Conociendo lo desconocido

Collage de Konstantín VICTOROV

Logros, problemas y perspectivas de la física moderna

Yevgueni VÉLIJOV,
Vicepresidente de la Academia de Ciencias de la URSS
De la revista NAUKA I ZHIZN

Si intentamos caracterizar a grandes rasgos la situación actual en los campos de la ciencia en los que irrumpe la física, ante todo deberemos tener en cuenta la física de altas energías. Entre sus muy amplios intereses, los primordiales son: la estructura profunda de la materia y las leyes físicas del micromundo, es decir, todo lo que se acostumbra a incluir en la misteriosa pregunta «¿De qué está hecho nuestro mundo?»

Hace 10 o 15 años aún pensábamos que mientras más hondo calábamos en la materia, tantos más fragmentos observábamos de un desorden, de un caos que ha sido denominado «vacío en ebullición». Sin embargo, durante los últimos años se aclaró —primero teóricamente y luego en forma experimental en los aceleradores— que en el micromundo hay orden, que existe una simetría interior, muy hermosa y, en esencia, muy sencilla, una simetría que ha conducido al actual modelo cuárquico de la estructura de las partículas elementales.

Los modelos cuárquicos infunden un gran optimismo no sólo por el hecho de que se han descubierto nuevos «ladrillos» en el Universo que nos rodea y porque hemos escalado un peldaño más en la comprensión de la estructura del micromundo. Además de eso, ahora también podemos mirar con optimismo a las posibilidades de unificación de todas las fuerzas conocidas en la naturaleza, cosa con la que han soñado los más célebres científicos de nuestro siglo.

Es difícil ver en el acto lo mucho que puede dar una comprensión precisa de la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza el gran paso adelante que ello significaría para nuestra concepción del mundo y, seguramente, en la dirección de los procesos naturales y su uso práctico. Recuerde que precisamente el descubrimiento de la naturaleza común de la electricidad y el magnetismo le dio a la humanidad el uso a gran escala de la energía eléctrica y, por consecuencia, la luz eléctrica, los motores eléctricos —que se han convertido en la base de un transporte cómodo y de la industria motorizada—, el teléfono, la radio, la televisión y la grabación del sonido.

Sobre todo, en los últimos años, se ha fortalecido la unión entre la física fundamental y la astrofísica. Y esto es completamente lógico y normal. A medida que la astrofísica estudia en forma cada vez más profunda y detallada el cosmos, va surgiendo la posibilidad de comprobar en este gigantesco laboratorio nuestras ideas sobre la naturaleza de las cosas. A su vez, basándonos en los fenómenos descubiertos en las lejanas regiones del Universo, podemos idear y elaborar teorías físicas fundamentales.

Así, el descubrimiento de los pulsares —radiofuentes de impulsos— que incluso a sus descubridores por mucho tiempo les pareció algo enigmático, después de minuciosas observaciones y de un profundo análisis teórico, condujo a la creación del modelo de una estrella neutrónica dotada de una rotación muy rápida.

El descubrimiento de la llamada radiación relicta, que está presente débil pero uniformemente en todo el Universo, corroboró la justeza de nuestras ideas sobre la fase inicial de la expansión de este. El solo hecho de que hoy día sea posible reproducir los procesos transcurridos hace muchos miles de millones de años a partir de los cuales comenzó el desarrollo actual del Universo, nos demuestra que la física moderna se ha convertido en una poderosísima fuente de conocimiento.

Es posible que ya en los próximos años se pueda utilizar otra fuente de información sobre los acontecimientos que tienen lugar en el cosmos: las ondas gravitatorias. Aunque según la teoría de la relatividad éstas deben existir, hasta el momento nadie ha podido registrarlas. La fuente de estas ondas se encuentra lejos y los cálculos muestran que la radiación gravitatoria que llega a la Tierra posee una amplitud de oscilación muy pequeña: 10^-18-10^-19 cm.

Su registro puede parecer un problema insoluble ya que se debe medir la amplitud de oscilaciones cien mil veces menor que el núcleo atómico. Y aquí tenemos otro ejemplo de la reacción típica del físico ante un problema insoluble: en la Universidad de Moscú ha sido creada una instalación, que registra las oscilaciones mecánicas de una amplitud de cerca de 10^-17 cm. Así es que esperamos resolver el problema de la recepción de la radiación gravitatoria del Universo.

Las ramas de la física de que hemos hablado, junto con una serie de otras, constituyen lo que podríamos llamar vanguardia de la ciencia en su investigación de lo desconocido. Como forman la base de nuestros conocimientos sobre el mundo, se las denomina fundamentales o básicas. El fin primordial de la física fundamental es conocer lo más profundo posible la naturaleza de las cosas, a menudo sin preocuparse de antemano sobre la utilidad práctica de la información obtenida y sin dar anticipo alguno a la técnica o la industria.

Yevgueni Vélijov (a la derecha) y Yuri Ovchínnikov (en el centro),
vicepresidentes de la Academia de Ciencias de la URSS,
conversan con Kodzi Jusimi, presidente del Consejo Científico
Nacional del Japón.

Al mismo tiempo, la experiencia demuestra que no existen conocimientos fundamentales inútiles, que basándose en ellos nacen constantemente nuevas ramas de la física aplicada y, más adelante, de la técnica y tecnología, las que dan a la humanidad considerables comodidades. Recordemos, por ejemplo, las investigaciones sobre el núcleo atómico comenzadas a principios de nuestro siglo por un reducido grupo de físicos que querían penetrar en la estructura del átomo. Los conocimientos obtenidos entonces abrieron a la humanidad un camino completamente nuevo hacia la energía.

He aquí otro ejemplo. Las investigaciones fundamentales en el campo de la física del estado sólido, convirtieron en una realidad la microelectrónica de semiconductores. Esto fue posible después de que fueron estudiados a fondo los sutiles y complicados procesos físicos de los cuerpos sólidos.

Hoy en día, al cambiar por medio de sutiles métodos tecnológicos las propiedades físicas de sectores microscópicos de un semiconductor, se crean esquemas integrales en los que en un cristal del tamaño de una casilla de un cuaderno de aritmética caben decenas y, a veces, cientos de miles de elementos complejamente unidos. Actualmente, estos elementos miden micrones, pero ya se empieza a hablar de la técnica submicrónica.

De la física del estado sólido, actualmente está separándose una importante rama de las investigaciones fundamentales y aplicadas: la física de las superficies. Hace ya bastante tiempo que han sido estudiadas las propiedades volumétricas de los cristales, de los sólidos amórficos, de los líquidos, y así hemos llegado al estudio de las propiedades de la llamada superficie pura. En gran medida, esto ha sido posible gracias a los avances en la construcción de aparatos científicos. Por ejemplo, ahora se puede observar cómo tal o cual molécula se posa en la superficie del catalizador, cómo se une a él; se puede ver en detalle cómo tiene lugar la corrosión, cómo, por ejemplo, entre los gránulos de un metal se filtran determinadas sustancias destructoras o protectoras.

Otra rama de la física que ya está produciendo transformaciones revolucionarias en la técnica es la electrónica cuántica. Su engendro más conocido —el láser— da un flujo potente y concentrado de radiación electromagnética, especialmente en los diapasones de las zonas óptica e infrarroja. El haz de láser es un transportador de energía y, en calidad de tal, puede realizar muchas cosas útiles: fundir o soldar metales, templar su superficie, cortar, calentar y hacer agujeros. Sin embargo, el láser se diferencia de todos los demás instrumentos de acción energética sobre la materia por el hecho de que en él la energía se encuentra en un estado de especial orden. Aquí me gustaría hacer una comparación, quizá no muy exacta, pero sí muy ilustrativa: la acción del haz de láser se puede comparar con la música, con ondas musicales ordenadas de un modo determinado, las cuales, a diferencia del chirrido y del ruido, actúan sobre el ser humano de una manera muy especial.

Los diseñadores y tecnólogos de muchas ramas —en primer lugar, de la construcción de máquinas— todavía no conocen todas las ventajas que presentan los variados métodos para tratar materiales con ayuda del láser. Hace aproximadamente 20 años en el Instituto de Física de Altas Presiones se obtuvieron los primeros diamantes artificiales, lo cual dio comienzo en el país a la rama industrial correspondiente, que, a su vez, revolucionó el labrado de los metales. De manera semejante, hoy día ha llegado el momento de usar para ello el láser.

La física moderna no puede dejar de interesarse por los problemas de la obtención y uso de la energía. Recordemos al respecto las búsquedas relacionadas con la creación de fotocélulas efectivas que pudieran convertirse en la base de la más pura fuente de energía solar. Durante mucho tiempo, el rendimiento de una fotocélula no pasaba del 5%, luego subió hasta el 10% y actualmente existen estructuras semiconductoras (particularmente, las creadas en el Instituto Físico-Técnico de Leningrado) con un rendimiento del 30% y con perspectivas de alcanzar un 40%. Además, los físicos leningradenses están empeñados en crear fotocélulas de silicio amorfo, que es mucho más barato que el cristalino.

Todo esto significa trabajos fundamentales y profundas investigaciones en el campo de la física del estado sólido, cuyo objetivo, no obstante, es bastante concreto: centrales eléctricas en regiones desérticas, en donde de una superficie de unos cuantos kilómetros cuadrados se puede obtener energía suficiente para abastecer una ciudad de medianas dimensiones. Muchos especialistas piensan —y no sin fundamento— que la energética solar a gran escala es asunto de un futuro lejano. Sin embargo, existe un campo en donde ya hoy día se utilizan ampliamente centrales heliotérmicas basadas en los logros de la física de los semiconductores. Se trata de las instalaciones que aseguran el abastecimiento de electricidad en las naves espaciales y, sobre todo, en las estaciones orbitales de prolongado funcionamiento, retrasmisores de televisión, satélites meteorológicos y laboratorios interplanetarios. Hace ya varios decenios que las esperanzas de una abundancia energética se vinculan con la posibilidad de encender en la Tierra un minisol artificial y manejable, o sea, de utilizar la energía que se libera durante la fusión de los núcleos de hidrógeno y su transformación en uno de helio.

La historia de las investigaciones termonucleares de por sí es digna de atención, pues en ella podremos encontrar mucho de interesante y aleccionador. En especial, se puede ver cómo la naturaleza iba poniendo al paso de los físicos un obstáculo complicado tras otro, y cómo los investigadores encontraban fuerzas y valor para salvar estos interminables obstáculos.

Actualmente, los trabajos se realizan principalmente en instalaciones con retención magnética del plasma de alta temperatura —en las cámaras toroidales con campo magnético (tokamaks) y stellerators— y en los llamados sistemas inerciales, en donde al reactor ingresan cantidades microscópicas de combustible, que deben calentarse hasta los indispensables cientos de millones de grados por medio de una poderosísima compresión con ayuda del láser, de haces electrónicos o iónicos. Es natural que los especialistas que trabajan en cada una de estas ramas, vean mejor que otros sus ventajas, y no se descarta que en el futuro coexistan las instalaciones termonucleares con reactores de distintos tipos.

Si nos ponemos a cavilar sobre los logros y problemas de la física moderna, sobre hasta qué punto las investigaciones en este amplio campo han impulsado nuestra asimilación del mundo que nos rodea, inevitablemente llegaremos al convencimiento de que ella, al investigar los profundos procesos y la estructura de la materia, prácticamente crea la base de todas las ramas científicas.

REVISTA SPUTNIK - NO.9 (SEPTIEMBRE DE 1982).