Herramientas para leer la naturaleza

Por Daniel De Florian

En los últimos años, varios descubrimientos de la física, como el del bosón de Higgs, la última partícula elemental, o el de las ondas gravitacionales, una de las predicciones más impactantes de la teoría de la relatividad de Einstein, llegaron a las tapas de los diarios de todo el mundo, con justo mérito dada la relevancia de los hallazgos.

En otros casos, las noticias suelen ser más sesgadas. Mucho se ha dicho sobre Stephen Hawking luego de su fallecimiento y casi nadie recordó que por estos días se cumplieron 100 años del nacimiento de Richard Feynman, considerado por la mayoría de los físicos como uno de los más ingeniosos y relevantes del último siglo por sus trabajos fundacionales en diversas áreas de la física teórica, incluyendo el de ser el pionero de los conceptos de nanotecnología y computación cuántica.

De cara al futuro cercano, vale la pena entonces hacerse algunas preguntas. ¿Hacia dónde avanza la física del siglo XXI? ¿Nos esperan nuevos descubrimientos asombrosos a la vuelta de la esquina? En primer lugar, creo que hay que aclarar cuál es, al menos para mí, el objetivo de la física. La física, como toda ciencia natural, intenta dar una descripción de la naturaleza lo más precisa posible. Precisa no solo en el sentido de dar cuenta con justeza de los fenómenos conocidos, sino también de poder realizar predicciones sobre aquellos aún no observados o estudiados.

Y reafirmo el carácter de natural diferenciándolo del “exacto” o incluso “filosófico” ya que, para realizar esa descripción, solemos utilizar una serie de aproximaciones o al menos un lenguaje, el de la matemática, que no tiene por qué ser el que la naturaleza elija. Esto es, lo que la física describe, con un éxito impresionante en términos de comparación de teoría y experiencia, ¡no tiene por qué ser exactamente lo que ocurre en la naturaleza! En ese sentido, hablamos de una descripción efectiva que, por ejemplo, puede funcionar de forma excelente a alguna escala de tamaños o de velocidades, pero a sabiendas de que falla a otras escalas.

Las leyes de Newton -que implican que un objeto se acelera al aplicarle una fuerza-, por ejemplo, son fabulosas para describir la gran mayoría de los fenómenos cotidianos, como caminar o apretar el freno del auto para detenerse. Pero fallan de manera formidable a nivel atómico o a velocidades cercanas a la de la luz. Y no por eso descartamos a la mecánica newtoniana, sino que seguimos utilizándola. Así como a nadie se le ocurriría llevar a reparar su auto al mecánico cuántico, porque lo que sucede a nivel atómico no es de relevancia para cambiar un amortiguador.

La física, tal como la química o la biología, son ciencias de escalas, que formulan descripciones muy precisas de fenómenos, cada una en la escala que le sea relevante. Y en la ciencia moderna es difícil separar cuál es la responsabilidad que atañe a cada una de sus ramas. Por ejemplo, a escalas atómicas la física, la química e incluso la biología molecular juegan papeles que las interrelacionan.

Un área común de la física y la química es la que describe los fenómenos en la escala “nano”, esto es lo que ocurre a distancias del orden de un milmillonésimo de metro (unas diez veces el tamaño de un átomo). El desarrollo de esta área, que ya ha revolucionado la tecnología (los procesadores de nuestras computadoras ya se producen en la escala de algunos nanómetros) y que ha dado comienzo a una nueva revolución de materiales y de múltiples aplicaciones incluyendo a la salud, no involucra, sin embargo, el nacimiento de nuevas teorías fundamentales de la física. Se trata de fenómenos “emergentes” asombrosos que son descriptos usando nuevas herramientas y brillantes ideas, pero de una teoría bien conocida, como es la mecánica cuántica.

Algo similar ocurre con la computación cuántica, que nos anuncia, a veces con un optimismo exagerado, una nueva revolución informática para mañana. Hay áreas que son sólo de incumbencia de la física desde su comienzo: aquellas que están en el borde de nuestro conocimiento y, por lo tanto, siempre a la búsqueda de una teoría superadora. Son, justamente, las que involucran las escalas más pequeñas y las más grandes. Por un lado, la física subatómica que nos permite describir a los componentes más elementales de toda la materia y, por el otro, la cosmología, que se refiere al comportamiento del universo. Ambas se unen para describir una gran cantidad de fenómenos, como por ejemplo lo que ocurrió en los instantes iniciales del universo (¡y tal vez los anteriores a su inicio si es que eso existe!), la materia oscura y muchos más. Y ambas han experimentado hallazgos increíbles en los últimos años. La puesta en marcha del Large Hadron Collider (LHC), el colisionador de protones, en el Conseil Européen pour laRecherche Nucléaire (CERN), el laboratorio de física de partículas en la frontera entre Suiza y Francia, ha permitido el descubrimiento de una nueva partícula elemental, el bosón de Higgs, responsable de la masa de los elementos fundamentales, y el único que faltaba para completar el marco teórico existente.

Hoy entendemos que el átomo está formado de un núcleo y electrones a su alrededor, y que el mismo núcleo está compuesto por protones y neutrones. Y que aun estos no son indivisibles: están formados por quarks, objetos que, como el electrón, comprendemos como elementales. Y es importante remarcar el “comprendemos”, porque es probable que los objetos que hoy entendemos como elementales no lo sean, y que simplemente los veamos como fundamentales e indivisibles solo porque somos incapaces de estudiar su contenido.

Esto ya ha ocurrido en numerosas ocasiones en la historia, empezando por los átomos, el núcleo, el protón y el neutrón y, si queremos ir mas atrás con la idea, que los elementos fundamentales eran ¡agua, aire, tierra y fuego! Por otro lado, en cosmología se han obtenido mediciones muy precisas de la radiación cósmica de fondo, que nos da una imagen del universo temprano y, sobre todo, el espectacular descubrimiento de ondas gravitacionales por parte de la colaboración Ligo, condimentadas con la comprensión de que algunas de ellas son ondas, equivalentes a las olas que deforman el agua de un lago al tirar una piedra, pero en este caso como deformaciones del espacio-tiempo producidas mucho tiempo atrás por la colisión y fusión de agujeros negros.

Es interesante que los dos descubrimientos más relevantes de la física de esta década, el bosón de Higgs y las ondas gravitacionales, corresponden a la comprobación de predicciones teóricas realizadas hace aproximadamente 50 y 100 años. En especial, en el caso de las partículas elementales, si bien se trata de la teoría más exitosa de la historia de la física, medida en relación con el acuerdo entre teoría y experimento, sabemos que a escalas de energías más altas el modelo existente debe mostrar fallas. El problema mayor es que no sabemos a cuáles energías se debe llegar para observar esa falla. Y si somos capaces de alcanzar esas energías en los aceleradores.

Existen varias propuestas de teorías superadoras a las actuales que predicen la existencia de nuevos objetos fundamentales, pero ninguna de ellas tiene verificación experimental o algún tipo de evidencia que indique que estamos cerca de descubrirlas. Por supuesto que el sueño es el de encontrar algo extremadamente sorprendente e inesperado en el LHC, pero las chances de que eso suceda pronto son mas bajas, aunque no imposible.

De hecho, es probable que, durante la próxima década, el estudio de la física de frontera se realice sin descubrimientos espectaculares que ocupen tapas de diarios de todo el mundo, sino en base a la medición y cálculo de numerosos procesos en la búsqueda de muy pequeñas diferencias entre el experimento y la teoría.
Diferencias que indiquen el camino que debemos seguir para construir nuestro nuevo modelo de naturaleza. Si hay una palabra que definirá a esta área de la física es la de precisión. El futuro cercano de la ciencia básica, en este caso, se jugará con reglas ya conocidas. Ya hemos visto en la historia que, en muchas ocasiones, los descubrimientos fueron precedidos por la observación de pequeñas desviaciones con respecto a las teorías imperantes en la época. En muchos casos, esas desviaciones fueron inesperadas y no recibieron atención por un buen tiempo. Ahora estamos no sólo atentos, sino ansiosos de encontrarlas.