El experimento mental de Einstein-Bohr hecho realidad

El experimento de la doble rendija de Young, realizado con partículas con masa, se considera hoy en día como la manifestación más simple de la dualidad onda-partícula.

La cuestión de si es posible determinar a través de qué rendija pasa la partícula preservando los patrones de interferencia, ha sido objeto de apasionados debates científicos, y también filosóficos.

Según el principio de complementariedad de Bohr de la mecánica cuántica, al determinar por cuál de las rendijas pasa la partícula inevitablemente se destruiría el carácter ondulatorio y, en consecuencia, desaparecería la interferencia.

Einstein, que no estaba de acuerdo con este punto de vista, argumentó que sería posible obtener información detallada sobre la posición y el momento de la partícula haciendo uso de las leyes universalmente aceptadas de conservación de la energía y el momento.

Para demostrarlo, sugirió un experimento mental, o Gedankenexperimentent, como él los llamaba: el llamado experimento Einstein-Bohr de retroceso de la doble rendija, en el que a una de las dos ranuras en el experimento de Young se le permite moverse.

La medida de la transferencia de momento entre la partícula y la ranura que está en movimiento permitiría a uno identificar a través de qué rendija pasa la partícula en su camino hacia una pantalla. Y esto sin destruir el patrón de interferencia.

Los electrones que escapan de una molécula tras su ionización pueden experimentar, bajo ciertas condiciones, fenómenos de interferencia. (Imagen: UAM)

En un trabajo publicado recientemente en Nature Photonics, Fernando Martín, investigador teórico del departamento de Química de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en España, describe el primer ensayo del experimento mental de Einstein-Bohr utilizando una doble rendija molecular.

Durante la última década, varios trabajos han demostrado que los electrones que escapan de una molécula tras su ionización pueden experimentar, bajo ciertas condiciones, fenómenos de interferencia. Un pulso de luz podría provocar la emisión simultánea de un electrón desde ambos núcleos de la molécula (que actúan como si fueran las rendijas) en forma de onda, que al avanzar formaría el patrón de interferencia típico de un experimento de Young. En este caso, no sería posible obtener información sobre el camino que sigue el electrón desde que es emitido.

Este tipo de rendija molecular elimina la limitación que hasta ahora había existido para la comprobación del experimento mental de Einstein-Bohr, dado que la medida de la trasferencia de momento partícula-rendija no era posible con rendijas macroscópicas, dada la diferencia de peso entre el electrón y el soporte de las rendijas.

En el caso de la rendija molecular, cuando uno de los dos núcleos se desplaza respecto al otro (por ejemplo, como resultado de una disociación molecular), un observador puede medir el momento del núcleo desde el que se emite el electrón.

La respuesta a la pregunta: ¿destruiría esta medida, que proporciona información sobre el camino seguido por el electrón, los patrones de interferencia antes observados? es que, en este caso, no aparecen fenómenos de interferencia, tal y como predice la mecánica cuántica y en contra de lo que Einstein esperaba. (Fuente: Universidad Autónoma de Madrid)

La estrella errante más veloz conocida de nuestra galaxia

A menudo, las estrellas están agrupadas en galaxias y siguen órbitas alrededor del centro de las mismas. Sin embargo, algunas se desplazan tan deprisa que logran alcanzar la velocidad de escape necesaria para salir fuera de su galaxia. Otras, ya en el medio intergaláctico, puede que incluso se hayan formado ahí.

Una estrella “fugitiva” hiperveloz descubierta por el equipo internacional de Rubina Kotak y Ken Smith, del Centro de Astrofísica adscrito a la Universidad Queen’s (Queen's University) en Belfast, Irlanda del Norte, parece que ha roto el récord galáctico de velocidad, que hasta ahora ostentaba otra estrella.

La estrella errante, llamada US708, está viajando a 1.200 kilómetros por segundo, la velocidad más rápida registrada hasta ahora para un objeto de esa clase en nuestra galaxia, lo que significa que no está siendo retenida por la gravedad local y que acabará dejando la Vía Láctea.

Se piensa que US708 formó parte en el pasado de un sistema solar binario, que también incluía una estrella enana blanca masiva. Esta última probablemente se convirtió en lo que se conoce como una “supernova termonuclear”, explotando y provocando que US708 saliera catapultada a toda velocidad a través del espacio.

Recreación artística de la estrella errante alejándose de la Vía Láctea. (Foto: ESA/Hubble, NASA)

¿Primeros signos de interacción de la materia oscura consigo misma?

Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT de ESO (Chile), junto con imágenes del telescopio espacial Hubble, un equipo de astrónomos ha estudiado la colisión simultánea de cuatro galaxias en el cúmulo de galaxias Abell 3827. El equipo ha podido determinar en qué partes del interior del sistema se encuentra la masa y comparar la distribución de la materia oscura con las posiciones de las galaxias luminosas.

Aunque la materia oscura no puede verse, el equipo fue capaz de deducir su ubicación debido al efecto distorsionador que ejerce su masa en la luz de las galaxias del fondo — una técnica llamada de lentes gravitacionales. La colisión ocurrió frente a una quinta galaxia de fondo, cuya luz tuvo que viajar a través de la colisión para llegar a la Tierra. La masa del cúmulo distorsionó violentamente el espacio-tiempo, desviando la trayectoria de la luz proveniente de la lejana galaxia.

Actualmente sabemos que todas las galaxias existen dentro de cúmulos de materia oscura. Sin el efecto vinculante de la gravedad de la materia oscura, las galaxias como la Vía Láctea se disgregarían al girar. Para evitar este efecto, el 85 por ciento de la masa del universo debe ser materia oscura, y sin embargo su verdadera naturaleza sigue siendo un misterio.

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA/ESA muestra el rico cúmulo de galaxias Abell 3827. Las extrañas estructuras azules alrededor de las galaxias centrales son una galaxia distante, situada detrás del cúmulo, vista con el efecto de lente gravitacional. Las observaciones de las cuatro galaxias centrales fusionándose han proporcionado indicios de que la materia oscura que rodea a una de las galaxias no se mueve con la propia galaxia, lo cual posiblemente implica que están teniendo lugar interacciones de naturaleza desconocida en la materia oscura con otra materia oscura. (Foto: ESO)

En este estudio, los investigadores observaron las cuatro galaxias en colisión y descubrieron que un cúmulo de materia oscura parecía quedarse a la zaga de la galaxia a la que rodeaba. De hecho, actualmente la materia oscura está detrás de la galaxia, a una distancia de 5.000 años luz (50.000 millones de millones de kilómetros) — la nave espacial Voyager de la NASA tardaría 90 millones de años en llegar a ese punto tan alejado de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Se predice que, durante las colisiones, puede existir un desfase entre la materia oscura y su galaxia asociada si la materia oscura interacciona consigo misma, incluso si es muy levemente, a través de fuerzas que no sean la de la gravedad. Nunca antes se había observado materia oscura interaccionando de alguna manera que no fuera a través de la fuerza de la gravedad.

El autor principal, Richard Massey (Universidad de Durham), explica: "Solíamos pensar que la materia oscura simplemente está ahí, ocupándose de sus cosas, excepto cuando vemos su tirón gravitatorio. Pero si la materia oscura fuese frenada durante la colisión, podría ser la primera evidencia física valiosa para los que trabajan en el campo de la materia oscura — el universo escondido que nos rodea".

Los investigadores señalan que será necesario investigar otros efectos que también podrían producir ese desfase. Habrá que llevar a cabo observaciones similares de más galaxias y simulaciones por ordenador de estas colisiones de galaxias.

Liliya Williams (Universidad de Minnesota), miembro del equipo de investigación, añade: "Sabemos que la materia oscura existe debido a la forma en que interactúa gravitacionalmente, ayudando a forjar el universo, pero aún sabemos muy poco acerca de lo que es en realidad la materia oscura. Nuestra observación sugiere que la materia oscura podría interactuar con otras fuerzas que no son la de gravedad, lo que significaría que podríamos descartar algunas teorías fundamentales acerca de qué podría ser la materia oscura".

Este resultado se desprende de otros resultados recientes obtenidos por el equipo que observó 72 colisiones entre cúmulos de galaxias y descubrió que la materia oscura interacciona muy poco consigo misma. Sin embargo, el nuevo trabajo se refiere al movimiento de las galaxias individuales, más que al de los cúmulos de galaxias. Los investigadores afirman que la colisión entre estas galaxias podría haber durado más que las colisiones observadas en el estudio anterior — permitiendo que los efectos generados por una fuerza de fricción (aunque fuera muy pequeña) se acumulasen con el tiempo y crearan un desfase mensurable.

Si unimos ambos resultados, estos pondrían, por primera vez, un límite al comportamiento de la materia oscura. Digamos que la materia oscura hace, por un lado, más que esto, pero, por otro, menos que aquello. Massey agregó: "Por fin estamos “acorralando” a la materia oscura desde varios flancos, sacando el máximo partido a nuestro conocimiento desde dos direcciones." (Fuente: ESO)

Glaciares patagónicos

Esta fotografía del Parque Nacional Los Glaciares, en Argentina, muestra dos grandes lagos y parte del Campo de Hielo Patagónico Sur, la segunda mayor extensión de hielo del planeta fuera de las regiones polares.

El parque nacional fue declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO en 1981, y se encuentra entre los lagos Viedma (en la parte superior de la imagen) y Argentino (abajo), la mayor reserva de agua dulce del país. Este sistema de lagos recibe el agua del deshielo de los glaciares y de los ríos de la región, y su color tan característico es debido a una fina suspensión de partículas de roca molida por los glaciares que se conoce como ‘leche glacial’.

La mayoría de los 50 grandes glaciares del Campo de Hielo Patagónico Sur han retrocedido a lo largo de los últimos 50 años debido al aumento global de las temperaturas. En la esquina superior derecha de la imagen podemos ver el glaciar Viedma, que desemboca en el lago del mismo nombre. Un poco más al sur se encuentra el glaciar Upsala, que se ha retirado más de 3 kilómetros en los últimos 15 años.

En el centro de la parte inferior de la imagen se puede distinguir el glaciar Perito Moreno, el más famoso del parque por su proceso de ruptura, y uno de los pocos que ni avanza ni retrocede, sino que permanece en equilibrio pasando por ciclos periódicos de acumulación y ablación.

Parque Nacional Los Glaciares, Argentina. (Foto: USGS/NASA)

Perito Moreno se encuentra en un estrecho canal donde comienza el brazo sur del lago Argentino. Cuando el glaciar avanza llega hasta la orilla opuesta, formando un dique de hielo que separa las dos masas de agua.

Mientras el dique permanece en pie, el agua y el hielo mantienen una especie de duelo. Las aguas del deshielo fluyen hacia el brazo aislado del lago, y cuando su nivel aumenta demasiado, el dique colapsa y las libera con una fuerza devastadora. Este proceso ocurrió por primera vez en 1917 y arrasó un bosque centenario. Desde entonces, el ciclo se ha repetido más de veinte veces.

Esta imagen fue tomada por el satélite Landsat-8 el 28 de febrero de 2014. (Fuente: ESA)

Nuevo descubrimiento sugiere que los cimientos de la química de la vida son universales

Crédito:B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Por primera vez, gracias a ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), los científicos han podido detectar la presencia de moléculas orgánicas complejas en un disco protoplanetario. Este tipo de moléculas son los componentes esenciales de la vida, por lo que este descubrimiento es un gran paso hacia la comprensión de cómo surge la vida.

Alrededor de la joven estrella MWC 480, ALMA ha observado grandes cantidades de cianuro de metilo (CH3CN), presentes en su disco protoplanetario en grandes cantidades. Además, también se ha detectado  ácido cianhídrico (HCN) en la región exterior del disco protoplanetario, que correspondería al Cinturón de Kuiper de nuestro Sistema Solar, y que en MWC 480 se cree que alberga cometas.

Los cometas conservan la información original de la química temprana del Sistema Solar. Los científicos tienen la teoría de que estos cuerpos helados enriquecieron con moléculas orgánicas y agua a una joven Tierra sembrando el caldo de cultivo a partir del cual surgió la vida.

Ahora, por primera vez, los científicos han podido constatar que esta química existe en otras partes del Universo.

La estrella MWC 480 posee aproximadamente dos veces la masa del Sol, y está a unos 455 años luz, en Tauro. Su disco protoplanetario se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, es decir, recientemente, ha comenzado a condensarse a partir de una fría nube de gas y polvo. Los investigadores han llegado a detectar signos evidentes de formación planetaria en el disco.

Las oscuras y frías nubes interestelares son eficientes fábricas de moléculas orgánicas complejas, incluyendo a un grupo de moléculas conocidas como cianuros.

Los cianuros y, en concreto, el cianuro de metilo, son importantes porque contienen enlaces carbono–nitrógeno: estos enlaces son esenciales para la formación de los aminoácidos, son la base para la creación de las proteínas y constituyen los componentes esenciales para la construcción de la vida. Sin embargo, hasta ahora se desconocía si estas moléculas podrían sobrevivir a las condiciones hostiles que se dan en el entorno de una estrella joven ya que las radiaciones fuertes pueden llegar a romper estos enlaces. Ahora sabemos que estas moléculas no son sólo capaces de sobrevivir, sino también de prosperar.

Además, la proporción de moléculas orgánicas complejas detectadas en los discos protoplanetarios es mayor que la localizada en las nubes interestelares. Dado que este sistema continúa evolucionando, los astrónomos especulan que es probable que las moléculas orgánicas, protegidas y a salvo en el interior de cometas y otros cuerpos helados, sean transportadas a entornos más enriquecedores para la vida.

¿Cuándo comienza la época del Antropoceno?

La naturaleza era la fuerza que domina el medio ambiente en la Tierra, hasta que los humanos la reemplazaron. Pasamos del Holoceno al Antropoceno, la época en la que los hombres son capaces de modificar y alterar los ecosistemas por encima de la naturaleza. Sin embargo, el momento en el que se inicia esta época es aún controvertido.

Los primeros en usar el término Antropoceno en el año 2000 fueron Paul Crutzen, ganador del Premio Nobel de Química en 1995, y su colega Eugene Stoermer. Para ellos, este periodo empezaría a finales del siglo XVIII debido a la invención de la máquina de vapor y la posterior Revolución Industrial. Por el contrario, la Sociedad Geológica de Londres argumentó que la explosión de la primera bomba atómica en 1945 –que modificó la composición isotópica de las rocas de la zona– supone el inicio de la nueva época.

Ahora, un estudio publicado en la revista Science cuestiona estas fechas. “Ya existía una enorme transformación de la superficie de la Tierra por la agricultura mucho antes de la era industrial. Estos cambios ya serían significativos aun marcando el inicio de esta época en 1945”, señala a Sinc William Rudiman, investigador de la Universidad de Virginia (EEUU) y autor principal del trabajo.

Rudiman y sus colegas apuntan a la deforestación de los bosques que influenció en las emisiones de carbono hace 7.000 años y a los arrozales que cambiaron los niveles de metano atmosféricos hace 5.000 años. Para los investigadores, la propia designación formal del Antropoceno no quedaría clara: “El uso de este término debe utilizarse con cuidado. Una buena idea sería usarlo de forma informal”.

Uno de los indicadores que usaron los investigadores para señalar el comienzo de esta época fueron las grandes extinciones de mamíferos. Hace entre 12.500 y 50.000 años se extinguieron el 65% de los grandes mamíferos que dominaban la superficie terrestre en dos episodios de extinciones abruptas en Australia y América.

Las causas de estas extinciones no fueron climáticas puesto que la mayoría de estas especies sobrevivieron a glaciaciones previas. Según destaca el equipo en el estudio, la caza y la quema de bosques por la reciente llegada del ser humano resulta “la explicación más lógica”.

Para Rudiman, la mayor alteración humana que se produjo en la Tierra fue la revolución agrícola del Neolítico hace 11.600 años. “La tala de bosques y la conversión de los pastizales en campos para el cultivo son las dos principales transformaciones de la superficie de la Tierra en la historia de la humanidad”, apunta el investigador estadounidense.

Por este motivo, los científicos revelan que es difícil señalar qué alteraciones de la biosfera recientes, como el aumento del CO2 en la atmósfera por la quema de combustibles fósiles o del metano por la minería, suponen un punto de partida del Antropoceno. A estos cambios actuales se añadirían los efectos de actividades pasadas como la ganadería o la perturbación de los suelos debido a las sucesivas edades del metal.

“El término Antropoceno ha llegado para quedarse. En este momento, lo más importante es si se reconoce o no algún acontecimiento como el comienzo de esta nueva época. Y para ello no se ha de olvidar la larga y rica historia de las transformaciones humanas en este planeta, tanto para bien como para mal”, concluye Rudiman. (Fuente: SINC)