Así es el escudo magnético que protege a la Tierra y hace posible la vida.

Representación del campo magnético de la Tierra.

El espacio que nos rodea tiene una estructura magnética que hemos podido explorar con satélites y frena el constante bombardeo de las partículas del viento solar

Ocurre a menudo que lo más importante pasa absolutamente desapercibido. Por ejemplo, ¿cuándo fue la última vez que pensó en el campo magnético terrestre, si es que alguna vez lo ha hecho? Además de dirigir las agujas de las brújulas hacia el norte o la migración de las aves, ¿el campo magnético terrestre tiene algún otro efecto en nuestro día a día?

Vamos a comenzar con un spoiler: el campo magnético terrestre desvía cada segundo unos 1,5 millones de toneladas de material eyectado del Sol a alta velocidad. Si no estuviera ahí, la atmósfera sufriría una erosión directa y continuada, no tendría capacidad para esquivar el impacto directo de esas partículas solares, que arrastrarían con ellas todo lo que nos protege. Por tanto, sin campo magnético terrestre, no existiría la vida tal y como la conocemos en la superficie de nuestro planeta. Desde luego, tampoco serían posibles nuestras sociedades tecnológicas, ya que el campo magnético protege también nuestros equipos electrónicos, no solo nuestro ADN, de este mismo bombardeo.

La Tierra (igual que Mercurio, Júpiter, Saturno, Neptuno y Urano) está rodeada por un campo magnético relativamente intenso que tiene su origen, en su mayor parte, en el interior del planeta. Se cree que, ahora, en esta etapa de la evolución terrestre, está alimentado por el enfriamiento y la cristalización del núcleo: eso agita el hierro líquido que lo rodea, creando potentes corrientes eléctricas que generan ese campo magnético que se extiende hacia el espacio. A este tipo de campo magnético se le conoce como geodinamo y a la estructura de campos de fuerzas que desvía la mayor parte del viento solar, formando un escudo protector, se la llama magnetosfera.

Para dar algunos detalles de cómo funciona, viajemos ahora unos 80 kilómetros por encima de nuestras cabezas. Allí, a esa altura por encima del suelo, ocurre algo fundamental. Y es que una fracción importante del gas en esta región está ionizado, es decir, que las partículas están cargadas eléctricamente, en general porque han perdido algún electrón en su estructura debido a la radiación energética de nuestra estrella. Las partículas cargadas se comportan de una manera muy especial: siguen las líneas de campo magnético y, por tanto, se mueven como en autopistas concretas, es como si fuesen por carriles.

Antes de seguir, puntualicemos algo importante: el Sol, como todas las estrellas, además de energía electromagnética en todo el rango (nuestros ojos solo son sensibles a la luz visible, que es un rango muy estrecho), eyecta grandes cantidades de material en forma de partículas cargadas a alta velocidad. Esto es lo que se conoce como viento estelar; o viento solar, en el caso de la nuestra estrella. En la conexión entre la magnetosfera y el viento solar está el corazón de lo que se conoce como clima espacial.

Si pudiéramos visualizar el campo magnético terrestre veríamos que es lo que conocemos como campo magnético dipolar, donde las líneas de fuerza salen de un hemisferio y se meten en el otro. En la convención normal, las líneas del campo que salen, las que apuntan hacia fuera son el norte magnético y las que entran el sur. En el caso de la Tierra, a veces para evitar confusión con el norte geográfico se invierte la convención y el polo norte magnético apunta hacia el sur y el polo sur magnético hacia el norte. En el norte, las líneas de campo apuntan hacia dentro, al revés que con los imanes. Está además inclinado 11,5 grados respecto al eje de giro del planeta, que es el que define los polos norte y sur geográficos.

Una fascinante estructura
El campo magnético terrestre es dos veces más intenso en los polos que en el ecuador. Esto lo sabemos gracias a los instrumentos colocados en satélites que han explorado tanto la intensidad como la dirección del campo magnético terrestre y confirmado su naturaleza en forma de dipolo. La forma que adquiere es, además de compleja, variable. Algunos de sus componentes son los cinturones de radiación de Van Allen, la corriente de anillo, la cola magnética o la magnetopausa.

Demos tan solo algunos detalles fascinantes de la estructura del campo magnético que rodea la Tierra. Rodeando el planeta existe una región que está formada por plasma frío y denso que rota con la Tierra. Están también ahí fuera los cinturones de Van Allen, donde las partículas se mueven con energías relativistas (cercanas a la velocidad de la luz).

En lo que se conoce como la corriente de anillo, los iones energéticos se mueven a mucha menos velocidad que en los cinturones de Van Allen, pero tienen una densidad más alta y producen una corriente eléctrica que rodea a la Tierra. Los electrones se mueven de la zona del crepúsculo a la zona donde es de noche y los iones cargados positivamente lo hacen al revés. Esta corriente de anillo genera un campo magnético que apunta en la dirección opuesta del campo magnético terrestre y que, cuando se intensifica, disminuye la intensidad del campo que se mide en superficie. Hay más corrientes que conectan la corriente de anillo con la ionosfera y que juegan un papel esencial en las auroras boreales y el clima espacial.

Para entender la configuración global de la forma en que se mueven las partículas en nuestro entorno espacial nos falta un ingrediente fundamental: el viento solar, que además es magnético. Una manera de visualizar de manera sencilla esa interacción es imaginar el viento solar como la corriente de un río y la Tierra y su campo magnético como una piedra gigante. Como el viento solar es supersónico tenemos un choque de proa y detrás del obstáculo tenemos la cola, una cola magnética. Lo de las tormentas magnéticas y su origen lo dejamos para otra ocasión.

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_- Albert Einstein: los 2 grandes errores científicos que cometió en su carrera

_- Einstein es un ejemplo de espíritu libre y creador que, sin embargo, conservó sus prejuicios.

La investigación científica se basa en la relación entre la realidad de la naturaleza -adquirida mediante observaciones- y una representación de esta realidad, formulada por una teoría en lenguaje matemático.

Cuando todas las consecuencias que se derivan de una teoría se verifican de forma experimental, esta queda validada.

Este enfoque, que se ha aplicado desde hace casi cuatro siglos, ha permitido construir un conjunto coherente de conocimientos.

Pero esos avances se logran gracias a la inteligencia humana que, a pesar de todo, conserva sus creencias y prejuicios, lo cual puede afectar al progreso de la ciencia incluso entre las mentes más privilegiadas.

El primer error
En su obra maestra sobre la teoría general de la relatividad, Albert Einstein escribió la ecuación que describe la evolución del Universo en función del tiempo.

La solución de esta ecuación muestra un universo inestable, en lugar de, como se creía hasta entonces, una enorme esfera de volumen constante en la que se deslizaban las estrellas.

A principios del siglo XX, todo el mundo vivía con la idea bien arraigada de un universo estático en el que el movimiento de los astros se repetía sin descanso.

Es probable que se debiera a las enseñanzas de Aristóteles, que establecía que el firmamento era inmutable, en contraposición con el carácter perecedero de la Tierra.

Esta creencia provocó una anomalía histórica: en el año 1054, los chinos advirtieron una nueva luz en el cielo que no aparece mencionada en ningún documento europeo, y eso que se pudo ver a plena luz del día durante varias semanas.

Se trataba de una supernova, es decir, una estrella moribunda, cuyos restos todavía se pueden observar en la nebulosa del Cangrejo.

La nebulosa del Cangrejo no fue documentada en Europa tras su aparición en 1054.

El pensamiento dominante en Europa impedía aceptar un fenómeno tan contrario a la idea de un cielo inmutable. Una supernova es un acontecimiento muy raro, que solo se puede observar a simple vista una vez cada cien años (la última fue en 1987).

Así que Aristóteles tenía casi razón al afirmar que el cielo era inmutable, al menos a la escala de una vida humana.

Para no contradecir la idea de un universo estático, Einstein introdujo en sus ecuaciones una constante cosmológica que congelaba el estado del universo.

La intuición le falló: en 1929, cuando Edwin Hubble demostró que el universo se expandía, Einstein admitió haber cometido "su mayor error".

La aleatoriedad cuántica
Al mismo tiempo que la teoría de la relatividad, se desarrolló la mecánica cuántica, que describe la física de lo infinitamente pequeño.

Einstein hizo una contribución destacada en ese ámbito, en 1905, con su interpretación del efecto fotoeléctrico como una colisión entre electrones y fotones, es decir, entre partículas infinitesimales portadoras de energía.

En otras palabras, la luz, descrita tradicionalmente como una onda, se comporta como un flujo de partículas.

Fue por este avance, y no por la teoría general de la relatividad, por el que Einstein fue galardonado con el premio Nobel en 1921.

¿Es la luz una onda o una partícula? Einstein respondió "ambas" y cambió la física para siempre
Pero, a pesar de ese vital aporte, se obstinó en rechazar la lección más importante de la mecánica cuántica, que establece que el mundo de las partículas no está sometido al determinismo estricto de la física clásica.

El mundo cuántico es probabilístico, lo que implica que solo somos capaces de predecir una probabilidad de ocurrencia entre un conjunto de sucesos posibles.

A pesar de sus aportes a la física cuántica, Einstein no estuvo dispuesto a aceptar todas sus implicancias teóricas y prácticas.

La obcecación de Einstein deja entrever de nuevo la influencia de la filosofía griega.

Platón enseñaba que el pensamiento debía permanecer ideal, libre de las contingencias de la realidad, lo que es una idea noble pero alejada de los preceptos de la ciencia.

Así como el conocimiento precisa de una concordancia perfecta con todos los hechos predichos, la creencia se funda en una verosimilitud fruto de observaciones parciales.

El propio Einstein estaba convencido de que el pensamiento puro era capaz de abarcar toda la realidad, pero la aleatoriedad cuántica contradice esa hipótesis.

En la práctica, esa aleatoriedad no es plena, pues está regida por el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Dicho principio impone un determinismo colectivo a los conjuntos de partículas: un electrón por sí mismo es libre, puesto que no se puede calcular su trayectoria al atravesar una rendija, pero un millón de electrones dibujan una figura de difracción que muestra franjas oscuras y brillantes que sí se pueden predecir.

Einstein también afirmó: "Tú crees en el Dios que juega a los dados y yo creo en la ley y la ordenación total de un mundo que es objetivo".

Einstein no quería admitir ese indeterminismo elemental y lo resumió en un veredicto provocador: "Dios no juega a los dados con el universo".

Propuso la existencia de variables ocultas, de magnitudes por descubrir más allá de la masa, la carga y el espín, que los físicos utilizan para describir las partículas. Pero la experiencia no le dio la razón.

Hay que asumir la existencia de una realidad que transciende nuestra comprensión, que no podemos saber todo del mundo de lo infinitamente pequeño.

Los caprichos fortuitos de la imaginación
En el proceso del método científico existe un paso que no es totalmente objetivo y es el que lleva a la conceptualización de una teoría. Einstein da un ilustre ejemplo del mismo con sus experimentos mentales.

Así afirmó: "La imaginación es más importante que el conocimiento". En efecto, a partir de observaciones dispares, un físico debe imaginar una ley subyacente. A veces, hay que elegir entre varios modelos teóricos posibles, momento en el que la lógica retoma el control.

Por tanto, el progreso de las ideas se nutre de lo que llamamos intuición. Es una especie de salto en el conocimiento que sobrepasa la pura racionalidad. La frontera entre lo objetivo y lo subjetivo deja de ser del todo fija.

Los pensamientos nacen en las neuronas bajo el efecto de impulsos electromagnéticos y, entre ellos, algunos resultan particularmente fecundos, como si provocaran un cortocircuito entre células, obra del azar.

Pero estas intuiciones, estas "flores" del espíritu humano, no son iguales para todas las personas.

Mientras el cerebro de Einstein concibió E=mc² , el de Marcel Proust creó una metáfora admirable. La intuición se manifiesta de forma aleatoria, pero ese azar está moldeado por la experiencia, la cultura y el conocimiento de cada persona.

Los beneficios del azar
No debería sorprendernos que haya una realidad que sobrepase nuestra propia inteligencia.

Sin el azar, nos guían nuestros instintos, nuestras costumbres, todo lo que nos hace predecibles. Nuestras acciones están confinadas de manera casi exclusiva en ese primer nivel de realidad, con sus preocupaciones ordinarias y sus quehaceres obligados.

Pero existe otro nivel en el que el azar manifiesto es la seña de identidad.

Einstein es un ejemplo de espíritu libre y creador que conserva, sin embargo, sus prejuicios.

Su "primer error" puede resumirse en la frase: "Me niego a creer que el Universo tuviera un principio". Pero la experiencia demostró que se equivocaba.

Su sentencia sobre Dios jugando a los dados quiere decir: "Me niego a creer en el azar". Sin embargo, la mecánica cuántica implica una aleatoriedad forzosa.

Cabría preguntarse si habría creído en Dios en un mundo sin azar, lo que reduciría mucho nuestra libertad al vernos confinados en un determinismo absoluto. Einstein se mantiene en su rechazo pues, para él, el cerebro humano debe ser capaz de comprender el Universo.

Con mucha más modestia, Heisenberg le responde que la física se limita a describir las reacciones de la naturaleza en unas circunstancias dadas.

La teoría cuántica demuestra que no podemos alcanzar una comprensión total de lo que nos rodea. En compensación, nos ofrece el azar con sus frustraciones y peligros, pero también con sus beneficios.

El legendario físico es el ejemplo perfecto del ser imaginativo por excelencia. Su negación del azar, por tanto, representa una paradoja, pues es lo que hace posible la intuición, germen del proceso de creación tanto para las ciencias como para las artes.

*François Vannucci es profesor emérito e investigador en física de partículas especializado en neutrinos de la Universidad de París.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation y está reproducido bajo la licencia Creative Commons.

https://www.bbc.com/mundo/noticias-52905149

CIENCIAS BÁSICAS VIII EDICIÓN (2015). STEPHEN HAWKING Y VIATCHESLAV MUKHANOV

Los físicos Stephen Hawking y Viatcheslav Mukhanov son los ganadores del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas por descubrir que las galaxias se formaron a partir de perturbaciones cuánticas en el principio del universo.

La materia se agrupa en el universo formando galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos de galaxias. Esas grandes estructuras de materia llevan creciendo poco más de 13.000 millones de años, es decir, desde que el universo empezó a expandirse en el big bang. Pero ¿cómo empezó el proceso? ¿Por qué empezó a acumularse la materia? A principios de los años ochenta Hawking y Mukhanov, trabajando de forma independiente, dijeron que en el universo recién nacido, fracciones de segundo después de iniciarse la expansión, tuvo que haber fluctuaciones cuánticas que actuaron como semillas de las galaxias. Nadie creía entonces que llegara a ser posible demostrar experimentalmente su existencia, pero han bastado tres décadas para que ocurriera exactamente eso: en 2013 un satélite europeo confirmó plenamente las predicciones.

El físico ruso Mukhanov, actualmente catedrático de Cosmología en la Ludwig-Maximilians Universität de Munich, Alemania, explicó ayer tras recibir la noticia del premio que “ni en sus mejores sueños“ imaginó, al hacer su predicción sobre el efecto de las fluctuaciones cuánticas, que sus predicciones llegarían a ser demostradas experimentalmente.

Mukhanov, con 24 años, publicó su trabajo en 1981, cuando aún era un estudiante de doctorado en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, donde investigaba bajo la influencia de grandes físicos teóricos, entre ellos Yakov Zeldovich –uno de los creadores de la bomba atómica–. “Yo no trabajaba para hacer feliz a los experimentos, trabajaba para hacer feliz a Zeldovich“, dijo ayer Mukhanov en tono de broma, que recuerda no obstante el ambiente de gran libertad científica que se respiraba en ese grupo, aún en el régimen de la Unión Soviética. Mukhanov firmó su trabajo con G. Chibisov, fallecido en 2008.

En los años setenta la cosmología era un área “todavía muy especulativa”, señala Mukhanov. Se sabía que el universo está expandiéndose, y que era muy probable que hubiera estado muy caliente en el pasado. Pero no mucho más. Apenas había datos observacionales, lo que contribuía a que no fuera un área muy importante en la Física. Sin embargo la formación de las galaxias era una de las cuestiones consideradas más relevantes, y también pensaba en ella Stephen Hawking.

En 1982, empleando modelos distintos a los de Mukhanov y Chibisov, Hawking llegó a esencialmente las mismas conclusiones.

Como explica el acta del jurado, “Stephen Hawking y Viatcheslav Mukhanov propusieron que las fluctuaciones cuánticas microscópicas eran el origen de la estructura observable a gran escala del universo. Este planteamiento, ahora validado por las observaciones, es un resultado fundamental en la cosmología“.

Mukhanov “fue el primero,1981, en reconocer que la estructura del universo, incluyendo la formación de las galaxias, podía tener origen cuántico microscópico”, indica el acta. “En 1982, Hawking estudió de manera independiente un escenario para la aceleración cósmica en presencia de fluctuaciones cuánticas, llegando a la misma conclusión“.

Hawking es probablemente más conocido por sus aportaciones fundamentales a la física de los agujeros negros. La predicción de que los agujeros negros no solo absorben materia y energía sino que también emiten la llamada radiación de Hawking también deriva de la aplicación de la teoría cuántica a los agujeros negros, pero carece aún de confirmación experimental.

El trabajo por el que recibe este premio, en cambio “puede considerarse el descubrimiento más importante de los confirmados experimentalmente en la unificación de la física teórica fundamental de partículas con la cosmología“, señala el jurado.

La luz fósil del big bang
La confirmación experimental de la teoría de que las fluctuaciones cuánticas en el universo recién nacido dieron lugar a las galaxias y las demás acumulaciones de materia que hoy vemos en el universo proviene del estudio de la llamada radiación cósmica de fondo de microondas. Esta radiación es una luz que llena todo el cielo, invisible al ojo humano pero detectable con sensores específicos. Los astrofísicos la detectaron por primera vez de modo casual en los años sesenta, y descubrieron que contiene una gran cantidad de información sobre cómo era el universo cuando empezó a expandirse. La mera existencia de esta radiación cósmica de fondo se considera una de las más sólidas pruebas a favor del big bang, y ha sido sobre todo su estudio detallado lo que ha recabado los ansiados datos experimentales en cosmología. Gracias a ello la investigación del origen del universo es hoy un área de gran actividad.

El análisis en profundidad de la radiación de fondo empezó en los años noventa con el satélite COBE, de la NASA. Un tipo de información que los científicos sabían que debía contener la radiación de fondo tenía que ver precisamente con la formación de las galaxías. Si hoy se observan –como efectivamente ocurre- acumulaciones de materia, hay que suponer que en el principio del universo también hubo irregularidades, por muy pequeñas que fueran. Y esas irregularidades debían estar en la radiación de fondo, medibles en forma de variaciones de temperatura.

La predicción de Mukhanov y Hawking indicaba que el origen de esas irregularidades se debía a fluctuaciones cuánticas, y calculaba cómo se traducirían a variaciones de temperatura en la radiación de fondo.

Sin embargo, las medidas de los primeros satélites, aunque consolidaron a grandes rasgos el modelo del big bang, tenían un grado de precisión aún demasiado bajo como para confirmar o desmentir la teoría de Mukhanov y Hawking. Lo que Mukhanov llamó ayer “la palabra final” la puso el satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea (ESA), en 2013. Planck midió la temperatura de la radiación de fondo en toda la bóveda celeste con una precisión nunca antes alcanzada –diezmilésimas de grado-, y pudo así detectar regiones donde esa temperatura variaba ligerísimamente. "Planck ha medido exactamente, con una precisión del 99,999999.... %, lo que habíamos predicho", dice emocionado Mukhanov.

“Hoy Zeldovich sería inmensamente feliz“, prosigue, si conociera las medidas realizadas por el satélite Planck.

Mukhanov mostró además su satisfacción por recibir el premio junto a Hawking, a quien admira y con quien tiene una muy buena relación. No fue posible ayer obtener declaraciones del físico británico.

¿Por qué fluctuaciones cuánticas?
Una derivación de la predicción de los galardonados conduce a un aspecto de la teoría del big bang   que aún no se considera demostrado: la inflación. Así llaman los físicos a un brevísimo periodo nada más iniciada la expansión en que el universo creció de forma mucho más rápida a como lo ha seguido haciendo después. Para Mukhanov, la inflación es la mejor manera de explicar que las fluctuaciones cuánticas crecieron hasta dar lugar a las acumulaciones de materia actuales, pero admite que otros apuestan por hipótesis alternativas.

De lo que no hay duda es de que las fluctuaciones cuánticas existieron: sin ellas no hay manera de explicar las variaciones de temperatura medidas por Planck en la radiación de fondo. Ante la pregunta de por qué pensó en ellas cómo origen de las galaxias, Mukhanov responde: “¿Y quién sabe por qué se piensan las cosas?“. Sí explica que las fluctuaciones cuánticas son una conclusión obligada de uno de los principios sobre los que se sustenta toda la mecánica cuántica: el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

Este principio dice que no es posible tener una partícula en reposo absoluto en un punto dado: existe siempre una incertidumbre tanto en su posición como en su velocidad. Aplicado a una distribución homogénea de materia, como la que se supone que constituye el universo en sus primeros momentos, el principio de incertidumbre diría que no podemos localizar simultáneamente la materia y su velocidad y que, como consecuencia de ello, se producirían siempre irregularidades; es decir, las citadas fluctuaciones.

http://www.fbbva.es/TLFU/tlfu/esp/microsites/premios/fronteras/galardonados/2015/ciencias.jsp

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Los secretos del universo. Galileo, Newton, Einstein.

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