EL TRABAJO CIENTIFICO

El estudio de la evolución proporciona un ejemplo excelente de cómo los científicos abordan su trabajo. Observan la naturaleza y realizan preguntas acerca del mundo natural; preguntas que pueden ser puestas a prueba mediante experimentos y nuevas observaciones, y elaboran hipótesis acerca de la evolución basadas en evidencias comprobables. A medida que los científicos recopilan nuevos resultados y hallazgos, continúan refinando sus ideas. Las hipótesis formuladas pueden ser alteradas o incluso rechazadas de plano si sale a la luz alguna evidencia convincente que las contradiga. Algunas hipótesis científicas están tan bien establecidas que no parece posible que ninguna evidencia nueva pueda alterarlas. Estas hipótesis ampliamente aceptadas y sólidamente fundamentadas se convierten en teorías. En el lenguaje popular una teoría significa una corazonada o una especulación. No es así en ciencia. En ciencia, la palabra teoría se refiere a una explicación exhaustiva de una característica importante de la naturaleza que esta fundada en multitud de hechos recopilados a lo largo del tiempo. Las teorías también permiten a los científicos hacer predicciones acerca de fenómenos todavía no observados.
Un buen ejemplo es la teoría de la gravedad. Tras cientos de años de observaciones y experimentos, los hechos básicos de la gravedad fueron comprendidos. La teoría de la gravedad es la explicación de esos hechos básicos. Luego los científicos usan la teoría para hacer predicciones acerca de cómo la gravedad funcionará en diferentes circunstancias. Dichas predicciones se han verificado en incontables experimentos, confirmando la teoría. La evolución reposa sobre unos cimientos igualmente sólidos, formados por observación, experimentación y evidencias que confirman su validez.

QUARKS Y GLUONES

Uno de los mayores retos teóricos a los que se enfrentan los físicos es comprender cómo las partículas elementales más diminutas dan lugar a la mayor parte de la masa visible del universo.
Las diminutas partículas conocidas como quarks y gluones son los bloques constituyentes para partículas mayores como protones y neutrones, los cuales a su vez forman átomos. Sin embargo, los quarks y gluones se comportan de forma muy distinta a esas partículas mayores haciendo que su estudio sea más difícil.
John Negele, Profesor W.A. Coolidge de Física en el MIT, habló sobre la teoría que gobierna las interacciones de quarks y gluones, conocida como cromodinámica cuántica (QCD), durante una presentación el 17 de febrero en la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en Boston.
Negele describió cómo los científicos usan supercomputadores y un concepto llamado Teoría de Campo Reticular para imaginar el comportamiento de los quarks y gluones, las partículas más pequeñas conocidas.
“La búsqueda de la comprensión de los bloques fundamentales que forman la naturaleza ha llevado a la exploración de sucesivas capas de mundos dentro de mundos”, dijo Negele, que también ostenta un cargo en el Laboratorio de Ciencia Nuclear del MIT.
Las moléculas se construyen a partir de átomos, los átomos de electrones y núcleo, el núcleo de protones y neutrones. Esas interacciones se comprenden bastante bien. El siguiente paso en el proceso es desvelar las interacciones entre quarks y gluones, las cuales son radicalmente distintas de aquellas observadas en partículas mayores y necesitan de una aproximación distinta para estudiarlas.
Hay varios factores que hacen que el estudio de las interacciones entre quarks y gluones sea más complejo. Por ejemplo, los quarks están confinados en partículas mayores, por lo que no pueden ser separados y estudiados de forma aislada. También, la fuerza entre dos quarks se hace mayor conforme se alejan, mientas que la fuerza entre un núcleo y un electrón, o dos nucleones en un núcleo, se hacen menores conforme su separación aumenta.
Estas diferencias pueden explicarse mediante la propiedad de libertad asintótica, por la cual David Gross, David Politzer y el profesor de física del MIT Frank Wilczek, compartieron el Premio Nobel de 2004. Esta propiedad describe cómo la fuerza generada por el intercambio de gluones se hace más débil cuando los quarks se acercan y aumenta cuando los quarks se separan. Como consecuencia, ninguna de las técnicas analíticas usadas para resolver con éxito los problemas de física atómica y nuclear puede usarse para analizar los quarks y gluones.
En lugar de esto, los físico usan la Teoría de Campo Reticular para estudiar las interacciones QCD. Usando potentes supercomputadores, los investigadores pueden analizar la QCD representando el espacio-tiempo en una retícula de cuatro dimensiones de puntos discretos, como un cristal.
Los cálculos están siendo realizados por ordenadores especialmente construidos para este propósitos, tales como el BlueGene/L de 360 Teraflops en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
En su charla, Negele describió las ideas básicas de cómo se resuelve la QCD usando una retícula de espacio-tiempo y mostró resultados seleccionados de los cálculos de propiedades de protones, neutrones y otras partículas de interacciones fuertes.

GRAVEDAD CUANTICA DE BUCLES

Los orígenes de la Gravedad Cuántica de Bucles pueden rastrearse hasta los años 80, cuando Abhay Ashtekar, ahora en la Universidad de Pennsylvania State en University Park, rescribió las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General en un marco de trabajo cuántico. Smolin y Carlo Rovelli de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia, desarrollaron más tarde las ideas de Ashtekar y descubrieron que en el nuevo marco de trabajo, el espacio no es suave y continuo sino que consta de trozos indivisibles de 10-35 metros de diámetro. La Gravedad Cuántica de Bucles define el espacio-tiempo como una red de enlaces abstractos que conecta estos volúmenes de espacio, más que como nodos enlazados en un mapa de ruta aérea.
Desde el principio, los físicos notaron que estos enlaces podrían curvarse sobre otros para formar estructuras similares a trenzas. Lo curioso de estas trenzas era, sin embargo, que nadie comprendía su significado. "Ya conocíamos las trenzas en 1987", dice Smolin, "pero no sabíamos si correspondía a algo físico".
Entra Sundance Bilson-Thompson, un físico de partículas teóricas de la Universidad de Adelaida en el Sur de Australia. Sabía poco sobre la gravedad cuántica cuando, en 2004, comenzó a estudiar un viejo problema de la física de partículas. Bilson-Thompson trataba de comprender la verdadera naturaleza de lo que los físicos piensan que son las partículas elementales – aquellas sin subcomponentes conocidos. Estaba perplejo por la plétora de estas partículas en el modelo estándar, y comenzó a preguntarse cómo serían en realidad las partículas elementales. Como primer paso hacia las respuestas de esta pregunta, desempolvó algunos modelos desarrollados en los años 70 que postulaban la existencia de unas entidades más fundamentales llamadas preones.
Así como los núcleos de los distintos elementos están formados por protones y neutrones, estos modelos basados en preones sugieren que los electrones, quarks, neutrinos y cualquier otra cosa, están hechos de unas partículas hipotéticas más pequeñas que portan la carga eléctrica e interactúan unas con otras. Los modelos finalmente se toparon con problemas, sin embargo, debido a que predecían que los preones tendrían más energía que las partículas de las que se suponían formaban parte. Este error fatal hizo que los modelos se abandonasen, aunque no se olvidasen por completo.

CAFE Y DIABETES

Reducir la cafeína podría ayudar a quienes padecen la forma más generalizada de diabetes a controlar mejor sus niveles de azúcar en sangre, declararon los científicos el lunes pasado.
El suministro de cafeína a un pequeño grupo de personas que padecen diabetes de tipo 2 hizo que sus niveles de glucosa en sangre aumentaran a lo largo del día, en especial después de las comidas, según ha descubierto el Centro Médico de la Universidad Duke de Durham, Carolina del Norte.
En una entrevista telefónica, James Lane (el psicólogo médico de Duke que dirigió el estudio) declaró "La cafeína parece alterar el metabolismo de la glucosa de manera que puede ser dañina para quienes padecen diabetes de tipo 2".
La cafeína se encuentra en el café, en el té y en muchos refrescos.
La diabetes es una situación en la que los niveles de glucosa en sangre del individuo son excesivamente altos. Un exceso de glucosa en sangre puede dañar los ojos, los riñones y los nervios, y la diabetes también puede originar enfermedades cardiovasculares, apoplejías y amputación de miembros.
La diabetes de tipo 2 es la forma más ligada a la obesidad.
Los nuevos descubrimientos parecen estar en contradicción con investigaciones anteriores sobre diabetes y cafeína. Estudios anteriores indicaban que quienes bebían café presentaban un riesgo reducido de diabetes tipo 2, y quienes bebían más café presentaban el riesgo más bajo.
Los investigadores han utilizado una nueva tecnología (un diminuto monitor de glucosa insertado bajo la piel del abdomen) para evaluar continuamente los niveles de glucosa de 10 pacientes, con un promedio de edad de 63 años.
Los días en que los participantes recibían cuatro tabletas de cafeína, equivalentes a cuatro tazas de café, sus niveles medios diarios de azúcar aumentaban en un 8 por ciento en comparación con los días en los que esas mismas personas recibían cuatro tabletas placebo, declaran los investigadores en la publicación Diabetes Care.

EL SANTO GRIAL DE LA FISICA

Isaac Newton escribió su teoría de la gravedad en 1689, y sus ecuaciones siguen usándose hoy en día para enviar a sondas espaciales a los límites exteriores del sistema solar.
Entonces ¿qué es lo que posiblemente no esté funcionando en nuestra comprensión de la gravedad?
No obstante, hay problemas con la teoría de Newton. No describe demasiado bien la órbita de Mercurio, el planeta más cercano al Sol, y tal y como Newton sabía muy bien, no dice nada en absoluto sobre qué es realmente la fuerza de la gravedad.
Hubo que esperar más de 200 años para que el genio de Albert Einstein descubriese una teoría más profunda.
La teoría general de la relatividad de Einstein describe a la fuerza que llamamos gravedad, como el resultado de los pliegues y curvas del espacio y del tiempo (o más precisamente “espaciotiempo”) causados por objetos pesados como el Sol y la Tierra.
El Espacio tiempo está curvado.Este es un concepto extraño, pero muchos de nosotros usamos a diario la teoría de Einstein cuando entramos en nuestros coches y activamos el sistema de navegación por satélite.
Sorprendentemente, el hecho de que la Tierra pliegue el tiempo, ha de ser tenido en cuenta, pues de otro modo nuestros sistemas de posicionamiento errarían 11 kilómetros cada día.
Los observatorios Ligo intentan descubrir ondas gravitacionales. La teoría del espaciotiempo curvado de Einstein predecía de forma impecable la órbita de Mercurio y muchos otros fenómenos extremos del universo.
Tal vez, la prueba más compleja de la teoría de Einstein vino de los púlsares binarios: dos estrellas tan masivas como el sol, pero encogidas hasta tener el tamaño de una ciudad, que se orbitan la una a la otra miles de veces por segundo.
Einstein predijo que estas exóticas estrellas deberían retorcerse hacia dentro en espiral, la una hacia la otra, a medida que liberan energía en forma de ondas gravitatorias. Estos cambios en la violenta danza de los púlsares binarios ya han sido observados, y suceden al ritmo predicho por Einstein, pero las ondas gravitatorias propiamente dichas siguen sin ser vistas. Este es el objetivo de los observatorios Ligo cerca de Seattle y Nueva Orleáns.
Las ondas gravitatorias, tal y como las predijo Einstein, son uno de los fenómenos más extraños de la naturaleza.
¡Son una porción de espacio tiempo que viaja, se estira y se encoge! Si existen, deberían estar atravesándote en este momento, mientras lees este artículo, acelerando y retrasando tu reloj, y estirando y encogiendo tu cabeza, afortunadamente en una cantidad menor al tamaño de una partícula subatómica.
Así pues no las sientes, pero de forma notable, los observatorios Ligo podrían ver sus efectos. La observación de ondas gravitatorias podría ser otro triunfo extraordinario para Einstein, pero ni siquiera esto satisfaría a físicos como yo.
Las leyes de Einstein deben romperse en los corazones de los agujeros negros.
Y esto es así porque sabemos que existen lugares en el universo donde Einstein debe fracasar. En el corazón de un agujero negro, soles gigantescos colapsados en un solo punto de densidad infinita, la teoría de Einstein se rompe.
E incluso de forma más importante, si retrocedemos hasta el comienzo del tiempo, el propio Big Bang, la imagen del espacio y del tiempo dada por Einstein deja de ser adecuada. Nosotros, los físicos, nos enfrentamos de este modo a un problema muy profundo. Si queremos entender verdaderamente cómo, e incluso tal vez por qué, comenzó el universo, entonces debemos conocer qué aspecto tenían el espacio y el tiempo justo en el momento de su nacimiento.
Tal teoría, si existe, se conocería por lo que se ha dado en llamar teoría cuántica de la gravedad, una teoría que suplante a la de Einstein y funcione no solo en el mundo de los planetas, estrellas y galaxias, sino también en el mundo subatómico de los agujeros negros, y en el propio instante en que comenzó el universo.
Esta búsqueda es el “santo grial” de los físicos del siglo XXI.

DIMENSIONES EXTRA

Cuando el mayor acelerador de partículas del mundo comience a funcionar a finales de este año, nuevas partículas exóticas pueden ofrecer un destello de la existencia y formas de dimensiones extra.
Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de California-Berkeley dicen que las reveladoras firmas de dejadas por una nueva clase de partículas podrían distinguir entre posibles formas de dimensiones espaciales extra, predichas por la Teoría de Cuerdas.
La Teoría de Cuerdas, que describe las partículas fundamentales del universo como diminutas cuerdas vibrantes de energía, sugiere la existencia de seis o siete dimensiones espaciales invisibles además del tiempo y las tres dimensiones espaciales que vemos habitualmente.
De la misma forma que un instrumento musical determina su sonido, la forma de estas dimensiones determina las propiedades y comportamiento de nuestro universo de cuatro dimensiones, dice Gary Shiu, autor principal de un artículo que apareció en el ejemplar del 25 de enero de la revista Physical Review Letters.
“La forma de las dimensiones es crucial debido a que, en la Teoría de Cuerdas, la forma en que la cuerda vibra determina el patrón de las masas de la partículas y las fuerzas que sentimos”, dice el profesor de física de la UW-Madison.
Calibrar tal forma debería avanzar nuestro conocimiento y predicciones del mundo de cuatro dimensiones, dice Shiu. “Hay una miríada de posibilidades de formas para las dimensiones extra. Sería útil conocer una forma de distinguir unas de otras y tal vez usar los datos experimentales para restringir el conjunto de posibilidades”.
Tal evidencia experimental podría aparecer en los datos de un nuevo acelerador de partículas, el Gran Colisionador de Hadrones, preparado para que empiece su funcionamiento a finales de este año en Ginebra, Suiza.
En un acelerador, el impacto frontal de núcleos atómicos a casi la velocidad de la luz puede crear brevemente partículas de alta energía muy inestables, las cuales decaen rápidamente en una lluvia de otras de menor energía que son detectables. Los patrones característicos de decaimiento sirven como huellas de las efímeras partículas exóticas y, posiblemente, la forma de las dimensiones invisibles.
Junto a sus colegas Bret Underwood y Kathryn Zurek de la UW-Madison y Devin Walker de la UC-Berkeley, Shiu demuestra en el nuevo estudio que los patrones de firma de partículas conocidas como gravitones Kaluza-Klein (KK) pueden distinguir entre geometrías extra-dimensionales propuestas.
¿Cómo? Shiu compara el efecto a una sala oscura en la que los patrones de sonido que resuenan en los muros pueden revelar la forma de la sala. De forma similar los gravitones KK son sensibles a las formas de las dimensiones extra y, a través de su decaimiento, pueden revelar pistas sobre tal forma.
El actual estudio muestra que, en simulaciones, incluso las pequeñas variaciones geométricas llevan a diferencias visibles en las firmas de los gravitones KK, dice Underwood.
Basándose en esos resultados, dice Shiu, “Al menos en principio, se pueden usar los datos experimentales para comprobar y restringir la geometría de nuestro universo”.
El año pasado, Shiu y Underwood informaron de que las pistas para geometrías dimensionales podrían ser visibles en los patrones de la radiación cósmica dejada por el Big Bang. El nuevo trabajo complementa la aproximación anterior, dicen. “Cuantas mayores pistas tengamos, mejor idea tendremos sobre la física subyacente”, dice Shiu.
Underwood añade, “Si los datos de la cosmología y la física de partículas concuerdan, es una indicación de que estamos en el camino correcto”.
El trabajo fue patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencia, el Departamente de Energía de los Estados Unidos, la Research Corp. Y la Comunidad Presidencial de la Universidad de California.