Visita al sincrotró

Fa uns dies vaig tenir l'oportunitat de visitar el sincrotró Alba, a Cerdanyola, que és una de les instal.lacions científiques més destacades de Catalunya i Espanya. Aquí va un resum de les explicacions que ens van donar.

Vista aèria del sincrotró Alba - Foto: Cells

Un sincrotró genera feixos de llum d'alta brillantor (intensitat) en múltiples longituds d'ona (des d'infraroigs a raigs X), que s'utilitzen per estudiar l'estructura de materials de tota mena (metalls, teixits biològics, etc.)

Els sincrotrons presenten avantatges respecte a altres instruments com ara els microscopis electrònics (aquests maten el teixit biològic) o els làsers (els raigs X ofereixen més resolució i més longituds d'ona).

Per generar el feixos de llum, el sincrotró accelera electrons fins a velocitats properes a les de la llum (velocitats relativístiques).

Els electrons es generen escalfant a alta temperatura un material metàl.lic (tungstè). Un cop alliberats, passen per un accelerador lineal que els porta a una energia de 100 megaelectronvolts (MeV). D'allà passen a un primer anell d'acceleració on, a través de camps magnètics molt potents, se'ls porta a nivells d'energia de 3.000 MeV (o sigui 3 GeV, gigaelectronvolt). Després passen a un tercer anell d'emmagatzematge. A conseqüència de la velocitat i de la trajectòria circular (el tercer anell fa uns 250 metres de circumferència), els electrons desprenen radiació (llum) en direcció tangencial a la seva trajectòria circular. (En realitat desprenen raigs X' que no són visibles).

Diagrama del sincrotró. Cliqueu per ampliar la imatge.
 El rectangle que hi ha a la posició de les 11 (LINAC) és l'accelerador lineal.
El cercle groc són els dos anells d'acceleració. Els pics que vorejen l'exterior del
cercle són les sortides de llum i els rectangles que hi estan connectats són
les línies de llum.
Foto: Josean Lavado

Vista general de l'interior. La construcció gris que es veu a la dreta és la caixa de
formigó dins de la qual es troben els anells d'acceleració i d'emmagatzematge.
El formigó frena les radiacions ionitzants que genera el sincrotró quan està en
funcionament (el personal que hi treballa porta dosímetres de radiació per controlar
el nivell d'exposició; el dia de la visita la instal·lació estava inactiva i no generava radiacions).

Una altra vista interior

La sortida dels feixos de raigs X es fa per unes escotilles, darrera de les quals es situen les "línies de llum", amb l'instrumentació necessària per utilitzar la llum del sincrotró per a les aplicacions requerides. La llum generada no és coherent (té molts "colors", és a dir longituds d'ona diferents). Per obtenir el "color" desitjat es fan servir una aparells anomenats monocromadors, que permeten aillar la longitud d'ona desitjada.

Les tapes grogues són les escotilles per on surt el feix de llum

Monocromador

Vista parcial d'una línia de llum

En total, a l'Alba hi ha capacitat per 33 escotilles, però ara per ara només se'n utilitzen 7 (sembla que per motius pressupostaris; la instal.lació es va programar i dissenyar molt abans que esclatés la crisi).

Murphy també treballa a l'Alba

Les aplicacions del sincrotró són diverses: indústria farmacèutica, de cosmètics, metal.lurgia medicina, microelectrònica... Per exemple, es pot veure l'estructura de l'ADN. De fet, la resolució pot a arribar a 1,6 angstroms (el diàmetre d'un àtom d'hidrogen és de 1 angstrom).

El poden utilitzar tant els investigadors de centres públics (ús gratuit, el projecte passa un procés de selecció) com de la indústria privada (que paga un canon d'utilització).

És un instrument molt complexe - per exemple, els tubs pels quals circulen els electrons s'han de mantenir a una pressió baixíssima, de 10*-12 bar, que és equivalent al buit interestelar. Per evitar interferències de l'entorn i maximitzar l'estabilitat mecànica, tèrmica i elèctrica, tot l'aparell està muntat damunt una llosa de formigó independent de la resta de l'edifici, i que reposa sobre una gruixuda capa de grava i una altra d'argila.

Aquesta junta és, de fet, una separació. La part interior
és totalment independent de l'exterior (on hi ha el guia)

Per mantenir l'aïllament mecànic, les escales que provenen de l'edifici
d'oficines no toquen el terra de la llosa de formigó on es troba la maquinària.

El funcionament del sincrotró requereix una gran quantitat d'energia elèctrica perquè la massa que ha de moure és molt gran. Això pot semblar contradictori perquè la massa d'un electró es molt petita en condicions normals (9,1093829140×10⁻³¹ kg), però al circular a velocitats properes a la de la llum, i per efecte de la teoria de la relativitat, la seva massa augmenta espectacularment.

Al sortir de la visita vaig fer una parada a la cafeteria i em vaig trobar amb una situació insòlita en un entorn de tan alta tecnologia: no hi havia caixa registradora i la cambrera va fer el compte pel sistema tradicional: una suma a llapis en una llibreta. I el rebut també va ser 100x100 manual.

Una altra curiositat és que el sincrotró es diu Alba, però la seva web és www.cells.es. Els meus companys i jo vam estar mirant d'endivinar a què responia l'acrònim, però no ens en vam sortir. Amablement, a recepció ens van explicar que vol dir Consorci per a l'Explotació de la Llum del Laboratori Sincrotró. Coses de la burocràcia... 

(Gràcies a Josean Lavado per permetre'm utilitzar alguna de les seves fotos).

La realitat, les pelis, i la vida a l'espai

He vist a Microsiervos un vídeo de la NASA on l'astronauta Karen Nyberg explica com s'ho fa per rentar-se l'abundant cabellera rossa a l'Estació Espacial Internacional.

Això m'ha fet recordar que les pel·lícules ambientades a l'espai són ben poc realistes, potser a excepció d' Apollo 13. I encara, perquè sempre hi ha algú que troba les més petites diferències entre la realitat i la ficció.

Totes les pelis de món en un iPhone?

IBM acaba de fer públic un curt que es titula A Boy And His Atom, que ostenta el rècord Guinness de ser "el film més petit mai realitzat".



Es tracta d'un curt d'animació realitzat amb la tècnica de stop-motion, movent àtoms -literament . Concretament, 5.000 mol·lècules de monòxid de carboni, constituïdes cada una per 2 àtoms, un d'oxigen i un de carboni (el monòxid de carboni és un gas tòxic que es produeix quan es hi ha una combustió incompleta - el gas dels brasers).

Aquesta proesa tècnica és la manera que IBM s'ha tret del barret per donar visibilitat als treballs de recerca que fan els seus investigadors en la manipulació d'àtoms per a emmagatzemar informació. En el breu vídeo sobre com s'ha fet la pel·lícula, s'explica que els dispositius de memòria actuals utilitzen un milió d'àtoms per a emmagatzemar un bit d'informació. Als laboratoris d'IBM han aconseguit fer-ho utilitzant només 12 àtoms. Això permetria augmentar 83.333 cops la capacitat d'emmagatzament actual, que és un increment brutal, espectacular. Andreas Heinrich, un dels investigadors que apareix en el vídeo, ho explica dient que "en comptes de portar un parell de pel·lícules en el teu iPhone, podries portar-hi totes les pel.lícules que s'han produït". És una comparació molt efectiva, però em pregunto si és precisa. Aplicant literalment l'afirmació de Heinrich, en un iPhone hi cabrien 166.666 films. Però quantes pel·lícules s'han rodat des de la invenció del cinema?

Una ràpida recerca a Google em porta a la pàgina d'estadístiques d'IMDb, on hi ha més de 2,5 milions de títols, dels quals 288.421 són de llargmetratges cinematogràfics. De manera que, fins i tot amb una definició restrictiva de "film" (sense comptar els curts ni les produccions de ficció televisives), Heinrich ha exagerat: malgrat l'enorme capacitat del seu "super iPhone" (imaginari, de moment), encara hi hauria 120.000 pelis que no hi cabrien. Per aconseguir-ho, els investigadors d'IBM haurien d'aconseguir utilitzar només 7 àtoms per emmagatzemar un bit. No dubto que, tard o d'hora, en seran capaços.

Gossos i avions

Aquesta setmana vaig volar de Niça a Thessaloniki (Grècia) via Munic i vaig veure un senyor que pujava a l'avió amb un gosset falder que viatjava dins una bossa de mà. El senyor no era cec, perquè llegia el diari, o sigui que el gos no era un pigall. No sabia que es podien pujar mascotes a l'avió però em vaig imaginar que si l'home ho feia és que hi ha un protocol i, efectivament, aquí hi ha un resum de les condicions.

Un passatger inusual

Val a dir que el gos no (em) va causar més molèsties de les que causa un nadó. Vull dir que amb la compressió/descompressió de la cabina el gos va udolar una mica --com fans els nadons, que ploren perquè noten la diferència de pressió a l'orella i no saben com badallar per equilibrar-la.

Algú li ha fet un lleig al president Montilla

Avui s'ha fet un acte de presentació del llibre de memòries del president Montilla a la seu de l'editorial RBA, a Barcelona. Al passar per davant l'edifici, m'he aturat un moment a contemplar les pantalles on s'anunciava l'esdeveniment, que presentava el periodista Lluís Bassets. No sé perquè, alguna cosa m'ha fet aturar-me i contemplar amb detall les imatges.

Hi havia alguna cosa inquietant en la imatge del president, alguna cosa que no quadrava. M'he passat una estona mirant les dues fotos i llavors ho he vist clar. (Cliqueu sobre les imatges per ampliar-les).

El que passava era que una de les dues imatges estava invertida -- li havien donat la volta sobre l'eix vertical. La pista me l'ha donat l'escut de la Generalitat que el president porta a la solapa de l'americana. A la foto gran, l'escut és a la solapa dreta, quan em sembla que en realitat aquestes insignies es porten a l'esquerra (potser perquè queden més a prop del cor?)  Però no n'estava del tot segur, potser era la portada del llibre la que havia estat invertida.

Un estudi més minuciós de les dues imatges m'ha permès confirmar la meva hipòtesi. M'he fixat en com es cordaven les dues camises. En les camises d'home, els traus són a l'esquerra i els botons a la dreta i per tant la roba de l'esquerra es superposa sobre la de la dreta --com a la portada del llibre. La foto girada era l'altra.

I perquè caram algú (el dissenyador) ha girat la fotografia? Molt probablement perquè en la composició de l'aparador li convenia que els dos protagonistes (Bassets i Montilla) es miressin l'un a l'altre; però en totes dues fotos la direcció de cos i la mirada és cap al mateix costat, cap a la dreta. Per sort (pensa el dissenyador), amb un parell de clics de Photoshop puc girar la cara d'en Montilla i deixar-lo com a mi em convé.

Aquest és un fet molt més habitual del que sembla en disseny gràfic i fins i tot en muntatge de vídeo. A mi em sembla molt poc justificat, especialment quan es tracta de la cara d'una persona. Perquè al girar la imatge en realitat l'estem distorsionant i em sembla que és una falta de respecte a la persona (sigui un president o un mendicant) i, sobretot,  una falta de criteri professional. No hagués costat gens buscar una altra foto on el president mires en la direcció desitjada. D'algú com el president Montilla hi ha, segur, una enorme quantitat de fotos on triar i remenar.

Em sorprèn que en una editorial prestigiosa i solvent com RBA ningú s'hagi adonat d'aquest detall. O que, si se n'ha adonat, ho hagi deixat passar.

Totes les fotos possibles, explicades

L'altre dia vaig piular una entrada molt interessant de Microsiervos, que es titulava Todas las fotografías posibles.

Parlava d'una proposta de l'artista Jeffrey Thompson, que imagina un programa d'ordinador que pintaria, un a un, tots els píxels d'una foto en totes les combinacions possibles. Això implicaria que el programa pintaria totes les imatges possibles, reals o imaginades. Entre els milions i milions d'imatges que el programa produiria hi hauria el moment en què el primer homínid es posava a caminar dempeus però també tots els moments de tota la vida de totes les persones que han viscut a la Terra des de l'inici dels temps.

Això passaria perquè en un sistema de fotografia digital, una imatge --qualsevol imatge-- està formada per un nombre finit de píxels (a més píxels, més definició). Cada píxel pot adoptar una configuració que depèn de la quatitat de llum i (simplificant) del color que li arriba. El nombre de configuracions possibles de cada pixel és molt elevat (aproximadament 16 milions en les càmeres habituals). Però és un nombre finit. Per tant, tenim dos nombres finits --molt grans, però finits. Així doncs, el nombre de combinacions possibles de totes les possibilitats de configuració en tots els píxels també és finit i, per tant, calculable --en principi.

I si es poden calcular totes les imatges que una càmera podria captar, vol dir que es poden representar totes les situacions possibles, reals o imaginades, passades o futures. Es pot pintar la història de l'Univers.

Però, com el post de Microsiervos indica, en la pràctica aquesta tasca no es podrà realitzar mai perquè el nombre de imatges a calcular és impressionant. Ells fan el càlcul a partir de suposar una càmera de 8 Megapíxels, en la que cada píxel pot adoptar uns 16 milions d'estats diferents. O sigui una càmera normaleta d'avui en dia.

La fórmula general per fer el càlcul és C elevat a n (C˄n) on "C" és el nombre de possibilitats de configuració de cada píxel, i "n" és el nombre de píxels. En el cas que plantegen, són 16 milions ˄ 8 milions -- que dóna una xifra espantosament gran i incommensurable, que és (si no m'he equivocat) 620.000 vegades més gran que el nombre de segons que s'han escolat des del Big Bang.

Per entendre d'on surt la fórmula, ens podem imaginar una càmera mooooooolt més senzilla. Per exemple, una càmera de 4 píxels on cada píxel només tingués 2 possibilitats de configuració: blanc o negre (és a dir, cada pixel tindria 1 bit).

És fàcil, amb llapis i paper, dibuixar totes les configuracions possibles d'aquesta càmera -- són aquestes:

Quatre píxels, un bit = 16  imatges possibles

4 píxels, cadascun dels quals té 2 possibilitats de configuració, resulten en 16 imatges. Es compleix la fórmula, perquè 16 = 2˄4.

Si en comptes de 2 possibilitats en fossin 4, serien 4˄4= 256 imatges.

I així, successivament.

Coses de la BBC

Acabo de veure a la BBC2 un programa titulat A Night with the Stars. Era una conferència divulgativa sobre física quàntica pronunciada per Brian Fox, un físic que és professor a la Universitat de Manchester, membre de la Royal Society i que participa en el experiment ATLAS del LHC al CERN. A més,  és un dels divulgadors científics més coneguts i reputats de la BBC.

La conferència tenia lloc a l'auditori de la Royal Institution (una societat científica fundada el 1799) en el qual han parlat personatges tan importants com Faraday (sobre magnetisme) o Thomas Huxley (que va defensar la teoria de l'evolució de Darwin).



Fox ha fet un recorregut per alguns aspectes de la física atòmica, alguns que ja coneixia (principi d'incertesa de Heisenberg, naturalesa dual dels electrons -amb una reconstrucció de l'experiment de les dues escletxes) i d'altres que em venien de nou, com ara el principi d'exclusió de Pauli. Per cert que amb aquest ha creat una mica de confusió perquè ha afirmat que dos electrons no poden compartir el mateix nivell d'energia en cap punt de l'univers; i que per tant, quan ell fregava entre les seves mans un diamant de 260 quirats (que formava part del seu atrezzo per la conferència) i aquest s'escalfava, el que passava en realitat és que els àtoms del diamant canviaven els seus nivells d'energia i, en conseqüència, en qualsevol altre punt de l'univers altres àtoms havien de canviar el seu estat d'energia per compensar el que passava en el diamant. De la qual cosa ha deduït que "tota cosa en l'univers està connectada amb tota altra cosa". A mi això m'ha deixat una mica perplex (em sona a acció instantània a distància, i crec que justament la relativitat d'Einstein invalida aquesta idea) i mirant en blogs de gent que va assistir a la conferència he vist que hi havia altres persones que, com jo, s'han sentit una mica confoses per aquesta part de l'explicació.

El que més m'ha sorprès, però, ha estat el format del programa: una conferència amb en Fox parlant de peu durant una hora. Tenia un monitor en el que projectava algunes imatges (poques), un parell d'experiments/demostracions i una pissarra. I ha fet participar en les demostracions a algunes celebrities que estaven entre el públic (altres presentadors de la BBC i també un parell de còmics -- Buenafuentes britànics, per entendren's). Però, fonamentalment, es tractava de Brian Cox parlant de peu durant una hora.

Això em sorprèn perquè la BBC produeix un gran nombre de programes científics amb fórmules molt imaginatives de "posar en encena" els grans coneixements i descobriments científics --alguns dels quals els presenta el mateix Brian Cox. Fet i fet, la conferència era igualment fascinant i m'hi he quedat enganxat (el meu fill de 19 anys també), cosa que em confirma que l'espectacle de la paraula pot ser terriblement atractiu (almenys per a públics predisposats).

Avui el programa s'emetia per la BBC2 (equivalent al Canal 33) a les 10 de la nit hora britànica (que per Gran Bretanya és bastant tard, el seu Telenotícies vespre és a les 6 de la tarda) però quan es va estrenar, el desembre de 2011, el van passar a les 9 de la nit.

Em sembla que només la BBC fa aquesta mena de coses: emetre conferències en un horari relativament bo. És una anomalia en el panorama actual arreu, en què els programes científics recorren cada cop més a l'espectacularització per atreure l'atenció de l'espectador.