Entrades amb l'etiqueta ‘Einstein’

La ciència i els camins

dijous, 19/01/2017

Fa poc vaig llegir una anàlisi que comparava els articles científics més rellevants de l’any 2015 amb els que van tenir més difusió als mitjans i a les xarxes. És d’aquesta pàgina web, que malauradament només és accessible als subscriptors, i que va ser dissenyada per Jen Christiansen. La web mostra les 25 institucions més productives del món segons l’index Nature 2015, que és un indicador que es basa en el nombre d’articles publicats en 68 revistes de la màxima qualitat científica. Les set institucions amb més articles de qualitat segons aquest índex són l’Acadèmia Xinesa de ciències, la Universitat de Harward, el CRNS Francès, l’institut alemany Max Planck, Stanford, el MIT i la Universitat de Tokyo (la llista de les 25 no inclou cap centre ni cap Universitat espanyola ni catalana). En una segona columna, podem veure els 25 estudis més citats per la premsa durant el mateix any 2015. Aquesta segona llista es basa en l’index Altmetric, que mesura el nombre ponderat de vegades que un determinat estudi científic ha sortit als mitjans de comunicació i a les xarxes socials. L’interessant és que d’entre aquests 25 estudis altament citats pels mitjans i xarxes socials i que inclouen bàsicament medicina i salut, biologia, pol·lució i canvi climàtic, només 8 d’ells venen d’institucions de la primera llista. Sembla que el que és socialment rellevant no acaba de coincidir amb allò que es considera punter en el món científic.

Cal dir que en Jan Christiansen ha creat també molts altres diagrames de “ciència gràfica”, com ell els anomena. Alguns els podeu veure a la seva pàgina web. Un dels que m’ha agradat és aquest, que mostra l’evolució del tipus de temes que han estat portada de la revista Scientific American des de 1920 fins 2014. En ell es veu clarament que han anat desapareixent els temes d’enginyeria més clàssica, deixant pas a la biologia i als nous descobriments en neurociència i evolució (a més de les constants troballes en física de partícules i astronomia). Tot va evolucionant. Però evoluciona lentament, poc a poc. Més pausadament que el que molts voldrien, en aquesta cultura actual de la velocitat i de la immediatesa.

La divulgació no és fàcil, justament perquè la gestió del temps en el món científic és molt diferent a la que podem veure en el món de la premsa, ràdio i televisió. Els mitjans demanen grans titulars, i els científics en tenen ben pocs. Els mitjans necessiten impactar amb l’anunci de grans resultats mentre el món de la ciència va fent camí, poc a poc i sense pressa, per senders que no tenen final. La gent demana conclusions i punts d’arribada, però els científics avancen pas a pas, i malauradament aquests passos no són noticia. En ciència, els moments singulars de les grans troballes són molt escassos. Einstein comentava que després de pensar durant mesos i anys, el 99% de les vegades el seu resultat era inútil i les conclusions falses. I Edison, en una frase que resumeix l’essència de la recerca, deia: “no he fallat, només he trobat deu mil camins que no funcionen”. Per què llegim una i altra vegada que s’ha trobat el remei contra el càncer, i per què ens agrada que ens ho diguin? Anem millorant, això sí, però lentament i gràcies a molts i molts investigadors que mai arribarem a conèixer i que ens van preparant el llarg camí dels descobriments. De tant en tant, tal vegada els articles de divulgació podrien parlar del camí, més que el de les suposades arribades. Perquè la recerca és més semblant a l’Angya i a una caminada de 20 o 30 quilòmetres que a una cursa de 100 metres lliures.

I la divulgació no és fàcil perquè és un joc d’equilibris que hem de fer tot caminant. Alguns amics físics em comenten que la teoria de la relativitat pot explicar-se de tres maneres: amb un llenguatge rigorós que només entenen els físics, amb un llenguatge intermedi que requereix un petit esforç per part del lector (no superior al que cal per llegir poesia, per exemple) o amb un llenguatge entenedor per tot el món; el que passa, diuen, és que en aquest últim cas ja no s’està explicant res de la teoria de la relativitat. La divulgació ha de nedar entre dues aigües, i en això rau la seva dificultat. No hem de suposar que els lectors ho saben tot, però tampoc cal tractar-los com a nens, perquè si llegim és per descobrir, entendre i acabar comprenent. I això sempre comporta un esforç. El científic fa camí, però el lector d’articles de divulgació, també.

———

Per cert, en José Ramón Alonso s’oposa a l’arrogància occidental i en concret a l’interès d’alguns per confirmar que el cervell de l’home blanc és més gran que els altres. Diu a més que tenim l’obligació de deixar el món als nostres fills millor de com l’hem trobat, i pensa que no ho fem.

El que no sabem i el que sabem que no

dijous, 8/01/2015

Aquests dies tothom parla del que tindrem i del que sabrem l’any 2015. Els mitjans de comunicació van plens d’anàlisis i prediccions. Suposo que imaginar el que sabrem i el que ens pot passar ens tranquil·litza perquè així ens fem la il·lusió que ho tenim tot més controlat. Necessitem saber. Veiem prediccions meteorològiques i econòmiques, tenim horòscops i fem càbales sobre el futur polític. No sempre ho encertem, després ja vindrà el que no esperàvem, com diu la Carme Colomina. Però, encara que tot això ja ho sabem, fa poc vaig sentir una frase que em va sobtar. Un amic, tot parlant, va dir: els científics ho sabeu tot!

El cert és que no sabem res. Després de l’optimisme de Laplace i de molts altres científics del segle XIX, la ciència actual és molt més realista i sap de la seva ignorància. Ja fa molts anys, quasi cent, els científics van redescobrir el sentit profund de la frase que Sòcrates havia formulat fa 2400 anys. Només sabem que no sabem res. Tan sols hem descobert algunes lleis i regularitats de l’Univers. No entenem els misteris de la vida, no entenem el per què de la fletxa del temps, no sabem què és la matèria ni d’on surt la força de la gravetat. Les grans preguntes, moltes d’elles a cavall entre la ciència i la filosofia, són misteris, caixes tancades que no podem obrir. Erwin Schroedinger deia que la ciència autèntica assumeix els forats dels àmbits no explicats, i no els vol omplir. I Einstein ens advertia sobre la caducitat de les teories científiques. La ciència actual sap de les seves limitacions i és més propera a la filosofia que la de fa un o dos segles. Com diu Adela Cortina, en les èpoques de més progrés la filosofia ha treballat colze a colze amb les ciències, i ha estat aquesta fecundació mútua entre filosofia i ciències el que ha generat el millor saber. Diu també que quan la filosofia ignora els avenços científics es perd en buides elucubracions, mentre que les ciències que ignoren el marc filosòfic perden sentit i fonament.

Sabem alguna cosa de la interacció entre matèria i energia, i podem fer fotos i vídeos amb el telèfon mòbil gràcies a l’efecte fotoelèctric que ens va saber explicar Albert Einstein. Podem enviar naus a Plutó i a alguns asteroides i cometes gràcies a Kepler i Newton. Podem fer prediccions econòmiques, meteorològiques i del comportament social a curt termini gràcies als nostres minsos coneixements estadístics i dels sistemes dinàmics. Però no sabem l’estructura de la matèria, no entenem ni la nostra ment ni el fenomen de la consciència, no entenem el fenomen del dormir, i ni tan sols sabem gaire cosa del que feien els nostres avantpassats de fa 2200 anys. En tot cas, el que és clar és que el rendiment que ens han donat les poques lleis i regularitats que hem descobert ha estat miraculós. El poc que sabem ens permet fer ginys amb els que si volguéssim podríem viure millor. Són els sistemes per a captar les energies netes de la natura, són les noves tecnologies mèdiques, és internet i la xarxa global d’informació i comunicació, i tants d’altres. Ha estat el miracle dels pans i els peixos, l’explosió tecnològica que veiem conviure amb l’actual i obligada modèstia científica. La tecnologia beu de la ciència, mentre la ciència s’ha de mirar en la filosofia per aprendre a moderar-se.

Quan alguna teoria científica ens diu que X és la causa de Y, no sempre ens ho hem de creure: poden arribar noves teories amb noves interpretacions. Però quan la ciència ens demostra que alguna cosa no pot ser, és clar que no ho és. Mentre les explicacions de les teories poden ser caduques, les demostracions del que NO pot ser són perdurables, perquè desmenteixen mites. La ciència ja n’ha desmentit molts, dient-nos que NO. Desprès de Copèrnic, Kepler, Galileo i Newton sabem que la Terra no és al centre de l’Univers (per cert, on és el centre?). Sabem que els alquimistes cercaven una quimera i que les reaccions químiques no poden fabricar or. Sabem que mai arribarem a viure sense riscs i ben protegits de les catàstrofes. Sabem que no som infinits perquè res ho és, i sabem que som limitats en espai i temps. No és cert, com ens explica en Daniel Closa, que en lluna plena neixin més criatures i és fals que l’aigua de la pica gira al revés a l’hemisferi sud. Però probablement, qui va trencar més mites va ser en Kurt Goedel. Fa 84 anys va enunciar el seus dos teoremes, el segon dels quals diu que cap sistema consistent no es pot usar per demostrar-se a si mateix (el primer diu que en qualsevol formalització consistent de les matemàtiques que sigui prou forta per definir el concepte de nombres naturals, es pot construir una afirmació que ni es pot demostrar ni es pot refutar dins d’aquest sistema). En d’altres paraules: NO existeix la perfecció en matemàtiques, perquè tot sistema matemàtic conté afirmacions que ni es poden demostrar ni refutar. Kurt Gödel va enfonsar de cop tots els intents de construir teories matemàtiques racionals i completes, com el programa de Hilbert i els treballs de Bertrand Russell en els seus Principia Mathematica, i va fer caure dels núvols a molts científics. Probablement, va dir el NO més important de tot el segle XX.

Hi ha una cosa ben segura: al final de 2015, no sabrem quasi res. Però, en canvi, tot fent camí, hem pogut anar sabent que molts mites són falsos i molts grans projectes no poden arribar a bon port. Això és la ciència.

Per cert, mai he entès els titulars dels diaris i les seves classificacions. Per què trobem els temes de ciència i tecnologia a l’apartat de societat, en un calaix de sastre que comparteixen amb l’avortament i la llei mordassa?

Les tres endevinalles del GPS

dijous, 1/01/2015

A les dues del migdia, veig arribar dos helicòpters. Arriben a la vegada. Cada un d’ells porta un missatge. Un d’ells diu que ha sortit de Barcelona a les 13:12, i l’altre, que ha sortit de Tarragona a les 13:24. Els dos diuen que han viatjat sempre a 100 quilòmetres per hora. On soc?

En aquest cas no és difícil saber on sóc. Només cal tenir un mapa a escala i un compàs. L’helicòpter que ve de Barcelona ha volat durant 42 minuts, i amb això ja podem saber que som a 80 quilòmetres de Barcelona (vegeu nota al final). Amb el mateix raonament aplicat a l’altre helicòpter, deduïm que ens trobem a 60 quilòmetres de Tarragona. Ara, només cal estendre el mapa i dibuixar-hi dos cercles: el dels punts que són a 80 Km. de Barcelona, i el dels que es troben a 60 Km. de Tarragona. Ben aviat ens adonem que som a Cervera, al punt on es troben els dos cercles (hi ha un segon punt d’intersecció, però el podem descartar perquè és al mar). En poques paraules, podem saber on som si disposem d’un mapa i un compàs i si sabem la nostra distància a un mínim de dos punts determinats. Són tècniques ben conegudes pels navegants.

Anem ara a la segona endevinalla:

No tinc rellotge i no sé l’hora. Però veig arribar tres helicòpters. Arriben alhora, i cada un d’ells porta un missatge. Un d’ells diu que ha sortit de Lleida a les 9:30, el segon explica que ha sortit de Girona a les 10, i el tercer diu que ha sortit de Manresa a les 10:10. Tots diuen que han viatjat sempre a 100 quilòmetres per hora. On soc?

Aquesta ja no és tan fàcil, però la intuïció matemàtica ens diu que és probable que puguem deduir on som, perquè ens manca una informació (la nostra hora) però en canvi en tenim una de nova, la del tercer helicòpter. Jugant amb el mapa i el compàs, és fàcil veure que podem trobar la solució per aproximacions successives. Podem anar fent proves, tot fixant cada vegada un valor hipotètic per l’hora del rellotge que no tenim. Imaginem que quan veiem arribar els tres helicòpters junts, són les 10:30. Ara, com que ja tenim l’hora d’arribada, podem dibuixar els tres cercles, com podeu veure a la imatge de sota. I de fet podem fer el mateix per les 11:20 i obtindrem els cercles que també podeu veure a la imatge de baix, a la dreta. Cap dels dos cassos és possible, perquè en aquests dos instants no hi ha cap punt del mapa en el que els tres helicòpters coincideixin. En canvi, els tres cercles de les 10:55 sí que intersequen, i ho fan a Puigcerdà. Podem assegurar que som a la Cerdanya, a Puigcerdà. El truc és anar provant amb diferents hipòtesis pel que fa al temps del nostre rellotge, fins que encertem el cas en què els tres cercles intersequen en un punt. Cal dir que, de fet, també ho podem resoldre directament i sense haver d’anar provant, amb l’ajut de la geometria (vegeu la nota al final).

El sistema GPS es basa en el mateix principi, amb l’única diferència que enlloc d’helicòpters tenim senyals electromagnètics de ràdio que viatgen a la velocitat de la llum. Si entenem les endevinalles, entenem el GPS. Avui en dia, quan ens perdem, ho tenim més fàcil que els nostres avis. Molts telèfons mòbils tenen GPS, i el sistema GPS ens diu on som. Podem veure la nostra posició en un mapa i podem saber les coordenades geogràfiques del lloc on som: longitud i latitud. El GPS funciona mitjançant una xarxa de satèl·lits que orbiten al voltant de la terra. Cada satèl·lit porta un rellotge atòmic per mesurar el temps amb una precisió de l’ordre de menys d’un nanosegon (un nanosegon és la mil milionèsima part d’un segon). Gràcies a Einstein, sabem que la velocitat de la llum és constant. Com que aquesta velocitat és de 300 mil quilòmetres per segon, amb una única divisió veiem que tant la llum com les ones electromagnètiques que rebem dels satèl·lits recorren 30 centímetres cada nanosegon. Els rellotges atòmics son tan ràpids que la llum només avança uns 4 o 5 centímetres entre cada dos tics. Com en el cas dels helicòpters, els GPS mesuren distàncies amb el temps. Quan volem determinar la nostra posició, el GPS localitza automàticament un mínim de quatre satèl·lits de la xarxa, dels quals rep senyals que indiquen la posició del satèl·lits (abans era la ciutat d’on surt cada helicòpter) i el temps (en fraccions de nanosegon) de sortida del senyal en el rellotge de cadascun d’ells. En base a aquests senyals, el GPS pot calcular les nostres coordenades geogràfiques tal com fèiem a l’endevinalla, amb un error de precisió que en condicions normals és d’uns 15 metres. Val a dir que a més, aviat tindrem el sistema Galileo. A diferència del GPS (Nord-americà i militar) el sistema Galileo és un projecte civil, l’alternativa de la Unió Europea a l’actual GPS. Oferirà un servei obert, de lliure accés per a tothom, amb un error de quatre metres sobre el terreny i de vuit metres en vertical.

Però podem pensar una mica més i donar-hi més voltes. Si encara en teniu ganes, aquí teniu la tercera endevinalla:

Veig arribar dos helicòpters. Arriben junts, però no tinc rellotge i no sé l’hora. Cada un d’ells porta un missatge. Un d’ells diu que ha sortit de Lleida a les 10:30, i l’altre, que ha sortit de Tarragona a les 11. Els dos diuen que han viatjat sempre a 100 quilòmetres per hora. Puc dir alguna cosa d’on soc?

Aquest cas és ben interessant. Si en el mapa dibuixeu el segment recte que uneix Vic i Amposta, podem afirmar que ens trobem en algun punt d’aquesta recta (vegeu, un cop més, la nota al final). Puc trobar-me a Vic, però és segur que no soc ni a Solsona ni a Mataró…

Per cert, en Noam Chomsky diu que el paper dels intel·lectuals i activistes radicals ha de ser analitzar i valorar, mirar de persuadir, organitzar, però mai arribar al poder i governar. Diu que han d’estar preparats per plantar cara a la repressió i actuar en defensa dels valors que professen.

 

Si voleu veure millor aquestes fotos, cliqueu aquí i mireu les tres pàgines del pdf en mode pantalla completa. Podreu anar endavant i endarrera amb les fletxes del teclat

 

NOTA: A la primera endevinalla, ens diuen que el primer helicòpter ha sortit a les 13:12 i que ha arribat a les 14 hores. Per tant, ha volat durant 48 minuts. A una velocitat constant de 100 quilòmetres per hora, és clar que cada 6 minuts recorre 10 Km. i, en conseqüència, en els 48 minuts haurà fet un total de (48/6)*10 = 80 quilòmetres. El mateix raonament serveix per al segon helicòpter.

Per a entendre la segona endevinalla, imagineu-vos una representació 3D amb eixos x-y-z. En el pla horitzontal dels eixos x-y, tenim el mapa de Catalunya o de la regió del món que estem estudiant. En l’eix z, vertical, representem el temps. És un diagrama espai-temps, similar als que utilitzava Einstein per il·lustrar la teoria de la relativitat. Tot allò que passa, per exemple, a les 10 del matí, es pot representar en un pla horitzontal (el pla del present, en aquest cas, el pla de les 10) paral·lel al pla x-y. Quan passa el temps, el pla del present puja inexorablement. En aquest pla de les 10 podem situar un punt a Girona que marca la posició de l’helicòpter gironí, que acaba de sortir. En canvi, el que ha sortit de Lleida a les 9:30 ja ha volat durant mitja hora, i l’únic que podem dir és que es troba en algun punt del cercle centrat a Lleida i de radi 50 Km. Al cap d’un quart d’hora, en el pla de les 10:15, ja podrem dibuixar els tres cercles, que a partir d’ara aniran creixent. A la imatge de dalt podeu veure l’estat dels tres cercles a les 10:30, a les 10:55 i a les 11:20. Si ara ens situem fora de l’espai i el temps i observem el diagrama 3D mentre el pla del present puja i els cercles creixen, és fàcil veure que cada cercle crea un con o paperina virtual que es va obrint a mesura que passa el temps. Cada helicòpter, en aquest diagrama d’espai-temps, té associat un con de possibles llocs on es pot trobar. I la geometria ens diu que tres cons d’eix vertical intersequen en un punt, en el punt que ens diu on som. En els GPS i en el sistema Galileo passa exactament això, amb l’única diferència que enlloc d’helicòpters tenim senyals electromagnètics que viatgen a la velocitat de la llum. El que calculen els nostres GPS a partir dels missatges que reben dels satèl·lits és aquest punt d’intersecció entre els tres cons en el diagrama espai-temps.

Si us interessa, us podeu descarregar la conferència que vaig donar a les Aules Universitàries per a la Gent Gran d’aquesta web. I aquí podeu trobar una mica d’història junt amb una comparació entre l’actual sistema GPS i el futur sistema Galileo.

I què passa en el cas de la tercera endevinalla? En aquest cas només tenim dos cons en el diagrama d’espai-temps, amb eixos verticals que passen per Tarragona i Lleida. Si imaginem el pla del present que va pujant, hi veurem dos cercles que es van acostant, passen a ser tangents en un punt intermedi (que anomenaré Q) del segment recte que uneix Tarragona i Lleida i, a partir d’aquest moment, ja sempre més intersequen. Si dibuixeu, en el mapa, el segment recte entre Tarragona i Lleida i suposem que el que surt de Lleida vola en direcció a Tarragona, a les 11 del matí es trobarà en un punt imtermedi R entre Prades i Alcover, mentre que el de Tarragona estarà acabant de sortir. És clar que el punt Q es troba exactament a mig camí entre R i Tarragona, prop de la carretera de Reus a Alcover. Dibuixeu ara la recta perpendicular al segment Tarragona-Lleida que passa per Q. És una recta que veureu que passa per les rodalies de Vic i d’Amposta. No podem saber exactament on som perquè ens manquen dades, però podem estar ben segurs que som en algun punt d’aquesta recta i que no som ni a Tàrrega, ni a Ripoll ni a Sitges.

Una actitud davant la vida

dimecres, 4/12/2013

Giordano_Bruno.jpg Un dels trets característics del científic és que no es creu directament el que li diuen. Ho ha de comprovar, analitzar i experimentar, i ho ha d’entendre. És clar que el pensament crític no és pas patrimoni exclusiu de la ciència, perquè la filosofia i moltes branques de la cultura en són bones mestres. Però també sabem que l’actitud científica és crítica. En Jorge Wagensberg diu que la història de la ciència és la història de les bones preguntes, mentre que la història de les creences és la història de les bones respostes. I en Freeman Dyson ens parla tant dels científics que han estat rebels com de la seva postura critica.

L’actitud científica comporta el fet de dubtar de tot i no creure’s res. Va ser l’actitud de Copèrnic, Galileo, Newton, Darwin i Einstein. És una actitud perillosa perquè deixa al descobert els fanatismes, i aquests s’hi poden tornar. A Giordano Bruno li va costar la vida, com mostra el monument que li han dedicat a Roma i que podeu veure a dalt. El científic dubta de les paraules i de les respostes, però tanmateix no para de fer-se preguntes. Ara bé, quan ho ha comprovat i ho ha entès, ho pot defensar amb convicció. És el “e pur si muove, és l’actitud actual dels científics evolucionistes davant els estranys discursos creacionistes que apareixen com a bolets en alguns països.

S’ha demostrat que l’educació, i la científica en particular, ajuda i fomenta el pensament critic. Malauradament, una noticia d’ahir mateix ens diu que els nostres nens d’ESO, a Catalunya, tenen poques hores dedicades a les ciències. Concretament, un 8% del total. És un percentatge baix, si el comparem amb el 19% que hi dediquen a Finlàndia. Això sí, l’alumnat català fa 200 hores de classe més que el país nòrdic, a l’any. Però obtenim pitjors resultats a l’informe PISA. Moltes hores i baix rendiment. Estem bé en comprensió lectora, però per sota de la mitjana de la Unió Europea (i de la de la OCDE i de la de tota Espanya) en competència científica. Tal vegada podríem parlar d’allò del “necessita millorar”, oi?

Sabíeu que hi ha una organització (i una web) dedicada al foment del pensament critic? En aquesta web, entre d’altres coses, diuen que el pensament critic és auto-correctiu, disciplinat i autocrític. Requereix unes bones dots de comunicació i habilitat per a resoldre problemes, juntament amb capacitat per a superar l’egocentrisme i el socio-centrisme i per a corregir l’autocomplaença i la tendència natural a mirar-nos el melic. Expliquen que el pensador crític planteja qüestions i problemes rellevants, els formula de manera clara i precisa, recull informació i l’analitza i avalua, en fa abstracció, experimenta i fa proves en el marc del màxim de criteris significatius, escolta i analitza altres maneres de pensar i les seves hipòtesis, implicacions i conseqüències pràctiques, i finalment col·labora amb els altres per tal de trobar solucions a problemes complexes.

La ciència necessita de tots aquests principis. Treballar en ciència implica entrar en un entorn de pensament crític. Moltes vegades, sobretot quan tothom sembla pensar el mateix, la solució dels problemes consisteix en dubtar, en cercar altres perspectives, en intentar donar-li la volta, en pensar a l’inrevés del que ens diu el pensament ortodox. Copèrnic es va adonar que els moviments dels astres passaven a ser molt més simples quan ho va mirar al revés i va considerar que la Terra girava al voltant del Sol, en contra de la teoria d’Ptolomeu que postulava que el Sol girava al voltant de la Terra. Ho va mirar a l’inrevés i a més es va saber desfer del llastre egocèntric: no som el centre de l’Univers.

Davant qualsevol problema o situació hi ha diverses actituds. Un nen, de nom Peter i que vivia a Chelsea (Massachusetts) el 13 de març de 1947 va enviar una carta de dues línies a Albert Einstein. Li deia: “Benvolgut senyor: M’agradaria molt que em digués què és el temps, que és l’ànima i què és el firmament”. No estan gens malament les preguntetes, oi? Malauradament no sabem què li va contestar Einstein; però si ens pregunten què és el temps o què és l’anima, podem fer moltes coses. Podem fugir i dir que no hi volem pensar, que no ens interessa, o podem pensar que tot plegat és màgic, i així també ens escapem i no ens cal pensar-hi. La màgia és el calaix on els humans hem guardat sempre tot allò en el que no volíem pensar, el calaix on tenim el que és sorprenent però que hem decidit mirar-nos amb passivitat. També podem adoptar l’actitud del creient: això és així perquè algú ho diu. Aquest algú pot ser Déu, la nostra religió, un líder o els que han creat els mites. Finalment, podem atrevir-nos a pensar críticament, dubtant de tot i no creient a priori res del que ens diuen. És el que va fer Einstein amb el concepte de temps. Va pensar des d’altres perspectives, sense prejudicis. Va pensar que tal vegada, el concepte d’èter no era necessari. Va donar la volta al pensament tradicional i no va tenir cap problema en plantejar que la velocitat de la llum era sempre la mateixa, tant si la mesuràvem aturats com si ens estàvem movent a gran velocitat, i va dir que ningú podia afirmar si estava aturat o no. Va qüestionar la física i va pensar críticament.

 

Per cert, en Joris Luyendijk diu que, a la llegenda de Sant Jordi, mai s’ha explicat la història des de la perspectiva del drac o de la princesa.

Els mòbils, les noves idees i la rellevància

dimecres, 19/06/2013

AlemaniaIdees2.jpg Fa pocs dies llegíem que el 90 per cent dels habitants del món tenen telèfon mòbil. Tot plegat i en gran part, gràcies al canvi que s’està produint als països emergents. A més, la meitat dels telèfons que es venen ja són “smartphones”.

Els telèfons mòbils són una idea reeixida. Qui hagués dit, ara fa vint anys, que tindríem més de sis mil milions de mòbils al món?  Els mòbils són el resultat d’una idea rellevant, que ha canviat la vida de molta gent. Les idees rellevants són les que acaben essent útils. Els mòbils són assequibles i fàcils d’utilitzar. Són petits ordinadors, ginys portables i versàtils que ens permeten fer infinitat de coses.

Tots tenim idees, però no és pas fàcil ser creatiu i tenir bones idees. Les idees són ben habituals, però les bones idees són un bé escàs. En ciència, les teories i les idees les hem de contrastar amb experiments. Si tot surt bé, escriurem un article i l’enviarem a una revista científica. L’article serà revisat per revisors (experts) anònims, i ens el publicaran si aquests ho veuen bé. El sistema no és perfecte, però és el que tenim. Si ens el publiquen ja podrem dir que la nostra idea era una mica bona, perquè hem aconseguit convèncer els revisors. Sobretot si la nostra publicació ha estat acceptada a una revista de qualitat, una revista de les anomenades “d’impacte”. Un cop publicat podríem pensar que tot s’ha acabat, però no és cert. Justament ara és quan tal vegada podrem fer el salt de la idea publicada a la idea rellevant. Al cap d’uns anys, sabrem el nombre de cites del nostre treball. El nombre de cites és el nombre de científics que l’han llegit, l’han trobat interessant i l’han citat després en escriure els seus treballs. Si hem aconseguit que el nostre article tingui moltes cites, és que la nostra idea probablement era bona. Us he de dir que no és gens fàcil. Molt pocs científics tenen articles amb un nombre elevat de cites. Es publica molt, però molt poc del que es publica té una incidència real en el treball posterior d’altres investigadors. La mesura del nombre de cites ens ajuda a cercar agulles (jo diria joies) dins el paller.

De fet, encara hi ha un pas més. Hi ha bones idees que passen a les empreses innovadores i donen lloc a nous productes, a nous ginys que ens donen l’oportunitat de viure millor. Són les idees rellevants, les idees molt bones, les excel·lents. Els telèfons mòbils en són una. El cercador Google n’és una altra. Podríem també parlar del GPS, de les càmeres digitals i d’altres. Sabíeu que Albert Einstein va rebre el premi Nobel l’any 1905 no pas per la teoria de la relativitat, sinó per haver explicat l’efecte fotoelèctric? Sabíeu que aquesta idea, la del efecte fotoelèctric, és la que ens ha permès dissenyar i fabricar els sensors CCD de les actuals càmeres digitals?

Quan tenim una idea, tots pensem que és bona. Una idea és una mica com un fill, i estimem les idees com estimem els nostres fills. Però és millor saber què opinen els altres, que ben segur s’ho miraran amb el cap més fred. Les cites dels articles ens ajuden a veure si la nostra idea ha estat ben rebuda pels altres i si els ha estat útil. Les idees rellevants que a més s’acaben transformant en nous artefactes que la gent incorpora a les seves vides, són les genials.

En les activitats creatives, la mesura la donen els altres. És cert en art, en ciència, en literatura i en d’altres camps. Ho diu en Josep M. Espinàs, en el seu llibre “El meu ofici”: l’escriptor ja no és un mag entre analfabets, s’ha convertit en un professional amb consulta oberta al públic. Els lectors són els qui mesuraran l’interès del que escriu.

Alguns països creuen en les noves idees, i les promouen. Hi ha països que volen promocionar-se com una marca, mentre que d’altres es defineixen en base a les idees. Aquests darrers inverteixen en recerca i en ciència. La inversió, lentament, genera coneixement. Després, en lloc de donar subvencions amb criteris estranys, donen incentius a les empreses innovadores que converteixen el coneixement en diners. Es el cicle del progrés. És lent, però els acaba generant beneficis de tot tipus.

De John Harrison a Galileo

dimecres, 12/06/2013

GalileoSatellite.jpg Què podem fer si ens perdem enmig del mar, a la muntanya, dins d’un bosc o en un desert? Sortosament, ho tenim més fàcil que els nostres avis. Molts telèfons mòbils tenen GPS, i el sistema GPS ens diu on som. Podem veure la nostra posició en un mapa i podem saber les coordenades geogràfiques del lloc on som: longitud i latitud. El GPS ha estat un bon invent per a poder orientar-nos. El que no és tan conegut és que, tant al segle XVIII com al segle XXI, si ens podem orientar és gràcies als rellotges. Hem aprés que per mesurar bé la posició i el lloc on som, cal saber mesurar bé el temps. Depenem de la física i de la l’íntima relació que hi ha entre espai i temps.

Els navegants i descobridors del renaixement sabien calcular bé la latitud. Només calia mesurar, amb un sextant, l’alçada màxima del Sol o de les estrelles sobre l’horitzó i consultar les taules astronòmiques. Però la longitud geogràfica sempre va ser molt més esquívola. La diferència de longituds geogràfiques entre dos llocs de la Terra (o separació entre els seus meridians) és clar que és proporcional a la diferència entre les seves corresponents hores solars. Per això calien els rellotges. Els vaixells que sortien de qualsevol port, per exemple de Barcelona, portaven un rellotge ajustat a l’hora solar de Barcelona. Quan, dies després, eren enmig del mar, per saber la longitud del meridià només havien de mesurar l’hora solar i restar-la de la que marcava el rellotge. El principi és ben conegut. Si anem a Pontevedra, veurem que el Sol surt més tard i es pon més tard que aquí. Els navegants ho feien a l’inrevés: mesuraven aquest retard i amb això podien calcular la seva posició, el seu meridià. En teoria tot era perfecte. Es podien orientar gràcies als rellotges. Només hi havia un “petit” problema: els rellotges no eren bons, i avançaven o s’endarrerien. Com que 24 hores equivalen al gir de 360 graus de la Terra, un error de 4 minuts en l’hora és equivalent a un error d’un grau en la mesura de la longitud geogràfica, que correspon a 111 quilòmetres si som a l’Equador. No és pas un error menyspreable. Els navegants no es podien orientar bé perquè tenien rellotges dolents.

A principis del segle XVIII, es parlava molt del problema de la longitud. Calia trobar maneres de calcular-la amb més precisió. Els anglesos, molt preocupats pel tema, van ser pragmàtics. Justament l’any 1714, el Parlament anglès va acordar donar un premi de vint mil lliures a la persona que trobés una solució al problema. El premi es donaria a la persona que trobés com mesurar la longitud amb un error de menys de mig grau i que ho demostrés en un viatge en vaixell. El rellotger John Harrison va anar millorant el disseny dels seus mecanismes fins aconseguir un rellotge, l’anomenat H4, que superava els requeriments del Parlament. L’any 1764, el seu fill William ho va demostrar en un viatge de 47 dies a les illes Barbados. El rellotge només es va endarrerir 39 segons, equivalents a una distància de 18 quilòmetres en l’Equador. Tot i que no va ser fàcil convèncer la comissió del Parlament, John Harrison va finalment rebre el premi l’any 1773 junt amb el reconeixement públic d’haver resolt el problema de la longitud.

Què fa un GPS per a saber on som? El GPS també utilitza rellotges per calcular distàncies i determinar la nostra posició. John Harrison utilitzava rellotges, i els nostres GPS també. La diferència és que els rellotges dels GPS són molt més precisos. I no són en els nostres GPS, sinó que estan en els satèl·lits que són en òrbita.

El sistema GPS funciona mitjançant una xarxa de satèl·lits que orbiten al voltant de la terra. Cada satèl·lit porta un rellotge atòmic per mesurar el temps amb una precisió de l’ordre d’un nanosegon (un nanosegon és la mil milionèsima part d’un segon). Si mesurem el temps que tarda un senyal electromagnètic en viatjar des d’el satèl·lit fins el GPS del nostre telèfon, podrem calcular la distància entre els dos amb un simple producte perquè, gràcies a Einstein, sabem que la velocitat de la llum és constant. Com que aquesta velocitat és de 300 mil quilòmetres per segon, amb una única divisió podem veure que tant la llum com les ones electromagnètiques que rebem dels satèl·lits recorren 30 centímetres cada nanosegon. Els rellotges atòmics son tan ràpids que, en cas que facin un tic cada nanosegon, la llum només avança un pam i mig entre cada dos tics. Doncs bé, quan volem determinar la nostra posició, el GPS localitza automàticament un mínim de quatre satèl·lits de la xarxa, dels quals rep senyals que indiquen la seva posició i el temps (en nanosegons) en el rellotge de cadascun d’ells. En base a aquests senyals, el GPS pot calcular el retard dels senyals i per tant les distàncies als satèl·lits (vegeu nota al final). Finalment, obtenim les nostres coordenades geogràfiques amb un error de precisió que en condicions normals és d’uns 15 metres.

El sistema Galileo és l’alternativa de la Unió Europea a l’actual GPS. Galileo és un projecte civil, a diferència del GPS que és Nord-Americà i militar. Oferirà un servei obert, de lliure accés per a tothom, amb un error de quatre metres sobre el terreny i de vuit metres en vertical, juntament amb un servei de pagament amb abonament que emetrà senyals encriptades amb un marge d’error inferior al metre per a localització en aplicacions específiques com la navegació aèria i els serveis de cartografia. El servei i la qualitat de les dades de posició deixarà d’estar supeditat als criteris i prioritats militars. Serà un servei per a la societat civil, més fiable i força més precís que el GPS. La constel·lació Galileo estarà formada per 30 satèl·lits en òrbita en una alçada mitjana de 23.222 quilòmetres, junt amb una sèrie d’estacions terrestres que controlaran els satèl·lits per tal de millorar la precisió del senyal i corregir-ne la trajectòria. Cada satèl·lit Galileo (vegeu la imatge de dalt) porta dos rellotges atòmics: un rellotge màser d’hidrogen que només endarrereix un nanosegon cada 24 hores, i un rellotge secundari de rubidi amb precisió de 1,8 nanosegons cada 12 hores. Ara mateix, els primers quatre satèl·lits Galileo ja són en òrbita i es troben en fase de proves. D’aquí a 4 o 5 anys (el 2017 o el 2018), ja el podrem utilitzar.

És més fàcil i més precís mesurar el temps que mesurar grans distàncies. Per això els mapes antics i medievals eren poc precisos, i per això els humans sempre hem fet servir rellotges per orientar-nos i per conèixer la nostra posició i les nostres coordenades. Però fa quatre segles, quan els navegants calculaven la seva posició, no ho podien fer bé: cometien errors de l’ordre de 100 quilòmetres. Fa tres segles i gràcies als rellotges de John Harrison, els errors ja eren només de l’ordre de 15 o 20 quilòmetres. Avui, gràcies als rellotges atòmics i a la tecnologia GPS, podem saber on som amb un error mil vegades més petit, de l’ordre dels 15 metres. I d’aquí a cinc anys, amb Galileo ho sabrem amb un error de només 4 metres. Tot plegat, perquè hem entès que el temps ens pot explicar l’espai i perquè hem trobat la manera de fer que ens l’expliqui.

Nota: Les estacions terrestres de control monitoritzen els satèl·lits i garanteixen que els seus rellotges estiguin “en hora” al nanosegon, a més de que tinguin informació sobre la seva posició en l’espai en tot moment. Llavors, si el nostre aparell GPS o Galileo portés un rellotge atòmic d’alta precisió incorporat, tot seria força senzill. Com hem dit, el GPS localitzaria automàticament alguns satèl·lits de la xarxa, dels quals rebria senyals amb informació sobre la posició i el temps en el satèl·lit en l’instant d’emissió del senyal. El temps de viatge del senyal es podria obtenir restant el temps en l’instant que rebem el senyal menys el temps en l’instant d’emissió. Multiplicant per la velocitat de la llum, el temps de viatge ens donaria la distància D al satèl·lit. Com que el satèl·lit també ens hauria enviat la seva posició a l’espai, podríem concloure (amb un únic satèl·lit) que segur que ens trobem en algun punt de l’esfera que té el centre a la posició del satèl·lit i radi D. Amb més d’un satèl·lit, el mateix raonament ens donaria per a cada satèl·lit una esfera sobre la que ens hem de trobar, i podríem calcular la nostra posició tot intersecant aquestes esferes (podem afegir a més la superfície de la Terra si sabem que estem tocant de peus a terra). Val a dir que és bo tenir informació redundant de molts satèl·lits perquè així podem reduir errors i calcular, amb algorismes de mínims quadrats, un punt que es trobi el més prop possible de les esferes de tots els satèl·lits que observem. Però malauradament tot plegat és una mica més complicat perquè els rellotges dels GPS evidentment no són atòmics. Sabem amb molta precisió l’instant d’emissió dels senyals, però l’instant de recepció el sabem amb una precisió molt més baixa. El problema és més complicat, però la solució no és massa més difícil. Suposem que estem veient 5 satèl·lits. Fem el càlcul com abans, restant el temps que ens dóna el rellotge del GPS del temps en l’instant d’emissió que ens arriba amb el senyal, i obtenim un radi d’esfera per a cada satèl·lit: D1, D2, …, D5. Aquests radis són incorrectes, però sabem que l’error és el mateix en tots ells, perquè és degut a un error en la mesura del temps de recepció, que és el minuend en totes les restes. Per tant podem assegurar que els radis correctes seran D1+d, D2+d, …, D5+d on el valor desconegut d depèn de l’error en el rellotge del GPS. Cal trobar el valor òptim de d. Aquest valor  és el que fa que els punts d’intersecció entre tots els possibles conjunts de tres esferes siguin el més propers possibles entre ells. Cal observar que en el cas de 5 esferes, podem formar deu conjunts diferents de 3 esferes cada un (les combinacions de 5 elements escollits de 3 en 3) i per tant, haurem de trobar el valor de d que apropi el màxim possible aquests deu punts. Cal tenir també en compte que cada conjunt de tres esferes intersecta en dos punts, però que un d’ells és a l’espai exterior i no és vàlid. Un cop hem calculat el valor d, calculem el punt d’intersecció de totes les esferes i ja hem resolt el càlcul de la nostra posició. Podeu comprovar que, si no imposem res més, el càlcul es pot fer si veiem un mínim de 4 satèl·lits. Però si sabem, per exemple que estem caminant o que anem en cotxe, el nombre mínim de satèl·lits baixa a tres perquè el càlcul es pot limitar a cercar punts sobre la superfície de la Terra.

En resum: podem saber on som gràcies a la geometria, als satèl·lits, a la informàtica i als algorismes d’optimització…

 

El temps i les hores

dimecres, 15/05/2013

CampanarRellotge1.jpg Fa només cent cinquanta anys, cada ciutat i cada poble anaven a la seva hora. Els campanars marcaven l’hora del poble. La gent alçava la vista per mirar el rellotge del campanar i, de nit, escoltava les campanes cada quart i cada hora. La imatge ens mostra el campanar romànic de Cortsaví. Els rellotges dels campanars s’ajustaven segons l’hora solar local. I l’hora solar a Lleida, Tarragona i Girona és diferent: el migdia solar de Girona, el moment en què el Sol passa pel seu punt més alt al cel, és sempre abans que el de Lleida. El Sol surt a Cadaqués i a Girona abans que a Lleida i a la Seu d’Urgell, i a la Vall d’Aran es pon més tard que a Figueres.

No calia res més. La gent anava a cavall, es viatjava lentament, i les petites diferències d’hora eren inapreciables. Els únics que havien de portar un bon rellotge per poder saber on eren eren els navegants. Però a tots els altres, als que vivien a les ciutats o al camp, als que viatjaven pels camins i als que anaven als mercats, no els importava pas que l’hora solar fos lleugerament diferent en els diferents indrets del país. No es podien telefonar per constatar que la posta de Sol a uns llocs era més tard que a d’altres llocs.

Tot va canviar amb el tren. Peter Galison, en el seu llibre “Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time”, explica que l’any 1880 cada ciutat dels Estats Units anava a la seva hora. Diu que l’astrònom de Harvard Leonard Waldo insistia que l’hora de Boston era millor i més precisa que l’hora de Nova York. De fet, l’opinió de Leonard Waldo era una mica interessada, perquè tenia una empresa que enviava l’hora de Boston per telègraf als seus clients: rellotgers, bombers, empreses de transports i d’altres. Leonard Waldo va donar un primer pas cap a d’unificació horària. Amb els senyals horaris emesos per telègraf, els rellotgers podien posar en hora els rellotges que després servirien per ajustar els rellotges dels campanars i els de la gent. Però el canvi definitiu va venir tres anys després, el 1883. El tren que anava de Nova York a Hartford i Boston no podia sortir de Nova York a l’hora de Nova York i arribar a Boston a l’hora local de Boston. Tot plegat era un embolic. No hi havia manera de fer els horaris de trens si cada ciutat anava a la seva hora. El tren era més ràpit que les diligències, i les diferències d’hora entre ciutats van començar a ser un problema real. L’any 1883 es va fer un congrés a Sant Lluis, Missouri, amb delegats de les empreses de transport ferroviari dels Estats Units (si voleu, proveu d’escriure “november 18 1883″ a Google). A la reunió es va decidir adoptar un sistema unificat de zones horàries, de manera que totes les ciutats dins la mateixa zona tindrien la mateixa hora i que la diferència horaria entre dues zones veines seria exactament d’una hora. És el sistema horari que ara utilitzem a tot el món i que podeu veure aquí. Després del congrés de 1883, tothom va adaptar l’hora dels seus rellotges a l’hora dels trens. Nova York va haver de renunciar a la seva hora tot actualitzant els seus rellotges segons l’hora astronòmica a 75 graus de longitud oest, i el sistema de zones horàries dels trens americans es va anar estenent lentament a tot el món, fins que el 1929 la majoria dels principals països havien ja adoptat les zones horàries.

De fet, però, cal dir que la primera zona horària del món havia estat creada a Gran Bretanya (també per les companyies de ferrocarril) el desembre del 1847, trenta-sis anys abans. El 23 d’agost del 1852 es van començar a transmetre els senyals horaris a través del telègraf des de l’Observatori de Greenwich, i el 1855 la major part dels rellotges públics de Gran Bretanya ja utilitzaven una única hora unificada (la “Greenwich mean time“, GMT). Els anglesos van ser pioners en adoptar l’hora unificada GMT (l’hora GMT va esdevenir finalment l’hora legal anglesa l’any 1880), mentre que els americans van ser els qui van exportar els sistema de zones horàries a tot el món. A casa nostra, en canvi, les coses van anar més tranquil·les. Com podeu llegir aquí, l’any 1891 Barcelona va fixar com a hora oficial de la ciutat la que marcava el rellotge de la façana de la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona a la Rambla (a l’edifici del Teatre Poliorama). Deu anys després, el 26 de juliol del 1900, es va unificar l’hora de tot l’Estat tot adoptant l’hora GMT amb efectes des de l’1 de gener del 1901. Fins el 1901, els horaris dels trens Barcelona-Mataró no van ser fàcils de fer.

Teòricament, cada zona horària hauria de ser una franja (com un tall de síndria) de la Terra entre dos meridians separats 15 graus de longitud geogràfica, perquè 15 és el resultat de dividir els 360 graus de la circumferència de la Terra per les 24 hores que té el dia. A la pràctica, les zones horàries s’adapten a les fronteres entre els països per tal de garantir que la majoria de països puguin tenir l’hora unificada. D’altra banda, els mapes de zones horàries tenen un element interessant i que fa pensar una mica: la línia de canvi de dia. Si imagineu la Terra i el Sol a l’espai, sempre hi ha punts de la Terra (els del meridià oposat a la direcció del Sol) en els que és mitjanit. Com que a la mitjanit canviem de dia, els pobles que en un moment donat es troben a una i altra banda d’aquest “meridià de la mitjanit” estan vivint en dies diferents del calendari. Si en uns d’ells és dimarts abans de la mitjanit, en d’altres ja és la matinada de dimecres. Si aneu recorrent la Terra tot allunyant-vos del meridià de la mitjanit, anireu trobant molt més pobles en els que encara és dimarts i, en l’altra direcció, molts altres pobles en els que ja és dimecres. Tot plegat només funciona si fixem algun altre “quasi-meridià” de la Terra en què hi hagi un segon canvi (invers) de dia. Al mapamundi de zones horàries, aquest “quasi-meridià” de canvi de dia es va situar al mig del Pacífic, per evitar la situació una mica surrealista que seria tenir països fronterers que viurien sempre en dies diferents del calendari. Gràcies a aquest conveni, en cada moment tenim dues grans regions a la Terra: les que es formen a una i altra banda del meridià de mitjanit, fins arribar al quasi-meridià de canvi de dia. Els pobles d’una i altra regió viuen en dies diferents del calendari. I tot plegat acaba tenint la seva gràcia, perquè aquestes dues regions van canviant contínuament degut a que el quasi-meridià de canvi de dia és fix respecte la Terra mentre que el meridià de mitjanit depèn de la posició relativa entre el Sol i la Terra.

Som a casa un dissabte a la nit. Són les onze de la nit. Estem veient les noticies de la nit del dissabte a la televisió, però a molts llocs de la Terra ja és diumenge. Sabeu a quins llocs és ja diumenge? A quins llocs ha sortit el sol del diumenge? I quan estem sopant, un dissabte a les nou del vespre, a quins llocs ha sortit ja el sol del diumenge?

La teoria de la relativitat d’Einstein ens parla de la relativitat del temps, de la constància de la velocitat de la llum i de la equivalència entre tots els sistemes inercials de referència. Com sabem, Einstein la va publicar l’any 1905, només 22 anys després de la reunió de Sant Lluís. Einstein va teoritzar sobre la relativitat del temps en un moment en el que tothom hi pensava, en el temps i les hores. Tots els pobles havien hagut de canviar l’hora per adaptar-se al nou estàndard mundial. Peter Galison explica que una de de les patents de l’oncle d’Einstein (Jakob) tractava d’un un giny per al control elèctric dels rellotges. El mateix Einstein va haver de gestionar diverses patents sobre la coordinació de rellotges mitjançant la transmissió de senyals horaris elèctrics, quan va treballar a l’oficina de patents de Berna. Sens dubte, les dues dècades entre 1883 i 1905 van ser un període històric especialment propici per al naixement de la teoria de la relativitat.

Una història de capsetes, fermions i preons

dijous, 15/11/2012

Llampec.jpg El descobriment de la matèria és una aventura tan apassionant com la nostra lenta comprensió de l’Univers o com els viatges dels exploradors renaixentistes. Les noves troballes no sempre són fàcils d’entendre, però estan canviant les nostres vides, com veurem. Tot plegat està relacionat amb una recent notícia sobre els quarks i els preons.

La matèria no és un conjunt amorf i gelatinós, com pensaven, fa no massa més de cent anys, científics com Wilhelm Ostwald o Ernst Mach. Tot el que veiem són aglomerats de petites partícules individuals: molècules i àtoms. Demòcrit ja ho va dir fa més de 2400 anys. Deia que tot està composat d’àtoms indivisibles. No li van fer cas durant 1900 anys. Va ser Pierre Gassendi, nascut el 1592, qui va recuperar l’atomisme junt amb Descartes. La física evolucionava ràpidament, amb científics com Galileo Galilei i Isaac Newton. Però en aquells temps, no enteníem l’estructura de la matèria. És un fet poc conegut, però el mateix Newton (1642-1727) va gastar bastants diners en la cerca alquímica de l’or. I Hennig Brandt, el darrer alquimista, va descobrir el fòsfor tot cercant l’or, l’any 1669. El cert és que, l’any 1670, només es coneixien 14 elements. Nou d’ells ja eren coneguts pels antics (or, plata, coure, ferro, estany, plom, mercuri, sofre i carboni) mentre que els altres cinc van ser descoberts pels alquimistes: zinc, arsènic, antimoni, bismut i fòsfor. Vam haver d’esperar fins els temps de la Revolució Francesa, amb el primer tractat modern de química (publicat per Antoine Lavoisier l’any 1789) i la teoria de John Dalton de l’any 1808, per poder tenir una teoria coherent sobre l’estructura de la matèria. Els estudis de Laviosier i Dalton es basaven en experiments i mesures precises, i deixaven de banda les especulacions alquimistes. La tècnica científica i renaixentista de Galileo Galilei, basada en experimentar i mesurar, havia finalment arribat a la química. Segons Dalton, qualsevol substància està formada per àtoms. En els elements purs (or, plata, ferro…) tots els àtoms són del mateix tipus. Els àtoms dels elements s’uneixen en proporcions enteres fixes i constants, per tal de formar compostos. Els compostos estan formats per molècules. Dalton, tot estudiant les combinacions i les proporcions, va saber calcular per primer cop els pesos atòmics dels elements. Després, l’any 1869, Dmitri Mendeleev va observar propietats repetitives dels elements i va proposar la taula periòdica. Va ser difícil i va costar molts segles, però aquests descobriments van portar al naixement de la química moderna. La síntesi de compostos, nous materials i medicaments n’és una conseqüència. Quan anem a la farmàcia, podem trobar remeis per als nostres mals gràcies al camí que gent com Gassendi, Lavoisier, Dalton o Mendeleev ens van preparar.

Demòcrit deia que els àtoms són indivisibles. Però, a finals del segle XIX, es va veure que no. Que eren com capsetes que podíem obrir, i mirar dins. Joseph John Thomson va identificar els electrons i, l’any 1897 va proposar el primer model estructural de l’àtom. Thomson deia que, atès que els àtoms són neutres i que els electrons tenen càrrega elèctrica negativa, l’àtom ha de contenir altres partícules amb càrrega positiva. El model d’àtom de Joseph John Thomson era de tipus “plum cake“: els electrons estaven incrustats com les panses al brioix. Ara sabem que això no és massa correcte. Però el cert és que, fa uns 130 anys, es va descobrir l’existència dels electrons. Gràcies a aquest descobriment vàrem acabar aprenent com domesticar-los, els electrons. El segle XX ha estat el segle del control dels electrons i de l’ús de l’electricitat. La primera central elèctrica d’Espanya (i tercera d’Europa) es va construir a Barcelona, al carrer de la Mata, l’any 1883. Fa cent anys, al 1912, a Barcelona pràcticament només estaven electrificats els tramvies. Però ara tenim electrodomèstics, televisió, internet, telèfons intel·ligents, cotxes elèctrics i molt més. Els electrons que vàrem trobar en obrir la capseta dels àtoms ens han canviat la vida.

Els àtoms no són plum cakes, però el que sí és clar és que són molt petits. La seva mida es mesura en angströms. Un angström (que indicarem amb la lletra “A”) és una deu mil milionèsima del metre. Un àtom d’hidrogen mesura 1.1 A, i una molècula d’aigua 2.8 A. En altres paraules, de banda a banda d’una banyera d’un metre podriem col·locar més de tres mil milions de molècules d’aigua, si les poguéssim posar en fila. L’any 1906, Ernest Rutherford i els seus col·laboradors Hans Geiger i Ernest Marsden van publicar la seva teoria sobre l’estructura del nucli atòmic. És la base del que coneixem avui. Els àtoms tenen un nucli i els electrons són al voltant seu en diversos nivells d’energia. En el model de Rutherford, l’àtom era com un sistema solar microscòpic on el nucli feia de sol. Rutherford ho va poder deduir a partir d’un simple experiment. Va bombardejar una làmina molt fina d’or amb partícules alfa, i va observar que quasi totes les particules la travessaven sense ni tan sols desviar-se. Algunes, en canvi, sortien molt desviades o fins i tot rebotaven i tornaven enrere. Eren les que xocaven amb els nuclis dels àtoms d’or, com en un billar nanoscòpic. Gràcies a Rutherford sabem que la mida del nucli és molt més petita que la de l’àtom: de fet, al llarg del diàmetre de l’àtom d’hidrogen podríem arrenglerar uns cent mil nuclis. Mentrestant Einstein, a l’any 1905, va explicar els nivells d’energia dels electrons i l’efecte fotoelèctric, conseqüència directa de la interacció entre fotons de llum i els electrons dels àtoms. Nosaltres ens aprofitem cada dia d’aquest principi quan passem pels sensors fotoelèctrics de les portes dels ascensors, i quan fem fotos amb el telèfon mòbil o amb la càmera digital. També, per exemple, utilitzem la radiació sincrotró dels electrons  en la teràpia mèdica i en molts altres camps.

Semblava que el nucli atòmic era indivisible, però va ser que no. Al segle XX vàrem trobar la clau per obrir la capseta del nucli atòmic. L’any 1932 James Chadwick es va adonar que la radiació que havien observat Walther Bothe, Jean Frédéric Joliot-Curie i altres, era produïda per una partícula que ell va anomenar neutró. Després vam saber que el nucli conté protons i neutrons. En els àtoms sense càrrega elèctrica, el nombre de protons equival al nombre d’electrons. Sabem que el nucli atòmic és esfèric o el·lipsoïdal, que el seu diàmetre és proporcional a l’arrel cúbica del total de nucleons que conté (protons i neutrons), i sabem que la mida d’un protó és tal que en un metre podríem arrenglerar 588 bilions de protons. Tot això ens ha permés entendre les reaccions nuclears i hem aprés a controlar-les. Hem après a construir reactors nuclears i estem fent recerca en el camp de la fusió nuclear. No és fàcil i tots sabem i hem anat veient els riscos, però alguns usos són indiscutibles. Qui no creu en la utilitat curativa de la radioteràpia?

Doncs bé, els protons i neutrons també són capsetes que finalment hem pogut obrir. No ha estat fàcil, perquè cal trencar-les. Hem hagut de construir obridors gegants: els acceleradors de partícules, com el LHC del CERN. Segons el Model Estàndard (desenvolupat a principis dels anys 70), els protons i neutrons són contenidors de fermions, i més en concret de quarks. Tots els experiments posteriors han anat confirmant aquesta teoria del Model Estàndard, i finalment fa pocs mesos s’ha pogut identificar la darrera de les partícules que preveu aquest model: el bosó de Higgs. El bosó de Higgs completa i tanca el mapa de les disset partícules “elementals” que postula la teoria quàntica de camps, junt amb les seves partícules germanes: els quarks, els electrons, els neutrins, els fotons, els gluons i d’altres. El Model Estàndard integra tres de les quatre forces que governen la física: les forces electromagnètiques i les dues forces nuclears, forta i dèbil. Ens explica perquè ens podem moure i vèncer la resistència de l’aire, però en canvi no podem travessar una paret. Alguns aparells actuals de diagnòstic mèdic, com els escàners PET, es basen en aquests descobriments i en l’emissió de positrons, antipartícules de tipus leptò. Però encara queden fenòmens físics per explicar. Per exemple, no sabem d’on surt la força de la gravetat (la quarta força de la física) i no sabem si existeixen partícules que l’expliquin, els hipotètics gravitons. De fet, el Model Estàndard és considerat en general una teoria provisional, que molt probablement serà superada i millorada al llarg del segle XXI.

Quina mida tenen els quarks? La resposta és que encara no la sabem, la mida dels quarks. Alguns físics creuen que la seva mida és nul·la, i que per tant són capsetes que ja no podrem obrir. Però d’altres, com Don Lincoln, creuen que poden tenir una mida de l’ordre de deu a la menys divuit metres (deu a la menys divuit és pot escriure com cero, coma, disset ceros i un 1). Podrem obrir la capseta dels fermions i dels quarks?  De fet, els físics ja han donat un nom al que podrien trobar si la poguessin obrir: són els preons. Però, existeixen els preons? Hi ha moltes teories, per exemple, la teoria de les super-cordes. Fins i tot hi ha qui diu que totes les partícules són plecs de l’espai-temps i que tot el que veiem (i nosaltres mateixos) som geometria. Haurem d’esperar, si volem saber-ho. Don Lincoln diu que podem tenir preons, però també pre-preons o fins i tot pre-pre-preons. Quantes capsetes haurem d’obrir fins arribar a la frontera quàntica? Podrem algun dia entendre i fins i tot domesticar una mica la força de la gravetat? Podria ser útil (per als nostres descendents), no creieu?

Cada cop costa més d’obrir les capsetes, i cada cop és més difícil d’explicar el que hi trobem. No són fàcils d’entendre, els reptes actuals de la física. Però, com hem vist, cada cop que obrim una capseta pugem un nou esglaó i aconseguim que la Natura treballi una mica més per a nosaltres. Gràcies a que hem anat obrint capsetes tenim medicaments, nous materials, telèfons, internet i aparells de diagnòstic i teràpia mèdica. És cert que també hem creat eines de mort i destrucció, i que encara hem de sortir de la prehistòria i aprendre a resoldre els conflictes amb el diàleg, com reconeix l’Eudald Carbonell. Però, com també diu el filòsof Javier Gomà (Babelia, 10-11-2012), hem de sentir-nos afortunats per viure a l’època actual perquè tothom, de qualsevol etapa històrica, escolliria l’actual per viure.

Diuen que no som res, i és cert. Som buits, som espai buit sotmès a les forces atòmiques. Per això, constantment estem sent travessats per neutrins que ens arriben de tot l’Univers. Si cada una de les molècules d’aigua del nostre cos i de la nostra sang tingués la mida del planeta terra, els tres nuclis dels àtoms d’hidrogen i oxigen tindrien la mida d’una illa de l’eixample de Barcelona, i els quarks i partícules elementals que els composen (unes poques dotzenes) serien més petits que pilotes de futbol. La resta és el buit, el no res.

La ciència del segle XXI no és com la del segle XIX. Ara sabem que, a banda de no ser res, no sabem res. La ciència torna a ser molt més prop de la filosofia. Sabem que les nostres teories son transitòries. El Model Estàndard de les partícules elementals serà probablement superat, aquest segle XXI. M’agrada pensar que no sabem si els quarks són capsetes, i quantes capsetes més haurem d’obrir. Anirem entenent més, però cada cop és probable que tinguem més preguntes sense resoldre. Però el que sí és clar és que, si ho sabem fer bé, les noves capsetes que obrim serviran per millorar la vida dels nostres néts. Obrim capsetes, continuem sabent poc, però les capsetes obertes donen eines per a viure millor!

Per què hem de canviar les bombetes?

dijous, 11/10/2012

Bombetes1.jpg Hem de canviar les bombetes perquè es fonen, com tots sabem. Però també sabem que unes bombetes duren més que les altres. Les que més duren solen ser més eficients, com veurem tot seguit. Cóm podem fer que durin més, les bombetes? És aquí on entra la ciència. Des de fa un segle, cada cop entenem millor com interactuen la matèria i la llum. Els descobriments de la física ens permetran, d’aquí a no massa temps, que quasi no calgui canviar les bombetes. Les làmpades dels propers anys tindran una durada de trenta, quaranta o cinquanta anys.

Aquest any, el Premi Nobel de física ha estat atorgat a Serge Haroche i David J. Wineland, justament per la seva recerca sobre la manera com interactuen la matèria i la llum, l’energia electromagnètica. La seva recerca en el camp dels estats quàntics ens proporciona noves eines per avançar en el camí de la computació quàntica (val a dir que sóc dels informàtics que creuen que això va per llarg, i que els ordinadors quàntics no seran pas més fàcils d’aconseguir que la fusió nuclear a nivell industrial, per exemple). Els mecanismes que governen la interacció entre els fotons de llum i els electrons dels àtoms són complexes. Ara sabem que els fotons poden transferir energia als electrons, i que l’energia dels electrons d’un corrent elèctric pot generar nous fotons. Però el que no és tan conegut és que Albert Einstein va rebre el premi Nobel l’any 1921 no pas per la teoria de la relativitat, sinó per la seva formulació de l’efecte fotoelèctric. A l’article que va publicar l’any 1905, Einstein donava una explicació quàntica de la interacció fotons-electrons, i explicava que l’energia dels fotons és funció de la seva freqüència, del seu color. Els fotons de freqüència massa baixa no tenen prou energia i no generen electricitat en no poder fer saltar els electrons.

Totes les bombetes són fàbriques de fotons. Generen fotons a partir de l’energia del corrent elèctric. Les bombetes clàssiques, incandescents, es basen el l’efecte Joule: els cables elèctrics s’escalfen. És el mateix principi que fa que funcionin molts calefactors i estufes elèctriques, però a una temperatura molt més elevada, que fa que el filament esdevingui incandescent. Aquestes bombetes fan llum, però també generen molta radiació infraroja, molta calor. I a la factura elèctrica acabem pagant més la calor que no volem que la llum que necessitem. En canvi, les bombetes de LED són molt més “fredes”. Tot va començar l’any 1927 quan Oleg Lósev va publicar, a la revista de telefonia de Rússia, els detalls dels seus experiments. Lósev va descriure el fenomen de l’electroluminescència, que va descobrir quan va veure que els díodes emetien fotons. Els díodes són vàlvules d’electricitat: la deixen passar en un sentit, però no en sentit invers. És com un riu en un saltant d’aigua. L’aigua ve per la part de dalt, cau i continua a baix, pel riu; però no pot fer-ho a l’inrevés, no hi cap riu que pugi pels saltants d’aigua. En un díode, els electrons cauen pel saltant però només poden moure’s en un sentit perquè no el poden tornar a pujar. El que passa és que, en “caure”, els electrons desprenen energia, com l’aigua en els saltants d’una central hidroelèctrica. I aquí és on apareix la teoria quàntica i els treballs d’Einstein de l’any 1905. L’energia que tenen i que poden desprendre els electrons està empaquetada en petits “farcellets”. Cada farcellet és un quant d’energia. Si el saltant és petit (i això depèn dels materials del díode) l’electró cau però no genera cap fotó perquè no pot desembolicar farcellets. Si és més gran, pot generar un fotó de baixa energia (radiació infraroja). Si encara és més alt, el díode por arribar a fabricar fotons de llum de color visible pels humans. Trobar nous materials no va ser fàcil. La recerca sobre els LED i l’emissió de fotons va haver d’avançar molt i de fet no es va poder aprofitar tècnicament fins als descobriments de Bob Biard i Gary Pittman l’any 1961 i de Nick Holonyak l’any 1962 (que va aconseguir generar llum visible). Finalment, va ser la revista Nature Photonics, l’any 2007 i amb un article de Nikolay Zheludev, qui va reconèixer Oleg Lósev com inventor dels LED.

Parlem ara de la durada i de l’eficiència de les bombetes. A la imatge del començament d’aquest article, d’esquerra a dreta i de dalt a baix, podeu veure la clàssica bombeta incandescent, una bombeta halògena, una fluorescent de baix consum i una bombeta de LED. Segons un recent article de la revista Scientific American, una bombeta incandescent de 100 watts produeix una intensitat lumínica de 1600 lumens. Per aconseguir la mateixa llum, una bombeta halògena consumeix 77 watts mentre que una fluorescent de baix consum en consumeix 23, de watts. Les bombetes de LED donen aquesta llum tot consumint 20 watts. Però les dades sobre les seves durades són aclaparadores. Les bombetes incandescents duren unes 750 hores, les halògenes unes 1000 hores, les fluorescents unes 10000 hores i les LED duren entre 25000 i 30000 hores. Val a dir que això té a veure amb les actuals polítiques comercials i amb l’anomenada obsolescència programada. La prova és que hi ha bombetes incandescents que han estat enceses permanentment els últims 110 anys sense fondre’s.

Les làmpades LED són el futur. Són molt més eficients, gasten poc, generen molt poc calor i radiació infraroja, i duren molt més. El seu problema actual és encara el preu, però és clar que la tendència és a la baixa i que els propers anys seran més econòmiques. En tot cas, si feu un petit càlcul i compteu el que us estalvieu en compra de bombetes i en el rebut elèctric, veureu que surt a compte…

Les làmpades LED són petites obres d’art que encapsulen la recerca de més d’un segle en el camp de la interacció entre llum i matèria, començant el 1905 amb la teoria quàntica de l’efecte fotoelèctric d’Einstein, continuant amb els dispositius d’Oleg Lósev de l’any 1927 i amb els díodes emissors en espectre visible de Nick Holonyak, i arribant als treballs actuals en fotònica, en el camp del color i de la millora de rendiment. No hem pas acabat. Els LED dels nostres fills seran millors, menys cars i més eficients que els que ara coneixem.