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Fronteras de la física moderna

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La física avanza a grandes pasos, cada año tenemos grandes descubrimientos que desentrañan un poco más los secretos del cosmos. Así, las fronteras y desafíos dejan de serlo con el pasar del tiempo, incluso con medio siglo se llegan a comprender y desarrollar grandes cosas en la física.

Es por esto que, a continuación, haremos un primer bloque con un recuento sobre el panorama general de los campos de investigación, desafíos y cuáles son las fronteras de la física moderna. ¡Acompáñanos!

El desafío de la energía

Veamos como primer punto el tema de la energía. La obtención de energía limpia y barata que no ponga en riesgo al planeta Tierra y a los que vivimos en ella, es quizás, el mayor desafío de la humanidad, tanto para nuestro presente como para el futuro.

Conforme crecen y avanzan nuestras sociedades, la demanda energética es mayor, se refleja un crecimiento exponencial y no se ve un final. Todo esto, nos lleva a inferir que la demanda por energía aumenta, pero nuestras fuentes de obtención de la misma se agotan, creando así un escenario desafiante para nuestras futuras generaciones.


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Fronteras de la física moderna. Energías renovables: eólica y solar.
Imagen 1. Energías renovables: eólica y solar.

Por otro lado, la aplicación de los métodos para obtener energía debe ser eficiente y desde luego que no pongan en peligro la naturaleza y nuestra especie. Así, la física y la ingeniería se relacionan junto con otras ciencias, para buscar formas de asegurar un suministro de energía tanto para cubrir la demanda actual, como la de nuestro futuro.

Y así, los físicos e ingenieros siguen realizando investigaciones para poder utilizar con más eficiencia los vientos, la biomasa, el agua y la luz del sol. De igual manera, en la actualidad se estudia la fusión nuclear para la obtención de energía. Por lo tanto, es una de las fronteras de la física moderna porque todavía se nos hace complejo esa parte, de hecho, si no prestamos atención a esto, podríamos terminar con todo.

Física cuántica: una frontera sin final

Sin duda, unas de las partes de la física moderna que más ha revolucionado nuestras vidas y forma de ver las cosas ha sido la mecánica cuántica. Todo inició con Kirchhoff, Boltzmann, Planck y Einstein, a finales del siglo XIX e inicio del siglo XX.

La mecánica cuántica ha hecho posible la revolución tecnológica que vivimos hasta el sol de hoy. Todo lo que tenga que ver con tecnología, allí está envuelta la física cuántica. Podemos ver sus aplicaciones en: las cirugías con láseres, en nuestras computadoras, etc.

Fronteras de la física moderna. Física cuántica.
Imagen 2. Un láser es una invención de la física cuántica. Genera un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente.

Por otro lado, ha ayudado a formular un entendimiento fundamental de la química, ya que, utilizando pulsos de láseres ultracortos, se han podido estudiar mejor los enlaces químicos, de igual manera, gracias a la mecánica cuántica se descubrió la antimateria, también, se han podido realizar trabajos en un nuevo campo de investigación llamado: física de la materia condensada.

Es una de las fronteras de la física moderna tan llamativa que no se ve un final, dentro de la mecánica cuántica hay un sin número de campos de investigación, un ejemplo de esto es la gravedad cuántica, en este campo de la física se busca unificar la teoría cuántica de campos y la teoría de la relatividad general.


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Física de la materia condensada y electrónica

Continuando con el recuento, nos encontramos con la física de la materia condensada. Hace cincuenta años se inventó el transistor, como resultado de esta invención inició la era de la electrónica. Todos los equipos tecnológicos que conocemos, poseen un sin fin de elementos electrónicos como, por ejemplo: los diodos, resistores y transistores, estos últimos son el principal componente de los chips.

El procesador de una computadora puede contener más de cien mil transistores. El crecimiento abismal en la potencia y en el alcance de aparatos tecnológicos como son las computadoras, ha sido posible gracias a las investigaciones en el campo de la electrónica y materia condensada.

Celda hexagonal del niobato de litio. Sus cristales individuales son un material importante para guías de ondas ópticas, teléfonos móviles, sensores piezoeléctricos, moduladores ópticos y varias otras aplicaciones ópticas lineales y no lineales.
Imagen 3. Celda hexagonal del niobato de litio. Sus cristales individuales son un material importante para guías de ondas ópticas, teléfonos móviles, sensores piezoeléctricos, moduladores ópticos y varias otras aplicaciones ópticas lineales y no lineales. Créditos

Citando a Gordon Moore cofundador de Intel y su famosa ley donde dice: que la potencia de procesamiento se duplica cada 24 meses, es decir, el número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados aumentaría y los precios bajarían, una ley que se sigue cumpliendo hasta nuestros días.

Las investigaciones han permitido una miniaturización progresiva de los componentes electrónicos, permitiendo así, llegar a tamaños pequeñísimos que hace cincuenta años ni se imaginaba. Hoy día vemos aparatos como los celulares y cámaras sumamente potentes, y desde luego que la tecnología irá avanzando, lo que hoy conocemos como «lo mejor de lo mejor», mañana será el doble de avanzado.

Computación cuántica y física computacional

Llegamos a un punto primordial de las fronteras de la física moderna y a la vez llamativo para todos nosotros. La tecnología avanza cada día, y una prueba de esto, son las potentes computadoras que existen en la actualidad. Los científicos e ingenieros enfocan sus esfuerzos por desarrollar computadoras cuánticas.


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Teóricamente, una computadora desarrollada bajo la física cuántica, consiste en N procesadores que pueden procesar 2^n instrucciones simultáneamente. Y es aquí, donde se diferencia de la computadora convencional pues, una común con N procesadores solo puede ejecutar una tarea a la vez. Ahora, imagínate que hubiera una computadora con 150 procesadores ejecutando el doble de instrucciones en x tiempo, asombrosamente esto, sobrepasaría la capacidad de procesamiento de todas las supercomputadoras actuales.

Fronteras de la física moderna. Física computacional.
Imagen 4. Procesador de una computadora: se estima que la potencia de los procesadores se duplica cada 24 meses.

Bueno, volviendo un poco a la realidad, todavía se tienen que resolver muchos problemas y realizar un sin fin de pruebas, pero si hace cincuenta años se pudo instalar millones de transistores en un chip, entonces es posible realizar dicho hito, y viendo cómo avanzan las investigaciones y experimentos, no hay duda que se logrará.

Por otro lado, al crear computadoras cada vez más potentes se pueden modelar datos, visualizar información y resolver un sin número de sistemas de ecuaciones complejas, que realizando esta tarea de forma tradicional tomaría tal vez décadas. La aparición de los campos de investigación sobre el caos y la dinámica no lineal de los cuerpos ha requerido de computadores potentes.

Fronteras de la física moderna. Simulaciones
Imagen 5. Interacción gravitacional entre dos galaxias en tres momentos de tiempo dados. La forma final de la galaxia mayor alargada es observada en algunas galaxias, especulando que su formación es debida a una interacción anterior cercana con otra galaxia de menor tamaño. Créditos.

El Caos como frontera de la física moderna

Antes había una corriente que predominaba, esta era llamada: el determinismo. La misma afirmaba que todo estaba predeterminado, que solo somos engranes en un gran reloj, y nadie tiene libre albedrío. Esta idea la tuvo Pierre Laplace. Esto desde luego tenía grandes implicaciones tanto filosóficas, físicas y social.

Hoy en día, sabemos que no es posible tal determinismo, de hecho, fue dada de baja por el desarrollo de la física cuántica y por los estudios en el campo del caos. Hoy sabemos que ninguna computadora de alguna forma puede calcular ni predecir nuestras futuras decisiones.

La complejidad y el caos, es un campo relativamente nuevo en la física y presenta un crecimiento acelerado. Existen muchos sistemas complejos como: el congestionamiento vehicular, la evolución biológica, las nanoestructuras, el clima. Podemos decir que los fenómenos caóticos forman parte de nuestro día a día. También podemos encontrar sistemas complejos en la economía, termodinámica, química y en la biomedicina (las arritmias y el cerebro humano).

El atractor de Lorenz, con valores r = 28, ? = 10, b = 8/3. En ejemplo del caos
Imagen 6. El atractor de Lorenz, con valores r = 28, ? = 10, b = 8/3. En ejemplo del caos. Fuente.

Pequeñas perturbaciones iniciales provocan grandes cambios al final

Edward Lorenz fue el primero en simular el comportamiento caótico a través de una computadora, en 1963. Con esto, se dedicó a resolver ecuaciones conjugadas para modelos climatológicos sencillos descubriendo así, que pequeñas perturbaciones en las condiciones iniciales puede provocar grandes efectos al final, esto se conoce como el efecto mariposa.

El caos es un campo que a pesar de que se han hecho investigaciones, se puede decir que todavía está en «pañales». Es una buena oportunidad para incursionar y hacer nuevos descubrimientos; por cierto ¿has escuchado del billar cuántico? Si no es así te lo dejo de tarea.

Estamos seguros de que estos grandiosos y llamativos campos han llamado tu atención. Si quieres saber más sobre los desafíos que afronta la física y sus campos de investigaciones entonces, te invitamos a que leas la segunda parte de las fronteras de la física moderna.


Referencias

1. Wolfgang, B & Westfall, G. (2014). Física para ingenierías y ciencias. 2da edición. México. Mc Graw Hill.


1 comentario en “Fronteras de la física moderna”

  1. Interesante ver la influencia de la física en campos tan diversos. También, importante el reflexionar acerca de los retos que tenemos con especie en cada uno de ellos, sobre todo en el área de la energía. Ya quiero leer la segunda parte!

Los comentarios están cerrados.

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