Reptes de la Física

2022/03/01 Errea Lope, Ion - Fisikako doktoreaEHUko iraskalea, CFM eta DIPC zentroetako ikertzaile eta Jakiundeko kidea | García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Nanoteknologia
• Materialak

400

La Física ens ha obert mons inèdits i suggeridors, imperceptibles pels nostres sentits. De la mà de la física, des de la recerca de l'univers fins la nanotecnologia, han vingut molts avanços en ciència i tecnologia en les últimes dècades. Però quins són els principals reptes de la física en aquest segle?

Seran, sens dubte, molt variades. Conscients de què és la matèria fosca i l'energia fosca, de què la fusió nuclear és l'obtenció d'energia il·limitada, de què la nanotecnologia pot desenvolupar que la medicina i la ciència dels materials, de què són ordenadors quàntics… Conscients de què hi haurà tanta opinió com la física, hem convidat a reflexionar als físics de dos àmbits:

 

“La revolució del segle passat s'arrodonirà en aquest segle”

Ió Errea Lope

Físic. Investigador UPV, CFM i DIPC

El gran físic Lord Kelvin va afirmar en 1900 que no hi havia res que descobrir en la física. Només quedava fer mesuraments encara més precises, convençuts de què això no anava a portar res nou.

XX. Però el segle XX va suposar la revolució de la física. La física quàntica i la teoria de la relativitat van revolucionar tots els paradigmes fins llavors. El primer ens ha ensenyat com és el món més petit, el dels àtoms i el de les partícules. El segon ha ampliat una nova dimensió de l'univers. XX. El segle XX va pertànyer a la física, ja que aquestes noves teories han suposat una gran revolució tecnològica que es reflecteix en la digitalització i la medicina actuals.

Contacte amb els extrems

Aquest segle no serà el de la física, però la influència d'aquest enorme desenvolupament conceptual que la física va tenir en el segle passat encara no s'ha materialitzat. Hi ha molt que desenvolupar. Potser aquest és el major repte actual de la física: seguir desenvolupant fins la punta aquesta nova física moderna del segle passat i portar les aplicacions fins l'extrem. I això, per descomptat, tindrà una gran influència en les revolucions que es duran a terme en altres disciplines, és a dir, en les neurociències i en la biologia que estan a la pila. De fet, tal com la ressonància magnètica actual en el diagnòstic mèdic no pot ser entesa sense física quàntica, les noves tècniques que s'utilitzaran per estudiar la neurona amb el comportament neuronal es desenvoluparan també des de la comprensió àtom a àtom de la interacció entre neurones, proteïnes i camps electromagnètics.

En el segle passat es van desenvolupar les teories de les partícules elementals que componen la matèria. En 2012, l'anomenat model estàndard es va arrodonir amb el descobriment experimental del bosó Higgs. Més enllà de les partícules que descriu aquest model, els físics estan convençuts de què deuen existir noves partícules més pesades que no puguin generar en els acceleradors actuals. Aquestes partícules podrien ser responsables de la matèria fosca de l'univers. L'accelerador LHC, utilitzat per localitzar el bosó Higgs, ha romàs aturat en els últims anys, però enguany tornarà a funcionar rere importants millores. Seran suficients aquestes innovacions per observar noves partícules? Hi ha esperança. Si observem noves partícules o fenòmens, és possible que s'aclareixi la confusió que existeix actualment en la teoria, ja que són moltes les propostes que superen el model estàndard de partícules elementals, i per descomptat, no totes poden ser correctes.

•

Un dels majors imprevistos de la física de materials va ser trobar superconductivitat en 1911. Ningú esperava que un metall perdés tota la seva resistència elèctrica per sota d'una temperatura. Des de llavors, una de les principals preguntes és si és possible la superconductivitat en condicions d'erosió. Els experiments fets en els últims anys han demostrat que la superconductivitat a alta pressió és possible en compostos rics en hidrogen. El principal repte dels pròxims anys serà determinar si existeix en la pressió un compost amb hidrogen tan superconductor a tan alta temperatura. Per respondre a aquesta pregunta serà necessària l'ajuda dels càlculs teòrics, que permeten d'una banda predir a quina temperatura es converteix un material en superconductor i, per altre, determinar si els possibles nous materials són estables.

Física XX. Encara que penso que seguirà fent la revolució del segle XX, no volgués repetir l'error de lord Kelvin. Podrien venir sorpreses que podrien canviar la direcció d'estudi de la física.

 

"El repte és desenvolupar recursos per construir i controlar sistemes quàntics"

Maia García Vergniory

Físic. Investigador DIPC

El major repte de la física no té per què venir de la resolució d'un problema concret. Crec que el principal repte de la física és explotar els coneixements adquirits i les noves portes que ens obren les noves eines. Per exemple, la porta que ha obert el món quàntic.

Es diu que la tecnologia del futur es basarà en les tecnologies quàntiques, però què són les tecnologies quàntiques? En realitat, des que en 1947 els laboratoris Bell van dissenyar el primer transistor de silici estem utilitzant la tecnologia quàntica. Des de llavors, en essència, tota la nostra tecnologia es basa en els principis de la física quàntica.

Fonaments de tecnologies quàntiques

Tanmateix, els transistors utilitzats fins el moment només utilitzen dues propietats del món quàntic esmentat: la dualitat ona -partícula i l'estadística quàntica. La dualitat ona - partícula ens indica que una partícula pot tenir un doble comportament, és a dir, com ona i com partícula. L'estadística quàntica fa referència a l'estadística d'electrons en el cas del transistor.

D'altra banda, existeixen dues menes de física quàntica: els bosons i els fermions. El bosó (per exemple, els fotons són bosons) es regeix per l'estadística coneguda com Bose-Einstein, és a dir, a una temperatura de 0 absoluts tots adopten el mateix estat quàntic, amb la mateixa energia. Però amb els fermions (els electrons, per exemple, són fermions) no ocorre el mateix, ja que no poden estar dos fermions en les mateixes condicions, tenen prohibida l'ocupació de la mateixa situació, per que encara que estigui en el 0 absolut, cada fermió tindrà el seu propi nivell d'energia.

Aquesta qualitat permet que els electrons, les partícules que porten corrent elèctric, adquireixin diferents situacions d'energia quan orbiten al voltant dels àtoms. La construcció del transistor convencional s'ha basat en la manipulació dels nivells dels electrons més energètics. Llavors, en què es basen les noves tecnologies quàntiques?

Noves tecnologies quàntiques

Les noves tecnologies es basen en el desbordament quàntic i en el nus quàntic. Aquests fenòmens són conseqüència de la dualitat ona -partícula. Igual que les ones produeixen interferències, els estats quàntics també tenen interferències, per que un electró pot estar en l'un o l'altre estat o en la superposició entre tots dos estats. Definim el bit quàntic (quàntum-bit - Qbit, en anglès, bit quàntic) com un sistema de dos nivells en el que els electrons poden estar en l'un o l'altre estat o en tots dos simultàniament. Aquesta seria la unitat d'informació d'un ordinador quàntic.

D'altra banda, els Qbit es connecten entre si mitjançant el fenomen denominat "trava quàntica". Quan dos o més objectes estan entrellaçats entre si, en l'estat del sistema es tenen en compte tots els objectes, i podem descriure tot el sistema mitjançant una única situació, fins i tot quan els objectes estan separats o allunyats en l'espai. Es pot comprovar que els N qbits contenen informació de 2N, per que són molt més ràpids que els ordinadors clàssics.

Utilitzant tot el seu potencial, els ordinadors quàntics podrien, entre altres, aprofundir en les propietats de molècules complexes que contenen milions d'àtoms, simular les propietats de les partícules elementals, analitzar el comportament quàntic d'un forat negre o l'evolució de l'univers.

Tanmateix, les noves propietats esmentades es coneixien des de fa temps; Einstein, Podolsky i Rosen ja en 1935, en la formulació de l'anomenada paradoxa EPR, van anunciar l'embolic quàntic. Per què hem trigat tant temps en desenvolupar aquesta tecnologia?

El problema consisteix que no podem observar, manipular o mesurar el món quàntic sense pertorbar el sistema. Si volem que un sistema quàntic processi informació, devem mantenir-lo aïllat de l'exterior, que no és tècnicament fàcil. En el laboratori s'han fet passos, però queda molt treball. Per tant, el nostre repte de futur és el desenvolupament de recursos científics i tecnològics per la construcció i control de complexos sistemes quàntics, capaços d'utilitzar noves tecnologies quàntiques.