Tot allò que faria Leonhard Euler…

Ja fa uns pocs dies que s’han entregat els premis Nobel d’enguany i encara no havia fet l’article característic d’aquest fet. Ja notava certa impaciència per part de lectors i lectores del bloc (llegeixi amb entonació irònica aquesta última frase).  A causa de l’stress polític d’aquestes setmanes, de les fotos que tinc amb el pequeño Nicolás i del temps que he hagut d’invertir esborrant dades del Cloud no fos cas que em vinculessin amb algun dels fills Pujol encara no havia trobat temps per escriure. Sort que amb la black card de Bankia podia desfogar-me en els moments de depressió.

Bé, els Nobel d’enguany han tingut el tractament informatiu de sempre. Els no-mediàtics (física i química) i meritoris no han passat de la típica mitja columna en premsa sense foto; els que estan una mica de moda des de fa uns anys (economia i medicina) els hi han posat foto i tot, ja se sap que la medicina és molt important i d’economia tothom n’entén; i dels mediàtics (literatura i pau) ja obrien els informatius de primera hora del matí parlant-ne i fins i tot els tertulians que saben de tot i surten a les ràdios donaven les seues apostes. Als informatius de tele aquests Nobel tenen reportatge i tot d’un minutet. Ja se sap, la literatura és cultura i la física no. I així anem en aquest país. I parlant de país i de coses delirants… en aquell diari progre i d’esquerres -ironia un altre cop- espanyol  que es fa dir El País, van confondre el premi NObel de medicina amb el de física, ja que es pensaven que fisiologia i física era el mateix. Un oletu pel periodista i per qui va revisar-ho.

Enguany els guardonats amb el NObel de Física han estat Isamu Akasaki, HIroshi Amano i Shuji Nakamura, senyors que, com deu endevinar pels seus noms no són de Sudanell, sinó que són japonesos i un… americà. Segons Nobelprize.org els han escollit “per la invenció d’eficients díodes emissors de llum blava, cosa que ha permès el desenvolupament d ela il·luminació de baix cost energètic”.  Akasaki i Amano són professors a la japonesa Nagoya University i Nakamura a la University of California.

Realment ha estat un premi estrany en el sentit que s’ha donat un premi a una cosa inventada ja fa uns vint anys quan potser hi ha descobriments recents que es mereixien més el Nobel ara com ara. Els devien de quedar a deure alguna alifara a aquestos tres senyors que han guanyat…

Els LEDs díodes emissors de llum (fixi’s que LED són les inicials de light emitting diode) foren inventats fa més de 60 anys, aquells díodes emetien llum roja, groga i verda però no hi havia manera de fabricar un LED de llum blava. El fet de poder fabricar un LED de llum blava fou fonamental en el desenvolupament del LED de llum blanca que ara, en el segle XXI ja estem tan habituats. La llum blanca d’il·luminació es produeix per combinació de tots els colors i l’alta eficiència del LED blanc ha permès crear fonts de llum amb poca despesa energètica i molta brillantor. Diuen que el LED serà el sistema d’il·luminació d’aquest segle XXI, només cal veure l’afició de la Paeria de posar-los en semàfors i en el nou enllumenat públic.

Fixi’s que, tornant al que deia en un dels primers paràgrafs, tot i que la informació sobre el NObel de Física va passar, com sempre, desapercebuda, el LED és un dels invents més comercials que existeixen. Doni un tomb per casa seua i comprovi els llums d’standby de la tele, de la Wii, de la Play, del router, del rentavaixelles, dels comandaments, dels ordinadors, del reproductor de DVD… tots són LEDs. Ui sí, la física… que avorrida i poc útil, no?

I com funciona un LED? Anem a veure si me’n surto i així aprofiten aquest escrit del bloc per un comentari de text de la prova de competències bàsiques.

Que la matèria està formada per àtoms ja fa molt temps que ens ho van explicar, igual que al voltant del nucli de l’àtom hi orbiten els electrons i aquests electrons tenen una quantitat d’energia determinada (discreta tal i com va descobrir la mecànica quàntica). Els àtoms pel món s’acostumen a unir amb altres àtoms -com fan els senyors i les senyores-  formant estructures de tal manera que els electrons aleshores deixen de pertànyer a un àtom en concret per tal de distribuir-se per tota la xarxa d’àtoms.  Les energies dels electrons deixen de ser valors discrets per distribuir-se en bandes: la banda de valència i la banda de conducció.

Els electrons de la banda de conducció són els responsables del corrent elèctric quan són sotmesos a una diferència de potencial o tensió, allò que es mesura en volts.n Segurament també li van explicar quan anava a estudi que els materials poden classificar-se en aïllants, conductors o semiconductors segons permeten o no el pas del corrent elèctric amb més o menys dificultat. En un material aïllant la banda de valència i la de conducció estan tan separades que els electrons no poden anar d’una a l’altra; en un conductor les bandes de valència i de conducció es superposen i els electrons circulen amb facilitat. Els semiconductors poden conduir el corrent elèctric o no depenent de diversos factors: temperatura, camp elèctric…

 

De semiconductors n’hi ha de dos tipus els p i els n, noms molt simples.  A grans trets, en els semicoductors del tipus p hi ha molts electrons en la banda de de conducció i pocs en la banda de valència, això fa que en aquesta banda hi quedin “forats”. En canvi, en els semiconductors n hi ha menys “forats” i més electrons. No es prengui aquest paràgraf al peu de la lletra, està molt simplificat.

 

I ja arribem al final… i tot això per a què? Doncs els LEDs resulta que estan formats per unió d’un semiconductor tipus p i un semiconductor del tipus n, se’ls connecta a una pila i així comença el moviment dels electrons. I d’aquesta manera els electrons es creuen amb els forats anteriors, salten de la banda de conducció a la de valència i quan fan això emeten llum.

 

I ja està.

No va sortir en portada de cap informatiu ni de cap diari, no, però el passat dimarts al matí i amb més d’una hora de retard, cosa una mica inusual en el caràcter escandinau, el Comitè Nobel va anunciar que els guanyadors del Premi Nobel de Física 2013 eren François Englert i Peter Higgs “pel descobriment d’un mecanisme teòric que contribueix a la comprensió de l’origen de la massa de les partícules fonamentals, el qual ha estat confirmat recentment pels experiment ATLAS i CMS en el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) del CERN”. Englert és professor emèrit a la Université Libre de Brusel·les i Higgs ho és de la University d’Edimburg.

Fou curiós com Higgs es va assabentar del seu premi a través d’una veïna ja que el Comitè Nobel no aconseguí comunicar-se amb ell via telefònica, de tal manera que de seguida va sortir la frase xistosa que “tan difícil que fou trobar el bosó i tan difícil que és trobar Higgs”. Es veu que estava de vacances descansant de telèfon i la notificació del Nobel li faran via correu electrònic. De totes formes enguany les cases d’apostes no devien fer un duro de calaix amb el Nobel de Física perquè des de que el CERN confirmava l’observació de la partícula postulada per aquestos físics tèorics eren candidats absoluts per recollir el guardó. François Englert sí que estava més localitzable, i la primera pregunta que li va fer un periodista no gaire apassionat ni per la física ni conto que per la ciència fou “I què farà vostè amb els diners?”  També he llegit aquests dies com es confonen els termes del camps de Higgs i el del bosó de Higgs i com en més d’un lloc els anunciaven com a descobridors d’aquesta partícula, ells no la van descobrir, la van postular, la partícula fou descoberta en els experiments del CERN.

Bé, tornant al fil… també cal agrair al Comitè Nobel que hagin reconegut la feina de François Englert ja que Peter Higgs s’ha quedat amb el nom mediàtic i tant Englert com Brout han quedat una mica condemnats a l’ostracisme amagats per Higgs. Robert Brout morí el 2011 i com l’acadèmia no dóna guardons a títol pòstum no ha estat mencionat però és just reconéixer que fou ell qui, juntament amb Englert redactà el famós paper l’any 1964 en el qual es postulava l’existència d’aquesta partícula. En aquestos enllaços hi ha els històrics documents que vostè pot llegir de manera gratuïta (la ciència és així): “Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons” de Brout & Englert i “Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons” de Peter Higgs. Ah! I una altra curiositat que va explicar Englert, tot i que feia 50 anys que estaven treballant junts, Higgs i Englert no es van conéixer personalment fins que van trobar-se al CERN el 4 de juliol de 2012. Bestial!

Ja vaig escriure en el seu dia uns articles sobre el descobriment del famós bosó de Higgs i que a continuació enllaçaré perque el lector (o lectora) pugui fruir-ne… o no. El primer apunt és del dia 4 de juliol de 2012, dia en què el CERN va comunicar en directe i mitjançant la presentació de resultats (en Comic Sans!) via streaming (la vaig seguir al complert), que alguna cosa va descobrir “We have it!”. L’altre article és del 17 de març de 2013 quan el CERN reconeixia oficialment que aquella cosa que havia trobat era un bosó de Higgs “El CERN ha reconegut oficialment que s’ha descobert un bosó de HIggs”.I per acabar, com en la ciència també hi ha sentit de l’humor, una divertida paròdia de la cançó “Rolling in the deep” d’Adele que porta per títol “Rolling in the Higgs”:

[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=VtItBX1l1VY[/youtube]

 

Tot i que amb uns dies de retard m’agradaria fer un petit homenatge a Maria Goeppert-Mayer, una de les senyores més importants en el desenvolupament de la física nuclear. Goeppert-Mayer és una desconeguda suposo que a causa del màrqueting relacionat amb Marie Curie i en menor mesura amb Lisa Meitner. I no sé si tota aquella colla de fanàtics antinuclears tenen una part de culpa també en l’abandó de l’estudi d’aquesta part de la física de cara al públic general. Si parlar de ciència ja no ven gaire, l’editor dels llibres d’Stephen Hawking afirma que per cada equació que s’inclou en un llibre les vendes es redueixen a la meitat, imagini’s el que és parlar de física nuclear intentant que els teus contertulis no et vegin com una espécie d’ésser exterminador.

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!