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Los sistemas receptores 12: La audición I. Detección.

En esta nueva entrada de la serie “Los sistemas receptores” vamos a iniciar nuestro paseo por las rutas neuronales relacionadas con el sentido del oído. Una vez más, antes de empezar, la pregunta que me surge es: ¿qué hay ahí afuera, cuáles son las causas que me generan la experiencia subjetiva del sonido? Es una antigua pregunta que excitaba la imaginación lógica de los filósofos, que en el siglo XVIII discutían cosas tan abstractas como que si cuando caía un árbol en el bosque, y no había nadie para escucharlo, haría algún ruido o no. “Sólo conocemos lo que percibimos” decía el irlandés George Berkeley. Lo que un siglo antes ya era la opinión de filósofo francés René Descartes cuando en su libro “Principios de filosofía“, generalizando, opinaba que las cualidades secundarias de las cosas -colores, sonidos, gustos, olores y sensaciones táctiles- no existían fuera de nosotros sino en nosotros como sujetos “sintientes”. Nosotros nos vamos a hacer las mismas preguntas para al final descubrir, ahora para otra experiencia sensorial, que el ruido no existe: sólo existen ondas de presión que se transmiten por la materia.

Cualquier alteración de este tipo en el medio que nos rodea, ya sea éste el aire al andar, el agua al nadar, la pared al pegar la oreja… tiene en él un reflejo semejante a cuando lanzamos una piedra a la superficie de un líquido: se altera formando ondas, que no son más que la expresión material de las variaciones de presión que experimentan sus moléculas. La piedra iniciadora de la excitación, al entrar en el agua ejerce una fuerza -un empujón electromagnético entre los electrones de moléculas contiguas- sobre la primera capa del líquido, que se deforma disipando esta fuerza y que a su vez la transmite a la siguiente capa, que a su vez la transmite a la siguiente…. generando una cadena de ondas de presión. En el aire también se pueden generar estas ondas a partir de cualquier excitación iniciadora: un movimiento rápido de un cuerpo o un chorro de aire que penetre en el medio.

Simulación 2D de una onda de compresión iniciada en el punto central de la red y con una atenuación en el tiempo (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

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Historia de un ignorante, ma non troppo… Prism Rhapsody, de Keiko Abe

Tras unos pocos años de incontinencia musical, los que dura esta ignorante serie, aparece por primera vez por aquí la obra de un compositor japonés. O, mejor dicho, de una compositora japonesa, dado que Keiko Abe es, obviamente, mujer, y también es la primera vez que aparece aquí una obra compuesta por una mujer. No es porque yo sea machista ni nada de eso, que no lo soy: es que desgraciadamente ha habido muy pocas compositoras a lo largo de la historia… compositoras de música “clásica”, se entiende, que es del tipo de música del que trata esta serie.

Y además, por si no fueran pocas las primicias dentro de la serie (primera compositora, primer japonés), esta composición, Prism Rhapsody, es una obra para dos marimbas solistas y orquesta, por lo que es también la primera vez que aparece por aquí una obra para un instrumento solista de percusión, cosa que, por otra parte, es también algo bastante extraño. Es usual que las obras para instrumento solista y orquesta sean para uno de cuerda (violines, cellos, etc), para uno de viento (flauta, clarinete, trompeta, etc), o para el rey de los instrumentos solistas, el piano, que no sé muy bien si catalogarlo como instrumento de cuerda o de percusión…

En fin, muchas novedades juntas en este artículo, que va a ser, estoy seguro, una sorpresa para los fieles seguidores de la serie.

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Biografía del Universo 14: La nucleosíntesis II

desde 1 segundo a 380.000 años desde el inicio

En el transcurrir de esta serie sobre la historia de nuestro Universo habíamos llegado en la entrada anterior a abrir la ventana por donde se entreveían los núcleos de unos futuros actores imprescindibles en la representación, como son los elementos químicos. Para enlazar con lo que allí dijimos, transcribo uno de sus últimos párrafos:

El núcleo más simple ya lo teníamos allá por el segundo t=10-6, desde que aparecieron los hadrones a partir de los quarks: el del hidrógeno, un solitario protón. Pero para salvar a los neutrones nos interesa por tanto algo más sofisticado como núcleo, el del deuterio: un protón y un neutrón unidos en todo su esplendor mediante la intermediación de los piones.”

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Todo pasó en un pequeño momento dentro de una larga era: desde el segundo 30 al segundo 240, dentro de lo que se nos imagina un inmerso periodo que decidimos acotar entre un segundo y 380.000 años desde el inicio del big bang. Después de los 240 segundos parece que el Universo, acabado de tomar el postre de la nucleosíntesis, se sentó a digerir todo lo que le había pasado mientras seguía expandiendo su dilatado estómago.

Pero sigamos la historia. Si analizamos la energía de enlace de los primeros elementos de la tabla periódica de Mendeléyev o sus isótopos, teóricamente podríamos esperar que cada uno de ellos aparecería, o se haría definitivamente estable, cuando el nivel energético promedio del Universo cayera por debajo de la energía con que se enlazan sus nucleones. Así que, para poder seguir las posibilidades de creación de los siguientes núcleos tras el del hidrógeno, vamos a ver qué características tiene el posible “material” implicado, recordando que en el tiempo un segundo después del big bang la energía promedia era de 1 MeV y a los 200 segundos, de 100 KeV. A continuación listo las energías de enlace por nucleón en los primeros elementos más ligeros:[1] Sigue leyendo ›

  1. En este enlace tenéis los datos de todos los elementos e isótopos, con los que podéis jugar viendo como varían sus características al movernos en vertical -mismo número de meutrones- u horizontal -mismo número de protones-. []

Biografía del Universo 13: La nucleosíntesis I

desde 1 segundo a 380.000 años desde el inicio

Pero… ¿cómo es esto? Desde 1 segundo a 380.000 años… ¡PERO ESTO ES UNA BARBARIDAD! Hasta ahora hablábamos de fracciones temporales casi infinitesimales. ¿Qué pasó para alargar tanto el calendario?

Pues pasó que el mundo cambió entre los 30 y los 240 segundos. Un auténtico “hat trick” de la magia física que más tarde desvelaremos. Antes de los cien segundos lo que sucedió fue continuación de lo mismo que había estado pasando al final del capítulo anterior, consecuencia de la aparición de los protones y neutrones libres. Después de los 240 segundos de vida, lo único digno de mención es que el Universo siguió expandiéndose y enfriándose. Y así hasta que 380.000 años más tarde alcanzó una temperatura de unos 3.000K, semejante a la que hay en la superficie del Sol. En unos escasos 200 segundos el Universo inventó la novedad del núcleo atómico.

Pero vayamos por pasos. No he introducido aún esta entrada de la serie sobre la Biografía del Universo. Recordemos cómo en la entrada anterior nuestro plasma estaba formado básicamente por radiación de fotones y neutrinos, electrones y positrones peleando y aniquilándose entre ellos, unos protones no demasiado abundantes y unos neutrones cada vez menos numerosos. Y entre ellos, comandando sus vidas, las cuatro fuerzas fundamentales generando sus particulares bosones intermediadores.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Hasta el segundo 14 siguió la batalla perdida del neutrón por sobrevivir. Más o menos en este tiempo la energía media del universo bajó hasta un nivel de 0,5 MeV, con la que los electrones no podían ya transformar protones en neutrones en interacciones β,[1] mientras que su inestabilidad natural, la del neutrón, hubiera hecho que se redujera su población universal a la mitad cada 15 minutos.[2] Por el contrario, los protones conseguían mantener su población e incluso incrementarla gracias al decaimiento de los neutrones. De forma que en este momento en particular la menguante relación protón/neutrón ya era de 5/1. Protones y neutrones que se trataban casi de tú a tú, molestos solamente por la acción de los fotones que continuamente chocaban con ellos, desviando su trayectoria y dificultando cualquier tipo de nuevas relaciones entre ellos. Mientras, los electrones seguían apurando los últimos coletazos en sus relaciones de equilibrio térmico con los positrones y con la radiación. Sigue leyendo ›

  1. Era una de las fuentes más importantes para la repoblación de neutrones. Recuerdo la ecuación que gobernaba esta transacción, que ya fue comentada en la entrada dedicada a los hadrones: neutrinoe + neutrón ↔ protón+ + electrón- []
  2. Mientras el neutrón no está confinado en un núcleo atómico ligado a los protones por la fuerza nuclear fuerte interpuesta por su bosón (pión), está sometido a un proceso natural de desintegración β- según esta reacción [neutrón → protón+ + W-  → protón+ + (electrón- + antineutrinoe)],  que le condena a un tiempo medio de vida de 885,7 ± 0,8 s. []

Los sistemas receptores 11: La visión III. Procesos superiores.

Nos habíamos quedado en la entrada anterior de esta serie en el momento en que la señal visual, que se había iniciado en una célula fotorreceptora de la retina, había conseguido llegar en forma de potencial de acción, a través de una cadena formada por dos neuronas consecutivas, una [n1] en la misma retina y la segunda [n2] en el tálamo, hasta la corteza visual primaria V1, situada en la parte trasera del lóbulo occipital del neocórtex.

Es curioso el constatar que las proyecciones de estos axones que salen del tálamo y llegan a la corteza visual V1 lo hacen físicamente de tal forma que dibujan sobre esta corteza un mapa invertido –arriba/abajo, derecha/izquierda- de la realidad exterior que impresionó la retina. No en vano el ojo, y lo que hay inmediatamente detrás, trabaja como una “cámara fotográfica”. El resultado es algo similar al homúnculo representado sobre la corteza somatosensorial -del que ya hablamos en otra entrada- o sobre la corteza motora, aunque en este caso no es espacialmente figurativo, sino de asignación espacial de propiedades de la señal. Pero sigamos adelante.

Habíamos determinado que llegaba una información muy definida de acuerdo a determinadas etiquetas: lado del escenario visto, ojo de procedencia, color e intensidad luminosa, detalle de la vía Parvo frente a generalidad de la vía Magno y todo ello de acuerdo a un mapa retiniano de puntos o pequeños círculos, que llamamos campos receptivos, manifiestamente sensibles a los contrastes luminosos más que a la intensidad puntual en sí.

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Biografía del Universo 12: Los hadrones

de 10-6 segundos a 1 segundo desde el inicio

Recordamos de la entrada anterior de esta serie que en el tiempo t=10-6 segundos después de su inicio el Universo estaba formado por un medio al que llamamos plasma quark-gluón, aunque realmente había allí más partículas compañeras de viaje. Este plasma comienza a ser familiar para los físicos, puesto que ya ha sido recreado en experimentos realizados en algún acelerador de partículas como el del CERN.[1] Lo curioso del caso es que estos experimentos nos dicen que, más que a un gas, el plasma quark-gluón se asemeja a un líquido apenas viscoso, a pesar de que la teoría nos dice que la densidad es tremenda, puesto que corresponde a 1017 veces la del agua. En este momento de la vida del Universo se ha alcanzado un nivel energético que se encuentra en el entorno de 1 GeV, lo que equivale a una temperatura de crucero de 1013K.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Cronómetro 0: tiempo igual a t-6 segundos. Va a comenzar la transición de quarks a hadrones. La nómina de estos últimos, que son partículas que están formadas por dos o tres quarks, está compuesta por el  protón, el neutrón y algún que otro bosón raro, entre los que se encuentra el mesón pión, bosones que tienen su importancia en la fortaleza de los núcleos atómicos. Los quarks son unas partículas elementales que, por lo que sabemos hoy en día, creemos que no están compuestas de otras más pequeñas.[2] Los conocemos de seis “sabores” -se suele usar esta terminología-, seis quarks distintos emparejados de dos en dos. La masa de tres de ellos supera la energía promedio del momento, lo cual quiere decir que su única oportunidad de aparecer en escena es como producto en alguna reacción “ad-hoc” entre partículas o en una fluctuación cuántica de su campo, para luego desaparecer en un plazo brevísimo como corresponde a partículas pesadas. Cosas de la incertidumbre cuántica, ya sabemos. Los otros tres, ademas de estos caminos para nacer, y al tener una masa inferior a la energía del momento de 1 GeV, aún se generaban en parejas quark-antiquark por el choque de los fotones que en aquella época se movían con ese nivel de energía.

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  1. En este enlace podéis profundizar en el tema. []
  2. Claro que hasta hace unas décadas pensábamos que el protón y el neutrón eran a su vez elementales… []

Lo que se preguntan sus alumnos de 3º de la ESO – XXVIII: ¿Cómo se creó la primera estrella?

Hoy vamos a abordar en nuestra serie un nuevo interrogante planteado por los alumnos de 3º de la ESO del profe Lorenzo Hernández: “¿Cómo se creó la primera estrella?”. Como diría Tirso de Molina en su Burlador de Sevilla, “¡Cuán largo me lo fiáis!”. Pero sí, en algún momento tuvo que comenzar a lucir la primera estrella, la Eva de la familia de las poco más o menos 1022 astros que pensamos que palpitan en el volumen de nuestro Universo observable.

Eso debió de pasar hace mucho tiempo. Tanto que aún andamos con nuestros telescopios y nuestras tecnologías sondeando el Cosmos más profundo en busca de tan ancestral abuela. Porque estamos hablando de darnos un paseo en el pasado de hace unos 13.700 millones de años… cuando nuestro Universo era un pipiolo de tan sólo unos cien millones de años o poco más.

¿Quieres ver algo realmente joven joven de hace mucho mucho tiempo? Aquí tienes a la galaxia GN-z11, una imagen de hace 13.400 millones de años. Algo parecido debió ser donde se encendió la primera estrella un par de cientos de millones de años antes (WikimediaNASA Hubble site, dominio público)

Unos pocos años antes, cuando el Universo cumplió los 380.000 mil años, se había aclarado el panorama. Anteriormente, la materia y la radiación estaban amalgamadas en un plasma no demasiado espeso en donde los electrones andaban electromagnéticamente tras los protones -y tras los núcleos de helio, que a fin de cuentas tienen dos protones y… dos neutrones- y en donde los fotones iban tras los electrones importunándoles con sus empujones, empujones que conocemos como interacciones Thomson. Y toda esta materia “normal”, junto con la radiación, bailando al son de lo que decía la materia oscura. Eso era el Universo en aquellos momentos. Sigue leyendo ›

Los sistemas receptores 10: La visión II. Procesos intermedios.

En la entrada anterior de la serie “Los sistemas receptores” estudiamos el cómo del proceso visual, por el que la entrada de un fotón luminoso al ojo genera en el fondo de la retina un potencial de acción, potencial que va a discurrir por los axones que conforman el nervio óptico hacia el interior del encéfalo. Se trata de los de las neuronas que hacen el primer relevo en el conjunto de las autopistas visuales. El espectáculo, por tanto, lo habíamos dejado en marcha. Veamos ahora como continúa. Como siempre en estas entradas recomiendo la lectura de las tres primeras de esta serie que os ayudarán a navegar por lo que hoy digamos.

El mundo que apreciamos es tridimensional, esto es evidente. Pero a la hora de ver lo que sea que haya ahí afuera, el cerebro ha preferido dividirlo en dos espacios, el derecho y el izquierdo. Cada uno de ellos se procesa en uno de los hemisferios cerebrales, aunque con la sutileza de que aplica una contralateralidad: el hemisferio derecho “contempla” el mundo exterior izquierdo, mientras que el hemisferio izquierdo hace lo propio con el mundo externo derecho. Ambos hemisferios están conectados por un haz poderoso de “autopistas” nerviosas, por lo que esta división del mundo en derecho e izquierdo no es al final un problema, ya que nuestra gran masa encefálica se encarga de integrar los dos aspectos y así proponernos una realidad unitaria útil.

Sin embargo, si hablamos de la información inicial a nivel del ojo, observamos que en la retina de cada uno de ellos se reciben datos del total del escenario por delante de ellos. En los dos ojos las mitades derechas de sus retinas reciben los fotones que provienen de la izquierda del escenario, ya que la luz que viene de la izquierda tras cruzar las estructuras ópticas del ojo se proyecta sobre el lado derecho de su interior, y lo contrario sucede en las mitades izquierdas de las retinas, sobre las que se proyectan los fotones que provienen de la derecha del escenario. Luego, toda esta información de la derecha o la izquierda del campo visual se canaliza, aunque aún de forma separada, por el nervio óptico de cada ojo hacia las siguientes estructuras de procesamiento visual en el sistema nervioso. Pero si esto es así, ¿cómo es que he dicho que cada hemisferio cerebral procesa contralateralmente sólo la mitad del escenario? ¿en qué momento se disciernen ambas informaciones?

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Biografía del Universo 11: La liberación de la fuerza débil II

 de 10-12 a 10-6 segundos desde el inicio

Al final de la última entrada de esta serie sobre la Biografía del Universo me había tomado la licencia de interrumpirla, dado que con más de 1.700 palabras, e imaginando lo que faltaba, se me escapaba una vez más hacia una longitud que podríamos calificar cuanto menos como no prudente. El relato estaba trascurriendo en la época que conocemos como electrodébil. La energía del Universo había descendido hasta niveles adecuados para que pudieran suceder dos cosas muy trascendentales para su futuro: la “condensación” de la partícula Higgs y la consiguiente rotura del campo electrodébil. Allí habíamos comentado los correspondientes detalles y nos habíamos quedado en una descripción teórica de cómo Higgs pudo engendrar una masa en las partículas elementales. Recuperemos algún párrafo que nos enlace con lo de hoy.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

“¿Por qué pasan este tipo de cosas? Voy a intentar explicarlo en los párrafos que vienen, una digresión teórica referente a lo que hemos dicho que pasó con el campo de Higgs. Una explicación muy simple, espantosamente simple, aunque creo que clara, de por qué creemos que sucede esta dinámica en algún tipo de campo.” [1] Sigue leyendo ›

  1. Si queréis un poco mas de profundidad entendible os recomiendo que leáis estas dos entradas del blog “Of particular significance”. La primera, general sobre la interactuación entre campos relativistas enlazados y la segunda, que se apoya en la anterior, para explicar matemáticamente cómo Higgs induce masa en otros campos que en principio no la tenían. []

Biografía del Universo 10: La liberación de la fuerza débil I

de 10-12 a 10-6 segundos desde el inicio

Llegó el momento t=10-12 segundos desde el principio. Comienza la época electrodébil. Espero que al final de esta entrada de la serie sobre la Biografía del Universo se entienda el porqué se llama así. En estos momentos de la historia del Cosmos nuestro personaje había estirado sus estructuras desde la época del recalentamiento en un factor de 1010. Aunque el tamaño total del Universo es un arcano, podemos hacer uso de la imaginación y pensar que la naranja que surgió de la inflación pudo pasar a ser una “esfera” de unos mil millones de kilómetros: el campo de juego en aquellos tiempos cabría entre el Sol y Júpiter. En esta inmensidad pongamos una cabeza de alfiler de medio milímetro de diámetro ¿lo véis? pues eso que creéis ver es justamente lo que ocupaba el universo observable, habían pasado 10-12 segundos y la luz sólo podía haberse desplazado el radio de esta esferilla.[1]  Aquella pequeña naranja que fue en el momento 10-32 segundos ahora había crecido y, aunque menos que entonces, aún seguía siendo un mundo denso, muy denso, 1025 veces más denso que el agua de nuestras piscinas.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Habíamos quedado al final de la entrada anterior que los habitantes de tan apretado barrio eran los bosones, tales como los gravitacionales gravitones -si realmente existen, porque aún no los hemos visto-, los electromagnéticos fotones y los gluones y bosones W y Z de las fuerzas nucleares.[2] También revoloteaban por allí los bosones de Higgs, no sabemos si de cuatro tipos o quizá más: todo depende de la imaginación de los físicos matemáticos. También estaban presentes las “partículas” de la materia, los “fermionosos” quarks, electrones, neutrinos y alguno más. Y no me gustaría olvidarme que nuestro mundo es como es gracias a la materia oscura, así que tenemos que añadir al cóctel las posibles partículas asociadas, quizás los axiones o quizás los neutralinos, aunque no tengamos ni idea de lo que son.

A excepción de los bosones de Higgs, todos tenían una característica que los hacía diferentes a como los vemos en nuestros días: no tenían masa, o quizás muy poca, del orden de la de los neutrinos. Lo cual quiere decir, como nos ilustró Einstein, que se desplazaban a la velocidad de la luz o muy próxima a ella. Así había sido desde el principio.

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  1. Como universo observable entendemos a una región parcial del Universo total, una esfera con nosotros de observadores en el centro en la que la luz emitida por los puntos frontera más exteriores ha tenido tiempo de llegar hasta el centro de la esfera. Lo que quiere decir que estos puntos frontera se encuentran a una distancia tiempo-luz de nosotros igual a la edad del Universo en el momento. Hoy su edad es de 13.800 millones de años-luz, que ampliados por el efecto de la expansión equivalen a unos 5×1023 kilómetros de radio de la esfera observable. El resto del Universo es inalcanzable. []
  2. Realmente en esta época los fotones y los bosones W y Z eran indistinguibles. Habría que esperar todavía un poco a que el campo de Higgs hiciera sus diabluras y los diferenciara. []