Hay una fuerza magnética en la Naturaleza. Cuando la aguja de una brújula señala al Norte, o cuando se pega una nota a la puerta del refrigerador con un pequeño imán, estamos usando una de las fuerzas fundamentales de la Naturaleza, la fuerza que llamamos magnetismo. Esta fuerza era conocida por todas las civilizaciones antiguas, incluida la griega y la china.

Cualquier cosa capaz de ejercer una fuerza magnética (por ejemplo, desviando la aguja de una brújula) es un imán. El material magnético más común es el hierro, y hay muchas minas de hierro que poseen propiedades magnéticas. De hecho, fueron esos imanes naturales los que condujeron a los científicos griegos a investigar el magnetismo.

Los griegos creían que había una isla en el Mediterráneo hecha de materiales magnéticos naturales. Se dieron cuenta que los barcos no podían ser montados con clavos, porque si uno de esos barcos navegaba alguna vez cerca de esa isla los clavos se verían desclavados y el barco se haría pedazos.

Por supuesto, hay buenas razones para construir un barco utilizando clavijas de madera en vez de clavos de hierro, pero la mítica “isla magnética” no es una de ellas.

A veces los imanes se atraen y a veces se repelen. Cada imán tiene dos polos, Norte y Sur, y si esos polos son iguales, se repelen, mientras que los contrarios se atraen. Así, si se acercan los polos Norte (o Sur) de dos imanes, éstos se rechazarán el uno al otro. Si, por el contrario, acercamos el polo Norte de uno al polo Sur de otro, los imanes de atraerán el uno al otro.

La aguja de una brújula es un imán. Cuando se dice que la aguja de una brújula señala el Norte, lo que realmente queremos decir es que una fuerza magnética actúa sobre la aguja de esa brújula.

Un extremo es atraído al polo Norte de la Tierra, el otro al polo Sur de la Tierra. El resultado es que, no importa dónde señale inicialmente en dirección Norte/Sur. Es por esto, por supuesto, por lo que una brújula es tan útil a la navegación.

Puesto que el extremo de la brújula etiquetado “N” apunta hacia el polo Norte, este extremo tiene que ser en realidad el polo Sur de la aguja. Para evitar confusiones, los físicos se refieren normalmente al polo de una brújula en el que pintamos “N” como “el polo que busca el Norte”.

La Tierra es un imán. El hecho de que la aguja de una brújula responda a fuerzas ejercidas sobre ella por la Tierra demuestra que nuestro planeta es capaz de ejercer una fuerza magnética y es por lo tanto un imán. De hecho, podemos pensar en la Tierra como en algo muy similar a la gigantesca barra de un imán.

No hay polos magnéticos aislados en la Naturaleza. Por todo lo que se puede decir, cada polo magnético Norte que existe en la Naturaleza está acompañado por un polo magnético Sur.

Si tomamos la barra de un imán normal y la partimos en dos, no obtenemos un polo Norte y un polo Sur, sino dos imanes más cortos, cada uno de ellos con su correspondiente polo Norte y polo Sur.

El hierro que ha usado la civilización durante toda su historia, y que todavía usamos, proviene de una época lejana, de hace 2.500 millones de años.

Fue entonces cuando el producto de deshecho estrella de los primeros organismos fotosintéticos, el oxígeno, reaccionó con la gran cantidad de hierro existente formando enormes acúmulos de óxido de hierro en el fondo marino: son las formaciones de hierro bandeado.

Para hacernos una idea: todavía existen 600 billones de toneladas de esos óxidos de hierro depositadas en estas formaciones. De ningún otro material estratégico se poseen tantas reservas, aparte que sobre el 80% de las cosas que nos rodean, poseen hierro.

Golden Gate

Los azúcares son los bloques de construcción básicos de los carbohidratos. Una molécula de azúcar se forma en torno a una estructura anillada de carbono, oxígeno e hidrógeno.

El dibujo de abajo muestra el azúcar común glucosa, el tipo de azúcar que utiliza el cuerpo humano como energía y que aparece en todas las células vivas. Hay muchos tipos de azúcares, todos los cuales tienen una estructura generalmente similar.

Para una proporción fija de carbono, oxígeno e hidrógeno, la disposición de los átomos pueden variar también. Las moléculas con el mismo complemento de átomo y diferentes disposiciones son llamadas isómeros.

Otro azúcar importante es la ribosa, esquematizada más arriba. Si un átomo de oxígeno es extraído de la ribosa, como se muestra en el segundo esquema de abajo, entonces la molécula es de ribosa sin oxígeno, o desoxirribosa.

Los azúcares simples se combinan para formar azúcares más complejos. Se unen cuando un “H” al extremo de una molécula se combina con el “OH” al extremo de la otra para formar agua, dejando detrás los dos anillos de azúcar unidos por un solo átomo de oxígeno.

La sacarosa, el azúcar de mesa normal, se forma de este modo por la combinación de la glucosa y la fructosa, un azúcar hallado normalmente en la fruta. Los químicos llaman a los compuestos formados por dos azúcares “disacáridos”.

Los almidones y la celulosa están formados por cadenas de azúcares. Si seguimos uniendo moléculas de glucosa, terminaremos con celulosa o almidón, según el lugar en los anillos de los que tomemos las parejas “H” y “OH”.

El almidón es usado por los organismo vivos como un compuesto de almacenamiento de energía, mientras que la celulosa es una molécula rígida que es la causante principal de la rigidez de los tallos de las plantas y la madera. La celulosa es también la principal fibra de las telas vegetales: más de un 90 por ciento del algodón, por ejemplo, es celulosa.

Pese a sus similitudes, la celulosa y el almidón tienen propiedades químicas totalmente distintas. Los seres humanos, por ejemplo, pueden digerir el almidón pero no la celulosa: es por eso por lo que llamamos al apio “indigesto”. Los animales como las vacas deben llevar consigo sus propias bacterias para digerir la celulosa de su alimento.

El hecho de que una camisa de algodón, el apio de la ensalada y el sistema de almacenaje de energía del cuerpo estén hechos todos de glucosa unida entre sí de muy distintas maneras, ilustra mejor que todo lo que puede decir la amplia variedad de cosas que pueden hacerse a través del ensamblaje modular de pequeñas moléculas.

El término “carbohidratos” se refiere a cualquier compuesto formado por uniones de azúcares, o cualquier compuesto que tenga la composición CnH2mOm.

El término abarca los azúcares simples como la glucosa, los compuestos formados por unos pocos azúcares como la sacarosa, y los constituidos por muchos azúcares como los almidones y la celulosa.

Los químicos utilizan el término “polisacáridos” (muchos azúcares) para las cosas como la celulosa.

Representación tridimensional de la molécula de sacarosa

Imágenes de Educastur

Los isleños de la Micronesia se guían, en sus viajes por el Pacífico, no sólo por las estrellas sino también por patrones de olas característicos, originados por las peculiares estructuras submarinas que se encuentran en alta mar. Del mismo modo, los piratas eran capaces de descubrir islas mirando la forma de las olas del mar.

El fenómeno físico responsable de ello es difícil de ver porque se oculta en nuestra vida diária: es la difracción, que debemos entender como la capacidad de las ondas para “volver a las esquinas”.

Gracias a ella podemos escuchar una conversación detrás de una tapia (sin contar naturalmente, la parte de sonido que se propaga a través de la pared) o que haya algo de oleaje detrás de los malecones de los puertos.

En esencia, las olas se “esparcen” alrededor del obstáculo y se propagan por lugares donde, como el malecón, no debería haber oleaje.

Este hecho fue descrito maravillosamente por Thomas Young en 1801, cuando en dos famosos artículos expuso lo que llamaba la ley general de la interferencia luminosa.

Thomas Young (1773-1829)

Young demostró que la luz también “doblaba la esquina”, pero no tan exageradamente como las olas en un estanque. Y es gracias a la difracción de la luz con la que hemos conseguido obtener la estructura del ADN.

El desconocido fenómeno de la difracción es el responsable de los patrones de olas que se forman, que son usados por los polinesios para identificar el rumbo en sus viajes marítimos.

El material comúnmente usado para cubrir los interruptores es el plástico, que es un aislante que se usa para evitar tocar el circuito.

Todos los materiales son conductores cuando el voltaje es lo bastante alto, puesto que un voltaje lo bastante alto puede siempre arrancar los electrones de sus átomos. Por ejemplo, el aire es considerado normalmente como aislante. Sin embargo, cuando acumula una carga eléctrica en una nube, los átomos del aire en la región de la nube son descompuestos, convirtiendo el aire en un plasma. Así es como se crean los relámpagos.

Hay algunos materiales (el silicio y el germanio son los dos ejemplos más comunes) que ni son puros conductores, ni puros aislantes. Un trozo típico de silicio puede transportar una millonésima de la corriente eléctrica que transportaría un trozo similar de cobre. Los materiales así son llamados semiconductores.

El secreto del semiconductor es que algunos de los electrones se hallan ligados muy flojamente a sus átomos madre. Cuando esos átomos se mueven (como lo hacen todos los átomos a temperaturas por encima del cero absoluto), algunos de esos electrones nominalmente ligados son liberados.

Así, hay unos cuantos electrones de conducción en el material. Esto explica por qué los semiconductores transportan corriente, y también por qué no la llevan muy bien.

Un ordenador, un televisor, una radio o un radiocasete utilizan componentes hechos con semiconductores. No se podría hacer una reserva de un billete de avión o llamar por teléfono a un amigo sin usar semiconductores. Así, este “excéntrico” tipo de material resulta ser absolutamente crucial para la salud de la moderna tecnología. Es una suerte que haya playas llenas de silicio por todo el mundo.

Tanto los electrones como los “agujeros” conducen la electricidad en los semiconductores. Cuando un electrón es liberado, transporta la corriente de la forma normal. También deja detrás un espacio vacio, llamado un “agujero”, en el entramado general.

Un electrón de otros átomos puede caer en este agujero, creando un nuevo agujero en su átomo madre, luego otro electrón puede caer en ese agujero, y así sucesivamente. El movimiento serial de los electrones en una dirección es equivalente al movimiento de un agujero en la dirección opuesta y esto, a su vez, es equivalente al movimiento de una carga positiva. El movimiento del agujero es un segundo tipo de corriente eléctrica en un semiconductor.

Por ejemplo, en una fogata, la llama que vemos se produce cuando los átomos empiezan a emitir luz.

Si miramos con atención, observaremos un pequeño hueco entre la madera y las llamas. En este hueco, los gases se elevan y son calentados, pero todavía no alcanzan la temperatura a la que pueden combinarse con el oxígeno.

Es sólo después de que ocurra esto que los átomos adquieren suficiente energía para emitir luz y producir una llama.

Con estas siglas se conoce la voz sobre IP, una tecnología que combina distintos programas y periféricos que nos permiten usar nuestra conexión a la Red como si se tratase de una línea telefónica convencional.

El sistema digitaliza la voz del usuario y la envía en paquetes mediante un protocolo de internet, en vez de hacerlo a través de la red telefónica. La principal ventaja del VoIP es que el servicio es gratis entre usuarios que usen el mismo sistema, ya que no hay que pagar a las compañías telefónicas.

Entre las desventajas que indican sus detractores se encuentra la calidad de la transmisión, que en ocasiones es inferior a la telefónica, pues los paquetes de datos de voz pueden ser recibidos de una forma defectuosa.

Un sistema caótico es uno en el que el resultado final depende muy sensiblemente de las condiciones iniciales. El agua de un arroyo tumultuoso es un buen ejemplo de un sistema caótico. Si introducimos un trozo de madera en una posición, aparecerá en un punto en particular al otro lado de los rápidos.

Si introducimos un segundo trozo de madera en una posición casi idéntica a la del primero, el segundo trozo aparecerá seguramente, en otro lugar diferente a donde lo hizo el primero. El resultado final depende así sensiblemente de las condiciones iniciales, como el lugar donde empezaron el viaje los trozos de madera.

Para todas las finalidades prácticas, el comportamiento de los sistemas caóticos no puede predecirse. Es imposible medir las condiciones iniciales de un sistema con una perfecta exactitud. La posición de un trozo de madera al inicio de un viaje, por ejemplo, sólo puede determinarse tan exactamente como pueda medir el mejor sistema de medida disponible.

Puesto que la posición final del trozo de madera será muy diferente si el trozo es movido al principio un tramo más pequeño que incluso este pequeño margen de error, de ello se deduce que no hay forma de predecir dónde terminará el trozo de madera.

Físicos y escritores expresan a menudo este punto diciendo que los sistemas caóticos son “impredecibles”. No quieren decir que si sabemos exactamente el estado de un sistema no podamos predecir dónde estará en un momento determinado en el futuro: ese tipo de predicciones se hacen constantemente con modelos por ordenador.

Lo que quieren decir es que, puesto que nunca es posible hacer un perfecto conjunto de medidas para determinar el estado inicial de un sistema caótico, sus estados futuros nunca pueden ser predichos.

El primer descubrimiento de un sistema caótico fue realizado por Edward Lorenz, un meteorólogo del MIT, que se vio obligado a interrumpir un largo cálculo por ordenador sobre patrones meteorológicos.

En vez de empezar de nuevo el cálculo desde el principio, almacenó algunos resultados intermedios del cálculo original del ordenador, luego los cargó de nuevo para que el ordenador siguiera trabajando a partir de donde se había parado.

Para su sorpresa, el resultado que obtuvo de esta forma fue muy diferente del resultado que había obtenido previamente realizando los cálculos de una sola vez.

Descubrió que la diferencia entre los dos juegos de cálculos era debida a que el ordenador redondeaba los números de una forma ligeramente distinta cuando los almacenaba que cuando seguía usándolos en los cálculos.

Edward Lorenz

El error de redondeo del ordenador producía una diferencia en la octava cifra decimal en los números relevantes. Este fue nuestro primer indicio de que los sistemas importantes en la Naturaleza, como los atmosféricos, pueden ser extremadamente sensibles a los pequeños cambios.

Los ordenadores son la herramienta primaria para estudiar el caos, y buena parte de nuestra comprensión de los sistemas caóticos procede de emplear modelos de ordenador que rastrean esos sistemas a través del tiempo.

Un problema típico de investigación sería algo como esto: una ecuación que describe un sistema es escrita y resuelta en el ordenador. El punto de partida del cálculo es luego ligeramente cambiado y el cálculo repetido. Si las predicciones en las dos soluciones son muy diferentes, el sistema es caótico y en consecuencia se efectúan investigaciones más detalladas.

Los sistemas caóticos no son lineales. El caos es diferente del tipo de física al que estamos acostumbrados porque las ecuaciones que describen los sistemas caóticos son no lineales. En una ecuación lineal (el tipo que describe la física familiar) una cosa cambia en proporción directa a otra.

Por ejemplo, cuando subimos el volumen de un radiocasette, un giro doble significa un volumen doble. En un sistema no lineal, no se mantiene este tipo simple de relación.

Es similar a lo que conseguimos en un radiocasette cuando subimos demasiado el volumen y de pronto obtenemos silbidos, distorsiones y todo tipo de cosas extrañas. Por razones técnicas, la solución de las ecuaciones no lineales es un asunto muy dificil, en general imposible de conseguir sin ordenadores.

El efecto mariposa

Cuando una manzana cae al suelo, es fácil olvidar el hecho de que la Tierra está sufriendo también un tirón hacia la manzana. La ley de Newton de la gravitación nos permite calcular cuánto se mueve la Tierra mientras la manzana cae.

Resulta que la Tierra se moverá hacia arriba para recibir la mazana una distancia menor que el tamaño de un sólo núcleo atómico. Es innecesario decir que no hay forma en que nadie pueda llegar a medir nunca un movimiento así de nuestro planeta.

El cero absoluto es la temperatura más baja posible. En la visión clásica, la temperatura más baja posible correspondería a aquella en la que se detiene todo movimiento atómico. El cero absoluto son -273,15 ºC (Celsius) y -459,67 ºF (Fahrenheit).

Hoy, con el advenimiento de la mecánica cuántica, se sabe que los átomos no pueden “pararse” en realidad, e el sentido habitual de la palabra. En vez de ello, definimos el cero absoluto como la temperatura a la que los átomos poseen la energía más baja posible consistente con las leyes de la mecánica cuántica.

Un material al cero absoluto en el cuadro de la mecánica tanto clásica como cuántica se presenta como un material del que ya no puede extraerse más energía por ningún medio.

Las temperaturas más bajas producidas en laboratorio, se hallana a menos de una milmillonésima de un grado del cero absoluto, y es rutinariamente posible producir temperaturas de 4 grados por encima del cero absoluto, por ejemplo, con el helio líquido.