la llum podria escapar del seu interior.

El terme va caure en l’oblit durant més de 100 anys fins que es va tornar a parlar d’aquesta misteriosa esfera negra. El 1916, el físic Karl Schwarzschild, troba una solució estranya a les equacions de camp d’Einstein. En aquesta solució ell descriu el camp gravitacional d’una esfera que no es mou (és estàtica) i no té càrrega (elèctrica), a més amb cert radi mínim aquesta esfera té un interior unidireccional, és a dir, que tot allò que entri en aquest radi ja sigui un objecte o ona electromagnètica, continuarà caient.

És cert, les nostres definicions i explicacions ens diuen que s’empassa coses de veritat i no les deixa sortir, però un forat negre no és un malèvol objecte que s’acosta lentament per menjar-nos sense veure-ho. En realitat, l’objecte té una grandíssima gravetat, però mentre estiguem lluny seu podem mantenir-nos orbitant l’objecte com en qualsevol altre de l’univers.

Què passaria si el sol es convertís en un forat negre?

És difícil poder pensar què li succeeix a un objecte, ja sigui una gegantina estrella, un planeta o fins un pobre astronauta, quan passen per un forat negre. La gravetat de l’objecte va creixent a mesura que ens acostem al forat negre, aquesta no és la mateixa a l’entrada que a un centímetre dins d’ell, així que l’objecte serà forçat a sentir una gravetat irregular que el començarà a separar partícula per partícula.

Pensem que un pobre astronauta entra en un forat negre, els seus peus sentiran una gravetat més forta que el seu cap. Aquesta augmentarà gradualment mentre més s’acosti a aquest punt de gravetat infinita. El seu cos començarà a allargar-se i s’estirarà fins que es separi molècula per molècula, àtom per àtom fins a formar una tira d’àtoms que s’anirà acostant ràpidament al forat. A aquest fenomen els científics l’anomenen  l’espaguetificació d’un cos. Això perquè veieu que els científics també són uns catxondos.

La solució del forat de Schwarschild, estàtic i sense càrrega, no és l’única. S’han postulat tres solucions: la de Reissner-Nordström, que és un forat estàtic i amb càrrega, la de Kerr, d’un forat que rota però no té càrrega, i la de Kerr-Newman, un forat que rota i si té càrrega. Totes aquestes solucions tenen alguna cosa particular, la matèria que entra dins seu no necessàriament acaba sent consumida. Entre les seves propietats hi ha la possibilitat de connectar regions anàlogues de l’univers o possiblement altres universos.

El 1960, Martin Kruzkal, va treballar amb la solució de Schwarschild usant el principi que la llum ha de ser capaç de travessar l’espai-temps si no xoca amb un forat negre. Aquesta solució prediu l’existència d’una altra regió tancada (passat el forat negre) que només permet el pas per fora, aquesta regió se l’anomenaria Forat Blanc. El mateix treball de Kruzkal prediu l’existència d’una altra regió fora del forat negre, completament diferent a la que nosaltres habitem, a la qual la podríem anomenar “univers paral·lel”.

El 1964 es va detectar una gran font de raigs X a la constel·lació del Cigne a la qual es va designar Cigne X-1, després de constants estudis, el 1973, astrònoms del món van decidir que aquesta font anòmala de raigs X era molt probablement el primer forat negre detectat. És un fet ben conegut, que al centre de la majoria de les galàxies hi ha un forat negre supermassiu, la seva formació i evolució encara és objecte d’estudi. Actualment hi ha poc més de 100 candidats oficials a forats negres inclosos tots aquells que s’han detectat en els centres de galàxies veïnes.

El passat mes de juny, la NASA va llançar la seva missió NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) un telescopi de raigs X la missió principal del qual és crear el mapa més detallat sobre Forats Negres. D’aquesta manera, s’uniran segurament diversos centenars de milers de fonts de raigs X a la petita llista de candidats a forats negres que ja hi ha actualment.

Gràcies a l’astrofísic Genaro Grajeda per les idees!

El CERN ha trobat la partícula més mediàtica de la història. We have it! és la frase que ha cridat Fabiola Gianotti en la conclusió dels experiments de l’accelerador ATLAS. Resultats escrits en comic sans, cosa que algú al CERN s’ho hauria de fer mirar.

Fa unes hores ha conclòs aquest esdeveniment històric. Els dos grans experiments de l’LHC, el CMS i l’ATLAS, han presentat els seus resultats basats en l’últim període de presa de dades. Tots dos experiments han observat un clar senyal mostrant l’existència d’una nova partícula amb una massa prop de 126 GeV (unes 130 vegades la massa d’un protó), el que sembla ser el bosó de Higgs. Primer ha parlat Joe Incandela, portaveu del CMS, demostrant que l’existència d’aquesta partícula arriba auna preció de (Encara que en certs canals arriba a  ), la qual cosa ha produït l’eufòria de l’audiència a l’auditori del CERN: un llarg aplaudiment celebrava la nova partícula descoberta pel CMS. Mai havia vist tant aplaudir el que s’anomena matemàticament un p-valor. Després va ser el torn dels resultats d’ATLAS, els resultats van ser presentats per Fabiola Gianotti. L’ATLAS va observar uns resultats completament consistents amb els del CMS amb una significació de  als quals l’audiència novament va respondre amb un gran i llarg aplaudiment, celebrant la confirmació del descobriment de la nova partícula. Tant ATLAS com CMS han fet públiques declaracions oficials amb més detalls.

Però què és el bosó de Higgs?

De la mateixa manera que els químics fan servir la taula periòdica dels elements amb totes les propietats per construir molècules, els físics tenen una taula periòdica de partícules elementals, i la teoria que les descriu es diu Model Estàndard de Partícules (1973). Aquest model és una construcció matemàtica que s’ha de verificar. El model prediu que han d’existir 16 partícules diferents, les 16 han estat observades en diferents experiments la qual cosa converteix el model estàndard en un èxit teòric monumental que funciona molt bé per a descriure la naturalesa. No obstant això el model estàndard prediu una cosa que no s’observa: ens diu que totes les partícules tenen massa zero (la qual cosa òbviament no és cert). En els anys 60 diversos físics van trobar una solució a aquest problema que permetia preservar totes les propietats del model estàndard. Ells van postular que l’Univers hauria d’estar format per una substància (camp de Higgs) que faria que les partícules adquireixin massa i que si aquesta idea és correcta hauria d’existir una nova partícula. Aquesta partícula l’anomenaren bosó de Higgs.

Tot i que sonen molt semblant, no són la mateixa cosa. En teoria, el camp de Higgs és una substància que omple cada racó de l’Univers, no podem veure-la, sentir-la, olorar-la, però podem mesurar el seu efecte: fa que les partícules tinguin massa (igual que no podem veure el vent però sí mesurar els seus efectes).  Una bona analogia per al camp de Higgs és quan estem sota l’aigua, l’aigua ens envolta tot el nostre cos. Per comprendre com les partícules tenen massa gràcies al camp de Higgs és important entendre que la massa d’una partícula és una mesura de la seva inèrcia, o de quant li costa moure’s. De la mateixa manera que quan estem sota l’aigua ens costa moure’ns, quan les partícules es propaguen en el camp de Higgs els costa moure, el quant els costa és el que anomenem la massa de la partícula. I llavors, què és el bosó de Higgs? Si bé no podem veure el camp de Higgs alguna cosa que podem fer és pertorbar, tractar de fer-li alguna cosa perquè manifesti la seva presència. Així com no veiem l’aire però si aplaudim prop d’una espelma, aquesta s’apagarà perquè pertorbem l’aire al seu voltant. Tornant a l’exemple d’estar sota l’aigua, si aplaudim fortament sota l’aigua generarem petits corrents que produiran efectes observables, com el moviment d’una alga propera (o espantar els peixos). En aquesta analogia, l’aigua és el camp de Higgs, l’aplaudiment és la col·lisió d’un parell de partícules (dos protons en el cas del LHC) i el corrent o pertorbació (els físics en diuen excitació) de l’aigua és el bosó de Higgs . En altres paraules, el camp de Higgs envolta l’Univers fent que a les partícules les hi costi moure’s (això vol dir que tinguin massa), i una excitació d’aquest camp és el bosó de Higgs. Generar corrents amb aplaudiments sota l’aigua no és tasca fàcil, el mateix problema s’enfronten els físics usant un generador d’aplaudiments bastant gran i costós (el LHC). Ara, quins serien els efectes observables si es crea un Higgs? Com que és una partícula pesada (centenars de vegades la massa d’un protó), el Higgs és inestable i es converteix ràpidament en altres partícules, aquestes són les partícules que cal buscar. Aquestes restes del Higgs serien l’espantar els peixos en l’exemple. L’LHC és una màquina que genera forts aplaudiments (col·lisions de partícules) sota l’aigua (en el camp de Higgs) i els detectors com ATLAS i CMS busquen veure si els peixos són foragitats (els efectes de les excitacions del camp de Higgs).

Encara que ja a tot el món se celebra el descobriment del bosó de Higgs, els científics són molt curosos a l’hora de parlar només d’un nou bosó, però no li posen un nom. El motiu és que amb la informació disponible en aquests moments no es pot afirmar amb certesa que es tracti de Higgs. A més hi ha teories alternatives al model estàndard que també contenen partícules similars al Higgs per la qual cosa els científics prefereixen esperar a confirmar les propietats de la nova partícula. Sabem que és un bosó, però podria existir un bosó inesperat, per això els físics prefereixen ser conservadors i no anomenar-lo Higgs encara, encara que novament … gairebé no hi ha dubte que el Higgs ha estat trobat.

Primer celebrarem novament (avui ja és dia de festa per a la comunitat científica) i tindrem la confirmació que el nostre model estàndard està ben construït. És important destacar que si bé el model estàndard està a un pas de verificar-se completament, no és una teoria final ja que no és capaç d’explicar per exemple la gravetat (i moltes altres coses). El model estàndard només descriu tres de les quatre forces fonamentals de la natura (electromagnètica, nuclear feble i nuclear forta). A més el Higgs no explica la matèria fosca ni l’origen de l’Univers, el descobriment del Higgs ens mostra que la nostra teoria descriu apropiadament les partícules, però no resol molts dels misteris que els científics tracten d’aclarir. És és un pas molt important, però no li donem al Higgs propietats màgiques que resoldran tots els misteris, la naturalesa no és tan simple. Al final del seminari es va poder veure a un emocionat Peter Higgs costat dels seus companys François Englert, Gerald Guralnik i Carl Hagen (algunes de les ments darrere de la teoria avui aparentment verificada), qui va agrair als científics del LHC per donar-li l’oportunitat de viure aquest dia.  Un esdeveniment espectacular, aquesta data quedarà marcada en els llibres de física… i de religió?

Si voleu consultar més:

–El bossó de Higgs explicat per a padrines.

–El bosó de Higgs explicat per a nens.

–9 claus per entendre el bosó de Higgs.

Suposo que vostès sabran que en les nostres contrades és habitual tenir 2 cognoms. Si s’ho para a pensar vostè mateix deu ser un cas. Això no és gaire habitual al món (que tingui dos cognoms, no que vostè sigui un cas).

Doncs bé, ara comença el joc matemàtic. Intentem allargar una mica més els nostres cognoms. Com? Afegim després del nostre segon cognom el segon cognom del nostre pare i a continuació el segon cognom de la nostra mare. Després afegim el tercer cognom del nostre pare (que serà el segon del nostre padrí) i el tercer cognom de la nostra mare. I així successivament… D’aquesta manera pot fer un nom tan rocambolesc com li vingui de gust. I si afegeix la preposició “de” entre cognoms semblarà algun marquès o comte d’aquells que surten a l’ABC.

El cas és que una forma molt més senzilla d’anar posant cognoms als que ja tenim seria la següent: posem en les posicions senars els cognoms del progenitor del mateix sexe que nosaltres. Evidentment per fer aquest procés cal tenir clar el sexe de cadascú. És a dir, si som homes posem en les posicions imparelles els cognoms dels nostres pares i si som dona posem els de les nostres mares en posició senar. Com quedaria, aleshores, la nostra successió de cognoms? Assignarem un 0 a cada cognom que sigui el primer de la persona que sigui del nostre mateix sexe i un 1 al primer cognom de cada avantpassat nostre que sigui de sexe diferent. D’aquesta manera ens queda una successió de 0 i 1 agrupats de 2 en 2. És a dir de la fomra 2^k. Anem a veure què passa:

I així anar fent. A veure si ens adonem d’algunes cosetes. La més fàcil de veure és que la primera meitat de cada fila és igual a la fila anterior. I el que també podem observar és que la primera meitat de cada fila és igual als elements de posició imparell de cada fila, aquesta costa una mica més de fixar-s’hi.

Doncs aquesta successió que es forma fent aquest joc dels cognoms és una successió famosa en matemàtiques. Meravellós! És la successió coneguda com successió de Thue-Morse.  L’any 1906 Axl Thue va necessitar “inventar” aquesta successió per un treball de combinatòria lingüística i el 1921 Marston Morse l’utilitzà en una branca ben diferent, per resoldre uns problemes de geometria diferencial. I el que passa amb les sucessions és que apareixen quan menys t’ho esperes, aquesta és la gràcia (i la bellesa) de les matemàtiques. Per exemple, el jugador d’escacs Max Euwe la va aplicar per l’estudi de partides d’escacs.

A més, si prenem aquesta successió (infinita) com un nombre binari amb una part entera d’una sola xifra i el passem a base 10 obtenim el 0,41245403364… que és irracional (evidentment) i trascendent. Aquest nombre s’anomena constant de Thue-Morse

Guau! Si us ha agradat el tema aquest de Thue-Morse podeu consultar:

No, no s’espanti. No és res de la Guerra de les Galàxies. El títol sona a ciència ficció però la ciència és real! No s’ha preguntat mai com és que els astrònoms coneixen la composició química de les estrelles si no n’han visitat mai cap? Pregunti-s’ho, pregunti-s’ho. La forma de fer-ho és a través d’una tècnica anomenada espectroscòpia. Cada vegada que un objecte emet llum, aquesta comporta informació sobre els elements químics que el formen. Cada element químic emet llum en determinades freqüències (si la llum és visible diferents freqüències signifiquen diferents colors), que poden ser mesurades amb els instruments apropiats, anomenats espectròmetres. Així els físics, que sembla que tenen poca feina però no és així, van registrar acuradament la llum particular de cada element en el laboratori i li van posar el nom d’espectre (no, un espectre no és un fantasma). És com la seua empremta digital. Quan un astrònom observa la llum d’una estrella, aquesta llum arriba al telescopi i després es fa passar a través d’un espectròmetre, amb el qual és possible separar la llum de cada element i així identificar quins són els elements que componen aquesta estrella.

Aquesta mateixa tècnica es la que utilitza el Curiosity per estudiar la composició del sòl marcià. Però hi ha un problema. Les roques marcianes no són estrelles i no emeten llum, per a això el Curiosity ha estat armat amb un poderós raig làser que es dispara contra una roca diverses vegades en polsos molt curts, equivalent a encendre i apagar una llanterna moltes vegades molt ràpid.

El làser va ser disparat 30 vegades en 10 segons i cada pols tenia una potència d’un milió de watts (les bombetes de casa seua en tenen 60 i l’assecadora 2000 perquè es faci una idea). Els electrons que orbiten els àtoms  a la roca absorbeixen l’eneegia del làser, i es converteixen en el que els físics anomenen electrons excitats (la paraula excitat es refereix a electrons amb més energia, no hi vegi pas connotacions sexuals). Aquests electrons tornen al seu estat de mínima energia emetent la llum particular de l’àtom al qual pertanyen. La llum del petit flaix generada va ser captada pel telescopi de la ChemCam  i mesurada pels espectròmetres per determinar els diferents elements químics presents a la roca. La informació ha estat rebuda pels científics i està sent analitzada, mentre que “Coronació” va quedar amb una marca de prop d’1 mm diàmetre, la imatge va ser publicada per la NASA i la podeu veure a continuació.