Són reals les partícules elementals?

Aquest blog serà una mica difícil de pair, però val la pena que el llegiu, encara que no entengueu el 100%, perquè es parla d’un problema filosòfic de fons.

Ens imaginem les partícules elementals com petites boles de billar, però la mecànica quàntica ens desfà aquesta imatge clàssica. Les partícules no tenen una posició ben definida. Si un observador vol mesurar la posició d’una partícula del nostre cos, per exemple, existeix una petita possibilitat de que la detecti allunyada de ell. Endemés, la posició de les partícules depèn de l’observador. Imagineu que teniu una partícula localitzada a la vostra casa. Per un observador que passi en cotxe la partícula pot estar disseminada per tot l’univers.

O intenteu comptar les partícules. Suposem que voleu comptar les partícules que hi ha a la vostra casa i les aneu comptant d’habitació en habitació i feu la suma. Segons la teoria quàntica de camps aquesta suma no serà el total, ja que el total és una propietat de la casa sencera. Un astronauta en el buit pot pensar que no hi ha partícules, però un astronauta en un coet que acceleri es veurà immers en un bany tèrmic de innombrables partícules. Per tant, si el nombre de partícules depèn de l’observador, les partícules no poden ser una cosa fonamental.  Endemés, les partícules poden perdre la seva individualitat. Quan dues partícules estan entrellaçades (“entangled” en anglés) les partícules comparteixen no solament propietats innates com la massa i la carga sinó també el conjunt de posicions on es poden trobar, no les poden distingir una de l’altra.

Algú es preguntarà, aleshores què és el que detectem en els acceleradors de partícules, per exemple? El que detectem són inferències: els sensors registren un gran nombre d’excitacions del seu material sensible.

Si les partícules no són fonamentals, ho poden ser els camps?.  Alguns físics creuen que els camps són fonamentals i les partícules, quan les detectem,  no són més que manifestacions localitzades dels camps. Tots tenim una idea del que és un camp clàssic, ja sigui un camp escalar com la temperatura (que és un nombre en cada punt de l’espai) o un camp vectorial com un camp de forces gravitatòries o elèctriques, on en cada punt de l’espai hi ha un vector. Però els camps quàntics són més abstractes,  ja que assignen a cada punt operadors que representen els tipus de mesures que es poden fer més que el resultat que obtindríem. Algunes construccions matemàtiques de la teoria sí que representen valors físics, però no poden ser assignats a punts sinó a regions més difuminades. La versió quàntica d’un mapa del temps que mostra la temperatura en cada punt és la d’un operador com podria ser la funció arrel quadrada. Per a obtenir la “temperatura” caldria aplicar l’operador al vector d’estat que és una entitat matemàtica holística, no localitzada, que representa la configuració del sistema i que abasta tot l’espai.  Com sabeu la mecànica quàntica només ens dóna probabilitats. No sabem, per exemple, quan un determinat àtom d’urani es desintegrarà, però sí sabem en quant temps una massa d’urani quedarà reduïda a la meitat.  Però, per obtenir les probabilitats, els camps s’han d’aplicar al vector d’estat.

En resum, ni el model de partícules ni el model de camps donen una ontologia satisfactòria del món físic. Alguns físics, que podem anomenar instrumentalistes, creuen que el paper de la física no es mostrar-nos la realitat. Per ells les teories no són més que instruments per a fer prediccions i la mecànica quàntica en aquest sentit és la reina de les teories, la més precisa i la que ens permet calcular els resultats de les col·lisions en els acceleradors, la síntesi de la matèria en el Big Bang i en els estels i ens permet gaudir de tota la tecnologia moderna, ja que de ella depèn el 30% del PIB mundial.  Però, no és un dels objectius de la ciència entendre el món?

Combinant física i filosofia pot ser en podem treure l’entrellat de tot això. Hi ha dues vies de sortida que s’han proposat en els darrers anys. Una és dir que el fonamental són les relacions. El fonamental són les estructures o xarxes de relacions. Això ja passa en la vida ordinària. Si vaig en metro, el que m’interessa és conèixer la xarxa, el lloc on haig de canviar de línia i no les característiques de les estacions, si les han renovat o són antigues, per exemple. I el mateix si parlem de les xarxes neuronals del cervell o internet. Pot ser trobareu una mica estrany que puguin haver-hi relacions sense objectes, és com tenir matrimonis sense cònjuges.  Per això alguns físics i filòsofs adopten una solució de compromís. No diuen que els objectes no existeixen, sinó que no són fonamentals, no tenen propietats intrínseques sinó les que deriven de les seves relacions amb altres objectes. Ens trobem davant d’una idea que encara cal desenvolupar més, ja que la novetat radical és partir de les relacions i que els objectes emergeixin d’aquestes.

Una segona solució és pensar que els objectes no són altra cosa que un conjunt de propietats. La tradició ens diu que les propietats són conceptes “universals” i abstractes, que en tot cas només existirien en un món platònic, que són posseïdes per objectes particulars. La propietat d’una pilota de ser esfèrica i de color groc, per exemple. Pot ser per entendre aquesta posició, que posa com a fonamental les propietats i defineix els objectes per les seves propietats, hauríem de tornar a la infantesa i com vam adquirir la noció de pilota. Era una cosa rodona, pot ser de color groc si era una pilota de tennis, que la podien llençar al nostre pare, que rodava per terra i era elàstica.  Només més tard vam conceptualitzar totes aquestes propietats en una pilota de tennis. En aquest sentit, l’electró no seria més que un conjunt de propietats essencials (massa, carga i espín, per exemple).

Les paradoxes del buit quàntic on el promig de partícules és zero, però les partícules es creen i s’aniquilen constantment desapareixen en aquesta visió.  El buit, encara que no tingui partícules, té propietats i les partícules apareixen quan aquestes propietats es combinen d’una certa manera.

Com veieu, arribar al fons de la realitat requereix el treball de físics i filòsofs (molt entesos en física, per descomptat). L’altra alternativa és quedar-nos amb una descripció molt abstracta i matemàtica de la realitat, però que pot ser no ens guiï intuïtivament.

 

 

 

LUCA o la unitat de la vida

Com pot ser sabreu, ara fa 60 anys, en el 1953,  Watson i Crick van entrar en un pub de Cambridge dient que havien descobert el secret de la vida. De fet,  havien descobert la estructura de la molècula del DNA, la famosa doble espiral, gràcies als treballs de Wilkins i Rosalind Franklin en difracció de raigs X. Lamentablement, Franklin va ser marginada del premi Nobel atorgat als altres tres investigadors.  Aquesta molècula conté les quatre bases, adenina, citosina, guanina i timina, que de tres en tres, en certes combinacions, codifiquen un dels 20 aminoàcids amb els que es formen les proteïnes que són la base de tots els éssers vivents.  Però no va ser fins l’any 1961 que un americà, Marshall Nirenberg i un alemany, Heinrich Matthaei, van descobrir com codificava un primer triplet de bases, en aquell cas TTT, el corresponent àcid fenilalanina.  

El fet de que el codi genètic sigui universal, per a totes les cèl·lules, des de les humanes a les dels bacteris, així com  el fet de que tots els aminoàcids biològics siguin levògirs i el DNA sempre dextrògir ens porta a pensar que la vida té una unicitat i que tots els éssers vius presents són descendents del que s’anomena el “Last Universal Common Ancestor” o LUCA. La vida pot haver aparegut diverses vegades a la Terra, però tots els éssers vius actuals provenim d’un descendent que va sorgir fa uns 4.000 milions d’anys. De fet, si es descobrís un ésser viu amb un codi genètic diferent seria un descobriment tan important que segurament seria mereixedor d’un premi Nobel. Hi ha científics que investiguen en aquest camp i que creuen que poden haver-hi “alienígenes” aquí mateix a la Terra, no cal anar a buscar-los a l’espai, però, de moment, no s’han trobat.

La quiralitat de les molècules és important. Va ser Pasteur qui va descobrir que l’àcid tartàric  del vi polaritzava la llum i no ho feia l’àcid tartàric fabricat en el laboratori que era mescla de les dues varietats, la levògira i la dextrògira. La conseqüència de no distingir la quiralitat d’una molècula es va veure dramàticament en l’escàndol de la talidomida, un medicament que es va receptar a les embarassades per evitar els vòmits matinals i que va donar lloc a 10.000 infants amb greus anormalitats.  En el laboratori farmacèutic es van fabricar les dues molècules barrejades, però una d’elles causava mutacions en els fetus.

 

Gràcies a l’anàlisi del DNA i dels fòssils podem traçar a grans trets l’arbre de la vida i determinar, per exemple que l’home i el ximpanzé van tenir un avantpassat comú fa uns 6 milions d’anys. O podem determinar que un dels nostres avantpassats va ser un rèptil que va viure fa uns 220 milions d’anys.   Ara bé, durant els primers dos bilions d’anys la vida va evolucionar lentament i només es van produir éssers unicel·lulars sense nucli, dels dominis Archaea i Bacteris. Fa uns dos bilions d’anys un arqueobacteri va absorbir un bacteri i això va donar lloc al tercer domini, els Eucariotes, o cèl·lules amb nucli, una forma de vida més complexa. Els descendents d’aquell bacteri són els mitocondris, presents a les nostres cèl·lules, que són les centrals d’energia on es sintetitza l’ATP.  A partir d’aquí l’arbre de la vida, a grans trets, es pot visualitzar, però no abans. Ens trobem amb un cas similar al de la radiació còsmica de fons que es va originar quan l’univers tenia uns 380.000 anys. A partir d’aquell instant tenim evidències de l’evolució de l’univers, però abans l’univers era opac a la llum i les evidències que tenim de la seva evolució són més teòriques o indirectes.  Ens passa el mateix amb l’evolució de la vida. Els bacteris i els arqueobacteris no solament transmeten els gens a la descendència sinó que són capaços de transferir-los “horizontalment” a altres individus, fins i tot, d’altres espècies.  Això és la causa de que no puguem assenyalar amb claredat quin és l’arbre de la vida d’aquell període, degut a aquesta promiscuïtat. Aquesta capacitat per transferir gens horizontalment, en lloc de fer-ho només verticalment a la descendència, és el que fa que els bacteris es facin tan ràpidament resistents als antibiòtics.  El primer resistent a la penicil·lina va ser el Staphylococcus aureus.

Innovant en el model de negoci

                                                        Jeff Bezos, fundador de Amazon

En el passat blog hem vist un exemple d’innovació de producte que possiblement doni lloc a una empresa d’èxit.  Però hi ha una altra manera d’innovar en les empreses i és canviant el model de negoci.

Normalment,  també es tracta de trobar necessitats insatisfetes dels consumidors o millorar substancialment la proposta de valor (oferint preus més competitius, per exemple, com han fet les línies aèries “low cost” gràcies a la seva reducció dràstica de costos).  Un exemple el tenim en el sector de distribuïdors de productes d’oficina on Staples va crear supermercats especialistes en aquesta gamma de productes en el 1986 i avui dia, amb més de 2.000 centres en diversos països,  és el líder del sector a nivell mundial.

Aquestes empreses s’anomenen “disruptors” perquè “trastornen” o trenquen els esquemes preestablerts. Un altre gran exemple és Amazon. En el 1995 les llibreries tradicionals estaven a punt per a que aparegués  un “disruptor”.  Per a donar un bon servei, un llibreter hauria de tenir milions de llibres, però,  de cada títol, exceptuant els pocs “best sellers”, en vendrà molts pocs exemplars o pot ser cap en molts anys. Un problema inacceptable d’estoc . Recordo quan per a comprar un llibre de ciència en anglès havies d’anar a la llibreria Díaz de Santos al carrer Balmes on era molt difícil d’aparcar ni que fos un moment i buscar la referència en una mena de llistí telefònic. Aleshores, havies d’encarregar-lo i tardaven mesos en tenir-lo i havies d’anar-hi una segona vegada a recollir-lo.  Entendreu que vaig ser una de les primeres persones a Catalunya a fer-me soci de Amazon pels avantatges obvis i, endemés, Amazon t’oferia suggeriments d’altres llibres que mai hagués llegit si no hagués estat per aquest sistema de recomanacions.

Amazon va néixer amb la visió de ser la llibreria més gran del món, i més tard ésser el lloc on es pogués comprar qualsevol cosa que algú volgués comprar per internet,  però aquesta visió s’ha anat ampliant i avui en dia deriva una bona part dels seus ingressos, entre altres negocis,  de la divisió de serveis web, Amazon Web Services, que té 9 macro centres de dades amb centenars de milers de servidors, un d’ells dedicat en exclusiva al govern dels E.U.A. amb qui acaba de signar un contracte amb la CIA de 600 milions de dòlars. AWS té també 42 centres més repartits per diversos països i endemés de clients empresarials té 500 clients de diferents institucions governamentals.

Amazon avui dia dóna feina a  90.000 empleats, la majoria en el seus centres logístics que tenen ja una superfície de 6.500.000 m2 i és dels comerços al por menor grans el que més creix.

El seu líder, Jeff Bezos és una persona fanàtica del detall, centrat en la eficiència de les seves operacions, però sobretot centrat en donar satisfacció als seus clients.  Per exemple, dels 452 objectius que declarava en la seva carta als accionistes en el 2009, 360 estaven relacionats amb els clients.  La majoria de centres comercials usen la tecnologia per a millorar costos, però Amazon ho fa, sobretot, per a millorar la experiència dels clients.  Bezos és una persona d’idees avançades dins del món americà i ha contribuït una bona suma de diners en la campanya per a legalitzar el matrimoni gay, encara que no li agrada pagar impostos. Amazon ha tingut alguns fracassos com las seves inversions a pets.com (pet=animal domèstic) i no ha tingut gaire èxit a Xina.

La seva visió és a llarg termini i s’ha enfocat al creixement multiplicant les vendes per 12 en els darrers 10 anys amb marges baixos. A Wall Street rep crítiques ja que els seus beneficis nets des de la seva fundació nom és han estat 1.900 milions de dòlars.  Apple fa en un trimestre el doble de beneficis que Amazon ha fet en els darrers 10 anys. Amazon, però, es finança amb els proveïdors i clients i la seva potència comercial ha estat reconeguda en el mercat ja que les seves accions han crescut un 600% en els darrers cinc anys. La seva capitalització en la borsa és avui de 125.000 milions de dòlars  (la de la General Motors no arriba a 50.000 milions).

Com sabeu, Bezos ha decidit comprar el Washington Post per 250 milions de dòlars que equival a un u per cent de la seva fortuna , ja que conserva el 20% de la seva empresa.

Bezos guarda gelosament la seva intimitat i només concedeix entrevistes quan li convé pel negoci, com en el llançament del Kindle, una altra de les seves visions: aconseguir que es pugui obtenir qualsevol llibre en qualsevol idioma en 60 segons.  Es de la opinió de que l’equilibri vida personal/feina és només per aquelles persones que no estimen la seva feina.

 

 

 

Com s'innova i es porta a la pràctica una idea de negoci

En algun lloc he llegit que de cada 10.000 idees es concreten 1.000 en plans de negoci, 100 obtenen finançament, 10 tenen èxit i dues es converteixen en líders del seu sector.

 

Us voldria parlar d’un exemple molt interessant. Es tracta d’una noia de 21 anys, Meredith Perry,  americana, estudiant del darrer any de la carrera d’astrobiologia. Som al 2010 i a la universitat es fa un concurs d’innovació i decideix presentar-se hi. Ja tenia un petit historial d’innovació, almenys a nivell d’idea. Buscava coses que la molestaven i intentava trobar-hi una solució. Havia ja inventat un paraigües per a bicicletes o unes ulleres amb llum per llegir.  Quan acabava de fer servir el seu portàtil un dia i el volia connectar a la xarxa elèctrica per a carregar-lo se’n va adonar de la gran contradicció que tots sofrim: en un món on gran part de la comunicació avui dia és sense cables (“wireless”) per a carregar el portàtil encara fem servir cables.

 

Per la seva carrera no tenia cap preparació de com solucionar el problema i va començar mirant la Vikipèdia i al cap de poc temps ja llegia articles de professionals. Encara que es pot transmetre electricitat sense cables es va adonar que la meitat de l’espectre de les ones electromagnètiques no era apte per   la seva perillositat i l’altra no era molt eficient i endemés subjecte a tota classe de normatives d’ús.  Aleshores es va adonar que els cristalls piezoelèctrics poden generar electricitat a base de pressió i això s’usa, per exemple, en les botes dels soldats per a carregar la seva radio. Però com es podia transmetre la pressió per l’aire? Amb sons que no pogués captar la orella humana.  Va comprovar que aquesta investigació era multidisciplinària i els diferents experts li deien que no funcionaria. Tenia moments de pànic en que pensava que mai se’n sortiria.  Però ella creia trobar solucions, va tornar als experts i li van confirmar que el que proposava es podia fer.

 

Ara ve la segona part de la dificultat. Va presentar la idea als inversors i cap la va trobar interessant fins que va decidir buscar un que té fama d’apostar per idees boges. Es diu Peter Thiel i ha estat soci de Elon Musk a Paypal  i de Mark Zuckerberg a Facebook.  Els va agradar la idea perquè, endemés, la Perry, no només té un prototip, sinó que ja havia contactat amb fabricants i clients, per exemple, els restaurants de menjar ràpid que volien oferir el servei als seus clients.

 

Com veieu, aquesta història té unes quantes lliçons:

 

-Buscar una necessitat insatisfeta

-Contactar amb gent entesa

-No desanimar-se amb les dificultats, creure amb la idea malgrat el que diguin els demés i perseverar, perseverar i perseverar

-Buscar finançament

-Buscar proveïdors i clients

L'or es crea en la col·lisió d'estels de neutrons

El passat 3 de juny es va detectar a la Terra, per mitjà del satèl·lit Swift,  una explosió de raigs gamma  que va durar només 2 dècimes de segon i que sembla que es va  produir quan dos estels de neutrons van col·lisionar a una distància de 3.900 milions d’anys llum. Una llum brillant va persistir, però, durant dies en el lloc de on provenien els raigs gamma i els científics creuen que això és la prova de la síntesi de diversos elements pesants que necessiten d’aquestes grans energies per a ésser creats. Es creu que es va crear una quantitat d’or equivalent a la massa de la nostra Lluna deu vegades.

 

Els estels de neutrons són residus de les explosions de supernoves i són tan denses com els nuclis atòmics, és a dir una culleradeta de té d’aquest material pesaria cinc mil  milions de tones

 

 

Interpretació artística d'una col·lisió de dos estels de neutrons

Les tempestes solars

Algunes de les amenaces per la humanitat provenen del cel.  El mateix Stephen Hawking està preocupat pels meteorits i el que va caure fa uns mesos a Rússia és un recordatori de que l’amenaça és real. Aquest meteorit tenia una massa original d’unes 10.000 tones, una grandària d’uns 17 a 20 metres i viatjava a 67.000 km/h. Es un  miracle que no hi haguessin morts.  Una de les altres amenaces ben reals són les tempestes solars.   Una de les més recents i importants va tenir lloc el  10 de març del 1989, va arribar a la Terra 3 dies més tard i va deixar sense llum al 10% de la població de Canadà, afectant especialment el Quebec i fent que les aurores boreals es veiessin fins a Florida.  El Sol a vegades ejecta una gran quantitat de massa.  Això s’anomena una ejecció de massa de la corona (CME en anglès) i pot representar 10.000 milions de tones de partícules que viatgen a 3.200 km per segon. Aquesta massa té un camp magnètic i segons com estigui orientat el camp magnètic de la Terra la desviarà protegint-nos de l’arribada d’aquesta pluja de partícules. Un altre esdeveniment semblant va deixar sense llum bona part de la costa est dels E.U.A. en el 2003.  Però el cas més greu que està registrat és el del 28 d’agost del 1859. En aquella època les úniques línies que portaven corrent eren les del telègraf. Les espurnes van deixar inconscients alguns telegrafistes.  Es calcula que en la nostra era electrònica una tempesta similar causaria danys d’un a dos bilions de dòlars (amb dotze zeros) només en el primer any i que trigaríem de 3 a 9 anys en refer-nos completament de la catàstrofe.  Les xarxes elèctriques, les comunicacions per satèl·lit, el sistema GPS, les rutes polars dels avions, els ordinadors, etc... es veurien greument afectats.

 

Què es pot fer per a prevenir una tempesta així?  Només podem anticipar-la unes poques hores gràcies als satèl·lits que observen el Sol col·locats en els punts de Lagrange (on la gravetat del Sol i la Terra s’equilibren).  La Nasa, per exemple, va poder advertir als astronautes de l’Estació Espacial que es refugiessin en la part més protectora de l’estació durant la tempesta del 2003.

Per què el mercuri és líquid?

No sé si heu vist la font de mercuri que Calder va idear pel pavelló de la República Espanyola de la Exposició Universal de París del 1937 i que ara llueix a la fundació Miró. El mercuri és un metall curiós perquè és l’únic que és líquid a la temperatura ambient. Està en el grup del cadmi i el zinc,  però és totalment diferent.  Un article recent a Angewandte Chemie explica les diferències. L’electró del hidrogen no es mou a una molt gran velocitat, per la qual cosa els efectes relativistes són negligibles, però el mercuri que ocupa el lloc 80 de la taula periòdica d’elements té els electrons del darrer orbital  que viatgen al 58% de la velocitat de la llum (segons Bohr la velocitat és proporcional al número atòmic) i, per tant, la seva massa és 1,23 vegades més gran que la massa en repòs. Segons el model atòmic de Bohr, a més massa menys radi de la òrbita i, per tant, les òrbites dels electrons s’encongeixen. Endemés i, això el fa diferent dels seus veïns, té la darrera òrbita completa amb 6 electrons que estan aparellats i, per tant, tenen poca tendència a ser compartits amb els altres àtoms de mercuri. En aquest article els investigadors han estat capaços de calcular, d’una forma totalment teòrica, el punt de fusió del mercuri primer sense tenir en compte la relativitat i en segon lloc tenint en compte els efectes relativistes. En el primer cas la temperatura de fusió era 82º C,  però en el segon han obtingut -23 ºC, força proper al observat de -39 º C.