La Física de Liliput. El Nobel de Física 2010

En 1726 el Inglés Jonathan Swift publicó una satira social con el formato de un libro de aventuras para niños; se trata, claro, del famosísimo libro: “Los viajes de Gulliver”. En él se platica la visita de Lemuel Gulliver a diferentes países, donde sus habitantes tienen dimensiones físicas diferentes a las de los humanos. Gulliver resulta ser un gigante entre los enanos de Lilliput y un enano entre los gigantes de Brobdingnag. El libro no es un libro de ciencia, aunque dedica el relato de uno de los viajes de Gulliver a criticar el cultivo de la ciencia sin fin práctico. Lo anterior resulta paradójico pues más alla de lo interesante de sus relatos y de que no pretende ser un libro de texto contiene un grave error de física: suponer que el mundo puede reducirse a escala, como en Lilliput, o aumentarse a escala como en Brobdingnag, sin que ocurra nada que nos demuestre el cambio de escala.
Ya en su obra “Dos nuevas ciencias”, Galileo Galilei había hecho notar que si el mundo se reduce o se aumenta a escala, los seres vivos no podrían tener las mismas formas. La razón es simple: algunos fenómenos son proporcionales al volumen, por ejemplo el peso; pero otros son proporcionales a la superficie, por ejemplo la presión que puede soportar una varilla.
Entonces, si como en el relato deSwift, el mundo aumenta 12 veces de tamaño. El peso de un hombre, puesto que el volumen es proporcional al cubo, aumentará 12x12x12 = 1728. Mientras que la resistencia de sus huesos a la ruptura, solo aumentaría 12x12 = 144 pues la superficie es proporcional al cuadrado. Es decir no se podría sostener sobre su propio pie, a menos que la forma de los huesos fuera otra o que el material del que están hechos cambiara. Esta es la razón por la cuál humanos de gran talla no pueden estar de pie o por la cual los huesos de animales como los elefantes son de forma diferente a la de los humanos.
Un muy buen libro de física elemental que se llama “Física”, pero que es conocido como PSSC, por haber sido desarrollado por el Physical Science Study Committee tiene un artículo bastante interesante sobre el tema que se llama “La Física de Liliput.” Voy a tomar prestada esa frase para referirme al descubrimiento que merecieron el premio Nobel de Física este año: El Grafeno.
En Octubre de 2004, André Geim y Konstantin Novoselov, galardonados éste año con el Nobel de física publicaron en la revista Science un artículo acerca de una hoja de grafito con espesor de un átomo. Para obtener una capa de grafito de espesor de un milimetro es necesario apilar 3 millones de láminas de grafeno.
Por razones semejantes a las analizadas por Galileo, acerca de cómo al disminuir o aumentar la escala, los fenómenos físicos cambian, porque unos son proporcionales al cuadrado y otros al cubo, el grafeno presenta propiedads físicas distintas a las del grafito “macroscópico”, entre ellas ser un material sumamente fuerte, excelente conductor de la electricidad -tanto como el cobre- y de la electricidad. Es además es prácticamente transparente y tan denso que resulta inpenetrable.
Su estructura es la de una malla hexagonal, como las de la malla ciclónica, con un átomo de carbono en cada vértice. Un átomo del elemento base de la vida, al menos como la conocemos en la tierra.
El descubrimiento del grafeno ha hecho concebir esperanzas de muchos desarrollos tecnológicos, como ppor ejemplo el desarrollo de transistores de grafeno en vez de silicio, lo que permitiría reducir aún más los tamaños de los componentes de una computadora, pues el grafeno presenta propiedades conductoras en un tamaño en el cual ya no lo hace el Silicio.
Por ahora muchas de las posibles aplicaciones como el desarrollo de computadoras de grafeno o de pantallas táctiles transparentes y enrollables son aun especulación, pero ese es el universo de posibilidades que la “Física de Liliput”, ola nano tecnología, como se le llama más convencionalmente, están poniendo en el horizonte del desarrollo tecnológico. Ese es el descubrimiento que mereció el premio Nobel de Física 2010

30 años después.

En 1980 Conacyt, organizó el primer curso de divulgación de la ciencia que recuerdo en México. Tuve la suerte de ser aceptado en él. En ese curso, por cierto, estuvieron también Estrella Burgos, directora desde hace diez años de la revista “¿Cómo ves?”, Ernesto Márquez, tesorero actual de la Somedicyt y Pilar Contreras, responsable del museo de la luz.

He rememorado ese curso, por que buscando una buena lectura para estos días de puente me encontré el ejemplar de Octubre de la revista Discover, recordé que justamente en ese curso conocimos a algunos de los creadores de la revista. Hoy han pasado treinta años y precisamente el número de octubre lo recuerda; para conmemorarlo, Discover  trae, en este mes, un artículo que ilustra con una línea de tiempo en la que va marcando los principales hitos, desde el punto de vista de la revista, de la ciencia en esos treinta años.

Son esos puntos marcados sobre la línea del tiempo los que comparto ahora en esta entrega de jueves de divulgación en el blog:

1980. Voyager 1 pasa por Saturno.

1981. Se crea el primer virus computacional

1981. Primer reporte de SIDA, en hombres de Los Angeles

1982 Producción de Insulina por bacterias genéticamente modificadas.

1982. Barney Clark recive el primer corazón artificial

1983 Se descubre el PCR, clave en la secuenciación del ADN

1983 Se arranca el funcionamiento del colisionador Tevatrón

1984 Se asocia la Úlcera a la bacteria Helicobacter Pylori

1985 Se detecta el orificio en la capa de Ozono

1985 Se descubre el Buckminster fulereno

1986 Exolota el Challenger

1986 Se funde el reactor de Chernobil

1986 Se encuentran superconductores de “altas temperaturas”

1987 llega a la tierra la luz de la supernova de 1987

1988 Primer gusano de Internet

1989 Se anuncia la fusión fría, que resulta ser falsa

1989 Voyager 2 pasa Neptuno

1990 Se lanza el Telescopio Hubble

1990 Un panel internacional vincula el calentamiento de la superficie de la tierra a alas emisiones industriakles

1991. Se descubren los nanotubos de carbón

1991 La sonda Galileo manda las primeras imágenes de un asteroide

1992 Se detectan planetas alrededor de un Pulsar

1994. Se prueba el último Teorema de Fermat

1994 La agencia Estadounidense FDA aprueba la primera cosecha genéticamente modificada, el tomate Flavr Savr

1994 El cometa Shoemaker-Levy se impacta en Jupiter

1995 Se descubren planetas alrededor de una estrella semejante al sol

1996 Clonación de la Oveja Dolly

1996 Evidencia de antigua vida en Marte

1997 Deep Blue derrota a Kasparov

1997 Aislan el ADN del hombre de Neanderthal

1997 Sojourner Rover inicia la exploración de Marte

1998 Se descubre la energía oscur

1998 Se aislan las células nadre de humano

1998. Estudis demuestran que cerebros adultos producen nuevas neuronas

1999 El virus del Nilo invade los USA

1999 Vegijas creadas en laboratorio se implantan en perros

2000 Se completa un borrador de la secuencia del genoma humano

2001 Inicia Wikipedia

2001 El presidente Bush limita la investigación sobre células madre

2002 La NASA descubre agua en forma de hielo en Marte

2002 Golpea la pandemia del SARS

2003 Se quema el Columbia al regresar a tierra

2004 Descubren en Indonesia “Hobbits” antiguos

2005 La sonda Huygens desciende en Titan

2005 Se realiza el primer trasplante de cara

2005 Se encuentra Eris, un planeta más grande que Plutón, en órbita más alla de Neptuno

2006 Plutón es degradado a la categoría de planeta enano

2007 Se extrae tejido blando de huesos de Tyranosaurus Rex

2007 Células de piel son convertidas a células madre

2008 Se decodifica el genoma del mamut lanudo

2009 Pandemia de Swine

2009 Ardi desplaza a Lucy como el ancestro humano más antiguo

2010 Se crea la primera bacteria artificial

Castigo

Como no he recibido las prometidas colaboraciones para el espacio de los jueves, de castigo les pongo éste texto mío, publicado primero en revista de Revistas de Excelsior y depues en el libro Para conversar de Ciencia. Sigo esperando sus aportaciones, pero no se amontonen de uno por uno, por favor:

DE TORRICELLI A TORRICELLI

Siempre me llamó la atención ver en la televisión al jugador de fútbol americano conocido como la “cocina" Newton, y no sólo por la corpulencia que le hacía merecer el apodo, sino porque no podía dejar de pensar en el más ilustre de los Newton que ha habido en mundo: Isaac. El mismo por el que el apellido se convirtió en unidad de medida de fuerza. Los Newton tienen derecho a jugar futbol, boxear o ser desempleados, pero siempre, a algunos de nosotros, nos parecerá curioso.

Hay otros apellidos que se han convertido en unidades de medida, quedando casi al mismo nivel que el metro, el kilogramo o el segundo y dejando con ello un difícil paquete a quienes los llevan. Estoy pensando por ejemplo en Blais Pascal, cuyo apellido resultó más tarde seria unidad para medir la presión en el Sistema Internacional. Tales ideas me han venido a la cabeza, por extraño que parezca, gracias a la: Ley Torricelli.

Los Torricelli tienen todo el derecho de meterse a políticos, lo mismo que los Newton a jugar futbol, pero es curioso oír hablar de una Ley Torricelli, más aún si esa ley se refiere a presiones, pero de tipo económico.

El Torricelli original, quien también dio a la ciencia el apellido de la familia como unidad de medida de presión, se llamaba Evangelista y contaba con 32 años de edad en 1641. Ese mismo año Galileo Galilei, recién absuelto por la Iglesia católica, tenía ya 77 años, estaba casi ciego y achacoso y necesitaba para seguir trabajando en su casa de Arcetri, un ayudante. Ese ayudante fue el joven Evangelista Torricelli.

Torricelli era alumno del amigo de Galileo, Benedetto Castelli, con quien había estudiado matemáticas. Desafortunadamente Galileo murió al año siguiente de la llegada de su nuevo ayudante, cuando apenas habían empezado a redactar la primera de las nuevas jornadas que se pretendía añadir al libro de las Nuevas Ciencias.

En realidad fue una desgracia que Torricelli sólo hubiera podido colaborar con Galileo unos cuantos meses, pues esperaba mucho de ese contacto, como se ve en el fragmento de una carta que él mismo había escrito al viejo científico: "No veo la hora de hallarme lo más pronto posible enriqueciéndome a mí mismo con recoger las migajas de aquellos tesoros que se manejan en vuestra casa, donde la presencia de vuestra excelencia constituye el gobierno de la verdad y el tesoro de la sabiduría".

Una de esas migajas a las que aludía Torricelli venía en una carta de Baliani recibida por Galileo. En ella se sugería -en contra de la opinión aristotélica- que el aire pudiese tener peso y especulaba con la posibilidad de producir un vacío venciendo ese peso. A la muerte de Galileo, Torricelli permaneció en Florencia como su sucesor y siguió pensando en el problema del peso del aire y la fabricación del vacío.

En 1643 Y 1644 Torricelli, aprovechando que Galileo había mostrado que el peso de una columna de agua de 18 codos producía los mismo efectos que los de la atmósfera, y valiéndose de que el mercurio es trece veces más denso, llevó a cabo una serie de experimentos encaminados, primero, a demostrar que el aire pesaba; segundo, a cuantificar su peso y, tercero, a producir vacío.

El experimento, bastante simple en su ejecución, consiste en llenar un recipiente ancho con mercurio e introducir verticalmente en él un tubo de vidrio abierto por el extremo en contacto con el líquido y cerrado por el otro. A causa del peso del aire en contacto con la superficie libre del mercurio en el recipiente, éste es empujado dentro del tubo de vidrio y asciende dentro de él hasta alcanzar una altura tal que el peso del mercurio en el tubo equilibra el peso del aire. la altura que sube el mercurio al nivel del mar es 760 mm. Un Torricelli es la 760ava. Parte de eso, es decir la presión ejercida por un milímetro de mercurio. Torricelli notó que la altura a la que sube el mercurio tiene pequeñas variaciones de un día a otro, lo que se interpretó, correctamente, como variaciones en el peso de la atmósfera de un día a otro. Estas variaciones tienen aplicación en el estudio meteorológico.

Quedaba aún por averiguar si el peso del aire era el mismo al nivel del mar que en la cima de una montaña. La idea parece haber sido propuesta por Descartes a Pascal en 1647. En todo caso, fue el cuñado de este último, Florin Perier, quien en 1648 escaló el Puy de Dóme para realizar el experimento que demostró que la presión atmosférica disminuía con la altura. Esto terminó con las especulaciones filosóficas sobre si la capa de aire alrededor de la Tierra era finita o infinita y si tenía o no peso.

Estos son a grandes rasgos los estudios de Evangelista Torricelli acerca de la presión atmosférica y sus principales consecuencias. Me vinieron a la memoria por el rechazo de la Asamblea de la ONU a la ley Torricelli para ejercer presión política. Ni modo, la fuerza de los apellidos. A lo mejor nunca habrá un Maradona que gane el Nobel de Física.