Explorando la física que conecta el mundo cuántico con el universo clásico

¿Cómo se manifiesta en el mundo cuántico el fenómeno de la temperatura? La temperatura es algo que todos conocemos en nuestra vida cotidiana dentro del universo en su concepción clásica, pero resulta difícil imaginarla en el universo cuántico.

Un experimento en la Universidad Tecnológica de Viena en Austria ha permitido observar directamente la aparición y la propagación de temperatura en un sistema cuántico. Sorprendentemente, las propiedades cuánticas se pierden, aunque el sistema cuántico esté por completo aislado y sin conexión con el mundo exterior.

La conexión entre el mundo microscópico de la física cuántica y el mundo que conocemos por nuestra experiencia cotidiana, la cual está asociada a objetos mucho más grandes, sigue siendo enigmática. Cuando se mide un sistema cuántico, resulta inevitable perturbarlo y que se pierdan algunas de sus propiedades cuánticas.

Se puede preparar, por ejemplo, una nube de átomos de tal modo que cada átomo se encuentre simultáneamente en dos lugares diferentes, formando una superposición cuántica perfecta. Sin embargo, al medir la ubicación de los átomos se destruye esta superposición. Todo lo que queda son átomos ubicados en lugares bien definidos. Se comportan como lo harían objetos clásicos.

En este caso, la medición (un contacto con el mundo exterior) inicia la transición del comportamiento cuántico al comportamiento clásico. ¿Pero qué sucede si un sistema cuántico no recibe influencia alguna del exterior? ¿Pese a ello pueden aparecer propiedades clásicas?

El principio puesto de manifiesto por el experimento. Al inicio de éste, la nube de átomos está en un estado cuántico de orden casi perfecto, simbolizado por átomos grises. Con el paso del tiempo, se pierde este orden cuántico y se extiende el desorden a través del sistema a una velocidad bien definida, un hecho simbolizado por la mezcla de átomos rojos y grises. Este desorden puede ser asociado a la aparición de una temperatura. Las propiedades cuánticas iniciales se pierden únicamente como resultado de interacciones entre los átomos, sin ninguna influencia del mundo exterior. (Imagen: Universidad Tecnológica de Viena)

El equipo de Tim Langen y Jörg Schmiedmayer está estudiando nubes compuestas de varios miles de átomos. Una nube así es lo bastante pequeña para poder aislarla de forma eficaz del resto del mundo, pero es lo suficientemente grande como para estudiar en ella cómo se pierden las propiedades cuánticas.

En el experimento, las nubes de átomos se dividen en dos mitades. Después de cierto tiempo, éstas se comparan entre sí. De esta manera, los científicos pueden medir el grado de conexión mecánica cuántica entre las nubes. Inicialmente, esta conexión es perfecta; todos los átomos están en un estado cuántico altamente ordenado. Pero como la nube es un gran objeto compuesto por miles de partículas, este orden no dura mucho tiempo.

A medida que los átomos interactúan entre sí, comienza a extenderse el desorden a cierta velocidad. Los átomos ubicados en las regiones ya desordenadas pierden sus propiedades cuánticas. A ellos se les puede asignar una temperatura, tal como se hace con un gas clásico. La velocidad con la que se propaga el desorden depende del número de átomos. Esto define una frontera clara entre las regiones que pueden ser descritas por una temperatura clásica y las regiones donde las propiedades cuánticas permanecen inalteradas.

Después de cierto tiempo, el desorden se extiende por toda la nube. La observación trascendental es que esta pérdida de propiedades cuánticas se debe sólo a efectos cuánticos dentro de la nube de átomos, sin ninguna influencia del mundo exterior. En cierto modo, la nube atómica se comporta como su propio universo en miniatura; está aislada del entorno, así que su comportamiento está determinado únicamente por sus propiedades internas.

Hasta ahora, sólo se había conjeturado sobre dicho comportamiento, pero los experimentos realizados por el equipo de Langen y Schmiedmayer demuestran que la naturaleza realmente se comporta de esta manera.

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Desarrollan un catalizador magnético para el tratamiento de aguas residuales industriales

Expertos en Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en España, han desarrollado un catalizador magnético que hace más efectiva y veloz las oxidación de contaminantes orgánicos mediante el reactivo de Fenton, un proceso de oxidación utilizado para el tratamiento de aguas contaminadas con compuestos no biodegradables.

Según demuestra un artículo publicado en la revista Applied Catalysis B: Environmental, las propiedades ferromagnéticas del nuevo catalizador facilitan además su propia recuperación y reutilización en el tratamiento de aguas residuales industriales.

Los investigadores destacan que la estabilidad del catalizador magnético resulta apropiada para la oxidación de distintos clorofenoles, compuestos que representan un grave riesgo para la salud humana y los ecosistemas debido a su elevada toxicidad y persistencia en el medio ambiente.

Una alternativa para el tratamiento de contaminantes no biodegradables presentes en aguas residuales industriales la ofrece actualmente la reacción de Fenton, descrita hace más de un siglo por el químico británico H.J.H. Fenton.

Esta consiste en la oxidación de compuestos orgánicos mediante los radicales libres generados en la descomposición catalítica de agua oxigenada por sales ferrosas. Para su aplicación en aguas contaminadas existen numerosos tipos de catalizadores que, tras cumplir su tarea, deben recuperarse para prevenir una contaminación adicional en las aguas tratadas.

Debido a que deben utilizarse en forma de polvo para lograr la máxima eficacia, estos catalizadores suelen presentar dificultades a la hora de su recuperación. El empleo de catalizadores ferromagnéticos supone por tanto una mejora importante en el proceso, ya que permite la recuperación de los mismos mediante la aplicación de un campo magnético.

En ensayos que fueron realizados en un reactor de vidrio de 500 mililitros, los investigadores evaluaron la actividad del nuevo catalizador en la oxidación de tres clorofenoles.

“Los distintos clorofenoles fueron completamente eliminados del agua tras cuatro horas de reacción, alcanzando un porcentaje de mineralización de la materia orgánica cercano al 75% y obteniendo efluentes carentes de toxicidad”, explica Macarena Muñoz, doctora en Ingeniería Química y primera firmante del trabajo.

“En todos los casos, el catalizador dio lugar a mayores velocidades de eliminación de los clorofenoles y a un mejor aprovechamiento del agua oxigenada, lo que lo convierten, junto a sus propiedades magnéticas, en un catalizador muy interesante para la oxidación de contaminantes no biodegradables”, destaca la investigadora.

Los clorofenoles son actualmente empleados en la fabricación de herbicidas, fungicidas, pesticidas, productos farmacéuticos y pinturas, y forman parte de la lista de contaminantes prioritarios de la Unión Europea. (Fuente: UAM)

Detectan por primera vez una tenue distorsión en la radiación fósil del Big Bang

Gracias al observatorio espacial Herschel de la ESA y a un telescopio de la Antártida, un equipo de astrónomos ha detectado por primera vez una tenue distorsión en la radiación fósil del Big Bang que allana el camino para desvelar los primeros instantes de existencia del Universo.

Esta esquiva señal está relacionada con la distorsión que sufrió la primera luz del Universo en su viaje hacia la Tierra, debida a la influencia de los cúmulos de galaxias y de la materia oscura, una sustancia invisible que sólo se puede detectar de forma indirecta a través de sus perturbaciones gravitatorias.

Este descubrimiento prepara el camino para detectar las ondas gravitatorias generadas durante la fase de rápida ‘inflación’ del Universo, en lo que ya está trabajando la misión Planck de la ESA. 

La radiación fósil del Big Bang – la Radiación Cósmica de Microondas o CMB, por sus siglas en inglés – quedó grabada en el firmamento cuando el Universo tenía apenas 380.000 años. Hoy en día, 13.800 millones de años más tarde, se puede detectar como una señal electromagnética a una temperatura de apenas 2.7 grados por encima del cero absoluto, esparcida por todo el cielo.

Las pequeñas variaciones de la temperatura de esta señal – del orden de unas pocas décimas de millonésima de grado – desvelan fluctuaciones en la densidad del Universo primigenio, las semillas de las estrellas y de las galaxias que vemos hoy en día. La misión Planck de la ESA presentó el mapa más detallado hasta la fecha de estas variaciones de temperatura el pasado mes de marzo.

Sin embargo, la señal CMB contiene mucha más información. Una pequeña fracción de esta radiación está polarizada, como la luz que vemos con gafas polarizadas. Esta característica de la señal sigue dos patrones diferentes: los modos E y los modos B.

Los modos E se descubrieron en el año 2002 gracias a un telescopio en tierra. Los modos B, sin embargo, son mucho más difíciles de detectar, pero mucho más interesantes para los cosmólogos.

Estos modos se pueden generar de dos formas diferentes. La primera está relacionada con la distorsión de la luz cuando atraviesa el Universo, debida a la influencia de las galaxias y de la materia oscura – un efecto conocido como lentes gravitatorias.

Los orígenes de la segunda están ligados a una fase muy rápida de expansión del Universo, que se piensa que tuvo lugar apenas una fracción de segundo después del Big Bang, y que se conoce con el nombre de ‘inflación’.

Un nuevo estudio ha combinado los datos obtenidos por el Telescopio del Polo Sur y por el observatorio espacial Herschel para detectar por primera vez la polarización de modo B de la señal CMB debida a las lentes gravitatorias.

“Hemos logrado medir esta característica de la radiación gracias a una ingeniosa combinación de las observaciones realizadas desde tierra por el Telescopio del Polo Sur – que recogió la luz del Big Bang – y de las observaciones realizadas desde el espacio por Herschel, que es capaz de detectar las galaxias en las que la materia oscura provocó lentes gravitatorias”, explica Joaquín Vieira, del Instituto de Tecnología de California y de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, que dirigió las observaciones de Herschel utilizadas en este estudio.

Gracias a las observaciones de Herschel, los científicos determinaron la distribución de la materia responsable de las lentes gravitatorias a lo largo de la línea de visión, que luego compararon con la polarización de la señal CMB medida por el Telescopio del Polo Sur.

“Es un punto de control muy importante; el hecho de que seamos capaces de detectar la polarización de modo B debida a las lentes gravitatorias presagia que podríamos llegar a detectar un tipo todavía más esquivo de polarización de modo B, la generada durante la inflación del Big Bang”, comenta Duncan Hanson, de la Universidad McGill de Montreal, Canadá, y autor principal del artículo publicado esta semana enPhysical Review Letters.

Los científicos piensan que, durante la fase de inflación, las violentas colisiones entre cúmulos de materia y entre materia y radiación podrían haber generado un océano de ondas gravitatorias. Hoy en día, la huella de estas ondas podría perdurar en una componente de la polarización de modo B de la señal CMB.

Si se logra detectar, esta señal proporcionará información fundamental sobre la infancia del Universo, incluso antes de que se generase la señal CMB, y confirmaría la hipótesis de la inflación.

El año que viene se presentarán los últimos resultados de la misión Planck de la ESA, y el más esperado es si se han detectado estos modos B de polarización. Mientras tanto, Herschel ha ayudado a marcar el camino.

“Es fantástico ver cómo se han utilizado los datos de Herschel de esta forma tan ingeniosa para detectar por primera vez los modos B debidos a las lentes gravitatorias en la polarización de la señal CMB”, explica Göran Pilbratt, Científico del Proyecto Herschel para la ESA. “Este trabajo es un nuevo ejemplo del valioso legado de Herschel”.

Emplean sistema de microondas para eliminar exceso de sudor

Por medio de una tecnología que emplea un sistema de microondas, un grupo de investigadores ha podido reducir y eliminar el exceso de sudor en las axilas hasta en un 80 por ciento. Se trata de un proceso que sugieren aplicarlo en dos ocasiones a las personas que padecen hiperhidrosis, es decir, que las glándulas sudoríparas son hiperactivas y producen 10 veces más de lo que necesita el cuerpo para enfriarse.

Esta tecnología consiste en destruir las células de las glándulas sudoríparas, y ya se aplica en diversas instituciones médicas privadas en México. 

El ingeniero Steve Kim, creador del sistema no invasivo, explica: primero se examina el área que va a recibir el tratamiento --debajo del brazo--, después el médico con una planilla determina el tamaño del área a tratar, se pone un “tatuaje” temporal que cumple la función de una marca donde el especialista coloca el aparato y punto por punto trata la zona axilar.

Detalla que cuando se coloca el aparato en un punto específico de la axila, la energía de microondas que está a 12.5 milímetros de profundidad de donde se encuentran las glándulas sudoríparas, lo que hace es absorber de manera fácil el agua de éstas.

“Como se mueven las moléculas de agua y crean calor, se eleva la temperatura a 70 grados en dicho lugar. A dicha temperatura se destruyen las células de las glándulas sudoríparas y eventualmente el cuerpo elimina el tejido muerto”.

Kim detalla que mediante dos sesiones en las que se aplica energía de microondas han podido eliminar entre el 80 y 90 por ciento de las glándulas sudoríparas y así evitar el exceso de sudor.

Cabe señalar que la función primaria del sudor es regular la temperatura corporal porque se permite al cuerpo refrescarse, y la segunda función es liberar toxinas.

Steve Kim, tecnólogo de origen estadunidense, indica que la investigación demostró que al eliminar las glándulas sudoríparas no se afecta la salud de la persona: “la sudoración de la axila sólo representa del uno al dos por ciento de la que genera todo el cuerpo; eliminar esa porción no afecta la acción regulatoria de temperatura ni eliminación de toxinas, todavía se tiene 98 por ciento de glándulas disponibles”.

De acuerdo con el estudio previo, antes de concretar el sistema llamado Miradry, se consultó a un porcentaje significativo de la población en Estados Unidos, y más de dos mil personas confesaron haber sentido molestias por el exceso de sudor.

Al respecto Héctor Leal, médico cirujano y especialista en dermatología del Instituto de Dermatología de Monterrey, señala que en México se presentan casos similares de personas que durante reuniones de trabajo o sociales han tenido malas experiencias con el exceso de sudor en las axilas; por ello, la tecnología ya está en diversos hospitales del país, dos sesiones no invasivas y sin necesidad de bisturí son suficientes para eliminarlo de manera permanente.

La tecnología de microondas se usa en Estados Unidos y Europa en tratamiento de cáncer, enfermedades neurológicas y diversos tipos de cirugías. En un futuro, el equipo de investigación planea usar la técnica para resolver problemas de acné, arrugas, reducir grasa y eliminar bello corporal. (Fuente: AGENCIA ID/DICYT)

Una supercomputadora realiza la mayor emulación lograda hasta ahora de la red neuronal del cerebro

Al explotar a fondo las capacidades de una supercomputadora japonesa, la conocida como "Computador K", se ha conseguido realizar la mayor simulación de una red neuronal general hasta la fecha.

La simulación pudo ejecutarse gracias al desarrollo de nuevas y avanzadas estructuras de datos para el software de simulación NEST. La relevancia de este logro para la neurociencia radica en que el NEST es un software de código abierto, disponible gratuitamente para todos los científicos del mundo.

En los trabajos relacionados con la simulación intervinieron expertos del Instituto RIKEN, el Instituto Tecnológico de Okinawa, y el centro de Investigación de Jülich, las dos primeras instituciones en Japón y la última en Alemania.

Utilizando el NEST, el equipo de Markus Diesmann y Abigail Morrison, ambos actualmente en el Instituto de Neurociencia y Medicina de Jülich, pudo simular una red consistente en 1.730 millones de células nerviosas conectadas por 10,4 billones (millones de millones) de sinapsis. Para conseguir esto, el programa utilizó 82.944 procesadores del Computador K. El proceso necesitó 40 minutos para completar la simulación de 1 segundo de actividad de la red neuronal en tiempo real, es decir, biológico.

Aunque la red simulada es muy extensa, sólo representa un 1 por ciento de la red neuronal de nuestro cerebro. Las células nerviosas fueron conectadas al azar y la simulación en sí no se suponía que debiera conseguir avances en el conocimiento científico del cerebro. El propósito de este experimento fue probar el límite de la tecnología de simulación desarrollada en el proyecto, y las capacidades del Computador K. En el proceso, los investigadores adquirieron una cantidad importante de experiencia que los guiará en la elaboración de nuevos programas informáticos de simulación.

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Atlas de Vesta a una escala similar a la de un mapa de carreteras

Si fuera posible circular en automóvil por Vesta, el atlas que se ha confeccionado a partir de las observaciones hechas de ese astro por la sonda espacial Dawn sería lo más parecido a la colección de mapas de carreteras del lugar.

Este atlas es ahora de acceso público para que cualquiera para explorarlo vía internet.

El conjunto de mapas fue creado a partir de mosaicos de 10.000 imágenes tomadas por la Dawn a baja altitud, unos 210 kilómetros (130 millas).

Los mapas, en su mayoría, están hechos a una escala similar a la de los mapas regionales de las carreteras.

Vesta es un asteroide gigante al que también se puede considerar un protoplaneta.

El atlas consta de 29 mapas con tres proyecciones diferentes: Mercator para las regiones ecuatoriales, proyecciones cónicas de Lambert para las latitudes medias y una proyección estereográfica para la cuenca Rheasilvia en el polo sur de Vesta.

Para facilitar la confección y consulta del Atlas, se ha establecido un sistema de coordenadas geográficas, en el cual los 0 grados de longitud de Vesta están fijados cerca del pequeño cráter Claudia, que mide 620 metros de diámetro y está ubicado a 1,66 grados de latitud Sur y 356 grados de longitud Este.

Aunque Vesta, con sus 530 kilómetros de diámetro, es mucho más pequeño que la Tierra con sus 12.700, tiene desniveles tan grandes como los de Tierra. Por ejemplo, en el polo sur, los contornos del cráter Severina alcanzan una profundidad de 18 kilómetros (11 millas).

El atlas es accesible aquí

http://dawn_gis.dlr.de/atlas_dir/lamo/index.html

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Producción de aminoácidos en las superficies de lunas heladas

Un nuevo estudio respalda la teoría de que cuando un cometa impacta contra un planeta, crea una onda de choque capaz de generar moléculas precursoras de aminoácidos. La acción de la onda de choque también genera calor, que puede entonces transformar estas moléculas en aminoácidos. Estos bloques de construcción esenciales pueden también ser producidos si un meteorito rocoso impacta contra un planeta cuya superficie es de hielo.

La abundancia de hielo sobre las superficies de Encélado y Europa, lunas que orbitan a Saturno y a Júpiter respectivamente, podrían ofrecer un ambiente propicio para la producción de aminoácidos, cuando los meteoritos impactan contra su superficie, tal como argumentan los autores de este nuevo estudio. Este hallazgo subraya además la importancia de las futuras misiones espaciales a estas lunas para buscar en ellas signos de vida.

El equipo de investigación, integrado por científicos del Imperial College de Londres, la Universidad de Kent en el Reino Unido y el Laboratorio Nacional Estadounidense Lawrence Livermore en California, hizo su descubrimiento al recrear el impacto de un cometa recurriendo para ello a disparar proyectiles mediante un artefacto, instalado en la Universidad de Kent, que utiliza gas comprimido para propulsar proyectiles a velocidades de 7,15 kilómetros por segundo a fin de que impacten contra blancos hechos de mezclas de hielo, las cuales tienen una composición similar a la de los cometas.

Cada vez hay más indicios de que el impacto de cometas contra astros que reúnan ciertas condiciones puede provocar en ellos reacciones químicas complejas, algunas capaces de hacer aparecer aminoácidos. (Imagen: Recreación artística por Jorge Munnshe en NCYT de Amazings)

El impacto resultante creó aminoácidos como la glicina, la D-alanina y la L-alanina.

"Nuestro trabajo muestra que los bloques de construcción básicos para la vida pueden ser ensamblados en cualquier parte del sistema solar y quizá más lejos", declara contundentemente Zita Martins, del Imperial College de Londres, coautora del estudio. Ella ya participó tiempo atrás en una investigación pionera, sobre la cual los redactores de NCYT de Amazings escribimos un artículo (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/020708a.html) publicado el 2 de julio de 2008, y en la que se planteaba la posibilidad de que algunos de los ingredientes de la vida en la Tierra hubieran venido de fuera de ella. La línea de investigación definitiva se concretó sin embargo un par de años después, en un estudio en el que el equipo de Nir Goldman, otro coautor del nuevo estudio, presentó la idea básica que ahora se ha corroborado. En aquel estudio, sobre el que los redactores de NCYT de Amazings también escribimos un artículo (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/181010d.html) publicado el 18 de octubre de 2010, ya se hicieron simulaciones de dinámica molecular sobre la compresión por choque en una mezcla típica de hielo cometario a presiones y temperaturas altas. Y los resultados que se obtuvieron indicaron que, bajo las condiciones adecuadas, la cadena de fenómenos iniciada por un impacto cósmico de esa clase pudo conducir a la formación de aminoácidos precursores de proteínas.

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