La física actual tiene un sinfín de aplicaciones de las que quizá ni siquiera hayas oído hablar.
¿Quieres que te las expliquemos?
Descubre las últimas aplicaciones de la física de partículas elementales, la fotónica, la astrofísica, la nanotecnología y sus relaciones con el mundo del arte, la medicina y la protección medioambiental.
¿Cuál es la relación entre Física y Medioambiente?
Vamos a ver: la presencia de la Física en el medioambiente y en las técnicas de control y medición de contaminantes se centra en tres áreas: el Sol, la Atmósfera, alta y baja (estratósfera y tropósfera), y la Tierra.
Si consideramos la Atmósfera, nos adentramos en la Física de Fluidos. ¿Porqué?. Pues por que si hablamos de la contaminación atmosférica, esta se desplaza según la Dinámica de la propia Atmósfera.
Un ejemplo lo tenemos en la catástrofe de Chernobil, que sucede en Rusia pero que a los pocos días se detecta en Escocia, como consecuencia de un movimiento de masas de aire. De modo que conocer la Dinámica de la baja atmósfera, aquella que va desde el suelo hasta los 10.000 m. de altura, es fundamental para entender y predecir accidentes en nuestro medioambiente.
Pero es que además, la contaminación atmosférica está "globalizada": puede existir un crecimiento del agujero de Ozono localizado en el centro de Europa (en el Hemisferio Sur es donde este fenómeno se manifiesta de manera más contundente) que, en pocas semanas, se desplace hasta el hemisferio Sur. Y para conocer la Mecánica de Fluidos tienes que conocer, a su vez, las bases fundamentales de la Física: las leyes de la Mecánica; de la Conservación de la Cantidad de movimiento, Momento angular, de la Energía así como otros procesos físicos como la propagación de Ondas sonoras y electromagnéticas, etc., etc.
Otro ejemplo: caso Prestige. Para conocer los desplazamientos de las corrientes marinas, que determinarán el desplazamiento a su vez de las manchas de petróleo, se emplean métodos físicos, de los que hablaremos después.
Si, la contaminación en el mar o en la atmósfera pertenece a la Física Troposférica. Pero si miramos la Estratósfera, nos encontramos con la capa de Ozono que, como sabéis, es un absorbente de la radiación ultravioleta. En este caso entonces estamos hablando de radiaciones electromagnéticas, del conocimiento de las ondas electromagnéticas, que representan el movimiento de los campos eléctricos y magnéticos.
De manera que, para conocer el daño que se está produciendo en la Capa de Ozono, usamos una gran variedad de procesos físicos: absorción, intensidad de la radiación, espectro electromagnético, etc. De nuevo, Física. Un problema más global: el calentamiento de la Tierra y por tanto el cambio climático. Ahí la Física está tan implicada que vale la pena hacer un poco de historia sobre las personas que, en su momento, señalaron el camino: En 1827, el matemático francés Fourier, observa, por primera vez, que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el “calor atmosférico”. Este fenómeno es similar al que él mismo ha visto en los invernaderos y por ello crea el termino "effet de serre". Desde entonces, el "efecto invernadero" ha sido el nombre utilizado para designar este fenómeno.
Tyndall, físico irlandés de finales del XIX, destacado por sus investigaciones sobre la dispersión de la luz a través de las suspensiones coloidales y de sus estudios sobre el deshielo, profundiza en el estudio del clima y observa que gases como el CO2 presentes en la atmósfera absorben la radiación infrarroja, que es aquella que emite la Tierra, y por tanto pueden afectar al equilibrio térmico de nuestro Planeta. Y el tercero, el que realmente organiza toda la teoría del efecto invernadero y del calentamiento planetario, es el Premio Nobel de 1903, el sueco Arrhenius, un físico que trabaja en electroquímica. De manera que fíjate si la Física tiene presencia en el conocimiento del medioambiente.
¿Cuál es la relación entre Arte y Física?
Desde que en 1827 el matemático francés Fourier observó (se supone que tijeras de podar en mano) que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el "calor atmosférico" dentro de los invernaderos o más tarde, el Premio Nobel de 1903, el físico sueco Arrhenius, construye la teoría general del efecto invernadero y del calentamiento planetario, la Física y el Medioambiente iniciaron, como pareja de hecho, una fructífera colaboración que dura hasta nuestros días.
Física y Arte que no el "arte de la física". En la actualidad es impensable imaginar un gran museo o un departamento de arqueología que no reclame periodicamente los servicios de físicos para tareas de datación, estudio y conservación de obras de arte. Las más sofisticadas tecnologías: aceleradores, fluorescencias con Rayos X, etc. al servicio de nuestro patrimonio artístico. Si Leonardo da Vinci levantara la cabeza....
¿Física y Arte?....¿Física y poesía?
"El arte, como toda manifestación humana que despierta en nosotros determinadas sensaciones, es demasiado general para asociarlo a la Física... "
En realidad, al relacionar la Física con el Arte, se habla de los métodos físicos para estudiar o caracterizar determinados soportes físicos vinculados al arte. El arte, como toda manifestación humana que despierta en nosotros determinadas sensaciones, es demasiado general para asociarlo a la Física... Sin embargo, no creas que no es posible vincular física y poesía: pensemos en unos versos impresos en un papel de un poeta antiguo. Por medios físicos podemos estudiar las características de la tinta, o del propio papel, de donde extraeremos información valiosa que después, expertos en arte, interpretarán para autentificar la obra, para estudiar técnicas y métodos empleados en la elaboración de la obra de arte, etc.
Imagino que habrá tipo de obras, o soportes como lo denomináis vosotros, más frecuentes que otros... Por citarte un ejemplo, se estudian con frecuencia objetos de bronce. Es decir, la aleación de cobre y estaño suele dar un montón de pistas relativas a la obra, la época, incluso la geografía. En esa aleación (el bronce), el elemento más importante es el estaño y a través del estudio de este material se puede deducir si había o no minas cercanas (con lo cual se situaría geográficamente la obra en una determinada zona), podemos saber si la extracción era difícil, lo cual se reflejaría en ahorro del material lo que sería causa de unas determinadas proporciones en la aleación, etc.
Son técnicas importantes para la detección de falsificaciones... Desde luego. En la pintura, por ejemplo, si estudiamos determinados pigmentos y los materiales de base que lo forman, esta información traducida por el experto en arte, situará la obra en una época determinada. Supongamos un cuadro atribuido a un determinado artista del Renacimiento y al analizarlo presenta materiales que sabemos no se usaban en aquella época. Estaremos, entonces, con bastante probabilidad, ante un caso de falsificación...
Es decir, que vuestro trabajo es eminentemente técnico, que no entráis en valoraciones artísticas... En efecto: el especialista en las técnicas analíticas aplicadas al arte colabora con el experto en arte o con el arqueólogo. La colaboración entre ambos especialistas es esencial.
Estas técnicas se utilizan, principalmente, para autenticar, es decir, aclarar si una obra pertenece o no a un determinado artista o época y para la datación o situación en el tiempo...
Autenticación-datación......Depende de las técnicas utilizadas. Hay técnicas específicas para la datación, como la termoluminiscencia o el carbono 14 (para las obras con presencia de carbono). Las técnicas para autenticar o descubrir procedencias, investigan la composición esencial de los materiales utilizados en la obra, como la composición isotópica. En el caso del plomo, la composición de isótopos, puede orientar sobre el lugar de extracción, y hay grupos que realizan este tipo de investigaciones. Quizá teníamos que haber empezado por el concepto de Arqueometría... "... la Arqueometría es el uso de cualquier técnica de análisis aplicada a una obra de arte u objeto arqueológico".
Bien, la Arqueometría es el uso de cualquier técnica de análisis aplicada a una obra de arte u objeto arqueológico. Dentro de ese amplio espectro de técnicas, yo destacaría los análisis con haces de iones. Para nosotros tienen el interés de que su aplicación en España es reciente. Son técnicas de análisis de la composición elemental de los materiales, es decir, qué tipos de átomos componen la muestra y en qué proporción. Destacaría especialmente una denominada PIXE (Particle Induced X-ray Emission), rayos X excitados por partículas, técnica cuyo fundamento físico es el mismo que la fluorescencia con rayos X o que EDAX (esta última consiste en analizar los rayos X producidos al bombardear la muestra con electrones en un microscopio electrónico de barrido (SEM)). La técnica PIXE es muy sensible para buscar elementos "traza".
¿Qué son los elementos traza?
Son elementos que existen en concentración muy baja en el material y que pueden resultar útiles para determinar su procedencia o alguna propiedad característica, podríamos decir que son las huellas dactilares del material. Dentro del campo del Arte, en el museo Louvre hay un acelerador de iones dedicado exclusivamente a analizar obras de arte. Por citar un ejemplo entre miles, hace algún tiempo hicieron el estudio de una estatuilla, una diosa Parta (creo que es la diosa Istar), que tenía unos rubíes en los ojos, la boca y el ombligo. Se trataba de descubrir, los Partos vivían por Mesopotamia, el origen de los rubíes. Pues bien: a través de esos elementos traza, se llegó a la conclusión de que los rubíes procedían de Birmania, el lugar del Mundo de donde proceden los rubíes más apreciados. Los elementos traza son algo así como las "impurezas" de un material, aquello que lo convierte en único.
La intervención de la Física en la autenticación de piezas artísticas significa también la posibilidad de realizar copias absolutamente idénticas, de tal manera que desaparezca el valor del propio original...
"La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física
Copiar, falsificar... En principio, copiar es más fácil que crear, eso está claro. Está el caso del oro tumbaga del antiguo Perú: mediante una ingeniosa técnica aleaban oro y cobre de forma que la superficie del objeto quedaba enriquecida en oro.
Las figuras de oro tumbaga son muy valiosas y hay falsificaciones que se han descubierto por estar realizadas con oro de una pureza muy superior. Claro, con las técnicas de que hablamos, este tipo de “errores” ya no se cometerían y, en ese sentido, parece que el principal afectado sería el mercado del arte.
¿Cuál es el mercado de estas técnicas? Porque imagino que deben ser caras...
Museos, Departamentos Universitarios de Arte y Arqueología, entidades públicas, empresas privadas relacionadas con el mundo del Arte como galerías o joyerías... En nuestro caso del acelerador del Campus de la UAM tenemos acuerdos de colaboración con entidades públicas y empresas y, desde luego, una relación especial con la UAM.
Antes hiciste referencia a lo novedoso de estas técnicas en España... ¿Es distinto en otros países?
"... Estas técnicas, aunque son muy recientes en España, vienen utilizándose en los laboratorios de los países industrializados desde los años 70".
Comparado con otros países industrializados ha sido diferente, de hecho valdría la pena realizar un estudio que dilucidara el porqué...Estas técnicas, aunque son muy recientes en España, vienen utilizándose en los laboratorios de los países industrializados desde los años 70, aunque ya antes se sabía de su potencial utilidad. Los primeros aceleradores, de los años 30, se utilizaban para estudiar las propiedades de los átomos y núcleos atómicos, fueron evolucionando siempre en la búsqueda de unas mayores energías para poder profundizar más en el núcleo atómico. A finales de los 60 y principios de los 70 muchos de los aceleradores que se habían quedado obsoletos en Física Nuclear, gracias al progreso de los detectores de partículas, se reciclaron hacia aplicaciones analíticas, menos exigentes en cuanto a energía máxima alcanzable.
Entre las varias disciplinas a las que se aplicó las técnicas analíticas con haces de iones estaba la arqueometría. A principios de los 80 se empezaron a construir ya aceleradores específicos, de baja energía, que es cuando surge la implantación iónica y otras técnicas basadas en aceleradores de interés industrial para la microelectrónica y ciencia de materiales. España en esa época, aun no dedicaba demasiado dinero para la investigación; mientras, en gran parte de Europa, Los Estados Unidos, Japón y otros países de prácticamente todos los continentes, los aceleradores se convertían en una tecnología bastante común.
He visto en vuestra web un "aparato" espectacular, imagino de esa generación de aceleradores específicos...
El corazón del Centro de Micro-Análisis de Materiales, del CMAM, es un acelerador electrostático de iones de tipo tandem, es decir, de dos etapas, capaz de alcanzar una tensión de terminal de cinco millones de voltios. Es el segundo acelerador de esta clase que se instala en España. El otro está en Sevilla, un acelerador de tres millones de voltios que se puso en marcha en 1998. El nuestro está funcionando desde el 2002. Ambos son muy jóvenes. Recuerda que hace un momento mencioné que el principal interés de estas técnicas, de cara a nuestro desarrollo tecnológico, es su novedad en España. En líneas generales, el funcionamiento de un acelerador electrostático tandem del que venimos hablando, es muy sencillo. En una etapa previa, en una fuente de iones se crean iones negativos.
Éstos son preacelerados e inyectados en la entrada del tanque del acelerador en cuyo centro se encuentra el terminal de alto voltaje. En esta nueva etapa, llamémosle etapa uno, el terminal, con tensión positiva, atrae hacia si a los iones negativos. En su paso a través del terminal los iones pasan por un tubo que contiene gas de nitrógeno a baja presión de forma que los iones negativos, al interaccionar con las moléculas de gas pierden electrones y se convierten en iones positivos. Se inicia ahora la que podemos llamar etapa dos, en la que el terminal, con voltaje positivo, repele los iones hacia la salida del acelerador.
Este proceso de aceleración con dos etapas es lo que le confiere el nombre de acelerador tipo tandem. Ya una vez el haz de iones ha salido del acelerador, se conduce mediante lentes electrostáticas, imanes de conmutación y lentes electromagnéticas hacia una de las líneas con la cámara de experimentación donde está situada la muestra que queremos analizar. En el CMAM hay una línea dedicada a Arte y Arqueometría que tiene la peculiaridad de que el haz de iones se puede focalizar hasta alcanzar un tamaño de algunas decenas de micrómetros, y, además, se puede extraer al aire lo que evita tener que someter a vacío (bajas presiones ambientales) el eventual objeto de arte que se analice. Estas técnicas, ¿representan algún tipo de riesgo para el objeto?
Es muy importante utilizar técnicas no destructivas para caracterizar obras de arte... No en un sentido microscópico, porque cualquier análisis sobre la obra, por muy inofensivo que parezca, repercute sobre la misma, sino en un sentido macroscópico, es decir, que la posible alteración no sea apreciable al ojo humano. En este sentido, y tomando las necesarias precauciones al hacer el análisis, se puede afirmar que las técnicas de análisis con haces de iones utilizadas en Arqueometría son no destructivas.
¿Estáis trabajando, ahora, en algún proyecto concreto?...
¡De hecho tenemos mucho trabajo acumulado!...Tenemos pendientes análisis con el depto. de Arqueología de esta universidad, con el Museo Arqueológico, con universidades europeas como Génova o Florencia. Hace poco estuvimos analizando la tinta de dibujos del Museo del Prado de pintores italianos del siglo XVI, en particular de Luca Cambiaso y su escuela, cerámicas del Museo de América y otros. En breve tenemos previsto estudiar el tesoro visigodo de Torrejimeno...
MUNDO CUÁNTICO
El término Mundo Cuántico es redundante, pues todo el mundo es cuántico en su naturaleza. Pero afortunadamente, en la mayoría de los casos, sus sutilezas sólo se manifiestan de forma patente a escala atómica. Y decimos afortunadamente porque la comprensión de ciertos fenómenos cuánticos representa un auténtico reto intelectual. Por si esto fuera poco, cada vez con mayor frecuencia estos fenómenos rompen su "barrera de escala" para sorprendernos con comportamientos de carácter macroscópico de gran utilidad práctica, como es el caso de la superconductividad, la criptografía cuántica o los condensados de Bose-Einstein.
Sistemas cristalinos, superconductividad, cristales líquidos, propiedades generales de los metales, estructura atómica, enlaces....Todo lo que somos, lo que nos rodea es materia. Parece que en esas cuestiones no se puede separar la Química de la Física, ¿es esto así? ¿qué aporta la Ciencia Física al conocimiento de la Estructura de la Materia? "...los físicos tratan de comprender en profundidad los sistemas más sencillos, mientras que los químicos se conforman con menos profundidad pero se atreven a investigar estructuras moleculares de enorme complejidad."
Una tendencia de las disciplinas científicas tradicionales es que cada vez tienen más puntos en común. Dentro de esa tendencia unificadora, lo que realmente distingue a un físico frente a los otros científicos no es tanto lo que estudia como su formación y el tipo de preguntas que se plantea. En cualquier caos, las fronteras no son drásticas. De hecho, hay temas de investigación donde concurren de forma natural científicos de diferentes disciplinas.
Un ejemplo claro es la Ciencia de Superficies, cuya revista científica más importante, Surface Science, tiene un título deliberadamente ambiguo, pues se ocupa tanto de la Química como de la Física de Superficies. Cuando estudiamos un átomo adsorbido en una superficie, la frontera entre la Física y la Química se hace borrosa: se plantean problemas de enlaces químicos y de propiedades del estado sólido que son de interés tanto para físicos como para químicos. Lo mismo sucede en Ciencia de Materiales, donde convergen físicos y químicos interesados en la comprensión y el diseño de materiales.
Si hubiera que establecer una separación dentro de este tipo de problemas, se podría decir que el estudio del estado sólido tiende a ser tarea de los físicos, mientras que las propiedades de las moléculas suelen ser investigadas por los químicos. Esta división obedece en buena medida a razones puramente históricas. Otra diferencia característica es que los físicos tratan de comprender en profundidad los sistemas más sencillos, mientras que los químicos se conforman quizás con menos profundidad pero se atreven a investigar estructuras moleculares de enorme complejidad.
Otro ejemplo reciente de intersección entre la Física y la Química es la Electrónica Molecular, donde se trata de diseñar dispositivos electrónicos cuyo comportamiento está dominado por las propiedades de unos pocos átomos o moléculas.
Sobre los puntos de encuentro entre la Física y la Biología podríamos hacer comentarios parecidos. Sólo cabe destacar que la Biofísica es una ciencia muy joven de la que se espera una gran expansión durante las próximas décadas. Digamos que el contacto entre Física y Biología es más reciente que el que existe entre Física y Química o Química y Biología (la Bioquímica).
¿De qué área o materias concretas se ocupa el que investiga la Estructura de la Materia?
Desde un punto de vista muy básico, podríamos decir que la materia está organizada en diferentes escalas de longitud y energía, cada una de las cuales es relevante en un rango de temperaturas específico. La Teoría de la Estructura de la Materia se ocupa de la organización de la materia a escala microscópica, es decir, a escala molecular o más pequeña. En este sentido, se puede decir que cuando uno estudia un gas molecular, está investigando la Estructura de la Materia; pero también es Estructura de la Materia el estudio de las propiedades de un núcleo atómico o de los quarks. En realidad, el concepto de Estructura de la Materia es muy general, casi tanto como el de Física.
No tengo un especial problema para preguntar sobre asuntos de los que no tengo ni idea... ¡pero sobre tu especialidad me resulta especialmente difícil de “preguntar”! ¿Podrías recordarme dónde estás ubicado? ¿Cuál es tu área de trabajo? (¡ésta es una manera astuta de ganar tiempo!)
Yo soy físico teórico de la materia condensada. Aunque la Física es una ciencia experimental, hay físicos que nos especializamos en hacer cálculos con lápiz, papel y ordenador. Somos los llamados físicos teóricos y tenemos representación en casi todas las áreas de la Física. La Física de la Materia Condensada, incluyendo sus componentes experimental y teórica, abarca aproximadamente el 50% de toda lo que hoy en día entendemos por Física. Se dedica sobre todo a los sólidos pero también se ocupa de los líquidos, los polímeros y, en general, de todas las formas de la materia con las densidades típicas de los sólidos y líquidos, es decir, con átomos y moléculas en contacto cercano.
Esta disciplina aborda problemas muy distintos y tiene grandes repercusiones tecnológicas. ¡Sólo hay que pensar en las infinitas formas en las que átomos y moléculas pueden agruparse entre sí para presentar propiedades completamente diferentes! Estas dos razones, la gran variedad de problemas y el potencial interés tecnológico, hacen que seamos muchos los que nos dedicamos a la Física de la Materia Condensada.
Dentro de este campo tan amplio, yo me dedico al transporte de electrones en sistemas pequeños, que pueden ser nanoestructuras artificiales, o sistemas metálicos con algunas propiedades de interés. También me dedico a la Física de los Gases Cuánticos, que es un campo muy nuevo que presenta muchas analogías con la Física de Láseres. La idea es que, si un rayo láser es básicamente un montón de fotones en el mismo estado, un condensado de Bose-Einstein (que es el principal ejemplo de gas cuántico) está hecho de un montón de átomos en el mismo estado cuántico. Esto quiere decir que todos los átomos hacen exactamente lo mismo y, por la tanto, lo que normalmente haría un único átomo, ahora lo hacen todos de forma coordinada dando lugar a una amplificación a escala macroscópica. Podemos hablar entonces de Física Cuántica Macroscópica, un concepto sorprendente si tenemos en cuenta que tradicionalmente hemos asociado lo cuántico con lo muy pequeño. Me gustaría que hicieras algún comentario sobre la investigación y que destacaras, dentro de ella, algún campo que te interese particularmente.
Una de las principales tendencias de la investigación en los últimos años es el desarrollo de lo que podríamos llamar Ingeniería Cuántica, que consiste en la manipulación de la materia a escala muy pequeña con la finalidad de modificar sus propiedades cuánticas fundamentales. Dentro del campo de la Física de la Materia Condensada, se pueden diseñar estructuras con propiedades específicas si se controla su crecimiento a escalas de longitud por debajo de la micra. De esta forma se pueden crear materiales que actúan como "sólidos de diseño" hechos de átomos y moléculas artificiales. Estas estructuras presentan propiedades muy variadas, muchas de ellas imposibles de observar en materiales naturales.
También en la Física de Gases Cuánticos hay mucho de ingeniería cuántica. Los átomos se pueden perturbar y mover de uno en uno. Jugando con la sensibilidad de los átomos a la luz láser y a los campos magnéticos, se pueden diseñar a placer las fuerzas externas que actúan sobre estos átomos. Podemos tener "sólidos" en los que los átomos habituales son sustituidos por luz láser y los electrones por átomos móviles. Toda esta tecnología abre enormes posibilidades en el control de la materia. Se prevé que con estas técnicas podremos mejorar considerablemente la precisión de los relojes atómicos, las técnicas litográficas de crecimiento de estructuras cada vez más pequeñas, y los sistemas de interferometría atómica, necesarios para medir la aceleración de la gravedad (lo cual permite, entre otras cosas, buscar petróleo).
Otro de los grandes retos de la Física en los próximos años es el desarrollo de la Información Cuántica en sus dos vertientes principales: Computación Cuántica y Comunicación Cuántica. Esta última trata sobre todo de la "Criptografía Cuántica", que está generando un cambio cualitativo fundamental en la tecnología de la comunicación. Utilizando principios cuánticos, empieza a ser posible la transmisión codificada de información de forma ultrasegura, de modo que un mensaje no puede ser leído por nadie o, si alguien llega a leerlo, el destinatario se percata de ello. Este es un avance fundamental, pues en la comunicación clásica es posible leer un mensaje sin que nadie se de cuenta. ¿Cuál es la razón de esta diferencia tan importante? ¿Qué tiene la Mecánica Cuántica que permite codificar con tanta seguridad?
"Los fotones se pueden propagar por guías de onda convencionales y ya se están comercializando dispositivos de Comunicación Cuántica que conectan puntos a varios kilómetros de distancia."
La idea es que, en información cuántica, si uno lee un mensaje lo destruye necesariamente o al menos lo modifica considerablemente. Esto es debido a que en el mundo cuántico, si uno quiere observar algo, necesariamente lo modifica en alguna medida. Esto no es un problema en muchas situaciones pero sí es importante en el contexto de la Comunicación Cuántica.
Un punto esencial de la Información Cuántica es que se basa en la existencia de correlaciones sutiles entre dos o más partículas. Estas correlaciones pueden sobrevivir cuando las partículas se hallan muy distantes entre sí. Si hacemos una medida sobre una partícula, dicha operación puede alterar el estado de la partícula lejana, en el sentido de que sabemos mejor cómo responderá cuando se le mida una propiedad física. Lo sorprendente es que esta influencia a distancia es compatible con el hecho de que, localmente, la partícula lejana no se entera de que su "pareja" ha sido observada. En particular, no permite enviar señales a velocidad superior a la de la luz.
Esta idea de que al medir cambiamos el estado de las cosas no es relevante en el contexto de la Física clásica, pero en el mundo cuántico puede ser decisiva.
Concretando un poco, el sistema más utilizado es el de un par de fotones "enrededados", esto es fotones cuyo estado de polarización individual no está bien definido pero con seguridad es opuesto al del otro fotón. (La dirección de polarización de un fotón es perpendicular a la de propagación y puede ser vertical, horizontal, o una combinación de ambas.) Los fotones se pueden propagar por guías de onda convencionales y ya se están comercializando dispositivos de Comunicación Cuántica que conectan puntos a varios kilómetros de distancia.
Sé que esto de lo que hablas es importante... que tiene, o tendrá, multitud de aplicaciones en nuestro mundo “tangible”, etc... y por eso mismo pensaba: ¡qué necesaria es la divulgación!...
Ciertamente la divulgación de la Ciencia en general y de la Física en particular es una necesidad acuciante. Nuestra sociedad tiene que estar informada de lo que hacemos, entre otras razones porque no están garantizados de forma indefinida los niveles de apoyo que hemos tenido hasta ahora (que, por lo demás, en nuestro país todavía deberían aumentar bastante) si no explicamos a la sociedad lo que hacemos con su dinero. ¡Esto es algo de lo que empiezan a ser conscientes los físicos de todo el mundo! En la medida en que logremos transferir ese conocimiento y consigamos explicar tanto su interés intrínseco como su potencial tecnológico, la sociedad será más generosa con la Ciencia y, además, seremos capaces de atraer un mayor número de jóvenes hacia los estudios de ciencias, asegurando un flujo adecuado de futuros investigadores y docentes.
Un problema práctico es que la divulgación lleva tiempo y en el ámbito de la investigación es algo que todavía no se valora lo suficiente. Con frecuencia, la divulgación se ve como una actividad menor. Este es un error grave porque la divulgación debería ser una preocupación de todos los científicos. Además, divulgar no es fácil. Hay que tener muy claro el público a que nos dirigimos: éste puede variar desde niños o estudiantes de enseñanza media hasta las colegas científicos de otras especialidades. En cada caso se requiere una terminología y un nivel de profundización diferente. Lograr la combinación adecuada de claridad y rigor es difícil, porque la tendencia natural es a ser poco claro si uno quiere ser preciso y a ser poco preciso si uno quiere ser claro.
Desde el Instituto Nicolás Cabrera, hemos iniciado una serie de charlas por institutos y colegios de enseñanza media para divulgar la Física y promover los estudios de Física. Creemos que esta actividad es de interés incluso para aquellos estudiantes que no van a escoger la carrera de Física. Es muy positivo que un futuro ingeniero o economista conozcan los principales rasgos de la Física actual porque, desde su futuro trabajo, será más proclive a favorecer la investigación o incluso a realizarla él mismo en su propio ámbito. Nuestro país necesita más ingenieros interesados en la innovación tecnológica, que es su campo natural de investigación. Se trata, en definitiva, de fomentar una cultura en la que se valora tanto la investigación científica como la tecnológica, sin descuidar ninguna de las dos.
En mis tiempos mozos leí un libro de Isaac Asimov: “El electrón es zurdo” que me pareció fascinante, aunque solo entendiera una pequeña parte...
El título del libro parece muy específico porque hace alusión a las propiedades de paridad de las partículas elementales, es decir, a cómo varía su comportamiento si consideramos su imagen especular, pero en realidad el libro trata de temas muy variados. El libro es excelente, un clásico de la divulgación científica. Aunque no es el caso de Asimov, que generalmente escribía sólo, una combinación muy eficaz es la de un físico investigador en colaboración con alguien que tiene una cierta formación científica pero que sobre todo se ha especializado en la divulgación científica. Hay que fomentar el periodismo científico, tanto de libro como de artículo periodístico o de revista. Otro gran libro de divulgación es el de Jame Gleick, "Caos: la creación de una nueva ciencia". Ambos libros han sido grandes éxitos editoriales, lo que demuestra que la divulgación científica de calidad no sólo es posible si no que, además, puede ser económicamente rentable.
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Esto de la “fotónica suena a película de ciencia-ficción, ¿podrías arrojar algo de “luz” sobre lo que significa para empezar? | |
La electrónica funciona con corrientes de electrones. Con electricidad, para entendernos. Pero la fotónica, funciona con corrientes de fotones....Con luz, en otras palabras. Aquella, forma parte de nuestra civilización de una manera tan profunda que solo cuando nos falta percibimos su valor. Las corrientes de partículas luminosas, los fotones, empiezan a hacerse hueco entre nosotros y algunas de sus aplicaciones ya son imprescindibles: los lectores de código de barras, las aplicaciones del láser en la medicina, la televisión digital....
Esto de la “fotónica suena a película de ciencia-ficción, ¿podrías arrojar algo de “luz” sobre lo que significa para empezar? "... la fotónica funciona con corrientes de partículas luminosas, los fotones." La electrónica funciona con corrientes de electrones, y estamos muy acostumbrados a usar aparatos electrónicos como la radio, la televisión, el teléfono, el ordenador, etc. Por el contrario, la fotónica funciona con corrientes de partículas luminosas, los fotones. No estamos aún muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor. Así tenemos algunos aparatos clásicos como las cámaras fotográficas, telescopios y microscopios, y otros más recientes como los lectores de códigos de barras, los punteros láser, los láseres de las discotecas, etc. Casi todos estos aparatos combinan una parte electrónica y otra fotónica, como las pantallas de los ordenadores, los proyectores de video, las cámaras fotográficas digitales, y muchos otros. Veo que lo de arrojar luz no iba muy descaminado…. De un tiempo a esta parte parece que estamos rodeados de láseres: impresoras láser, lectoras de CDs. ¿Podrías comentar algo sobre este aspecto? Si, la luz láser posee unas propiedades muy especiales, que la hacen enormemente útil, y además cada vez se inventan nuevos láseres de colores distintos, y con tamaños cada vez más reducidos. La luz láser se dirige de forma muy precisa comparada con la luz de una bombilla, además es de color muy puro, y muy brillante. Estas son cualidades esenciales para multitud de aplicaciones (cirugía, industria, investigación). Cada día se encuentran nuevas aplicaciones para este tipo de luz. Fibra óptica, comunicaciones ópticas ¿a la velocidad de la luz? 
Si, cada día se requiere más movimiento de información. Internet, la televisión digital por cable … Se hace necesario un sistema de alta capacidad de transmisión. Los conductores eléctricos quedan saturados. Por las fibras ópticas podemos enviar la información en forma de luz láser a la velocidad de la luz. Además, la más moderna tecnología permite enviar muchas comunicaciones a la vez por la misma fibra, una enorme ventaja respecto a los cables eléctricos, simplemente usando luces de varios colores distintos. Cada color lleva una comunicación, ¡y no se mezclan en la fibra!. A mí siempre me han sorprendido los hologramas ¿cómo funcionan? Intentaré explicarlo de forma sencilla. En una fotografía normal la imagen está impresa en el papel. Es la imagen de intensidad de luz que tomó la cámara con su objetivo. Por el contrario, con el holograma conseguimos fabricar una copia de las ondas luminosas que venían desde el objeto. Es como si tuviésemos delante el mismo objeto (sólo ópticamente, ya que el objeto ahora no está). En su lugar está el holograma, que nos envía información de la intensidad de luz y del relieve del objeto, así que lo veremos en 3D. ¿Es realista pensar en una televisión 3D en un futuro cercano?. Aquí hay que considerar dos aspectos, la cantidad de información que hay que transmitir para producir un holograma, y la resolución del elemento que forma la imagen. Para producir imágenes 3D en movimiento debemos realizar numerosos “fotogramas holográficos”. Cada fotograma holográfico constará de al menos 100 Megabytes, y por cada segundo de imágenes debemos formar 25 fotogramas. Esta es una cantidad de datos altísima, incluso para las comunicaciones ópticas actuales.
Por otra parte, las películas que permiten grabar hologramas son muy especiales, de muy alta resolución, con más de 25000 puntos por pulgada. Por el momento los proyectores de video tienen una resolución muy inferior, y tendremos que esperar a que esta mejore notablemente.
Parece que aún estamos algo lejos de esta aplicación fotónica, aunque la tecnología se desarrolla muy rápidamente en este campo. Aún se tardará unos años en que sea realidad la TV holográfica.
No me gustaría que nos centrásemos únicamente en los aspectos más mundanos, ¿podrías comentarnos cuales son los principales retos en este campo? "Uno de los retos importantes de la fotónica es la computación óptica." Uno de los retos importantes de la fotónica es la computación óptica. Los ordenadores personales actuales no pasan mucho más allá de los 3.000.000.000 de sencillas operaciones por segundo, y aún así a veces nos parecen lentos, pero estamos cerca del límite de velocidad con corrientes de electrones. Usando la luz podríamos aún aumentar mucho la velocidad de cálculo, tal vez hacerlos un millón de veces más rápidos.
¿Cómo se imagina un experto en fotónica el futuro? ¿Brillante?
Cada día que pasa aparecen nuevas aplicaciones de la fotónica. La luz láser está cada vez más presente en nuestras casas. En el campo de la salud también avanzan rápidamente las aplicaciones fotónicas. Por ejemplo, dentro de muy poco las radiografías se harán con luz láser visible, que es mucho menos peligrosa que los rayos X. En la industria cada vez son más los procesos que están controlados mediante la luz y las imágenes. Realmente es un panorama muy brillante, y ya en otros países avanzados como Estados Unidos los expertos en tecnología fotónica están muy cotizados. Nosotros acabamos de inicia el Master en Tecnología Fotónica en la UAM para formar este tipo de profesionales en nuestro país. ¿Podrías comentar la interrelación de la fotónica con otros campos de la física? La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica." La luz interacciona con la materia, y por tanto es un instrumento eficaz para el estudio de los materiales, también se genera en la materia, de ahí su relación con la física atómica y molecular y con la física de sólidos.
La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica. Algunas de estas propiedades aún no han sido aplicadas, aunque parece que pueden tener mucho interés en campos como el de la computación óptica.
La luz también está relacionada con la relatividad y con la astrofísica. La información que recibimos de los objetos espaciales es principalmente en forma de radiación luminosa. Los efectos relativistas observados en la luz que nos llega de las estrellas permiten obtener datos sobre el origen del universo.
Como se puede apreciar, existe una gran relación con otros campos de la física, y en muchas ocasiones no está clara la frontera entre estos campos.
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