Retos de la Física

2022/03/01 Errea Lope, Ion - Fisikako doktoreaEHUko iraskalea, CFM eta DIPC zentroetako ikertzaile eta Jakiundeko kidea | García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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La Física nos ha abierto mundos inéditos y sugerentes, imperceptibles por nuestros sentidos. De la mano de la física, desde la investigación del universo hasta la nanotecnología, han venido muchos avances en ciencia y tecnología en las últimas décadas. ¿Pero cuáles son los principales retos de la física en este siglo?

Serán, sin duda, muy variadas. Conscientes de que es la materia oscura y la energía oscura, de que la fusión nuclear es la obtención de energía ilimitada, de que la nanotecnología puede desarrollar lo que la medicina y la ciencia de los materiales, de que son ordenadores cuánticos… Conscientes de que habrá tanta opinión como la física, hemos invitado a reflexionar a los físicos de dos ámbitos:

 

“La revolución del siglo pasado se redondeará en este siglo”

Ion Errea Lope

Físico. Investigador UPV, CFM y DIPC

El gran físico Lord Kelvin afirmó en 1900 que no había nada que descubrir en la física. Sólo quedaba hacer mediciones aún más precisas, convencidos de que eso no iba a traer nada nuevo.

XX. Pero el siglo XX supuso la revolución de la física. La física cuántica y la teoría de la relatividad revolucionaron todos los paradigmas hasta entonces. El primero nos ha enseñado cómo es el mundo más pequeño, el de los átomos y el de las partículas. El segundo ha ampliado una nueva dimensión del universo. XX. El siglo XX perteneció a la física, ya que estas nuevas teorías han supuesto una gran revolución tecnológica que se refleja en la digitalización y la medicina actuales.

Contacto con los extremos

Este siglo no será el de la física, pero la influencia de ese enorme desarrollo conceptual que la física tuvo en el siglo pasado todavía no se ha materializado. Hay mucho que desarrollar. Quizás ese sea el mayor reto actual de la física: seguir desarrollando hasta la punta esta nueva física moderna del siglo pasado y llevar las aplicaciones hasta el extremo. Y esto, por supuesto, va a tener una gran influencia en las revoluciones que se van a llevar a cabo en otras disciplinas, es decir, en las neurociencias y en la biología que están a la pila. De hecho, tal y como la resonancia magnética actual en el diagnóstico médico no puede ser entendida sin física cuántica, las nuevas técnicas que se utilizarán para estudiar la neurona con el comportamiento neuronal se desarrollarán también desde la comprensión átomo a átomo de la interacción entre neuronas, proteínas y campos electromagnéticos.

En el siglo pasado se desarrollaron las teorías de las partículas elementales que componen la materia. En 2012, el llamado modelo estándar se redondeó con el descubrimiento experimental del bosón Higgs. Más allá de las partículas que describe este modelo, los físicos están convencidos de que deben existir nuevas partículas más pesadas que no puedan generarse en los aceleradores actuales. Estas partículas podrían ser responsables de la materia oscura del universo. El acelerador LHC, utilizado para localizar el bosón Higgs, ha permanecido parado en los últimos años, pero este año volverá a funcionar tras importantes mejoras. ¿Serán suficientes estas innovaciones para observar nuevas partículas? Hay esperanza. Si observamos nuevas partículas o fenómenos, es posible que se aclare la confusión que existe actualmente en la teoría, ya que son muchas las propuestas que superan el modelo estándar de partículas elementales, y por supuesto, no todas pueden ser correctas.

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Uno de los mayores imprevistos de la física de materiales fue encontrar superconductividad en 1911. Nadie esperaba que un metal perdiera toda su resistencia eléctrica por debajo de una temperatura. Desde entonces, una de las principales preguntas es si es posible la superconductividad en condiciones de erosión. Los experimentos realizados en los últimos años han demostrado que la superconductividad a alta presión es posible en compuestos ricos en hidrógeno. El principal reto de los próximos años será determinar si existe en la presión un compuesto con hidrógeno tan superconductor a tan alta temperatura. Para responder a esta pregunta será necesaria la ayuda de los cálculos teóricos, que permiten por un lado predecir a qué temperatura se convierte un material en superconductor y, por otro, determinar si los posibles nuevos materiales son estables.

Física XX. Aunque pienso que seguirá haciendo la revolución del siglo XX, no quisiera repetir el error de lord Kelvin. Podrían venir sorpresas que podrían cambiar la dirección de estudio de la física.

 

"El reto es desarrollar recursos para construir y controlar sistemas cuánticos"

Maia García Vergniory

Físico. Investigador DIPC

El mayor reto de la física no tiene por qué venir de la resolución de un problema concreto. Creo que el principal reto de la física es explotar los conocimientos adquiridos y las nuevas puertas que nos abren las nuevas herramientas. Por ejemplo, la puerta que ha abierto el mundo cuántico.

Se dice que la tecnología del futuro se basará en las tecnologías cuánticas, pero ¿qué son las tecnologías cuánticas? En realidad, desde que en 1947 los laboratorios Bell diseñaron el primer transistor de silicio estamos utilizando la tecnología cuántica. Desde entonces, en esencia, toda nuestra tecnología se basa en los principios de la física cuántica.

Fundamentos de tecnologías cuánticas

Sin embargo, los transistores utilizados hasta el momento sólo utilizan dos propiedades del mundo cuántico mencionado: la dualidad onda -partícula y la estadística cuántica. La dualidad onda - partícula nos indica que una partícula puede tener un doble comportamiento, es decir, como onda y como partícula. La estadística cuántica hace referencia a la estadística de electrones en el caso del transistor.

Por otro lado, existen dos tipos de física cuántica: los bosones y los fermiones. El bosón (por ejemplo, los fotones son bosones) se rige por la estadística conocida como Bose-Einstein, es decir, a una temperatura de 0 absolutos todos adoptan el mismo estado cuántico, con la misma energía. Pero con los fermiones (los electrones, por ejemplo, son fermiones) no ocurre lo mismo, ya que no pueden estar dos fermiones en las mismas condiciones, tienen prohibida la ocupación de la misma situación, por lo que aunque esté en el 0 absoluto, cada fermión tendrá su propio nivel de energía.

Esta cualidad permite que los electrones, las partículas que llevan corriente eléctrica, adquieran diferentes situaciones de energía cuando orbitan alrededor de los átomos. La construcción del transistor convencional se ha basado en la manipulación de los niveles de los electrones más energéticos. Entonces, ¿en qué se basan las nuevas tecnologías cuánticas?

Nuevas tecnologías cuánticas

Las nuevas tecnologías se basan en el desbordamiento cuántico y en el nudo cuántico. Estos fenómenos son consecuencia de la dualidad onda -partícula. Al igual que las ondas producen interferencias, los estados cuánticos también tienen interferencias, por lo que un electrón puede estar en uno u otro estado o en la superposición entre ambos estados. Definimos el bit cuántico (quantum-bit - Qbit, en inglés, bit cuántico) como un sistema de dos niveles en el que los electrones pueden estar en uno u otro estado o en ambos simultáneamente. Esta sería la unidad de información de un ordenador cuántico.

Por otra parte, los Qbit se conectan entre sí mediante el fenómeno denominado "traba cuántica". Cuando dos o más objetos están entrelazados entre sí, en el estado del sistema se tienen en cuenta todos los objetos, y podemos describir todo el sistema mediante una única situación, incluso cuando los objetos están separados o alejados en el espacio. Se puede comprobar que los N qbits contienen información de 2N, por lo que son mucho más rápidos que los ordenadores clásicos.

Utilizando todo su potencial, los ordenadores cuánticos podrían, entre otros, profundizar en las propiedades de moléculas complejas que contienen millones de átomos, simular las propiedades de las partículas elementales, analizar el comportamiento cuántico de un agujero negro o la evolución del universo.

Sin embargo, las nuevas propiedades mencionadas se conocían desde hace tiempo; Einstein, Podolsky y Rosen ya en 1935, en la formulación de la llamada paradoja EPR, anunciaron el enredo cuántico. ¿Por qué hemos tardado tanto tiempo en desarrollar esta tecnología?

El problema consiste en que no podemos observar, manipular o medir el mundo cuántico sin perturbar el sistema. Si queremos que un sistema cuántico procese información, debemos mantenerlo aislado del exterior, lo que no es técnicamente fácil. En el laboratorio se han dado pasos, pero queda mucho trabajo. Por lo tanto, nuestro reto de futuro es el desarrollo de recursos científicos y tecnológicos para la construcción y control de complejos sistemas cuánticos, capaces de utilizar nuevas tecnologías cuánticas.