Grandes retos del siglo XXI

^*Centro de Radioastronomía y Astrofísica, UNAM, campus Morelia.[regresar]

FÍSICA: RETOS DEL SIGLO XXI

Rocío Jáuregui Renaud^*

El avance de las ciencias básicas en el siglo pasado fue de la mano de desarrollos tecnológicos que no sólo hicieron más cómoda nuestra vida cotidiana sino que agilizaron la obtención, entendimiento e intercambio de información sobre todo aquello que nos rodea. La física jugó un papel protagonista en estos desarrollos y también es partícipe de las ventajas de estos adelantos. El siglo XX se inició con revuelo, ya que al menos tres revoluciones conceptuales lo acompañaron, dando origen a la física cuántica, la física relativista y la física estadística. El siglo XXI empieza con grandes expectativas pues, hoy como nunca, es posible estudiar con altísima precisión fenómenos físicos que involucran escalas espaciales tan pequeñas como aquellas en que las partículas elementales manifiestan sus transformaciones y tan grandes como las escalas astronómicas. Los sistemas a escalas intermedias pueden ser controlados átomo por átomo; se diseñan sistemas artificiales a temperaturas muy cercanas al cero absoluto; las nanociencias proporcionan las bases para el estudio, la generación y desarrollo de sistemas útiles en ramas tan amplias como la óptica, la biología y la medicina; sistemas cuasi bidimensionales y sistemas desordenados son base para el diseño de materiales con cualidades sorprendentes; los campos eléctricos y magnéticos se detectan, generan y controlan a muy bajas y muy altas intensidades. Es decir, la física del siglo XXI es de amplio horizonte y con retos en todas las direcciones. En los próximos párrafos se presenta un resumen de algunos de los aspectos que la comunidad ha identificado como especialmente importantes. Gran parte de esta información da seguimiento a los análisis realizados a principios de este milenio por instituciones como la International Union of Pure and Applied Physics. Con el propósito de una mayor claridad, se desglosan por área los temas que involucra la física en la actualidad.

METROLOGÍA

Esta disciplina concentra su atención en la implementación de protocolos que permitan realizar mediciones reproducibles con la máxima precisión accesible. Estas mediciones suelen referirse a objetos fundamentales como el tiempo. En este caso, muy recientemente se consiguió utilizar la lógica cuántica para medirlo usando un solo átomo y con un error de una parte en 1018, es decir, un segundo de error comparado con la edad del universo. Un reto es aplicar esta lógica novedosa en la medición de otras variables como la constante de estructura fina (que determina la intensidad de las interacciones electromagnéticas) que ahora se conoce con “sólo” 13 cifras significativas. Mediciones tan precisas son base del entendimiento al detalle de nuestro universo actual, pero también preceden dispositivos como el posicionador global (gps) o los controladores de telecomunicaciones.

FÍSICA ESTADÍSTICA

Ergodicidad e irreversibilidad, ¿cuándo es una aplicable y cuáles son los orígenes de la otra? Sistemas diversos en condiciones extremas poseen propiedades similares, ¿qué parámetros del sistema definen las clases de universalidad? ¿Cómo caracterizar la evolución de sistemas muy fuera de equilibrio? Y los sistemas desordenados, ¿ cómo sistematizar su estudio? Dada la impresionante capacidad de cómputo, las simulaciones numéricas de sistemas complejos, ¿pueden alcanzar el poder de predicción que permita en ocasiones obviar la realización de algunos experimentos?

ASTROFÍSICA

En otras contribuciones incluidas en este libro se mencionan en detalle algunos de los retos que encara la astronomía per se. Aquí sólo se mencionará que los avances tecnológicos recientes han permitido establecer puentes directos de la astronomía con la física de partículas y la cosmología. En este siglo, se están implementando detectores de partículas en el espacio y detectores de ondas gravitacionales. La radiación cósmica vuelve a ser un tema de frontera, y cada vez se ven más interacciones entre astrónomos y físicos de todas las áreas.

FÍSICA DE BAJAS TEMPERATURAS

Generar estados de la materia no convencionales a bajísimas temperaturas absolutas es ya cotidiano en muchos laboratorios (límite actual en la escala de nanokelvin). Es posible, además, controlar la interacción electromagnética entre los componentes de estos sistemas, así como su movimiento global, utilizando luz y campos magnéticos. Con estos sistemas se aprende sobre las correlaciones cuánticas en sistemas altamente controlados. Es un reto simular con ellos sistemas poco comprendidos en, por ejemplo, estado sólido. La generación y control de nubes atómicas ultra frías cerca de superficies permitirá hacer experimentos en microchips y diseñar componentes en los que, por ejemplo, se codificará y manipulará información con las reglas de la física cuántica. En la última década, ha sido posible generar gases degenerados formados no sólo por átomos, sino por moléculas simples. ¿Cuál es el límite con la tecnología actual? ¿Cómo romperlo?

FÍSICA BIOLÓGICA

Los sistemas biológicos son altamente complejos y el enfoque para su estudio no siempre coincide con la visión de un físico. Para él, de entrada, una pregunta fundamental corresponde a la identifición de elementos básicos comunes a fenómenos aparentemente muy diferentes. Entre los sistemas más estudiados en este ámbito durante la última década resaltan: en biología estructural, las proteínas vistas como máquinas moleculares, la caracterización física (mecánica y óptica) de procesos uni y multicelulares; los procesos estocásticos clásicos y cuánticos parecen clave en el entendimiento de fenómenos biológicos.

ACÚSTICA

Esta área tiene retos tanto intrínsecos como cercanos a otras muchas disciplinarias. Algunas de sus subdisciplinas son arqueoacústica, aeroacústica, procesamiento de señales acústicas, bioacústica, acústica arquitectónica, música, acústica submarina y acústica ambiental. Mencionemos algunos retos como la producción de espejos reversibles en el tiempo para la acústica oceanográfica, el uso de ultrasónido altamente enfocado en diagnósticos y tratamientos médicos, y el estudio de las respuestas psicológicas y fisiológicas al sonido de humanos y otras especies.

FÍSICA DE SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son la base de la electrónica de estado sólido contemporánea, incluidos los transistores, las celdas solares, los emisores de luz a base de diodos (LEDS), los puntos cuánticos y los circuitos integrados. Entre los retos de este siglo, se mencionan el entendimiento y uso de electrones en medios cuasi bidimensionales ante la presencia de campos electromagnéticos externos y la generación de dispositivos novedosos con éstos. Tales medios pueden ser superficiales o internos al material.

FÍSICA DE PARTÍCULAS

Nuevamente hay retos intrínsecos como las pruebas al modelo estándar, el desarrollo de técnicas matemáticas y computacionales no perturbativas y la posibilidad de una teoría de la gravedad cuántica. También hay retos multidisciplinarios que involucran a la cosmología y a la astrofísica. En la actualidad se implementan nuevos laboratorios terrestres y se aprovechan las observaciones de fenómenos extraterrestres.

FÍSICA NUCLEAR

Es un reto entender núcleos inestables naturales y generar núcleos inestables artificiales, en particular con alto exceso de neutrones. También hay que analizar los efectos en núcleos de altas presiones y altas temperaturas. Es muy importante la relación con la física de partículas elementales.

ELECTRÓNICA CUÁNTICA

Láseres ultracortos capaces de detectar la evolución de fenómenos atómicos de ionización y recombinación, fragmentación y formación de moléculas. Desarrollo de láseres de alta potencia y de luz con estructura y estadística no trivial. Dispositivos útiles en áreas tan diversas como la biofotónica y la ingeniería cuántica.

PLASMAS

Retos en comprensión y control de fusión, plasmas fríos, plasmas de alta densidad muy fuera de equilibrio y plasmas en la ionósfera. La relevancia de ellos en el laboratorio y en el espacio exterior.

FÍSICA ATÓMICA, MOLECULAR Y ÓPTICA

Retos en comprensión (mediciones de alta precisión y su comparación con la teoría) y control de átomos, moléculas y iones ultrafríos. La evolución temporal de procesos a nivel atómico, molecular y nanoscópico, y su manipulación mediante la interacción radiación con materia. Comprensión y control de la pérdida de coherencia cuántica de sistemas abiertos. Todo ello en el contexto de la ingeniería cuántica que incluye a la óptica cuántica.

Nótese que sólo dimos ejemplos acerca de algunas temáticas con grandes retos. Además, este resumen no menciona retos específicos de áreas tan extensas como la materia condensada, en particular líquidos, superficies e interfases. Tampoco menciona el control de campos electromagnéticos y campos magnéticos estáticos. Poco espacio hemos dejado a la física matemática y computacional. Y los retos en la enseñanza de la física en el ámbito internacional son enormes, y en el nacional, gigantescos.

¿Cuáles son las estrategias internacionales para enfrentar los retos del siglo XXI? Son muchas, algunas las podríamos llamar convencionales: grupos de trabajo en universidades, laboratorios nacionales o empresas que buscan respuestas a problemas muy específicos. Otras estrategias reflejan las facilidades enormes de la comunicación global. Vemos cada día con mayor frecuencia la formación de grandes grupos interdisciplinarios e internacionales. Estos grupos requieren de pocos líderes y muchos especialistas. Los ejemplos en funcionamiento actual muestran eficiencia, y México ha hecho esfuerzos claros para no quedar fuera de ellos. Debemos, sin embargo, ser cuidadosos y seguir formando científicos con bases sólidas y visión amplia, que no solamente sean parte de grandes proyectos internacionales sino que estén capacitados para ser sus líderes.

^*Instituto de Física, UNAM.[regresar]

EL TERRITORIO DE LA FÍSICA CUÁNTICA ^*

Luis de la Peña^**

El principio del siglo XX vio nacer la teoría de la relatividad (la especial en 1905, la general en 1916) y una década después (entre 1925 y 1927 para ponerle fecha) la mecánica cuántica. Estas dos teorías definieron el carácter y la naturaleza de la física del siglo pasado.

La mecánica cuántica es, en lo básico (aunque no exactamente), la rama de la física que estudia los sistemas ultramicroscópicos, como átomos o moléculas e incluso menores, y sus agregados más fundamentales. Ésta es una teoría esencialmente diferente de las que conociera la física anterior al siglo XX. La teoría cuántica demanda una visión física muy propia y altamente novedosa, la que llega incluso a estar en contradicción con la visión que del mundo nos proporcionan la física clásica y el resto de las ciencias naturales. Pero se abordará esto más adelante.

La mecánica cuántica es a la física actual lo que la mecánica de Newton fuera para la física clásica: el sustento teórico general de los avances físicos ulteriores. Con su establecimiento se dieron las bases para el surgimiento y desarrollo de la amplia variedad de teorías que conforman la física contemporánea. Como ejemplos podemos citar la electrodinámica cuántica y la teoría cuántica de campos, la física atómica, la molecular, la nuclear, las de los diversos estados de la materia, como sólidos, líquidos, gases, geles y plasmas, la de las partículas elementales, etcétera.

Más allá del territorio que le es propio, la mecánica cuántica ha alentado también el surgimiento de importantes capítulos de campos científicos que le son afines. Un notable ejemplo es la química cuántica o química teórica, que ha conducido a señalados avances de esta ciencia. Los resultados están presentes en la síntesis y generación de una amplia variedad de medicamentos y drogas, o bien, en la producción de nuevos materiales, el modelaje molecular, la química computacional, etc. La tabla periódica de Mendeleev, y con ello la base misma de la química, encuentra su explicación última en la mecánica cuántica.

Varios capítulos de la astrofísica contemporánea son resultado de una productiva simbiosis con las actuales teorías de origen cuántico. Es de esperarse que en su momento emerjan de este matrimonio respuestas a profundos misterios, como la esencia de la energía oscura, en la que reside aproximadamente 70% de la energía del universo y no se sabe qué es. Algo análogo sucede con la materia oscura, otro misterio que representa esta vez aproximadamente 25% de la materia del universo. En otras palabras, el mundo que vemos no representa más de 5% de aquello que hay en el universo y el resto es un enigma. Seguramente, yendo de la mano la astrofísica y la teoría cuántica se requerirá menos tiempo para develar el misterio.

La mecánica cuántica también puede preciarse de haber contribuido a la biología contemporánea con más que un grano de arena. De hecho, la más actual rama de la biología, la biología molecular, o sea, la biología que se centra en la base molecular de la actividad biológica, tiene abuelo físico. Un destacado antecesor de la biología molecular, Hermann Muller, después de muchos años de trabajo exitoso, reconoció las limitaciones de un genetista para alcanzar una explicación fundamental de las propiedades de los genes y sus acciones. Allá por 1936 escribió un ensayo en el cual reconoce tales limitaciones y señala que les tocaba ya al físico y al químico entrar en escena. Y pregunta: “¿Quién es el voluntario que se lanza?” El reto fue respondido. Primero por Schrödinger, uno de los grandes creadores de la mecánica cuántica, quien propuso una explicación cuántica al juego entre estabilidad y mutabilidad del gen en su libro ¿Qué es la vida?, obra que resultó muy influyente entre los biólogos. Poco más adelante la emigración del físico Max Delbrueck hacia la biología resultó aun de mayor impacto. Es interesante comparar las perspectivas científicas de estos dos pioneros: mientras Schrödinger pretendió reducir la biología a la física en su breve obra, Delbrueck y su escuela mantuvieron el objetivo de entender cómo se complementan entre sí estas disciplinas. Muy al estilo de los físicos, Delbrueck empezó su nuevo derrotero con el estudio del sistema biológico de interés más simple: un virus. Es la biología molecular naciendo.

La intensa actividad alrededor de las teorías de naturaleza cuántica ha dado lugar al surgimiento de una vasta colección de aplicaciones y dispositivos que basan su funcionamiento en fenómenos cuánticos. Entre los ejemplos quizá más notables, pero no únicos, se encuentra una variedad de materiales que produce la industria contemporánea, que va desde tejidos de todo tipo y con propiedades prediseñadas, hasta los materiales proyectados para las necesidades de la tecnología espacial. En otra dirección se encuentra el instrumental médico de base cuántica, como es el microscopio electrónico, o bien, los diversos sistemas de diagnóstico mediante imágenes en vivo e incluso tridimensionales, como es el caso de la tomografía nuclear. La cirugía de precisión ha encontrado a un gran aliado en el láser, cuyas aplicaciones médicas y quirúrgicas cada día son más extensas.

De mayor interés aún son las contribuciones de la física cuántica a las comunicaciones inalámbricas, con internet y los servicios derivados de él a la cabeza, incluido el ya indispensable teléfono móvil. Se estima que operan en el mundo alrededor de 6 000 millones de teléfonos portátiles, lo que se acerca significativamente al número de pobladores del planeta. Otro capítulo de relevancia en el que la tecnología de origen cuántico ha tenido enorme impacto es el cómputo. Desde las enormes computadoras en uso hasta la minilaptop, juegan ya un papel en nuestra cotidianidad muy difícil de evaluar y aún más de exagerar en importancia. Para la ciencia y para la tecnología la computadora se ha convertido en el instrumento indispensable. Durante varios siglos hubo dos formas de hacer ciencia, particularmente física (y astronomía y química): la experimental u observacional y la teórica. Ahora son tres, pues a las dos anteriores se ha agregado una tercera que cada día adquiere mayor importancia relativa: la simulación. Ésta es lo que su nombre indica: el estudio de los fenómenos o procesos de interés (de la naturaleza que sean, desde matemáticos hasta sociales o psicológicos) mediante su simulación en una computadora.

El impulso que ha adquirido la ciencia, y muy particularmente las ciencias naturales, nos augura para un futuro próximo resultados importantes, aunque seguramente impredecibles en su mayor parte. Nuestros abuelos no podrían haber predicho lo que hoy vivimos, así como nosotros tampoco podemos entrever con razonable seguridad cuáles serán los resultados que la ciencia nos habrá de brindar dentro de algunas décadas. Sin embargo, a plazo corto las cosas son más claras. Hay dos grandes motores que mueven a la ciencia. Uno de ellos es interno a ella. Opera cuando la ciencia se plantea como tema de estudio un problema que le es propio y consustancial. Podemos prever algunos de los problemas de peso que habrán de encontrar respuesta en el curso de las próximas décadas. Los neurólogos, por ejemplo, nos han dicho que el problema de la conciencia encontrará solución en el curso del presente siglo. Por mí, preferiría un plazo mucho más corto, pues me gustaría conocer la solución.

En el terreno de la física hay enorme actividad alrededor del estudio de los sistemas complejos. Pero, todavía no existe una teoría general de ellos, pues las matemáticas de los sistemas no lineales, que les son fundamentales, están aún por desarrollarse. Seguramente en el curso de algunos años se avanzará mucho en esta tarea. Algo análogo podemos decir respecto a lo que probablemente se deba considerar como el gran problema físico por resolver hoy en día: la unificación de la relatividad y la física cuántica. Estas teorías no han podido encontrar acomodo en una visión única del mundo físico; nos presentan dos visiones divergentes del mundo físico, el que es, sin embargo, único. La solución de este problema, tema al cual están abocados en este momento miles de físicos teóricos dispersos en el mundo, nos dará una visión unificada y seguramente que riquísima de todas las fuerzas que ocurren en la naturaleza. Cuando se llegue a ella constituirá la mayor síntesis que habrá creado la mente humana. Éste es uno de los mayores retos de la física contemporánea.

A los temas de frontera que es necesario atender seriamente para alcanzar las metas visibles, debo agregar la propia teoría cuántica y, más en particular, la mecánica cuántica. Muchos colegas que lean o escuchen esto fruncirán las cejas, pero hay otros que prestarán atención. El punto está en que (como ha sido reconocido por la comunidad científica a través de diversas encuestas) el siglo XXI ha heredado los problemas de fondo de la mecánica cuántica. De hecho, desde su fundación un número importante de físicos, incluyendo a varios de sus fundadores mismos, han objetado muchas de sus características. A ello se suma que, lejos de ser una teoría fundamental de la naturaleza, la mecánica cuántica se constriñe a describir lo que observamos. En otras palabras, se trata de una teoría de carácter fenomenológico, un tanto similar a la termodinámica. La conclusión es que aún no hemos entendido correctamente la física del mundo cuántico, no obstante los innumerables éxitos y la magnífica estructura lógica de la teoría. Tratar de unificar la relatividad con la mecánica cuántica como la conocemos puede conducir a transportar los problemas de esta última a la nueva física que pretende construirse. Portaríamos con ella el pecado original. Más seguro parece corregir primero lo que está a la mano para usar el instrumento una vez sano para dar el siguiente paso. Una solución satisfactoria a los problemas fundamentales de la teoría cuántica podría, por lo demás, arrojar luz sobre el problema de la unificación.

Mencionamos que hay un segundo gran motor que mueve e impulsa la ciencia. Éste es el motor social, que con frecuencia resulta más potente y más activo que el motor interno. Desde la electricidad, los grandes avances se dan en el laboratorio científico, para quedar en las manos de los inventores, los ingenieros y las industrias el darles su forma industrial y diseminar el producto. El papel que la imprenta de Gutenberg jugara como impulso al Renacimiento europeo, a la Reforma, a la Iluminación, a la ulterior revolución científica y, finalmente, a las grandes masas urbanas al hacer extensivo el aprendizaje, lo juega hoy la ciencia, instalada ya como base de una actividad social y económica central. No es erróneo, en el fondo, hablar de la sociedad del conocimiento. Sólo que también aquí existen profundas diferencias.

¿Le podríamos hablar sin mortificación a un habitante de Haití o de Costa de Marfil de la sociedad del conocimiento o de una industria de base científica? Aunque en una escala menos grave, una duda análoga me viene a la mente al considerar a los países latinoamericanos. Los grandes productos de la ciencia han surgido en los países industrializados, que han aprendido a utilizar la ciencia en su beneficio. Estos países desarrollados han mantenido una política de apoyo a la ciencia y al desarrollo tecnológico propio de manera sostenida durante siglos y el resultado está a la vista. No es ésta la ocasión para preguntarnos sobre el origen de los capitales requeridos para realizar tales empresas. Lo que interesa ahora es que hubo una clara política de desarrollo tecnológico propio, impulsada de manera mancomunada por los gobiernos y la industria. La industria utilizó sus recursos para aprender a hacer, y hace. Recordemos, por ejemplo, que la compañía Bell Telephone (transformada después en ATT) ha poseído ella sola un número mayor de premios Nobel entre sus investigadores que la suma de todos los premios Nobel latinoamericanos. Esto es un buen índice del nivel de conocimientos que distingue a la industria verdaderamente moderna.

Lo característico de nuestros países, sobre todo del nuestro durante las últimas décadas, es, desafortunadamente, el desinterés hacia la ciencia y la construcción de una industria verdaderamente nacional y de base científica. Con ojos miopes puestos en el exterior se prefiere comprar el producto del conocimiento, pagado a precios exorbitantes, antes que utilizar y desarrollar nuestros conocimientos y recursos para hacer en casa lo que la casa demanda. Gobierno e industria consideran más apropiado comprar el producto elaborado sin darse cuenta que ello hipoteca nuestro futuro y frena nuestro propio desarrollo. Hoy por hoy, hasta más de la mitad del maíz y del frijol que consumimos es importado.

Piénsese en el ejemplo de la energía eólica. Se decidió, por cierto con bastante retardo, dar los primeros pasos en su uso en nuestro país. En vez de crear una empresa nacional con laboratorios de investigación y los vínculos apropiados con las universidades para el diseño y producción de los aerogeneradores y demás requerimientos, se entregó el paquete entero a una empresa extranjera. Y ¿cuántos paquetes de energía solar hemos comprado, siendo México uno de los países que recibe más energía solar en el mundo, por lo que deberíamos ser líderes en este terreno? Hasta ahora todos los esfuerzos nacionales en este terreno han sido aislados e insuficientes; significativos sí, pero menores respecto a lo que el país debería estar haciendo. Simplemente, no existe política estratégica oficial al respecto; ni en general para el usufructo y desarrollo de la ciencia, ni para el desarrollo tecnológico e industrial. El país no está aprovechando, en consecuencia, la amplia capacidad científica y tecnológica tanto humana como material que posee, particularmente esta última, en sus universidades e instituciones académicas superiores. Es claro que falta un proyecto moderno de nación que tome en cuenta que la inversión en ciencia es uno de los negocios más redituables.

Sin embargo, debemos agregar que parte de la política científica debe ser también la valoración de la ciencia con proyección social, y en esto los propios científicos tenemos una buena parte de la responsabilidad, en particular aquellos que poseen capacidad de influencia y evaluación.

Recientemente, un grupo de investigadores miembros del Consejo Consultivo de Ciencias de la Presidencia de la República (con la colaboración de otros colegas) ha presentado una quincena de proyectos de desarrollo para atender sendos problemas de importancia nacional. Se trata de proyectos importantes que requieren de trabajo de investigación para su solución. Si se lograra que el gobierno central los atendiera se le demostraría de manera palpable la utilidad de la ciencia y de los científicos. Quizá ello ayudara a que finalmente se perciba en los centros de decisión el valor social de la actividad científica.

Hasta dónde podremos nosotros participar de manera significativa en los desarrollos más importantes que se habrán de dar en el campo de la física, o si se prefiere, de las ciencias naturales, depende en mucho del apoyo que se brinde a la ciencia. Un ejemplo dice todo. Holanda tiene una extensión territorial de la mitad y una población doble de la de Veracruz en orden de magnitud. ¿Cuántos premios Nobel en ciencia tiene Veracruz? Holanda tiene 19. En Holanda se atiende la ciencia y la educación desde hace siglos. Ahí está la diferencia, no en la distribución de talento.

En esto podemos identificar uno de los mayores retos para la ciencia en nuestro país.

^*Trabajo realizado con el apoyo parcial del proyecto PAPIIT IN-106412[regresar]

^**Instituto de Física, UNAM.[regresar]