¿Cuál es la naturaleza de las leyes físicas?

¿Cuáles son las leyes de la física que faltan por descubrirse que se encuentren más allá de nuestra comprensión actual del mundo físico? ¿Cuál es la naturaleza del espacio, tiempo, materia y energía? La ciencia AMO (Átomos, Moléculas, Óptica) proporciona herramientas muy sensibles para investigar esas cuestiones. Por ejemplo, una fuerza que altera la simetría fundamental adelante-atrás del tiempo ha sido estudiada de forma amplia por los físicos de alta energía, pero se espera que exista otra fuerza similar más allá del Modelo Estándar actual. Este pequeño, pero revolucionario efecto podría aparecer por vez primera en los experimentos AMO de la próxima década que buscan desviaciones en la casi perfecta simetría espacial encontrada en los átomos. Una segunda cuestión es si las leyes de la física son constantes en el tiempo o a través del Universo. Una nueva generación de relojes ultraprecisos permitirá la búsqueda de laboratorio para variaciones en el tiempo de las constantes fundamentales de la naturaleza. Las respuestas también vendrán de las investigaciones AMO que están ayudando a interpretar las observaciones astrofísicas de los más exóticos y distantes sitios en el Universo. El desarrollo de tecnología avanzada para tales experimentos de física fundamental, puede tener otros usos. Se mejorará la precisión de la detección directa de ondas gravitatorias y de la siguiente generación de satélites de posicionamiento global, además de producir nuevos diagnósticos médicos.

Dado que el concepto atómico fue finalmente aceptado a principios del siglo XX, los átomos han demostrado ser fundamentales para el descubrimiento y comprensión de las leyes de la física. Hoy en día, las técnicas altamente sensibles prueban las propiedades de los átomos, moléculas y luz, en rangos muy amplios, desde distancias submicroscópicas hasta cósmicas, tanto en entornos ‘familiares’ como en exóticos. La sensibilidad con la que estas propiedades fundamentales pueden medirse, no solo es ciencia avanzada, sino que también está proporcionando una nueva tecnología para aplicaciones tan diversas como el estudio del cerebro y la detección de enfermedades pulmonares, de orientación terrestre y la navegación espacial, y para el trazado de los campos gravitatorios locales y la detección de características del subsuelo terrestre.

Los experimentos AMO podrían proporcionar la comprensión de una propiedad fundamental del tiempo y las leyes físicas.

¿Cómo podrían cambiar las leyes físicas si el paso del tiempo en reversa es no solo una cuestión ‘caprichosa’ de la ciencia ficción? Esta es una de las preguntas más debatidas en la física de las fuerzas fundamentales. La medición de los Momentos Dipolares Eléctricos (Electric Dipole Moments, EDM) atómicos podría proporcionar una respuesta a esa pregunta. El EDM es una pequeña separación entre los centros de cargas positivas y negativas de un átomo, el cual ha sido predicho por la mayoría de las teorías avanzadas en física de partículas, incluyendo la supersimetría. Los EDMs nunca han sido observados y deben ser muy pequeños (Si es que existen), nosotros, sin embargo, podríamos poseer la tecnología que los detecte la próxima década. Esto revelaría una nueva física más allá de nuestra comprensión actual de la naturaleza subatómica de nuestro Universo, tal como lo describe el denominado Modelo Estándar. Si bien gran parte de nuestro conocimiento sobre el Modelo Estándar de las interacciones fundamentales proviene de los aceleradores de partículas de alta energía, los experimentos AMO han proporcionado información crítica complementaria.

La precisión sin precedentes tiene consecuencias prácticas.

Las técnicas desarrolladas para estos experimentos fundamentales que ahora superan los dispositivos superconductores de baja temperatura de interferencia cuántica (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID) en la medición precisa de los campos magnéticos, llegando a la sensibilidad superior a 10 ppb de campo magnético de la Tierra. Esta sensibilidad mejorará nuestra capacidad para medir con mayor precisión los campos magnéticos débiles del cerebro y el corazón, lo que auxiliará a diagnosticar la epilepsia, arritmias cardiacas y otras enfermedades. De forma similar, los avances en la medición de propiedades magnéticas de los átomos de los gases nobles están abriendo un nuevo campo en el área médica, que permite los estudios de alta resolución de los pulmones. Estas imágenes no se pueden obtener utilizando técnicas de resonancia magnética. Los dispositivos actuales basados en esta herramienta de diagnóstico prometen una mejora enorme en el diagnóstico previo de las enfermedades pulmonares.

Los extraordinarios avances en espectroscopia óptica están dando lugar a magníficos relojes atómicos.

Láseres de pulso ultracorto han sido explotados para crear un ‘peine óptico’ que abarque todo el espectro visible y cercano al infrarrojo. Con este desarrollo revolucionario (Reconocido con el Premio Nobel del 2005) es posible contar las frecuencias ópticas (Alrededor de los 1015 Hz) literalmente, en ciclos por segundo, y medir la relación de frecuencias ópticas con una precisión sin precedentes. Los nuevos relojes ultra-precisos, pondrán evaluarán si las ‘constantes’ fundamentales de la naturaleza cambian o no a través del tiempo. También tienen muchos impactos tecnológicos a corto plazo, incluyendo el mejoramiento del desempeño de alto nivel analógico-digital de radares, satélites de posicionamiento global más precisos y otras aplicaciones.

La interferometría óptica y atómica dará lugar a nuevas herramientas de navegación y mediciones de la gravedad.

Los nuevos dispositivos AMO están permitiendo mediciones cada vez más precisas del movimiento, mediante la detección de pequeños cambios en la interferencia, no solo entre rayos de luz, sino también entre los haces de átomos. Los interferómetros son la piedra angular de las observatorios de ondas gravitatorias en la Tierra y en el espacio, que se espera provean los nuevos conocimientos de la estructura de nuestro Universo. Los Ring Lasers y los giroscopios de fibra óptica son actualmente los sensores estándar que interpretan un papel amplio en la técnica de navegación actual. Los interferómetros de onda-materia prometen una gran mejoría en la precisión de los sistemas de navegación. Los gravímetros basados en láser se utilizan a nivel mundial, para caracterizar el campo gravitatorio de la Tierra, para la gestión de los depósitos de petróleo y otros recursos. Los sistemas futuros, basados en la interferometría del átomo, permitirá la caracterización de anomalías gravitatorias en el aire, a niveles no vistos con anterioridad, para detectar estructuras subterráneas hostiles y túneles.

La información y teoría atómica proporciona un soporte crítico en la exploración astrofísica.

Nuestro Universo funciona como un laboratorio extraterrestre en el cual podemos evaluar las leyes de la física en condiciones extremas. Las observaciones satelitales pueden evaluar los entornos cercanos a los agujeros negros y las superficies de las estrellas de neutrones. El estudio del Universo puede proporcionar pistas sobre la naturaleza fundamental de las leyes físicas y en energías que no se pueden lograr con los experimentos que actualmente se desarrollan en los laboratorios terrestres. La ciencia AMO juega un papel central en ayudarnos a entender lo que la información obtenida de los radiotelescopios, telescopios ópticos y de rayos X, nos dicen acerca de estos entornos astrofísicos extremos. Las colisiones de átomos, moléculas, electrones e iones en estos sistemas extremos arrojan nuevas características espectrales que pueden ser utilizadas como modelo por los teóricos para comprender toda la gama de condiciones extraordinarias observadas en el Universo.

Esta entrada forma parte del XX Edición del Carnaval de Física, hospedado en el Blog Resistencia Numantina, de Francisco J. H. H.

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