El consultorio del profesor Enigma (4)

Aquí estoy, por cuarta vez, con el enigma de la semana. En esta ocasión, es muy fácil identificar la película. En cambio, el gazapo es bastante sutil. ¡Suerte... y a pensar!

Voz en off:

... lo que Einstein llamó su teoría de la relatividad. [Silencio] Concentrada en los cristales que tienes ante ti está la acumulación de la literatura y la ciencia de docenas de mundos comprendidos en las veintiocho galaxias conocidas. [Silencio] Los primeros escritos chinos señalan la compleja relación existente entre... [Silencio] Entre la compleja ecuación llevada a sus últimas consecuencias. [Silencio] Entre los poderes que poseerás se contarán tu vista, tu fuerza, tu oído y tu facultad para moverte a una velocidad prácticamente ilimitada. [Silencio] En los comienzos, nuestro universo constituyó un sangriento mosaico de diversos planetas. [Silencio] Cada una de las seis galaxias que vas a atravesar tiene sus propias leyes que siguen espacio y tiempo. [Silencio] ¡Prohibido inmiscuirte en la historia de los hombres!

Escudos de fuerza: mito o realidad

La tecnología actual aún está lejos de conseguir escudos o campos de fuerza tales como los que aparecen en el cine o la literatura de ciencia ficción. Y la razón fundamental es que resulta prácticamente imposible que uno de estos dispositivos sea capaz de repeler o rechazar el ataque de todo tipo de amenazas, sean de la naturaleza que sean: rayos láser, torpedos fotónicos, misiles guiados, bombas termonucleares, incluso cuchillos o espadas, como sucede en la célebre novela de Frank Herbert, Dune, o en la película homónima de David Lynch.

En la entrada anterior sobre el tema de los escudos de fuerza, os había contado que ninguna de las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales de la naturaleza presentaba las propiedades requeridas para comportarse de forma parecida a como suelen hacer en el cine los escudos protectores omnipotentes. Sin embargo, asimismo os dejé una puerta abierta a la esperanza. Veamos a qué me refiero en concreto con esto.

El profesor Jim Al-Khalili, afirma Paul Parsons en su libro The science of doctor Who, propone utilizar la fuerza electromagnética como fundamento a la hora de construir un escudo de fuerza. Si recordáis, el inconveniente que presentaba utilizar la fuerza electromagnética para repeler potenciales armas mortíferas era la ausencia de carga eléctrica neta del objeto que incidiese sobre la región protegida por el escudo. Pues bien, una posible solución a este inconveniente podría consistir en bombardear dicho objeto con un haz de positrones (antipartículas de los electrones), con lo cual se aniquilarían una parte de los electrones del mismo. Como resultado, el arma quedaría con una carga neta positiva y podría ser desviada o rechazada mediante el empleo de campos eléctricos o magnéticos. No está nada mal como solución parcial, pues seguimos teniendo el problema de su ineficacia ante ataques con rayos láser, por ejemplo. En el mismo libro se propone una solución viable para desviar ataques con mortíferas radiaciones electromagnéticas. Haciendo uso de un efecto cuántico como el scattering Delbrück, los fotones de un láser serían susceptibles de ser desviados con campos eléctricos. Para ello, bastaría que se transformasen en pares electrón-positrón, impidiéndoles a estas dos partículas volver a recombinarse en un nuevo fotón eléctricamente neutro y, por tanto, inmune a la fuerza electromagnética.



Otra idea posible para construir un escudo de fuerza similar a los maravillosos artilugios de la ciencia ficción ha sido propuesta por el profesor Michio Kaku, quien en su libro The physics of the impossible, sugiere una disposición sucesiva de tres fases: una primera constituida por una ventana de plasma de alta temperatura encargada de vaporizar objetos sólidos, una intermedia formada por una sucesión de miles de haces láser entrecruzados que también estarían destinados a vaporizar posibles armas amenazadoras y, finalmente, una red hecha a base de nanotubos de carbono encargada de ejercer una fuerza repulsiva descomunal a semejanza de una malla elástica superfuerte. Me detendré un poco en la primera de estas tres etapas.

Una ventana de plasma es, como su propio nombre indica, una estructura en forma de lámina constituida por un gas ionizado a altísima temperatura (unos 10.000-15.000 grados) y confinado mediante campos eléctricos y magnéticos. Fue patentada (con el número 5578831) por Ady Hershcovitch en 1995, mientras trabajaba en el Brookhaven National Laboratory. Los resultados fueron publicados en el volumen 78 de la prestigiosa revista Journal of Applied Physics. Su utilidad consiste en separar dos regiones físicas que se encuentren a distintas presiones, siendo comúnmente una de ellas el vacío. Para aquellos de vosotros que seáis aficionados a la serie original de Star Trek, seguro que semejante comportamiento os resultará muy familiar, ya que un dispositivo muy similar se empleaba para separar la atmósfera de una nave espacial atracada del vacío del espacio exterior. Si se pudiesen obtener plasmas a temperaturas arbitrariamente altas, y a decir verdad no existe ninguna ley física que impida esto, la idea del profesor Kaku podría funcionar ya que la ventana sería capaz de vaporizar prácticamente cualquier material. Únicamente habría que reducir el consumo energético de la lámina, el cual limita seriamente el tamaño de la misma (unos 8 kW por cada centímetro de diámetro).



Pero no creáis que la idea subyacente tras el concepto de escudo de fuerza únicamente tiene su utilidad en violentas guerras interestelares o invasiones alienígenas. Nada más lejos de la realidad. Mucho menos romántico, aunque igualmente emocionante resulta proteger a los astronautas en misiones más allá de la capa protectora de nuestra atmósfera. En efecto, la Tierra se encuentra rodeada por una región de campo magnético (la magnetosfera) que nos protege de las partículas cargadas eléctricamente procedentes del Sol o de los rayos cósmicos de alta energía procedentes del espacio. Cuando nuestras misiones espaciales se encuentran más allá de esta barrera protectora, los efectos de este bombardeo continuo pueden resultar enormemente peligrosos, tanto para la salud de los astronautas como para los propios instrumentos de a bordo. Recientemente, se ha descubierto que el campo magnético protector de la Tierra no es siempre igual de efectivo, sino que esta efectividad depende, a su vez, de la orientación del campo magnético solar. Así, cuando ambos campos están alineados (polo norte solar con polo norte terrestre), el flujo de partículas nocivas que penetran en nuestra atmósfera es hasta veinte veces mayor que cuando los campos magnéticos están antialineados (polo norte solar con polo sur terrestre). La doctora Ruth Bamford y un equipo de colaboradores formado por investigadores del Reino Unido, Suecia y Portugal han propuesto el año pasado, en un artículo publicado en el volumen 50 de la revista Plasma Physics and Controlled Fusion, el diseño de una pequeña magnetosfera artificial con la que rodear la nave espacial y blindar el interior de la misma ante un potencial chorro de partículas cargadas de alta energía. La extensión de este escudo protector abarcaría unos 100-200 metros de diámetro y se requerirían unos campos magnéticos de tan sólo 1 Tesla de intensidad. Los autores del trabajo piensan que en unos cinco años podría disponerse de un prototipo.

Tampoco hay que ascender hasta el espacio interplanetario para encontrarse con barreras protectoras a modo de escudos infranqueables. Sin ir más lejos, los aviones comerciales están siendo equipados ya con materiales antibomba, en particular las puertas que dan acceso a las cabinas de los pilotos o los contenedores para el equipaje e incluso se pretende llevar a cabo lo mismo con el fuselaje (la compañía Telair International está desarrollando tales materiales, formados por kevlar, la materia prima de los chalecos antibalas, y otros componentes). Y descendiendo un poco más hasta el nivel del suelo, encontramos el TROPHY, un sistema de defensa activa diseñado por RAFAEL (empresa israelí dedicada al desarrollo armamentístico). Consiste en la detección del elemento amenazador (misil guiado o cohete) en todo el espacio (360º) que rodea al sistema protegido (normalmente, un tanque o un vehículo anfibio), y el posterior lanzamiento de un haz e interceptación de aquel, típicamente a una distancia prudencial de entre unos 10 y unos 30 metros del objetivo. Su creador afirma que está ideado para enfrentarse a múltiples amenazas simultáneas procedentes de distintas direcciones y que es operativo en todo tipo de terrenos, ya sean urbanos o en campo abierto y en todo tipo de condiciones atmosféricas.



Aunque todas las ideas expuestas en los párrafos anteriores constituyen soluciones más o menos cercanas a los míticos escudos de fuerza reflejados en la ciencia ficción, ninguno de ellos cumple en su totalidad con las propiedades que parecen mostrar éstos. Sin embargo, conviene recordar la cantidad de veces que algún científico famoso ha afirmado que un determinado logro resultaría imposible en el futuro, para darse cuenta de la cantidad de veces que ha metido la pata. Nunca digáis “de esta agua no beberé…”.

El consultorio del profesor Enigma (3): Solución

Bueno, bueno, bueno, mis queridos drugos. Ya estoy aquí de nuevo para poner fin a vuestras desdichas y daros la solución al enigma de esta semana.

Ante todo, quiero agradeceros el haber participado y aportado vuestros más pintorescos y audaces comentarios. En cuanto a la película, efectivamente se trataba de Space Cowboys (Space Cowboys, 2000) y no de Contact, Apolo XIII o Armageddon, como habéis apuntado varios de vosotros. Hay que ir un poco más al cine o al vídeo club, muchachos/as...

Pero vayamos con el gazapo. Siento deciros que en la frase del trampolín no hay ninguno escondido, pues nuestro personaje P1 dice la verdad. Si uno consigue saltar sobre un trampolín en el espacio (otra cosa muy diferente es cómo hacer para conseguir dar el salto, propiamente dicho), la fuerza aplicada por aquél sobre el astronauta le proporcionaría una velocidad inicial que se mantendría indefinidamente. esto es una consecuencia directa de la primera ley de Newton, ya que al no actuar ninguna fuerza (una vez abandonado el trampolín) sobre el astronauta (se supone que en el espacio está lejos de cualquier masa que pudiese proporcionarle una atracción gravitatoria), éste mantendría su movimiento rectilíneo indefinidamente, es decir, más o menos subiría y subiría y subiría y no volvería a bajar (aunque lo de subir y bajar en el espacio es un poco discutible).

El verdadero gazapo viene a continuación, pues al batear una pelota hasta la Luna, lo de hacerlo hasta la mitad de la distancia entre nuestro satélite y la Tierra es abolutamente falso. Y no me vale lo que habéis dicho sobre que son un grupo de niños los que escuchan la explicación y los números no importan, que importa el contexto y que ser exacto es perder la esencia. En este caso, no se pierde ninguna esencia por decirles a los niños que la mitad de la distancia entre la Tierra y la Luna es de 192.200 km (si quieres puedes redondear a 190.000 o incluso a 200.000, pero no a 150.000 km). Pero el número no es el error más grave. Lo verdaderamente preocupante es que una empleada de la NASA afirme que si una pelota lanzada desde la Tierra llega hasta la mitad de camino de la Luna, allí ésta hará el resto. No, señorita, no. Eso es mucho suponer. De hecho, implica suponer que la masa de la Tierra y la de la Luna son idénticas y nada más lejos de la realidad, ya que la relación entre ambas es de 82, nada menos. Por lo tanto, si se utiliza la archiconocida (para todos, menos para nuestra asesora de la NASA) ley de la gravitación universal de Newton y se resuelve una sencillísima y elemental ecuación de segundo grado, se llega a la conclusión de que el punto donde se cancelan exactamente la gravedad de la Tierra y la de la Luna sobre un objeto allí situado se encuentra a unos 348.000 km (redondeando, esto es aproximadamente el 90 % de la distancia) de la primera o, lo que es lo mismo, a unos 36.000 km de la segunda (redondeando también). Y confundir un 50 por ciento con un 90 por ciento sí que es perder la esencia. He hablado...

Cambio de plantilla

Estoy remozando un poco la imagen del blog. Perdonad las molestias durante unos días, hasta que tenga tiempo de organizar un poco las obras y le dé una imagen definitiva. Espero que os guste. A mí ya me cansaba el formato anterior. ¿No os pasaba lo mismo?

El consultorio del profesor Enigma (3)

Este fragmento de un diálogo cinematográfico no tiene desperdicio desde el punto de vista científico. No se me ocurre decir nada más.

P1: - Esto basta para enviar al astronauta kilómetros y kilómetros de distancia en el espacio.

P2: - ¿Y qué pasaría si saltaras sobre un trampolín en el espacio?

P1: - Oh, pues que subirías y subirías y subirías, y nunca más volverías a bajar.

P3: - Bateando, ¿llegaría una pelota a la Luna?

P1: - La verdad es... que sí. Sólo tendrías que batearla hasta medio camino, a unos 150.000 kilómetros de distancia. Y luego, la gravedad de la Luna haría el resto.

P3: - Ah.

P1: - ¿De acuerdo?

La ley del escudo: el chungo para los otros, el cojonudo para uno

Una gigantesca nave alienígena se dirige hacia nosotros con intenciones nada halagüeñas. Procedente de un mundo desconocido, a miles de años luz de distancia, quizá conocedora de la intrincada naturaleza del espaciotiempo y del secreto de los viajes intergalácticos, exhibe su demoledor poder tecnológico y armamentístico. Haciendo uso de devastadores rayos de la muerte, las avanzadillas procedentes de la nave nodriza avanzan inexorablemente hacia la conquista de la Tierra. Los seres humanos, siempre confiados en sus propias fuerzas, defienden su posición con ayuda de las armas más sofisticadas. Sin embargo, todo resulta inútil, incluso los más potentes ingenios nucleares se muestran impotentes ante los infranqueables escudos de fuerza con los que están dotadas las naves invasoras.

Las breves líneas anteriores bien podrían describir el argumento de decenas de películas o de novelas de ciencia ficción, desde que allá por los años 30 del siglo pasado, el autor E. E. “Doc” Smith decidiese “inventar” el concepto de campo o escudo de fuerza en su serie Skylark. En nuestras retinas permanecen imborrables los recuerdos de este maravilloso invento con el que se protegían la familia Robinson, protagonista de la serie Perdidos en el espacio (Lost in space, 1965-68), los terribles trípodes magnéticos marcianos de La guerra de los mundos (The war of the worlds, 1953), las naves de Star Trek, la poderosa Estrella de la Muerte de Star Wars, o las gigantescas moles de Independence Day (Independence Day, 1996), por citar tan sólo unos pocos ejemplos.

Pero ¿qué tienen de especial, en qué están basados estos dispositivos todopoderosos, invisibles o transparentes, y capaces de detener o desviar tanto misiles balísticos como bombas de hidrógeno o incluso torpedos fotónicos y turboláseres? ¿Qué tecnología ultraavanzada se esconde tras ellos? ¿Pueden ser reales o tan sólo son el fruto de las fecundas imaginaciones de los escritores y guionistas de ciencia ficción?



Ante todo, un campo o escudo de fuerza parece comportarse como una región del espacio limitada, más o menos extensa, donde se manifiestan una serie de efectos normalmente repulsivos. Dicho así recuerda enormemente a lo que en física también denominamos campo de fuerzas, un concepto surgido de la imaginación y la creatividad de nada menos que Michael Faraday (1791-1867), una de las figuras más sobresalientes de la historia de la ciencia física. Faraday procedía de una familia humilde y sin preparación. Adquirió su conocimiento al mismo tiempo que hojeaba los libros que él mismo encuadernaba mientras trabajaba en una imprenta. Un golpe de fortuna le llevó a ejercer de ayudante de uno de los científicos más relevantes de la época: sir Humphry Davy (1778-1829). Debido a la falta de preparación matemática de Faraday, este hándicap le obligó a intentar explicar sus ideas ayudándose de diagramas en los que representaba líneas de fuerza de origen eléctrico y magnético con las que podía describir el comportamiento de cargas eléctricas situadas en las regiones del espacio influenciadas por aquéllas. Hoy en día, las grandes teorías físicas hacen uso del concepto de campo desarrollado por Faraday. Así, tenemos la teoría del campo electromagnético, la relatividad general, que trata la gravedad como una deformación geométrica del espaciotiempo, la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas.



En la física actual se acepta la existencia de únicamente cuatro fuerzas fundamentales: las denominadas fuerza nuclear débil y nuclear fuerte, responsables ambas de las interacciones que tienen lugar en el interior de los núcleos de los átomos, la primera cuando estos de desintegran, por ejemplo, y la segunda que proporciona una atracción entre los protones y neutrones que permite explicar su tendencia a permanecer unidos en el interior del núcleo; la fuerza electromagnética que se manifiesta entre partículas con carga eléctrica y, por lo tanto, puede ser tanto atractiva como repulsiva, dependiendo del signo de la misma; y la fuerza gravitatoria, siempre atractiva como todos sabemos.

Cualquier cuerpo físico del universo debe interaccionar con los demás a través de una de las cuatro fuerzas anteriores (al menos hasta que se descubran otras, si es que existen). Así pues, ¿cuál de ellas presenta un comportamiento tal que pueda describir el de un escudo de fuerza de la ciencia ficción? Parece evidente que la fuerza nuclear no, pues su rango de alcance es diminuto, del orden del tamaño de los núcleos atómicos (billonésimas de milímetro); además, la fuerza nuclear fuerte es atractiva y no repulsiva como debería ser para desviar el arma de la que pretendiese defenderse una nave espacial, por ejemplo. Aunque el alcance de la fuerza gravitatoria es infinito en el espacio, lo que podría hacerla adecuada, desafortunadamente, exhibe al igual que la interacción nuclear un carácter atractivo nada conveniente. Sin embargo, tal y como ya afirmó Albert Einstein, la gravedad tiene la asombrosa propiedad de ser capaz de desviar incluso la luz, atrayéndola hacia el cuerpo responsable del campo gravitatorio con el que interaccionase. Este hecho podría explicar el poder de un escudo de fuerza para desviar la trayectoria de un potente turboláser amenazador. El único requisito necesario sería que la fuerza gravitatoria fuese repulsiva, con el objeto de poder alejar el rayo mortal. ¿Y si fuésemos capaces de producir la suficiente cantidad de masa negativa o materia exótica, a través de fenómenos tipo efecto Casimir, tal cual ya os conté cuando hablamos de las posibilidades de las velocidades warp? ¿No podríamos repeler o desviar todo tipo de objetos materiales o puramente energéticos como los láseres o los torpedos fotónicos?



Algo más prometedora puede resultar la fuerza electromagnética, ya que ésta tiene la posibilidad de manifestarse de forma natural con carácter repulsivo, así como disponer de un rango de alcance infinito. Simplemente, habría que disponer bien de una estructura dotada de una carga eléctrica del mismo signo que la del cuerpo a repeler o bien de un campo magnético capaz de proporcionar, asimismo, una fuerza repulsiva o al menos confinadora, como la que se utiliza para mantener aislada la antimateria de la materia ordinaria en las trampas de Penning. Podríamos hacer que los proyectiles quedasen atrapados en órbitas similares a las que confinan a las partículas cargadas eléctricamente de los rayos cósmicos en los cinturones de Van Allen y, una vez allí, perdiesen su energía hasta resultar finalmente inofensivos. A pesar de todo, entre las líneas precedentes se oculta no de forma demasiado hábil la terrible pega que presentarían los escudos de fuerza electromagnética y que no es otra que su inoperancia a la hora de inutilizar una amenaza eléctricamente neutra como podría ser un proyectil plástico o hecho de un material aislante. Y ¿qué decir de un láser o un rayo calorífico? Nuestra barrera sería totalmente inoperante ante semejantes armas. Sin embargo, podría ser que existiese alguna posibilidad de soslayar tales dificultades…