24 octubre 2011

50 soluciones a la paradoja de Fermi (40ª solución): Los sistemas planetarios son sitios peligrosos

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Una de las preocupaciones más obvias para un ser que vive en un sistema planetario es el impacto de un gran meteorito. En la Tierra, objetos con un diámetro de varios kilómetros impactan cada pocos cientos de millones de años. La probabilidad de resultar muerto es prácticamente comparable a la de fallecer en un accidente de aviación. Paradójicamente, nos gastamos enormes sumas de dinero en seguridad aérea y muy poco en la detección de objetos cercanos a la Tierra susceptibles de acabar con nuestra civilización.

Presumiblemente, las CETs también deberían afrontar estos mismos peligros, ya que los meteoritos pueden ser comunes en todos los sistemas planetarios. Sin embargo, existen otras clases de amenazas. Veámoslas brevemente.

  • Bola de nieve

Estos eventos no deben confundirse con otros conocidos como Edad de Hielo. En un evento "Bola de nieve" la totalidad del planeta ha estado cubierto por una capa de hielo. Esto ha podido suceder hasta en cuatro ocasiones a lo largo de los últimos 800 millones de años. Las temperaturas cayeron hasta los 50 ºC bajo cero y el espesor de la capa de hielo pudo superar los 1000 metros. Quizá solamente puedan sobrevivir los organismos cercanos a los volcanes o bajo capas de hielo delgadas en el ecuador.

El evento bola de nieve se produce por razones conocidas y relativamente simples. Una vez que se genera una capa de hielo (por la razón que sea) ésta refleja gran cantidad de luz solar incidente, con lo que la superficie terrestre se enfría aún más, produciendo un grosor de hielo mayor. ¿Cuándo se detiene el proceso? Sencillamente, son los volcanes, con su actividad ininterrumpida, los que terminan con el evento, liberando enormes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera e incrementando enormemente el efecto invernadero.

  • Supervolcanes

Aunque los volcanes parecen ser nuestros benefactores durante las épocas de eventos bola de nieve, no resulta menos cierto que han tenido mucho que ver con la casi extinción del Homo sapiens.

La evidente falta de diversidad genética ha hecho que algunos biólogos hayan propuesto que el Homo sapiens surgió de un "cuello de botella genético" hace ahora unos 75.000 años. Un cuello de botella se produce cuando el tamaño de una población se reduce de forma drástica. En el caso de nuestra especie, el número total de individuos pudo haber caído hasta solamente unos pocos miles, casi la extinción. De hecho, el volcán Toba, en Sumatra, entró en erupción hace 74.000 años y fue tan violenta que se piensa podría haber generado un invierno nuclear (aunque sin radiación, obviamente).

  • Extinciones en masa

La vida en la Tierra ha experimentado varias extinciones masivas, entendiendo por ello el período durante el cual la biodiversidad sufre una reducción significativa. A lo largo de los últimos 540 millones de años ha habido unas 15 y, antes de esto, seguramente muchas más, pero no han dejado registro fósil. En seis de estos eventos globales, más de la mitad de las criaturas vivas desaparecieron. Estos seis períodos se conocen, en orden cronológico, como Cámbrico, Ordovícico, Devónico, Pérmico, Triásico y Cretácico.

La extinción del Cámbrico tuvo lugar hace 540-500 millones de años y fue la más seria de todas las extinciones en masa conocidas. A partir de ella, en lo que se conoce como "explosión cámbrica", evolucionaron cientos de nuevas especies, de las que proceden todas las criaturas que conocemos hoy.

Las extinciones del Ordovícico, hace 440 millones de años, y la del Devónico, hace 370, acabaron con el 20% de la vida marina. Los efectos en tierra son menos conocidos debido a la pobreza del registro fósil que ha quedado. No se conocen las causas de la extinción y, de haber sido un impacto de meteorito, no hay trazas del cráter producido.

La extinción del Pérmico tuvo lugar hace 250 millones de años y terminó con más del 90% de las especies marinas. Se piensa que fueron varias causas simultáneas las que provocaron el desastre.

En cuanto al Triásico y su extinción masiva hace 220 millones de años, muchos científicos piensan que el causante fue un meteorito.

Por último, la extinción del Cretácico, hace 65 millones de años, terminó con la desaparición de los dinosaurios y dio lugar al desarrollo de los mamíferos. Existen multitud de evidencias que señalan un meteorito de unos 10-15 km de diámetro como causa de la extinción: el cráter de 200 km en Chicxulub, el iridio anormalmente alto en las capas rocosas de la época, los granos de cuarzo, etc.

  • Extinciones y paradoja de Fermi

¿Qué podemos aprender de estas extinciones? Es difícil saberlo, ya que todas ellas parecen diferentes. Solamente en los casos del Pérmico y del Cretácico parece haber evidencia sobre las causas. En las otras épocas puede que hayan jugado un papel decisivo otras razones. sea como fuere, en otros sistemas planetarios podrían enfrentarse a amenazas parecidas u otras distintas, quién sabe. Podría haber planetas con vida cuyas órbitas fueran caóticas o inestables, con cambios drásticos en su rotación, cambios climáticos globales, etc. Quizá la lección que debamos extraer pudiese consistir en aprender que los sistemas planetarios son peligrosos y que tarde o temprano las extinciones masivas son inevitables.

Al admitir lo anterior ya sólo resta un trecho muy corto hasta aceptar la relación evidente con la paradoja de Fermi. En efecto, por un lado, las extinciones masivas pueden haber impedido el desarrollo de vida inteligente en otros planetas. Por otro lado, las extinciones globales podrían ser algo bueno que ocurre muy raramente en esos otros planetas; quizá constituyan un "mal necesario" para el desarrollo de la vida inteligente. Al menos así sucedió con los mamíferos tras la desaparición total de los dinosaurios. Al fin y al cabo, después de cada extinción masiva en la Tierra, la biodiversidad siempre ha recuperado su nivel previo y después lo ha superado.

También cabe la posibilidad de que el desarrollo de las células eucariotas y la explosión del Cámbrico fuesen el resultado directo de haber escapado de eventos bola de nieve. Los cambios químicos que algo así causaría en los océanos, el aislamiento genético de las especies, el aumento de las temperaturas y la rápida fusión del hielo, podrían combinarse para producir un período de rápida actividad evolutiva. Según algunos científicos, ni los animales ni las plantas existirían hoy de no haber sido por los eventos bola de nieve. Y quizá se cumpla lo mismo en todos los demás planetas extrasolares.

  • La extinción del Holoceno

El Holoceno es la época geológica que se extiende desde hace unos 10.000 años hasta la actualidad. ¿Estamos viviendo otra extinción masiva? ¿Está la actividad humana provocándola? Al fin y al cabo, con nuestro comportamiento intervencionista acabamos a diario con una enorme cantidad de especies vivas y quién sabe si esto no terminará por provocar cambios climáticos globales. ¿No resulta, pues, bastante probable que la inteligencia se autoextinga inevitablemente?

17 octubre 2011

¿Experimentarían retroceso las naves de Star Wars o Star Trek al disparar sus armas láser?

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Todos hemos asistido en el cine a batallas épicas entre naves espaciales equipadas con terroríficas armas láser, turboláser, torpedos fotónicos o similares. Los enormes cruceros imperiales de Star Wars, el Halcón Milenario de Han Solo, los temibles "pájaros de presa" klingons de Star Trek y tantos otros, han pululado por las pantallas del mundo entero y hecho las delicias de millones de espectadores entusiasmados ante semejante espectáculo pirotécnico.

Sin embargo, y quizá de forma no intencionada, las mismas naves espaciales que disparan con total alegría parecen cumplir involuntariamente algunas leyes de la física, al mismo tiempo que violan otras de manera descarada. Entre estas últimas se pueden citar las absolutamente irreales maniobras de vuelo "en picado" o "en barrena", los giros inverosímiles, el sonido de los motores en el vacío del espacio, etc. Entre las primeras, me gustaría centrar hoy mi atención en una en concreto. Tiene que ver con el comúnmente denominado "retroceso".

En efecto, tenemos la experiencia de las armas de fuego convencionales. Cuando apretamos el gatillo de una pistola, revólver, rifle, escopeta o ametralladora sentimos un golpe en la mano o el hombro. Esto no es más que el efecto del principio de conservación del momento lineal que tantas veces os he comentado. El conjunto formado por el arma más el proyectil debe poseer el mismo momento lineal justo antes de disparar y justo después de haber efectuado el disparo. Como al principio esta cantidad física toma un valor nulo (ambos cuerpos están en reposo, quietecitos) después tiene que poseer este mismo valor. Dado que el momento lineal es una cantidad vectorial, si el proyectil sale hacia adelante, el arma debe salir despedida en sentido contrario, hacia atrás, para que ambos momentos lineales se cancelen. Más aún, la velocidad a la que se desplaza cada uno de los dos cuerpos considerados resulta ser inversamente proporcional al valor de su masa, es decir, la bala (por tener una masa mucho menor) se desplazará a una velocidad considerablemente más elevada que la pistola, rifle, escopeta, etc.

Ahora bien, en el cine nunca parece observarse este conocido efecto de "retroceso" en las naves espaciales que disparan a diestro y siniestro descomunales descargas de energía láser, por ejemplo. Sin que sirva de precedente, en estas contadas ocasiones, parece que los guionistas de Hollywood han acertado. Veamos por qué.

Para empezar, restringiré mi análisis al caso de armas de tipo láser, es decir, que emiten partículas de luz que normalmente conocemos por el nombre de fotones. La energía de un fotón se puede calcular sin más que conocer la frecuencia del mismo, multiplicándola por el valor de la constante de Planck. En términos muy simples, esto es su color: la luz de color azul posee una frecuencia mayor que la de color rojo, por ejemplo. Dado que un fogonazo procedente de un turboláser consta de un enorme número de fotones, éste se puede estimar sin más que dividir la energía total del haz entre la energía de cada fotón individual. Así, se obtiene que para láser de color rojo, cuya longitud de onda ronda los 632 nanómetros, disparados en forma de haz con una potencia del orden de los 5 megawatts (más o menos la potencia con la que están dotadas las naves de la "Clase Galaxia" en el universo de Star Trek) el número de fotones que se emiten alcanza los 16 cuatrillones. Multiplicando este enorme número por el momento lineal de cada partícula de luz individual se consigue conocer el momento lineal del fáser, turboláser o lo que se tercie: 0,017 kg m/s.

Si ahora aplicásemos la ley de conservación del momento lineal al conjunto nave más fáser, teniendo en cuenta que la masa de aquélla es de aproximadamente 5 millones de toneladas, el cálculo arrojaría un valor para la velocidad con la que retrocedería (el célebre "retroceso") de 0,0000000000035 m/s o, lo que es lo mismo, de 0,000000000013 km/h, siempre que la duración del disparo fuese de tan sólo un segundo, algo que resulta del todo razonable a tenor de lo que se observa en las escenas de las películas aludidas. Incluso aunque se produjesen varias docenas de disparos simultáneamente, el cambio en la velocidad de la nave seguiría siendo de todo punto insignificante. ¡¡Bien por los guionistas!!

Todo lo anterior nos hace reflexionar acerca de lo insignificante del valor del momento lineal de un haz de luz láser. Y es justamente la misma ley que acabamos de aplicar para demostrar cuánta razón tienen los sesudos encargados de confeccionar los guiones de las películas de ciencia ficción que involucran vistosas y espectaculares batallas galácticas la que nos puede servir para llegar a otra conclusión no menos cierta, a saber, que si se golpease a la nave enemiga sobre la que hemos disparado nuestro mortífero turboláser, jamás conseguiríamos modificar su movimiento y mucho menos voltearla o hacerla girar, tal como se puede ver en Star Wars cuando el Halcón Milenario es alcanzado por las naves del malvado Imperio. ¡¡Lástima!! No todo podía ser maravillosamente acorde a las leyes de la física...


Fuentes:

Phaser Recoil T. Searle, A. Phong, M. McNally and R. Pierce. Journal of Special Topics, Vol. 9, No. 1, 2010.