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Un Lego cuántico y relativista

posted Dec 3, 2015, 3:06 AM by Juan Jose Garcia-Ripoll
por Carlos Sabín, IFF-CSIC

¿Qué falta por hacer en el campo de la física teórica? Hace ya un siglo que el ser humano fue capaz de alcanzar dos grandes cimas de pensamiento: por un lado, la teoría de la relatividad especial y general; por otro, la mecánica cuántica. Por separado, así como combinadas en la muy exitosa teoría cuántica de campos, estas dos teorías nos permiten predecir el comportamiento de la Naturaleza en una variedad de regímenes que resulta bastante exótica para nuestra experiencia cotidiana: desde lo infinitesimalmente pequeño e insoportablemente frío hasta la estructura de nuestro Universo a gran escala. De esta manera el paradigma de la física newtoniana se amplió para abarcar aquello que estaba mucho más allá de los estrechos confines de nuestra percepción. 

De manera natural, los físicos teóricos han intentado desde entonces integrar ambas teorías en un mismo paradigma que, incluyéndolas a las dos, las desborde y termine así de completar nuestra comprensión de los mecanismos fundamentales de la Naturaleza. Como ya hemos indicado, relatividad y teoría cuántica se combinan dentro de la teoría cuántica de campos, cuyo poder de predicción es tal que ha sido capaz de conducir al descubrimiento de nuevas partículas elementales, como el bosón de Higgs. Sin embargo, esto es sólo posible en la medida en que es posible ignorar un último ingrediente de la realidad: orgullosa y distante cual irreductible aldea gala, la fuerza de la gravedad resiste los embates expansionistas de la teoría cuántica, capaces hasta ahora de someter bajo un mismo marco teórico a las otras tres fuerzas fundamentales de la Naturaleza. No tenemos teoría del todo, no entendemos la gravedad a nivel cuántico y eso nos impide acceder a algunas esquinas de la realidad: pequeños agujeros negros, pequeños universos.

Ante esta perspectiva, los físicos teóricos tenemos varias opciones. Por ejemplo, podemos permanecer obedientemente entre las cómodas y familiares paredes de nuestra habitación, jugando con juguetes cuyo comportamiento conocemos en todo detalle. También podemos asomarnos a la ventana, a la frontera de lo que conocemos e intentar vislumbrar lo que hay fuera. Los juguetes para hacer esto último son cada vez más sofisticados y caros: redes de telescopios gigantes combinados para observar los violentos suburbios de un agujero negro, grandes anillos donde las partículas se aceleran hasta la velocidad de la luz y chocan, dejando un rastro en el que intentamos vislumbrar nuevas partículas, dimensiones y simetrías, monstruosos interferómetros en los que buscamos detectar el efecto minúsculo de una ondulación del espacio-tiempo en la trayectoria de un haz láser… Y otros muchos experimentos de gran escala en los que rastreamos eventos ignotos con nombres formidables: ¡materia oscura!, ¡axiones!, ¡supersimetría!, ¡desintegraciones beta dobles sin neutrinos!…

Hay también una tercera vía, al menos (muy adecuada para aquellos que no manejamos grandes presupuestos): tras echar un vistazo a la ventana, volver a tu habitación y usar los juguetes como un Lego, es decir, usarlos para construir el mundo que, mitad percibido y mitad imaginado, has vislumbrado ahí fuera. Para esto, entre otras muchas cosas, sirven las simulaciones cuánticas, un área emergente de la física en la que se usan sistemas cuánticos que somos capaces de manipular en el laboratorio para emular a otros sistemas cuánticos (o al menos algunas de sus propiedades) a los que no tenemos tan fácil acceso. Por supuesto, los simuladores cuánticos tienen importantes aplicaciones tecnológicas, y, de hecho, podemos entenderlos como un ejemplo de ordenador cuántico dedicado a resolver únicamente un problema concreto. Pero también pueden ser un Lego para explorar las fronteras de la física teórica.

Una de esas fronteras es la relación entre efectos cuánticos y relativistas en un mismo sistema físico: por ejemplo, el efecto de grandes velocidades, aceleraciones o campos gravitatorios en las tecnologías cuánticas que se avecinan. Aunque a primera vista parece un tema un poco exótico y sin mucha aplicación, lo cierto es que podría ser relevante para los proyectos que planean, en un futuro no muy lejano, usar tecnología cuántica en el espacio. 

A esto, al Lego cuántico y relativista, me dediqué fundamentalmente durante los tres años que trabajé en la Universidad de Nottingham y este es también el núcleo del proyecto "Tecnologías cuánticas 3.0" con el que vuelvo a España (en concreto al Instituto de Física Fundamental del CSIC en Madrid) a dirigir mi propia línea de investigación durante los próximos tres años.  Esto es posible gracias a la primera convocatoria del programa ComFuturo de la Fundación General CSIC, un esquema de colaboración público-privada pionero en España en el que la iniciativa privada financia investigación básica dirigida por jóvenes doctores en centros de investigación públicos

Carlos Sabín Lestayo
Carlos Sabín Lestayo es Investigador del programa ComFuturo en el Instituto de Física Fundamental del CSIC.