Los fundamentos de la investigación

El ganador del Premio Nobel en Física, Wolfgang Ketterle, habla sobre los avances científicos y la importancia de invertir en la investigación fundamental.

Su laboratorio enfría la materia a temperaturas extremadamente bajas –apenas por encima del cero absoluto (menos 273.15°C) ¿Por qué?

La materia cambia de maneras interesantes a temperaturas ultra frías. A manera de analogía, imagine usted que vive en un clima tropical y que nunca antes ha visto un refrigerador. Al presenciar cómo se enfría el agua, al principio no se observa en realidad cambio alguno, pero entonces la temperatura alcanza cierto punto y algo completamente nuevo e interesante ocurre. El agua se vuelve sólida; se vuelve hielo.

La mayoría de las personas están acostumbradas a pensar en los estados básicos de la materia como sólido, líquido o gas. No obstante, esos no son los únicos estados posibles. A temperaturas extremadamente bajas, la materia puede entrar a un estado completamente distinto, el cual se conoce como superfluido.

Este es el condensado Bose-Einsten por el cual usted obtuvo el Premio Nobel

Bose y Einsten desarrollaron ecuaciones que predecían que, en teoría, si uno pudiera enfriar la materia lo suficiente, entonces los átomos comenzarían a comportarse de la misma manera y actuar como una sola onda. Imaginemos una calle de la ciudad repleta de gente yendo y viniendo, atravesándose unos con otros, y luego imaginemos que, de manera súbita, todas esas personas comienzan a marchar en fila india. Algo así es lo que pasa.

Einsten comentó que las ecuaciones eran elegantes, pero que era imposible saber si los estados de la materia que predecían eran posibles en la práctica. Una vez que comprobamos que sí era posible crear el condensado Bose-Einstein en el laboratorio, esto abrió toda una nueva área de investigación fundamental.

¿Cómo se crea el superfluido en el laboratorio?

Los condensados Bose-Einsten deben crearse directamente del gas, así que para comenzar tenemos que evitar que el gas atraviese por las fases de líquido y sólido. Esto se logra creando un gas que es mil millones de veces más diluido, lo cual significa que los átomos se separan mil veces más el uno del otro, en cada una de las tres dimensiones, para evitar que se adhieran. Debido a que los átomos están tan separados, de lo que estamos hablando es de cantidades microscópicas de dichos gases.

Entonces usamos una variedad de técnicas, como el láser, microondas y ondas electromagnéticas, para manipular esos átomos de tal manera que disminuyan en temperatura. Alcanzar el cero absoluto es una imposibilidad física, pero podemos hacer una aproximación a cientos de miles de billones de grado, lo cual es lo suficientemente frío para poder hacer nuestro trabajo.

Una vez que tenemos la materia en un estado ultrafrío, la manipulamos y tratamos de construir nuevas cosas con ella. Pueden imaginarse nuestro trabajo como un tipo de juguete infantil, como bloques de Lego, sólo que los bloques de Lego son átomos y nosotros los movemos usando rayos láser. De la misma manera que un niño usa los bloques de Lego para experimentar y tratar de crear nuevas cosas, así estamos nosotros viendo lo que es posible construir o no construir en la naturaleza. En práctica, estamos creando materia de diseñador, lo cual no tiene precedentes.

¿Qué es lo que espera aprender?

Ante todo, lo que es profundamente apasionante es poder cartografiar lo que es físicamente posible. Lo que estamos creando en el laboratorio son formas de materia que nunca antes se han observado. Los exploradores ya no tienen lugares que descubrir en el mundo, y es muy difícil descubrir una nueva especie animal, pero en la ciencia estamos descubriendo nuevas cosas todo el tiempo.

En un sentido práctico lo que a final de cuentas esperamos es comprender cómo manipular pequeñas cantidades de materia a temperaturas bastante bajas, y después de eso encontrar la manera de ampliarla y obtener el mismo comportamiento a temperaturas más normales.

¿Cuáles son los ejemplos de las propiedades que la materia exhibe a temperaturas muy bajas? ¿Ya existen ejemplos reales donde el comportamiento se repita en temperaturas más elevadas?

Una de las propiedades de la materia a temperaturas muy bajas es la superconductividad, y ya es posible lograr la superconductividad hasta el punto de ebullición del nitrógeno líquido –todavía bastante frío, claro, pero es una temperatura mucho más elevada que el cero absoluto. Aplicaciones concretas de la superconductividad incluyen algunos imanes poderosos utilizados en los escáneres de resonancia magnética, en aceleradores de partículas y los trenes MAGLEV (de levitación magnética).

Si pudiéramos descubrir la manera de lograr la superconductividad a temperatura ambiente, las repercusiones serían revolucionarias. Por ejemplo, podríamos eliminar las pérdidas de eficacia en las redes de distribución eléctrica y habilitar motores y microchips mucho más poderosos pues ya no se tendría que bregar con el calor generado como resultado de la energía conductiva.

Otra área de nuestra investigación es comprender los materiales magnéticos y las transiciones de fase en general.

¿Qué tan probable es que pueda alcanzar la superconductividad a temperatura ambiente?

No existe ley fundamental de la física que diga que no es posible. Y si no es imposible en teoría, entonces podemos tratar de lograrlo.

Claro que es imposible calcular cuándo podría ocurrir, ya que esta es investigación fundamental. No puede predecirse cuándo alguien hará un descubrimiento perturbador, como tampoco se puede predecir cuándo tendrá una idea revolucionaria.

Debido a que nadie sabe cuáles serán las aplicaciones prácticas que le seguirán a su trabajo, o cuál será el periodo de dicha aplicación, ¿podemos suponer que su investigación depende de fondos públicos?

En efecto. Mi laboratorio recibe fondos de los contribuyentes por medio de la Fundación Nacional para la Ciencia y del Departamento de Defensa.

En estos difíciles tiempos económicos, ¿cree usted que la necesidad de invertir en investigaciones fundamentales se valora lo suficiente?

Ciertamente es más difícil hacer investigación fundamental en la actualidad de lo que era incluso hace una o dos décadas –y ni hablar de la era de las misiones Sputnik y Apollo, cuando la investigación fundamental era una alta prioridad– y yo digo esto como una persona en una posición relativamente privilegiada. En tiempos recientes ha habido más énfasis en la investigación aplicada, la cual tiene como fin resolver problemas prácticos específicos, en lugar de la investigación fundamental, que está guiada por la curiosidad.

Necesitamos los dos tipos de investigación, ya que sin la investigación fundamental hoy día no tendríamos las nuevas tecnologías revolucionarias que harán posible la investigación aplicada del mañana. Los dentistas, por ejemplo, usan el láser, el cual fue inventado por personas que estaban investigando la luz. Si los láser no existieran, ningún tipo de investigación odontológica podría inventarlos.

O pensemos en el enorme valor social y económico creado por el GPS (sistema de posicionamiento global), el cual depende de una manera muy precisa de medir el tiempo y el cual sólo es posible por medio de cronómetros atómicos. Esos investigadores atómicos nunca pudieron haber imaginado que sus descubrimientos terminarían haciendo posible las búsquedas de ubicación por internet o los automóviles sin conductor.

Acerca de la inversión en investigación fundamental podemos decir dos cosas. No se sabe de qué manera va a redituar. Pero de lo que sí se puede estar absolutamente seguro es de que va a rendir frutos de manera fantástica porque siempre ha sido así.

¿Usted confía en que el trabajo que está haciendo informará las tecnologías que cambiarán nuestras vidas en décadas por venir?

Si se me pide predecir el futuro, lo único que puedo hacer es extrapolar el pasado, y el índice de descubrimientos en este campo ha sido rápido y acelerado. Hay mucho entusiasmo.

Así que la respuesta es sí. A pesar de que no puedo predecir cuáles serán los resultados, confío en que, con el conocimiento que estamos obteniendo en la actualidad, en los próximos 10 ó 20 ó 30 años contaremos con materiales novedosos que tendrán consecuencias de largo alcance.

Autor: Wolfgang Ketterle es profesor de física en el Massachusetts Institute of Technology. Participará en el Foro Económico Mundial en Davos 2014.

Imagen: REUTERS/Jim Bourg