Los robots le roban un Nobel a la Física

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¡Buenas tardes, habitantes de este Universo Paralelo! Ayer se entregó el Premio Nobel de Física y no podemos comenzar esta edición sin comentarlo. Los galardonados, John Hopfield y Geoffrey Hinton, no recibieron el galardón por desarrollos en el área de la física.

• Lo recibieron por sus contribuciones a la inteligencia artificial y, en particular, a aquella basada en «redes neuronales», tan en boga hoy, dada la revolución de los modelos de lenguaje tales como ChatGPT. Puede parecer extraño, pero no lo es del todo, ya que los métodos de la física fueron fundamentales en todos estos desarrollos. Por lo demás, la división disciplinar que existía a comienzos del siglo XX no es la misma de hoy.

• Los críticos de esta entrega son similares a los que cuestionaron el de Literatura cuando ganó Bob Dylan, argumentando que es músico y no poeta. Las disciplinas mutan, las fronteras se mueven. Envidia no más. Los premios son solo eso y no se discuten. De lo contrario, terminan siendo dañinos. Así que felicidades a los Hopfield, Hinton y Dylan que traspasan fronteras.

Claro que, cuando no es una cuestión disciplinar o de gustos, hay ciertos lugares en donde sí es necesario discutir los premios: cuando discriminan. Las mujeres son aquí un ejemplo. La doctora en Física Fabiola Arévalo nos cuenta, entre otras cosas, que de todos los Nobel entregados, solo 6,6% son mujeres.

• Luego, el doctor en Física Aldo Vera celebra en Universo Paralelo los 50 años del descubrimiento de una encantadora partícula elemental: el «quark encantado».

Nuestro cuestionario de esta edición lo responde el connotado físico Miguel Orszag. El Dr. Orszag es pionero de la óptica cuántica en Chile. En su larga carrera ha hecho escuela, formando a toda una generación de físicos del área. Hoy es profesor del Centro Multidisciplinario de Física de la Universidad Mayor.

En las Breves Paralelas comentaremos un poco más acerca del Premio Nobel de Física y sobre quarks.

• La imagen de la semana nos saca de la física. Se trata de una bella imagen del Dr. Fernán Federici, de la Universidad Católica, que comenta la doctora en Ciencias Biológicas Natalia Mackenzie.

• Finalmente, el antropólogo social Francisco Crespo nos recomendará algunas obras de «ciencia ficción dura».

Espero que disfruten de esta edición «Nobelesca» y encantada, y que nos ayuden con la difusión de la ciencia en los medios. Compartan este Universo Paralelo. Y si les llegó de alguien, ¡inscríbanse ya!

MUJERES Y NOBEL

Por Fabiola Arévalo

Doctora en Física

Esta es la semana de los premios Nobel, en la que se anuncian los galardonados en las categorías de Física, Química, Fisiología o Medicina, Literatura y Paz desde 1901, con pocas interrupciones.

• Al escuchar sobre un Nobel se evoca altruismo, pero no siempre fue así. Alfred Nobel fue un magnate e inventor, registró 355 patentes y construyó una fortuna gracias a sus inventos, en particular, la dinamita.

• Esto trajo grandes avances en ingeniería y la minería, pero también aplicaciones bélicas. En 1888, hubo un accidente en su laboratorio y falleció su hermano Ludvig. Cuenta la leyenda que confunden a Alfred con su hermano y erróneamente publican obituarios como “el mercader de la muerte ha muerto”.

Determinado a cambiar cuál sería el legado de su nombre, Alfred Nobel donó la mayor parte de su fortuna a la creación de una institución que reconocería anualmente a aquellos que «confirieron el mayor beneficio a la humanidad».

• Esto fue posiblemente influenciado por la pacifista Bertha von Suttner, amiga de Nobel, quien fue la primera mujer en obtener el Premio Nobel de la Paz en 1905 y la segunda mujer laureada después de la física Marie Curie, Premio Nobel de Física en 1903.

Sin embargo, los nombres femeninos en estas premiaciones son minoría. Esto no es una limitación impuesta por Nobel, sino que es cultural, pues refleja la desigualdad de género en el reconocimiento. Después de Curie, Maria Goeppert-Mayer fue la segunda ganadora en Física, en 1963, por sus contribuciones en el área nuclear.

• Ella trabajó remuneradamente a tiempo completo en una universidad recién a los 53 años e, incluso, cuando recibió el galardón, el titular del diario fue: “Madre de San Diego gana el Premio Nobel”.

El Premio Nobel ha sido adjudicado a 965 personas y 27 organizaciones, donde las mujeres representan apenas un 6,6%. Para poner en contexto esta disparidad, si a contar de este año en adelante se dieran solo premios a mujeres, recién en el año 2080 se lograría una paridad. Las reglas para mujeres no han sido las mismas de sus colegas, pero hay avances.

De las 64 galardonadas, la mitad ha sido en las últimas dos décadas. En Física pasamos de dos laureadas a cinco, denotando un cambio de paradigma en el reconocimiento del trabajo femenino. Hay iniciativas como el día de Ada Lovelace, que desde el 2009 se celebra durante el segundo martes de cada octubre para visibilizar el trabajo de mujeres en la ciencia y tecnología e, incluso, libros que destacan aportes antiguos de mujeres.

• Por ejemplo, cocinar a baño maría (o baño de María) es atribuido a la alquimista egipcia María de Alejandría. De seguro, muchas personas usan el término sin conocer su origen.

Idealmente, el nombre no debería importar para valorar el aporte a la humanidad, ya sea Mario, Marie o María. Así como Nobel redefinió su propio legado, esperemos que sigamos redefiniendo nuestra perspectiva, premiando y visibilizando todas las contribuciones que benefician a la humanidad.

EL ENCANTO DE LA MATERIA

La partícula hadrónica Xc1(3872), que contiene quarks charm, podría ser un par de partículas de dos quarks débilmente unidas. Crédito: CERN.

Por Aldo Vera

Doctor en Física

Este año se cumple el quincuagésimo aniversario del descubrimiento de la partícula elemental «quark encantado» (quark charm en el original en inglés). Para comprender qué son los quarks y cuál es su importancia en la descripción de nuestro universo, debemos remitirnos antes a los átomos.

Antes que nada, es necesario dejar en claro que los átomos no son los bloques fundamentales de la materia.  

• Si bien el concepto de átomo fue introducido en el siglo V a. C. precisamente para denotar a los bloques indivisibles que conforman la materia (átomo significa sin división), el desarrollo posterior de la física y la química mostró que los átomos que conforman los elementos químicos debían estar formados por componentes más fundamentales con cargas eléctricas positivas y negativas.

En efecto, los átomos están constituidos por un núcleo que alberga protones con carga positiva y alrededor del cual orbitan electrones con carga negativa; protones y electrones se mantienen ligados, pues tienen cargas eléctricas opuestas.

• Ahora bien, si los núcleos están compuestos fundamentalmente por partículas con carga positiva, ¿cómo es posible que los núcleos sean estables si los protones sienten repulsión eléctrica entre ellos? Más aún, si lo anterior es cierto, ¿no deberían ser los átomos en sí mismos inestables y, por lo tanto, la materia muy diferente a como la conocemos?

Ciertamente, los protones en el núcleo se mantienen unidos, y la materia es tan estable como podemos percibirla. La respuesta a esta aparente contradicción nos la brinda una nueva fuerza, tan fundamental como la gravitación y el electromagnetismo: la fuerza nuclear fuerte.

• La fuerza nuclear fuerte es miles de millones de veces más intensa que la fuerza electromagnética (de ahí su nombre). Aunque los protones sienten una fuerza de repulsión eléctrica, esta no es rival frente a la fuerza nuclear de atracción que existe entre ellos.

A partir de los años 60, gracias a los experimentos en colisionadores de partículas y, sobre todo, al notable desarrollo de la física teórica, los científicos demostraron que, al igual que los átomos, los protones no eran partículas fundamentales, sino que estaban formados por piezas más elementales: los quarks.

• El descubrimiento de los quarks fue revolucionario; ayudó a comprender de mejor manera las enigmáticas interacciones nucleares.
• A su vez, permitió la clasificación del enorme zoológico de partículas que se estaban descubriendo año tras año. Resultó ser que una gran parte de estas nuevas partículas eran, de hecho, combinaciones de quarks.

El quark encantado, al que le rendimos honores en esta columna, fue predicho unos años antes de su descubrimiento. Este era el ingrediente necesario para dar sentido a resultados experimentales que tenían en jaque a los científicos y nos permitió avanzar significativamente en el sueño de la unificación de las fuerzas fundamentales. Además, el encanto –o número de quarks encantados– es una cantidad que define en gran medida cómo interactúan las partículas.

• Al día de hoy sabemos que existen seis tipos distintos de quarks: arriba, abajo, extraño, encanto, cima y fondo. Todo parece indicar que estas partículas sí son fundamentales –nuestros átomos modernos, en el sentido etimológico de la palabra–, pero esto, como nos muestra la historia de la ciencia, podría cambiar en el futuro.

EL CUESTIONARIO: MIGUEL ORSZAG

Cada semana hacemos las mismas cuatro preguntas a un científico. En esta edición, entrevistamos al ingeniero eléctrico y doctor en Física Miguel Orszag, pionero de la óptica cuántica en Chile.

-¿Qué te motivó a dedicarte a la ciencia?

-En la primaria y secundaria me gustaba el álgebra, pero la física no me llamaba la atención, seguramente por los temas no muy motivadores. Más me gustaba leer y tocar el violín. Cuando entré a la Universidad de Chile a estudiar Ingeniería, a corto andar descubrí que no me atraía en absoluto, salvo por los cursos de física. Finalmente, vi la luz cuando tomé el curso de mecánica cuántica en la Facultad de Ciencias. Fue un amor a primera vista y quise ser físico, con el consiguiente desmayo de mi familia que consideraba a la ingeniería más digna y, además, de moda en la época. Finalmente, terminé ambas carreras en la Universidad de Chile y me fui a Estados Unidos para el estudio de la óptica cuántica.

–¿Cuál es la obra científica que más influyó en tu actividad?

-La física teórica y en particular la mecánica cuántica y el libro de Dirac. A lo largo de los años, me impresionó mucho el trabajo de Aharonov, relacionado con las paradojas de la cuántica, así como también las medidas débiles seguidas por una postselección de estados, que pueden lograr amplificación del sistema importante para detectar efectos ultrapequeños, como la posición de un espejo móvil impactado por una onda gravitacional en un interferómetro óptico. En el detector de ondas gravitacionales LIGO, el desplazamiento de un espejo móvil fue del orden de un millonésimo del tamaño de un átomo de hidrógeno. Toda mi vida la he dedicado a comprender la luz y su naturaleza, así como su aplicación a las comunicaciones, etc.

–¿Cuál es el problema científico más importante por resolver?

-Desde mi perspectiva, más que un problema específico, los temas más importantes son la ciencia de materiales y la información cuántica. A lo segundo he dedicado esfuerzo y encuentro fundamental la teleportación y la criptografía cuántica, constituyendo un avance enorme en las comunicaciones humanas. Usar la mecánica cuántica para transmitir información segura entre un par de interlocutores y poder detectar una interferencia externa, instantáneamente pone las comunicaciones en un plano muy superior a las comunicaciones clásicas preexistentes. Por otro lado, la teleportación cuántica transfiere un estado cuántico de un lugar a otro (como en Star Trek, pero menos ambicioso), realizado con fotones, partículas, etc. Esto es la base para que en el futuro se pueda establecer una red de internet cuántica.

–¿Cuál es la pregunta que te desvela como científico y cómo la enfrentas?

-La complementariedad y los efectos optomecánicos. En el clásico experimento de dos agujeros iluminados de Young, si tenemos información de camino (fotón), no hay interferencia y la luz se comporta como partícula. Por otro lado, si no hay información de camino, hay interferencia y es una onda. Pregunta: ¿es posible borrar la información de camino? Sí, es posible en los experimentos de “quantum eraser” (borrador cuántico). Aún más, el borrado se puede hacer antes que la luz llegue a su destino, experimentos referidos como “delayed quantum eraser” (borrador cuántico diferido), lo cual es extraño en el sentido de decidir a priori si lo que pasa es onda o partícula (esto me ha mantenido varias noches desvelado). En los efectos optomecánicos, la luz de una cavidad impacta un espejo móvil, estableciéndose una correlación entre fotones (cavidad) y fonones (vibración de los espejos), cuyo estudio condujo, por ejemplo, al concepto y realización de un láser fonónico.

LA IMAGEN DE LA SEMANA

Fotografía gentileza de Fernán Federici.

Por Natalia Mackenzie

Biotecnóloga; doctora en Ciencias Biológicas

Un equipo de científicos del Departamento de Ciencias de Plantas de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, en conjunto con el Dr. Fernán Federici, de la Universidad Católica, utilizó bacterias Escherichia coli (E. coli) marcadas con fluorescencia como modelo para entender qué tipo de interacciones físicas tienen las células pequeñas entre ellas cuando crecen y se dividen.

• Debido a que se sabía que estas bacterias presentan poca o nada de coordinación al crecer, los científicos se sorprendieron cuando comenzaron a aparecer patrones fractales con formas complejas que se repetían en diferentes dimensiones.

• Para entender por qué ocurría este fenómeno, simularon el comportamiento de estas bacterias en un modelo a gran escala y demostraron que la distribución desigual de cargas eléctricas, dentro de células que se dividen en una sola dirección, explicaba la generación de dicha geometría fractal.

• Para confirmar este hallazgo, los científicos experimentaron con unas E. coli que no presentaban las mismas características genéticas que las primeras, encontrando que se formaban capas de células lisas, sin los patrones fractales. Esto demuestra que incluso bacterias más simples pueden mostrar comportamientos complejos, debido solo a interacciones físicas.

BREVES PARALELAS

John Hopfield y Geoffrey Hinton recibieron esta semana el Premio Nobel de Física. Foto de Hopfield de YouTube: Emergence, dynamics, and behaviour – John Hopfield (Time: 35m55s). Foto de Hinton por Ramsey Cardy. CC BY 3.0

Nobel de Física 2024

Este año el Premio Nobel de Física ha sido muy particular, ya que no se otorgó por resultados obtenidos en física. John J. Hopfield y Geoffrey E. Hinton recibieron el prestigioso galardón por sus contribuciones al aprendizaje automático mediante redes neuronales artificiales. Es decir, el premio de física reconoce este año a las ciencias de la información. ¿Extraño? No del todo.

• Por una parte, la inteligencia artificial (IA) es probablemente la tecnología que más impacto ha tenido en este siglo, por lo que el Premio Nobel no podía dejar de estar presente en esta área. Por otro lado, estos dos científicos utilizaron herramientas de la física para desarrollar sus modelos.

• Hopfield, por lo demás, es físico. Es reconocido por haber creado una de las primeras redes neuronales que imitaban el funcionamiento del cerebro humano en 1982, hoy conocida como «Red de Hopfield». Puede almacenar y reconstruir patrones de información, incluso cuando estos están incompletos o distorsionados, tal como el cerebro humano puede recordar palabras a partir de fragmentos de información.

• La IA que hoy nos rodea está basada, en su mayoría, en estas redes neuronales. Están compuestas de “neuronas” electrónicas que pueden activarse y que están conectadas entre sí con cierta intensidad, un parámetro numérico que puede ajustarse cuando se «entrenan».

• En lugar de usar los algoritmos tradicionales, recetas claras que indican paso a paso qué hacer con los datos que se entregan, estas redes se entrenan con ejemplos y así “aprenden”. Para esto, van ajustando su enorme cantidad de parámetros de acuerdo con el éxito de sus resultados en el entrenamiento.

Hinton es uno de los padres de las redes neuronales profundas. Estas son redes con muchas capas de neuronas. Desarrolló métodos de entrenamiento que son la base de la inteligencia artificial como la conocemos hoy.

• El trabajo pionero de estos premiados ha sentado las bases para la revolución del aprendizaje automático que ha surgido en las últimas dos décadas. Si bien sus resultados no son precisamente en física, la física fue parte esencial de sus desarrollos que tan poderosamente han impactado la vida de todos durante los últimos años.

Más sobre quarks

Por Aldo Vera

Doctor en Física

Como dijimos antes, los quarks son partículas fundamentales que forman otras más complejas, como protones y neutrones. Uno de los grandes misterios de la física es que jamás se ha observado un quark aislado; siempre están confinados en grupos de dos (los llamados mesones, como los piones) o tres (los bariones, como los protones).

• En los últimos años, se han descubierto incluso partículas exóticas que contienen cuatro quarks (tetraquarks ) o cinco (pentaquarks).

Pero jamás se ha visto un quark solo. Entender por qué los quarks siempre están confinados es uno de los mayores desafíos de la física moderna. Resolver este enigma nos permitirá profundizar en nuestra comprensión de las fuerzas que controlan la estructura de la materia a niveles fundamentales.

• El comportamiento de la fuerza nuclear fuerte es muy similar a la dinámica de un resorte. Imaginemos que ponemos una masa (en este caso, un quark) en cada extremo de un resorte: a medida que alejamos las masas, el resorte se estira y, por lo tanto, la fuerza de atracción entre las masas se hará cada vez más intensa. Ahora bien, si soltamos las masas, el resorte no ejercerá fuerza, y las masas quedarán cercanas y en reposo. Los quarks parecen comportarse de manera similar.

RECOMENDACIONES: CIENCIA FICCIÓN DURA

Por Francisco Crespo

Antropólogo social

“Los Campos de Efecto de Masa son creados mediante la utilización del elemento cero. El elemento cero puede incrementar o disminuir el contenido de masa del espacio-tiempo cuando es sometido a una corriente eléctrica vía energía oscura. Con una corriente positiva, se aumenta la masa. Con una corriente negativa, la masa se disminuye. A más fuerte la corriente, mayor la magnitud del efecto de masa”.

• Esta explicación, que haría llorar a cualquier físico (por su imprecisión y falta general de sentido), es el intento de la saga de videojuegos, novelas, cómics y series animadas Mass Effect –creada el año 2007– por explicar el viaje más rápido que la luz, en lo que se conoce en el mundo de la ciencia ficción como “ciencia ficción dura”.

• La ciencia ficción dura se define a sí misma como el intento de construir relatos de fantasía, pero anclados en nociones de ciencia real, haciendo un intento por explicar –de manera lógica– cómo el avance tecnológico es impulsado por un descubrimiento, principio o ecuación.

Este tipo de ciencia ficción se opone a la “ciencia ficción blanda”, como Star Wars, en donde no existe ninguna reflexión científica: es el futuro y no nos importa cómo funcionan las cosas, solo que sean extraordinarias y futuristas.

• Para muchos científicos, la “ciencia ficción dura” es un esfuerzo pueril de simplificación científica, pero para otros es la primera fuente de pasión y contacto con una serie de disciplinas que –si bien aún no permiten teletransportarnos o viajar por las estrellas– guardan apasionantes descubrimientos. Grandes científicos fueron inspirados por la ciencia ficción para iniciar sus carreras.

¿Cómo reconocer una buena obra de ciencia ficción dura? 

• No podemos dejar de mencionar el maestro Isaac Asimov, profesor de bioquímica de la Universidad de Boston y prolífico escritor, con su magnum opus: Fundación (1942-1953).
• De manera más contemporánea, tenemos al dúo compuesto por Daniel Abraham y Ty Franck, que bajo el pseudónimo James S. A. Corey escribieron The Expanse (2011), una saga de novelas que pone una increíble atención al detalle ingenieril, físico y político de una sociedad humana que ha colonizado su sistema solar y explota los recursos naturales de su cinturón de asteroides.
• Por último, si quieres sumergirte en el terror cósmico más profundo, puedes explorar la ópera prima de C. M. Kosemen, investigador y arista turco creador de All Tomorrows (2006), un libro de “evolución especulativa” donde se explora el futuro extremo de la humanidad, miles de millones de años en el futuro.

Todas, lecturas imperdibles para un fan de la parte de “ciencia” más que de la ficción.

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Eso es todo en esta edición de Universo Paralelo. Ya sabes, si tienes comentarios, recomendaciones, fotos, temas que aportar, puedes escribirme a universoparalelo@elmostrador.cl. Gracias por ser parte de este Universo Paralelo. ¡Hasta la próxima semana!