sábado, 17 de febrero de 2018

La cuchara menguante. 18) Instrumentos de ridícula precisión


Medir el mundo le sirve a la ciencia para poderla describir en lenguaje matemático. Y a partir de aquí hemos sido capaces de hacer predicciones que pasan del papel a la realidad. Es decir, la realidad la convertimos en números, a estos les hacemos un conjuro (que anteriomente ha pasado por el método científico) en forma de matemáticas y obtenemos la magia de una predicción. Probadamente mejor que cualquier otro método de vaticinio que hayamos probado. Pero para ello es muy necesario traducir la realidad a números, y mejor que estos sean lo más exactos posible.

Aquí entra el arte de la medición, los estándares internacionales y la exactitud de estos. Y este es el tema al que nos introduce el autor en este capítulo.

La capacidad para realizar mediciones cada vez más finas, a partir de fragmentos cada vez menores de información, es fundamental para el progreso en muchos campos científicos.

Un objetivo al que se quiere llegar es que toda unidad se defina de forma que un científico pueda enviar por correo electrónico la definición a otro colega en otro continente, y que éste pueda reproducir algo con esas dimensiones exactas, a partir únicamente de la descripción incluida en el mensaje.

Por ejemplo, la unidad de longitud que llamamos metro se ha definido como la distancia que recorre cualquier luz en el vacío en 1/299.792.458 de segundo. Y la unidad de tiempo, el segundo, se basa en los relojes atómicos de cesio que (en cada segundo) cuentan las 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del cesio.

Pero este tipo de definiciones no se ha conseguido hacer con el kilogramo que aún se basa en una muestra en la que se comparan todos los prototipos del kilogramo del mundo y se hacen copias basándose en ella.

La oficina de estándares francesa Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) actúa como oficina de estándares de las oficinas de estándares. Y es en ella dónde se cuida y mantiene el Prototipo Internacional del Kilogramo. Que se trata de un cilindro de cinco centímetros de ancho hecho de platino (90%) e iridio, y tiene una masa de exactamente 1,000000... kilogramos.

La densidad del platino hace que se minimice la superficie expuesta al polvo, su dureza mitiga la probabilidad de una mella en él y al ser un buen conductor de la electricidad reduce la acumulación de electricidad estática «parásita» que pudiera acabar con algunos átomos.

Personalmente, “la precisión” en las medidas no me parece “ridícula” (tal como se indica en el título del capítulo), pero las condiciones de custodia y mantenimiento del estándar de peso (sobre todo, tal y como lo narra el autor) sí que me ha parecido que se adecúa más el adjetivo “ridículo”, por las situaciones a las que se ven abocados y el calvario que supone para sus responsables.

Prototipo del kilogramo
Pero a pesar de todos los esfuerzos por no alterar el estándar del BIPM, durante las últimas décadas el kilogramo está encogiendo de forma misteriosa, medio microgramo por año, y nadie sabe por qué.

Los valores numéricos de constantes como la carga del electrón, la fuerza de la gravedad o la velocidad de la luz cambian según la unidad de medida, pero las constantes fundamentales no lo hacen, pues no dependen de estas. Una importante constante adimensional es la de la estructura fina (a la que llamaremos alfa), que está relacionada con la división fina de los electrones, y es la que controla la fuerza con la que los electrones negativos están unidos al núcleo positivo. También determina la fuerza de algunos procesos nucleares. Pero su importancia vital está en que si hubiera sido ligeramente menor justo después del Big Bang, la fusión nuclear en las estrellas nunca habría llegado a ser lo bastante caliente para sintetizar el carbono. Y al contrario, si alfa hubiera sido ligeramente mayor, los átomos de carbono se habrían desintegrado hace muchísimo tiempo, mucho antes de llegar a formar parte de nosotros.

A principios del siglo XX el astrónomo inglés Arthur Eddington comenzó a confeccionar pruebas de que alfa era exactamente 1/136, pero más tarde se reveló que alfa era más cercano a 1/137, aunque en la actualidad alfa es igual a 1/137,0359, más o menos.

Alfa permite que los átomos existan y además les permite que reaccionen con el vigor suficiente para formar compuestos, pues los electrones ni vuelan demasiado libres de su núcleo, ni se pegan a éste con demasiada fuerza. Este balance en su justo punto ha llevado a muchos científicos a la conclusión de que el universo no puede haber dado con su constante de estructura fina por accidente.

En 1976 un científico soviético (hoy americano) llamado Alexander Shlyakhter declaró que alfa estaba aumentando. Esta afirmación la deducía por las investigaciones que realizó en un lugar de África llamado Oklo (Gabón) donde existe el único reactor de fisión nuclear natural que se conoce. Se puso en marcha hace unos 1.700 millones de años y es impulsado solo por uranio, agua y algas.

Las algas de un río cercano a Oklo producían un exceso de oxígeno tras realizar la fotosíntesis. El oxígeno volvía el agua tan ácida que mientras se infiltraba en la tierra por el suelo poroso, iba disolviendo el uranio de la roca madre. Todo el uranio tenía entonces una concentración mayor del isótopo que se usa en las bombas atómicas, el uranio-235; un 3 por ciento en comparación con un 0,7 por ciento en la actualidad. Así que el agua ya era volátil, y cuando las algas bajo el suelo filtraron el agua, el uranio quedó concentrado en un lugar, alcanzando así una masa crítica.  Cuando el uranio puro se fisiona, sus átomos disparan neutrones «rápidos» que rebotan en los vecinos como las piedras planas rebotan en el agua. Ésos son los que no valen, los neutrones desperdiciados. El uranio de Oklo inició una reacción nuclear sólo porque el agua del río frenó los neutrones lo bastante para que los núcleos vecinos los pillaran. Sin el agua, la reacción nunca hubiera comenzado. La fisión también produce calor. Y la razón de que no haya un cráter mayor en África en la actualidad es que cuando el uranio se calentó, hizo hervir el agua hasta evaporarla. Sin agua, los neutrones se tornaron demasiado rápidos para poder absorberlos, y el proceso se paró. Sólo cuando el uranio se enfrió pudo entrar de nuevo el agua, y el reactor volvió a entrar en funcionamiento.

Por lo que Oklo es un reactor de fisión nuclear que se autorregula, y que ha consumido unos 6.0 kilogramos de uranio a lo largo de más de 150.000 años en dieciséis lugares alrededor de Oklo, en ciclos de encendido y apagado de 150 minutos.

(Aquí se argumentan algunas objecciones sobre la posibilidad de un reactor nuclear natural)
Situación geológica en Oklo (Gabón) que desencadena reactores de fisión nuclear: 
1. Zona donde ocurrieron las reacciones de fisión 
2. Arenisca 3. Mena de uranio 4. Granito
Y cuando en 1976 Shlyakhter comparó los residuos nucleares de Oklo con los residuos modernos, encontró que se había formado demasiado poco de algunos tipos de samario. Y de allá dedució (dando un salto en el vacío) que sólo con que la constante de estructura fina hubiese sido un poco más pequeña cuando Oklo estaba en marcha, sería fácil explicar las discrepancias. Pero los cambios medidos son tan pequeños, y el registro geológico tan fragmentario después de 1.700 millones de años que esto no puede ser prueba suficiente para afirmar que alfa haya cambiado.

No obstante a partir de ese momento el estudio de los cambios en las constantes es hoy un campo de investigación activo. De hecho, tras investigar los sistemas de estrellas llamados quásares y las nubes de polvo interestelar, algunos astrónomos australianos aseguran haber detectado los primeros indicios reales de inconstantes.

Analizando la amplitud producida por el cromo y otros elementos hace miles de millones de años cerca de un quásar y comparándola con la de átomos actuales en el laboratorio, los científicos pueden determinar si alfa ha cambiado desde entonces. Y creen que sus mediciones ultrafinas indican que alfa cambió en un 0,001 por ciento a lo largo de diez mil millones de años. Y aunque es muy poco, la magnitud es menos importante que la posibilidad de que una constante fundamental cambie.

Muchos científicos cuestionan los resultados de Australia, pero si resisten las críticas, o si algún otro de los científicos que trabajan en las constantes variables encontrara pruebas positivas, los científicos tendrían que repensar el Big Bang y la forma en que se explora el cosmos en busca de signos de vida.

Y con ello llegamos a la Paradoja de Fermi. Pues dada la cantidad enorme de estrellas y planetas que hay en cosmos, y el muchísimo tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang, el universo debería estar lleno de vida a rebosar, pero «entonces, ¿dónde están todos?» (se dice que se preguntó Fermi).

El astrofísico Frank Drake en 1961 escribió lo que hoy conocemos como la ecuación de Drake, y que se basa en una serie de conjeturas, muchas de ellas difíciles de evaluar, que pretende calcular la posibildad de vida extraterrestre y inteligente. Y es importante pues sentó los cimientos de la astrobiología.

Con las grandes mejoras recientes en telescopios y otros aparatos de medición del firmamento, los astrobiólogos pueden medir directamente indicios directos de la presencia de vida, buscando elementos como el oxígeno, el carbono o el magnesio (utilizado en la corona del centro de la clorofila o en el funcionamiento del ADN, e implica también presencia de agua líquida).

Pero toda esta búsqueda descansa sobre la suposición de que la ciencia que nos controla aquí vale para otras galaxias y otros tiempos. Pero si la alfa ha cambiado con el tiempo, la vida tal vez no pudiera existir hasta que esta se «relajara» lo bastante para permitir la formación de átomos estables de carbono, y tal vez entonces la vida surgió sin esfuerzo, sin necesidad de apelar a un creador.

Una posibilidad a la que nos lleva esto es que la vida surgió aquí, en un planeta aparentemente nada especial, porque sólo aquí se dieron las estrictas condiciones para la formación de átomos y moléculas resistentes. Esto resolvería la paradoja de Fermi de un solo golpe: nadie ha llamado a nuestra puerta porque no hay nadie.

Pero los indicios actuales no apuntan a que ocupemos un lugar privilegiado en el universo, pues con el descubrimiento de miles de planetas, parece que la Tierra es un lugar muy ordinario.

Aunque el descubrimiento de vida extraterrestre (que requerirá todo el ingenio del que seamos capaces para la medición) sería el más importante de toda la historia y la prueba final de que los seres humanos no somos tan especiales… salvo porque también existimos y podemos entender y hacer esos descubrimientos.

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Y aquí están algunas propuestas para comentar, si os apetece:
  • ¿También opináis que es bochornosa la situación actual de la unidad de peso, con un prototipo del kilogramo que se encoge?
  • Algunos teólogos dicen que alfa demuestra que un creador ha «programado» el universo para que produzca moléculas y, posiblemente, vida. ¿Qué pensáis?
  • ¿Qué pensáis de la Paradoja de Fermi y la posibilidad de que realmente seamos especiales?
¡Que tengáis una feliz semana!

P.D. El siguiente párrafo del capítulo (que tiene poco o nada que ver con el resto de la temática) personalmente ha hecho ganar puntos al autor: «... la precisión que separa a las ciencias «duras» de ciencias sociales como la economía, donde los caprichos y la simple idiotez de los seres humanos hacen que las leyes universales sean imposibles.»
¿¡No os recuerda a mi recurrente argumento sobre «la estupidez humana»!? XD

9 comentarios:

  1. Buenas noches Coxi
    Buen resumen, me ha gustado mucho la introducción que has hecho para no golpearnos con los estándares a la primera. Debería tomar nota el escritor.

    Del capítulo tampoco estoy muy conforme con el tratamiento a los modelos de Sistema Internacional.
    Sí que me ha gustado conocer Oklo, muy curioso.
    También me llama la atención la constante inconstante, no la conocía.

    Voy respondiendo porque has planteado las cuestiones tan adecuadas a lo que me ha suscitado el capítulo que no tengo nada más que decir.

    1 Las unidades del SI datan de la época de la revolución francesa. Se han ido mejorando para no tener que acudir a París. Se ha buscado la reproducibilidad en laboratorios, lo del correo es un adorno aunque no queda mal. Como se trata de un cambio para toda la comunidad científica es complicado ya que debe ser necesario un consenso. El metro ha ido cambiando con el tiempo aprovechando nuevas tecnologías para reducir su incertidumbre. Con la masa no ha habido tanta suerte, todavía no se ha encontrado un sustituto. Así que, teniendo en cuenta que está mayor, no veo más problema que mientras no seamos capaces de proponer algo mejor sigamos con el cilindro. Que se desintegra, pues que hagan otro, que ya son más de 100 años los que lleva trabajando.

    2 Muchos grandes científicos han tenido claro que la religión explica las cosas a las que la ciencia no llega, hasta que llega. Una vez explicada esa cosa aparece otro reto que la religión vuelve a ser capaz de explicar antes que la ciencia.
    El que varíe la constante puede hacer que los núcleos no se formen hasta que disminuya. Eso haría variar los tiempos calculados en la evolución del universo, incluso cambiar algo el inicio, pero no afectaría a la Tierra ya que para cuando la materia que la forma se fuese uniendo la constante ya permitiría la formación de los núcleos necesarios. Creo.

    3 La diferencia entre que no exista vida y que esté tan lejos que no nos podamos detectar es la clave. Suponiendo que los otros llegan a mandar o detectar señales. Vida no significa semejanza a los humanos.

    P.D. Totalmente

    Provechosa semana a todos

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    1. ¡Hola Santos!

      Lo de Oklo es impresionante, sí.

      Reconozco que eso del correo me ha gustado. Y sí, a este paso tendrán que hacer otros prototipos del peso.

      La religión insiste en basarse en la fe, y no contempla que (simplemente) no seamos capaces de dar respuestas a todo. Pues es muy fácil contestar a cualquier pregunta con “son los designios de Dios”, pero ya se han visto tantas respuestas alternativas a esta cuando se estudia el Cosmos que no deberían extrañarse que a muchos ya no nos sirve eso de “son los designios de Dios”, y que preferimos un “lo desconocemos”.

      Sí, estoy contigo en que para nosotros es indistinguible el que la vida esté demasiado lejos como para detectarla o el que no exista. Pero la respuesta correcta creo es que desconocemos si realmente estamos solos o no.

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  2. Hola Coxi. (Porque lo dijo Santos, que yo pensaría que era JC).
    Hemos coicidido en algunos pensamientos. También he pensado enseguida en las matemáticas. He visto a Platón saliendo de la caverna con ellas. Y el método resolutivo-compositivo o analítico-sintético, que es medieval, anterior a Galileo o Descartes. Supongo que la novedad de la ciencia moderna es, sobre todo, la unión de física y matemáticas. Y veo que la importancia de la medida está en la capacidad de convertir los objetos en magnitudes y de reunirlas en ecuaciones. Lo que no veo es la necesidad de los patrones de medida, habiendo odómetros y aplicaciones en el móvil. Ni la preocupación por variables y constantes, si las verdaderas constantes son las F=ma y todas las leyes naturales, por definición. Y otra cosa del autor es su cosa con la teología, como si fuera un evolucionista peleando con un creacionista. Primero, los primeros científicos modernos fueron medievales, como Ockham; la sensación de no ser privilegiados del astrónomo Galileo tiene su origen en el concepto de creación, precisamente, porque de él nace la contingencia. Y no es posible deducir la vida de un baile de alfa en vez de Dios, porque la creación no es una magnitud, como la vida tampoco, sino la dación del ser, y vida y ser no son medibles, y tampoco la voluntad (no tengo mucha para dejar de fumar, pero mucha aquí es ninguna). Voy a contestar.
    1) Aún no he visto una aplicación para el peso. Sí es ridículo ese kilo en 3 vitrinas. Parece una pieza de museo.
    2) Pienso que los teólogos tienen misterios más interesantes que alfa. Es que alfa no me llama, no me dice nada, probablemente porque el autor no ha explicado lo bastante esa constante.
    3) Nunca pensé que hubiera ETs fuera de las películas, sino que la NASA y sus subcontratas necesitaban una excusa para sus gastos. Aplico el si no lo veo, no lo creo. Pero no estoy con Santos en que pueda haber otro tipo de vida (sorry). Me llevo chascos cada vez que descubren agua en Marte o en algún rincón, y no hay vida alguna. Es que tampoco pasa nada. Si aparece vida en cualquier sitio, qué más da. En Galicia tenemos mucha. Sobre todo los fines de semana.
    P.D. Es muy frecuente que los científicos se metan con psicólogos o economistas por inexactos. Pero por qué no lo hacen con los historiadores. Porque saben que cuentan las cosas que pasan, también en la ciencia, y que hay más cosas en el cielo y en la tierra de la

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    1. S que sueña nuestra filosofía.
      Perdón por el rollo y muchas gracias por la conversación.

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    2. Hola Ramiro,
      XD Pues tampoco soy Coxi, Santos se ha olvidado la "n" de mi nombre. Pero encantada de que te pases por aquí.

      La filosofía siempre me ha encantado, por lo que pensar en sus términos siempre me va bien.

      Sobre la necesidad de patrones de medida, supongo que es un tema de precisión. Y aunque no he trabajado con odómetros (pero más o menos sé lo que son), tengo la intuición de que no serán muy precisos.

      Sobre el kilo, es una pieza de museo pero al que le dan mucha utilidad XD.

      Cuando pienso en la posibilidad de que no haya más vida en el universo, me entra un escalofrío. El Cosmos es tan inmensamente enorme que sería extrañísimo que fuéramos tan especiales, pero aún así la posibilidad existe, pues lo que dices de que "si no lo veo, no lo creo" es lo primero que debe hacer un científico. Para afirmar que hay más vida, además de la nuestra, debe demostrarse. Y no nos puede servir lo que acabo de decir de que sería extrañísimo.

      Saludos,

      Conxi

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    3. Perdona Conxi

      Se ve que me pilló con hambre.

      Ramiro, no dirás que no te lo ponemos fácil para aprenderte nuestros nombres

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  3. ¡Hola Conxi!

    Muchas gracias por el resumen. Aquí nuestro amigo vuelve a tocar tantos temas tan variados que es necesario ponerlos todos juntos de manera breve.

    Estoy de acuerdo con Santos en que me ha gustado la parte de Oklo, aunque sí conocía la historia un poco.

    El tema de los prototipos de unidades de medida es complicado y por mucho que se avance en algunas de ellas para no depender de prototipos físicos creo que hay dos problemas. El primero es el tema del kilogramo que es difícil de definir y el segundo que los anglosajones sigan empeñados en usar sus medidas... Así no avanzamos ;o))

    En realidad, no es solo con alfa, sino con todas las constantes. Yo creo que si la teoría del universo inflacionario llegara a ser correcta del todo (parecía que sí, pero a veces parece que no) y explicara los "universos paralelos", entendidos en el marco del modelo inflacionario, no habría problema con los teólogos porque quedaría claro que los valores que tienen son debidos a la probabilidad (ya queda claro con lo que sabemos ahora, pero así se callarían). En cualquier caso esto me recuerda al chiste que me contaban de pequeño:
    - Padre, por qué se mete usted en los charcos.
    - Por meterme en todo...

    La paradoja de Fermi me fascina, pero yo tampoco puedo dar una respuesta satisfactoria!

    ¡Buena semana!

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    1. ¡Hola Jorge! (gracias por poner bien mi nombre ;D).

      Me gusta tu estilo de hacer callar a los teólogos XD. Aunque, como en el chiste, no dejarán de meterse en todo por mucho que lo intentemos.

      La paradoja de Fermi no tiene respuesta (aún). Es uno de los tantos temas que debemos tener en suspenso, pues no tenemos indicios de nada. Que nos parezca improbable que estemos solos, no lo hace imposible. Por lo que no podemos diferir nada. Ni que hay vida y está muy lejos (como dice Santos), ni que no la hay porque no la hemos detectado (porque nuestra búsqueda ha sido insignificante en comparación a lo que es el universo).

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  4. Por fin llego y comento, hola para todos.

    Lo primero: Conxi, gracias por el resumen. Terminé hace unos días de leerme el capítulo y leer tu resumen me ha encantado (me centra y me recuerda lo leído).

    Lo segundo, darle caña al autor. No me ha gustado nada como trata el tema de las unidades patrón, creo que le falta al respeto a mucha gente y además creo que no es justo porque en Ciencia buscamos la máxima precisión. Que algo nos parezca ridículo hoy quizás en otro momento no lo fue, las cosas van cambiando (progresamos) y criticas los cimientos (el pasado) no es la mejor manera de ensalzar el presente. Además, cuando le interesa se pone poético (el segundo astronómico), y yo comparto su opinión pero me parece bello recordar el segundo astronómico y también me parece bello que seamos capaces de mejorar la precisión.
    Añado que tampoco me gusta la frase sobre la economía (al contrarío que a Conxi). La razón, creo que el camino es intentar llegar a hacer Ciencia en la Economía (y en la Educación, dicho sea de paso), quizás será más difícil, quizás las leyes universales sean menos que en otras ciencias, quizás deban de ponerse en forma de probabilidad, quizás... pero creo que es necesario que se "cientifiquen" y el camino es apoyar dicho proceso, no negárselo.

    Por otro lado, me ha encantado la historia del reactor nuclear natural, no la conocía.

    Y ahora tus preguntas.
    1. Ya la he contestado.
    2. La gente tiene derecho a tener creencias, y además yo intento respetar aquellas que son inalcanzables con la medición (existencia de Dios, de "algo" después de la muerte...) Sobre esa constante no me pronuncio, pero lo que si que os digo es que creo que he visto un filón para hacerme rico ¡voy a embotellar agua de esa del reactor nuclear, es muy natural. está energetizada naturalmente y tiene propiedades milenarias (en realidad mucho más que milenarias)!
    3. Cuando leí Orígenes se me quedó una sensación de que somos los únicos en el Universo, pero también se me quedó la sensación de que una vez surgida la vida no le va a ser fácil al universo acabar con ella (joder como nos adaptamos). No es muy científico lo que pongo pero esas son las sensaciones que tengo (aunque reconozco que no soy capaz de visualizar las distancias y los tiempos astronómicos, por lo tanto mi razonamiento no es válido porque no tengo capacidad para realizarlo).

    Un saludo a todos

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