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La Física del Siglo XX a Vuelo de Pájaro

En diciembre de 1995, cuando la Academia Nacional de Ciencia Exactas, Físicas y Naturales lo designó miembro honorario, Juan José Giambiagi habló de la física de este siglo a punto de concluir y de su visión de lo disciplina en el próximo. Ciencia Hoy reproduce aquí su disertación, ante todo, porque sintetizo el pensamiento de uno de los físicos de mayor influencia, por más de tres décadas, en la Argentina y en la región. Además, el nombramiento de un miembro honorario -la principal distinción conferida por la Academia- constituye, de por sí un hecho especial que merece atención. Y, finalmente, como esta resultó su charla póstuma, pues Giambiagi murió poco después, a comienzos de 1996, el texto tiene el valor de un documento histórico, que su publicación ayudará a conservar.

fisica

(Para profundizar el pensamiento del conferencista, véase 'La física latinoamericano busca su identidad', Ciencia Hoy, 4:12, 1989). Juan José Giambiagi había nacido en Buenos Aires en l 924, obtenido su doctorado en física en l 950 y, desde 1976, trabajaba en el Brasil.

Estamos llegando al final del siglo XX. Es difícil resistir a la tentación de echar una mirada retrospectiva, a vuelo de pájaro, a lo que fue la física en este siglo y a su trascendencia en la vida de la sociedad humana. Tampoco es fácil evitar realizar predicciones para el siglo XXI, aun siendo conscientes de que ninguno de los grandes físicos de fines del siglo pasado hubiera acertado haciendo predicciones para el presente siglo basadas en la física del XIX. Pero como personalmente no soy uno de los grandes físicos de este siglo, pido la buena voluntad de los lectores de aquí a cien anos, cuando llegue el momento de la verdad.

Sucede que las transformaciones inducidas por la física en este siglo fueron absolutamente revolucionarias, desde todos los puntos de vista (filosófico, científico, industrial, social, etc.). Lo mismo prometen las del siglo XXI, aunque sean de distinta naturaleza. La revolución científica comenzó en el año 1905, con la relatividad especial, que acabó con la noción de tiempo absoluto. En 1917, la relatividad general terminó con el concepto del espacio-tiempo plano. En 1925 llego la mecánica cuántica y con ella, el gran impacto en la filosofía, ya que la física deterministica, que afectó a todas las otras ciencias, había sido la base de la filosofía positivista. La mecánica cuántica también planteó, en otros términos, la cuestión de nuestro conocimiento de la realidad objetiva, independiente del observador. Tal supuesta realidad objetiva escapa a nuestra observación directa, debido a que lo que vemos y medimos es, siempre, la realidad objetiva más la influencia de nuestro aparato de observación. Esta fue una contribución fundamental a la teoría del conocimiento.

Pero la repercusión de la mecánica cuántica no fue solamente filosófica. Gracias a ella pudimos entender la tabla periódica de los elementos. También comprendimos las 'rayitas' con que se simbolizan las valencias químicas. Pudimos entender y predecir el comportamiento microscópico de los materiales. Recordemos que los átomos y moléculas tienen dimensiones del orden de 10-8cm. Casi todas las propiedades de los materiales que usamos están asociadas con esta distancia, lo mismo que la materia biológica. Es bueno recordar esta distancia, pues volveremos después a ella.

Es claro que la curiosidad del hombre no se detuvo ahí (tabla 1). Quiso saber qué había en el centro de los átomos, en los núcleos. Las dimensiones asociadas con los núcleos atómicos son de:orden de 101 2cm (diez mil veces menores que las de los átomos): las energías asociadas son diez mil veces mayores, ya que la energía crece con la inversa de la distancia. El hombre exploró esas distancias y aprendió que los núcleos tienen protones y neutrones. Estudió la dinámica de los núcleos y vio que podía obtener energía en forma explosiva (como en las Dombas) o controlada (como en las centrales nucleares). Las primeras bombas de Hiroshima y Nagasaki fueron una pálida imagen de las posteriores de hidrógeno. Cada una de estas últimas tiene un poder destructor igual a treinta veces el de todas las arrojadas durante la segunda guerra mundial. Siempre es útil recordar que, al finalizar la guerra fría, las grandes potencias tenían almacenadas alrededor de 30.000 bombas del segundo tipo. Es para sentir escalofríos.

Estamos llegando al final del siglo XX. Es difícil resistir a la tentación de echar una mirada retrospectiva, a vuelo de pájaro, a lo que fue la física en este siglo y a su trascendencia en la vida de la sociedad humana. Tampoco es fácil evitar realizar predicciones para el siglo XXI, aun siendo conscientes de que ninguno de los grandes físicos de fines del siglo pasado hubiera acertado haciendo predicciones para el presente siglo basadas en la física del XIX. Pero como personalmente no soy uno de los grandes físicos de este siglo, pido la buena voluntad de los lectores de aquí a cien años, cuando llegue el momento de la verdad.

Sucede que las transformaciones inducidas por la física en este siglo fueron absolutamente revolucionarias, desde todos los puntos de vista (filosófico, científico, industrial, social, etc.). Lo mismo prometen las del siglo XXI, aunque sean de distinta natruraleza. La revolución científica comenzó en el año 1905, con la relatividad especial, que acabó con la noción de tiempo absoluto. En 1917, la relatividad general terminó con el concepto del espacio-tiempo plano. En 1925 llego la mecánica cuántica y, con ella, el gran impacto en la filosofía, ya que la física deterministica, que afectó a todas las otras ciencias, había sido la base de la filosofía positivista. La mecánica cuántica también planteó, en otros términos, la cuestión de nuestro conocimiento de la realidad objetiva, independiente del observador Tal supuesta realidad objetiva escapa a nuestra observación directa, debido a que lo que vemos y medimos es, siempre, la realidad objetiva más la influencia de nuestro aparato de observación. Esta fue una contribución fundamental a la teoría del conocimiento.

La pregunta ¿energía nuclear si o no? continúa sin respuesta firme. La teoría de los reactores nucleares es satisfactoria para los primeros veinte años de funcionamiento, pero después esas máquinas se comportan en forma diferente de la prevista: las constantes dejan de ser tales y cambian con el tiempo, por lo general en forma imprevisible. Es necesario un esfuerzo conjunto de físicos e ingenieros para resolver este importante problema, la necesidad de cuya solución se puede tornar cada vez más aguda en los próximos cincuenta años, a menos que se tenga éxito en las obtención de energía a partir de la fusión de elementos livianos.

Volvamos ahora a las distancias subatómicas. Es claro que la curiosidad del hombre tampoco se detuvo en los 10-12cm. Hoy sabemos que los protones y neutrones están formados por tres quarks cada uno. Un protón consta de dos quarks U (up) y uno D (down), mientras que un neutrón esta constituido por la configuración DDU. Las dimensiones de un quark son del orden de 10-16cm. En la actualidad pensamos que los constituyentes elementales de la materia son los quarks, los cuales, paradójicamente, no pueden ser observados libres sin romper la consistencia de la teoría. Aparecen siempre combinados de a dos o tres, como muestra la tabla 2, y dan así origen a protones, neutrones, mesones y a todas las partículas hadrónicas (aquellas que sufren interacciones nucleares fuertes) observadas hasta ahora. Pero este avance permanente hacia distancias cada vez más pequeñas tropieza con ingentes problemas de todo tipo. Cada progreso importante, cada salto, ha implicado energías del orden de 10.000 veces mayores. El principal acelerador actualmente en uso produce protones de 1TeV (un millón de millones de electrón-voltios de energía -1eV es la energía ganada por un electrón cuando es acelerado en un campo eléctrico de un voltio-). El Congreso de los Estados Unidos acaba de rechazar un proyecto para construir en Texas un nuevo acelerador de partículas, que hubiera costado arriba de diez mil millones de dólares, después de una discusión que duró varios ahos. Aprobó, en cambio, una partida de seiscientos millones de dólares para cerrar todos los laboratorios que se ocupaban del proyecto e indemnizar a los perjudicados. Me refiero al famoso SSC (superconducting supercolliderer). Vemos, entonces, que la curiosidad tiene un precio cada vez mayor cuanto menores son las distancias en cuestión. Podríamos pensar en la existencia de una escala humana, la de las distancias moleculares, de la que dependen las propiedades microscópicas de la materia y las de la materia biológica. Distancias millones de veces menores, como las características de los quarks, escapan a la escala humana. El ejemplo del SSC es muy interesante e ilustrativo de la problemática de la política científica en el primer (primerisimo) mundo. No es obvio que pasar de 1TeV a 2OTeV nos hubiera llevado a una nueva teoría, o a la teoría de todo (TOE, por theory of everything), como se la designa actualmente. Sus detractores la llaman TON (theory of nothing). Los alquimistas querían hacer transformaciones nucleares con energías químicas, miles de veces menores que las necesarias para lograr ese objetivo. ¿Por qué, ahora, un factor 20 nos llevaría a teorías revolucionarias acerca de la estructura de la materia?

Conviene señalar que toda la física tiende a la unificación de conceptos. Newton unificó cuando observó que la caída de la manzana y la rotación de la Tierra alrededor del Sol se debían a una misma fuerza. Maxwell unificó los campos magnético y eléctrico y mostró que eran dos caras de una misma moneda. Después, Einstein unificó el electromagnetismo con la cinemática y tentó pero no consiguió- unificar el electromagnetismo con la gravitación (los dos únicos campos conocidos a comienzos de siglo). Esa tendencia a unificar conceptos fue uno de los Leitmotive de la física durante todo el siglo y llevó, en los últimos años, a una teoría unificada del campo electromagnético con las llamadas interacciones débiles. Tal unificación permitió predecir la existencia de nuevas partículas, las W (positiva y negativamente cargadas) y el Z (neutro). Luego tuvo lugar la tentativa de unificación con las fuerzas nucleares, que constituye el modelo standard, que explica muy satisfactoriamente los fenómenos en los que no interviene la gravitación. La unificación con la gravitación un verdadero desafío para fiscos y matemáticos- queda para el próximo siglo.

Tabla 1. LA FISICA DEL SIGLO XX

Relatividad Especial - 1905

Relatividad General - 1917

Mecánica Cuántica - 1925

Neutrón - 1932

Fisión Nuclear - 1939

Energía Nuclear - 1942

Semiconductores - 1954

Computadoras Transistorizadas - 1960-70

Q.C.D., Salam-Weinberg - 1970-80

Efecto Hall Cuántico - 1980-90

Láseres Cuasicristales - 1980-90

Microscopio Efecto Túnel Superconductividad - 1982

Altas Temperaturas - 1985

Ingeniería Nanométrica - 1990

Motores Biológicos - 1990

Sistemas Neuronales - 1990

La física de partículas elementales se ha transformado en una gigantesca empresa, con la consiguiente dispersión de los esfuerzos necesarios para asegurar el flujo de dinero que ella demanda. Esto es particularmente cierto para los aceleradores gigantes (CERN, Fermilab), pero hay una característica nueva: el tiempo que transcurre desde el enunciado de una teoría hasta su verificación experimental también está escapando del ámbito de la escala humana, Por ejemplo, la llamada supersimetria, una teoría enunciada hace ya veinticinco años, todavía carece de verificación experimental. Es probable que haya que esperar otros veinticinco años, después de los cuales la respuesta de la naturaleza podría ser negativa. Son tiempos de espera que escapan de la escala humana. ¡ Qué lejos estamos de aquella interacción directa entre teoría y experiencia que fue -y continúa siendo- característica de muchos campos de la física!. Es probable que, en el próximo siglo, las observaciones de muy altas energías no se hagan por medio de aceleradores sino mediante el estudio de la radiación cósmica y con telescopios tipo Hubble, colocados fuera de la órbita terrestre.

Observemos que, al acercarse a distancias cada vez más pequeñas, el hombre se escapa de lo que hemos llamado las dimensiones de la escala humana: pero, obviamente, aún quedan muchos interrogantes en esa escala. El estudio de los sistemas complejos -compuestos por millones y millones de átomos y moléculas- es otro de los grandes problemas a resolver. Es el campo que se denomina genéricamente materia condensada, que adquiere cada día más importancia teórica y práctica. Veámoslo un poco, ya que su influencia en la sociedad humana será muy revolucionaria. El paso inicial fue dado por el descubrimiento de los semiconductores, que permitieron el desarrollo de los transistores y la substitución de las válvulas electrónicas por estos. Sin este cambio hubieran sido imposibles las computadoras en su forma actual, pues se hubiera necesitado una cantidad muy grande de válvulas y, dada su vida media, siempre alguna habría estado en reparación. Además, el volumen de una computadora sería enorme. Entre paréntesis, los semiconductores y las válvulas dieron un ejemplo concreto de la importancia que tiene para un país en desarrollo el contacto con los medios científicos avanzados. El presidente Nasser de Egipto, realizó un gran esfuerzo financiero para construir una fabrica de válvulas; cuando la terminó, no pudo hacer otra cosa que cerrarla, pues los transistores ya la habían hecho obsoleta.

En la ultima parte del siglo hubo varios descubrimientos trascendentales, tanto por sus consecuencias teóricas como por sus aplicaciones. Cabe señalar al efecto Hall cuántico; en determinada experiencia en que los físicos esperaban encontrar una línea recta, hallaron, en cambio, una escalera con saltos bien definidos, tanto que llevaron a las mejores mediciones de la constante de estructura fina, mucho mejores que las hechas sobre sistemas simples. Parece paradójico que sistemas complejos, con millones de átomos completamente diferentes, con impurezas, etc., tengan valores determinados con una precisión hasta ahora desconocida. Para explicarlo, este fenómeno requiere de nuevas estructuras matemáticas aplicadas a la descripción de los fenómenos físicos. La topología irrumpió en la física por la vía de experimentos concretos en materia condensada, campo en el que tiene mucho más vigor que en el de partículas elementales, donde comenzó.

Otro descubrimiento que generó muchas esperanzas, todavía no concretadas, fue el de la superconductividad de altas temperaturas. Si bien éstas se ubican en el orden de los cien grados baje cero, se la llama así porque la superconductividad era un fenómeno conocido sólo para la temperatura del helio liquido, cercana al cero absoluto. El helio es muy escaso en la Tierra, en contraposición con el nitrógeno, mucho más barato, con el que pueden obtenerse esas temperaturas de cien grados baje cero. Este hecho abrió perspectivas de industrialización en gran escala, pero, lamentablemente, subsisten todavía dificultades no solucionadas. Las cosas resultaron más difíciles de lo que se previó en el primer momento, aunque hay esperanzas de que, hacia el final del siglo, se puedan generar aplicaciones industriales.

Tabla 2. Estructura de la Materia

Quarks(spin ½) - Carga Eléctrica

Up - 2/3

Down - -1/3

Charm - 2/3

Strange - -1/3

Top - 2/3

Bottom - -1/2

Partículas - Configuración - Carga

Protón - UUD - 1

Neutrón - UDD - 0

Pion+ - UD - 1

Pion- - UD - -1

Kaon - DS - 0

Kaon- - SU - -1

Siguiendo con la enumeración de descubrimientos importantes de los últimos años, debemos mencionar los cuasicristales, sobre los que vale la pena detenerse para hacer algunas observaciones. El hombre aceptó siempre, como una realidad objetiva del mundo exterior que el espacio-tiempo tiene cuatro dimensiones (tres del espacio y una del tiempo). Sin embargo, las modernas teorías de cuerdas encuentran que cuatro no es un valor adecuado para los fenómenos subnucleares. Hay también aquí algunos resultados experimentales que es interesante recordar. Haciendo difracción de rayos X se encontraron estructuras pentagonales, pero como no hay ninguna estructura cristalina pentagonal, se las llamó cuasicristales (de AI-Mn-Si). Sin embargo, estudiando grupos cristalográficos en cuatro y cinco dimensiones, se encontró que los cuasicristales son proyecciones de cristales de cuatro y cinco dimensiones. No es aventurado decir pues, que tenemos indicaciones de la existencia de dimensiones por encima de cuatro. Es probable que la cuarta dimensión sea un prejuicio heredado de los siglos XIX y XX.

Quiero ahora pasar a unas consideraciones muy divertidas y de consecuencias muy grandes. Hace treinta y tres años, R. Feynman, premio Nobel, dio un after dinner talk en una reunión de la American Physical Society en la que llamó la atención sobre la importancia de poder acumular gran cantidad de información en muy pequeño volumen; escribir la Biblia en la cabeza de un alfiler. Para ello tendríamos que poder manipular átomos y moléculas individualmente –explicó-, lo que permitiría fabricar motores que afectaran a miles y miles de moléculas. Feynman señaló la importancia de repetir el proceso biológico, pero con máquinas diseñadas por el hombre. Nadie prestó gran atención a sus ideas en ese momento; se pensó que eran extravagancias del genio. Sin embargo, tales ideas han cobrado actualidad en los ultimes años -más específicamente en los últimos tres años- gracias al descubrimiento del microscopio por efecto túnel, STM (scanning tunneling microscope). Ahora no sólo podemos fotografiar cada átomo o molécula sino, también, como se hizo en un laboratorio de la IBM, manipular cada átomo y llevarlo de un lugar a otro. Es así como los investigadores de la IBM escribieron este nombre en dimensiones de diez a veinte Ángs- troms. Por eso se empezó a llamar a tal rama de la ingeniería, nanométrica (10-9metros). Dado que con un millón de letras se escribe un libro, la predicción de Feynman está ya en el limite de lo posible; se podrá poner toda la información de un libro en la cabeza de un alfiler. Un bit de información pasa a ser un átomo. En un centímetro cuadrado hay, alrededor de un cuatrillón de átomos. Puesto que con un millón de átomos se tiene, aproximadamente, la información de un libro, el numero de átomos que hay en un centímetro cuadrado permite acumular la información de mil millones de libros, es decir de todo el acervo de la cultura humana. La capacidad de memoria de las computadoras se va a multiplicar por un millón (a igualdad de volumen).También será posible detectar en una superficie la primera molécula que sufra una transformación química. Al comienzo se hicieron muñecos de dimensiones atómicas, pero pronto se encararon cosas más concretas, como conductores, y se vio la posibilidad de fabricar motores atómicos. No hace falta mucha imaginación para percibir que las aplicaciones de lo anterior en medicina, así como en muchas otras disciplinas científicas y técnicas, pueden ser espectaculares. Hace tres años la cantidad de científicos en este campo no excedía de dos mil. Hoy son más de cien mil y su numero crece. Es claro que se necesita mucha investigación básica acerca de este tema. Japón tiene para ello un laboratorio con un presupuesto del orden de mil millones de dólares por año; algo semejante sucede en los Estados Unidos y en la Unión Europea. Creo que se trata de un campo en el que debemos entrar agresivamente y con la mayor colaboración posible entre los países de América latina. Todos estos fenómenos han dado al hombre gran habilidad en una ingeniería en la que los fenómenos elementales están regidos por leyes cuánticas.

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Para resumir las predicciones para el próximo siglo (siempre con las reservas mencionadas al comienzo), no me parece que habrá descubrimientos espectaculares con aceleradores de partículas. Si hubiera algún avance importante en las altas energías (distancias muy pequeñas), provendrá de observaciones con el telescopio Hubble o sus similares que se construyan a lo largo del siglo. En cambio, creo que se verificará un gran progreso en el estudio de los sistemas complejos, con gran repercusión en las aplicaciones.

También creo que las técnicas de la ingeniería nanométrica tendrán grandes consecuencias para la sociedad. Es necesario tener presente que las universidades y, en ellas, la investigación básica, serán los instrumentos fundamentales de la transformación de nuestras sociedades modernas. Modernidad, hoy, significa capacidad de realizar investigación científica del más alto nivel.

El siglo que viene verá al hombre viajando por el sistema solar a Marte, Júpiter, etc. Verá, también, las primeras estaciones artificiales que alberguen seres humanos intentando sobrevivir cuando las transformaciones solares hagan imposible la vida en la Tierra. En una proyección milenaria, es la lucha del ser humano por su dudosa supervivencia histórica.

Lecturas Sugeridas

FEYNMAN, R.P., trabajo presentado en la reunión anual de la American Physical Society, diciembre 29 de 1959, reimpreso en H.D. Gilbert, ed., 1961, Miniaturizatio, Reinhold, New York.

FREEDMAN, D.H., 1993, 'How to get intimate with atoms', Science, 262:1376.

STROSCIO, J.A. & EIGLER, D.M, 1991, 'Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope', Science, 254:1319.

SUNDARAM, M., CHALMERS, S.A, HOPKINS, P.F. & GOSSARD, A.C., 1991, 'New quantum structures', Sciemce, 254:1326.

WHITESIDES, C.M., MATHIAS, J.P. & SETO, C.T., 1991,’ Molecular self-assembly and ranochemistry; a chemical strategy for tre synthesis of nanostructures, Science, 254:1312.

Conferencia de Juan J. Giambiagi
en la Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Buenos Aires

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