conCIENCIAtecCiencia, Tecnología y Medio Ambiente

Ludwig Boltzmann

Philip T. Gressman y Robert M. Strain, dos matemáticos de la Universidad de Pennsylvania  han hecho historia al resolver la ecuación de Boltzmann, una ecuación de séptimo grado formulada hace 140 años y que hasta ahora nadie había logrado solucionar. El trabajo ha sido publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) y financiado por la National Science Foundation.

Desarrollada durante las décadas de 1860 y 1870 por los físicos Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell, esta ecuación es fundamental en el estudio de la cinética de los gases ya que es capaz de predecir la distribución en el espacio del material gaseoso y la manera en que éste responde a diversos cambios como presión, temperatura, etc. A pesar de que esta ecuación ha permanecido sin solución durante 140 años, su importancia histórica es incuestionable ya que ha sido ampliamente utilizada desde su formulación y los múltiples experimentos llevados a cabo durante décadas han corroborado una y otra vez la validez de sus predicciones.

Gressman y Strain  han conseguido resolver este complicadísimo problema utilizando técnicas matemáticas de los campos de ecuaciones diferenciales parciales y análisis armónico, pero por el momento pero sólo han logrado encontrar soluciones para los casos en los que los gases se encuentran en estado de equilibrio perfecto. Un gas se halla en un estado de equilibrio cuando su nivel de entropía es máximo, es decir, cuando  las partículas están totalmente mezcladas y el desorden es máximo.

Es llamativo el hecho de que la mayoría de las técnicas matemáticas utilizadas en la resolución de esta ecuación fueron desarrolladas en los últimos 50 años por lo que no se conocían cuando Boltzmann y Maxwell formularon su famosa ecuación. Como dice el propio Robert Strain, “Consideramos que es importante destacar que esta ecuación, desarrollada por Boltzmann y Maxwell en 1867 y 1872, nos ofrece un excepcional ejemplo en el que una serie de derivadas geométricas fraccionales se producen en un modelo físico del mundo natural”. “Las técnicas matemáticas necesarias para estudiar estos fenómenos sólo se han desarrollado en la era moderna”, añade Strain.

Ludwig Edward Boltzmann fue un verdadero pionero de la mecánica estadística, el campo de la física que estudia e intenta predecir el comportamiento de los sistemas formados por muchas partículas. Fue también el creador de la constante que lleva su nombre, la constante de Boltzmann, un concepto fundamental en termodinámica que relaciona la temperatura absoluta, esto es, la temperatura medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto (-273ºC) y la energía.

A pesar de sus grandes aportaciones, en la actualidad completamente aceptadas, Boltzmann se suicidó en 1906. Trastornos psíquicos, posiblemente agravados por las duras críticas de la comunidad científica hacia parte de su trabajo, pudieron influir en su trágico final. Unos años después de su muerte, los estudios del físico-químico francés Jean Baptiste Perrin ayudaron a limpiar su nombre ya que confirmaron, entre otras cosas, la validez de la constante de Boltzmann. Ahora, con la resolución de su famosa ecuación, se ha reconocido de nuevo la importancia de su trabajo en la historia de la ciencia.

Escrito por Varinia para divulgaUNED.

La organización Cancer Research UK ha dado a conocer un estudio en el que indica que el índice de mortalidad en varones debido a melanomas malignos, un tipo de cáncer de piel, se ha duplicado en los últimos 30 años.

En los años 70, década de referencia de esta investigación, sólo 1,5 de cada 100.000 varones británicos morían por esta causa, pero en la actualidad esta número ha aumentado hasta los 3,1 de cada 100.000. En el caso de hombres mayores de 65 años este dato es mucho más alarmante ya que se ha pasado de 4,5 muertes de cada 100.000 en los años 70 a 15,2 de cada 100.000 en la actualidad.

Los especialistas muestran su preocupación por este importante aumento en el número de casos mortales de melanoma, sobre todo teniendo en cuenta que es una enfermedad fácil de prevenir.  Caroline Cerny, directora de SunSmart, la campaña de prevención del cáncer de piel en Reino Unido, ha afirmado que “Estas cifras muestran que un alarmante número de hombres están muriendo innecesariamente debido a melanomas malignos, y el número de nuevos diagnosticados con la enfermedad crece muy rápidamente. Es la prevención lo que nos puede ayudar a frenar esta tendencia y a salvar vidas”.

El índice de mortandad por esta causa en las mujeres también ha ascendido, pero en menor medida. Desde la década de los 70 hasta la actualidad, el número de mujeres que han fallecido por melanoma ha pasado de 1,5 a 2,3 por cada 100.000. Los investigadores creen que este menor índice de mortalidad entre las mujeres puede deberse a que éstas suelen preocuparse más de la protección necesaria a la hora de exponerse al sol, además de acudir al médico a la mínima sospecha. De hecho, como indica Caroline Cerny, “aunque se diagnostican más melanomas malignos a mujeres que a hombres, hay un mayor número de varones que mueren debido a la enfermedad. Esto nos sugiere que los hombres no vigilan los síntomas del cáncer de piel o que los ignoran sin consultar a su médico de cabecera. Es fundamental que la gente acuda a su médico con rapidez si nota cambios inusuales en sus lunares – cuanto antes se detecte el cáncer de piel más fácil será de tratar”.

Saber más sobre el cáncer de piel

• Existen dos tipos de cáncer de piel no melanoma: el carcinoma basocelular y el carcinoma espinocelular. Son los más frecuentes, pero también los menos peligrosos y no representan más del 0,1% de las muertes debidas a cáncer. Detectado a tiempo, el cáncer de piel no melanoma no representa una amenaza para la vida.
• Se distinguen principalmente tres tipos de cáncer de piel melanoma: superficial, nodular y léntigo maligno. El superficial es el más frecuente (70% de los casos)
• El melanoma maligno es poco frecuente, pero también más grave. La tasa de supervivencia tras un melanoma es similar en toda la Unión Europea y está en torno al 75% para los hombres y 84% para las mujeres.
• En España se diagnostican alrededor de 3.200 casos de melanoma al año. Suponen el 2,7% de los cánceres femeninos y el 1,5% de los masculinos.
• Aproximadamente 710 personas mueren al año en España por melanoma. Es una tasa de mortalidad moderada que supone el 0,8% de todas las muertes por cáncer.
• La principal causa del melanoma es la sobreexposición a la radiación ultravioleta del sol. También las personas que utilizan de forma excesiva las cabinas de bronceado tienen un mayor riesgo de contraer cáncer de piel.
• Es más frecuente en adultos con edades comprendidas entre los 40 y los 70 años. Es rara su aparición en niños.
• El color de piel es importante: el cáncer de piel es 20 veces más común en personas de raza blanca que de raza negra.  Dentro de las personas de raza blanca, las personas de piel muy clara, pelirrojas o rubias de ojos azules o verdes y que se queman con facilidad, son las que presentan mayor riesgo de contraer cáncer de piel.
• Los antecedentes familiares de cáncer de piel suponen un mayor riesgo de padecer la enfermedad.
• También es más frecuente en personas que tienen múltiples lunares (nevus) en la adolescencia o que presentan grandes lunares congénitos (nevus congénito gigante).
• La prevención es fundamental. Se debe: limitar la exposición al sol o a las cabinas de bronceado, usar la protección solar adecuada al tipo de piel, examinar periódicamente los lunares del cuerpo y visitar al médico al notar cualquier cambio inusual.
• La Regla ABCD nos puede ayudar a distinguir un melanoma de un lunar normal: A de asimetría (la mitad del lunar no es igual a la otra mitad), B de borde (los bordes del lunar son irregulares o están borrosos), C de color (los colores blanquecinos, rojizos o azulados sobre fondo negro son los más preocupantes) y D de diámetro (el lunar mide más de 6 mm. de diámetro o aumenta de tamaño).

Escrito por Varinia para divulgaUNED.

¡Han reproducido perfectamente uno de los cuadros de autorretrato de Van Gogh con cientos de polos (camisetas) de colores! A mi me parece muy chulo… pero es que me encanta Van Gogh

En la antigüedad se bailaba la danza de la lluvia, pero en un futuro quizás podremos invocarla gracias a la tecnología láser. Un grupo de físicos especialistas en óptica ha demostrado que los rayos láser pueden desencadenar la formación de pequeñas gotas de agua en el aire, una técnica que algún día podría ayudar a provocar lluvias de forma artificial.

Durante más de 50 años, los esfuerzos para intentar inducir lluvias artificialmente se habían concentrado en la denominada siembra de nubes. Esta técnica consiste en esparcir pequeñas partículas de yoduro de plata en el aire para que actúen como núcleos de condensación, unos centros alrededor de los cuales se pueden formar las gotas de lluvia. “El problema es que todavía no tenemos claro que la siembra de nubes funcione eficientemente”, afirma el físico óptico Jérôme Kasparian, de la Universidad de Ginebra, Suiza. “También nos preocupa los riesgos que pueda tener para el medio ambiente el soltar partículas de yoduro de plata en el aire”.

Kasparian y sus colegas han llegado a la conclusión de que tiene que haber una alternativa respetuosa con el medio ambiente. Disparar al aire un rayo láser en pequeños pulsos ioniza las moléculas de nitrógeno y oxigeno alrededor del rayo, es decir, las carga eléctricamente. Así, el láser crea un canal de plasma, una especie “camino de gas ionizado” que, debido a su baja resistencia eléctrica, permite el flujo de corriente. Las moléculas ionizadas pueden actuar como núcleos de condensación naturales, explica Kasparian.

El experimento

Para comprobar si esta técnica realmente puede inducir gotas de lluvia, los investigadores han disparado, en condiciones controladas en el laboratorio, un láser de alta potencia en una cámara de aire altamente saturado. La cámara fue iluminada con un segundo láser de baja potencia, lo que permitió ver y medir las gotas de agua producidas. Inmediatamente después de disparar el láser, se formaron gotas de unos 50 micrómetros de ancho a lo largo del canal de plasma. Tres segundos después, el tamaño de las gotas había aumentado hasta los 80 micrómetros de anchura debido a la fusión de las gotas más pequeñas. Los resultados de esta investigación se han publicado online en Nature Photonics.

El siguiente paso para Kasparian y su equipo fue probar esta técnica en el exterior. Los investigadores ya han experimentado el uso de canales de plasma para modificar el clima: en 2008 demostraron que disparar un rayo de su láser portátil de alta potencia Teramobile hacia una nube de tormenta producía descargas eléctricas.

Para este nuevo experimento, Kasparian y sus colegas han probado el láser Teramobile varias noches y en diferentes condiciones de humedad. Una vez más, han detectado y medido la condensación inducida utilizando un segundo láser. En condiciones de baja humedad, el láser Teramobile no produce gotas. Pero cuando la humedad es alta el equipo ha llegado a medir hasta 20 veces más condensación tras disparar el láser Teramobile que antes. Kasparian afirma que esto puede sugerir la formación de gotas de agua.

El futuro

El experto en física del láser del centro de investigación FZD Dresden-Rossendorf, Roland Sauerbrey, afirma que este equipo tiene el potencial para crear una tecnología realmente innovadora. “Esta es la primera vez que se ha usado un láser para crear condensación en el exterior”, dice Sauerbrey.

Sin embargo, esta técnica aún se encuentra en una fase temprana de investigación. “Solo podemos crear condensación a lo largo del canal del láser, así que mañana no vamos a salir fuera y hacer que llueva”, explica Kasparian. Él y su equipo están ahora investigando si son capaces de formar condensación en un área más grande, extendiendo su láser por el cielo.

Thomas Leisner, físico atmosférico del Instituto de tecnología Karlsruhe (Alemania), mantiene una actitud escéptica acerca de la viabilidad futura de esta técnica para este propósito. “Soy escéptico con la idea de que esto pueda utilizarse para provocar lluvias a voluntad”, dice. Pero también afirma que esta tecnología podrá tener otros usos. Explica que los investigadores podrían calibrar la relación entre la cantidad de condensación producida por el láser y las condiciones atmosféricas imperantes. “Podrían utilizar la cantidad de condensación producida por el láser como una medida de la saturación del agua y así mejorar las actuales técnicas de pronóstico de lluvia”.

Escrito por Varinia para divulgaUNED.

Podemos decir que la materia es todo lo que ocupa un espacio físico en el mundo que nos rodea. Puede presentarse en cinco estados diferentes:

1. Estado sólido:  La materia en estado sólido está formada por átomos organizados formando una estructura rígida. Los sólidos se pueden clasificar según sus propiedades térmicas y eléctricas. Por ejemplo, los metales son conductores del calor y la electricidad, y el plástico o la madera son aislantes y no conducen la electricidad. Hasta que se descubrió el condensado de Bose-Einstein, se creía que el estado sólido era el de menor energía.

2. Estado líquido: Cuando a un sólido se la suministra la suficiente energía, sus átomos pueden abandonar sus posiciones fijas y pasar al estado líquido. La principal característica de los líquidos es su capacidad para fluir. Mantienen un volumen fijo y toman la forma del recipiente que los contiene.

3. Estado gaseoso: Suministrando más energía a un líquido se pasa al estado gaseoso. Los gases se pueden comprimir fácilmente y se expanden hasta ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene. Responden de forma predecible a los cambios de presión y de temperatura, expandiéndose (más calor, menos presión) o comprimiéndose (menos calor, más presión).

4. Plasma: El plasma es un gas formado por partículas cargadas eléctricamente. El estado de la materia más energético y también el más abundante en el universo. Está formado por átomos que han perdido electrones. Pasa con facilidad al estado gaseoso.

5. Condensado de Bose-Einstein (CBE): Es  el estado de menor energía, el opuesto al plasma. Se forma a temperaturas extremadamente bajas, a millonésimas de grado por encima del cero absoluto (-273ºC). Al descender la temperatura a valores cercanos al cero absoluto, los átomos se amontonan y se vuelven indistinguibles. El CBE se descubrió en 1995, y su nombre se puso en homenaje a Satyendra Nath Bose y a Albert Einstein que ya en la década de los años 20 dijeron que este estado de bajísima energía debía existir.