{"id":558,"date":"2018-02-26T13:32:26","date_gmt":"2018-02-26T12:32:26","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/?p=558"},"modified":"2018-02-26T13:32:26","modified_gmt":"2018-02-26T12:32:26","slug":"hardware-y-software-en-la-fisica-fundamental-el-tamano-importa-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/2018\/02\/26\/558\/","title":{"rendered":"Hardware y software en la f\u00edsica fundamental. \u00bfEl tama\u00f1o importa?"},"content":{"rendered":"

Por\u00a0\u00a0Javier Mart\u00edn Garc\u00eda<\/a>\u00a0(Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)<\/p>\n

Desde los tiempos de los grandes fil\u00f3sofos griegos, una de las mayores ambiciones intelectuales de la humanidad ha sido la de contestar a las grandes preguntas de la metaf\u00edsica: \u00bfQu\u00e9 somos? \u00bfDe d\u00f3nde venimos? \u00bfA d\u00f3nde vamos?<\/p>\n

Sin duda, muchas han sido las respuestas que se han dado a lo largo de la historia a este tipo de cuestiones, pero es justo decir que las \u00fanicas que parecen acercarse a la verdad son aquellas que han utilizado el m\u00e9todo cient\u00edfico<\/em>. \u201cCiencia\u201d, sin embargo, es un concepto muy amplio y podr\u00edamos decir que cada una de sus ramas ha dado respuestas diferentes en sucesivos niveles de abstracci\u00f3n: desde la c\u00e9lebre teor\u00eda de la evoluci\u00f3n de Darwin en el contexto de la biolog\u00eda, hasta el Modelo Est\u00e1ndar de la f\u00edsica de part\u00edculas.<\/p>\n

Olvid\u00e9monos sin embargo de todos los pasos intermedios (biolog\u00eda, qu\u00edmica, etc.), para tratar de dar la respuesta m\u00e1s b\u00e1sica posible a estas preguntas: la de la f\u00edsica fundamental. Pero, para ello, debemos empezar por formular las preguntas en los t\u00e9rminos adecuados. Vayamos por partes.<\/p>\n

Hardware<\/strong><\/p>\n

Cuando miramos a nuestro alrededor, inmediatamente nos damos cuenta de que existe una enorme variedad de objetos y sustancias en la naturaleza, lo que convierte la descripci\u00f3n del mundo en una tarea bastante ardua. Es muy natural sin embargo preguntarse si esta espectacular diversidad es la mejor respuesta posible o podemos encontrar elementos m\u00e1s simples en cuyos t\u00e9rminos describir a todos los dem\u00e1s. Una forma m\u00e1s precisa, por tanto, de preguntarnos \u201c\u00bfqu\u00e9 somos?\u201d podr\u00eda ser \u201c\u00bfde qu\u00e9 estamos hechos?\u201d.<\/p>\n

Para un bi\u00f3logo estamos hechos de \u00f3rganos, de tejidos, de c\u00e9lulas\u2026 Para un qu\u00edmico, de agua, de calcio\u2026 Para un f\u00edsico, de part\u00edculas elementales. El propio concepto de \u201cpart\u00edcula elemental\u201d ha variado (y sigue haci\u00e9ndolo) a lo largo de la historia, pero dejemos esto para m\u00e1s adelante y qued\u00e9monos de momento con la idea de que la respuesta de la ciencia a esta primera pregunta es de car\u00e1cter descriptivo<\/strong>, y consiste en identificar los objetos m\u00e1s simples de la naturaleza. Una vez que hemos hecho esto, ya tenemos nuestro hardware<\/em>. \u00bfQu\u00e9 podemos hacer ahora con ellos?<\/p>\n

Software<\/strong><\/p>\n

\u00bfDe d\u00f3nde venimos y a d\u00f3nde vamos? O, mejor dicho, \u00bfcu\u00e1l es la din\u00e1mica<\/strong> del universo? Se trata de nuevo de una pregunta muy natural puesto que, como dec\u00edamos antes, identificar el hardware s\u00f3lo describe la realidad presente pero no nos dice nada de su historia pasada o futura. Necesitamos que la ciencia sea predictiva<\/strong>. \u00bfQu\u00e9 mantiene a las part\u00edculas elementales unidas? \u00bfC\u00f3mo se mueven con el tiempo? En definitiva: \u00bfcu\u00e1l es el software<\/em> de la naturaleza?<\/p>\n

La respuesta a esta pregunta tambi\u00e9n ha cambiado a lo largo de la historia, perfeccion\u00e1ndose y precis\u00e1ndose, pero en cualquiera de sus \u00e9pocas ha conformado ese concepto abstracto que conocemos como \u201cleyes de la f\u00edsica\u201d. Unas leyes que, convenientemente expresadas en el lenguaje de las matem\u00e1ticas, aspiran a predecir el futuro de un sistema f\u00edsico dadas sus condiciones iniciales.<\/p>\n

\u00bfEl tama\u00f1o importa?<\/strong><\/p>\n

Como hemos dicho, la respuesta a estos interrogantes ha variado enormemente a lo largo de la historia de la ciencia, pero \u00bfsignifica esto que ahora las contestamos mejor? En parte s\u00ed, pero en la mayor\u00eda de los casos esto no implica que la respuesta anterior fuese incorrecta, sino simplemente que con el paso del tiempo hemos sido capaces de observar la naturaleza m\u00e1s de cerca, permiti\u00e9ndonos descubrir detalles que antes no conoc\u00edamos y para los cuales han tenido que desarrollarse nuevas descripciones.<\/p>\n

El caso del hardware es el m\u00e1s sencillo de comprender. Desde el atomismo filos\u00f3fico de Dem\u00f3crito a las part\u00edculas del Modelo Est\u00e1ndar (quarks, leptones, etc.), numerosos objetos de tama\u00f1o intermedio han disfrutado de su minuto de gloria bajo el t\u00edtulo de \u201cpart\u00edcula elemental\u201d. Es el caso, por ejemplo de los \u00e1tomos de la tabla peri\u00f3dica de Mendeleiev en el s. XIX, o del prot\u00f3n, neutr\u00f3n y electr\u00f3n a principios del s. XX. Ha sido el avance tecnol\u00f3gico y experimental (microscopios, aceleradores, etc.), el que ha sido capaz de desmenuzar estos objetos cada vez m\u00e1s, descubriendo las nuevas part\u00edculas de las que estaban formados. El concepto de \u201cpart\u00edcula elemental\u201d, por lo tanto, depende del tama\u00f1o al que somos capaces de mirar. Y a medida que nuestras \u201clupas\u201d han sido m\u00e1s potentes, hemos encontrado distintas descripciones del hardware, todas ellas v\u00e1lidas para diferentes prop\u00f3sitos (no hace falta saber lo que es un quark para entender la qu\u00edmica, o lo que es un \u00e1tomo para curar la tuberculosis), pero con propiedades claramente diferentes.<\/p>\n

\u00a0\"\"<\/a><\/p>\n

 <\/p>\n

Algo similar ocurre con el software. Las leyes del universo son diferentes en funci\u00f3n de los objetos que queramos estudiar y, en particular, dependen de su tama\u00f1o. De este modo, mientras que la mec\u00e1nica Newtoniana describe correctamente los fen\u00f3menos que ocurren en la escala humana, la Relatividad General es la reina de los fen\u00f3menos astrof\u00edsicos y cosmol\u00f3gicos, y la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica gobierna en el mundo de los diminutos \u00e1tomos y las part\u00edculas elementales. Por eso, si le preguntamos a un f\u00edsico cu\u00e1les son las leyes que rigen el mundo, lo mejor que podremos obtener es una respuesta a la gallega: \u201c\u00bfA qu\u00e9 escala?\u201d.<\/p>\n

Incluso dentro de cada uno de los grandes paradigmas que acabamos de citar, la importancia de cada fen\u00f3meno depende tambi\u00e9n del tama\u00f1o del sistema. De este modo, incluso dentro de la mec\u00e1nica cl\u00e1sica parece obvio que la f\u00edsica de una gota de agua (en la que existe una tensi\u00f3n superficial muy fuerte que la mantiene unida) no es la misma que la de una masa de agua del tama\u00f1o de una piscina, con la que es imposible formar una super-gota esf\u00e9rica. En la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica existe adem\u00e1s una versi\u00f3n sofisticada de esta dependencia del tama\u00f1o conocida como renormalizaci\u00f3n<\/em>, que se manifiesta en el cambio de algunas cantidades como la masa o carga de las part\u00edculas, que en lugar de ser constantes se convierten en par\u00e1metros continuos dependientes de la energ\u00eda a la que las sometemos en los experimentos (o lo que es lo mismo, del tama\u00f1o al que hacemos ‘zoom’ para observarlas).<\/p>\n

En definitiva: s\u00ed, el tama\u00f1o importa, y mucho, en lo que se refiere a las leyes de la f\u00edsica, y es gracias a esto que el mundo tiene la riqueza de estructuras que podemos observar. De no ser as\u00ed, el universo tendr\u00eda la misma pinta a las escalas cosmol\u00f3gicas que a las at\u00f3micas, dando lugar a una f\u00edsica bastante aburrida y sin duda incompatible con la vida.<\/p>\n

Por supuesto, como toda regla, \u00e9sta tambi\u00e9n tiene excepciones y en ocasiones es posible encontrar sistemas concretos en la naturaleza en los que el tama\u00f1o no importa. Las teor\u00edas que describen estos sistemas se denominan Teor\u00edas Conformes de Campos (o CFT por sus siglas en ingl\u00e9s) y, pese a su rareza, juegan un papel fundamental en la investigaci\u00f3n en f\u00edsica fundamental.<\/p>\n

Dos hardwares y un destino<\/strong><\/p>\n

En resumen, dependiendo del tama\u00f1o de cada fen\u00f3meno, el universo se nos presenta en formas diferentes de hardware y software, siendo el trabajo de los cient\u00edficos el de aplicar la descripci\u00f3n m\u00e1s \u00fatil en cada una de estas escalas. Pero el universo a\u00fan esconde muchas m\u00e1s sorpresas para nosotros, y es que a veces una misma ley matem\u00e1tica describe dos o m\u00e1s sistemas f\u00edsicos totalmente diferentes en tama\u00f1o y componentes. Dicho de otro modo, el mismo software se puede emparejar con dos o varios hardwares distintos.<\/p>\n

Un ejemplo conocido de este fen\u00f3meno aparece cuando estudiamos el denominado ‘modelo de Ising’ que describe un sistema de part\u00edculas dispuestas en forma de cuadr\u00edcula con espines hacia arriba o hacia abajo y unas ciertas interacciones con sus vecinas m\u00e1s pr\u00f3ximas. Se trata de uno de los sistemas m\u00e1s sencillos que se pueden estudiar en mec\u00e1nica cu\u00e1ntica y es \u00fatil para comprender fen\u00f3menos como el ferromagnetismo. La sorpresa aparece cuando nos damos cuenta de que las ecuaciones din\u00e1micas de este modelo, a una cierta temperatura cr\u00edtica, son id\u00e9nticas a las que describen el comportamiento del agua hirviendo en ciertas condiciones de presi\u00f3n y temperatura denominadas \u201cpunto cr\u00edtico\u201d. Es decir, un sistema cuya descripci\u00f3n microsc\u00f3pica en principio no ten\u00eda nada que ver con el modelo de Ising, est\u00e1 gobernado por las mismas leyes. Y \u00e9sta no es la \u00fanica sorpresa. Estas ecuaciones din\u00e1micas que describen dos sistemas de naturaleza diferente corresponden adem\u00e1s a una de esas misteriosas teor\u00edas a las que no les importa el tama\u00f1o: ambos sistemas est\u00e1n descritos por una Teor\u00eda Conforme de Campos.<\/p>\n

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El modelo de Ising (izquierda) y la transici\u00f3n de fase en el punto cr\u00edtico del agua (derecha) est\u00e1n descritos por la misma Teor\u00eda Conforme de Campos.<\/figcaption><\/figure>\n

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Esta ‘coincidencia’, que en la mec\u00e1nica estad\u00edstica se conoce con el nombre de universalidad, <\/strong>es un ejemplo de la existencia en la naturaleza de softwares tan vers\u00e1tiles que son capaces de describir sistemas con hardwares completamente diferentes. De forma general, cuando esto ocurre en f\u00edsica, decimos que hemos encontrado una dualidad<\/strong> entre dos teor\u00edas.<\/p>\n

Debido a su fascinante y misterioso origen y su enorme utilidad como herramienta de c\u00e1lculo, las dualidades han jugado, en las \u00faltimas d\u00e9cadas, un papel vital en la investigaci\u00f3n en f\u00edsica fundamental, permiti\u00e9ndonos estudiar y comprender en profundidad numerosos sistemas f\u00edsicos en campos tan diversos como la f\u00edsica de materiales o la teor\u00eda de cuerdas.<\/p>\n

Gravedad cu\u00e1ntica<\/strong><\/p>\n

Podr\u00edan escribirse libros y libros sobre las dualidades en f\u00edsica, pero terminaremos en esta \u00faltima secci\u00f3n recordando una de las m\u00e1s fascinantes de todas. Como explicamos en un post anterior<\/a>, una propuesta del\u00a0 premio Nobel Geradus t’Hooft suger\u00eda la equivalencia entre ciertos sistemas con gravedad cu\u00e1ntica y sistemas de part\u00edculas sin gravedad en una dimensi\u00f3n menor. Este principio hologr\u00e1fico, <\/em>inicialmente tan s\u00f3lo motivado por un mero argumento heur\u00edstico, cobr\u00f3 forma a\u00f1os despu\u00e9s cuando Juan Maldacena puso sobre la mesa un ejemplo en el que la dualidad se pod\u00eda observar y calcular de forma expl\u00edcita, y que constituye de hecho la \u00fanica definici\u00f3n precisa existente de lo que entendemos por una teor\u00eda cu\u00e1ntica de la gravedad. Al igual que le ocurr\u00eda al modelo de Ising, el software de la gravedad cu\u00e1ntica de Maldacena y su dual result\u00f3 no ser un software cualquiera, sino \u00a1de nuevo una Teor\u00eda Conforme de Campos!, dando as\u00ed el apellido a esta dualidad, conocida como la conjetura AdS\/CFT.<\/p>\n

Los detalles de \u00e9sta y otras dualidades est\u00e1n lejos de ser comprendidos completamente, pero sin duda es un apasionante campo de investigaci\u00f3n que ha dado y dar\u00e1 muchos quebraderos de cabeza a los f\u00edsicos te\u00f3ricos. \u00bfExistir\u00e1n m\u00e1s dualidades que puedan esclarecer los principios de la gravedad cu\u00e1ntica? \u00bfLas Teor\u00edas Conformes ser\u00e1n realmente claves para la resoluci\u00f3n de este problema y por tanto ser\u00e1 la gravedad cu\u00e1ntica una ley de la naturaleza a la que no le importa el tama\u00f1o? Quiz\u00e1 aquella f\u00edsica igual para todas las escalas resulte no ser tan aburrida al fin y al cabo, y esconda a\u00fan m\u00e1s sorpresas por descubrir de las que ahora podemos imaginar.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Por\u00a0\u00a0Javier Mart\u00edn Garc\u00eda\u00a0(Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC) Desde los tiempos de los grandes fil\u00f3sofos griegos, una de las mayores ambiciones intelectuales de la humanidad ha sido la de contestar a las grandes preguntas de la metaf\u00edsica: \u00bfQu\u00e9 somos? \u00bfDe d\u00f3nde venimos? \u00bfA d\u00f3nde vamos? Sin duda, muchas han sido las respuestas que se han dado a lo largo de la historia a este tipo de cuestiones, pero es justo decir que las \u00fanicas que parecen acercarse a la verdad son aquellas que han utilizado el m\u00e9todo cient\u00edfico. \u201cCiencia\u201d, sin embargo, es un concepto muy amplio y podr\u00edamos decir que\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":201,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[7197],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/558"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/users\/201"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=558"}],"version-history":[{"count":9,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/558\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":572,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/558\/revisions\/572"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=558"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=558"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=558"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}