Què ens revela el satèl·lit Planck?

Aquesta imatge obtinguda gràcies al satèl·lit europeu Planck és la de la radiació de fons corresponent a quan l’univers tenia uns 380.000 anys i la prova més definitiva del Big Bang.  Es la imatge del moment quan l’univers es va fer transparent, ja que, al baixar la temperatura per efecte de l’expansió,  els protons van captar electrons i es van produir els primers àtoms neutres d’hidrogen. Aquesta  llum ens arriba en forma de radiació de microones descoberta, per casualitat, per Penzias i Wilson als quals se’ls va concedir el premi Nobel.  Els diferents colors representen variacions en la temperatura de menys d’ una deumil·lèsima de grau. Aquestes variacions en la temperatura són degudes a petits excessos de matèria que es van fer més grans per mitjà de la força de la gravetat i van donar estructura a l’univers.

La pregunta més interessant és de on provenen aquestes petites aglomeracions de matèria i els físics tenen  raons per a sospitar que es deuen a fluctuacions que van tenir lloc molt abans, de fet  una milmilionèsima d’una bilionèsima d’una bilionèsima de segon desprès del Big Bang, és a dir un senyal que prové dels principis del temps.

Els humans hem estat sempre fascinats per les qüestions còsmiques. Com va començar l’univers? De on prové? Estem sols en l’univers?  El intent de contestar aquestes preguntes no ens donarà una millor torradora o un avió més ràpid, però és remarcable que la ciència moderna ens reveli aspectes del nostre univers que estan canviant les nostres perspectives sobre aquestes qüestions còsmiques fundacionals.

Com el gran art, la música o la literatura, la ciència canvia com nosaltres pensem sobre nosaltres mateixos i el nostre lloc en el cosmos. Això és tan important com tots els avenços tecnològics que la ciència ha fet possibles.

Les dades del Planck encara no han estat totalment analitzades però ja ens diuen que l’univers és una mica més vell del que crèiem (13.800 milions d’anys en lloc de 13.700 milions) i hi han anomalies intrigants.   L’hemisferi nord de l’espai té punts calents i freds més grossos que el sud i hi ha un punt fred  especialment gran en l’hemisferi nord que sembla que no hi hauria de ser.

Aquestes són algunes de les reflexions que es fa  Lawrence M. Krauss director del Origins Project de la Universitat Estatal d’Arizona i autor del llibre “A Universe from Nothing”

 

 

¿Com evolucionarà la fabricació en els països avançats?

Segons el professor de Harvard,  Ricardo Hausmann, fabricar és ordenar de forma intel.ligent. La naturalesa no ens presenta el món en la forma que desitgem i, per tant, hem de reordenar-lo. Per fer-ho necessitem informació sobre com ha de ser aquest ordre, coneixement de com construir-lo i energia per a fer-ho. Moltes de les revolucions del passat han estat focalitzades en aquest tercer aspecte, el de l’energia.  La revolució que s’està produint en aquest moment està liderada per la informació. Els materials dels que està composat un Boeing 747 o un iPhone són força corrents i el seu cost és d’uns pocs euros el kilogram. Però el cost per kilogram del Boeing o de l’iPhone és de milers d’euros.  La major part del valor està en el contingut d’informació. 

 

Els països emergents concentren una gran part de la fabricació mundial, però necessiten de la maquinaria, els nous materials i el know-how que provenen d’altres països més avançats.  Per això Alemanya ven tantes màquines a la Xina.

 

En tècniques de fabricació avançada avui en dia hi ha dos desenvolupaments importants. Un és l’ús cada vegada més intensiu de la tecnologia digital. I en tenim dos tipus d’exemples. Un és el prototipatge digital. Avui dia quan es fabrica un nou producte sofisticat, abans de fer un prototip físic, es fa una simulació per ordinador.  Les grans empreses ja disposen d’aquestes eines, inclús les que no són pròpiament d’alta tecnologia. Procter and Gamble, per exemple,  ha usat milions d’hores d’ordinador per a dissenyar les pastilles del detergent Tide  (i la forma de fabricar-les) que consisteixen en tres capes de detergent, líquid per a treure les taques i abrillantador,  tot rodejat d’un film que es dissol en la rentadora. Resultat: es fabrica una pastilla cada segon amb un taxa de defectes de menys d’una en mil milions.  Les petites empreses americanes no disposen d’ordinadors tan potents (això es coneix com High Performance Computing o HPC) i col·laboren amb les universitats com ho ha fet una empresa que fabrica bombes d’aigua, de més de 170 anys d’antiguitat.

 

El segon exemple seria la impressió digital en 3D que permet fer també prototips o petites sèries de nous productes. Exemple:  una mà prostètica de titani que s’ha muntat a partir de 46 peces impreses en 3D. En el futur el laboratori  americà que ho ha aconseguit, espera imprimir-la d’un sol cop.

 

El segon desenvolupament important que pot ajudar a que es mantinguin llocs de treball de fabricació a Occident és un nou tipus de robot.  La indústria americana de l’automòbil usa ja milers de robots per a muntar els cotxes, però aquests són només útils per a grans sèries,  ja que són costosos de re-programar pels petits lots de la infinitat de versions que avui desitgen els consumidors en molts dels productes de consum.  Els antics robots han d’estar separats dels humans perquè poden causar accidents. La nova generació de robots serà molt més flexible i podrà interactuar de forma segura amb els humans i repartir-se la feina de la forma més òptima possible. L’humà farà allò en el que superi al robot i el robot farà allò en el que sigui més eficient.  Aquests robots seran molt més fàcils de programar i es farà com s’instruiria a un humà mostrant-li com s’han de fer les coses.   En un recent experiment s’ha construït la carrosseria d’un 4 x4 militar, el Humvee,  a partir d’unes planxes, usant un equip d’un robot i un enginyer recent graduat i ho van fer en 10 hores a un cost de 1.150 dòlars. Un grup de control de dos especialistes ho van fer en 89 hores i van facturar 7.075 dòlars.   El que és curiós és que el cap del primer equip va ser el robot! Abans el robot s’havia instruït ell mateix com fer les soldadures, a base de fer proves i optimitzar les vint variables que cal ajustar per a fer una bona soldadura.

 

Baxter, robot  de nova generació de Rethink Robotics

 

1) ¿ Per què les dones pareixen amb dolor? . 2) La nostra herencia genètica té gens de diverses espècies humanes.

1)En les espècies humanes, a l’adoptar la postura vertical i caminar sobre dues cames, va provocar un estrenyiment dels malucs i en les dones el canal del part també es va fer més estret.  Al mateix temps, el creixement del cervell i el de la caixa cranial van fer més difícil el part.  Sembla que això va passar quan el cervell va arribar en els adults a uns 850 g.  La solució va ser tenir uns parts prematurs. Es per aquesta raó que els infants humans neixen molt menys desenvolupats que els seus cosins els goril·les. Per a que un infant humà nasqués tan desenvolupat com el d’un goril·la caldria que l’embaràs durés uns 20 mesos cosa que impossibilitaria el naixement sense una cesària.

 

¿Per què l’evolució va facilitar aquest canvis si això provocava riscos en la mare i feia que infant fos tan desvalgut al néixer?  Sembla que la resposta és els avantatges que un cervell més potent donaven en la flexibilitat en l’adaptació als canvis en el medi ambient.  De totes maneres l’espècie humana no és la única que té dificultats al parir. En algunes espècies de micos també els parts són difícils,  però la raó és que l’infant ha de néixer molt madur per a procurar-se l’aliment ell mateix aviat,  ja que s’alimenten d’insectes que són poc nutritius i això fa que la mare no el pugui alletar gaire temps.

 

2)Un altre tema interessant és la coexistència de diverses espècies humanes al llarg de la major part de la història evolutiva del gènere homo.  Fa només 40.000 anys la nostra espècie coexistia amb els Neanderthals i els floresiensis.  Fins ara la teoria més acceptada és que la nostra espècie provenia de l’Africa, substituint a espècies més arcaiques sense que s’haguessin aparellat.  Recentment, però analitzant l’ADN s’ha descobert que part de la nostra herència genètica prové d’altres espècies, els neandertals entre elles. Els no africans tenim avui entre un 1 i un 4% de gens de Neanderthals probablement resultat d’aparellaments que van tenir lloc a l’Orient Mitjà fa uns 50.000 a 80.000 anys.   També s’ha vist que certes ètnies  (polinesis, aborígens australians) tenen entre un 1 i un 6% de gens d’una altre espècie trobada a Sibèria, els denisovans. ¿ Quins beneficis pot haver tingut aquesta hibridació?  Se sap, per exemple, que alguns no africans porten un gen que prové dels Neanderthals, el STAT2, en el cromosoma 12 que constitueix una defensa enfront de patògens vírics.

Els núvols de Magallanes

 

 

 

El Gran Núvol de Magallanes, galàxia satél·lit de la Via Làctia a 136.000 anys-llum de la galàxia.

La Via Làctia és com imperi que s'estén a un milió d'anys-llum i que comprén dues dotzenes de galàxies satèl·lits enanes. Les més importants són els dos núvols de Magallanes visibles en l'hemisferi sud. Així com la resta de galàxies satèl·lits són poc lluminoses perquè la força gravitatòria de la Via Làctia els ha xuclat el gas que produeix nous estels, els dos núvols de Magallanes tenen molts nous estels i brillen en el firmament. ¿Com és això? Usant el telescopi espacial Hubble Nitya Kallivayalil ha estimat que la òrbita de les dues galàxies és enorme i que el seu període és de 4.000 milions d'anys o més. Es a dir, podria ser que aquestes galàxies satèl·lits estiguessin passant aprop nostre per primera vegada.

Els neutrins

El neutrí va ser postulat per Wolfgang Pauli en el 1930 per explicar la desintegració beta en la que un neutró es converteix en un protó i un electró. Hi havia un dèficit d’energia i com que els físics creuen que la llei de conservació de l’energia és una llei fonamental, Pauli va postular aquesta partícula dient: “He fet una cosa terrible. He postulat una partícula que no es pot detectar”. Malgrat això, el neutrí va ser detectat en el 1956 i els experimentadors que ho van fer van rebre un premi Nobel , encara que va ser quasi 40 anys més tard en el 1995.

Hi han tres tipus de neutrins associats cadascun a l’electró, el muó i la partícula tau. Els neutrins són les úniques partícules elementals neutres (el neutró, composat de tres quarks no és elemental). Els neutrins són les partícules més estranyes: no formen part dels àtoms, no intervenen en la química i són molt lleugers, menys d’un milió la massa de l’electró. Endemés es transmuten entre ells. Cada centímetre quadrat de la regió de la Terra que estigui en dirección perpendicular al Sol és atravessat cada segon per 65.000 milions de neutrins solars.

Es podria pensar que amb el descobriment del Higgs el model standard de la mecànica quàntica està complet i poca feina els queda als físics de partícules. Però, apart d’explicar el misteri de la matèria fosca, el fet de que els neutrins tinguin massa no encaixa en el model standard i, per tant, l’estudi dels neutrins ens pot portar a anar més enllà del model standard. Entre eles preguntes a respondre tenim: Hi han només 3 tipus de neutrins? Per què tots els neutrins són tan lleugers? Són els neutrins les seves pròpies antipartícules? Per què els neutrins es transmuten els uns en els altres? Aquesta transmutació va ser descoberta perquè es va detectar que els neutrins que provenien del Sol eren entre la tercera part i la meitat del que predia el model standard que suposava que els neutrins no tenien massa. Si tenen massa poden oscil.lar entre ells i això explica la discrepància, ja que els detectors que s’havien preparat només podien detectar els neutrins associats amb l’electró.

Els tres tipus de neutrins són levògirs i estan afectats per la força feble, però s’especula amb un altre tipus de neutrí que seria dextrògir i que no interactuaria feblement i, per tant, només estaria subjecte a la molt més dèbil força gravitatòria, la qual cosa el faria encara molt més difícil de detectar. Aquest nou tipus de neutrí, que tindria una gran massa, ajudaria a explicar el perquè les masses dels tres altres neutrins són tan petites. La massa d’aquest nou neutrí no vindria donada per la interacció amb el camp de Higgs com en els cas de les altres partícules. Aquest nou neutrí també portaria com a conseqüència que els neutrins són les seves pròpies antipartícules. Els neutrins podrien també aleshores violar la conservació del nombre de leptons i això explicaria un dels misteris de la física: per què hi ha un excés de matèria sobre la antimatèria.

Una forma d’averiguar si els neutrins són la seva pròpia antipartícula és en un procés anomenat radiactivitat beta doble en el que dos neutrons es transformen simultàniament en dos protons en el nucli de, per exemple, el germani 76 que es transforma en seleni 76. Si no s’observen neutrins vol dir que un aniquila l’altre. Aquesta transformació sense neutrins no ha estat observada de forma convincent. En aquest experiment no es conservaria el nombre de leptons al desaparèixer dos neutrins que són dos leptons.

Un dels possibles resultats de l’accelerador LHC de Ginebra és desxifrar el mecanisme de transmutació dels neutrins observant com decau el bosó de Higgs.

Una altra possibilitat és que existeixi un neutrí anomenat estèril, encara que si existís seria practicament incompatible amb el neutrí dextrògir que hem esmentat més amunt. S’anomena estèril perquè no estaria sotmés a la força feble, ja que si ho fos aleshores el bosó Z hauria de decaure més rapidament del que ho fa. Aquest neutrí no s’acoblaria amb cap altre partícula. Sembla que diversos indicis apunten a l’existència del neutrí estèril.

La col·lisió d’un neutrí amb un protó, observada per primera vegada (13.11.1970) en una cambra de bombolles, es produeix en el lloc d’on surten tres trajectòries

El segle XXI serà el segle del cervell

El segle XX, en la seva primera meitat,  va ser el segle de la física i el desenvolupament de les seves teories cabdals, la relativitat i la mecànica quàntica. En la seva segona meitat, sense oblidar els grans avenços que han continuat tant en física de partícules com en cosmologia, les dues molt relacionades, ha estat el segle de la informàtica i el de la biologia. Totes aquestes ciències continuen els seus desenvolupaments (culminats en el projecte del genoma humà que no s’hagués pogut portar a cap sense l’ajuda de la informàtica) amb les seves implicacions tecnològiques, socials i mèdiques, però ara és el moment del cervell, la nova frontera del coneixement amb projectes milmilionaris tant a la Unió Europea com als E.U.A.  Hi ha uns 10.000 laboratoris a tot el món estudiant el cervell.

Aquest és un món fascinant perquè és el nostre cervell el qui interpreta i conforma la realitat que li subministren els sentits. Aquí en tenim alguns exemples.  Hi han persones que tenen dos ulls normals, però perquè tenen una part danyada del cervell només veuen el que tenen, per exemple, a la seva dreta.  El nostre cervell veu coses quan els ulls estan tancats com, per exemple, en els somnis o quan els ulls parpellegen, cosa que fan constantment.  I, per un defecte de disseny, que prova que l’home no ha estat dissenyat per un gran enginyer sinó que ha estat fruit d’una evolució que improvisa, tenim un punt cec resultat del forat pel qual el nervi òptic surt per la retina i on no hi han fotoreceptors. Però, en general, no ens adonem perquè el cervell ho corregeix.

Si podeu llegir anglés us recomano el llibre de Giulio Tononi “Phi. A Voyage from the Brain to the Soul” on intenta esbrinar el misteri de la consciència.  Quin misteri és aquest?  Es similar, però encara més profund,  que el misteri de la vida del qual he parlat recentment.  El misteri de la vida és com emergeix de la matèria inanimada la vida, un concepte difícil de definir però que podem reconèixer fàcilment. El misteri de la consciència és com emergeix la subjectivitat de la vida, aquest concepte del  jo individual.   L’exemple més important que tenim d’autoconsciència és el de l’home encara que, en menor intensitat, el compartim amb altres espècies. Una de les proves habituals és pintar-li un punt vermell al front d’un ximpanzé mentre està inconscient i comprovar que quan el tornem a posar davant d’un mirall se’l rasca.

La consciència emergeix en cervells complexos. El nostre té unes 80.000 milions de neurones amb uns 80 bilions de connexions entre elles, sense comptar el paper, que cada vegada descobrim que és més important, de les cèl·lules glia.  La gran pregunta és:  pot emergir la consciència en una màquina suficientment complexa? O es necessiten cervells per a tenir consciències?  Probablement abans de que acabi el segle XXI  en tindrem una resposta. 

El que ens va dir Hofstadter en el seu llibre (premi Pulitzer) “Gödel, Escher, Bach: an Eternal Golden Braid” és que la semàntica emergeix de la sintaxis en sistemes suficientment complexos.  Gödel, amb el seu isomorfisme entre els “Principia Mathematica” i l’aritmètica aconsegueix que els “Principia Mathematica” parlin sobre ells mateixos i així va demostrar que eren un sistema incomplet: hi havia proposicions del sistema que no eren formalment demostrables, però eren veritat.  (Els Principia eren un sistema purament formal de símbols desproveïts de significat amb regles deductives ben establertes, pura sintaxis) . Això ens fa pensar que de la complexitat pot emergir la consciència encara que el substrat no sigui biològic.

El llibre de Tononi  entronca amb el de Hofstadter ja que relaciona art amb ciència. De fet, el llibre és un seguit de diàlegs de Galileo amb personatges que representen en Crick, en Turing i en Darwin examinant altres personatges que han patit diversos traumes cerebrals i és una forma amena d’explicar-nos el funcionament del cervell amb exemples històrics bellament il·lustrats amb fotos d’obres d’art.

Douglas Hofstadter                                                                                              Giulio Tononi

        

  

Efectes relativistes cada vegada més detectables

Com alguns ja sabreu el temps és relatiu. Segons la relativitat especial,  per a  una persona que es mou a una certa velocitat el temps va més lent. Segons la relativitat general el temps va més ràpid quan la gravetat és més feble. Per exemple, si dues persones haguessin nascut quan es va crear la Terra i una hagués viscut a la Terra i l’altra al Sol i no haguessin mort en aquests cinc mil milions d’anys, la que estigués a la Terra seria 10.000 més vella. 

 

Això és molt important en el GPS perquè aquí es produeixen dos efectes que en part en compensen, ja que els satèl.lits estan subjectes a una gravetat menor i van a gran velocitat.  Si no es fessin les correccions relativistes en els seus rellotges atòmics l’error en la posició seria de més de 10 km cada dia.

 

   

David Wineland

 

Gràcies a les investigacions del premi Nobel de Física 2012,  David Wineland,  ara disposem de rellotges atòmics tan precisos que poden detectar l’efecte relativista de la disminució del camp gravitatori de la Terra elevant un rellotge atòmic ultraprecís mig metre i podem detectar l’efecte de la velocitat donant-li un d’aquest rellotges a un ciclista.