El Premio Nobel de Física se vuelve cada vez más cuántico

El Nobel de Física 2023 recae de nuevo sobre la física cuántica, poniendo en valor tres claves de la teoría de los cuantos: los electrones, los attosegundos y la observación cada vez más precisa de la dinámica electrónica de la materia a escala ultrarrápida. Pone en valor una disciplina que ha sido calificada de futurista, exitosa, misteriosa, controvertida e incluso hermosa.

Si el año pasado el Nobel de Física distinguió al entrelazamiento cuántico y a la teletransportación cuántica en Aspect, Clauser y Zelinger, en esta ocasión el prestigioso galardón ha recaído en tres figuras de la Física que han aportado métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica electrónica en la materia.

Pierre Agostini, de la Universidad Estatal de Ohio, Columbus, EE. UU., Ferenc Krausz, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Alemania; y Anne L'Huillier, de la Universidad Lund de Suecia, son los tres escogidos para este año.

Se echa en falta el reconocimiento no menos merecido para Paul Corkum, de la Universidad de Ottawa, Canadá, quien junto a Anne L’Huillier, y Ferenc Krausz, recibió a principios de este año el Premio Fronteras del Conocimiento (Fundación BBVA) por ser pioneros en la física del attosegundo.

Primeras claves

Esta es la primera clave del nuevo galardón de Física: el attosegundo. Llama la atención porque es tan corto que hay tantos attosegundos en un segundo como segundos ha habido desde el nacimiento del universo, enfatiza el Comité Nobel.

Un attosegundo no solo es aproximadamente el tiempo que tarda la luz en atravesar un átomo, sino también y sobre todo la escala natural del movimiento electrónico en la materia. Y así se revela la segunda clave del nuevo galardón en Física: el electrón.

Es decir, lo que destaca el Comité Nobel este año es el electrón y el attosegundo, dos elementos que son la base más elemental de la arquitectura cuántica.

Para entender mejor lo que eso significa hay que remontarse hasta 1925 y a la isla de Helgoland, que fue donde Werner Heisenberg puso la estructura matemática de la mecánica cuántica o teoría de los cuantos, tal como explica magistralmente Carlo Rovelli en el libro que lleva el nombre de la isla danesa (Anagrama, 2022).

Fue en aquellos tiempos cuando se descubrió la importancia del electrón para la estructuración de la materia, porque nos habíamos asomado al interior de los átomos y descubierto que estaba prácticamente vacío: “es como si la realidad no existiese”, decían los físicos de entonces.

Lo más sorprendente es que los electrones aparecen y desaparecen inexplicablemente en el interior de los átomos casi de forma instantánea y que, además, cambian de órbitas en un comportamiento aparentemente caótico. Nadie sabe dónde está el electrón cuando no lo vemos. La teoría cuántica solo nos dice la probabilidad de encontrarlo si lo observamos.

Tercera clave

Este es el tercer elemento que rodea al Nobel de Física 2023: si queremos penetrar en el mundo cuántico debemos observarlo, pero ¿cómo vamos a conseguirlo si hablamos de partículas y distancias que son al menos 1.000 millones de veces más pequeñas que un metro?

La nueva frontera del conocimiento se ha situado así en el mundo de la attofísica, la rama de la física que estudia los electrones en movimiento a escala ultrarrápida.

La importancia de esta disciplina radica en una constatación irrefutable: toda la materia depende de procesos electrónicos que suceden en escalas de tiempo tan breves que ni siquiera podemos imaginarlos a nuestra escala humana.

Las tecnologías que han recibido el reconocimiento del Nobel de este año han salvado esta barrera: han conseguido, por ejemplo, observar el movimiento de un electrón, que tarda 150 attosegundos en dar una vuelta completa en torno al núcleo de un átomo de hidrógeno.

“Los experimentos de los galardonados han producido pulsos de luz tan cortos que se miden en attosegundos, demostrando así que estos pulsos pueden usarse para proporcionar imágenes de procesos dentro de átomos y moléculas”, escribe el Comité Nobel en su resolución.

Electrones y materia

Lo importante de este proceso es que ahora, después de atrevernos a mirar el interior de un átomo, podemos abrir la puerta al mundo todavía más misterioso de los electrones y comprender los mecanismos más discretos de la materia que se rigen por su singular dinámica.

Mecanismos, no lo olvidemos, que son los que crean “experiencias” en el interior de los átomos, a partir de las cuales se manifiesta lo que, en una escala más compleja, llamamos realidad.

A nivel práctico, este mundo compuesto de electrones, attosegundos y peculiares observaciones cuánticas, promete aplicaciones trascendentales que el Comité Nobel pone a la vista de todo el mundo.

Estos conocimientos y tecnologías asociadas no solo han servido para validar una serie de predicciones formuladas por la física teórica durante décadas, sino también para observar más de cerca el entrelazamiento y la teleportación cuánticas (galardonados el año pasado).

También han servido para impulsar la electrónica, tanto para la informática como la física de materiales, sin olvidar el impacto que tiene también la observación en attosegundos de los procesos cuánticos para identificar moléculas y apoyar la investigación médica.

Quantum Nobel

El Nobel de Física se ha otorgado a la física cuántica en varias ocasiones, figurando entre los premiados figuras tan relevantes como Max Planck (1918), por su descubrimiento de los cuantos de energía; Albert Einstein (1921), por su explicación del efecto fotoeléctrico;  Niels Bohr (1922), por su teoría del átomo y la estructura cuántica; Werner Heisenberg (1932), por su formulación de la mecánica cuántica;  Erwin Schrödinger y Paul Dirac (1933), por sus contribuciones al desarrollo de la mecánica cuántica; Wolfgang Pauli (1945), por su descubrimiento del principio de exclusión; Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga (1965), por su trabajo en la electrodinámica cuántica.

Murray Gell-Mann (1969) ha sido destacado asimismo por su clasificación de las partículas elementales y sus interacciones; Gerard 't Hooft y Martinus Veltman (1999), por su elucidación de la estructura cuántica de las interacciones electrodébiles; y David Gross, David Politzer y Frank Wilczek (2004), por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la cromodinámica cuántica.

Hay que tener en cuenta también que ha habido otros premios Nóbel de Física, como por ejemplo el de Abdus Salam que, aunque fue galardonado en 1979 por sus estudios de la interacción electrodébil (algo no cuántico), empleó en su aproximación matemática ciertas herramientas desarrolladas por físicos cuánticos. No es el único caso que amplía el sesgo cada vez más cuántico del historial Nobel, destacan científicos consultados por T21/Prensa Ibérica.

Por último, Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger (2022), cerraban hasta hoy este listado de Premios Nobel por sus experimentos pioneros en la información cuántica, a los que se suman este año Agostini, Krausz y Anne L'Huillier, por abrir camino a la física del attosegundo.

Escalada cuántica

Todo este proceso pone de manifiesto la escalada en reconocimientos que la física cuántica ha ido consiguiendo en el palmarés Nobel desde que se instauró este premio por primera vez en 1901.

Puede que este sea el mayor significado de los premios de este año, que ya había sido anticipado por Schrödinger (que llamó a la física cuántica la ciencia del futuro), por Feynmann (que la consideró la teoría más exitosa de la historia de la ciencia), o Heisenberg (que la consideraba la teoría más misteriosa) o Bohr (que la consideraba la más controvertida).

Tal vez el físico que más haya acertado en el adjetivo más apropiado para la mecánica cuántica haya sido, John Wheeler: aunque no recibió el Nobel de Física, fue compañero de fatigas de Einstein y Bohr, llegó a ser tutor de Feynmann e incluso miembro del Proyecto Manhattan que engendró las bombas atómicas.

Para Wheeler, “la física cuántica es la teoría más bella de la historia de la ciencia." El Nobel de Física, a lo largo del último siglo, creo que le ha dado completamente la razón. Podemos decir incluso que el Nobel ha coronado, por fin, a la Física Cuántica.