Y yo quiero ser...Físico Teórico
(Por
Ángel M. Uranga)
Escucha música mientras lees, vete al final.
Mi vocación
por la Física se fraguó hacia los 17 años, cuando la curiosidad me llevaba a
husmear en los últimos capítulos de los libros de texto, aquellos que nunca da
tiempo a ver en clase, en especial los de Física y de Filosofía. Allí me topé
con fenómenos como el extraño comportamiento de los electrones en los átomos, o
maravillas como la idea del espacio-tiempo y su curvatura como explicación de
la fuerza de la gravedad. Estos “descubrimientos” de juventud me fascinaron y
me produjeron una atracción irresistible. En aquella época sin internet y casi
sin acceso a material de divulgación científica, no sabía poner nombre a esta
vocación, pero el tiempo se encargó de mostrarme que lo que quería, aunque aún
no lo supiera, es ser Físico Teórico.
¿Qué es la Física Teórica y para qué sirve?
Hoy el término
“Física Teórica” es mucho más conocido, a través de grandes figuras mediáticas
como Stephen Hawking o de su incorporación a la cultura popular con personajes
como Sheldon Cooper de la serie “The Big Bang Theory”. Pero ¿qué es en realidad
la Física Teórica?
La Física
Teórica es la rama de la Física que propone modelos teóricos para los fenómenos
fundamentales observados en la naturaleza. Por “fundamentales” podemos entender
los que se manifiestan en las situaciones más extremas de la materia y la
energía, y que proporcionan respuestas científicas a las preguntas
fundamentales que se planeta el ser humano sobre el mundo que le rodea.
Un ejemplo es
lo infinitamente pequeño, donde se estudian las leyes que rigen el
comportamiento de las partículas elementales a las más altas energías
accesibles en los colisionadores de partículas como el LHC del CERN en Ginebra.
Éstas incluyen los electrones, los quarks que componen protones y neutrones,
las partículas que median sus interacciones, el bosón de Higgs, etc. Es decir,
las que componen el Modelo Estándar de Partículas Elementales, la teoría que
describe el frenesí cuántico, que constituye nuestra respuesta científica
actual a la pregunta “¿de qué están hechas las cosas?”
Otro ejemplo
es el de lo infinitamente grande, el estudio del Universo como un todo, como
respuesta a las preguntas “¿cómo es el Universo y de qué está compuesto?”
“¿cómo empezó?” y “¿cuál es su destino final?”. La Cosmología estudia la
estructura del Universo, su composición, y su origen como un plasma primigenio
a las más altas temperaturas y lanzado a una expansión desbocada. Esta
expansión, fruto de la dinámica del espacio-tiempo descrita en el marco teórico
de la Relatividad General, no solo determina la historia pasada del Universo,
sino su destino último, en una expansión eternamente acelerada, alimentada por
una energía de vacío, que denominamos energía oscura, pero cuya naturaleza está
aún por determinar.
Un ejemplo
final es la frontera de la complejidad, en la que la Física Teórica estudia la
aparición de nuevos fenómenos emergentes en sistemas de muchos componentes,
nuevos modos de comportamiento de la materia y la energía que no están
manifiestos en la descripción microscópica del sistema. Esta vibrante rama de
la Física se encuentra en la interface de otras áreas, como la Física de la
Materia Condensada y la Información Cuántica.
¿Y el experimento?
Gran parte de
estas exploraciones es experimental y observacional, en tanto que en Física,
como ciencia empírica, la última palabra la tiene el experimento. Pero de forma
complementaria, la Física Teórica permite llevar más allá las fronteras del
pensamiento científico, y plantear preguntas cuyas respuestas solo podrán ser
confirmadas experimentalmente en un futuro. De esta manera, la Física Teórica
no solo construye la interpretación teórica de fenómenos observados, sino que
sirve de guía en la exploración futura de la naturaleza.
Esto ha
sucedido en el pasado reciente, por ejemplo con el mecanismo de Higgs, que
permaneció durante décadas como un modelo teórico propuesto como explicación de
la generación de masas para las partículas elementales del Modelo Estándar, y
una guía en la propuesta de nuevos y más potentes aceleradores de partículas.
El descubrimiento del bosón de Higgs en los experimentos ATLAS y CMS del CERN
confirma la realidad física de este fenómeno, completando una preciosa historia
de colaboración entre Física Teórica y Física Experimental durante los últimos
50 años.
De forma
similar, la reciente detección directa por la colaboración LIGO (y
posteriormente con VIRGO) de ondas gravitacionales en procesos de fusión de
sistemas binarios de agujeros negros, y de estrellas de neutrones, culmina con
una fascinante confirmación observacional una predicción teórica centenaria de
la Relatividad General. Y cuya importancia radica en que abre una revolucionaria
nueva ventana al Universo con la promesa de numerosas sorpresas teóricas y
observacionales en los próximos años.
Se espera que
de igual modo, las fronteras que la Física Teórica explora hoy día guíen el
desarrollo de nuevos experimentos y métodos de medición que permitan avanzar en
el futuro conocimiento de la naturaleza. Por ejemplo, propuestas como el origen
del Universo en una etapa de inflación cósmica en la primera fracción de
segundo; o cuestiones que hoy parecen remotas especulaciones, como la
descripción de gravedad cuántica en términos de teoría de cuerdas, o el estudio
de los agujeros negros a nivel cuántico a través de modelos teóricos como las
dualidades holográficas. Estas construcciones teóricas pueden quizás contener
las claves que marquen nuestra concepción del Universo y la realidad física
dentro de algunas décadas.
¿Y las aplicaciones prácticas?
La Ciencia
tiene una indudable faceta de aplicaciones prácticas, claramente manifiesta en
nuestra vida cotidiana, desde el ámbito más individual como el del
electromagnetismo subyacente en el funcionamiento del microondas que nos
calienta el café por la mañana, hasta el más colectivo y social de la
electrónica y la tecnología de comunicaciones que nos vinculan a través de
dispositivos digitales y canalizan nuestras conversaciones y las corrientes de opinión de nuestra
sociedad.
Esta faceta
práctica parece ausente en el campo de la Física Teórica. Y en el fondo, así
es... ¡y así debe ser! La Física Teórica se nutre de la curiosidad pura del ser
humano, y su objetivo es y debe ser generar el conocimiento para satisfacerla.
No obstante, también es correcto que incluso desarrollos teóricos
extremadamente abstractos han sido fundamentales en el desarrollo de nuevas
tecnologías y aplicaciones prácticas. El estudio de la Física Cuántica a
principios del siglo XX constituía un área de interés meramente académico; pero
su impacto en la comprensión fundamental de las propiedades químicas de los
elementos, de la dinámica de moléculas complejas incluidas las orgánicas, o de
las propiedades de nuevos materiales como los semiconductores, han implicado
revoluciones en las aplicaciones prácticas de la Química, la Biomedicina, o en
el desarrollo de nuevas disciplinas como la Computación y las Nuevas
Tecnologías. Igualmente, el conocimiento de las sutiles correcciones a la
gravedad de Newton dictadas por la Relatividad General de Einstein son
esenciales para el correcto funcionamiento de tecnologías muy precisas, pero
cotidianas, como los navegadores GPS.
Lo que la
Historia recomienda, por tanto, es evitar puntos de vista cortoplacistas en lo
que respecta a la Física Teórica, y promover su investigación en tanto que
motivada por la curiosidad pura, con la certeza de que la aplicación práctica
de los nuevos conocimientos adquiridos terminará llevándose a cabo de maneras imposibles
de anticipar hoy día. Podemos plantearnos esta investigación, por tanto, como
un acto de generosidad para las generaciones venideras, que esperamos plasmen
en herramientas útiles muchos de los resultados que hoy nos parecen tan
alejados de la vida cotidiana.
Un poco de mi investigación...
Retomando mi
relato biográfico inicial, mi carrera tomó el camino más común hacia el mundo
de la investigación: estudios de licenciatura, iniciación en la investigación
durante los años de preparación de mi tesis doctoral y diversas estancias
postdoctorales de varios años en centros de investigación extranjeros hasta
incorporarme a mi centro actual, el Instituto de Física Teórica en Madrid. Una
travesía no siempre exenta de complicaciones, pero en la que la pasión por la
Física ha sido un motor constante.
A lo largo de
estos años, mi campo de investigación se orientó y especializó hacia el estudio
de la teoría de cuerdas, especialmente el problema de cómo encajar la Física de
Partículas conocida, el Modelo Estándar, en este marco teórico. La teoría de
cuerdas proporciona una descripción en la que la gravedad, así como el resto de
interacciones fundamentales, quedan descritas de forma compatible con las leyes
de la Física Cuántica. Parte de la hipótesis de que las partículas elementales
no son entes puntuales, sino objetos extensos unidimensionales (cuerdas) de
tamaño tan extraordinariamente pequeño que su carácter extenso no se manifiesta
en los experimentos actuales. Sin embargo, la teoría lleva a modificaciones brutales
de la Física, como la necesidad de que existan dimensiones espaciales
adicionales, igualmente de tamaño tan minúsculo que escapan cualquier intento
de detección directa. A pesar de ello, la geometría y otras propiedades del
espacio interno definido por estas dimensiones extra son esenciales en
determinar el contenido preciso de partículas elementales e interacciones
fundamentales que se observarían a las escalas ordinarias de Física de
Partículas. Por tanto es una cuestión fundamental el análisis de las
propiedades de estos espacios internos que producen una Física de Partículas
que corresponda al Modelo Estándar.
El estudio de
este área de la Física Teórica me resulta enormemente divertido y
satisfactorio, porque me permite visualizar las partículas ordinarias y sus
propiedades como pistas en un mapa geográfico de estos espacios interiores que
estoy seguro ocultan más de un tesoro (científico).
A modo de conclusión
La Física
Teórica es un área de investigación extremadamente interdisciplinar (Fig. 1) y
que permite acceder a las cuestiones más fundamentales del Universo, y
describir la naturaleza en términos de leyes de enorme potencia conceptual y
belleza matemática. Si te interesan las grandes incógnitas del Universo, su
origen, su destino final, la materia y energía que lo componen, y los
principios fundamentales de su dinámica, es muy posible que ¡tú también quieras
dedicarte a la Física Teórica!
Ángel M. Uranga
Doctor
en Física Teórica
Profesor de Investigación,
Instituto de Física Teórica UAM-CSIC
Escucha música mientras lees.
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