Grandes retos del siglo XXI

METROLOGÍA

Esta disciplina concentra su atención en la implementación de protocolos que permitan realizar mediciones reproducibles con la máxima precisión accesible. Estas mediciones suelen referirse a objetos fundamentales como el tiempo. En este caso, muy recientemente se consiguió utilizar la lógica cuántica para medirlo usando un solo átomo y con un error de una parte en 1018, es decir, un segundo de error comparado con la edad del universo. Un reto es aplicar esta lógica novedosa en la medición de otras variables como la constante de estructura fina (que determina la intensidad de las interacciones electromagnéticas) que ahora se conoce con “sólo” 13 cifras significativas. Mediciones tan precisas son base del entendimiento al detalle de nuestro universo actual, pero también preceden dispositivos como el posicionador global (gps) o los controladores de telecomunicaciones.

FÍSICA ESTADÍSTICA

Ergodicidad e irreversibilidad, ¿cuándo es una aplicable y cuáles son los orígenes de la otra? Sistemas diversos en condiciones extremas poseen propiedades similares, ¿qué parámetros del sistema definen las clases de universalidad? ¿Cómo caracterizar la evolución de sistemas muy fuera de equilibrio? Y los sistemas desordenados, ¿ cómo sistematizar su estudio? Dada la impresionante capacidad de cómputo, las simulaciones numéricas de sistemas complejos, ¿pueden alcanzar el poder de predicción que permita en ocasiones obviar la realización de algunos experimentos?

ASTROFÍSICA

En otras contribuciones incluidas en este libro se mencionan en detalle algunos de los retos que encara la astronomía per se . Aquí sólo se mencionará que los avances tecnológicos recientes han permitido establecer puentes directos de la astronomía con la física de partículas y la cosmología. En este siglo, se están implementando detectores de partículas en el espacio y detectores de ondas gravitacionales. La radiación cósmica vuelve a ser un tema de frontera, y cada vez se ven más interacciones entre astrónomos y físicos de todas las áreas.

FÍSICA DE BAJAS TEMPERATURAS

Generar estados de la materia no convencionales a bajísimas temperaturas absolutas es ya cotidiano en muchos laboratorios (límite actual en la escala de nanokelvin). Es posible, además, controlar la interacción electromagnética entre los componentes de estos sistemas, así como su movimiento global, utilizando luz y campos magnéticos. Con estos sistemas se aprende sobre las correlaciones cuánticas en sistemas altamente controlados. Es un reto simular con ellos sistemas poco comprendidos en, por ejemplo, estado sólido. La generación y control de nubes atómicas ultra frías cerca de superficies permitirá hacer experimentos en microchips y diseñar componentes en los que, por ejemplo, se codificará y manipulará información con las reglas de la física cuántica. En la última década, ha sido posible generar gases degenerados formados no sólo por átomos, sino por moléculas simples. ¿Cuál es el límite con la tecnología actual? ¿Cómo romperlo?

FÍSICA BIOLÓGICA

Los sistemas biológicos son altamente complejos y el enfoque para su estudio no siempre coincide con la visión de un físico. Para él, de entrada, una pregunta fundamental corresponde a la identifición de elementos básicos comunes a fenómenos aparentemente muy diferentes. Entre los sistemas más estudiados en este ámbito durante la última década resaltan: en biología estructural, las proteínas vistas como máquinas moleculares, la caracterización física (mecánica y óptica) de procesos uni y multicelulares; los procesos estocásticos clásicos y cuánticos parecen clave en el entendimiento de fenómenos biológicos.

ACÚSTICA

Esta área tiene retos tanto intrínsecos como cercanos a otras muchas disciplinarias. Algunas de sus subdisciplinas son arqueoacústica, aeroacústica, procesamiento de señales acústicas, bioacústica, acústica arquitectónica, música, acústica submarina y acústica ambiental. Mencionemos algunos retos como la producción de espejos reversibles en el tiempo para la acústica oceanográfica, el uso de ultrasónido altamente enfocado en diagnósticos y tratamientos médicos, y el estudio de las respuestas psicológicas y fisiológicas al sonido de humanos y otras especies.

FÍSICA DE SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son la base de la electrónica de estado sólido contemporánea, incluidos los transistores, las celdas solares, los emisores de luz a base de diodos (LEDS), los puntos cuánticos y los circuitos integrados. Entre los retos de este siglo, se mencionan el entendimiento y uso de electrones en medios cuasi bidimensionales ante la presencia de campos electromagnéticos externos y la generación de dispositivos novedosos con éstos. Tales medios pueden ser superficiales o internos al material.

FÍSICA DE PARTÍCULAS

Nuevamente hay retos intrínsecos como las pruebas al modelo estándar, el desarrollo de técnicas matemáticas y computacionales no perturbativas y la posibilidad de una teoría de la gravedad cuántica. También hay retos multidisciplinarios que involucran a la cosmología y a la astrofísica. En la actualidad se implementan nuevos laboratorios terrestres y se aprovechan las observaciones de fenómenos extraterrestres.

FÍSICA NUCLEAR

Es un reto entender núcleos inestables naturales y generar núcleos inestables artificiales, en particular con alto exceso de neutrones. También hay que analizar los efectos en núcleos de altas presiones y altas temperaturas. Es muy importante la relación con la física de partículas elementales.

ELECTRÓNICA CUÁNTICA

Láseres ultracortos capaces de detectar la evolución de fenómenos atómicos de ionización y recombinación, fragmentación y formación de moléculas. Desarrollo de láseres de alta potencia y de luz con estructura y estadística no trivial. Dispositivos útiles en áreas tan diversas como la biofotónica y la ingeniería cuántica.

PLASMAS

Retos en comprensión y control de fusión, plasmas fríos, plasmas de alta densidad muy fuera de equilibrio y plasmas en la ionósfera. La relevancia de ellos en el laboratorio y en el espacio exterior.

FÍSICA ATÓMICA, MOLECULAR Y ÓPTICA

Retos en comprensión (mediciones de alta precisión y su comparación con la teoría) y control de átomos, moléculas y iones ultrafríos. La evolución temporal de procesos a nivel atómico, molecular y nanoscópico, y su manipulación mediante la interacción radiación con materia. Comprensión y control de la pérdida de coherencia cuántica de sistemas abiertos. Todo ello en el contexto de la ingeniería cuántica que incluye a la óptica cuántica.

Nótese que sólo dimos ejemplos acerca de algunas temáticas con grandes retos. Además, este resumen no menciona retos específicos de áreas tan extensas como la materia condensada, en particular líquidos, superficies e interfases. Tampoco menciona el control de campos electromagnéticos y campos magnéticos estáticos. Poco espacio hemos dejado a la física matemática y computacional. Y los retos en la enseñanza de la física en el ámbito internacional son enormes, y en el nacional, gigantescos.

¿Cuáles son las estrategias internacionales para enfrentar los retos del siglo XXI? Son muchas, algunas las podríamos llamar convencionales: grupos de trabajo en universidades, laboratorios nacionales o empresas que buscan respuestas a problemas muy específicos. Otras estrategias reflejan las facilidades enormes de la comunicación global. Vemos cada día con mayor frecuencia la formación de grandes grupos interdisciplinarios e internacionales. Estos grupos requieren de pocos líderes y muchos especialistas. Los ejemplos en funcionamiento actual muestran eficiencia, y México ha hecho esfuerzos claros para no quedar fuera de ellos. Debemos, sin embargo, ser cuidadosos y seguir formando científicos con bases sólidas y visión amplia, que no solamente sean parte de grandes proyectos internacionales sino que estén capacitados para ser sus líderes.