El paradójico gato de Schrödinger aparece de nuevo en un laboratorio de óptica

Details

Category: Actualidad

Hits: 632

El gato de Schrödinger ha vuelto a aparecer en un laboratorio de óptica. En este caso, los científicos de la Universidad de Calgary (Canadá) y del Centro Ruso Cuántico (Rusia) han puesto a prueba un método capaz de aumentar la escala en la que ocurre la superposición de estados cuánticos, el fenómeno que trata de expresar la paradoja del gato de Schrödinger. Su objetivo es lograr este efecto a distancias microscópicas para saber dónde están los límites entre la física clásica y la cuántica. Sus avances han sido publicados recientemente en Nature Photonics.

El gato de Schrödinger es un experimento mental en el que un gato, escondido en una caja, está regido por el principio de superposición, una regla de la física cuántica que establece que el felino puede tener al mismo tiempo dos estados. De acuerdo con esto, este gato está vivo y muerto a la vez al menos hasta que alguien abra la caja donde se esconde, momento en que se definirá el estado del gato. El objetivo de este experimento, que es imposible porque los gatos en realidad no son sistemas cuánticos, pretendía llamar la atención sobre las diferencias que hay entre el mundo macroscópico, donde funciona la física convencional, y el de las partículas, donde imperan las leyes de la física cuántica. Si las partículas pueden estar en dos estados a la vez, ¿por qué los gatos no?

Muchas investigaciones en el campo de la física cuántica pretenden aumentar el tamaño de los sistemas sujetos a las leyes cuánticas para tratar de entender por qué. «Una de las preguntas clave de la física es llegar al límite entre el mundo clásico y el cuántico; ¿pueden los fenómenos cuánticos, en ciertas condiciones, ser observados en objetos macroscópicos?», se ha preguntado en un comunicado Alexander Lvovsky, primer autor del estudio e investigador en el Centro Ruso Cuántico.

«La teoría no contesta a esta pregunta. Y quizás no hay tal límite. Por eso, necesitamos una herramienta para probarlo», ha añadido.

Un gato en un laboratorio

Una de las formas de hacerlo, es reproducir un gato de Schrödinger en un laboratorio de óptica. Esto se puede hacer logrando que parejas de fotones estén en superposición de estados. Pero hasta ahora, esto solo se ha logrado reproducir a distancias muy pequeñas. Tan pequeñas que dificultan poder aprovechar estas propiedades en los campos de la comunicación cuántica, la criptografía y el teletransporte cuántico.

El equipo dirigido por Lvovsky ha logrado aumentar las distancias a las que se obtiene este interesante fenómeno y además hacerlo con mayor éxito. Aprovechando las interferencias y el entrelazamiento entre fotones (otro fenómeno cuántico por el cual el estado de dos partículas se coordina), lograron transformar sistemas en superposición en otros, creando «gatos de Schrödinger» de mayor amplitud a partir de «gatos» de menor amplitud. Lo interesante es que los mayores se pueden volver a transformar para generar «gatos» de mayor amplitud.

«Podemos producir "gatos" con más energía, sucesivamente. Así, es posible empujar los límites del mundo cuántico paso a paso, y quizás llegar a entender si hay un límite», ha dicho Demid Sychev, coautor del estudio.

La paradoja más famosa de la física

El gato de Schrödinger es el nombre de una conocida paradoja escrita por Erwnin Schrödinger que ilustra el principio de superposición cuántica. Un felino imaginario está dentro de una caja donde hay una botella de veneno letal, que se podrá romper y liberar su carga cuando sea accionada por un interruptor acoplado a un átomo radiactivo. Dado que este átomo es un sistema cuántico sujeto a la superposición de estados, está al mismo tiempo en dos situaciones; por eso hay un 50 por ciento de probabilidades de que este átomo se desintegre y accione el interruptor, y un 50 por ciento de opciones de que no lo haga.

De acuerdo con el principio de superposición el átomo estará en dos estados, desintegrado y no desintegrado, al mismo tiempo, al menos hasta que alguien lo observe y lo mida, y así defina su estado. Esto significa que el observador determina la realidad observada. Todo un escándalo para la Física Clásica que trata de describir y explicar los fenómenos naturales tal cual son.

De vuelta al gato, la paradoja está en que un sistema físico no cúantico, como puede ser un felino o una ballena, idealmente podría tener un comportamiento cuántico porque en el experimento está estrechamente ligado a un sistema cuántico (entrelazado), tal como explica Jim Al-Khalili, en «Cuántica: Guía de perplejos». Por eso, en esta situación ideal, ocurre que el gato está también en ambos estados hasta que se hace una medición: vivo y muerto a la vez. Pero, como pasaba antes, cuando un observador abra la caja donde está encerrado, se definirá el estado del gato: vivo o muerto.

Schrödinger pretendía llamar la atención sobre la absurdez de este hecho. ¿Por qué una medición define el estado de una partícula? Él creía más bien que sencillamente ignoramos lo que ha pasado. Y por ello, ligó un gato imaginario a un sistema cuántico. ¿Cómo va a estar un gato vivo y muerto a la vez? Hoy se considera que lo que parece absurdo en el mundo real, puede ocurrir en el mundo cuántico. En los próximos años, cada vez más investigaciones trabajarán en el entrelazamiento de fotones (en sistemas que recordarán a gatos de Schrödinger) para investigar la tecnología de la comunicación y la computación cuántica.

Las futuras patatas de Marte se cultivan en ArizonaLas futuras patatas de Marte se cultivan en Arizona

Details

Category: Actualidad

Hits: 538

A primera vista parecen tres rampas de tierra. Estructuras de más de 30 metros de largo sostenidas por pilares de hierro en las que poder practicar skate o por las que deslizarse con cualquier cosa que lleve ruedas. Y las tres encerradas bajo un inmenso esqueleto de metal y cristal a través del cual se filtra el calor árido de Arizona y convierte el espacio en un invernadero mastodóntico. Sus responsables lo llaman LEO (Observatorio para la Evolución del Paisaje) y es el proyecto más importante, el Santo Grial, del centro de investigación Biosfera 2.

A 40 kilómetros de la ciudad de Tucson, en Oracle, Biosfera 2 parece un fotograma de una película de ciencia ficción. Una enorme burbuja de hierro y cristal en pleno desierto. Empezó a construirse en 1987 y durante los 90 fue el escenario de un proyecto científico que pretendía aislar durante meses a una decena de científicos y probar su capacidad de ser autosostenibles. Pero el experimento terminó, literalmente, convertido en un Gran Hermano con rencillas y habitantes de la burbuja que se escapaban para irse al McDonald's.

Tras aquella experiencia fallida la Universidad de Columbia se hizo con el control de las instalaciones. Biosfera 2 es, literalmente, el planeta encerrado en una cápsula. Dentro no solo alberga esas tres rampas, sino que reproduce los ecosistemas de la Tierra: selva, sabana, desierto, manglares... Hasta un océano tropical, con mareas y barrera de coral, que hoy están transformando en un mar de clima más desértico. Desde hace una década, es la Universidad de Arizona la que gestiona este inmenso laboratorio de hábitats simulados, abierto al público y cuyo lema, como se puede leer a la entrada, es un sugerente «¿Y si pudieras ver el mañana?».

Eso es lo que se proponen aquí y para lo que sirven las rampas de LEO. Medio millar de toneladas de suelo volcánico, similar al de la superficie de Marte, con 1.800 sensores diferentes con los que se miden la incidencia del sol, su intensidad, el calor, los gases y el viento sobre la superficie y su alteración según se le añade agua.

El objetivo final es convertir una tierra yerma, muerta, en tierra fértil. Como explica John Adams, subdirector del centro, «entender cómo se transforma el suelo volcánico en suelo útil. Si consigues eso puedes tener una tierra en la que plantar». Y eso supondría, como objetivo más ambicioso, ser capaces, literalmente, de plantar patatas en Marte. Alcanzar lo que se conoce como terraformación, alterar otro planeta para dotarlo de características similares a la Tierra que permitan la vida. Un proceso fundamental para ese proyecto aún de ciencia ficción que es la conquista espacial.

Las partículas de contaminación más pequeñas pueden llegar al corazón

Details

Category: Actualidad

Hits: 632

Las nanopartículas contaminantes que a diario respiramos en las ciudades pueden viajar hasta el riego sanguíneo y contribuir al desarrollo de enfermedades cardiovasculares, según una investigación auspiciada por la Fundación Británica del Corazón (BHF) y difundida por la revista científica ACS Nano.

En el citado estudio, 14 personas sanas y 12 pacientes quirúrgicos inhalaron voluntariamente nanopartículas de oro (hasta 1000 veces más pequeñas que la anchura de un cabello humano). Las trazas del metal, fácilmente detectable, aparecieron en menos de 24 horas en la orina y en la sangre de los voluntarios y permanecieron hasta tres meses después de la exposición inicial.

"Lo que hemos descubierto nos permite sugerir que las nanopartículas ultrafinas, procedentes de la quema de combustibles y presentes en el aire de las ciudades, pueden seguir el mismo camino", aseguró el profesor Mark Miller, de la Universidad de Edimburgo, director científico de la investigación.

"Una vez llegan al riego sanguíneo, las nanopartículas pueden acumularse en puntos sensibles a lesiones vasculares", advirtió Miller, en declaraciones a The Times. "El oro que usamos en el experimento no es reactivo, pero las partículas presentes en el aire contaminado sí lo son, y si alcanzan esas zonas sensibles, las consecuencias para la salud pueden ser graves".

"Las nanopartículas pueden llegar a acumularse en los vasos sanguíneos como los sedimentos en ciertas partes de los ríos", precisó David Newby, coautor del estudio. "Hasta ahora, la atención se ha centrado sobre los efectos de las partículas en suspensión, principalmente en el sistema respiratorio, cuando los efectos de las nanopartículas en el sistema cardiovascular puede ser potencialmente más peligroso".

El doctor Jeremy Pearson, director de la Fundación Británica del Corazón, aseguró que la investigación es "un paso más cerca para resolver el misterio de cómo la contaminación daña nuestra salud cardiovascular". Se estima que el aire contaminado es el responsable de hasta 40.000 muertes prematuras al año en el Reino Unido, y el 80% están asociadas a enfermedades cardiacas.

"No hay duda de que la contaminación del aire es un asesino", declaró Pearson. "Pero se necesitan más investigaciones para consolidar la evidencia. Entre tanto, el Gobierno debería poner en marcha medidas audaces para proteger a la población".

El estudio respaldado por la BHF ha causado polémica en el Reino Unido y se ha ganado el anatema de científicos como Peter Dobson, de la Universidad de Oxford, que sostiene que el experimento es de "mínima relevancia" para el mundo real y critica a los investigadores por el uso de nanopartículas de oro con seres humanos, alegando que no son inocuas sino potencialmente "tóxicas" a nivel celular.

La investigación llega además en un momento de máxima tensión política. Por decisión judicial, y tras perder el pleito presentado por la organización ClientEarth, el Gobierno británico estaba obligado a presentar a finales de abril una nueva Ley de Aire Limpio. La convocatoria de elecciones para el 8 de junio pueden forzar ahora un nuevo aplazamiento.

Los planes para imponer peajes a los vehículos diésel en más de 30 ciudades han puesto en guardia a la industria automovilística y a la de los combustibles fósiles. La secretaria de Medio Ambiente, Andrea Leadsom, escéptica del cambio climático hasta hace unos meses, ha rebajado las expectativas de la nueva ley alegando que la contaminación no puede considerarse como "una emergencia de salud pública".

El alcalde de Londres, el laborista Sadiq Khan, que sufre asma desde niño por el aire contaminado al sur del Támesis, ha urgido al Gobierno de Theresa May a "dejar de arrastrar los pies y poner en marcha un plan para resolver esta crisis de salud pública de una vez y para siempre".

The Development of a Virtual Museum in Germany

Details

Category: Actualidad

Hits: 1425

An Interactive 4D Reconstruction of a Historic Building in Virtual Reality

 

 

A ‘virtual museum’ (VM) has the potential to greatly improve the experience of a traditional museum visit, adding the possibility to provide information in a new, entertaining and convenient way. Interactive digital visualisations in particular can increase the comprehensibility of a complex topic. Such an application has now been developed as part of a master’s thesis for the Museum Alt-Segeberger Bürgerhaus in Bad Segeberg, Schleswig-Holstein, Germany. The whole building, the museum exhibition and six historic stages of construction have been reconstructed based on the capture of 3D data. Visitors can explore the historic building in a real-time 3D environment, both in a desktop application and in virtual reality (VR).

(By Simon Deggim, Felix Tschirschwitz, Thomas P. Kersten, HafenCity University Hamburg, Germany)

The Alt-Segeberger Bürgerhaus is the oldest building in Bad Segeberg. Constructed in 1541, the building has changed its form and function several times during its 475-year history. In collaboration with Nils Hinrichsen, historian and head of the museum, it was possible to identify the appearance of the building during six major periods of construction. It started as a small three-room house after a fire destroyed most of the town, including the previous building, in 1534. Several rooms were subsequently added to the building over the centuries. The facades and the interior design changed in line with the needs and possibilities of the corresponding eras. The last major renovation took place in 1963-64, when a museum was established in the building for the first time. Since 2012 it has been accommodating exhibitions about both the history of the city and the building as well as German culture (Figure 1).

Since 2011, there has been a cooperation between the museum and the HafenCity University Hamburg (HCU), whereby the museum building has been used in the practical education of students from the HCU’s bachelor programme in geomatics. Students have recorded both the exterior and interior of the building and created 3D models for the purpose of learning photogrammetric 3D recording and visualisation techniques. This data forms the basis for the VM project.

3D modelling

The first step was to construct the building in its current state based on the data mentioned above. In order to optimise performance, the model was not calculated from the point cloud by meshing but constructed manually in AutoCAD instead. Thus a stable frame rate for visualisation could be achieved, even on standard computers, while still having a decent amount of significant object details included in the scenes.

The historic models were created using the model of the current state as a starting point and retracing the steps of every known reconstruction change (Figure 2) using historic sources. Furthermore, the buildings in the museum’s surroundings were modelled with non-textured, simple geometric shapes to provide an environmental context for visitors standing outside the museum. Additionally, the most important parts of the exhibition were modelled for later integration into the building interior. The total triangle count of all objects amounts to approximately 100,000 triangles, which is a good basis for a low-cost, real-time visualisation application.

Game engine and programming

The interactive part was developed using the Unreal Engine 4 game engine. Game engines provide very high performance for real-time rendering and ever-increasing support for virtual-reality systems. For the desktop version, several fixed positions were placed both inside and outside the building. Users can look around freely from any position and can switch between positions with a short animated transition or can use direct teleportation by clicking on the desired position on a miniature overview map. The interaction with the environment is provided by a total of 52 clickable information signs. Each sign opens a menu with further information about the object of interest. The menu usually includes a text and a sizable photo (Figure 3). It is also possible to implement other media such as videos and separate small 3D models within the menu.

The main feature of the VM is the visualisation of the construction history. Designed as a ‘model within the model’, the historic states of the building can be explored by walking around them and activating animations which provide an exploded view of every state of construction (Figure 4). Alternatively, individual changes in the appearance of the building can be displayed slowly, from one state to the next, accompanied by comments about the main changes during the construction period.

Virtual reality

The VR version of the VM was created using HTC Vive, which has been available on the market since April 2016. The fixed positions were replaced by a free navigation, either via teleportation or direct walking. Two motion controllers were also used to interact with the environment; one controller fulfils the teleportation function and contains a laser beam to activate and interact with the menus, while the other contains the menu screens and the miniature overview map. The freedom of perspective and the improved sense of scale makes the VR museum an immersive 3D environment. This allows an even deeper analysis of the 4D model of the building’s evolution by giving visitors the possibility to actually stand inside the building while it changes around them (Figure 5).

Results and conclusions

The final desktop version of the program is 500MB in size and is executable on Windows-OS without software installation. This extends the field of application from the museum itself to most personal computers (PCs), enabling visitors to purchase the program and further deepen their knowledge about the exhibition topics they have seen.

The VR version of the program has been demonstrated on several occasions, including at Intergeo 2016 in Hamburg. The very positive feedback showed the promising potential of such applications, which is particularly high in – but not limited to – the museum context. In theory, any application which benefits from a realistic representation of the environment and is improved by an immersive experience can benefit from the use of interactive VR. This can increase the entertainment aspect, a person’s understanding and their motivation to deal with an unknown topic, and the approach can help to convey information in presentations, promotional and/or educational settings.

Further Reading

• Kersten, Th., Tschirschwitz, F., Deggim, S., 2017. Development of a Virtual Museum including a 4D Presentation of Building History in Virtual Reality. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLII-2/W3, 3D Virtual Reconstruction and Visualization of Complex Architectures, 1-3 March 2017, Nafplio, Greece, Editor(s): D. Aguilera, A. Georgopoulos, T. Kersten, F. Remondino, and E. Stathopoulou,
• 361-367. Kersten, T., Hinrichsen, N., Lindstaedt, M., Weber, C., Schreyer, K., Tschirschwitz, F., 2014. Architectural Historical 4D Documentation of the Old-Segeberg Town House by Photogrammetry, Terrestrial Laser Scanning and Historical Analysis. In: Progress in Cultural Heritage. Documentation, Preservation, and Protection, Lecture Notes in Computer Science (LNCS), Volume 8740, Springer International Publishing Switzerland 2014, 35-47
• Tschirschwitz, F., Kersten, Th., Zobel, K., 2014. Interactive 3D Visualisation of Architectural Models and Point Clouds Using Low-Cost-Systems. In: Progress in Cultural Heritage. Documentation, Preservation, and Protection, Lecture Notes in Computer Science (LNCS), Volume 8740, Springer International Publishing Switzerland 2014, 268-278.
  
  

About the Authors

Simon Deggim

Simon Deggim completed his master of science degree in geomatics at the HafenCity University Hamburg in 2016. Since October 2016 he has been a member of the academic staff of the same university, working in the field of visualisation and VR projects.

Felix Tschirschwitz

Felix Tschirschwitz is a research assistant at the HafenCity University Hamburg. He obtained his bachelor’s and master’s degrees in geomatics from the same university and has been working with interactive visualisation since 2013.

Thomas P. Kersten

Thomas P. Kersten has been a full professor for photogrammetry and laser scanning for the bachelor’s and master’s study programmes in geomatics at HafenCity University Hamburg since 2001. He is head of the Photogrammetry and Laser Scanning Lab at the same university.