Grandes retos del siglo XXI

Por UNAM, Dirección General de Publicaciones y Fomento Editorial

El poeta, escritor y ensayista Octavio Paz no pudo haber definido el futuro de forma más acertada, al asegurar que lo único previsible es que es impredecible: "El futuro que se prepara no se parece al que pensó y quiso nuestra civilización. Ni siquiera podemos afirmar que tenga parecido alguno: no sólo ignoramos su figura, sino que su esencia consiste en no tenerla. Situación única: por primera vez el futuro carece de forma...".

A pesar de que no sabemos qué va a traer el porvenir, es posible analizar el presente a partir de fenómenos del pasado para encontrar estrategias que permitan afrontarlo. Bajo esta premisa un grupo de intelectuales, científicos y académicos, coordinados por el maestro Héctor Vasconcelos participaron en el coloquio Grandes retos del siglo XXI, cuyas ponencias se reunieron en el volumen homónimo editado por la Dirección General de Publicaciones y Fomento Editorial de la UNAM y presentado recientemente.

• Idioma: Español
• Editorial: UNAM, Dirección General de Publicaciones y Fomento Editorial
• Fecha de lanzamiento: 14 nov 2018
• ISBN: 9786070252587

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Índice de contenido

PRÓLOGO

CIENCIA

FÍSICA: ASTRONOMÍA EN EL SIGLO XXI

FÍSICA: RETOS DEL SIGLO XXI

EL TERRITORIO DE LA FÍSICA CUÁNTICA

NANOTECNOLOGÍA

LA NANOTECNOLOGÍA, REVOLUCIÓN TECNOLÓGICA DEL SIGLO XXI

NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA

NORMATIVIDAD Y MEDICIONES : LLEVANDO LA NANOTECNOLOGÍA A CASA

CUANDO EL FUTURO DE LA NANOTECNOLOGÍA NOS ALCANCE

LA NUEVA BIOLOGÍA

LA BIOLOGÍA DEL SIGLO XXI

DE LA CLONACIÓN MOLECULAR A LA CLONACIÓN DE ANIMALES (REPROGRAMACIÓN GENÓMICA PARA LA TERAPIA CELULAR)

BIOTECNOLOGÍA DE RECURSOS AUTÓCTONOS. POTENCIAL ALIMENTARIO Y NUTRACÉUTICO

LA MEDICINA DEL SIGLO XXI

NEUROCIENCIAS

LAS NEUROCIENCIAS DEL SIGLO XXI: LA ÚLTIMA FRONTERA DEL CONOCIMIENTO

EMOCIÓN Y MEMORIA: UNA VISION HACIA EL FUTURO

MICROCIRCUITOS CEREBRALES

CIBERNÉTICA

ROBOTS DE SERVICIO Y TECNOLOGÍA COMPUTACIONAL HACIA EL SIGLO XXI

CIENCIAS DE LA TIERRA

LAS ACTIVIDADES HUMANAS, EL CARBONO Y SUS EFECTOS EN EL CLIMA GLOBAL

GRANDES RETOS DE LA GEOQUÍMICA ATMOSFÉRICA

METABOLISMO SOCIAL Y ECOLOGÍA POLÍTICA DE LO RURAL Y LO URBANO*

CIENCIAS DE LA COMPLEJIDAD

COMPLEJIDAD Y BIOLOGIA

LA REVOLUCIÓN DE DATOS Y SU IMPACTO EN LA SALUD PÚBLICA: LA COMPLEJIDAD DE LA DIABETES MELLITUS TIPO 2

GRANDES RETOS DE LA COMPLEJIDAD EN EL SIGLO XXI

CIENCIAS SOCIALES

ECOLOGÍA Y POLÍTICA:10 TESIS SOBRE LA CRISIS DE LA MODERNIDAD

EDUCACIÓN AMBIENTAL Y CAMBIO CLIMÁTICO

POBREZA

RECLAMO A LA DEMOCRACIA DESDE LA JUSTICIA SOCIAL

PENSANDO EL FUTURO

MIGRACIONES

EL DERECHO A LA LIBRE MOVILIDAD HUMANA

MIGRACIONES

CAMBIOS EN LA CULTURA

CAMBIO CULTURAL E INSTITUCIONES POLÍTICAS

LA CULTURA POLÍTICA AL DESPUNTAR EL SIGLO XXI

RECONCILIACIÓN ENTRE ÉTICA Y ECONOMÍA PARA EL SIGLO XXI*

GLOBALIZACIÓN, REGIONALISMOS, NACIONALISMOS

LA GLOBALIZACIÓN

EL BRICS. ACTUALIDADES Y FUTURIDADES

HACIA DÓNDE VA LA ECONOMÍA GLOBAL EN LOS PRÓXIMOS DECENIOS

NUEVA CONFIGURACIÓN MUNDIAL

NUEVA CONFIGURACIÓN MUNDIAL: DISENSOS RESPECTO AL FUTURO. EL SIGLO XX, ¿EMPEZÓ EN 1914 Y TERMINÓ EN 1989? EL SIGLO XXI, ¿YA EMPEZÓ?, ¿CUÁNDO?, ¿QUÉ PODEMOS ESPERAR DE ÉL?

LA UNIÓN EUROPEA, REGIÓN EN CRISIS

LA CONFIGURACIÓN MUNDIAL. DISENSOS RESPECTO AL FUTURO

EL MUNDO ÁRABE. UNA PERSPECTIVA

TERRORISMO Y NARCOTRÁFICO

EL TERRORISMO COMO VIOLENCIA QUE VINCULA LAS DIMENSIONES LOCAL Y GLOBAL EN EL ORDEN POLÍTICO INTERNACIONAL

LA GUERRA ANTITERRORISTA COMO INSTRUMENTO DE POLÍTICA DE SEGURIDAD DOMÉSTICA

AVISO LEGAL

PRÓLOGO

El coloquio Grandes Retos del Siglo XXI fue el segundo de una serie de foros ideados, junto con el rector de la Universidad Nacional Autónoma de México, doctor José Narro Robles, a fin de abrir nuevos espacios donde puedan discutirse, desde una perspectiva multidisciplinaria, los grandes temas de la actualidad. Seguramente una de las funciones de un gran centro académico es dar oportunidad para que estas cuestiones se ventilen en su seno y la unam cumple ese papel con creces.

El primero de estos coloquios se refirió a los valores que pueden resultar idóneos para la sociedad contemporánea. El segundo, que nos concierne aquí, fue un ensayo de prospectiva para tratar de dilucidar, a estas tempranas alturas del siglo, los temas que muy probablemente ocuparán a los científicos y a la sociedad mundial a lo largo de la presente centuria.

Desde luego, no hay nada más difícil que predecir el futuro. Lo único cierto que se puede decir del futuro —decía Octavio Paz—, es que es incierto. Lo único predecible de la historia es que es impredecible, decía también. Pese a ello, los ensayos de prospectiva son altamente estimulantes y aun divertidos. Quizá más que mostrar el futuro, indican cuáles son las preocupaciones del presente. Más que un anticipo del porvenir, nos propocionan un retrato de la actualidad. Revelan lo que nos concierne y dan el tono del Zeitgeist.

Un ejemplo —para mí emblemático— que muestra los problemas implícitos en hacer predicciones sobre el futuro es algo que ocurrió en 1894. En ese año se reunió en Londres la Real Academia de Ciencias y su presidente declaró la mayoría de edad de la cultura occidental. Según él, todo lo fundamental ya había sido descubierto: la humanidad se encontraba en posesión de la información necesaria para entender los procesos operativos del universo y de la vida, y el futuro traería solamente un avance aún mayor y un conocimiento más sutil dentro de los lineamientos de lo que entonces se conocía. Huelga decir que en sólo 10 años la concepción humana de la realidad habría de sufrir quizá el mayor sacudimiento de la historia. Lord William Kelvin, presidente de la Real Academia —cúspide a la sazón del saber científico—, no imaginaba siquiera que una década después Albert Einstein y sus teorías especial y general de la relatividad cambiarían, de manera incontrovertible, la visión de prácticamente todo —empezando por el tiempo y el espacio. Unos cuantos lustros más tarde, la física cuántica alteraría, de nueva cuenta, la percepción de la realidad misma, lo que tuvo las más profundas implicaciones filosóficas. Luego, hacia 1929, la constatación de que el universo se encuentra en una cada vez más acelerada expansión llevaría inevitablemente a la idea que hoy se tiene del origen y desarrollo del universo que habitamos. Así, en los pocos más de 30 años posteriores al famoso discurso de tan augusto personaje, el mundo había experimentado cambios conceptuales más radicales que los de cualquier época anterior, excepción hecha de los tiempos de Copérnico y Galileo.

Si las transformaciones en las ciencias exactas fueron radicales, los cambios en las humanidades, las artes y la sociedad no lo fueron menos. La pintura de Picasso, Braque o Kandinsky, la música de Stravinsky y Schönberg y la literatura de Joyce eran seguramente inimaginables en la década de los noventa del siglo XIX, como lo eran la duración, la extensión y las repercusiones sociales de la Primera Guerra Mundial. Tampoco parecía inevitable el surgimiento de los Estados Unidos como factor decisivo en los acontecimientos mundiales.

Con la ventaja de una visión retrospectiva, ahora podemos ver que con tales cambios el siglo XX empezó temprano, lo que no parece ser el caso del siglo XXI.

Hoy en día las certidumbres respecto al futuro parecen estar menos definidas que las de comienzos del siglo XX. En la academia norteamericana existen dos corrientes dominantes. Algunos piensan que, ahora sí, la humanidad posee los conocimientos esenciales respecto del universo y los procesos que llamamos vida, y el futuro sólo traerá refinamientos de las teorías actuales y un grado mucho mayor de control sobre los fenómenos biológicos. Otros, en cambio, creen que estamos en la antesala de cambios fundamentales de paradigmas que harán inevitable una revisión completa de nuestras concepciones. En especial en física, algunos cosmólogos —Stephen Weinberg entre ellos— piensan que el llamado modelo estándar, que explica el big bang y la expansión del universo, no alcanza a describir del todo algunas cuestiones importantes y será sustituido por algún otro modelo desconocido en el presente. Según esto, habría una nueva física por descubrir.

Hasta donde es posible aventurar una especulación informada, es de esperar que a lo largo de este siglo se desvele el misterio de la materia y la energía oscuras que constituyen alrededor de 94% de nuestro universo, así como que se resuelva el futuro de la Teoría de Cuerdas, que durante ya varias décadas ha sido la hipótesis más socorrida para llegar a una Gran Teoría Unificadora (la que explique tanto la mecánica cuántica como la relatividad). Es muy probable, también, que en las próximas décadas se encuentre la primera evidencia de un exoplaneta con agua líquida y vida, y no puede descartarse que antes del siglo XXII hallemos evidencias de una civilización extraterrestre. Para todo esto contamos con los telescopios espaciales y el Gran Acelerador de Hadrones, herramientas que nunca antes habían estado a disposición del ser humano. Se esperan asimismo desarrollos extraordinarios en el terreno de la inteligencia artificial, lo que llevará a un mundo en que, por primera vez, las máquinas posean una mucho mayor capacidad de almacenamiento y manipulación de datos que todos los seres humanos juntos. En biología, se prevé la manipulación de los genes y los organismos hasta límites quizá hoy inconcebibles, aunque ya predecibles en teoría. La medicina personalizada y la nanotecnología aplicada a ésta, a la producción de alimentos y a la modificación del clima son algunas de las tendencias que mayores cambios implican para lo que será la vida cotidiana a finales del siglo. Las neurociencias —la más joven de las actuales áreas de investigación, ya que su gran desarrollo data apenas de la etapa posterior a la Segunda Guerra Mundial— continuarán revelando hechos que cambiarán para siempre la noción que el ser humano ha tenido de sí mismo, sus características, sus inclinaciones y opciones, es decir, su conciencia misma.

Por lo que se refiere a la sociedad, es de prever que, en términos globales, habrá más de lo mismo. Como ha ocurrido a lo largo de toda la historia, los menos seguirán acaparando la mayor parte de los recursos del planeta, mientras que quienes no tienen nada o tienen muy poco, seguirán siendo mayoría. Lo determinante para pertenecer a uno u otro grupo será la educación: la posesión del conocimiento, especialmente el técnico. Aun así, son previsibles cambios geopolíticos importantes: la consolidación de China como factor determinante de la economía mundial y, por tanto, elemento decisivo en la política internacional. Es muy probable que así como el Océano Atlántico ha constituido el eje de la historia desde el siglo XVI, el Pacífico se convierta en el espacio alrededor del cual se den los principales intercambios económicos, sociales y políticos del futuro. Desde luego, todos estos acontecimientos tendrán como marco determinante el cambio climático, cuya profundidad es aún incierta, pero que incidirá en todos y cada uno de los fenómenos sociales.

Estas y otras perspectivas se hallan reflejadas en los textos contenidos en el presente volumen y fueron ampliamente discutidas durante el coloquio que tuvo lugar en el Antiguo Colegio de San Ildefonso. Ni este volumen ni el coloquio mismo tienen la pretensión de constituir un exámen exhaustivo de la temática del futuro. Se trata solamente de algunos puntos de vista —formulados por muy eminentes investigadores, tanto de las ciencias naturales como de las ciencias sociales— sobre determinados temas que sin duda ocuparán a la academia y a la sociedad en general durante la centuria. Como sucede en cualquier evento de esta naturaleza, hubo personalidades invitadas que no pudieron hacerse presentes por razones de agenda. Por diversas causas —entre ellas el hecho de que numerosas intervenciones fueron puramente orales— resultó imposible incluir textos de todos los participantes. Evidentemente habrá otros foros, con los mismos u otros partícipes, que abordarán estos retos desde perspectivas diferentes. Enhorabuena. He aquí sólo un muestrario de lo que algunos destacados expertos prevén como temas que se discutirán a lo largo del presente siglo.

Héctor Vasconcelos

CIENCIA

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FÍSICA: ASTRONOMÍA EN EL SIGLO XXI

Luis F. Rodríguez*

INTRODUCCIÓN

A través de los siglos, la astronomía ha enfrentado retos que ha logrado resolver a veces de manera aparentemente completa y en ocasiones de manera parcial. En realidad, los logros de la ciencia son engañosos. Durante varios siglos se creyó que las leyes de Newton describían perfectamente el movimiento de los planetas alrededor del Sol, hasta que a principios del siglo XX quedó claro que eran sólo una aproximación espléndida y que una descripción más exacta requería de la relatividad general. La ciencia parece ser una búsqueda sin final de un conocimiento que es cada vez más exacto, pero nunca perfecto.

Con esto en mente, podemos preguntarnos cuáles son los grandes retos que enfrenta la astronomía contemporánea. Como es de esperarse, son muchos, pero se escogerán dos por un par de razones: en primer lugar, se trata de temas que son investigados por un buen número de astrónomos, lo cual apoya su importancia. ¿A qué nos referimos con un buen número de astrónomos? En el mundo hay alrededor de 15 000 astrónomos profesionales. Estimo que los temas que trataremos atrapan cada uno la atención de alrededor de un millar de astrónomos. En segundo lugar, estos temas van de lo muy pequeño (astronómicamente hablando) a lo muy grande. Así, enmarcan todas las escalas físicas que interesan a los astrónomos.

¿Cuáles son estos dos temas? El primero es la búsqueda, en estrellas fuera de nuestro sistema solar, de planetas similares a la Tierra, que incluso podrían ser habitables o estar ya habitados por alguna forma de vida. El segundo tema es el estudio de los llamados componentes oscuros del universo, la materia oscura y la energía oscura, que dominan el movimiento de las cosas en las grandes escalas de las galaxias y del mismo universo como un todo.

LA BÚSQUEDA DE PLANETAS TERRESTRES

Nuestro sistema solar está formado por el Sol, ocho planetas y un gran número de cuerpos menores (planetas enanos, satélites naturales, asteroides, cometas, etc.). Hasta donde sabemos, sólo la Tierra contiene vida. Marte ha sido estudiado por varios robots y no parece tener vida. Entonces, existen razones tanto astronómicas como biológicas para plantearse la pregunta de si existen planetas similares a la Tierra alrededor de las estrellas que vemos en el firmamento. Hasta hace un par de décadas había sido imposible realizar esta búsqueda. Los planetas son cuerpos insignificantes comparados con las estrellas y es muy difícil establecer su presencia. Aun el más grande de los planetas del sistema solar, Júpiter, pesa aproximadamente sólo una milésima de lo que pesa el Sol y su diámetro es 10 veces más pequeño. Así como Júpiter es insignificante respecto al Sol, la Tierrra es insignificante respecto a Júpiter, puesto que pesa 300 veces menos y su diámetro es una décima parte del de Júpiter. Más aún, los planetas son cuerpos oscuros, sin luz propia, que sólo brillan porque reflejan la luz del Sol. En contraste, las estrellas son cuerpos que producen grandes cantidades de luz y que pueden verse, incluso a simple vista, a través de las distancias interestelares.

La identificación de cuerpos externos al sistema solar que pudieran considerarse planetas se hizo por primera vez en 1992, cuando se detectó un sistema de dos planetas alrededor del pulsar clasificado como psr 1257+12. El problema es que los púlsares son estrellas muertas que se formaron de la explosión de lo que fue una estrella mucho más grande que el Sol, y nadie esperaba hallar planetas en un ambiente tan hostil. Desde entonces, se han encontrado planetas alrededor de un púlsar (el caso de psr B1620-26). Estos resultados no recibieron gran atención, y no fue sino hasta 1995 cuando los astrónomos suizos Michel Mayor y Didier Queloz anunciaron la detección de un exoplaneta que orbitaba la estrella 51 Pegasi, una estrella parecida al Sol. Los planetas son extremadamente difíciles de ser detectados directamente y la técnica que usaron Mayor y Queloz fue estudiar el movimiento de la estrella con respecto a nosotros. A esta técnica se le conoce como de la velocidad radial (la componente de la velocidad de la estrella con respecto a la línea de visión hacia ella). Debido a la presencia del planeta, la estrella presenta un pequeño cabeceo, que es posible detectar con telescopios y detectores lo suficientemente sensitivos.

Una vez que quedó claro que la técnica de medir la velocidad radial de la estrella permitía inferir la existencia de planetas, así como determinar la masa y distancia de éstos a su estrella, se desarrolló una cacería de exoplanetas desde distintos observatorios en el mundo. Esta cacería fue muy exitosa, y para principios de la primera década del siglo XXI ya se conocían varios cientos de exoplanetas. El problema es que estos exoplanetas eran predominantemente cuerpos parecidos a Júpiter y además muy cercanos a su estrella, por lo que se les bautizó como Júpiteres calientes. ¿Qué estaba ocurriendo? ¿Sería que en el Universo no existían o casi no existían planetas como la Tierra? No era éste el caso, sino que estábamos ante un ejemplo de lo que se conoce como sesgo observacional. Los movimientos de la estrella son mayores y por lo tanto más fáciles de detectar conforme el planeta es más grande y más cercano a ésta. Para aclarar lo anterior, digamos que este sesgo sería equivalente a un pescador que tira al mar una red con agujeros de 10 centímetros y acaba concluyendo que no hay peces más chicos que 10 centímetros.

Los planetas tipo Júpiter son enormes esferas de gas (mayoritariamente hidrógeno y helio) que no tienen superficie sólida; en consecuencia, no podrían sostener la vida, como ocurre en la Tierra, que tiene superficie sólida.

Era entonces necesario buscar otra técnica que favoreciera, o al menos permitiera, la detección de pequeños planetas como la Tierra. Esta técnica resultó ser la del tránsito del planeta frente a la cara de la estrella. Si la órbita del planeta está en la orientación adecuada, cada vez que complete una vuelta pasará enfrente de la estrella y disminuirá por una pequeña fracción el brillo de ésta. Los planetas son mucho más pequeños que las estrellas y estos tránsitos no pueden producir un eclipse total, sino sólo una pequeña disminución del brillo estelar. Es importante aclarar que todo esto se ve desde la Tierra como un punto de luz que disminuye repetitivamente, con cada paso del planeta. No podemos distinguir al planeta de la estrella. Para explorar las posibilidades de esta técnica, la nasa puso en órbita en el año 2009 al satélite Kepler. Esta misión ha sido todo un éxito. Para 2013 lleva descubiertos más de un centenar de exoplanetas, entre ellos algunos de los mejores candidatos a planetas parecidos a la Tierra. Un ejemplo muy reciente es la estrella llamada Kepler 62, a la cual se le han detectado cinco planetas, todos con dimensiones similares a la Tierra (con radios que van de 0.54 a 1.95 del de la Tierra). Pero, de forma más interesante aún, los dos planetas más externos (conocidos como Kepler 62e y Kepler 62f) están en lo que se conoce como la zona habitable de su estrella. ¿Qué es la zona habitable?

La vida como la conocemos requiere de agua líquida. A la presión de una atmósfera terrestre, el agua está líquida entre los 0°C y los 100°C. Por debajo de ese intervalo se hace hielo y por encima vapor de agua. Entonces, un primer criterio para que un planeta sea considerado habitable es que su temperatura esté en este intervalo. Si un planeta está demasiado cerca de su estrella, estará demasiado caliente, mientras que si está demasiado lejos, estará demasiado frío. Como diríamos en México: Ni tanto que queme al santo, ni tan poco que no lo alumbre. Este criterio de temperatura define una banda alrededor de la estrella que se conoce como la zona habitable. En el caso del Sol, la zona habitable abarca Venus, la Tierra y Marte.

El agua líquida actúa como un medio solvente en el que los compuestos orgánicos pueden mezclarse entre sí y ser transportados a las células. Nuestros cuerpos usan el agua líquida para eliminar las toxinas, regular la temperatura del cuerpo y ayudar al metabolismo.

Con el descubrimiento de muchos ejemplos de exoplanetas con tamaños similares al de la Tierra (lo cual implica que tienen superficie sólida), ubicados dentro de la zona habitable de su estrella (lo cual sugiere que podría haber agua líquida), el siguiente reto es estudiar la composición química de las atmósferas de esos exoplanetas, si es que las tienen. El estar en la zona habitable no garantiza nada. Además de la Tierra, Venus y Marte están en la zona habitable del Sol, pero ninguno de estos dos planetas tiene agua líquida. La evolución en el tiempo de un planeta lo puede llevar a perder su atmósfera (como el caso de Marte) o bien a desarrollar una atmósfera con un efecto invernadero tan fuerte que el agua sólo podría existir como vapor (como en Venus).

Afortunadamente, es posible conocer muchas cosas de la atmósfera de un exoplaneta observándolo remotamente, desde la Tierra. A la inversa, el estudio de la luz de nuestra Tierra desde el espacio, en particular de lo que se conoce como la radiación infrarroja, nos permite afirmar que hay en nuestra atmósfera moléculas de vapor de agua, oxígeno gaseoso, ozono y metano, las cuales están vinculadas a la vida. Por ejemplo, el metano desaparecería si se extinguiera la vida, puesto que es producido principalmente por la digestión de los mamíferos terrestres.

Se ha planteado la construcción de satélites astronómicos que pudieran estudiar la atmósfera de los exoplanetas seleccionados a partir de las observaciones ahora disponibles. El problema es que se trata de un proyecto sumamente costoso, en el rango de los 5 000 millones de dólares, y con la crisis económica actual, no ha sido posible encontrar el apoyo para su realización. Pero la experiencia nos demuestra que estas crisis son periódicas y que en un clima económico más propicio será factible financiar el proyecto, posiblemente por un consorcio de naciones.

El lado oscuro del universo

Lo primero que hay que aclarar al hablar de este tema es que la materia oscura y la energía oscura son cosas diferentes, pero que tienen en común que lo que sean, no lo podemos ver directamente y sólo sentimos su efecto en el movimiento de las galaxias y del universo como un todo.

Las galaxias de morfología espiral, como la nuestra, rotan alrededor de su centro. Cuando uno estudia esta rotación encuentra que es demasiado rápida y que si la galaxia solamente tuviera la masa que le vemos en estrellas y nebulosas, la fuerza centrífuga de la rotación le ganaría a la fuerza atractiva de la gravedad y la galaxia se dispersaría en el espacio. Pero esto no sucede, y la explicación es que además de la materia ordinaria que vemos en estrellas y nebulosas existe una materia oscura que no emite, absorbe o refleja la luz (o cualquier otra forma de radiación electromagnética), pero que sí deja sentir su fuerza de gravedad y mantiene estable a las galaxias. El candidato más viable para explicar la materia oscura es un tipo de partícula que existe en enormes cantidades, pero que simplemente no podemos ver o detectar, pero que está ahí.

Afortunadamente, hay teorías razonables que predicen la existencia de partículas con las características necesarias para explicar la materia oscura. Como interactúan muy débilmente con la materia ordinaria se les conoce como partículas masivas débilmente interactuantes o wimps (siglas en inglés de weakly interacting massive particles). El problema es que a pesar de un gran número de experimentos que buscan detectarlas, esto no se ha logrado. Una pequeña fracción de astrónomos piensa que lo que está mal es la ley de la gravedad de Newton. Esta ley nos dice que la fuerza de gravedad decae como la distancia al cuadrado. Estos astrónomos disidentes piensan que a grandes distancias la fuerza de la gravedad decae más lentamente que lo que nos dice la ley de Newton.

Pero si la materia oscura es difícil de entender, ante la energía oscura estamos, literalmente, a oscuras.

Para 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble había acumulado observaciones de 24 galaxias que le permitieron cambiar la concepción del universo. Encontró un sorprendente resultado: la mayoría de las galaxias que él estudió se alejaban de la nuestra a una velocidad proporcional a su distancia, lo que se conoce como la ley de Hubble. Esta ley cinemática del universo local se interpreta como evidencia de una expansión uniforme del espacio: todas las galaxias se alejan las unas de las otras.

El descubrimiento de Hubble impulsó la teoría cosmológica basada en la relatividad general desarrollada por Albert Einstein años antes, y según la cual el universo no puede ser estacionario, tiene o bien que expandirse o bien que contraerse. Al estar expandiéndose actualmente el espacio, significa que en el pasado las distancias eran más y más pequeñas. La descripción de las condiciones físicas de la materia y radiación en épocas remotas, donde todo era más denso y caliente, dio lugar a la llamada teoría de la gran explosión, la teoría que mejor describe nuestro universo. En el contexto de la teoría de la gran explosión, hay múltiples posibilidades de expansión e incluso, luego de llegar a un máximo, podría haber contracción. Si en el universo hubiese sólo radiación y materia (tanto la ordinaria, como la oscura que aparentemente es cerca de seis veces más abundante), entonces la expansión tendría que frenarse por la acción atractiva de la gravedad que producen estos componentes. Ése es el comportamiento que se esperaba confirmar con las observaciones.

Durante décadas, muchos astrónomos dedicaron sus esfuerzos a estudiar la historia en el tiempo de la expansión del universo. El lector se preguntará si los astrónomos tenemos una máquina del tiempo. No, pero al estudiar objetos muy lejanos estamos estudiando el pasado porque la luz que de ellos nos llega salió de dichos cuerpos hace mucho tiempo, miles de millones de años en los casos más remotos. El reto lo asumieron en la década de los noventa dos grupos internacionales de astrónomos en el que jugaron un papel importante los observatorios de Cerro Calán y Cerro Tololo, Chile, así como los chilenos Mario Hamuy y José Maza, entre otros. Existe un tipo de explosiones estelares, llamadas supernovas de tipo Ia (SN Ia), que pueden verse a grandes distancias durante días y semanas posteriores a la explosión. Estas explosiones se espera sean similares en su luminosidad intrínseca, ya que provienen de superar la masa crítica de una estrella enana (1.4 masas solares) al acretar materia de una estrella compañera.

Lo que seguía era cazar supernovas del tipo correcto que estuvieran muy alejadas. Estas explosiones no son tan comunes. Por ejemplo, en galaxias como la nuestra se estima que pueden ocurrir alrededor de dos cada mil años. Entonces, para descubrir algunas supernovas en un año, hay que monitorear con buena precisión fotométrica decenas de miles de galaxias alejadas. Esta tarea la emprendieron en la década de los noventa de manera entusiasta las dos grandes colaboraciones internacionales mencionadas arriba, una encabezada por Saul Perlmutter y otra por Brian Schmidt y Adam Riess, los tres nacidos en Estados Unidos, aunque Schmidt realizó la mayor parte de su carrera profesional en Australia. Estos tres científicos compartirían el Premio Nobel de Física de 2011. En los artículos en los que planteaban cómo realizarían sus respectivos proyectos, ambos grupos hablaban de determinar la desaceleración de universo. Nadie hablaba de la posibilidad de que la expansión del universo estuviera acelerándose. La naturaleza les guardaba una enorme sorpresa.

Ambos grupos publicaron sus primeros resultados en 1998 y 1999 usando aún pocas supernovas cosmológicas. Aunque todavía con mucha incertidumbre, sus datos indicaban que el universo no se está desacelerando (esto es, expandiéndose cada vez mas lentamente), sino acelerando. Esta expansión acelerada implica que la densidad de materia-energía del universo está dominada por un medio repulsivo. Esto motivó un gran interés en las comunidades tanto de la astronomía como de la física.

Resultados de diferentes áreas sumados a los diferentes sondeos cosmológicos han convergido hacia un modelo cosmológico con geometría plana que de estarse frenando pasó a acelerarse en su expansión y que al día de hoy tiene densidades de materia-energía correspondientes a aproximadamente 5% en materia ordinaria, 21% en materia oscura y 74% en energía oscura. Contra lo que se creía anteriormente, la materia ordinaria es sólo una fracción pequeña del contenido de materia-energía del universo. Por otro lado, hay que decir que 5% que nos constituye a los seres humanos y a todo lo que vemos, es el porcentaje interesante porque es el que es capaz de formar estructuras como estrellas, planetas y humanos. La materia oscura y la energía oscura están distribuidas de manera más difusa. Pero en las grandes escalas son las que dominan el movimiento de las cosas.

Se ha presentado un gran número de propuestas para explicar la energía oscura (que siguen aumentando aceleradamente, como el universo), y para discriminar entre ellas se requiere de una nueva generación de sondeos observacionales que puedan determinar con mejor exactitud la expansión del universo a través del tiempo. Con el descubrimiento de la energía oscura, los astrónomos han abierto una caja de Pandora en la cosmología, astronomía y física de partículas. Les toca posiblemente ahora cerrarla. Por ello, varios de los grandes proyectos astronómicos más ambiciosos y costosos de los siguientes años están enfocados a medir con precisión la historia de la expansión del universo, así como los diversos parámetros cosmológicos.

*Centro de Radioastronomía y Astrofísica, UNAM, campus Morelia.[regresar]

FÍSICA: RETOS DEL SIGLO XXI

Rocío Jáuregui Renaud*

El avance de las ciencias básicas en el siglo pasado fue de la mano de desarrollos tecnológicos que no sólo hicieron más cómoda nuestra vida cotidiana sino que agilizaron la obtención, entendimiento e intercambio de información sobre todo aquello que nos rodea. La física jugó un papel protagonista en estos desarrollos y también es partícipe de las ventajas de estos adelantos. El siglo XX se inició con revuelo, ya que al menos tres revoluciones conceptuales lo acompañaron, dando origen a la física cuántica, la física relativista y la física estadística. El siglo XXI empieza con grandes expectativas pues, hoy como nunca, es posible estudiar con altísima precisión fenómenos físicos que involucran escalas espaciales tan pequeñas como aquellas en que las partículas elementales manifiestan sus transformaciones y tan grandes como las escalas astronómicas. Los sistemas a escalas intermedias pueden ser controlados átomo por átomo; se diseñan sistemas artificiales a temperaturas muy cercanas al cero absoluto; las nanociencias proporcionan las bases para el estudio, la generación y desarrollo de sistemas útiles en ramas tan amplias como la óptica, la biología y la medicina; sistemas cuasi bidimensionales y sistemas desordenados son base para el diseño de materiales con cualidades sorprendentes; los campos eléctricos y magnéticos se detectan, generan y controlan a muy bajas y muy altas intensidades. Es decir, la física del siglo XXI es de amplio horizonte y con retos en todas las direcciones. En los próximos párrafos se presenta un resumen de algunos de los aspectos que la comunidad ha identificado como especialmente importantes. Gran parte de esta información da seguimiento a los análisis realizados a principios de este milenio por instituciones como la International Union of Pure and Applied Physics. Con el propósito de una mayor claridad, se desglosan por área los temas que involucra la física en la actualidad.

METROLOGÍA

Esta disciplina concentra su atención en la implementación de protocolos que permitan realizar mediciones reproducibles con la máxima precisión accesible. Estas mediciones suelen referirse a objetos fundamentales como el tiempo. En este caso, muy recientemente se consiguió utilizar la lógica cuántica para medirlo usando un solo átomo y con un error de una parte en 1018, es decir, un segundo de error comparado con la edad del universo. Un reto es aplicar esta lógica novedosa en la medición de otras variables como la constante de estructura fina (que determina la intensidad de las interacciones electromagnéticas) que ahora se conoce con sólo 13 cifras significativas. Mediciones tan precisas son base del entendimiento al detalle de nuestro universo actual, pero también preceden dispositivos como el posicionador global (gps) o los controladores de telecomunicaciones.

FÍSICA ESTADÍSTICA

Ergodicidad e irreversibilidad, ¿cuándo es una aplicable y cuáles son los orígenes de la otra? Sistemas diversos en condiciones extremas poseen propiedades similares, ¿qué parámetros del sistema definen las clases de universalidad? ¿Cómo caracterizar la evolución de sistemas muy fuera de equilibrio? Y los sistemas desordenados, ¿ cómo sistematizar su estudio? Dada la impresionante capacidad de cómputo, las simulaciones numéricas de sistemas complejos, ¿pueden alcanzar el poder de predicción que permita en ocasiones obviar la realización de algunos experimentos?

ASTROFÍSICA

En otras contribuciones incluidas en este libro se mencionan en detalle algunos de los retos que encara la astronomía per se. Aquí sólo se mencionará que los avances tecnológicos recientes han permitido establecer puentes directos de la astronomía con la física de partículas y la cosmología. En este siglo, se están implementando detectores de partículas en el espacio y detectores de ondas gravitacionales. La radiación cósmica vuelve a ser un tema de frontera, y cada vez se ven más interacciones entre astrónomos y físicos de todas las áreas.

FÍSICA DE BAJAS TEMPERATURAS

Generar estados de la materia no convencionales a bajísimas temperaturas absolutas es ya cotidiano en muchos laboratorios (límite actual en la escala de nanokelvin). Es posible, además, controlar la interacción electromagnética entre los componentes de estos sistemas, así como su movimiento global, utilizando luz y campos magnéticos. Con estos sistemas se aprende sobre las correlaciones cuánticas en sistemas altamente controlados. Es un reto simular con ellos sistemas poco comprendidos en, por ejemplo, estado sólido. La generación y control de nubes atómicas ultra frías cerca de superficies permitirá hacer experimentos en microchips y diseñar componentes en los que, por ejemplo, se codificará y manipulará información con las reglas de la física cuántica. En la última década, ha sido posible generar gases degenerados formados no sólo por átomos, sino por moléculas simples. ¿Cuál es el límite con la tecnología actual? ¿Cómo romperlo?

FÍSICA BIOLÓGICA

Los sistemas biológicos son altamente complejos y el enfoque para su estudio no siempre coincide con la visión de un físico. Para él, de entrada, una pregunta fundamental corresponde a la identifición de elementos básicos comunes a fenómenos aparentemente muy diferentes. Entre los sistemas más estudiados en este ámbito durante la última década resaltan: en biología estructural, las proteínas vistas como máquinas moleculares, la caracterización física (mecánica y óptica) de procesos uni y multicelulares; los procesos estocásticos clásicos y cuánticos parecen clave en el entendimiento de fenómenos biológicos.

ACÚSTICA

Esta área tiene retos tanto intrínsecos como cercanos a otras muchas disciplinarias. Algunas de sus subdisciplinas son arqueoacústica, aeroacústica, procesamiento de señales acústicas, bioacústica, acústica arquitectónica, música, acústica submarina y acústica ambiental. Mencionemos algunos retos como la producción de espejos reversibles en el tiempo para la acústica oceanográfica, el uso de ultrasónido altamente enfocado en diagnósticos y tratamientos médicos, y el estudio de las respuestas psicológicas y fisiológicas al sonido de humanos y otras especies.

FÍSICA DE SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son la base de la electrónica de estado sólido contemporánea, incluidos los transistores, las celdas solares, los emisores de luz a base de diodos (LEDS), los puntos cuánticos y los circuitos integrados. Entre los retos de este siglo, se mencionan el entendimiento y uso de electrones en medios cuasi bidimensionales ante la presencia de campos electromagnéticos externos y la generación de dispositivos novedosos con éstos. Tales medios pueden ser superficiales o internos al material.

FÍSICA DE PARTÍCULAS

Nuevamente hay retos intrínsecos como las pruebas al modelo estándar, el desarrollo de técnicas matemáticas y computacionales no perturbativas y la posibilidad de una teoría de la gravedad cuántica. También hay retos multidisciplinarios que involucran a la cosmología y a la astrofísica. En la actualidad se implementan nuevos laboratorios terrestres y se aprovechan las observaciones de fenómenos extraterrestres.

FÍSICA NUCLEAR

Es un reto entender núcleos inestables naturales y generar núcleos inestables artificiales, en particular con alto exceso de neutrones. También hay que analizar los efectos en núcleos de altas presiones y altas temperaturas. Es muy importante la relación con la física de partículas elementales.

ELECTRÓNICA CUÁNTICA

Láseres ultracortos capaces de detectar la evolución de fenómenos atómicos de ionización y recombinación, fragmentación y formación de moléculas. Desarrollo de láseres de alta potencia y de luz con estructura y estadística no trivial. Dispositivos útiles en áreas tan diversas como la biofotónica y la ingeniería cuántica.

PLASMAS

Retos en comprensión y control de fusión, plasmas fríos, plasmas de alta densidad muy fuera de equilibrio y plasmas en la ionósfera. La relevancia de ellos en el laboratorio y en el espacio exterior.

FÍSICA ATÓMICA, MOLECULAR Y ÓPTICA

Retos en comprensión (mediciones de alta precisión y su comparación con la teoría) y control de átomos, moléculas y iones ultrafríos. La evolución temporal de procesos a nivel atómico, molecular y nanoscópico, y su manipulación mediante la interacción radiación con materia. Comprensión y control de la pérdida de coherencia cuántica de sistemas abiertos. Todo ello en el contexto de la ingeniería cuántica que incluye a la óptica cuántica.

Nótese que sólo dimos ejemplos acerca de algunas temáticas con grandes retos. Además, este resumen no menciona retos específicos de áreas tan extensas como la materia condensada, en particular líquidos, superficies e interfases. Tampoco menciona el control de campos electromagnéticos y campos magnéticos estáticos. Poco espacio hemos dejado a la física matemática y computacional. Y los retos en la enseñanza de la física en el ámbito internacional son enormes, y en el nacional, gigantescos.

¿Cuáles son las estrategias internacionales para enfrentar los retos del siglo XXI? Son muchas, algunas las podríamos llamar convencionales: grupos de trabajo en universidades, laboratorios nacionales o empresas que buscan respuestas a problemas muy específicos. Otras estrategias reflejan las facilidades enormes de la comunicación global. Vemos cada día con mayor frecuencia la formación de grandes grupos interdisciplinarios e internacionales. Estos grupos requieren de pocos líderes y muchos especialistas. Los ejemplos en funcionamiento actual muestran eficiencia, y México ha hecho esfuerzos claros para no quedar fuera de ellos. Debemos, sin embargo, ser cuidadosos y seguir formando científicos con bases sólidas y visión amplia, que no solamente sean parte de grandes proyectos internacionales sino que estén capacitados para ser sus líderes.

*Instituto de Física, UNAM.[regresar]

EL TERRITORIO DE LA FÍSICA CUÁNTICA

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Luis de la Peña**

El principio del siglo XX vio nacer la teoría de la relatividad (la especial en 1905, la general en 1916) y una década después (entre 1925 y 1927 para ponerle fecha) la mecánica cuántica. Estas dos teorías definieron el carácter y la naturaleza de la física del siglo pasado.

La mecánica cuántica es, en lo básico (aunque no exactamente), la rama de la física que estudia los sistemas ultramicroscópicos, como átomos o moléculas e incluso menores, y sus agregados más fundamentales. Ésta es una teoría esencialmente diferente de las que conociera la física anterior al siglo XX. La teoría cuántica demanda una visión física muy propia y altamente novedosa, la que llega incluso a estar en contradicción con la visión que del mundo nos proporcionan la física clásica y el resto de las ciencias naturales. Pero se abordará esto más adelante.

La mecánica cuántica es a la física actual lo que la mecánica de Newton fuera para la física clásica: el sustento teórico general de los avances físicos ulteriores. Con su establecimiento se dieron las bases para el surgimiento y desarrollo de la amplia variedad de teorías que conforman la física contemporánea. Como ejemplos podemos citar la electrodinámica cuántica y la teoría cuántica de campos, la física atómica, la molecular, la nuclear, las de los diversos estados de la materia, como sólidos, líquidos, gases, geles y plasmas, la de las partículas elementales, etcétera.

Más allá del territorio que le es propio, la mecánica cuántica ha alentado también el surgimiento de importantes capítulos de campos científicos que le son afines. Un notable ejemplo es la química cuántica o química teórica, que ha conducido a señalados avances de esta ciencia. Los resultados están presentes en la síntesis y generación de una amplia variedad de medicamentos y drogas, o bien, en la producción de nuevos materiales, el modelaje molecular, la química computacional, etc. La tabla periódica de Mendeleev, y con ello la base misma de la química, encuentra su explicación última en la mecánica cuántica.

Varios capítulos de la astrofísica contemporánea son resultado de una productiva simbiosis con las actuales teorías de origen cuántico. Es de esperarse que en su momento emerjan de este matrimonio respuestas a profundos misterios, como la esencia de la energía oscura,