lunes, 2 de abril de 2007

Cien preguntas básicas sobre la ciencia

Título: Cien preguntas básicas sobre la ciencia
Autor: Isaac Asimov

Preámbulo

Este libro es una recopilación de las respuestas a 100 preguntas que le fueron propuestas a Asimov durante los años en los que escribió una columna en la revista Science Digest.
Es un libro “aperitivo” para adentrarse en la física, aunque en algunas cuestiones vemos que el tiempo ha pasado desde que las contestó y ahora conocemos más respuestas. Me ha sorprendido que muchas de las preguntas no sean totalmente correctas científicamente hablando, sobre todo las que tratan de evolución estelar. En el pequeño resumen he definido solo los conceptos que son clarificados aceptablemente en el libro y en algunos casos concretos he corregido ciertos errores.
Asimov empieza explicándonos el método científico, indispensable para hacer teorías físicas que se sustenten y a continuación plantea diferentes cuestiones relacionadas con el origen del universo, su evolución y composición. También aborda ciertas cuestiones relacionadas con la materia: la división en partículas más pequeñas que se conocen, tipos de materia, qué es la temperatura… Asimismo nos adentra en las leyes físicas de este universo (fuerzas, tiempo, relatividad, mecánica cuántica). Finalmente, encontramos 10 preguntas relacionadas con la biología y el ser humano. La última pregunta, aunque no es de física impacta: nos explica porqué debemos morir.

Método científico

¿Cómo se generan las teorías?
Se parte de experimentos, se generan hipótesis de cómo suceden, se mira si nuevos experimentos funcionan con la hipótesis. En caso afirmativo se genera la teoría o ley natural.

Cuestiones relacionadas con el universo

Origen

Formación de la materia: una posibilidad es que venga de la nada, ya que de la nada se puede generar energía positiva y negativa (antienergía) y entonces podría haber un universo negativo y otro positivo (aunque según lo que sabemos hasta ahora no hay antienergía). A partir de la energía se puede convertir en materia: se ha demostrado que un fotón gamma (el más energético) se puede transformar en un par electrón-positrón.
Formación de las galaxias y estrellas: después del big-bang, diferenttes conglomeraciones de gas y polvo que daban vueltas condensaron en estrellas.
Formación del sistema solar: se partió de una distribución de masa esférica de polvo y gas que giraba. Se condensó y dio vueltas más deprisa por la conservación del momento angular. Entonces lanzó una porción de materia que formó un disco, en donde los planetas se condensaron. El sol se formó hace 8 millones de años.
Formación de la Tierra (hace 4700 millones de años): cuando se aglutinaron las partículas (remolino de gas y polvo) para formar la Tierra, ésta se fue calentando por la colisión entre partículas. Tuvieron lugar muchas erupciones que expulsaron el vapor de agua y gases contenidos en el interior de la Tierra, generándose los océanos. Después de las erupciones se generó una atmósfera formada fundamentalmente por anhídrido carbónico y nitrógeno. Cuando apareció la vida vegetal se absorbió anhídrido carbónico y se expulsó oxígeno modificándose la atmósfera hasta la composición actual.

¿Qué hay más allá del universo?
Hay nada, lo que es lo mismo que no energía y no espacio.


Composición

Polvo cósmico: Es material formado por compuestos complejos. Lo podemos encontrar en los discos de las galaxias espirales.
Estrellas (de primera generación): son objetos que emiten entre otros elementos: fotones, gravitones, neutrinos y protones (estos últimos llamados rayos cósmicos). Tienen un equilibrio entre la fuerza de expansión por la presión de radiación (emisión de partículas por las reacciones internas) y la contracción por la gravedad. Una estrella de primera generación convierte hidrógeno en helio y emite energía. El helio, mediando muchos pasos intermedios se convierte en hierro y emite energía. Cuando el hierro interviene en reacciones nucleares, como éstas necesitan energía en vez de generarla y además se emiten neutrinos, las estrellas se enfrían, colapsan sobre ellas mismas y estallan en supernovas.
Estrellas de segunda generación: las ruinas de las novas se mezclan con el gas interestelar formándose estrellas con elementos complejos. El sol tiene oro y uranio, por lo que es una estrella de segunda generación.
Gigante roja: se origina por la fusión de helio en átomos complejos. La temperatura aumenta y la estrella se expande. El sol algún día será una gigante roja.
Enanas blancas: las gigantes rojas acaban expulsando las capas externas y se genera un tipo de estrellas llamadas enanas blancas
Estrellas de neutrones: son estrellas muy compactas, donde la gravedad ha vencido la fuerza de repulsión entre electrones y éstos se han combinado con los protones formando neutrones (los neutrones no tienen carga eléctrica, por eso estas estrellas se pueden empaquetar tanto). Si tienen la masa del sol su diámetro es de unos 16 km.
Púlsares: son estrellas de neutrones que dan vueltas y emiten electrones y ondas de radio solo en una dirección. Van perdiendo energía por lo que los pulsos han de ser gradualmente más lentos.
Agujeros negros: si una estrella de neutrones se sigue contrayendo por la fuerza de gravedad puede llegar a convertirse en un agujero negro (mucha masa concentrada en un espacio despreciable o cero). La fuerza de gravedad es tan grande en ella que no deja escaparse ni la luz, por eso no los vemos.
Cuásar: son agujeros negros en núcleos de galaxias muy alejadas.
Rayos cósmicos: son protones en un 90% y partículas a en un 9% y un 1% de otros núcleos de átomos más complejos. Los rayos cósmicos son los más energéticos que se conocen. Cuando chocan con la atmósfera terrestre generan mesones y positrones. Cuando chocan con células de seres vivos pueden ocasionar mutaciones.
Viento solar: son rayos cósmicos provenientes de la superficie solar que se generan con las erupciones solares. Producen tormentas electromagnéticas en la tierra.
Cometas: se componen por minerales y diferentes tipos de hielos. Los hielos subliman (pasan a gas) cuando el cometa se aproxima al sol, por eso vemos la cola del cometa. El viento solar empuja las partículas de la cola de gas, por eso al acercarse al sol la cola va detrás y al alejarse va delante. En cambio la cola de polvo, al ser más masiva, no es empujada por dicho viento y entonces siempre va en dirección contraria al movimiento del cometa.

Evolución del universo

El universo se enfría: podemos afirmar que se enfría porque el universo se expande, el espacio interestelar aumenta y se llena de partículas emitidas por estrellas haciendo que la probabilidad de que sean reabsorbidas por ellas disminuya.
Efecto invernadero en la Tierra: el dióxido de carbono que existe en la atmósfera deja pasar la luz visible del sol pero retiene los rayos infrarrojos que son emitidos por la Tierra al calentarse, por eso se calienta la tierra un poco más de lo que se calentaría sin él. Si aumenta la concentración el doble aumentaría la temperatura en dos grados, suficiente para fusionar gradualmente el hielo en los casquetes polares.

Materia y partículas

Temperatura de un cuerpo: cualquier cuerpo a una cierta temperatura que no sea el cero absoluto irradia ondas electromagnéticas. En condiciones ideales un cuerpo radia según la temperatura, no su composición, por eso, estudiando el color que emiten las estrellas podemos determinar su temperatura.
Semivida de un isótopo: un isótopo es un elemento radioactivo que cambia de estado en un cierto tiempo emitiendo electrones. Semivida se refiere al tiempo que tarda en cambiar de estado la mitad de los isótopos de una muestra. No podemos medir la vida de una partícula en concreto, por lo que hacemos una estadística con una gran muestra y por eso se le da el nombre de semivida en vez de vida.
Quarks: son las partículas constituyentes de los electrones, protones y neutrones. Existen tres (p, n y l), cada uno con su carga eléctrica: p: 2/3, n: -1/3 y l: -1/3.
Neutrinos: son partículas que difícilmente interaccionan con la materia. Aunque en el libro dice que no tienen masa, actualmente se ha descubierto que tienen masa, aunque no se ha concretado.

Leyes físicas

Tiempo: el tiempo más corto que se ha medido corresponde a la vida de una partícula de resonancia y es de 10-23 segundos
Fuerzas: existen 4 y en ellas se produce el intercambio de partículas:
· Gravitatoria (hay teoría que dicen que hay intercambio de gravitones)
· Electromagnética (hay intercambio de fotones)
· Nuclear débil (hay intercambio de partículas W)
· Nuclear fuerte (hay intercambio de piones)
Efecto de coriolis: sucede en movimientos en sistemas de referencia no inerciales (tiovivo). El movimiento aparentemente en línea recta se curva por efecto de la inercia.
Trabajo: tiene lugar por el desplazamiento entre dos puntos de diferente energía. Aunque la energía sea muy alta, sin esta diferencia, no se produce trabajo.
Entropía: define cuan uniforme es la energía en un sistema. Cuando ésta está uniformemente distribuida la entropía es máxima. Esto equivale a que el desorden aumenta y este aumento sucede con el tiempo. Imaginad un jarrón rompiéndose y luego reconstruyéndose solo; el aumento de entropía y por lo tanto de desorden es un hecho natural que sucede con el tiempo avanzando hacia a delante; lo contrario (la recomposición del jarrón) es ínfimamente probable. La entropía a veces se llama la flecha del tiempo.
Teoría de la relatividad: se basa en el principio de que la velocidad de la luz es constante y además ninguna partícula puede ir más deprisa que la velocidad de la luz en el vacío. A partir de esta premisa se llegan a unas conclusiones sorprendentes: cuanto más rápidos van los objetos respecto a nosotros más pequeños se hacen, más masa adquieren y su reloj temporal va más lento. Además la energía y la masa están relacionadas, pudiéndose convertir la masa en energía y la energía en masa mediante la conocida ecuación: E=mc2.
Velocidad de la luz: Una partícula puede ir a mayor velocidad que la luz si las dos atraviesan por un medio que no sea el vacío. Esas partículas emiten luz azul llamada radiación Cerenkov. Los rayos cósmicos la pueden emitir. Hay teorías físicas sobre unas partículas (taquiones) que pueden ir a más velocidad que la de la luz en el vacío, aunque aplicando la teoría de la relatividad, si existieran, estarían en otra realidad diferente de la nuestra.
Principio de la indeterminación de Heisenberg: Cuando medimos un objeto estamos interactuando con él provocándole cambios en sus propiedades (en mayor o menor medida). Es mejor poner un ejemplo en este caso para entenderlo: medimos a qué temperatura está nuestra bañera con un termómetro; éste no estará a la misma temperatura que el agua de la bañera, por lo que al sumergirlo estamos enfriando o calentando levemente el agua. En el mundo microscópico este cambio en las propiedades físicas del objeto a medir ese mucho más acusado.

Evolución humana

¿Por qué debemos morir?
Una de las características de la vida es su facilidad para el cambio (adaptarse a nuevos medios). Para ello ha de haber cambios constantes. En la reproducción ocurren cambios si existen mutaciones y también si intervienen dos individuos en vez de uno. Los jóvenes pueden ser iguales, mejores o peores que los viejos, pero por selección natural sobreviven los mejores adaptándose mejor que los viejos. Si una especie tiene sus células diseñadas para que los viejos mueran dejando paso a los jóvenes evoluciona más deprisa que otra y tiene, por lo tanto, más éxito. Debemos morir para que puedan vivir los jóvenes.

1 comentario:

Anónimo dijo...

Leí el primer capítlo de este libro (Metodo Científico) en clase, y lo estaba buscando para comprarlo.
Gracias por las explicaciones!