Introducció

La serendipitat (de l’anglès serendipity) fa referència a la capacitat de fer descobriments inesperats o fortuïts mentre es busca o investiga alguna cosa diferent. El terme es deriva del conte "Les tres perles de Serendip" escrit pel poeta persa Jalal ad-Din Muhammad Rumi i popularitzat pel crític i polígraf britànic Horace Walpole al segle XVIII.

Parlem de serendipitat quan, en la recerca de quelcom, es fa un descobriment de més valor sense ser-ne l’objectiu inicial. El concepte és associat sovint amb els descobriments accidentals i amb la intuïció científica. L’habilitat de trobar i reconèixer patrons, connexions i oportunitats no planificades o previsibles.

Exemples clàssics de serendipitat en són el principi d’Arquímedes o el descobriment de la penicil·lina per part d'Alexander Fleming.

En resum, la serendipitat es refereix a troballes o descobriments fortuïts, imprevistos o casuals que sorgeixen durant una recerca o exploració, i que poden conduir a nous coneixements, invencions o solucions a problemes. Així, de vegades, també la sort empeny la ciència, encara que altres cops l’atura o la desvia.

Arquímedes i el seu famós Eureka!

Diu la llegenda que el rei Hieró II de Siracusa va encarregar a Arquímedes que determinés si una corona que havia comprat era realment d'or pur o si l’orfebre hi havia afegit plata per fer-la més pesada. Aleshores, mentre Arquímedes prenia un bany, va observar com l'aigua es desbordava de la banyera i va adonar-se que el volum de l'aigua desplaçada era proporcional al seu propi cos. Aquesta observació va inspirar-lo a desenvolupar una manera de determinar la densitat d'un objecte i, per tant, distingir entre materials d'or i d'argent.

Es diu que Arquímedes va experimentar amb la immersió d'objectes en aigua i va utilitzar el principi que porta el seu nom per resoldre el problema de la corona. Segons la història, quan va descobrir la solució, va exclamar "Eureka!" (que significa "Ho he trobat!" en grec) i va córrer despullat pels carrers per celebrar el seu descobriment.

El principi va ser registrat per escrit per Arquímedes en la seva obra "Sobre els cossos flotants" (De corporibus fluidis), en què va formular les seves lleis sobre el comportament dels cossos submergits en un fluid.

Des d'aleshores, el principi d'Arquímedes ha estat un concepte fonamental en la física i s'ha utilitzat en àrees com la hidrostàtica, la flotació de vaixells, l'arquitectura naval i moltes altres aplicacions pràctiques. La contribució d'Arquímedes en aquest camp ha estat reconeguda i admirada al llarg de la història de la ciència.

Principi d’Arquímedes

Un cos submergit en un fluid experimentarà una força cap amunt igual al pes del fluid que desplaça. Això explica per què els objectes floten o s'enfonsen en un líquid i per què els objectes semblen més lleugers quan són submergits en aigua.

Arquímedes va submergir la corona en aigua comparant-la amb el mateix pes d’or pur i va comprovar que la corona surava més en l’aigua. És a dir, que tenia una densitat inferior a la de l’or pur i, per tant, estava adulterada amb un material més lleuger que l’hi havia augmentat el volum.

Newton i la poma

Es diu, segons una història popular, que Isaac Newton era descansant sota un pomer, a la seva propietat rural a Woolsthorpe, Lincolnshire, a l'Anglaterra del segle XVII. Hi era assegut quan una poma va caure prop seu (va caure al seu cap, segons altres). Aleshores, aquest esdeveniment inesperat va cridar la seva atenció i el va portar a preguntar-se per què la poma cau sempre cap al terra. De manera que la curiositat el va conduir a realitzar més investigacions sobre la gravetat i els moviments dels objectes. Fins arribar a desenvolupar la seva teoria de la gravitació universal, que va ser publicada a la seva obra principal, "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica", el 1687. Treball considerat un dels punts culminants de la ciència moderna que ha tingut un impacte significatiu en el camp de la física. ^[1]

Aquesta anècdota ha perdurat al llarg del temps com a exemple clàssic de serendipitat i de la genialitat de Newton.

Possiblement, Newton va raonar que si hi ha una força que tira de tots els objectes amb massa i provoca que caiguin cap al centre de la Terra. Aleshores, cóm és que, per exemple, la Lluna no cau i es manté impertorbable en òrbita al voltant de la Terra? El seu raonament el va portar, potser, a que sobre la Lluna actuava una altra força que compensava la força d’atracció de la Terra.

A partir de l’estudi del moviment dels objectes, de les lleis del moviment i de l’anàlisi de les observacions astronòmiques realitzades per altres científics de l'època, va establir, amb la formulació matemàtica adequada, la llei universal que explica el comportament gravitatori de tots els objectes en l'univers.

La Llei de la Gravitació Universal

La Llei de la Gravitació Universal estableix que la força de gravetat entre dos objectes és directament proporcional al producte de les seves masses i inversament proporcional al quadrat de la distància que hi ha entre elles.

Matemàticament, aquesta llei s’expressa com:

On F és la força de gravetat entre els dos objectes, de masses respectives m₁ i m₂, r és la distància que els separa i G és la constant de gravitació universal (o constant de Newton). El valor de G és aproximat i molt petit, donat que la gravetat és una de les forces més febles de la naturalesa.

Segons les mesures experimentals més recents (CODATA, 2018 ^[2]), el valor de la constant de gravitació universal és ^[3]: G = 6.67430(15)·10^-11 m³/(kg·s² )

Aquest valor té un error relatiu (la seva incertesa relativa) d'aproximadament 22 ppm i és una de les constants fonamentals de la física, ja que apareix en la llei de la gravitació universal de Newton i en la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Friedrich Wöhler. La síntesi de la urea

A principis del segle XIX, la idea majoritària entre en la química orgànica era que es necessitava d’una força vital, pròpia únicament dels éssers vius, per sintetitzar els seus compostos químics. És el que es coneix com a teoria vitalista. L’any 1807, Berzelius^[4] havia popularitzat aquesta teoria postulant que aquesta mena de substàncies només podia trobar-se en els éssers vius i mai podria sintetitzar-se de manera artificial. Un exemple d’aquesta mena de substàncies, propi de la química orgànica, és la urea (present en la orina de molts éssers vius).

El 22 de febrer de 1828, el químic Friedrich Wöhler ^[5] va intentar sintetitzar cianat amònic segons la reacció següent:

El cianat amònic podria ser posteriorment un bon intermediari per la síntesi de moltes altres substàncies.

Wöhler va obtenir, en efecte, cianat amònic. Posteriorment, va bullir la dissolució per tal de cristal·litzar el cianat amònic obtingut i aquí és on es va donar la serendípia: al evaporar la dissolució es formaren uns grans cristalls incolors d’urea. Per tant Wöhler, sense pretendre-ho, havia transformat matèria inorgànica en matèria orgànica, en contra dels postulats de la teoria vitalista. Tanmateix, Wöhler no va reivindicar prou el seu descobriment ^[6] i aquesta teoria va perdurar encara dues dècades més. ^[7]

August Kekulé, el francès va somiar l’estructura del benzè.

A partir de Wöhler, l’àtom de carboni va passar a ser l’estrella de la química orgànica, fins arribar a nomenar-se també química del carboni. Un dels científics que més hi varen contribuir va ser Kekulé ^[8].

L’àtom de carboni té la capacitat, gairebé exclusiva, d'establir quatre enllaços covalents compartint una parella d'electrons en cada enllaç amb qualsevol altre àtom. Per exemple, saturant-lo completament amb hidrogen s’obté el metà. ^[9]

Kekulé va ser el primer químic en enllaçar àtoms de carboni amb altres àtoms de carboni. Sent reconegut per les seves contribucions importants a la química orgànica i, en particular, per la formulació de l'estructura cíclica del benzè. Segons Kekulé, la va imaginar en un somni.

Kekulé va proposar una teoria revolucionària sobre l'estructura del benzè el 1865, en la qual va afirmar que aquesta molècula conté una estructura cíclica de sis àtoms de carboni amb enllaços alternants simples i dobles. Aquesta idea va desafiar les concepcions anteriors sobre la naturalesa del benzè, que s'explicava amb estructures lineals amb enllaços dobles alternants.

La formulació de Kekulé de l'estructura cíclica del benzè va obrir el camí a la comprensió dels compostos aromàtics i va ser un punt de partida fonamental per al desenvolupament de la teoria dels enllaços químics. Aquesta idea va tenir un impacte significatiu en la química orgànica i va influir en el camp de la química en general.

A més de les seves aportacions a l'estructura del benzè, Kekulé va fer altres contribucions importants a la química orgànica, com l'estudi dels compostos saturats i insaturats, la formulació de la teoria dels valències múltiples i el treball sobre la teoria estructural de les reaccions químiques.

Albert Michelson i Edward Morley (quan el fracàs té premi)

Una altra mena de serendípia és quan tot surt a l’inrevés del que havies suposat. Concretament, és el que els va succeir a Albert Michelson ^[10] i Edward Morley ^[11], l’any 1887, quan intentaven demostrar l’existència de l’èter.

Durant gran part de la història de la ciència, s'havia plantejat la pregunta sobre quin medi es propagava la llum. Durant el segle XIX, es va postular l'existència d'un medi universal anomenat "èter" que omplia tot l'espai i en el qual la llum es propagava. L'èter es considerava com una substància invisible, immaterial i sense pes que permetia la transmissió de la llum i altres ones electromagnètiques. Va ser proposat com a explicació per a diversos fenòmens òptics, com l'efecte Doppler (canvi de freqüència de la llum en funció del moviment relatiu de la font i l'observador) i la interferència (superposició d'ones de llum per a crear patrons d'interferència). Es va creure que l'èter era immòbil i permeava tot l'espai, actuant com un marc de referència absolut per a la mesura de la velocitat de la llum.

A mesura que es van desenvolupar els experiments i es van realitzar observacions més precises, es van anar trobant anomalies que no s'ajustaven a la teoria de l'èter. Un dels experiments més coneguts és l'experiment de Michelson-Morley, realitzat el 1887, que intentava mesurar el moviment de la Terra a través de l'èter. Els resultats d'aquest experiment van donar lloc a una paradoxa, ja que no es va observar cap desplaçament de la interferència lumínica que hauria d'haver estat causada pel moviment de la Terra a través de l'èter.

L’experiment de Michelson-Morley

L'interferòmetre de Michelson era un joc de dos miralls plans i un mirall semitransparent disposats segons l’esquema de la dreta.

La meitat de la llum de la font lluminosa és reflectida des del mirall semitransparent cap al mirall 1 (la fletxa groga), la resta (la fletxa blava) és transmesa cap al mirall 2. Ambdós feixos de llum recorren la mateixa distància.

Durant l’experiment, la Terra es mou en el sentit cap al mirall 2, a una velocitat aproximada de 28,8 km/s.

L'experiment es planteja la pregunta: El temps que triga cada feix de llum a recórrer la mateixa distància pels diferents camins és el mateix?

Si la velocitat de la llum és diferent en ambdues direccions, s'observarà un patró d'interferència perquè un dels feixos de llum (groc o blau) arribarà lleugerament retardat respecte l’altra.

No es va poder observar cap patró d’interferència entre els dos feixos de llum i, per tant, no es va poder confirmar l’existència de l’èter. Tot i repetir l’experiment en diferents direccions. Fins i tot es va repetir sis mesos més tard, quan la Terra anava en la direcció contrària al voltant del Sol.

Aquestes evidències empíriques van posar en qüestió l'existència de l'èter i va ser Albert Einstein, amb la formulació de la teoria de la relativitat especial l'any 1905, qui va proposar una nova concepció de l'espai i el temps, eliminant la necessitat de l'èter com a medi de propagació de la llum. Segons la teoria de la relativitat especial, la velocitat de la llum en el buit és una constant universal, independent del marc de referència en què es mesuri. Això implica que no hi ha necessitat d'un medi material a través del qual es propagui la llum.

La velocitat de la llum

Anteriorment, l’any 1879, Michelson havia calculat la velocitat de la llum utilitzant un muntatge com el representat a la figura següent. Com a curiositat, en l’episodi 92 ^[12] de la famosa sèrie de televisió Bonanza es planteja com a rerafons l’adolescència d’Albert Michelson, el seu interès per la ciència i l’inici dels seus estudis a l’acadèmia naval d’Annàpolis, en el vell oest americà.

Un mirall rotatori enviava la llum a un mirall pla, situat a una distància D = 35 km, i la llum retornada es reflectia pel mirall giratori cap a un detector.

La freqüència f del gir del mirall rotatori era f = 525 Hz, amb un període T (el temps, en segons, d’una revolució complerta) de: T = 1/f = 1/525 = 0.001905 s.

El mirall era octogonal, per tant, repartint T entre les seves vuit cares s’obtenia el temps d’anada i tornada: t = 0.001905/8 = 2.3810·10^-4 s.

De manera que ja es podia calcular la velocitat de la llum c com: c = D/t = 35000/(2.3810·10^-4) m/s = 2.94·10⁸ m/s

Avui en dia es calcula una velocitat de la llum en l’aire d’uns 299708 m/s. Per tant Michelson va calcular la velocitat de la llum amb una mica més del 98% d’exactitud. Genys malament per l’època i els medis disponibles.

Els raigs X

Els raigs X són un tipus de radiació electromagnètica, com la llum visible, les microones, els raigs gamma o les ones de radio.

La radiació electromagnètica forma un continu des de freqüències molt petites fins a freqüències enormes. L’amplada de la ona electromagnètica és inversament proporcional a la seva freqüència. És a dir, com més baixa és la freqüència més gran és la longitud d’ona i menys energia transporta.

Les ones de baixa freqüència ho són de 1 a 10⁵ Hz (o inferiors) i transporten una energia de 10^-5 a 1 nano-eV (o inferior). Amb longituds d’ona de l’ordre de fins a 1 segon-llum o superiors.

Les ones d’alta freqüència són més energètiques i, per tant, més perilloses per la salut. La seva energia pot arribar a l’ordre dels giga-eV o superior, amb longituds d’ona inferiors al fentòmetre (10^-15m). Els fotons, les partícules imperceptibles que conformen tota mena de radiació electromagnètica, actuen aleshores com a petits projectils que ens travessen i ens destrueixen els teixits.

Els raigs X són una forma d'energia electromagnètica que té una longitud d'ona molt curta i una freqüència molt alta. Es produeixen quan els electrons accelerats xoquen amb àtoms o molècules, o quan els electrons d'un àtom passen d'un nivell d'energia superior a un inferior. Tenen moltes aplicacions en la medicina, la indústria, la seguretat i la investigació científica. Per exemple, es poden utilitzar per obtenir imatges de l'interior del cos humà, per detectar fractures o tumors, per analitzar la composició química de materials, per escanejar equipatges o persones en aeroports, o per estudiar l'estructura de cristalls o molècules.

L’any 1895, Wilhelm Conrad Röntgen ^[13] estava realitzant experiments amb tubs de descàrrega. Uns dispositius de vidre buits que produeixen llums i descàrregues elèctriques quan es connecten a un generador d'alta tensió. En un dels seus experiments, va observar que quan passava una corrent elèctrica a través del tub i aquest estava envoltat per un paper negre, es generava una radiació invisible que era capaç de penetrar substàncies opaques com el paper ^[14].

Va anomenar aquesta radiació "raigs X" perquè eren desconeguts i no es podien explicar amb la física coneguda en aquell moment. Els raigs produïts eren capaços de travessar materials opacs com el plom i produir una imatge en una placa fotogràfica. Aquesta propietat va obrir les portes a un nou camp de la medicina: la radiologia. Ràpidament varen ser utilitzats per a diagnosticar malalties i fractures òssies. La radiografia es va convertir en una eina essencial per als metges per a veure l'estructura interna del cos sense necessitat de realitzar cirurgia ^[15].

Per altra banda, els raigs X també han tingut aplicacions en altres àmbits com la investigació científica i la indústria, en particular per trobar l’estructura tridimensional de les substàncies químiques com, per exemple, la penicil·lina, o la insulina).

Propietats físiques dels raigs X

Els raigs X són una forma de radiació electromagnètica amb longitud d'ona més curta que la llum ultraviolada i més llarga que els raigs gamma. Les seves propietats físiques més destacables són:

1. Longitud d'ona. Tenen longituds d'ona en l'abast de 0,01 a 10 nm, el que els situa en una regió intermèdia entre la radiació ultraviolada i els raigs gamma.
2. Càrrega elèctrica. Com a forma de radiació electromagnètica, no tenen càrrega elèctrica. Per tant, no exhibeixen propietats elèctriques intrínseques, com ara la conductivitat elèctrica o la capacitació.
3. Tanmateix, quan interactuen amb la matèria, poden generar càrregues elèctriques i tenir efectes elèctrics indirectes. Aquestes interaccions poden provocar ionització, és a dir, l'eliminació d'electrons dels àtoms o molècules del material irradiat, el que pot generar corrents elèctrics i afectar els materials conductors o aïllants.
4. Quan els raigs X incideixen en un material conductor, poden provocar l'excitació d'electrons lliures i generar un corrent elèctric detectable. Aquest principi s'utilitza en detectors de raigs X, com ara els utilitzats en la radiografia mèdica.
5. D'altra banda, també poden provocar la ionització en materials aïllants, creant càrregues elèctriques temporals. Aquesta ionització pot tenir efectes en l'aïllament dielèctric dels materials i generar corrents de fuga o altres efectes elèctrics indesitjables.
6. Energia. La radiació de raigs X té una energia més alta que la llum visible. La radiació de raigs X clàssica té energies de l'ordre de 100 eV a 100 keV.
7. Penetració. Tenen una gran capacitat per penetrar en la matèria. Capacitat de penetració que depèn de la seva energia: com més alta és l'energia dels raigs X, major és la seva capacitat per travessar materials densos, com ara l'os o els metalls.
8. Absorció. Malgrat la seva gran capacitat de penetració, són absorbits per diversos materials. La quantitat d'absorció depèn de la densitat i de la composició del material. Per exemple, els teixits tous com la carn o la pell són relativament transparents als raigs X, mentre que els ossos o els metalls absorbiran més radiació.
9. Difracció. Els raigs X exhibeixen un fenomen anomenat difracció, que permet l'estudi de l'estructura cristal·lina dels materials. Quan els raigs X incideixen en un cristall, es produeix una dispersió de la radiació que es pot mesurar per obtenir informació sobre l'arranjament atòmic del material.
10. Ionització. Com a forma de radiació ionitzant, els raigs X tenen la capacitat d'eliminar electrons dels àtoms o molècules amb els quals interactuen. El que pot tenir efectes biològics importants i, per tant, es prenen precaucions per limitar l'exposició a la radiació de raigs X en aplicacions mèdiques o industrials.

JJ Thomson, els electrons i la televisió

Joseph John Thomson va ser un físic britànic que va realitzar importants treballs en l'àrea de l'electromagnetisme i la física de partícules a finals del segle XIX i principis del segle XX. El tub de raigs catòdics, també conegut com a tub de Thomson, va ser una de les seves contribucions més importants. Aquest tub consistia en un recipient buit amb dos elèctrodes, anomenats càtode i ànode, connectats a una font d'alta tensió. Quan es generava un corrent elèctric al tub, es produïen uns raigs de partícules, anomenades raigs catòdics, que es desplaçaven des del càtode cap a l'ànode.

Mitjançant l'estudi d'aquests raigs catòdics, Thomson va realitzar experiments per determinar la càrrega i la relació entre la càrrega i la massa d'aquestes partícules. Va observar que els raigs catòdics es desviaven en presència d'un camp magnètic, cosa que li va permetre concloure que estaven formats per partícules materials ^[16] amb càrrega negativa, conegudes avui com a electrons. ^[17]

A partir d'aquestes observacions, Thomson va proposar el seu famós model de l'àtom, conegut com a "pastís de púding". Segons aquest model, l'àtom estava format per una "massa positiva" uniforme, amb electrons incrustats en ella com les cireres en un pastís.

Les investigacions de Thomson sobre els tubs de raigs catòdics van obrir el camí per al descobriment de l'estructura de l'àtom i van ser fonamentals per al desenvolupament de la teoria de l'electromagnetisme i la física de partícules. El seu treball va ser reconegut amb el Premi Nobel de Física el 1906, "per avenços teòrics i descobriments experimentals sobre la conducció de l'electricitat pels gasos".

El control del raig d’electrons dins el tub i la seva projecció sobre una pantalla fosforescent, va donar origen, en els anys posteriors i amb la col·laboració de molts altres científics, a l’invent de la televisió.

Becquerel, Pierre i Marie Curie i la radioactivitat

El 1896, Henri Becquerel ^[18], mentre estudiava els raigs catòdics i la fluorescència, v col·locar sals d’urani en un sobre de paper negre i les va exposar a la llum del sol, pensant que la fluorescència de l'urani podria ser similar a la dels materials fosforescents. Les sals d'urani eren ja conegudes per la seva capacitat de produir fluorescència quan s'exposen a la llum.

La casualitat va fer que el cel fos núvol i que Becquerel suspengués l’experiment. Va guardar el sobre de paper negre amb les sals d’urani dins un calaix, a prop d’unes plaques fotogràfiques sense exposar.

La sorpresa va venir ser quan, al revelar les plaques fotogràfiques, va observar que eren totes completament ennegrides. Alguna forma de radiació o partícules emeses per l'urani les havia impressionat, fins i tot en absència de llum. El que significava que l'urani era capaç de produir una forma radiació espontània. Radiació que, més endavant, es va nomenar radioactivitat, una forma de radiació ionitzant diferent als raigs X.

El descobriment de Becquerel el varen continuar Pierre i Marie Curie ^[19]. Conjuntament, descobriren i investigaren diversos elements radioactius com ara el poloni i el radi. També varen desenvolupar noves tècniques per aïllar i mesurar materials radioactius, contribuint significativament a l'estudi de les seves propietats.

Els seu treball va tenir un impacte profund en el camp de la física i la química, i va ser reconegut amb el Premi Nobel de Física l'any 1903, compartit amb Antoine Henri Becquerel, per les seves investigacions conjuntes sobre la radiació. El descobriment de la radioactivitat va ser fonamental per a la comprensió de l'àtom i la naturalesa de la matèria, conduint al desenvolupament posterior de la física nuclear.

Marie Curie va continuar treballant en el camp de la radioactivitat, després de la mort de Pierre Curie l'any 1906, i, l’any 1911, va rebre un segon Premi Nobel de Química per les seves investigacions sobre el poloni i el radi.

Fleming i la penicil·lina

Altra anècdota famosa i exemple de serendipitat té a veure amb Alexander Fleming i el descobriment de la penicil·lina. Es diu que l’any 1928, quan Fleming treballava com a bacteriòleg a l'Hospital St. Mary's a Londres, es va deixar accidentalment cinc plaques de Petri amb cultius de bacteris patògens a la seva taula de treball i va marxar de vacances durant dues setmanes. Al tornar de les seves vacances, un company seu, va observar que una de les plaques s’havia contaminat amb fongs. El que més va cridar l'atenció a Fleming va ser que al voltant del fong no hi havia creixement bacterià. I aquesta observació el va portar a concloure que el fong estava produint alguna substància que inhibia el creixement de les bactèries patògenes. ^[20]

Fleming va identificar el fong com a Penicillium notatum, i va aïllar la substància antibiòtica que produïa, que va anomenar penicil·lina (1928-1929). Substància amb propietats antimicrobianes que podia ser utilitzada per tractar infeccions bacterianes. Tanmateix, va tenir dificultats per aïllar i purificar la penicil·lina, i el seu treball no va ser prou reconegut en el moment.

Durant la dècada de 1930, els investigadors Howard Florey i Ernst Chain ^[21], de la Universitat d'Oxford, van prendre el relleu de Fleming i van aconseguir aïllar i purificar la penicil·lina en una forma més utilitzable i estable. Van realitzar experiments en animals i van observar resultats prometedors.

Durant la Segona Guerra Mundial, es va reconèixer la importància de la penicil·lina com a tractament per a les infeccions bacterianes. Gràcies a l'ajuda dels Estats Units i altres països aliats, es van realitzar esforços massius per produir penicil·lina a gran escala. A partir de 1942, es va començar a utilitzar la penicil·lina en pacients humans amb èxit, salvant vides i revolucionant el tractament d'infeccions greus. La penicil·lina va tenir un impacte enorme i va marcar l’inici de l'era dels antibiòtics.

Fleming, Florey i Chain van ser guardonats amb el Premi Nobel de Medicina o Fisiologia el 1945 per la seva contribució al descobriment i desenvolupament de la penicil·lina. Aquest reconeixement va ajudar a popularitzar la penicil·lina i a promoure la investigació i desenvolupament continu de nous antibiòtics.

Pel camí del Nobel de 1945 es va quedar la química Dorothy Hodgkin ^[22] que, amb la tècnica de l’espectroscòpia de rajos X, va aconseguir trobar l’estructura tridimensional de la penicil·lina. Descobriment que va permetre la seva producció industrial.

Radiació per tot l’espai. L’antena del Penzias i el Wilson

Arno Penzias i Robert Wilson ^[23] són dos astrònoms coneguts per la seva descoberta accidental de la radiació de fons de microones, una prova clau del Big Bang. El 1964, Penzias i Wilson treballaven al Bell Telephone Laboratories als Estats Units, utilitzant una antena per a comunicacions per a realitzar investigacions en radioastronomia. Durant les seves observacions, van detectar un senyal de soroll persistent que no podien eliminar, independentment de les mesures i ajustos que realitzaven. Aquest senyal era present en totes les direccions de l'espai i era constant en tot moment. Després de diverses comprovacions i descartar possibles explicacions, Penzias i Wilson van arribar a la conclusió que aquest senyal era la radiació de fons de microones, residual de l'explosió inicial del Big Bang. Aquesta radiació és una mena de ressò de l'explosió que va donar origen a l'univers, i la seva detecció va proporcionar una evidència important per a la teoria del Big Bang.

Per aquesta descoberta, Penzias i Wilson van rebre el Premi Nobel de Física el 1978. La seva troballa va ser fonamental per a la comprensió de l'origen i l'evolució de l'univers i va consolidar la teoria del Big Bang com a model dominant en cosmologia.

La prova de la radiació de fons de microones proporcionada per Penzias i Wilson ha estat fonamental per a la nostra comprensió actual de l'univers i ha obert la porta a un ampli camp d'investigació en cosmologia i física de partícules. ^[24]

El Big Bang

Segons la teoria del Big Bang (la gran explosió), l'univers va començar com una singularitat extremadament calenta i densa fa aproximadament uns 13.8 mil milions d'anys. En un moment inicial, tota la matèria, l'energia i l'espai-temps estaven concentrats en un punt infinitesimalment petit. A continuació, aquesta singularitat va experimentar una expansió explosiva, donant lloc a l'univers tal com el coneixem avui en dia.

Durant els primers instants després del Big Bang, l'univers era extremadament calent i dens. A mesura que es va expandir i refredar, les partícules subatòmiques van començar a formar àtoms i, posteriorment, molècules. A mesura que l'univers continuava expandint-se, les regions més denses de matèria van començar a agrupar-se, donant lloc a la formació de galàxies, estrelles i planetes.

La teoria del Big Bang és àmpliament acceptada i està suportada per diverses evidències observacionals, com ara l'expansió de l'univers, la radiació de fons de microones i l'abundància d'elements lleugers, com l'hidrogen i l'heli. Aquesta teoria ha estat fonamental per comprendre l'evolució de l'univers i el seu origen.

Stephanie Kwolek. L’èxit també té premi.

Stephanie Kwolek ^[25], l’any 1971, va descobrir el Kevlar® (marca registrada de la companyia DuPont del poliparafenilè tereftalamida o PPD-T) polimeritzant molècules de bencè i grups amino units amb ponts d’hidrogen, formant una làmina.

Fibra artificial coneguda pel seu alt rendiment en resistència a la tracció i a l'impacte. Utilitzada principalment en aplicacions que requereixen protecció balística i resistència a l'abrasió, en particular en la fabricació d’armilles antibales, sent cinc cops més resistent que l’acer.

Al llarg de la seva carrera va obtenir 17 patents més i nombrosos premis i reconeixements.

Jocelyn Bell. Dels quàsars als púlsars.

Jocelyn Bell ^[26] neix a Irlanda del Nord. El seu pare és l’arquitecte del planetari Armagh i disposa d'una gran biblioteca que anima a Jocelyn a llegir. S’interessa especialment pels llibres d'astronomia. Quan té onze anys suspèn l'examen 11+, i l’envien a un internat de York (Anglaterra), un col·legi quàquer per a noies, on la impressiona profundament un mestre de física que, anys més tard, ella recordava que va dir-li: «No has d'aprendre muntanyes i muntanyes de dades, només aprèn unes poques coses clau, i... llavors podràs aplicar-les i construir i desenvolupar-hi a sobre... Fou un gran mestre, i em mostrà com, en realitat, la física era senzilla».

Més endavant es gradua en física a la Universitat de Glasgow i es doctora a la Universitat de Cambridge. A Cambridge, treballa amb Hewish i altres persones en la construcció d'un radiotelescopi gegant per emprar els centelleigs interplanetaris en l'estudi dels quàsars, descoberts feia poc. Conjuntament publiquen el descobriment dels púlsars a la revista Nature. Descobriment al que s’adjudica el Premi Nobel de Física del 1974, premi del que ella en queda exclosa.

Al acabar el doctorat, treballa a la Universitat de Southampton, la University College de Londres i el Royal Observatory d'Edimburg, abans de convertir-se en professora de física a l'Open University durant deu anys, i després professora visitant de la Universitat de Princeton.

Abans de jubilar-se, Bell Burnell fou degana de ciències de la Universitat de Bath entre els anys 2001 i 2004, i presidenta de la Royal Astronomical Society entre el 2002 i el 2004. Actualment és professora visitant de la Universitat d'Oxford.

Quàsars

Un quàsar és una forma de nucli actiu de galàxia extremadament lluminós i energètic. És considerat com una de les entitats més brillants i enèrgiques de l'univers. El nom "quàsar" deriva de l'acrònim en anglès "quasi-stellar radio source" (font quasi-estel·lar de ràdio).

Els quàsars emeten grans quantitats d'energia en diverses longituds d'ona, incloent ones de ràdio, infraroig, llum visible, ultraviolada i raigs X. Aquesta enorme emissió energètica és el resultat d'un procés extremadament actiu que es produeix al nucli d'una galàxia. Es creu són alimentats per un forat negre supermassiu situat al centre de la galàxia. A mesura que la matèria és "engolida" pel forat negre, es genera una enorme quantitat d'energia en forma de radiació. Aquesta radiació pot ser expulsada en un flux estret, creant una font extremadament lluminosa i distanciada de la galàxia amfitriona.

Degut a la seva distància i a la lluminositat extrema, els quàsars són objectes d'estudi intens en astrofísica. El seu descobriment ha proporcionat importants indicis sobre l'evolució de les galàxies i l'univers en general. A més, els quàsars també juguen un paper crucial en la formació i evolució de les estructures a gran escala de l'univers, com ara els cúmuls galàctics.

Púlsars

Un púlsar és una estrella de neutrons en rotació. Una massa molt compacta que es forma quan una estrella massiva arriba al final de la seva vida i experimenta una supernova, expulsant les seves capes exteriors i deixant enrere el nucli col·lapsat. Aquest nucli col·lapsat, conegut com a estrella de neutrons, és extremadament dens i està compost principalment per neutrons.

El púlsar es caracteritza per la seva ràpida velocitat de rotació i fort camp magnètic. A mesura que gira, emet rajos de radiació en forma de rajos-X, rajos gamma i ones de ràdio. Aquestes emissions de radiació són detectades a la Terra de forma periòdica com a pulsacions, d'aquí el nom de púlsar.

L'emissió de rajos de radiació del púlsar està relacionada amb la seva rotació i amb les propietats del seu camp magnètic. Els púlsars són increïblement precises en les seves pulsacions, amb períodes que poden variar des de mil·lisegons fins a segons. Aquesta regularitat extrema fa dels púlsars uns rellotges astronòmics molt precisos.

Els púlsars són objectes molt interessants per a la investigació astrofísica. Són utilitzats per estudiar les propietats de la matèria extremament densa i són considerats com a laboratoris naturals per a l'estudi de la relativitat general d'Albert Einstein. A més, els púlsars també són útils per a la detecció de ones gravitacionals i per a la investigació de fenòmens astrofísics com ara els forats negres i les estrelles de neutrons.

Eugene Shoemaker. Júpiter és el nostre escut.

El cometa “Shoemaker-Levy 9” va ser descobert per l'astrònom americà Eugene Shoemaker ^[27] i el seu equip, format per la seva esposa Carolyn Shoemaker i el col·lega David Levy. Va ser el tercer cometa descobert pel trio, però va guanyar gran notorietat pel seu impacte amb el planeta Júpiter el 1994. El cometa es va fragmentar en diversos trossos a causa de les forces de marea per la forta gravetat de Júpiter i els fragments van impactar contra la superfície de Júpiter en una sèrie d'impactes espectaculars, que van ser observats i estudiats per astrònoms de tot el món.

L'esdeveniment de l’impacte del cometa amb Júpiter va proporcionar una gran quantitat de dades i coneixements sobre els efectes de l’impacte d’un cometa en un planeta. Va ser un esdeveniment significatiu en l'exploració del sistema solar i va ajudar a augmentar la consciència sobre la importància de la vigilància d'objectes pròxims a la Terra (NEOs, per les seves sigles en anglès) i dels possibles impactes amb el nostre planeta.

Júpiter com a barrera protectora

Júpiter exerceix un paper important en la protecció del sistema solar intern, incloent la Terra, enfront de possibles NEOs o impactes de cometes i asteroides. Aquest paper de protecció de Júpiter es deu principalment a la seva massa, gravetat i la seva ubicació en el sistema solar. La gran massa de Júpiter fa que tingui una forta gravetat, que pot influir en l'òrbita i el moviment dels objectes que s'apropen a la seva zona orbital. Aquesta gravetat pot actuar com una "pertorbadora" i modificar les trajectòries dels NEOs que s'apropen a Júpiter. En lloc de continuar cap al sistema solar intern, molts d'aquests objectes poden ser expulsats cap a l'exterior del sistema solar o capturats en òrbites al voltant de Júpiter. Aquest efecte de "pertorbació" pot ser beneficiós per a la Terra, ja que redueix la probabilitat que els NEOs col·lideixin directament amb el nostre planeta. Júpiter actua com una mena de "barrera" que redueix el nombre d'objectes potencialment perillosos que arriben a la nostra zona orbital.

Tanmateix, Júpiter no és cap escut absolut contra els NEOs. Tot i que pot redirigir molts d'aquests objectes, alguns poden aconseguir evitar la influència de Júpiter i seguir trajectòries que els portin a prop de la Terra. Per tant, la vigilància i el seguiment dels NEOs segueixen sent essencials per a la detecció i previsió d'impactes potencials i per a la presa de mesures de protecció adequades en cas necessari.

Júpiter com a catapulta orbital

La gravetat de Júpiter pot ser aprofitada per a propers viatges espacials mitjançant una maniobra coneguda com a assistència gravitacional, també anomenada "flyby" o "gravitational slingshot" en anglès. Aquesta tècnica utilitza la força gravitatòria d'un planeta o d'un altre cos celeste per a augmentar la velocitat o modificar la trajectòria d'una nau espacial sense consumir una gran quantitat de combustible.

Durant un assistència gravitacional amb Júpiter, una nau espacial aprofita la força gravitatòria del planeta per a incrementar la seva velocitat relativa i canviar la seva direcció. La nau s'acosta a Júpiter, aprofitant la seva força gravitatòria per a guanyar velocitat a mesura que es desplaça al voltant del planeta. En el procés, la nau experimenta un canvi de direcció que pot ser utilitzat per a ajustar la seva trajectòria i dirigir-se cap al destí desitjat. Aquesta tècnica d'assistència gravitacional amb Júpiter ha estat utilitzada en diverses missions espacials per a reduir el temps de viatge i el consum de combustible. Per exemple, la sonda espacial Galileu va utilitzar l'assistència gravitacional de Júpiter per a arribar a l'òrbita de Júpiter després de passar per Venus i la Terra en una sèrie de maniobres de propulsors.

L'aprofitament de l'assistència gravitacional de Júpiter i d'altres planetes permet a les naus espacials guanyar velocitat i alterar la seva trajectòria amb eficiència, estalviant combustible i reduint el temps de viatge en missions espacials de llarga durada. Aquesta tècnica és especialment útil en exploracions interplanetàries i missions d'exploració del sistema solar.

Jordi Coll Vera - 2023