lunes, 15 de enero de 2018

Yo quiero ser Físico Teórico - Ángel M. Uranga

Y yo quiero ser...Físico Teórico
(Por Ángel M. Uranga)

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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.

Fig. 1. La Física Teórica abarca las principales incógnitas del Universo, desde lo infinitamente pequeño a lo infinitamente grande.

¿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

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