Dibujo20170820 Hyades cluster stars Sun 1919 eclipse light-deflection change-in-scale physics today mar 2009

Hay una leyenda urbana sobre el eclipse de 1919 que popularizó el best-seller de Stephen Hawking, “Historia del tiempo” Crítica (1988). La verificación de la teoría de Einstein fue resultado del sesgo de confirmación por parte de Eddington. En 1979 se realizó un análisis con técnicas modernas de las placas fotográficas originales que confirmó los resultados de 1919; más aún, ya en 1919 su precisión era comparable a la que se logró con el eclipse de 1973. Por tanto, los resultados del eclipse de 1919 confirmaron a más de cinco sigmas la teoría de Einstein. La leyenda urbana es solo un bulo.

Te transcribo lo que escribió Stephen Hawking en “Historia del tiempo” [pp. 54-55]: «Resulta irónico que un examen posterior de las fotografías tomadas por aquella expedición mostrara que los errores cometidos eran tan grandes como el efecto que se trataba de medir. Sus medidas habían sido o un caso de suerte, o un caso de conocimiento del resultado que se quería obtener, lo que ocurre con relativa frecuencia con la ciencia».

Los divulgadores científicos tenemos que tener mucho cuidado con nuestras afirmaciones. Si no, podemos crear leyendas urbanas que se perpetúan en el inconsciente colectivo. Más información en Daniel Kennefick, “Testing relativity from the 1919 eclipse—a question of bias,” Physics Today 62: 37-42 (2009), doi: 10.1063/1.3099578 [PDF]; y más breve en P. A. Wayman, C. A. Murray, “Relativistic light deflections,” The Observatory 109: 189-191 (1989) [ADS].

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Dibujo20170817 book cover ripples in spacetime govert schilling

“La búsqueda de ondas gravitacionales es un ejemplo de libro de texto de la exploración científica, durante todo un siglo desde la predicción teórica inicial hasta la primera detección directa. Ha sido una aventura voluble de pioneros seguros de sí mismos y científicos perserverantes, sueños y pesadillas, reveses y éxitos, retos tecnológicos, y pasión e iniciativa inquebrantables. […] Hemos aprendido a surfear las olas del espaciotiempo. Aún queda bastante camino por recorrer, esto es solo el principio”.

Me ha gustado mucho el libro de Govert Schilling, “Ripples in Spacetime. Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy,” Harvard University Press (Jul 2017) [339 pp.], web. Nos describe con todo lujo de detalles, pero con una escritura ágil y de fácil lectura, todo lo que una persona interesada debe saber las ondas de Einstein, el neologismo que introduce el autor para referirse a las ondas gravitacionales. Sin lugar a dudas un libro muy recomendable.

El autor (@Astro_Govert) es un popular divulgador científico holandés (@sterrenkunde), que a sus 60 años ha depurado un estilo propio, ágil y preciso, sin obviar el rigor. Siendo periodista sin formación científica reglada ha publicado muchas piezas en Sky & Telescope y en Science. Su especialidad es la astronomía (fue director de un planetario), habiendo publicado varios best-sellers de divulgación. Su nuevo libro (que se puso a la venta el 31 de julio) promete ser todo un éxito en 2017, el año del Premio Nobel a las ondas gravitacionales (esta predicción es mía, Schilling no se moja en este asunto).

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Dibujo20170817 photon photon interaction in lead lead collisions atlas lhc cern

El fotón solo interacciona con partículas con carga. Por tanto, un fotón no puede interaccionar con otro fotón. Salvo que medie un bucle (o lazo) de fermiones cargados, un efecto predicho hace unos 80 años. El detector ATLAS del LHC en el CERN ha observado esta interacción elástica entre fotones en 480 /μb (inversos de microbarn) de colisiones entre iones de plomo a 5,02 TeV por nucleón obtenidas en 2015.

Se han observado 13 sucesos sobre un fondo esperado de 2,6 ± 0,7 sucesos, es decir, se han alcanzado 4,4 sigmas de confianza estadística. La sección eficaz estimada es 70 ± 24 ± 17 nb (nanobarns), en buen acuerdo con las predicciones del modelo estándar (45 ± 9 nb, y 49 ± 10 nb, según dos cálculos). La interacción elástica fotón-fotón (γγ → γγ) es un proceso predicho por la electrodinámica cuántica (QED) que está prohibido en la electrodinámica clásica (CED). El efecto fue predicho por Halpern en 1933 y Heisenberg en 1934 de forma independiente.

El artículo es ATLAS Collaboration, “Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC,” Nature Physics (14 Aug 2017), doi: 10.1038/nphys4208; más información divulgativa en Spencer R. Klein, “Heavy ion collisions: A clash of photons,” Nature Physics (14 Aug 2017), doi: 10.1038/nphys4239. Cito más abajo el artículo de John Ellis, Nick E. Mavromatos, Tevong You, “Light-by-Light Scattering Constraint on Born-Infeld Theory,” Phys. Rev. Lett. 118: 261802 (27 Jun 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.261802, arXiv:1703.08450 [hep-ph].

Más información divulgativa en Katarina Anthony, “ATLAS sees first direct evidence of light-by-light scattering at high energy,” ATLAS, 14 Aug 2017.

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Dibujo20170815 P NP NPc NPhard wikipedia commons

[PS 19 Ago 2017] Ya se conoce el error exacto. He modificado esta entrada para que sea más útil. [/PS] Norbert Blum (Univ. Bonn, Alemania) publicó esta semana una posible demostración de P≠NP. Su idea es extender un teorema de Razborov (1985) para circuitos booleanos monótonos (que solo usan operadores AND y OR) a circuitos no monótonos (que además usan el operador NOT). Hay varios resultados que indican que no es posible hacerlo (llamados barreras de complejidad). Blum evita dicho problema con un truco trivial (algo que sugirió que era posible en 2009). Gracias a dicho truco (teorema 5 de su artículo) extiende dos teoremas de Berg–Ulfberg (1999) y Amano–Maruoka (2004), basados en la aproximación CNF-DNF, de circuitos monótonos a no monótonos, obteniendo su teorema 6. A partir de ahí llega a sus teoremas 7 y 8, cuyo enunciado es poco creíble y cuyo corolario es P≠NP.

Blum es un reconocido experto en complejidad computacional. Su técnica de demostración se basa en la llamada aproximación CNF-DNF (donde CNF es forma conjuntiva normal y DNF es forma disyuntiva normal); en ella se sustituyen ciertos operados AND y OR por operadores “AND aproximados” y “OR aproximados”. Blum sustituye la distancia estándar entre los operados aproximados y los originales por una nueva “pseudo-distancia” que le permita extender los resultados del caso monótono al no monótono. [PS 19 Ago 2017] Yo dediqué dos horas a leer el artículo de Blum y a tratar de entender su línea demostración para poder ofrecer una opinión sobre el mismo que me solicitaron por Twitter. No soy experto en estas lides, pero mi intuición parece que no falló demasiado. [/PS] Se me escapa dónde su argumento falla, si es que falla, pero a mí no me convence que su “pseudo-distancia” permita repetir los argumentos basados en la distancia de Razborov (Blum llama a su “pseudo-distancia” distancia débil y a la de Razborov distancia fuerte).

[PS 19 Ago 2017] Razborov afirmó el jueves que la función monótona de Tardos, que está en P, es un contraejemplo del teorema 6 de Blum. El usuario de TCS SE llamado idovol ha publicado el lugar donde se encuentra el error. Un punto bastante sutil en el paso 1, página 31 (que luego se usa en la página 33); allí se encuentra una afirmación que debería ser aplicable a toda función monótona, pero que para la función de Tardos es falsa. Para entender en detalle el asunto hay que conocer la demostración original de Berg y Ulfberg, y cómo Blum la modifica. El problema es el control del error cometido al usar los operadores lógicos aproximados; se requiere un control preciso de su acumulación mediante la distancia que se esté usando. Blum se apoya en su teorema 5 (que parece correcto) para afirmar que los errores según su distancia se acumulan al mismo ritmo que los errores de la demostración de Beg y Ulfberg según la de ellos (la distancia de Razborov). Pero resulta que esto no es verdad. El ritmo de acumulación de sus errores es mayor (como se observa al usar la función de Tardos en su cota); su cota para dicho ritmo es errónea. Por tanto, el resto de su argumento se cae. No parece fácil arreglar la demostración (así lo sugieren las barreras de complejidad). Si quieres más detalles técnicos, consulta el comentario de idovol en TCS SE. [/PS]

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dibujo20161109-non-classical-paths-and-type-i-ii-detector-gedanken-experiments-arxiv-org

El experimento de doble rendija ilustra la dualidad onda-partícula. El patrón de interferencia desaparece al colocar un detector en una de las rendijas. ¿Qué pasa si se coloca un segundo detector en la otra? Según la regla de Born no debería cambiar nada, ya que si se detecta una partícula en una rendija, entonces no ha pasado por la otra. Sin embargo, James Q. Quach (ICFO, Barcelona, España) ha hecho los cálculos y resulta que hay un cambio observable. Para ello ha usado la formulación mediante integrales de camino de Feynman, incluyendo tanto las trayectorias clásicas como las no clásicas. Un resultado muy claro de la indistinguibilidad en mecánica cuántica.

El artículo es James Q. Quach, “Which-way double-slit experiments and Born-rule violation,” Phys. Rev. A 95: 042129 (2017), doi: 10.1103/PhysRevA.95.042129, arXiv:1610.06401 [quant-ph]; más sobre el efecto de las trayectorias no clásicas en Carlos Vieira, Helder Alexander, …, Irismar da Paz, “Exotic looped trajectories in double-slit experiments with matter waves,” arXiv:1705.07156 [quant-ph].

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Dibujo20170813 petermann gell-mann zweig

En el verano de 1963 el físico André Petermann fue postdoc en la División Teórica del CERN junto al doctorando George Zweig de Murray Gell-Mann. El 30 de diciembre de 1963 llegó a la revista Nuclear Physics un artículo de 4 páginas de Petermann que proponía que los mesones estaban formados por un par espinor-antiespinor y los bariones por tres espinores, y que estos espinores tenían carga fraccionaria. El 04 de enero de 1964 la revista Physics Letters recibió un artículo de 2 páginas de Gell-Mann proponiendo el modelo de quarks para los hadrones. El 17 de enero de 1964 está fechado un informe técnico del CERN de 20 páginas en el que Zweig propone el mismo modelo, pero le llama aces (ases, como en la baraja) a los espinores (quarks) que constituyen los hadrones.

El artículo de Petermann se publicó en marzo de 1965 porque, según el editor de Nuclear Physics, se demoró en corregir las pruebas de galería. ¿Menciona Petermann los espinores en su artículo tras conocer los trabajos de Gell-Mann y/o Zweig? ¿Tuvo la idea Petermann tras conversar con Zweig en el verano de 1963? ¿Tuvo la idea Zweig tras hablar con su director Gell-Mann? Zweig leyó su tesis doctora el 01 de enero de 1964. Gell-Mann ha escrito que tuvo la idea en marzo de 1963, tras hablar con Robert Serber. Y en una entrevista en vídeo afirma haber enviado un artículo a Physical Review Letters a finales de 1963 que fue rechazado en la revisión por pares, por lo que luego lo envió más tarde a Physics Letters.

Más información en Álvaro de Rújula, “Who invented quarks?” CERN Courier, 30 May 2014; Vladimir A. Petrov, “Half a Century with Quarks,” arXiv:1412.8681 [physics.hist-ph], y Álvaro de Rújula, “Archeology and evolution of QCD,” EPJ Web of Conferences 137: 01007 (2017), doi: 10.1051/epjconf/201713701007, arXiv:1610.07466 [hep-ph].

Los artículos originales citados son A. Petermann, “Propriétés de l’étrangeté et une formule de masse pour les mésons vectoriels,” Nuclear Physics 63: 349-352 (1965), doi: 10.1016/0029-5582(65)90348-2; M. Gell-Mann, “A schematic model of baryons and mesons,” Physics Letters 8: 214-215 (1964), doi: 10.1016/S0031-9163(64)92001-3; G. Zweig, “An SU3 model for strong interaction symmetry and its breaking,” CERN-TH-401 (1964), CD-CERN-CH. El vídeo con la entrevista a Gell-Mann sobre su posible envío a PRL lo puedes disfrutar en este enlace.

El modelo de los quarks se inspira en el modelo de Sakata de 1956, como ya conté en este blog en “Los “sakatones” y como un error experimental puede matar a una teoría”, LCMF, 22 Jul 2012; también recomiendo “La historia de los quarks y Murray Gell-Mann”, LCMF, 09 Jul 2010.

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Dibujo20170810 quantum key distribution by satellite nature23655

Mozi, el satélite de comunicaciones cuánticas chino logró el “récord de distancia en la distribución de fotones entrelazados vía satélite” (LCMF, 15 Jun 2017). También conocido como QSS (Quantum Science Satellite), sus siguientes pasos eran obvios, demostrar el teletransporte cuántico de información y la distribución cuántica de claves; ambos logros se publican esta semana en Nature. El teletransporte se ha logrado en una distancia récord de 1400 km, con una fidelidad media de 0,80 ± 0,01 (el límite clásico es 2/3 = 0,66). La distribución cuántica de claves se ha logrado en una distancia de 1200 km, con un tasa de 1,1 kbits/s (se logran 40,2 kbits/s en 530 km).

En estos dos artículos no hay ninguna novedad conceptual, más allá de los avances técnicos que requiere la implementación en un satélite. Se han implementado protocolos de teletransporte cuántico y de distribución cuántica de claves de libro de texto. Si conoces como funcionan, sabrás con todo detalle lo que se ha logrado. China se ha adelantado al resto del mundo por que ha realizado el gasto económico antes que los demás. No habiendo ningún logro científico reseñable, más allá de ser los primeros en lograrlo, esta entrada será bastante breve.

¿Para qué sirven los nuevos logros? El (mal llamado) teletransporte es el único modo de copiar información cuántica sin incumplir el teorema de no clonación, luego será clave en la distribución de información en la futura internet cuántica; la distribución cuántica de claves se considera un mecanismo seguro para la distribución de claves, luego promete ser el mecanismo más usado en el futuro para el intercambio de claves en sistemas ultraseguros. Por ello, ambos logros serán parte íntegra de la futura internet cuántica a escala global, que tendrá que usar comunicaciones cuánticas vía satélite pues las pérdidas en las comunicaciones ópticas en superficie, guiadas y no guiadas, son muy altas.

Los artículos son Ji-Gang Ren, Ping Xu, …, Jian-Wei Pan, “Ground-to-satellite quantum teleportation,” Nature (09 Aug 2017), doi: 10.1038/nature23675; y Sheng-Kai Liao, Wen-Qi Cai, …, Jian-Wei Pan, “Satellite-to-ground quantum key distribution,” Nature (09 Aug 2017), doi: 10.1038/nature23655. Más información divulgativa en este blog en “El teletransporte cuántico vía satélite,” LCMF, 06 Dic 2012; “¿Qué es el teletransporte cuántico?” LCMF, 17 Sep 2014; “Cifrado cuántico desde un avión a 300 km/h,” LCMF 17 Sep 2013; etc.

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Dibujo20170809 best fit orbit stars around sgr a star ApJ 2017

Las órbitas de las estrellas más cercanas a Sagitario A*, el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, indican que su masa es de 4,15 ± 0,13 millones de masas solares y se encuentra a una distancia de la Tierra de 8,19 ± 0,11 ± 0,34 kpc (unos 27 000 años luz). Gracias al Very Large Telescope (VLT) de ESO y otros telescopios se han estudiado las órbitas de las estrellas S2, S38, y S55/S0-102. Se ha observado una anomalía en la órbita de la estrella S2; el cociente Υ ≡ rs/rp para S2 es Υ = 0,00088 ± 0,00080 cuando se espera un valor de Υ = 0,00065, donde rp es el periastro (o periapsis), el punto de su órbita elíptica de distancia mínima, y rs es el radio de Schwarzschild. No sabemos aún la causa de esta anomalía (si es que existe, pues la incertidumbre de la medida es comparable al resultado).

En 2018 la estrella S2 se acercará aún más a Sgr A*; el instrumento GRAVITY, liderado por el Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre (en Garching, Alemania) e instalado en el VLT, ya está tomando datos del centro galáctico; se espera que logre medir la órbita de S2 con precisión suficiente para dilucidar el origen de la anomalía. Solo entonces podremos empezar a imaginar cuál es la perturbación en el centro galáctico que la causa (quizás, objetos que no vemos, como agujeros negros astrofísicos, pero que perturban un poco su órbita).

El artículo es M. Parsa, A. Eckart, …, C. Straubmeier, “Investigating the relativistic motion of the stars near the supermasive black hole in the galactic center,” Submitted to The Astrophysical Journal, Draft 12 Jul 2017 [PDF]. Más información divulgativa en “Primera pista de los efectos de la relatividad en estrellas que orbitan agujeros negros supermasivos en el centro de la galaxia,” ESO, 09 Ago 2017. Algunos medios ya hablan de posible nueva física (recordando la anomalía del perihelio de Mercurio a mediados del siglo XIX), como Karla Lant, “Scientists Just Made a First Ever Observation of Einstein’s Theory of General Relativity,” Futurism, 09 Aug 2017; pero todavía es pronto para hablar de una anomalía, dado que la precisión de los parámetros orbitales de S2 todavía es pobre.

Dibujo20170802 defecation duration vs size mammals soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

Los mamíferos tienen tamaños y formas muy diferentes, como sus heces, pero parece que defecan en un tiempo similar. Vídeos de 23 animales, desde gatos a elefantes, indican que la duración de la defecación es de 12 ± 7 segundos. La razón parece ser la capa de mucosas que lubrica el recto y el intestino grueso, cuyo grosor crece con el tamaño del animal. Se publica en la revista Soft Matter un modelo físico muy sencillo de la defecación, basado en leyes de escala, que será fácil de entender para todos los interesados.

La autora principal del artículo, Patricia J. Yang, doctora en ingeniería mecánica en el Georgia Tech, Atlanta (EE.UU.), se ha especializado en el estudio de los procesos fisiológicos más escatológicos: micción, defecación y digestión. Desarrolla modelos hidrodinámicos de estos procesos para investigar la función de los órganos implicados. Quizás recuerdes que en 2014 fue noticia que la duración de la micción no depende del tamaño del mamífero, que se publicó en la revista PNAS; la descarga de la vejiga urinaria tiene una duración de 21 ± 13 segundos (se estudiaron 32 animales). O quizás recuerdes que obtuvo el premio Ig Nobel de Física de 2015 por dicho trabajo (LCMF, 23 Sep 2015). Ahora vuelve a ser noticia gracias al producto de la evacuación intestinal, cuyo diámetro es similar al del recto, pero cuya longitud alcanza el doble de la del recto. No creo que reciba un segundo Ig Nobel, pero quién sabe.

El nuevo modelo físico de la defecación explica por qué es más corta con diarrea y más larga con estreñimiento, y podría tener aplicaciones biomédicas, o incluso en el contexto de la industria de la producción de estiércol. El escatológico artículo es Patricia J. Yang, Morgan LaMarca, …, David L. Hu, “Hydrodynamics of defecation,” Soft Matter 13: 4960-4970 (2017), doi: 10.1039/C6SM02795D [PDF gratis]; su artículo sobre la micción es Patricia J. Yang, Jonathan Pham, …, David L. Hua, “Duration of urination does not change with body size,” PNAS 111: 11932–11937 (2014), doi: 10.1073/pnas.1402289111 [PDF gratis].

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Dibujo20170805 DES year one mass map full

Los resultados del primer año del proyecto Dark Energy Survey (DES) son espectaculares. Se han estudiado unos 26 millones de galaxias desplazadas al rojo entre 0,2 < z < 1,3 (cuya luz nos ha llegado tras recorrer entre 2,5 y 8,8 millardos de años) en una región de cielo del hemisferio sur. Se han estimado los parámetros cosmológicos del modelo ΛCDM obteniendo un resultado comparable en precisión con los resultados del telescopio espacial Planck de la ESA para el fondo cósmico de microondas (obtenidos a z ~ 1100). El modelo cosmológico de consenso sigue robusto.

DES usa el método de las lentes gravitacionales débiles gracias a la cámara de 570 megapíxeles Dark Energy Camera en el telescopio Víctor Blanco de 4 metros del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo, Chile. Por supuesto, hay tensiones entre los datos de DES Y1 y los de Planck 2015, pero a menos de dos sigmas. Recuerda que las había entre Planck 2013 y WMAP9 y que se resolvieron gracias a Planck 2015. En mi opinión las pequeñas tensiones entre DES Y1 y Planck 2015 se resolverán cuando se publique DES Y5 (ahora en agosto se inicia el quinto año de observaciones de DES, luego estos resultados aparecerán dentro de unos años). Por cierto, la Colaboracion DES está formada por más de 400 investigadores; entre ellos miembros del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), del Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC), del Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y del Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC).

Los diez artículos publicados por DES son los siguientes [web DESY1R]: Dark Energy Survey Collaboration, “Dark Energy Survey Year 1 Results: Cosmological Constraints from Galaxy Clustering and Weak Lensing,” arXiv:1708.01530 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Cosmological Constraints from Cosmic Shear,” arXiv:1708.01538 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Galaxy clustering for combined probes,” arXiv:1708.01536 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Galaxy-Galaxy Lensing,” arXiv:1708.01537 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Weak Lensing Shape Catalogues,” arXiv:1708.01533 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Redshift distributions of the weak lensing source galaxies,” arXiv:1708.01532 [astro-ph.CO]; “DESY1R: The Impact of Galaxy Neighbours on Weak Lensing Cosmology with IM3SHAPE,” arXiv:1708.01534 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Multi-Probe Methodology and Simulated Likelihood Analyses,” arXiv:1706.09359 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Curved-sky Weak Lensing Mass Map from the First Year Data of the Dark Energy Survey,” arXiv:1708.01535 [astro-ph.CO]; “DESY1R: Photometric Data Set for Cosmology,” arXiv:1708.01531 [astro-ph.CO].

Si quieres información divulgativa te recomiendo leer “La mejor medida de la estructura de la materia oscura en el universo”, Agencia SINC, 04 Ago 2017; y Davide Castelvecchi, “Cosmic map reveals a not-so-lumpy Universe,” News, Nature, 03 Aug 2017, doi: 10.1038/nature.2017.22413.

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