A menos que tengáis niños, posiblemente no conozcáis la serie Dora la Exploradora. Se trata de una serie de dibujos, para público muy (pero muy) infantil, con tintes didácticos, y una mecánica repetitiva: Dora y el mono Botas deben ir a algún sitio para ayudar a alguien, usan su mapa (que canta una monótona canción: 'soy el mapa, el mapa, el mapa...') que les indica que deben pasar por tres lugares (que repiten varias veces), por el camino se encuentran con obstáculos que deben superar con cosas que hay en su mochila (que también canta su monónota canción, 'Moooochila, moooooochila'), se encuentran con el zorro Swiper que intenta robarles pero auyentan repitiendo varias veces 'Swiper, no robes', y finalmente llegan a su destino (donde también cantan una monónota canción: 'Lo hicimos, lo hicimos, lo hicimos...').
Antes de que digáis «¿Qué más da la mala ciencia que pueda haber aquí? Es una serie de dibujos para niños pequeños», os responderé que precisamente por eso es importante. La serie pretende ser didáctica, y los niños son esponjas de conocimientos, aunque estén equivocados. Así que vayamos al grano. En un episodio, Dora y Botas tienen que ir a otro planeta, y el mapa les indica el camino. El primer sitio por el que deben pasar es la Vía Láctea, que aparece en el mapa como una pequeña galaxia espiral. Así, Dora y Botas despegan en un cohete, y se alejan de la Tierra, poniendo rumbo a esa galaxia que brilla en el cielo. El problema es que la Vía Láctea es nuestra galaxia. La Tierra (y todo nuestro sistema solar) está dentro de ella. Y ciertamente, desde la Tierra no la podemos ver como si estuviéramos fuera de ella.
Desde nuestro planeta podemos ver parte de nuestra propia galaxia. En una noche clara, lejos de las luces de ciudad, podemos distinguir claramente una banda brillante e irregular, que atraviesa el cielo. De hecho, el nombre de Vía Láctea proviene de esa franja de cielo. En la mitología griega, Zeus tenía la mala costumbre de ser infiel a su esposa Hera y liarse con mujeres mortales. Fruto de una de estas infidelidades, nació Heracles (Hércules). Hera, enfurecida rechazó al niño, pero Zeus aprovechó una ocasión que Hera dormía, para ponerle al bebé en el pecho. Cuando Hera despertó y vio al niño mamando, lo apartó, dejando un reguero de leche en el cielo. Los griegos identificaron esa banda brillante del cielo con la leche derramada de Hera. Precisamente, la palabra «galaxia» proviene del griego y significa «lacteo»
El término Vía Láctea se refiere a dos cosas: por un lado, es el nombre de esa banda luminosa del cielo que he mencionado (y que en España también llamamos «Camino de Santiago»), y por otro, es el nombre de nuestra galaxia. Y en el fondo, resulta ser lo mismo. La luminosidad de la Vía Láctea (la banda en el cielo) es debida a la gran cantidad de estrellas que hay en ella. Y hay tantas estrellas porque esa banda corresponde al plano galáctico. Nuestra galaxia es una espiral barrada (una espiral cuyo centro es alargado, como una barra), y como muchas galaxias, tiene las proporciones de un disco. El diámetro de nuestra galaxia es de unos 100.000 años luz, mientras que su grosor es de tan sólo 1.000 años luz (aproximadamente). Cuando miramos la Vía Láctea, estamos viendo parte de nuestra propia galaxia «de canto».
«¿Y no puede ser que en la serie, cuando dijeron Vía Láctea, se refirieran a la banda del cielo, y no a la galaxia?». Pues no lo parece, ya que en todo momento nos mostraban una galaxia completa. De hecho, en una de las escenas, Dora y Botas, aún en la Tierra, miraban al cielo para ver la Vía Láctea, y se mostraba una pequeña galaxia en espiral. Y como podéis ver en las fotos que en puesto, la vista es bastante diferente.
La empresa de productos de limpieza “The Fairbank Corporation” se despachaba con este anuncio de jabones en EEUU. No he podido localizar la fecha pero tengo claro que la esclavitud ya estaba abolida.
¿Por qué tu mamá no te lava con jabón Fairy (de hadas)? Aunque la compañía pueda defenderse alegando que se trata de jabón para la ropa (¿?), creo que no han estado muy “brillantes”.
Anuncio racista de jabón escrito por Javier Sanz en: Historias de la Historia
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El examen más robusto hasta la fecha de los vínculos genéticos de nuestra especie con la “Eva mitocondrial” – el ancestro materno de todos los humanos vivos – confirma que vivió hace unos 200 000 años. El estudio de la Universidad de Rice se basó en una comparación alineada de 10 modelos genéticos humanos cada uno orientado a determinar cuándo vivió Eva, usando un conjunto distinto de suposiciones sobre la forma en que migraron los humanos y se expandieron por la Tierra.
La investigación está disponible on-line en la reivsta Theoretical Population Biology.
“Nuestros hallazgos subrayan la importancia de tener en cuenta la naturaleza aleatoria de procesos en las poblaciones como crecimiento y extinción”, dice el coautor del estudio Marek Kimmel, profesor de estadística en Rice. “Los modelos deterministas clásicos, incluyendo varios que se han aplicado anteriormente al datado de la Eva mitocondrial, no tienen en cuenta completamente estos procesos aleatorios”.
La búsqueda de la Eva mitocondrial (mtEve) es un ejemplo de la forma en que los científicos estudian el pasado genético para aprender más sobre la mutación, selección y otros procesos genéticos que desempeñan un papel clave en las enfermedades.
“Por esto es por lo que estamos interesados en patrones de variabilidad genética en general”, dice Kimmel. “Son muy importantes para la medicina”.
Por ejemplo, la forma en que los científicos intentan describir la fecha de la mtEve depende de las técnicas genéticas modernas. Se comparan los perfiles genéticos de donantes de sangre aleatorios, y basándose en la semejanza y diferencias entre los genes particulares, los científicos pueden asignarles un número que describe el grado en el cual dos donantes se relacionan con otro.
Usar genomas mitocondriales para evaluar el parentesco es una forma que tienen los científicos para simplificar la tarea de encontrar ancestros comunes que vivieron hace muchos tiempo. Esto es debido a que todo el genoma humano contiene más de 20 000 genes, y comparar las diferencias entre tantos genes para parientes lejanos es problemáticos, incluso con los supercomputadores más grandes y rápidos de la actualidad.
Pero las mitocondrias – los diminutos orgánulos que sirven como fábricas de energía dentro de las células humanas – tienen su propio genoma. Además de contener 37 genes que raramente cambian, contienen una región “hipervariable”, la cual cambia lo bastante rápido para proporcionar un reloj molecular calibrado en tiempos comparables a la edad de la humanidad moderna. Debido a que el genoma mitocondrial de cada persona se hereda de la madre, todos los linajes mitocondriales son maternos.
Para deducir la edad de la mtEve, los científicos deben convertir las medidas de parentesco entre donantes de sangre en una medida de tiempo.
“Tienes que traducir las diferencias entre secuencias de genes a cómo han evolucionado con el tiempo”, dice el coautor Krzysztof Cyran, vicepresidente del Instituto de Informática en la Universidad Silesian de Technology en Gliwice, Polonia. “Y cómo evolucionaron en el tiempo depende del modelo de evolución que uses. Por tanto, por ejemplo, ¿cuál es el ritmo de mutación genética, y este ritmo de cambio es uniforme en el tiempo? Y, ¿qué hay del proceso de pérdida aleatoria de variantes genéticas, lo que se conoce como deriva genética?”
En cada modelo, las respuestas a estas cuestiones toman la forma de coeficientes – constantes numéricas que se incluyen en las ecuaciones y que dan una respuesta a cuándo vivió la mtEve.
Cada modelo tiene sus propias suposiciones, y cada suposición tiene implicaciones matemáticas. Para complicar las cosas aún más, algunas de las suposiciones no son válidas para poblaciones humanas. Por ejemplo, algunos modelos asumen que el tamaño de la población nunca cambia. Esto no es cierto para los humanos, cuya población ha crecido exponencialmente durante al menos los últimos miles de generaciones. Otros modelos suponen una mezcla perfecta de genes, lo que significa que dos humanos cualquiera del mundo tendrían una probabilidad igual de producir descendencia.
Cyran dijo que los modelos genéticos humanos se han hecho más complejos en el último par de décadas, conforme los teóricos han intentado corregir las suposiciones incorrectas. Pero algunas de las correcciones – como añadir procesos de ramificación que intentan captar la dinámica del crecimiento de la población en las migraciones humanas iniciales – son extremadamente complejas. Los cual genera la cuestión de si unos modelos menos complejos podrían funcionar igual de bien al captar lo que sucedió.
“Queríamos ver cómo de sensibles eran las estimaciones a las suposiciones de los modelos”, dice Kimmel. “Encontramos que todos los modelos que tuvieron en cuenta un tamaño aleatorio de la población – tal como procesos distintos de ramificación – daban estimaciones similares. Esto es alentador, debido a que demuestra que refinar las suposiciones del modelo, más allá de cierto punto, puede no ser importante para el marco general”.
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Una teoría es tanto más grandiosa cuanto mayor es la sencillez de sus premisas (…) De aquí la profunda impresión que produjo en mi la Termodinámica. Es la única teoría universal que (…) estoy convencido que jamás será desechada.
Albert Einstein
Dicho tal cual puede sonar muy atrevido, incluso para el bueno del profesor Einstein. Él mismo hizo algunas contribuciones muy importantes a la Termodinámica y a la teoría cinética. Y su fascinación por la sencillez influyó notablemente en que toda la relatividad especial se construya partiendo de dos hipótesis. Pero no hemos venido aquí a hablar de relatividad.
Quien más, quien menos ha oído hablar alguna vez de las leyes de la termodinámica. Son cuatro en total, aunque dos son las más importantes y las otras dos tratan de aclarar algunos aspectos concretos de la teoría. Podemos enunciarlas, simplificando un poco, de la siguiente manera:
La razón de definir el segundo principio de distintas maneras es porque clásicamente se estudiaba la Termodinámica a partir de las máquinas térmicas, que no son más que distintos procesos en los cuales mediante transferencia de calor el sistema desarrolla una cierta cantidad de trabajo. También existen el principio cero, que define la manera en que se debe hacer una escala de temperatura y el principio tres que establece que el cero de entropía se encuentra en el cero absoluto de temperatura. Pero dado que se trata de definiciones su importancia es menor a la del principio uno y el principio dos.
Repercusiones del primer principio de la termodinámica.
Como dijimos en un principio, a Einstein le fascinó la termodinámica porque sus sencillas premisas influían en un montón de cosas. Y es que, por más que uno se empeñe, no puede escapar de ellos.
El primer principio es algo que nos metieron a fuego en la escuela y que muchas veces se recita sin otorgarle la importancia que merece. La ley de conservación de la energía es fundamental para entender casi cualquier interacción que sucede en nuestro universo. Y es que el saldo de energía es inapelable: al final debe irse lo comido por lo servido. Incluso a nivel cuántico, donde el principio de incertidumbre permite hacer trampas como robarle una cierta cantidad de energía al vacío, al final alguien tiene que devolver esa energía o pagar la deuda.
Gracias a esta pequeña trampa existen las partículas virtuales: unas partículas que nacen de la nada y que mueren cuando se cumple el plazo de entrega: cuanta más energía robes, menos tiempo puede vivir. A menos que otro pringao salde esa deuda. Si ese pardillo es un agujero negro, y resulta que muy cerquita de él se crea un par de partícula-antipartícula virtuales y el agujero negro se come una de ellas, como la otra ya no puede devolver la deuda el agujero negro pierde masa para saldarla. Y es que la conservación de la energía es peor que Hacienda. Es imposible escapar de ella. Al final, el balance se cumple siempre.
Entrar en por qué ocurre esto es casi una cuestión epistemológica. Es decir, existen leyes físicas en otros campos diferentes que preciden que si se cumplen ciertas condiciones entonces las magnitudes se conservan. Y esto es de gran utilidad porque a veces la complejidad del problema puede ser muy grande pero al menos sabes que el balance inicial debe ser igual al balance final.
¿Qué pasaría si no se conservara la energía?
Si existiera algún sumidero de energía, de modo que la energía desaparece netamente y no se incorpora “nueva energía” entonces sería de esperar que el universo paulatinamente fuera decayendo a un estado de energía cero. Sería como si el universo fuera una piscina inmensa donde podemos usar el agua para lo que queramos siempre que no salpiquemos fuera de la piscina. Si alguien coje y abre el tapón del desagüe nos quedamos y sin agua, entonces no podríamos chapotear ni jugar water-polo e, incluso, si hubiera pececillos morirían en el fondo los pobres. Todo sería demasiado aburrido. El universo se extinguiría sin algo que aportase energía.
Aquí podríamos acudir al llamado “principio antrópico” que tanto le gusta mencionar al profesor Stephen Hawking que viene a decir que las cosas que vemos son como son porque si fueran distintas no estaríamos aquí para verlo. Si existiera ese tapón que tapa ese desague ya no estaríamos aquí ni para escribir este post ni para leerlo. Así que este principio nos induce a pensar que tal desague no existe o al menos, nadie ha encontrado la manera de quitar el tapón. Y mientras tanto podemos seguir chapoteando inocentemente en las aguas ficticias de nuestro universo.
Inmediatamente nos damos cuenta de que el caso contrario también sería un desastre. Si en vez de un sumidero existieran fuentes de energía entonces todo se iría calentando más y más sin parar y obviamente tampoco tendríamos la oportunidad de cuestionarnos por qué suceden las cosas.
Así que al menos de forma coloquial podemos ver que la conservación de la energía es algo razonable, al menos para que las cosas funcionen como tienen que funcionar.
Repercusiones del segundo principio de la termodinámica.
El segundo principio es más sutil y requiere la definición de una importante magnitud termodinámica: la entropía. La entropía es una magnitud termodinámica y estadística que nos dice cuan desordenado está nuestro sistema. Cuanto mayor es la entropía mayor es el desorden y viceversa. Ahora bien, ¿quién define lo que está ordenado y lo que no? Bueno, si dijeramos que es la entropía tendríamos una definición tautológica y por tanto poco útil: la pescadilla que se muerde la cola.
La entropía permite saber hacia qué estado evolucionará el sistema. Porque los procesos espontáneos (irreversibles) son aquellos que aumentan la entropía del universo. ¿Qué es el universo en el contexto termodinámico? Podemos decir que el universo es lo que rodea a nuestro sistema. Por tanto, el sistema aumentará la entropía de forma espontánea.
Esto permite por ejemplo establecer en qué sentido transcurre un proceso. Para poder saber si estamos viendo el proceso en el orden temporal correcto o estamos viendo un video apretando el botón de rebobinar. Sabremos cual es el sentido al que evoluciona, el futuro, cuando la entropía del universo crece.
Gracias al (o por culpa del) segundo principio sabemos que lo esperable cuando una copa está al borde de la mesa y se cae al suelo es que se rompa en pedazos y estos pedazos se esparzan de forma más o menos aleatoria. O que cuando sacamos la comida del horno, que ésta se enfríe. O que para que la nevera funcione y podamos enfriar los alimentos tengamos que enchufarla a la corriente eléctrica, haciendo un aporte de energía al sistema para que éste se la robe a lo que hay en el interior.
¿Qué pasa si no se cumple el segundo principio de la termodinámica?
Bien, pues para empezar que ya no podemos saber en qué orden suceden las cosas o discriminar si un proceso es o no posible. En este universo donde no se cumple el segundo principio la copa que está en el suelo hecha pedazos puede recomponerse espontáneamente y saltar hasta el canto de la mesa. También en este universo las cosas se enfrían o se calientan sin más. Ya no tendría gracia jugar a los LEGO porque tal vez al abrir la caja se montara él solito.
Incluso las máquinas funcionarían cada vez mejor cuanto más las usamos. Nuestro motor del coche nunca se estropearía. Cada día funcionaría mejor que el anterior. Claro que también podría pasar que el coche se descompusiera entero si hay un estado más ordenado para sus piezas. Evidentemente, no todo iba a ser tan bonito e idílico en un universo díscolo que desobedezca al segundo principio.
¿Y si se equivocan los principios de la termodinámica?
Como ya se dijo anteriormente, la termodinámica clásicamente comenzó a estudiar las máquinas térmicas. Por tanto resultó útil definir como móvil perpetuo (perpetuum mobile, ppm en adelante) como aquellas máquinas que violasen alguno de los dos principios.
Hay que resaltar que que se llame móvil perpetuo no significa que cualquier máquina capaz de repetir un movimiento indefinidamente sea un móvil perpetuo.
Así, podemos distinguir al móvil perpetuo de primera especie que es aquel que viola el primer principio y al móvil perpetuo de segunda especie al que viola la segunda. Y existen muchísimos ejemplos de gente que los ha intentado construir y todos han fracasado.
Los ppm de primera especie suelen ser máquinas que buscan funcionar sin necesidad de un aporte de energía sea del origen que sea. Y la energía libre la suelen buscar con imanes que en cierto modo permitan que el movimiento se repita. ¿Cual es la trampa? Pues que para iniciar el movimiento debes aportar una energía al sistema. Si el sistema es muy eficiente la energía no se disipa muy deprisa y el sistema puede funcionar mucho tiempo sin aporte de energía externa. Por eso un péndulo simple no es un móvil perpetuo de primera especie, porque hay que desplazarlo de la posición de equilibrio para que oscile y a partir de entonces usará la energía que tiene. Pero no crea energía.
Ejemplos de móvil perpetuo puede haber muchos. En la Wiki en inglés existe una entrada Historia de los móviles perpetuos donde hacen un registro exhaustivo de ellos.
Los móviles perpetuos de segunda especie son algo más sutiles porque son más complicados de imaginar. Existen algunos experimentos mentales muy interesantes como es el diablillo o demonio de Maxwell que pretenden violar el segundo principio.
Supongamos un recipiente con una membrana que separa dos lados diferentes y en esta membrana hay una puerta que está vigilada por el diablillo de Maxwell. Este personaje abre la puerta cuando ve que las partículas del gas que van a golpear la puerta tienen una cierta velocidad. Y si ve que son muy lentas, no la abre. ¿Qué ocurre con el paso del tiempo? Que en el lado original habrá partículas más lentas que en el lado al que ha ido dejando pasar el diablillo.
Si analizamos el sistema macroscópicamente, tenemos un gas a una cierta temperatura y al otro lado está el vacío. Al cabo del tiempo tenemos dos gases, uno más caliente que el otro. Si para más inri el lado del gas caliente actúa de foco térmico de una máquina, entonces estamos creando un móvil perpetuo al sacar energía útil para realizar trabajo de donde no la hay.
¿Cual es la trampa? Que el diablillo, si existe, consume energía para decidir cual es la partícula rápida y cual no lo es.
Como vemos, parece imposible escapar a los designios de estos dos principios sin que el universo se vuelva loco por completo. Por ese motivo a Einstein tal vez le fascinara tanto la Termodinámica y sin duda, por eso Homer Simpson reprende a Lisa cuando fabrica un móvil perpetuo con la mítica frase:
¡Lisa, en esta casa se obedecen las leyes de la Termodinámica!
Lee de Forest | Fuente imagen Info Society.
Ayer, leyendo Gizmodo, llegué a la historia de Lee de Forest, el ingeniero estadounidense que inició inadvertidamente la era dorada de la electrónica.
Pero antes de hablaros de él, justo es recordar los nombres de otros que le precedieron, pioneros tan importantes como Thomas Alva Edison, que en 1880 descubrió que cuando añadía a una de sus lámparas incandescentes de vacío (o bombilla) un segundo filamento con carga positiva (llamado placa), se originaba una corriente eléctrica estable que iba en una única dirección desde el filamento incandescente (o cátodo) hacia el cargado positivamente (o ánodo).
Edison no entendió para qué podría servir aquello, pero previsor como era, decidió patentarlo y llamó a aquella curiosidad “efecto Edison“.
Décadas más tarde, en 1904, un británico llamado John Ambrose Fleming descubrió, que el efecto Edison podía emplearse para pasar de corriente alterna a contínua (proceso conocido como rectificación). Para ello construyó la primera válvula de vacío (o diodo) y se dio cuenta, de que su dispositivo podía ser justamente lo que Marconi andaba buscando para detectar ondas de radio a mayores distancias. La válvula diodo fue el primer detector y rectificador electrónico de ondas de radio de alta frecuencia que existió. Su inventor la denominó “válvula termoiónica” (también conocido como “tubo electrónico”) y al calentarse permitía circular la corriente eléctrica únicamente en una sola dirección.
Triodo de Forest. | Fuente imagen: Wikipedia.
Poco después llegó el gran momento de Forest, un ingeniero de Yale que se pasó una década peleándose con la tecnología de radio y telegrafía tratando de encontrar su hueco en la historia. Lo logró en 1906 cuando tuvo la ocurrencia de tomar un tubo electrónico dipolo como el creado por Fleming y añadir entre el filamento incandescente y la placa, un tercer elemento al que llamó rejilla (convirtiendo de este modo al diodo en triodo) … solo para ver qué pasaba.
Sorprendido, descubrió que bastaba aplicar una pequeña carga a su recién añadida rejilla para aumentar la potencia de la corriente que fluía desde el cátodo hasta el ánodo. En su solicitud de patente, de Forest comentó que su invención (a la que llamó Audión) podría adaptarse para “amplificar corrientes eléctricas débiles“.
Acababa de inventar el amplificador.
Aquello supuso una revolución porque el audión no solo servía para amplificar señales eléctricas, sino que también podía amplificar transmisiones de audio, y además servía para enviar y recibir ondas de radio. Hasta aquel momento, el uso de los aparatos de radio no habían experimentado un verdadero boom ya que las señales se desvanecían muy rápidamente con la distancia. Su triodo se convirtió en un componente revolucionario y fundamental en los nuevos sistemas de telefonía, y además permitió amplificar las señales de radio haciendo que, mediante estaciones repetidoras, una emisora pudiera radiar información a toda la nación.
En el preciso instante en que De Forest añadió aquel tercer filamento a la válvula de vacío, inaguraba sin saberlo la era de la electrónica.
A nosotros todo esto nos suena a chino, porque en la década de los 50 (mucho antes de que naciéramos), los tubos de vacío comenzaron a ser remplazados por unos elementos más pequeños, baratos y fiables: los transistores. Y sí, en efecto los transistores fueron los culpables de la enorme popularidad que alcanzó la electrónica en la segunda mitad del siglo XX, pero si ahora mismo puedes leer este post en tu monitor (gracias a los transistores miniaturizados que componen los circuitos integrados de tu ordenador) es sin duda alguna gracias al trabajo de pioneros como Edison, Fleming y de Forest.
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