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Fronteras de la física moderna: segunda parte

En esta segunda parte sobre las fronteras de la física moderna, estaremos presentando diferentes temas como: la nanotecnología, la biofísica, la física de altas energía y de partículas, la teoría de cuerdas y la astrofísica.

Antes de empezar les recordamos que en el pasado artículo sobre las fronteras de la física moderna: primera parte, explicamos temas como física cuántica, computación cuántica, entre otras.

Nanotecnología

De manera general y desde un punto de vista de la física, la nanotecnología se puede definir como una disciplina de la física que tiene como objetivo realizar manipulaciones de manera precisa de la materia a escala nanométrica.

Al hablar de nanómetro (nm) nos referimos a la unidad de longitud en el Sistema internacional de medidas (SI); equivale a unas mil millonésima parte de un metro, es decir (1 nm = 10-9).

Fronteras de la física. Nanotecnología.
Imagen 1. Cada vez se pueden hacer objetos más pequeños pero muy potentes.
Fuente: iStock.

Los científicos han empezado a adquirir habilidades y conocimientos para manipular las partículas más pequeñas de la materia. Han logrado poder manipular átomo por átomo.


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Durante las dos últimas décadas se inventaron los microscopios de escaneo o barrido, de túnel y de fuerza atómica, que han permitido realizar estudios y nuevos hallazgos para el avance de distintas disciplinas.

De igual manera, se han podido desarrollar componentes electrónicos muchos más pequeños, esto ha permitido que los procesadores sean más potentes debido a que se pueden colocar muchos más componentes electrónicos por unidad de área.

También se han podido desarrollar nuevos medicamentos y aparatos médicos como las nanopartículas, estas tienen la capacidad de atravesar las membranas del citoplasma o nucleares para poder insertar los medicamentos o algún tipo de material con el fin de curar alguna enfermedad. Son grandes avances tanto así que hemos llegado hasta poder realizar manipulaciones del ADN para curar enfermedades.

Como ves, la nanotecnología se relaciona con muchos otros campos, por ejemplo: química orgánica, biología molecular, física de los semiconductores, entre otros. Es un campo que prácticamente está inmerso en la mecánica cuántica, y queda mucho por descubrir.

Fronteras de la física. Nanotecnología en medicina.
Imagen 2. Prototipos de nanobots que ayudarán a combatir enfermedades, principalmente las patologías cancerígenas. Fuente.

Biofísica

Ahora entramos en un campo que combina tanto a la biología como a la física, y que ambos al ser integrados en el campo de la medicina tienen grandes aplicaciones para mejorar la calidad de vida.

La biofísica puede considerarse como el intermediario o puente entre ambas disciplinas. Desde el punto que lo veas, permite generar conocimiento y apoyo entre ellas.

De forma general se puede decir que la biología se encarga de estudiar la vida mientras que la física estudia todo, la naturaleza, la materia, el tiempo,etc; al unirlas se puede definir como la ciencia que se encarga de estudiar la relación existente entre las leyes física de la naturaleza y el funcionamiento de los seres vivo en todos los niveles, atómicos, moleculares, celulares, organismos y ambiente.

Como se mencionó más arriba, la biofísica es aplicada directamente en la medicina, es más, gran parte de los fenómenos fisiológicos son explicados a través de la biofísica. Por ejemplo, ¿cómo podemos ver? La visión humana tiene tanto una perspectiva biológica como física, ya que, intervienen las leyes de la óptica.


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¿Cómo funciona nuestra audición? Este es otro tema que está envuelto en ambas disciplinas, puesto que, para poder percibir el sonido intervienen los sistemas auditivos que pertenece a la parte biológica mientras qué las ondas sonoras pertenecen a la parte física.

De igual manera, podríamos mencionar que la biofísica también puede estudiar el comportamiento de las neuronas cerebrales. La comunicación que existe con otras neuronas se realiza mediante pulsos eléctricos, esta región donde ocurre esto es conocida como: sinapsis.

Fronteras de la física. Biofísica
Imagen 3. La neurología se encarga principalmente del estudio de las neuronas, estos estudios son apoyados en gran parte por la biofísica. Fuente.

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Sistemas biológicos más pequeños

Por otra parte, al entrar en los sistemas biológicos más pequeños nos podemos hacer las siguientes preguntas, ¿cómo funcionan las proteínas, los catalizadores o las enzimas? Que si bien es cierto, desde la biología podemos estudiarlos, al relacionarla con la física podemos ampliar nuestro horizonte y aprender más sobre el funcionamiento a niveles atómicos.

 Diagrama de la estructura de la membrana citoplasmática y sus componentes.
Imagen 4. Diagrama de la estructura de la membrana citoplasmática y sus componentes. Fuente.

Vida, en pocas palabras es un conjunto de procesos físicos-químicos. En estos procesos intervienen un sin número de moléculas, y todo absolutamente todo dentro del cuerpo humano se comporta como una gran máquina, con un objetivo muy claro, el mantener la vida y preservar la especie humana.

¿Cómo es posible que las membranas biológicas las cuales están compuestas por lípidos, pueden saber cuándo o cuánto material deben dejar pasar hacia dentro de la célula? ¿Qué leyes físicas intervienen en este sistema dinámico?

Todo parece estar diseñado perfectamente, y es aquí precisamente donde los biofísicos entran al campo para desentrañar las leyes físicas que rigen los comportamientos y propiedades de los sistemas biológicos.

Esta es otra rama con grandes avances prometedores para el futuro de la especie humana. Los científicos han podido desarrollar pinzas láser para mover biomoléculas individualmente.

Por otro lado, la cristalografía de rayos X se ha vuelto muy sofisticada para posibilitar a los investigadores obtener imágenes de estructuras tridimensionales de moléculas sumamente complejas. Se está empezando a obtener una mejor comprensión microscópica de entidades biológicas y se han llevado adelante desarrollos en simulaciones de biomoléculas sobre los procesos biológicos.

Hoy día se ha desarrollado los primeros prototipos de ojos biónicos que muy posiblemente permitirán que los ciegos puedan recuperar la visión.

Física de alta energía y de partículas

Los campos anteriormente mencionados tienen algo en común, y es que pertenecen al orden de los «más pequeños», tanto en la nanotecnología cómo la biofísica, se desarrollan las investigaciones a niveles atómicos y cada partícula al momento de interaccionar con otra genera energía y es aquí precisamente donde entra la disciplina de las altas energías.

Este campo se encarga de estudiar las partes más pequeñas de la materia y la interacción que se producen en ellas. Muchas partículas aparecen sólo cuando se producen grandes choques o colisiones, y esto requiere altas energía, de allí el nombre.

Para llevar a cabo estos experimentos a altas energías, se deben realizar en laboratorios gigantescos como en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) un gran laboratorio europeo de física de partículas ubicado en los límites entre Francia y Suiza.

Física. El Gran Colisionador de Hadrones.
Imagen 5. El Gran Colisionador de Hadrones en sí ocupa un túnel de 150 metros bajo tierra que se extiende por 27 kilómetros. Fuente.

El LHC

En este laboratorio yace el gran colisionador de hadrones (LHC),  por sus siglas en inglés. El acelerador utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades, y hacerlas colisionar con otras partículas. Al hacer esto, se producen altas energías y muchas partículas que por sus características físicas desaparecen en menos de un segundo, pero muchas se logran detectar para poder estudiarlas.

Otro laboratorio de altas energía es el laboratorio nacional de Brookhaven, ubicado en Long Island, Estados Unidos. Es un colisionador relativista de iones pesados, este estrella núcleos de oros con el objetivo de poder recrear el estado en que se encontraba el universo una pequeña fracción de segundos después de su comienzo, es decir en los primeros instantes después del big bang.

Como ves, esta disciplina explora las fronteras de las partículas y altas energías, es aquí donde se realizan las investigaciones acerca de:

  • La composición del universo.
  • Las leyes fundamentales de la física para comprender mejor los primeros momentos del universo.
  • ¿Qué es lo que hay dentro de la materia?
  • La materia y la antimateria no son iguales, ¿Por qué?
  • La materia oscura.
  • La unificación de las fuerzas fundamentales.

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No hay duda que este campo seguirá creciendo y desarrollando importantes contribuciones para el mundo, y así poder comprender mejor nuestro universo.

El tubo de rayos catódicos de un televisor viejo es una forma simple de acelerador de partículas.

Imagen 6. El tubo de rayos catódicos de un televisor viejo es una forma simple de acelerador de partículas. Fuente.

Astrofísica

Siempre el ser humano ha mirado hacia el cielo, desde la antigüedad pasando por los Sumerios en Mesopotamia hasta nuestros días. Hoy hemos aprendido tanto de nuestro vasto universo, como también tenemos muchas dudas. Parece que cada vez que descubrimos algo, los detalles nos traen mas dudas, sin embargo ¿Qué sentido tendría la vida si no intentáramos conocer sobre la naturaleza del cosmos y sus grandes misterios?

Fronteras de la física. Astrofísica

Imagen 7. Universum, Grabado Flammarion (París, 1888). Ilustración representando la observación del cosmos. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Universum.jpg

Aquí hay algo parecido al concepto de biofísica que vimos más arriba. Como sabemos, la biofísica se puede ver como física aplicada al campo de la biología, del mismo modo podemos deducir que la astrofísica es física aplicada al estudio de los cuerpos celestes.

Fronteras de la física. Telescopio Hubble
Imagen 8. Telescopio Hubble. Fuente.

Ahora bien, la astrofísica va en conjunto con otras disciplinas, estas son la astronomía y la cosmología. La astronomía es el estudio y la observación de los cuerpos celestes mientras que la cosmología se encarga de estudiar el universo de forma global, estudiando las causas de origen tanto como su evolución y las maneras posibles en la que puede acabar.

¿Cómo se formó el universo? ¿Cómo se forman las estrellas? ¿Por qué el universo es como parece ser? o, ¿Cuál es el centro del universo? Definitivamente que estas interrogante y conocimientos que ya hemos adquirido con el pasar de los años, llaman tremendamente la atención de cualquier persona, lo que hace de este campo extremadamente apasionante e interesante.

Teoría de cuerdas

Hoy día tenemos el modelo estándar de todas las partículas y sus interacciones. Sin embargo, aún no se entiende por qué dicho modelo funciona y se relaciona tan bien con la naturaleza. Y es aquí, donde aparece la famosa teoría de cuerdas. Esta teoría pretende ser la que permita explicar lo anteriormente dicho. A veces, esta teoría se llama presuntuosamente la teoría del todo.

La teoría de cuerda pretende ser un modelo que por fin explique todos los fenómenos de la naturaleza, por eso el nombre de teoría del todo. La teoría de cuerdas tuvo sus inicios en 1968, cuando un físico que trabaja en el CERN, Gabriel Veneziano, de por casualidad se dio cuenta que, la función Beta del físico-matemático Leonhard Euler, podía describir el comportamiento de la fuerza nuclear fuerte.

Luego de esto el físico Leonard Susskind descubrió en 1970, que dicha función describía una partícula con estructura interna vibratoria, dando así, paso a la teoría de cuerdas.

Esta teoría dice que todo en el universo está formado por diminutos elementos llamados cuerdas, y que estas vibraban de diferentes maneras para formar las partículas que conocemos hasta hoy.

Modelos de la teoría de cuerdas: se conectan a través de dualidades para crear una explicación unificada

  • Teoría de cuerdas tipo A.
  • Tipo II A.
  • Teoría de cuerdas tipo II B.
  • El modelo de cuerdas heterótica SO (32).
  • Teoría de cuerdas heterótica E8xE8.

La teoría de cuerdas describe todas las partículas del universo a través de la vibración de una cuerda. Así como la cuerda de un instrumento musical crea diferentes notas, las distintas vibraciones de estas cuerdas producen las distintas partículas del universo, como por ejemplo: bosones, leptones, etc.

Fronteras de la física. Teoría de cuerdas.
Imagen 9. Niveles de la materia: 1. Materia 2. Estructura molecular 3. Átomos 4. Protones y neutrones 5. Quarks 6. Cuerdas. Fuente.

Esta teoría predice una partícula sin masa y de espín 2, el gravitón. Esta partícula por el momento no se ha descubierto, es del tipo bosónico encargada de transmitir las fuerzas de la gravedad.

Unificación de las teorías

Pero aquí hay que hacer un alto. Sabemos que durante mucho tiempo los físicos han tratado de unificar la relatividad general con la teoría cuántica. La primera trata sobre el funcionamiento de la gravedad, mientras que la segunda explica cómo funcionan las fuerzas nucleares débil y fuerte. Entonces, es aquí donde precisamente entra la teoría de cuerdas, hasta el momento es la única que ha podido unificar estos dos modelos.

Así como ha logrado la unificación, también se han presentado grandes problemas… Por ejemplo, ¿te puedes imaginar esta vida con 11 dimensiones?

Podemos decir que, como estas cuerdas son extremadamente pequeñas, están enrolladas y se compactan de diferentes maneras, de hecho, a través del principio de compactación se puede ofrecer una explicación, sin embargo, surge algo extremadamente misterioso, los universos paralelos. Que por el momento serán explicados en otro futuro artículo.

Para terminar, con la tecnología actual no podríamos explicar la teoría de cuerdas. Para esto tendríamos que tener un acelerador de partículas del tamaño del sistema solar. Pero no nos desanimemos, hace 100 años se creía que las teorías de Planck, Einstein y de otros grandes científicos no encajaban con la naturaleza, hoy en día sabemos que tienen una perfecta armonía con ella. Aparte, quedan muchas cosas todavía por mirar y descubrir en la teoría de cuerdas.


Bibliografía

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

2. Baker, J. (2007). 50 physics ideas you really need to know. Editorial: Banshee.


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