Relatividad y GPS

La teoría de la relatividad tiene fama de ser abstracta, de usar complejos conceptos matemáticos pertinentes sólo en presencia de descomunales campos gravitacionales y velocísimas partículas.
De acuerdo con esta creencia, la relatividad está alejada de nuestra experiencia cotidiana y no tiene ninguna aplicación práctica. Nada más alejado de la realidad.
Un ejemplo contundente de aplicación tecnológica de la teoría de la relatividad son los ya cotidianos relojes GPS, de uso tan común que muchos carros lo traen incorporados y los montañistas portan en sus muñecas para orientarse.
El sistema de posicionamiento global, o GPS es un conjunto de 24 satélites que orbitan a nuestro planeta a 20.000 Kilómetros de altura, viajando a unos 14.000 Kilómetros por hora. Cada satélite lleva relojes atómicos con precisión de una mil millonésima de segundo. Un reloj GPS recibe las señales de varios satélites. Los tiempos de llegada permiten conocer la localización absoluta de ese reloj, es decir, la latitud, longitud, y altura sobre el nivel del mar, con apenas unos cinco metros de imprecisión.
Para que el sistema GPS funcione adecuadamente, los relojes de los satélites deben estar muy bien sincronizados con los de la Tierra. Un adelanto o atraso de algunas millonésimas de segundo significan un error de unos diez kilómetros cada día.
Es precisamente aquí donde entra brillantemente la relatividad. De acuerdo con la teoría especial, un reloj en movimiento funciona más lento que uno en reposo; los relojes de los satélites atrasan respecto de los de tierra. Por otra parte, una de las predicciones de la relatividad general establece que la gravedad altera el flujo del tiempo: los relojes en la tierra marcha más lentos que los que están en los satélites, porque están sometidos a una mayor gravedad.
Tomando en cuenta ambos efectos relativistas, los científicos son capaces de predecir que en los satélites el tiempo fluye 38 millonésimas de segundo al día más rápido. Por pequeña que parezca esta cantidad, los ingenieros que diseñan los relojes tienen que tomarla en cuenta para que los GPS permanezcan sincronizados.
Einstein nunca soñó que sus teorías fundamentales que alteraron por siempre nuestras queridas nociones acerca del tiempo y el espacio, pudieran tener alguna aplicación tan práctica como señalar el rumbo de un avión o dar la posición de un excursionista.
A veces las investigaciones más abstractas nos sorprenden con inesperadas consecuencias tecnológicas; porque así de extraños son los caminos de la ciencia.

Retando A La Naturaleza

El 27 de febrero de 1997, el anuncio en la revista Nature del nacimiento de Dolly, la primera clonación de un mamífero a partir del núcleo de una célula adulta de otro individuo, conmovió al mundo científico y despertó esperanzas, temores y fantasías en el común de la gente. ¿A qué se debe el revuelo?
Clonar significa obtener uno o varios individuos a partir de una célula normal (somática), o de un núcleo de célula de otro individuo, de modo que los individuos clonados son idénticos o casi idénticos al original.
En los animales superiores, la única forma de reproducción natural es la sexual, por la que dos células germinales o gametos (óvulo y espermatozoide) se unen, formando un zigoto (o huevo), que se desarrollará hasta dar el individuo adulto. Las células de un animal proceden, en última instancia, de la división repetida y la diferenciación del zigoto.
Las células somáticas, que constituyen los tejidos del animal adulto,
a diferencia de las células de las primeras fases del embrión, han perdido la capacidad de generar nuevos individuos y cada célula se ha especializado en una función distinta (a pesar de que generalmente contienen el mismo material genético).
Desde hace unos años se vienen obteniendo clones de mamíferos, pero sólo a partir de células embrionarias muy tempranas, debido a que aún no han entrado en diferenciación y son por lo tanto pluripotentes. No es extraño, pues, el revuelo científico cuando el equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de Edimburgo comunicó que habían logrado una oveja por clonación a partir de una célula diferenciada de una oveja adulta.
El método consiste en obtener un óvulo de oveja, eliminarle su núcleo, sustituirlo por un núcleo de célula de oveja adulta, e implantarlo en una tercera oveja que sirve como “madre de alquiler” para llevar el embarazo.
La clonación lograda demuestra que es posible reprogramar el material genético nuclear de una célula diferenciada, de modo que se comporte como el de un zigoto.
De este modo, este núcleo comienza a interactuar adecuadamente con el citoplasma del óvulo y desencadena todo el complejo proceso del desarrollo intrauterino.
Recientemente la clonación ha sido de nuevo noticia debido al fraude intentado por el científico surcoreano Hwang Woo-suk al proclamar, falsamente, la obtención de un clon de un embrión humano y la producción a partir de éste de las primeras células madre específicas del donante.

La Revolución Nanotecnológica

La revolución tecnológica de lo super pequeño, la nanotecnología, ya está con nosotros. Un conjunto rápidamente creciente de empresas especializadas en nanotecnologías ofrecen nuevos materiales para una amplia variedad de aplicaciones que van desde nanotubos de carbón y nanomateriales para aplicaciones médicas avanzadas, hasta un relativamente sencillo desinfectante.
La nanotecnología es la ciencia de lo super pequeño. Su nombre viene de una unidad de longitud inimaginablemente pequeña - el nanómetro - que es igual a una milmillonésima de metro (una parte de un metro dividido en mil millones de partes iguales). Es una dimensión apropiada para el mundo atómico y molecular; así, el átomo más pequeño, el de hidrógeno, mide transversalmente un décimo de nanómetro, una molécula de azúcar -un nanómetro, y la partícula de un virus -unos 50 nanómetros.
La nanotecnología explota el hecho de que al disminuir las dimensiones de la materia a decenas de nanómetros o menos, los efectos cuánticos comienzan a hacerse sentir y las propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas de las sustancias pueden cambiar significativamente. Las nanopartículas de oro, por ejemplo, pueden ser rojas, azules o del color habitual, dependiendo del tamaño que tengan. Este hecho era ya conocido y utilizado por los vitralistas de la edad media.
Así mismo, una reacción química puede aumentar extraordinariamente su eficacia y rapidez si en lugar de usar las sustancias en forma de polvo o gel, se recurre a nanopartículas de los químicos.
Los avances hechos en diversos laboratorios del mundo hacen muy probable que dentro de pocos años la nanotecnología sea predominante en nuestro entorno cotidiano. En unos 10 años el ancho de los cables de un chip puede reducirse, de 100, a unos 10 o 15 nanómetros; y baterías que se carguen en dos minutos pueden estar pronto a disposición de los usuarios. Con nanotubos de carbón se espera fabricar objetos hasta 100 veces más fuertes que el grafito normal, que es ya más fuerte y liviano que el acero, y la nanotecnología de puntos cuánticos está por ofrecernos un nuevo y eficacísimo bombillo.
El famoso físico norteamericano Richard Feynman fue quién dio inicio a la escalada nanotecnológica cuando, hace unos 45 años, hizo la observación: “¿Por qué no podemos escribir los 24 tomos completos de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler? Los principios de la física, hasta donde podemos juzgar, no se oponen a la manipulación de las cosas átomo por átomo”

Los Siete Problemas Del Milenio

Con el propósito de celebrar las matemáticas del nuevo milenio, el Instituto Clay de Matemáticas, en Cambridge, Estados Unidos, seleccionó siete problemas aún no resueltos, llamados “los siete problemas del milenio”, y ofreció un premio de un millón de dólares a quien resuelva cualquiera de ellos.
La selección fue hecha de manera que abarcara una amplia panorámica sobre tópicos diversos de las matemáticas, y se tratara de problemas que han resistido el paso del tiempo sin que nadie les haya encontrado una solución.
Un siglo antes, en 1900, David Hilbert presentó su famosa conferencia acerca de 23 problemas no resueltos en matemáticas e instó a las nuevas generaciones a resolverlos.
Cuando Hilbert dio su conferencia estaba conciente de que estaba decidiendo las líneas de investigación que ocuparían a los matemáticos más brillantes del siglo XX.
De este lote de problemas quedaron 3 sin resolver, sólo la llamada Hipótesis de Riemann pasó a formar parte de los siete problemas del milenio.
Estos problemas, salvo el primero, se conocen por los nombres de los matemáticos o físicos que los plantearon.
1. P versus NP. Un problema de la teoría de decisiones.
2. La conjetura de Hodge. Un problema de geometría proyectiva.
3. La conjetura de Poincaré. Un problema de topología.
4. La Hipótesis de Riemann. Un problema sobre la densidad de los números primos.
5. El problema de Yang-Mills. Un problema de física-matemática.
6. El problema de Navier-Stokes. Un problema de turbulencias.
7. La conjetura de Birch y Swinnerton-Dyer. Un problema de soluciones de una ecuación particular.
Los enunciados precisos de cada uno de estos problemas requieren de un lenguaje técnico que escapa a las intenciones de este programa.
Según Hilbert: “Un problema matemático debería ser lo suficientemente difícil como para retarnos, pero sin ser inabordable, ya que burlaría nuestros esfuerzos. Por el contrario, debería ser una señal-guía para conducirnos por el laberinto de las ocultas verdades, recompensando nuestros esfuerzos con el placer que nos depara la solución hallada”.
Recientemente el matemático Grigori Perelman resolvió la Conjetura de Poincaré, el tercero de los problemas. Perelman rechazó el premio del Instituto Clay, parece que prefirió la recompensa “del placer de la solución hallada” a la que hizo referencia Hilbert.
Un millón de dólares parece una recompensa adaptada al siglo XXI, pero aún existen científicos capaces de rechazarlos.

¿Tiene El Petróleo Sustituto?

Dos grandes problemas amenazan a la humanidad a comienzos del siglo XXI: la contaminación ambiental con su impacto sobre los cambios climáticos, y el agotamiento de las fuentes de hidrocarburos, el combustible principal de nuestro parque automotor, nuestras industrias y nuestras ciudades.
Desde los laboratorios de investigación y desarrollo se abre paso a lo que podría ser una considerable contribución a la solución de ambos problemas: la pila de combustible.
Se trata de un dispositivo, un reactor electroquímico, en el que la energía química se convierte directamente en electricidad, tal como sucede en el reactor común que es la batería recargable que usamos en nuestros automóviles. La diferencia consiste en que, en la batería, la energía química de los materiales que forman los electrodos se convierte en electricidad, cuando ésta se agota, hay que recargarla. Mientras que en la pila de combustible la energía química se obtiene de una sustancia que suple al reactor desde afuera.
La mayoría de las pilas de combustible en uso utilizan hidrógeno y oxígeno que toman del aire. Ellas convierten el hidrógeno y el oxígeno en agua, y en este proceso producen electricidad, utilizable para realizar un trabajo, tal como mover un motor eléctrico.
La transformación directa de la energía química del combustible en energía eléctrica tiene dos ventajas fundamentales. La primera es que la utilización de la energía química del combustible puede alcanzar eficiencias del orden del 70%, superando ampliamente la de los motores de combustión interna que apenas alcanzan un 20%. La segunda es que la pila de combustible no contamina, pues sólo produce agua.
El uso masivo de las pilas de combustible se topa todavía con varios importantes escollos, tales como el elevado costo de los materiales utilizados en su construcción y el difícil manejo del hidrógeno. Se ensaya con pilas que usan combustibles más manejables, como algunos hidrocarburos y alcohol. Pero la conversión final de éstos en hidrógeno, siempre requerida, baja significativamente la eficiencia de la pila.
Hicieron falta muchos años para que la “batería de gas”, construida por el jurista y físico inglés William Grove en 1839, hallara un uso práctico. Sin embargo, hoy en día su utilización es ya una realidad que se desplaza por algunas de nuestras ciudades. Aunque con carácter de demostración, un buen número automóviles y autobuses movidos por pilas de combustible ruedan por las calles de varias ciudades de Norteamérica, Europa, Japón y Australia.