Dibujo20180101 analysis motion rigid bottle water bottle tennis bottle arxiv 1712 08271

El reto de la botella de agua (water bottle flipping challenge) fue viral en el verano de 2016; consiste en lanzar una botella de plástico medio llena de agua de tal forma que gire en el aire y caiga de pie en el suelo, o sobre una superficie plana. Su modelado físico es un buen ejercicio para un primer curso de Física. Sus resultados analíticos se pueden contrastar con experimentos realizados por los propios alumnos. Por cierto, la cantidad de agua óptima para incrementar la probabilidad de éxito está entre 1/4 y 1/3 de la altura de la botella.

El momento angular de la botella se conserva. Para un cuerpo rígido con momento de inercia constante, como una botella rellena con un material sólido, la velocidad de rotación será (casi) constante durante el movimiento, siendo muy improbable que la botella aterrice de pie sobre el suelo de forma suave. Sin embargo, el agua líquida se mueve dentro de la botella y pasa del fondo al cuello de la botella durante el vuelo en el aire, lo que incrementa su momento de inercia durante la rotación, reduciendo su velocidad y permitiendo que aterrice de forma suave; gracias a ello crece la probabilidad de que, no sin cierto entrenamiento, se logre que caiga de pie.

Para modelar el sistema en clase conviene evitar la física del fluido y considerar un bote cilíndrico con dos pelotas de tenis. De esta forma se ilustra muy bien que la clave del reto es la redistribución de la masa dentro de la botella. Si eres profesor de física, te animo a usar este modelo en tus clases; lo ideal es seguir el artículo de Pim J. Dekker, Lumen A.G. Eek, …, Alvaro Marin, “Water Bottle Flipping Physics,” Subm. Am. J. Phys. (2017), arXiv:1712.08271 [physics.flu-dyn].

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Dibujo20171225 Nested Mach-Zehnder interferometer PhysRevA 96 062316

La teoría de la información permite mirar con nuevos ojos la mecánica cuántica. Un buen ejemplo es el reciente análisis de la computación cuántica contrafáctica en interferómetros de Mach–Zehnder anidados. La información mutua de Shannon mide la cantidad de información transmitida en un canal con ruido, mientras la información de Fisher mide la incertidumbre en el mensaje causada por dicho ruido. Usando estos conceptos se puede medir el grado de contrafacticidad (counterfactuality) de un protocolo cuántico. Gracias a ellos se observa que algunos protocolos recientes son contrafácticos solo en un canal cuántico perfecto, siendo su grado de contrafacticidad despreciable en la práctica.

El interesante artículo es D. R. M. Arvidsson-Shukur, A. N. O. Gottfries, C. H. W. Barnes, “Evaluation of Counterfactuality in Counterfactual Communication Protocols,” Phys. Rev. A 96: 062316 (18 Dec 2017), doi: 10.1103/PhysRevA.96.062316, arXiv:1705.06574 [quant-ph]. Se analizan dos protocolos concretos, resultando que solo funciona en canales con ruido (líneas de transmisión) el propuesto por los propios autores en D. R. M. Arvidsson-Shukur, C. H. W. Barnes, “Quantum Counterfactual Communication Without a Weak Trace,” Phys. Rev. A 94: 062303 (2016), doi: 10.1103/PhysRevA.94.062303, arXiv:1705.05628 [quant-ph], solo funcionando en canales perfectos (sin ruido) el de Hatim Salih, Zheng-Hong Li, …, M. Suhail Zubairy, “Protocol for direct counterfactual quantum communication,” Phys. Rev. Lett. 110: 170502 (2013), doi: 10.1103/PhysRevLett.110.170502, arXiv:1206.2042 [quant-ph].

El nuevo análisis permite entender por qué no pueden funcionar en la práctica protocolos de clonado cuántico contrafáctico como el presentado en Qi Guo, Shuqin Zhai, …, Shou Zhang, “Counterfactual quantum cloning without transmitting any physical particles,” Phys. Rev. A 96: 052335 (27 Nov 2017), doi: 10.1103/PhysRevA.96.052335; por ello recomiendo su lectura a todos los físicos jóvenes interesados en la física cuántica en general y en la computación contrafáctica en particular.

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Dibujo20171231 Alexandra Elbakyan paper pirate sci-hub founder

Alexandra Elbakyan es una prófuga de la justicia internacional. Esta informática kazaja, fundadora de Sci-Hub en 2011, mantiene su lugar de residencia en secreto, pues un juez de EE.UU. ha emitido una orden de busca y captura contra ella por infracción de los derechos de autor. Irá a la cárcel si no paga 15 millones de dólares a Elsevier y 4,8 millones a la ACS (American Chemical Society) [fuente]. Muy popular en China, India e Irán, casi el 5% de sus usuarios son de EE.UU. ¿¡Quién no hay descargado algún artículo desde Sci-Hub alguna vez!?

Me preguntaba un lector de este blog por e-mail en qué situación está la web pirata Sci-Hub. La respuesta es sencilla, en la misma que siempre ha estado, siendo una web pirata, cualquier día será clausurada de forma definitiva. Su uso no tiene ningún futuro y quiénes disfrutan ahora de ella saben que cualquier día esta bicoca será solo un recuerdo. ¿Se podría montar un modelo de negocio alrededor de esta web? No veo factible que se transforme en un web de acceso barato a artículos científicos, pero no soy economista. Quizás algún emprendedor encuentre el camino.

¿Puede ser legítimo apoyar una iniciativa pirata como Sci-Hub? Siendo ilegal según el derecho internacional no puede ser legítimo apoyarla. No soy experto en derecho, pero no veo legítimo apoyar algo ilegal. Quizás el éxito de Sci-Hub pueda ser el germen de una iniciativa pública de carácter similar, siempre dentro de la legalidad. O quizás solo sea una utopía imaginar que la economía de las publicaciones científicas deje ser un libre mercado. El sistema funciona con reglas que nacieron en los 1960 y cambiarlas no será nada fácil.

Más información en español en Bruno Martín, “La ley alcanza pero no derrota a la ‘Robin Hood de la ciencia’”, El País, 03 Dic 2017; y en inglés en Dalmeet Singh Chawla, “Online tools enable unprecedented access to science research,” Physics Today (21 Dec 2017), doi: 10.1063/PT.6.3.20171221a; Diana Kwon, “A Turbulent Year in the Publishing World,” The Scientist, 15 Dec 2017; más antiguo puedes leer a Mihai Andrei, “Everyone’s downloading pirated science papers… and that might be a good thing,” ZME Science, 08 Mar 2017; Elena Milova, “Alexandra Elbakyan – Science Should be Open to all Not Behind Paywalls,” Life Extension Advocacy Foundation, 27 Jun 2017; y muchos más sitios.

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Dibujo20171128 human self-teleporting probability arxiv 1712 08465

Se suele decir que un sistema cuántico puede estar en dos lugares al mismo tiempo; pero también que hay una probabilidad no nula de que el sistema cambie de lugar de forma espontánea, lo que podíamos llamar autoteletransporte. La física cuántica rige todo el universo, incluso el cuerpo humano. ¿Cuál sería la probabilidad de que un humano se autoteletransporte a diez kilómetros de distancia de forma espontánea? Estimarla requiere asumir muchas hipótesis. Massimiliano Sassoli de Bianchi (Universidad Libre de Bruselas, Bélgica) se ha atrevido a ofrecer una estimación optimista para un humano de 100 kg, un número extremadamente pequeño (por supuesto, el valor correcto será muchísimo más pequeño). El resultado, obtenido por dos métodos distintos, es un número tan pequeño que casi es imposible de imaginar. A todos los efectos prácticos el autoteletransporte es imposible.

Massimiliano dice que un escritor de ciencia ficción le pidió que lo calculase para usarlo en una futura obra. En ella, gracias a un futuro amplificador de probabilidades cuánticas, el protagonista lograría escapar autoteletransportándose a otro lugar. El primer cálculo ofrecido por Massimiliano se basa en descomponer el cuerpo en átomos (disassembling sci-fi hypothesis) y estimar la probabilidad de que la función de onda de un átomo de hidrógeno crezca por efecto túnel a un tamaño kilométrico; luego eleva dicha probabilidad al número de átomos estimado en un cuerpo humano. El cálculo es tan sencillo que tiene todos los visos de ser incorrecto. Sin embargo, Massimiliano decide realizar un segundo cálculo basado en cómo crece la función de onda cuántica al enfriar un cuerpo a una temperatura extremadamente baja (freezing sci-fi hypothesis). Para su propia sorpresa el resultado tiene el mismo orden de magnitud, lo que le hace sugerir que quizás no sea tan incorrecto del todo.

Por supuesto, el cálculo se se debe considerar como una cota superior (muy optimista) a la probabilidad de autoteletransporte de un humano a un lugar situado a unos kilómetros de distancia. Curioso, pero inútil, quizás sea un buen tema de discusión para una clase de física cuántica. Por ello si eres profesor de física cuántica te recomiendo consultar el artículo de Massimiliano Sassoli de Bianchi, “On the quantum “self-teleportation” probability of a human body,” arXiv:1712.08465 [physics.pop-ph]. Y si tus alumnos ofrecen otras estimaciones, no dudes en comentarlas, para el disfrute de todos.

Dibujo20171128 Heat flows from the hot to the cold spin arxiv 1711 03323

No sabemos lo que es el tiempo, pero muchos físicos afirman que la flecha del tiempo tiene un origen termodinámico. Que el calor fluya de lo caliente a lo frío implicaría que el tiempo transcurra del pasado al futuro. Ha generado cierto revuelo mediático un experimento en el que el “calor” fluye de lo “frío” a lo “caliente” en un sistema cuántico formado por dos cúbits en superposición coherente. En apariencia, en dicho sistema cuántico se ha invertido la flecha del tiempo termodinámica. Muchos me habéis pedido una explicación de esta aparente paradoja.

La clave del asunto es la interpretación clásica de los resultados. No se pueden usar a la ligera conceptos macroscópicos como calor, temperatura, entropía e irreversibilidad en un sistema cuántico. La evolución (unitaria) de un sistema cuántico siempre es reversible (mientras no se realice ninguna medida de su estado), luego evoluciona a entropía constante (ΔS = 0) y la información cuántica se conserva, ni se crea, ni se destruye; por tanto, no hay flujo de calor (ΔQ = T ΔS) y, de hecho, tampoco se puede definir el concepto de temperatura (ya que no se debe dividir por cero en la expresión T = ΔQ/ΔS). Ahora bien, si en lugar de la entropía de von Neumann de la teoría de la información cuántica usamos la entropía de Shannon de la teoría de la información clásica, la cosa cambia por completo. La “información” (mutua) ya no se conserva, la “entropía” puede cambiar y el “calor” puede fluir, incluso de lo “frío” a lo “caliente”, invirtiendo, en apariencia, la flecha del tiempo; por supuesto, siempre cumpliendo la segunda ley de la termodinámica.

He usado comillas dobles cuando podría haber usado letra cursiva para que quede más claro el retruque interpretativo usado. El artículo es Kaonan Micadei, …, Roberto M. Serra, Eric Lutz, “Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations,” arXiv:1711.03323 [quant-ph]; más información divulgativa en Emily Conover, “‘Arrow of time’ reversed in quantum experiment. But the second law of thermodynamics still holds true,” ScienceNews, 27 Nov 2017; KFC, “Physicists Demonstrate How to Reverse of the Arrow of Time,” Emerging Technology from the arXiv, 22 Dec 2017; y muchos más.

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Dibujo20171228 Tristan Buckmaster Nonuniqueness weak solutions Navier-Stokes equation youtube

Un millón de dólares espera a quienes resuelvan el problema de la existencia, unicidad y regularidad de las soluciones de las ecuaciones de Navier–Stokes para un fluido incompresible. En 1934 Leray demostró la existencia de soluciones débiles con energía cinética acotada. Su unicidad, prerrequisito para estudiar su regularidad, era un problema abierto, hasta ahora. Tristan Buckmaster y Vlad Vicol, matemáticos de la Universidad de Princeton, han demostrado la falta de unicidad de ciertas soluciones débiles con energía cinética acotada. Si no se encuentra ningún error en su demostración, el problema del milenio estará resuelto por la vía menos esperada, la no unicidad de soluciones.

Las reglas del Instituto Clay de Matemáticas (CMI) exigen que la solución a un problema del milenio esté publicada en una revista con revisión por pares; así que habrá que esperar a que el manuscrito de Buckmaster y Vicol se publique. Además, exigen que pasen dos años tras la publicación durante los cuales toda la comunidad matemática debe aceptar la demostración como válida. Por todo ello habrá que esperar hasta 2020, como pronto, para que el deseado millón de dólares sea repartido entre estos dos matemáticos estadounidenses. Aún así se trata de una noticia inesperada para muchos, que ha generado gran revuelo entre los matemáticos, sobre todo porque la demostración solo tiene 34 páginas; sin embargo, los medios generalistas no se han dado por enterados, aún.

El artículo es Tristan Buckmaster, Vlad Vicol, “Nonuniqueness of weak solutions to the Navier–Stokes equation,” arXiv:1709.10033 [math.AP]; más información divulgativa en Kevin Hartnett, “Mathematicians Find Wrinkle in Famed Fluid Equations. Two mathematicians prove that under certain extreme conditions, the Navier–Stokes equations output nonsense,” Quanta Magazine, 21 Dec 2017.

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Dibujo20171227 M theory limits in string theory quanta magazine

La teoría M avanza a paso firme, aunque quizás más lento de lo que nos gustaría. Introducida por Edward Witten en la conferencia anual de teoría de cuerdas Strings 1995 aún conserva un halo de misterio (M=Mistery). Sabemos que, como teoría cuántica de la gravitación, tiene como límite clásico la supergravedad en 11 dimensiones (10+1); entre sus objetos fundamentales están las M0-branas (un tipo de superpartícula), que permiten estudiarla en el límite de la teoría de cuerdas matricial (M=Matrix). También sabemos que, como teoría cuántica de campos, sus objetos fundamentales son las M2- y M5-branas (M=Membrane); no presenta análogos a las supercuerdas (M1-branas), lo que dificulta mucho su estudio matemático. Por fortuna, la teoría M está conectada por una extensa red de dualidades (analogías físicomatemáticas) con las cinco teorías de cuerdas en 10 dimensiones (9+1), algo tan asombroso que parece mágico (M=Magic).

En los últimos 20 años se han realizado importantes avances en la comprensión de la teoría M; todo indica que la versión perturbativa de la teoría M no existe y que solo podemos aspirar a una versión no perturbativa. En el año 2008 se publicó la teoría ABJM, una teoría superconforme en tres dimensiones para las M2-branas. La teoría en seis dimensiones para las M5-branas se llama teoría (2,0). El 18 de diciembre de 2017 se ha publicado en arXiv una teoría superconforme en seis dimensiones para las M5-branas; conocemos muchas propiedades de la teoría (2,0) y habrá que verificar que la nueva teoría cumple con todas ellas. El año 2018 promete ser revolucionario; si se confirman las opiniones más optimistas se trataría de la tercera revolución de la teoría de cuerdas. Quizás pronto se desvelen muchos de los misterios que rodean la teoría M.

El prometedor nuevo artículo es Christian Saemann, Lennart Schmidt, “An M5-Brane Model,” arXiv:1712.06623 [hep-th]. La conferencia Strings 2018 (25–29 junio 2018, Okinawa, Japón) promete ser apasionante. Más información divulgativa en John Baez, “An M5-Brane Model,” The n-Category Café, 23 Dec 2017.

Esta entrada está dedicada a los seguidores de este blog que me han preguntado en los últimos meses por el estado actual de la teoría de cuerdas. Hace tiempo que no escribo sobre el tema y, como siempre, debo recordar que no soy experto, solo un buen aficionado. Por ello mis opiniones y mis comentarios puede que no sean compartidos por muchos expertos. Recuerda, ante todo, que las teorías de cuerdas y la teoría M son ideas matemáticas inspiradas en la física; como tales se pueden exponer a grandes rasgos, pero no tiene sentido criticar sus aplicaciones potenciales cuando aún no tenemos una descripción matemática precisa. Por esa razón en este blog no encontrarás las críticas a la teoría de cuerdas que puedes disfrutar en otros blogs.

Por cierto, la figura que abre esta entrada está extraída (con ligeras modificaciones) de Natalie Wolchover, “Why Is M-Theory the Leading Candidate for Theory of Everything?” Quanta Magazine, 18 Dec 2017.

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Dibujo20171227 piezo1 cryoem nature25453

Un ingeniero diseñaría un sensor mecánico mediante un material piezoeléctrico. En su lugar las células usan canales iónicos mecanosensibles, como Piezo1 y Piezo2, que se abren bajo presión (o tensión) en la membrana de fosfolípidos, permitiendo el paso de iones que producen un impulso nervioso. Se publican en Nature y en eLife sendas estructuras tridimensionales de los canales Piezo1 (humano) y mPiezo1 (ratón) obtenidas por criomicroscopia electrónica.

Piezo1 está formada por tres cuchillas (blades) curvas que rodean el poro central que está cubierto por una especie de cúpula (dome). Solo se ha observado la conformación del estado cerrado del canal, con las cuchillas como hundidas en la membrana celular y el centro de la cúpula sobresaliendo muy poco respecto al nivel medio de la membrana. La hipótesis más razonable es que el poro se abre bajo tensiones mecánicas en la membrana que hacen que las cuchillas se estiren y se eleven hasta el nivel medio de la membrana, empujando a la cúpula hasta que sobresale de ella.

Para el físico y el ingeniero es curioso que la tensión mecánica en la membrana deforme la conformación de la proteína Piezo1 abriendo el poro y permitiendo la transferencia de iones a ambos lados de la membrana; esta señal química es el origen del potencial de acción que lleva la sensación táctil hasta las neuronas del sistema nervioso central. En biomedicina parece más relevante que las mutaciones de Piezo1 estén asociadas a ciertas enfermedades, como la estomatocitosis hereditaria deshidratada (los glóbulos rojos se deshidratan y se hacen más permeables a los cationes) y el linfedema congénito (una acumulación de la linfa en el tejido subcutáneo por obstrucción de los canales linfáticos). La comprensión de su funcionamiento ayudará al desarrollo de nuevos fármacos.

Los artículos son Kei Saotome, Swetha E. Murthy, …, Andrew B. Ward, “Structure of the mechanically activated ion channel Piezo1,” Nature (2017), doi: 10.1038/nature25453; Piezo1 en el ratón se estudia con una resolución de 3,7 Å en Yusong R Guo, Roderick MacKinnon, “Structure-based membrane dome mechanism for Piezo mechanosensitivity,” eLife 6: e33660 (2017), doi: 10.7554/eLife.33660.

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Dibujo20171227 Schematic graphene-based on-chip integrated device nature photonics s41566_2017_73_Fig1

La plasmónica basada en grafeno es la tecnología ideal para generar y manipular ondas electromagnéticas a frecuencias de terahercios (de 0,1 THz a 10 THz), también llamadas submilimétricas (de 0,03 a 3 mm). Se publica en Nature Photonics un generador de terahercios integrado en chip basado en una heteroestructura de grafeno. Gracias al control del voltaje de puerta aplicado al dispositivo se puede ajustar la frecuencia de los plasmones excitados entre 4,7 y 9,4 THz. Sin lugar a dudas los terahercios son uno de los nichos tecnológicos del grafeno.

La banda de frecuencias de los terahercios está entre el infrarrojo lejano y las microondas, luego tiene un amplio abanico de aplicaciones. Siendo una radiación que no es ionizante y que permite generar pulsos ultracortos de alta resolución espacial (submilimétrica) pueden sustituir a los rayos X y a la radiación ultravioleta en muchas áreas, como en biología, medicina, seguridad, defensa, etc. También tiene aplicaciones en ciencia básica, como en astronomía donde permitirá estudiar galaxias, asteroides, cometas, e incluso la Luna con nuevos ojos; eso sí, desde el espacio, ya que sus pérdidas en propagación atmosférica son muy altas en comparación con frecuencias más bajas del espectro (de hecho, el agua bloquea esta radiación, igual que las microondas). También tienen aplicaciones en comunicaciones de datos, donde prometen minimizar el tamaño de los componentes, como las antenas, y lograr mayores velocidades de transmisión de datos.

El nuevo artículo es Baicheng Yao, Yuan Liu, …., Chee Wei Wong, “Broadband gate-tunable terahertz plasmons in graphene heterostructures,” Nature Photonics 12: 22–28 (2017), doi: 10.1038/s41566-017-0054-7; más información divulgativa en Alexey Y. Nikitin, “Telecom meets terahertz,” Nature Photonics 12: 3–4 (2017), doi: 10.1038/s41566-017-0073-4.

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Dibujo20171727 ifmif dones in spain ciemat ugr es

El año 2017 se despide con una gran noticia para España. Granada ha sido elegida como candidata europea para acoger IFMIF-DONES; su gran competidora, Croacia, se ha unido a nuestra candidatura. IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) y su primera fase, DONES (DEMO-Oriented Neutron Source), estudiarán mediante irradiación con neutrones los materiales necesarios para el futuro reactor de fusión de demostración DEMO = IFMIF + ITER; recuerda que ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es un reactor de fusión experimental en construcción en Cadarache, Francia. El objetivo de ITER es demostrar que la fusión es viable y el de DEMO que la fusión comercial es viable.

ITER mostrará la viabilidad de la fusión como fuente de energía al producir unos 500 megavatios durante al menos 500 segundos a partir de un gramo de tritio (su combustible) y tras gastar unos 50 megavatios de energía en la ignición. ITER no será capaz de producir energía de forma continua. DEMO mostrará que es posible producir unos 2 gigavatios de energía eléctrica de forma continua. ITER iniciará su funcionamiento a finales de los 2020 y DEMO lo hará a principios de los 2040. Para la segunda mitad del siglo XXI la energía de fusión debería ser la principal fuente de electricidad en el mundo. Y el proyecto IFMIF-DONES jugará un papel clave. Por ello, si al final se construye en Granada (la Unión Europea compite contra Japón), nuestro país liderará la I+D en una tecnología capital en el siglo XXI.

El emplazamiento de IFMIF-DONES en Escúzar (Granada, España) supondrá una inversión inicial de más de 360 millones de euros y un gasto anual de unos 55 millones hasta 2033, y una inversión posterior de más de 600 millones con un gasto anual de unos 100 millones hasta 2050. El retorno económico para nuestro país superará los 1000 millones de euros. Todos debemos estar orgullosos de la gran labor realizada por el proyecto IFMIF-DONES ESPAÑA (Granada). La que sería la mayor infraestructura científica de nuestro país sin lugar a dudas es una de nuestros mejores apuestas de futuro.

La noticia ha aparecido en muchos medios, como Javier Arroyo, “La UE apuesta por Granada para competir contra Japón como sede del proyecto IFMIF DONES”, El País, 22 Dic 2017; “Granada, a un paso de acoger uno de los aceleradores de partículas más potentes del mundo”, ABC, 21 Dic 2017; etc. En este blog también puedes leer “IFMIF-DONES será la mayor infraestructura científica en España”, LCMF, 11 Jun 2016, y “España hacia la fusión nuclear con IFMIF-DONES en Granada”, LCMF, 12 Jun 2016.