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La nueva versión ha realizado en 4,2 horas un cálculo tres órdenes de magnitud más difícil que el anterior. Una computadora clásica habría tardado miles de años en completarlo

Esquema del procesador cuántico chino Zuchongzhi - Universidad de Ciencia y Tecnología de China

Hace apenas unos meses, a mediados de julio, China reclamó la 'supremacía cuántica' al conseguir que su ordenador Zuchongzhi consiguiera, en apenas 70 minutos, resolver un problema para el que el mejor de los ordenadores clásicos habría necesitado ocho años. Ahora, el mismo equipo de investigadores ha actualizado su computadora cuántica, que esta vez ha conseguido resolver en apenas 4,2 horas un cálculo que cualquier otro ordenador habría tardado miles de años en completar. Esta demostración de lo que los propios científicos han denominado 'ventaja computacional cuántica' se consiguió utilizando 6 qubits (bits cuánticos) más de los que utilizó el equipo de Google en 2019. Los resultados del experimento aparecen ya en el servidor de prepublicaciones arXiv.

' Supremacía cuántica' es el nombre que se le da al punto en que un ordenador cuántico demuestra su capacidad para completar un cálculo que una computadora clásica no podría realizar en un plazo razonable de tiempo. En 2019, Google anunció por primera vez haber llegado a este punto cuando su procesador Sycamore logró simular en un tiempo récord un circuito cuántico y muestreó números aleatorios a su salida. Se trataba de una prueba de concepto, sin aplicaciones prácticas, pero sirvió para demostrar que los ordenadores cuánticos eran una realidad.

La guerra por la 'supremacía cuántica'

El equipo de Google utilizó entonces 54 qubits (aunque solo funcionaron 53) para llevar a cabo, en 200 segundos, un cálculo que a una computadora clásica le habría llevado 10.000 años. Poco después, sin embargo, IBM refutó estos resultados al asegurar que sus propias máquinas (clásicas), podían hacer lo mismo en 2,5 días, y no en miles de años.

Apenas unos meses después, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) consiguió resolver un problema mucho más difícil que el cálculo de Google. Y lo logró en apenas 70 minutos. El procesador, Zuchongzhi, tenía 66 qubits, pero para esa prueba solo se utilizaron 56, tres más de los que había usado Google.

Y ahora, actualizando el mismo procesador, (Zuchongzhi 2.1), el mismo equipo ha utilizado 60 qubits para resolver un problema que, según los investigadores, es otros tres órdenes de magnitud más difícil que el de su experimento anterior.

«Las computadoras cuánticas -escriben los científicos chinos en su artículo- están surgiendo con la promesa de resolver ciertas tareas computacionales exponencialmente más rápido que las computadoras clásicas actuales. Limitada por el desarrollo de hardware cuántico, la computación cuántica ha estado en la etapa de demostraciones a pequeña escala durante varias décadas en el pasado. Recientemente, gracias al progreso significativo en las plataformas superconductoras y fotónicas, el tan esperado hito de la ventaja o supremacía de la computación cuántica se ha logrado utilizando los procesadores cuánticos Sycamore, Jiuzhang y Zuchongzhi sucesivamente. Estos procesadores cuánticos con docenas de qubits revelan un potencial notable para que la computación cuántica ofrezca nuevas capacidades para aplicaciones a corto plazo, como la simulación cuántica, el aprendizaje de máquinas cuánticas y la computación cuántica en la nube».

No obstante, los autores consideran que «la ventaja computacional cuántica será una competición a largo plazo entre la simulación clásica y los dispositivos cuánticos, en lugar de ser una demostración experimental única». De hecho, «los algoritmos de simulación clásica siguen evolucionando», hasta el punto de que «están casi a punto de anular la ventaja computacional cuántica que ha logrado Sycamore». Por ello, «el hardware cuántico debe actualizarse continuamente para mantener la ventaja computacional cuántica».

En su artículo, Qingling Zhu y sus colegas afirman que su procesador actualizado tiene 'menos ruido' y es más fiable que el anterior, y que en el futuro tratarán de mejorar la corrección de errores, uno de los principales problemas a superar por la computación cuántica.

Fuente: ABC Ciencia

¿Cuál es el futuro que les espera a los planetas de nuestro sistema solar?

No es muy halagüeño (aunque aún falta mucho).

Durante los próximos 5.000 millones de años, se estima que la temperatura y densidad del núcleo solar aumenten espectacularmente. Las capas exteriores seguirán expandiéndose y el Sol se convertirá en una estrella gigante roja. Luego, Mercurio, Venus y posiblemente la Tierra, acabarán engullidos por nuestra estrella.

Finalmente, el Sol acabará como una enana blanca, una estrella densa que va enfriándose poco a poco pero que, aunque no produzca energía, emite luz y calor debido a su actividad solar previa. Ya no contará con combustible nuclear.

La nebulosa planetaria NGC 2440, por ejemplo, contiene una de las más populares estrellas enanas blancas conocidas. Así acabará nuestro sol en 5 millones de años.

Fuente: Muyinteresante.es

Científicos creen que ciertos resultados inexplicables de este experimento podrían haber sido causados por energía oscura y no por materia oscura.

iStock

La energía oscura, la fuerza misteriosa que hace que el universo se acelere, podría haber sido la responsable de los resultados inesperados del experimento XENON1T, situado debajo de los Apeninos de Italia.

¿Hemos detectado energía oscura?

El universo visible, las galaxias, las estrellas... todo ello apenas representa menos del 5% del universo. ¿Qué es lo que resta? Oscuridad. Aproximadamente el 27% de nuestro cosmos está compuesto de materia oscura, esa fuerza invisible que mantiene unidas a las galaxias y la red cósmica. El 68% que resta es energía oscura, lo que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.

Ahora, una nueva investigación, dirigida por investigadores de la Universidad de Cambridge (Inglaterra), sugiere que algunos resultados inexplicables del experimento podrían haber sido causados por la energía oscura, y no por la materia oscura, que es para lo que fue diseñado tal experimento.

Los investigadores construyeron un modelo físico para ayudar a explicar los resultados. La conclusión es que este trabajo podría indicar un paso importante en la detección de energía oscura a partir de partículas de energía oscura producidas en una región del Sol con fuertes campos magnéticos.

Materia oscura, energía oscura

"A pesar de que ambos componentes son invisibles, sabemos mucho más sobre la materia oscura, ya que se sugirió su existencia ya en la década de 1920, mientras que la energía oscura no se descubrió hasta 1998", comenta Sunny Vagnozzi del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge y líder del estudio que publica la revista Physical Review D. "Los experimentos a gran escala como XENON1T han sido diseñados para detectar directamente la materia oscura, mediante la búsqueda de signos de que la materia oscura 'golpee' la materia ordinaria, pero la energía oscura es aún más esquiva".

¿Cómo se detecta la energía oscura?

Lo que hacen los científicos es buscan interacciones gravitacionales: la forma en que la gravedad arrastra los objetos. Y, a escalas más grandes, el efecto gravitacional de la energía oscura es repulsivo, aleja las cosas unas de otras y acelera la expansión del universo. Y es lo que, hace aproximadamente un año, detectó el experimento XENON1T: una señal inesperada sobre el fondo. ¿Una casualidad?

"Exploramos un modelo en el que esta señal podría atribuirse a la energía oscura, en lugar de a la materia oscura para la que se diseñó originalmente el experimento", aclaran los autores.

Partieron de un modelo para mostrar lo que sucedería en el detector si la energía oscura se produjera en una región particular del Sol, llamada tacoclina, donde los campos magnéticos son particularmente fuertes. "Fue realmente sorprendente que este exceso pudiera, en principio, haber sido causado por la energía oscura en lugar de la materia oscura", dijo Vagnozzi. "Cuando las cosas encajan así, es realmente especial".

Serán necesarios muchos más experimentos en el futuro para confirmar esta hipótesis, pero si el exceso fue el resultado de la energía oscura, las próximas actualizaciones del experimento XENON1T representarían la posibilidad de detectar directamente la energía oscura en la próxima década.

Fuente: ABC Ciencia

Se trata de las mismas moléculas que hicieron posible la vida en la Tierra. El hallazgo implica que algo similar podría haber sucedido en otros muchos mundos

Los planetas nacen ya con una importante reserva de moléculas precursoras de la vida. Ese es el espectacular resultado obtenido por un extenso equipo de investigadores de decenas de instituciones científicas de tres continentes tras analizar las "huellas dactilares" de la luz emitida por los discos de material alrededor de cinco estrellas jóvenes, discos a partir de los cuales se forman después los planetas. Se trata de uno de los mayores esfuerzos científicos realizados hasta ahora para determinar lo común podría ser la vida en otros lugares del Universo.

El trabajo, que fue llevado a cabo con el interferómetro ALMA, un enorme radiotelescopio formado por 66 antenas individuales (de siete y doce metros de diámetro cada una) y operado por investigadores de Europa, Norteamérica y Asia, consta de veinte artículos diferentes, numerados bajo el epígrafe "MAPS" (Moléculas con ALMA a escalas de formación planetaria). Todos ellos se publicarán próximamente en una edición especial de The Astrophysical Journal Supplement Series. Los veinte artículos, sin embargo, se pueden consultar ya en el servidor de prepublicaciones arXiv.

John Ilee, de la Universidad de Leeds y primer firmante de uno de los artículos (el IX), asegura que en su conjunto, los hallazgos sugieren que las condiciones químicas básicas que dieron lugar a la vida en la Tierra podrían existir también en muchos otros mundos de la Galaxia.

Los 'ladrillos' de la vida

La "significativa reserva" de grandes moléculas orgánicas fue identificada en el interior de discos protoplanetarios alrededor de estrellas recién nacidas. Cuando nuestro Sistema Solar se estaba formando, un disco similar también rodeó al joven Sol. Y a partir de ese disco, hecho del material sobrante de la formación de nuestra propia estrella, surgieron poco después los planetas que ahora integran nuestro Sistema Solar. La presencia de esas moléculas resulta significativa porque constituyen un paso intermedio entre moléculas más simples basadas en carbono, como el monóxido de carbono, que se encuentra en abundancia en el espacio, y las moléculas más complejas que se requieren para crear y mantener la vida.

El equipo de Ilee, formado por astrofísicos de 16 universidades diferentes, se centró en estudiar la existencia, ubicación y abundancia de esas moléculas precursoras En palabras del investigador, "estas grandes moléculas orgánicas complejas se encuentran en varios entornos por todo el espacio. Estudios anteriores habían sugerido que estas moléculas son los 'ingredientes crudos' necesarios para construir otras moléculas, que a su vez son los componentes esenciales en la química biológica de la Tierra, creando azúcares, aminoácidos e incluso los componentes del ácido ribonucleico (ARN), si se dan las condiciones adecuadas. Sin embargo, muchos de los entornos donde encontramos estas moléculas orgánicas complejas están bastante lejos de dónde y cuándo pensamos que se forman los planetas. Queríamos entender más sobre dónde exactamente y en qué cantidad estaban presentes estas moléculas en los lugares de nacimiento de los planetas: los discos protoplanetarios".

Todo empieza en los discos protoplanetarios

Los discos protoplanetarios, en efecto, "alimentan" a los jóvenes mundos que se van formando en su interior y hacen posible que sigan creciendo. La Tierra joven, por ejemplo, fue ampliamente surtida de material del disco a través de los impactos de los asteroides y cometas que se habían ido formando por acreción en el propio disco protoplanetario alrededor del Sol. Pero los científicos no estaban seguros de si todos los discos protoplanetarios, es decir, los que rodean a otras estrellas recién nacidas, también contienen depósitos de moléculas orgánicas complejas capaces de crear a su vez otras moléculas biológicamente significativas.

El estudio de Ilee y sus colegas está comenzando a responder a esa pregunta. De hecho, los investigadores hallaron las moléculas en cuatro de los cinco discos observados. Y además, en una cantidad considerablemente mayor de lo que esperaban.

Según Ilee, "ALMA nos ha permitido, por primera vez, buscar estas moléculas en las regiones más internas de estos discos, en escalas de tamaño similares a nuestro Sistema Solar. Nuestro análisis muestra que las moléculas están ubicadas principalmente en esas regiones internas, con abundancias entre 10 y 100 veces más altas de lo que los modelos habían predicho”.

En otras palabras, lo importante es que se han encontrado alrededor de otras estrellas los mismos "ingredientes" (y en gran cantidad) necesarios para el surgimiento de la vida en la Tierra. Por lo que es posible que esas mismas moléculas estén igualmente disponibles en todos los entornos de formación de planetas.

El equipo tratará, a partir de ahora, de averiguar si también existen moléculas aún más complejas en los discos protoplanetarios "a disposición" de los mundos que se van formando. Según Ilee, es algo muy posible, ya que "si hemos encontrado estas moléculas en cantidades tan grandes, nuestro conocimiento actual de la química interestelar sugiere que también deberían ser observables moléculas aún más complejas. Esperamos poder utilizar ALMA para buscar los siguientes escalones de complejidad química en estos discos. Si los detectamos, estaremos aún más cerca de comprender cómo los ingredientes ´crudos´ de la vida se pueden ensamblar alrededor de otras estrellas".

Fuente: ABC Ciencia

Jueves, 16 Septiembre 2021 12:43

CREAN LA MAYOR SIMULACION DEL UNIVERSO

Se trata de Uchuu, un proyecto en el que han participado investigadores españoles y para el que se ha utilizado uno de los mayores superordenadores del mundo

Una simulación de Uchuu en la que se muestra la distribución de la materia oscura alrededor de un cúmulo de galaxias - Tomoaki Ishiyama

Un equipo internacional de investigadores, entre ellos varios del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) acaba de presentar la que hasta ahora es la versión más completa y realista del Universo en que vivimos. Bautizada como Uchuu, que en japonés significa 'espacio exterior', la impresionante recreación ha sido posible gracias al superordenador nipón ATERUI II, uno de los más poderosos del mundo a la hora de estudiar la evolución del Universo y sus mayores estructuras. Sin embargo, y a pesar de su enorme poder computacional, ATERUI II tardó un año entero en generar la simulación.

Esta impresionante Universo virtual, en cuya elaboración han participado el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), podrá ser utilizado tanto por grupos de investigación como por usuarios de la nube del CESGA sin coste alguno.

Dos billones de partículas

La simulación consta de 2,1 billones de partículas en un cubo de 9.630 millones de años luz de lado, lo que equivale aproximadamente a algo más de la mitad de la distancia que existe entre la Tierra y las galaxias más distantes observadas hasta el momento. A partir de ahora, los investigadores podrán contar con esta excepcional herramienta de alta resolución para recrear los procesos que dieron lugar a las mayores estructuras del Universo y simular la evolución de la materia a lo largo de la mayor parte de su historia. «Ninguna otra simulación –asegura Julia Ferrer, investigadora del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)– es capaz de mostrar tanta información manteniendo una alta resolución. Normalmente tienes que elegir entre una de las dos variables. Lo que diferencia a Uchuu es que tú puedes decidir qué momento del universo quieres estudiar». La simulación fue presentada en un artículo publicado en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Uchuu también puede observar los densos halos de materia oscura que rodean a las galaxias, o hacer zoom para centrarse en cúmulos galácticos concretos o galaxias individuales. La simulación, además, permitirá a los investigadores plantear un buen número de escenarios, como la colisión de dos agujeros negros en el pasado, y estudiar estos fenómenos sin la necesidad de recurrir a observaciones directas.

Según explica Tomoaki Ishiyama, de la Universidad de Chiba quien desarrolló el código utilizado para generar Uchuu, «para producir Uchuu hemos utilizado... la totalidad de los 40.200 procesadores (núcleos de CPU) disponibles durante 48 horas al mes. Se consumieron veinte millones de horas de supercomputadora y se generaron 3 Petabytes de datos, el equivalente a 894.784.853 imágenes de un teléfono celular de 12 megapíxeles».

El catálogo de Uchuu ya está disponible en la nube del CESGA. Es totalmente gratuito, «algo bastante sorprendente teniendo en cuenta que estas simulaciones suelen ser muy costosas», comenta Ferrer. «Queremos que Uchuu esté a disposición de otros grupos de investigación que quizás no tengan capacidad ni dinero para producir su propia simulación. Al final es algo que nos beneficia a todos».

Ahora, el equipo de Uchuu está trabajando en una segunda publicación de datos que incluirá catálogos de galaxias virtuales y mapas de lentes gravitacionales.

Fuente: ABC Ciencia

El MIT ha anunciado que este dispositivo, un gran electroimán superconductor de alta temperatura, propició el campo magnético más poderoso de su tipo

Aspecto del imán superconductor de alta temperatura de gran calibre y escala completa - GRETCHEN ERTL, CFS/MIT-PSFC

'Embotellar' la energía del Sol en centrales de fusión está cada vez más cerca. El último paso para conseguir reproducir este proceso en la Tierra ha sido anunciado recientemente por el MIT, que junto con la compañía Commonwealth Fusion Systems (CFS), han anunciado la creación de un gran electroimán superconductor de alta temperatura que ha conseguido elevar su potencia hasta una intensidad de campo de 20 teslas, «el campo magnético más poderoso en su tipo jamás creado en la Tierra», afirman en un comunicado. Un nuevo avance en el camino para construir la primera planta de energía de fusión comercial que haga realidad la promesa de una energía casi ilimitada, limpia, segura y a bajo coste.

«La fusión en muchos sentidos es la fuente de energía limpia definitiva», afirma Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT y profesora de geofísica de EA Griswold. «La cantidad de energía disponible es realmente revolucionaria». Porque el combustible que utilizan estas centrales proviene del agua. «La Tierra está llena de agua, es un recurso casi ilimitado. Solo tenemos que descubrir cómo utilizarlo».

La idea simplificada de la energía de fusión es, como su nombre indica, la fusión de dos átomos pequeños creando uno más grande. De esta reacción se libera una enorme cantidad de energía, como ocurre en la mayoría de estrellas, incluido nuestro Sol. Pero, en realidad, este tipo de reactores no provocan exactamente la misma reacción de fusión que las estrellas. Ellas utilizan hidrógeno simple para desencadenar el proceso, mientras que en la Tierra se usan núcleos con hidrógeno especial: deuterio y tritio. Además, el Sol produce este fenómeno por la acción de su enorme gravedad, gracias a altísimas presiones.

Sin embargo, en la Tierra no poseemos ese mecanismo, por lo que los científicos se afanan en encontrar otros métodos para almacenar el gas en estado de plasma a altísimas temperaturas, del orden de 100 a 200 millones de grados centígrados (lo que es paradójico, porque en el Sol se registran cifras más bajas, si bien su enorme gravedad compensa esta diferencia). Así, para contener toda esta energía aquí y que se produzca la reacción de fusión, se necesita un método diferente. Y reactores como el del MIT o el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER, por sus siglas, y en el que tiene participación varios países, incluida España) utilizan la fuerza magnética para contener toda esa 'sopa' energética.

El desarrollo de un imán lo suficientemente poderoso para contenerla es uno de los principales escollos de esta tecnología. Avances como el del propio MIT o hace unos meses el del ITER están llevando a cabo los primeros pasos hacia la resolución del problema. El primero, que será un dispositivo de demostración -es decir, no tendrá de momento aplicaciones comerciales-, será instalado en la central SPARC, que empezará con las primeras pruebas en 2025, a la par que el ITER. «Es realmente un momento decisivo en la ciencia y en la tecnología de fusión», destaca Dennis Whyte, director del Plasma Science and Fusion Center del MIT, que está trabajando con CFS para desarrollar SPARC.

Reactor tipo tokamak

Tanto el SPARC como el ITER utilizan reactores tipo tokamak, un diseño con forma de rosquilla. La mayoría de estos dispositivos han producido sus campos magnéticos utilizando electroimanes convencionales hechos de cobre. Sin embargo, el ITER que se está construyendo en Francia (y tiene previsto empezar sus primeras pruebas a la par que SPARC), utiliza lo que se conoce como superconductores de baja temperatura. La novedad del imán del MIT es que está hecho en base a superconductores de alta temperatura, «que permiten un campo magnético mucho más fuerte en un espacio más pequeño», señalan sus responsables. Es decir, mayor rendimiento en menos espacio.

Porque, hasta ahora, la única forma de lograr los enormes campos magnéticos necesarios para crear una 'botella' magnética capaz de contener plasma era hacerlos cada vez más grandes. «Pero el nuevo material permite lograr un campo magnético mayor en un dispositivo más pequeño, igualando el rendimiento que se lograría en un aparato 40 veces más grande en volumen utilizando imanes superconductores convencionales de baja temperatura», afirman.

«El nuevo enfoque, dirigido por Zach Hartwig, investigador principal del MIT y profesor asistente de desarrollo de carrera Robert N. Noyce de ciencia e ingeniería nuclear, utiliza un diseño bien conocido, pero reduce todo a aproximadamente la mitad del tamaño lineal y aún logra lo mismo. condiciones operativas debido al campo magnético más alto», continúan. Este diseño está basado en una serie de artículos científicos publicados el pasado año en la revista ' Journal of Plasma Physics'. Los artículos mostraron que, si los imanes funcionaban como se esperaba, todo el sistema de fusión debería producir una potencia neta, por primera vez en décadas de investigación sobre la fusión.

Los siguientes pasos

Ahora el consorcio tendrá que construir SPARC, que solo producirá calor, no electricidad. Una vez que los investigadores hayan construido y probado SPARC, planean construir el reactor ARC (Affordable Robust Compact), que generaría electricidad a partir de ese calor para 2035. «Eso es muy ambicioso, pero ese es el objetivo hacia el que estamos trabajando», dijo Greenwald. «Creo que es realmente plausible».

Fuente: ABC Ciencia

Una serie de experimentos con cristales de silicio determina cuál sería su radio de acción

Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Energía (NIST) de los Estados Unidos acaba de revelar propiedades hasta ahora desconocidas en cristales de silicio, ampliamente utilizados en tecnología. Al mismo tiempo, ha descubierto también una novedosa característica de los neutrones y aporta nuevos datos que apuntan a la existencia de una quinta fuerza de la Naturaleza.

El Modelo Estándar, la gran teoría que predice la existencia de todas las partículas que componen la materia y las leyes que las gobiernan, describe las interacciones entre partículas con cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte, responsable de la cohesión de los núcleos atómicos, y fuerza nuclear débil, de la que dependen todas las desintegraciones radiactivas que se dan en la naturaleza.

Durante los últimos años, sin embargo, algunos científicos han encontrado indicios de la existencia de una 'quinta fuerza' no predicha por el Modelo Estándar. Numerosos experimentos han tratado, hasta ahora sin éxito, de encontrar esa fuerza y determinar sus características.

Ahora, los investigadores del NIST se han centrado en el comportamiento de los neutrones (que junto a los protones forman los núcleos atómicos) en el interior de estructuras de cristales de silicio, y los han estudiado con una nueva y refinada técnica que les ha permitido obtener tres resultados extraordinarios: la primera medición en 20 años de una nueva propiedad del neutrón; la medición más precisa hasta el momento de los efectos de las vibraciones relacionadas con el calor en los cristales de silicio; y el rango de acción y los límites de esa posible quinta fuerza más allá de las predicciones del Modelo Estándar. Los resultados de la investigación se publican hoy en ' Science'.

Normalmente, cuando se trata de obtener información sobre materiales cristalinos a escala atómica, los científicos suelen dirigir hacia ellos un haz de partículas (rayos X, electrones o neutrones). Midiendo después los ángulos, la intensidad y los patrones del haz a medida que este rebota o atraviesa los diferentes planos de la compleja estructura cristalina, los investigadores consiguen medir y establecer muchas de sus propiedades.

En el caso de los cristales de silicio, la información así obtenida es de vital importancia tanto para caracterizar las propiedades electrónicas, mecánicas y magnéticas de los cristales, que se utilizan como componentes de microchips, como para diseñar nuevos materiales que serán usados en las próximas generaciones de dispositivos, incluidos los ordenadores cuánticos. De hecho, la continua reducción de tamaño de los chips, que actualmente tienen ya apenas unos pocos nanómetros, obliga a los investigadores a profundizar más y más en ese conocimiento, ya que en esas diminutas escalas cada vez son más importantes los extraños efectos predichos por la Mecánica Cuántica.

«Una comprensión enormemente mejorada de la estructura cristalina del silicio, el sustrato 'universal' o material de base sobre el que se construye todo -asegura Michael Huber, investigador principal del NIST en el estudio-, será crucial para comprender la naturaleza de los componentes que operan cerca del punto en el que la precisión de las mediciones está limitada por los efectos cuánticos».

Como todos los objetos cuánticos, en efecto, los neutrones tienen propiedades que les hacen comportarse, a la vez, como partículas y ondas. A medida que un neutrón viaja a través del cristal, forma ondas estacionarias (como una cuerda de guitarra pulsada) tanto en el medio como en la parte superior de las filas u hojas de átomos de la estructura cristalina, llamados planos de Bragg. Cuando las ondas de cada una de las dos rutas se cruzan, o 'interfieren', en el lenguaje de la física, crean sutiles patrones, llamados 'oscilaciones de péndulo' que proporcionan información sobre las fuerzas que experimentan los neutrones dentro del cristal.

«Imagine dos guitarras idénticas -explica Huber-. Tóquelas de la misma manera, y cuando las cuerdas vibren, conduzca una por una carretera con badenes, es decir, a lo largo de los planos de átomos en la estructura cristalina, y lleve a la otra por una carretera de la misma longitud pero sin los badenes, lo que sería como moverse entre los planos de la estructura. La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre la naturaleza de los badenes: ¿cómo son de grandes, cómo de pronunciados, tienen formas interesantes?».

La investigación, que se llevó a cabo en el Centro NIST de Investigación de Neutrones (NCNR) en Gaithersburg, Maryland, en colaboración con investigadores de Japón y Canadá, permitió mediciones cuatro veces más precisas de la estructura de los cristales de silicio de las que se habían conseguido hasta el momento.

Los neutrones, no tan 'neutros'

En uno de sus sorprendentes resultados, los investigadores consiguieron medir el 'radio de carga' eléctrico del neutrón con la mayor precisión conseguida hasta ahora. Como indica su propio nombre, los neutrones son eléctricamente neutros. Pero cada neutrón, a su vez, está formado por tres partículas cargadas, los quarks, cuyas propiedades eléctricas no están distribuidas de manera uniforme.

Como resultado, la carga predominantemente negativa de un tipo de quark tiende a ubicarse hacia la parte exterior del neutrón, mientras que la carga neta positiva se ubica hacia el centro. La distancia entre esas dos concentraciones es el 'radio de carga'. Esa dimensión, importante para la física fundamental, se ha medido en otros experimentos similares, pero sus resultados difieren significativamente. Los nuevos datos, sin embargo, no se ven afectados por los factores que se cree que llevaron a estas discrepancias.

Ser capaces de medir las 'oscilaciones de péndulo' en un entorno con carga eléctrica brindó a los científicos una forma única de medir el radio de carga. «Cuando el neutrón está en el cristal -explica por su parte Benjamin Heacock, primer formante del estudio- está bien dentro de la nube eléctrica atómica. Allí, debido a que las distancias entre cargas son tan pequeñas, los campos eléctricos interatómicos son enormes, del orden de cien millones de voltios por centímetro. Debido a ese campo muy, muy grande, nuestra técnica es sensible al hecho de que el neutrón se comporta como una partícula compuesta esférica con un núcleo ligeramente positivo y una capa circundante ligeramente negativa».

¿Detectada una quinta fuerza de la Naturaleza?

Con todo, el resultado más llamativo de esta investigación es una nueva pista que apunta directamente a la existencia de una quinta fuerza. Como se ha dicho, el Modelo Estándar es la mejor teoría que tenemos sobre las partículas subatómicas y las fuerzas que gobiernan todas sus interacciones. Sin embargo, la teoría ofrece una explicación incompleta de cómo funciona la naturaleza, y desde hace tiempo los científicos sospechan que hay mucho más en el Universo de lo que la teoría predice.

El Modelo Estándar, por ejemplo, sólo es capaz de describir tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Cada una de ellas, en efecto, opera por medio de la acción de una 'partícula mensajera', que es portadora de la unidad mínima de cada fuerza. En el caso de la fuerza electromagnética, la partícula portadora es el fotón, en el de la nuclear fuerte es el gluón y en el de la nuclear débil son los bosones W y Z, partículas todas que han sido observadas en los aceleradores modernos. Pero el Modelo Estándar aún tiene que incorporar a la gravedad en su descripción, cosa que se lleva intentando, sin éxito, desde hace décadas. Se supone que, igual que sucede con las otras fuerzas, también la gravedad debería tener su propia partícula portadora, el 'gravitón'. Pero nadie ha conseguido encontrarla por ahora. Y por si fuera poco, algunos experimentos y teorías sugieren la posible existencia de una quinta fuerza, una que no está prevista en absoluto en el Modelo Estándar.

«Generalmente -explica Heacock-, si hay un portador de fuerza, la escala de longitud sobre la que actúa es inversamente proporcional a su masa, lo que significa que sólo puede influir en otras partículas en un rango limitado. Pero el fotón, que no tiene masa, puede actuar en un rango ilimitado. Entonces, si conseguimos abarcar el rango sobre el que podría actuar, podremos también poner límites a su fuerza». Los resultados de los científicos mejoran en un factor de diez las anteriores restricciones sobre el rango de actuación de una quinta fuerza potencial. Heacock y sus colegas, en efecto sitúan el radio de acción de la quinta fuerza en una escala de longitud que va desde los 0,02 nanómetros (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro) y los 10 nm, lo que brinda a los 'cazadores' de la quinta fuerza un rango mucho más estrecho en el que buscar.

Los investigadores, que no se conforman con estos resultados, ya planean una nueva serie de mediciones aún más precisas, lo que podría incluso permitir que en el futuro sean ellos, y no otros equipos, los que descubran por fin esa enigmática quinta fuerza de la Naturaleza.

Fuente: ABC Ciencia

Miércoles, 08 Septiembre 2021 09:46

¿UNA SOLUCIÓN PARA EL MAYOR PROBLEMA DE LA FISICA?

El secreto que permitirá conciliar la Relatividad y la Mecánica Cuántica podría estar oculto en las ondas gravitacionales

¿Por qué la Relatividad General de Einstein y la Mecánica Cuántica no son compatibles entre sí? Ese es uno de los mayores misterios de la Ciencia. Uno con el que la Física lleva lidiando varias décasas sin que de momento se vislumbre una solución. En ambos casos, se trata de teorías que han demostrado mil veces su efectividad y su gran capacidad de predicción, cosechando éxito tras éxito y superando todas las pruebas y escrutinios a los que han sido sometidas. Ambas, en efecto, describen con acierto el mundo que nos rodea, aunque a escalas muy distintas.

Las leyes de la relatividad, en efecto, gobiernan el comportamiento del Universo a gran escala, dictan cómo los objetos, desde planetas a

 galaxias enteras, se relacionan a través de la gravedad y dan lugar a las enormes estructuras de materia que podemos ver a nuestro alrededor. Según la relatividad, la gravedad es una característica de todo el espaciotiempo.

La Mecánica Cuántica, por su parte, hace lo mismo, aunque en el reino de las partículas subatómicas, de lo infinitamente pequeño. Y allí, sorprendentemente, las leyes cambian. Los efectos de la relatividad apenas se sienten en el diminuto mundo cuántico, del mismo modo que los efectos cuánticos resultan despreciables en los dominios de la relatividad. Ambos mundos, el de lo grande y el de lo pequeño, están gobernados por leyes totalmente distintas. Y lo que es peor, incompatibles entre sí. ¿Cómo es posible que los "ladrillos" más básicos de la realidad se comporten de forma tan distinta a los 'conjuntos de ladrillos' que son los objetos que nos rodean? ¿Cómo puede ser que las leyes que rigen un mundo no se apliquen también en el otro?

Si tuviéramos que elegir algo donde esas diferencias se vuelven del todo insoportables para los físicos, ese algo sería indiscutiblemente la gravedad. Los científicos conocen cuatro grandes fuerzas de la naturaleza: Electromagnetismo, fuerzas nucleares (fuerte y débil) y gravedad. Tres de esas cuatro fuerzas están 'cuantificadas', es decir, que existe una unidad mínima de cada fuerza que es transportada por una partícula concreta. Así, los fotones son las 'partículas mensajeras' del electromagnetismo, mientras que los gluones y los bosones W y Z son, respectivamente, las partículas mensajeras que se encargan de las fuerzas nucleares: la fuerza nuclear 'fuerte', responsable de la cohesión de los núcleos atómicos; y la fuerza nucler 'débil', responsable de todos los fenómenos de descomposición radiactiva que se dan en la Naturaleza.

Pero ¿Qué hay de la cuarta fuerza? La gravedad, en efecto, se resiste a ser 'cuantificada'. Y a pesar de que los físicos creen que debería haber, como en las demás fuerzas, una partícula encargada de transportar la cantidad mínima de gravedad, nadie ha conseguido aún encontrar esa partícula, que desde hace décadas los científicos conocen como 'gravitón'. Lo cual deja a la física fundamental y a nuestro conocimiento del Universo como algo que se compone de dos partes que no encajan entre sí. Si queremos tener, por fin, una imagen coherente del mundo que nos rodea, es necesario combinar esas dos mitades.

Hoy, la buena noticia es que un equipo de investigadores dirigidos por Maulik Parikh, de la Universidad Estatal de Arizona, podría haber dado un paso importante para detectar la 'naturaleza cuántica' de la gravedad, es decir, para encontrar por fin a los gravitones. Y esa forma tiene que ver con las ondas gravitacionales, las 'ondulaciones' en el tejido mismo del espaciotiempo causadas por fenómenos violentos (colisiones de agujeros negros o explosiones de supernovas) y que recorren el Universo como las ondas de agua que se forman en un lago cuando tiramos una piedra. Según explican Parikh y sus colegas en un estudio que aparece esta semana en ' Physical Review Letters', el modo en que las fluctuaciones cuánticas afectan a las ondas gravitacionales podría ayudar a los físicos a resolver el problema de una vez y para siempre.

A la caza del gravitón

Después de varias décadas de esfuerzo, los científicos han llegado a la conclusión de que los niveles de energía a los que serían evidentes los efectos cuánticos sobre el comportamiento de la gravedad son extremadamente altos, mucho más allá del alcance de nuestros mayores acereradores de partículas. Sin embargo, Pahrik y su equipo creen que un lugar en el que encontrar esos niveles de energía extremadamente altos son, precisamente, los eventos astronómicos que producen ondas gravitacionales, algunos de los sucesos más violentos de todo el Universo.

La idea puede parecer complicada, pero resulta aplastantemente lógica. Las ondas producidas por campos cuanticos, como la luz, son a la vez ondas y partículas (fotones). Por lo tanto, si también los campos gravitacionales son cuánticos, entonces también las ondas gravitacionales deberían comportarse como partículas. Y esas partículas (hoy aún hipotéticas) son los gravitones.

En su estudio, Parikh y su equipo explican que los gravitones podrían causar sutiles alteraciones en las señales de ondas gravitacionales. Y esas alteraciones podrían detectarse con los observatorios actuales de ondas gravitacionales.

«Es posible -asegura Parikh- que la naturaleza cuántica de la gravedad no esté tan fuera del alcance de los detectores de ondas gravitacionales. Y tal vez haya una firma experimental detectable en ella. Nuestra predicción es que existe una especie de 'ruido', una granulosidad en la gravedad, y las características de ese ruido dependen del estado cuántico del campo gravitacional».

Según el estudio, ese 'ruido' podría aislarse del que procede de otras fuentes externas, y distinguirse entre todos porque, a diferencia de un 'ruido local' que afectara a un solo detector, se manifestaría exactamente de la misma forma en todos los detectores al mismo tiempo. Ser capaces de observar ese ruido aportaría la prueba de que la gravedar es realmente una fuerza cuántica.

¿Pero cómo sería exactamente el ruido que hay que buscar?

Parikh y su equipo trabajan ahora justo en esa cuestión, y están realizando ya modelos de cómo se vería ese ruido cuántico en las detecciones de ondas gravitacionales de la vida real, para que los científicos puedan buscarlo a partir de ahora. Si finalmente lo encontraran, se habría dado un paso de gigante hacia la unificación de la gravedad con la mecánica cuántica. «Toda la historia de la gravedad -concluye Parikh- es en realidad la historia del espacio y el tiempo. En una teoría del todo, esperaríamos que el espacio, el tiempo y la materia fueran uno, y observar esto sería un gran paso para demostrarlo».

Fuente: ABC Ciencia

Aunque muchos investigadores sostienen que no existe, un nuevo estudio afirma que las 'pistas gravitacionales' indican que podría estar más cerca del Sol de lo que se creía

Recreación artística del Planeta Nueve - NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt

Desde que Plutón fue expulsado del 'club' de los planetas del Sistema Solar, alrededor del Sol contamos ocho mundos: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno,Urano y Neptuno. Sin embargo, desde hace tiempo, algunos astrónomos proponen que en realidad sí que habría nueve integrantes en nuestro vecindario cósmico, tal y como aprendimos muchos en el colegio, cerrando la lista el misterioso Planeta Nueve, del que nunca se ha comprobado su existencia, si bien hay pistas que pueden indicar que sí esta ahí. Ahora, un nuevo estudio, aún no revisado pero publicado en el sitio de preimpresión ' ArXiv', apunta las probabilidades de que las pruebas no sean simples casualidades y que, además, se encuentre más cerca de lo que pensamos.

La gravedad de los cuerpos es lo que les delata en el espacio: de ser un planeta, atraería a otros objetos estelares. Y existe una rara agrupación de pequeños cuerpos helados en el Sistema Solar exterior, en la zona conocida como el cinturón de Kuiper, que algunos astrónomos apuntan que pueden estar bajo el influjo de este Planeta Nueve. La lógica y las matemáticas nos dicen que si no hubiera algún planeta más allá del cinturón de Kuiper las órbitas de estos cuerpos helados estarían orientadas de forma aleatoria dentro del plano orbital del Sistema Solar. Sin embargo, gran cantidad de ellas están agrupadas. ¿Casualidad?

Tal y como mostró un estudio publicado en ' The Astronomical Journal' en 2016, las probabilidades de que sea una mera coincidencia son muy pequeñas. De hecho, lo firmaba el mismo equipo que ahora realiza la actual investigación, liderado por Michael Brown y Konstantin Batygin, quienes resolvieron la distribución estadística del cinturón de Kuiper. La conclusión: esa agrupación orbital tenía que estar condicionada por la gravedad de algún planeta exterior no detectado. Además, según estos cálculos, este mundo tendría que tener una masa de cinco Tierras y encontrarse diez veces más lejos del Sol que Neptuno. Incluso se apuntó hacia un lugar concreto en el cielo donde debería buscarse este Planeta Nueve. Sin embargo, las búsquedas no arrojaron resultados y muchos científicos concluyeron que ese supuesto noveno mundo no existe. Aunque no todo el mundo estaba de acuerdo, y las teorías llegaron a explorar incluso otras hipótesis, como que en realidad sí que había algo que condicionaba a estos objetos, pero que no podríamos verlo porque es un agujero negro primordial, formado durante el Big Bang.

Ahora, este nuevo trabajo vuelve a reexaminar los datos de aquel primer estudio y las probabilidades de que, efectivamente, la agrupación no sea una mera casualidad y exista un Planeta Nueve. Empezando por las probabilidades de que el azar haya 'armonizado' las órbitas de estos cuerpos, el equipo asume que podría deberse a datos sesgados, ya que es muy complicado observar todos los cuerpos del Sistema Solar exterior. Pero los autores señalan que, aún teniendo en cuenta este sesgo, el agrupamiento sigue siendo «estadísticamente inusual»: solo hay un 0,4% de posibilidades de que se trate de una coincidencia.

Ahora, un lustro después, han sido capaces de afinar en la supuesta órbita del Planeta Nueve, con la intención de hacer más fáciles futuras búsquedas. Y sus resultados han sido sorprendentes, ya que este 'mundo perdido' estaría más cerca del Sol de lo que se pensaba originalmente.

«Para muchas suposiciones razonables, el Planeta Nueve está más cerca y es más brillante de lo que se esperaba inicialmente», escriben Brown y Batygin, quienes hace apenas unos meses ya publicaron otra investigación en el mismo portal de preimpresión que estábamos buscando al Planeta Nueve en una zona equivocada: el incipiente Sistema Solar habría formado sin duda una sección interna de la Nube de Oort, la capa de cuerpos helados que rodean el Sol aproximadamente a una distancia de entre 2.000 y 100.000 Unidades Astronómicas. La formación de planetas gigantes como Júpiter y Saturno habría arrojado parte de los escombros hacia el espacio interestelar, pero las perturbaciones gravitatorias de las estrellas de paso los habría empujado de nuevo hacia el Sol, de modo que terminaron formando la Nube de Oort interna. «Hemos descubierto que estos objetos internos reinyectados de la Nube de Oort pueden mezclarse fácilmente con el censo del cinturón de Kuiper, e incluso exhibir agrupaciones orbitales con sus objetos», escribían en abril.

Si está más cerca, ¿por qué no lo hemos visto ya?

Pero, si es más interior de lo imaginado hasta ahora, ¿cómo no hemos sido capaces de detectarlo? Los autores argumentan que precisamente ese ha sido el mayor hándicap y que las observaciones han descartado opciones más cercanas precisamente por eso, por estar más cerca. Es decir, ni siquiera hemos mirado, lo que ha reducido aún más su búsqueda. Sin embargo, el próximo Observatorio Vera Rubin, que actualmente se encuentra en construcción en Chile, podrá detectarlo. Si es que existe. Parece que pronto podremos salir de dudas.

Fuente: ABC Ciencia

Miércoles, 01 Septiembre 2021 09:27

LAS 17 ECUACIONES QUE CAMBIARON LA HISTORIA

Las matemáticas están presentes en nuestro día a día de innumerables formas. El matemático y científico Ian Stewart ha resumido las 17 ecuaciones  que, por uno u otro motivo, han cambiado el curso de la historia.

Una ecuación es una igualdad matemática formada por dos expresiones que contienen una o más incógnitas que pueden despejarse (resolverse) a través de una sucesión de operaciones matemáticas. Dicho así, habrá muchos que levanten una ceja en señal de incomprensión o duda y maldigan para sus adentros ese antiguo enemigo de la época escolar que son las matemáticas. Esta es, probablemente, una de las ciencias formales más incomprendidas por la sociedad y sin embargo más básicas para comprender el mundo que nos rodea y el universo en que habitamos. Las matemáticas son el engranaje central que hace que giren todos los demás elementos que forman el cosmos.

Sin esa ciencia abstracta, no hubiese sido posible desarrollar o comprobar gran parte del conocimiento que tenemos en otros campos como la física, la química, la ingeniería e incluso la medicina y las ciencias sociales. Las leyes de la naturaleza y las leyes artificiales son expresiones de un fenómeno explicadas por las matemáticas para que el ser humano las pueda comprender (o al menos intentarlo). Lo que a primera vista no es más que una sucesión de letras, números y símbolos que suponemos que tienen un orden determinado, esconde en realidad las respuestas a preguntas que la humanidad lleva planteándose desde hace mucho tiempo.

Tal vez esas ecuaciones sean desconocidas para aquellas personas que no estudian el campo correspondiente o que no tienen un verdadero interés por el tema, pero una rápida búsqueda en Internet o en un libro hará que nombres como Pitágoras, Newton, Maxwell o Einstein comiencen a sonarnos de forma lejana. La llamada “cultura popular” hace que estos nombres sean reconocibles en casi cualquier parte del mundo, aunque no todos podamos comprender en qué consistió el trabajo de estos genios de su tiempo. Con el objetivo de hacer un poco más accesible el trabajo de matemáticos, físicos o ingenieros el científico Ian Stewart ha reunido un listado con algunas de las ecuaciones que cambiaron el mundo.

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