2025, el año cuántico

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¡Buenas tardes, habitantes de este Universo Paralelo! Este año se cumplen 100 años de la mecánica cuántica, por lo que de seguro tendremos mucho que decir sobre esa enigmática y poderosa teoría durante los próximos meses.

• Fue en junio de 1925 cuando Werner Heisenberg puso la primera piedra en la construcción de esta teoría del universo microscópico. Cuatro meses antes, en febrero de ese año, Wolfgang Pauli, otro de los héroes de esta historia, formula su famoso principio de exclusión, que permitió dar cuenta de una enorme cantidad de fenómenos atómicos, incluso antes de que la teoría completa estuviera terminada.

Este es el primer número del año dedicado a esta disciplina, y el protagonista será este principio de exclusión y sus consecuencias.

• Primero, explicaremos brevemente de qué se tratan y por qué aparecen estas ideas en la mente de Pauli.
• Luego, invitamos a la doctora en Ciencias Físicas Paulina Assmann a hablarnos de las tecnologías que la mecánica cuántica ha hecho posible y que están en boga por estos días. La Dra. Assmann es CEO de Sequre Quantum, empresa especialista en tecnologías cuánticas. Es además experta de la Comisión Asesora de Tecnologías Cuánticas del Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación.

Nuestro cuestionario de hoy lo contesta el físico teórico Nicolás Grandi, doctor en Física, investigador del Instituto de Física de la Universidad Nacional de La Plata.

• En la imagen de la semana exhibimos una hermosa fotografía del astrofotógrafo Martin Heigan, que podría llamarse “estudio en rojo”, ya que solo contiene ese color. Se trata de una captura de la nebulosa Cabeza de Caballo que muestra el color del hidrógeno, el elemento más abundante del universo, y cuyo color característico lo puede explicar muy bien la mecánica cuántica.
• En Breves Paralelas comentamos dos noticias recientes: el descubrimiento de moléculas esenciales para la vida en un asteroide y la detección del más energético de los neutrinos jamás capturado.
• Finalmente, Fabiola Arévalo, doctora en Ciencias Físicas, recomienda algunas aplicaciones para celular que nos ayudan a identificar objetos celestes en el cielo. Muy útil para quienes quieran aprovechar los estrellados cielos de verano para iniciarse en la observación del universo.

Ojalá disfruten de esta cuántica edición. Y, por favor, ayúdennos con la difusión de la ciencia en los medios, compartiendo este Universo Paralelo. Y si les llegó de alguien, ¡inscríbanse ya!

100 AÑOS DE EXCLUSIÓN

Wolfgang Pauli, 1924

En febrero de 1925, la revista Zeitschrift für Physik publicó dos de los artículos científicos más influyentes del siglo XX. Su autor era un joven físico de 25 años llamado Wolfgang Pauli.

• En ellos introduce dos conceptos fundamentales que iluminarían el camino de la naciente mecánica cuántica, la fantástica teoría que describe el mundo atómico y subatómico, y que permitió el desarrollo de las más importantes tecnologías de los últimos 50 años, desde los transistores hasta los computadores cuánticos.

Su primera idea fue proponer una propiedad de los electrones que hoy llamamos “espín”. Pauli notó que usando solo aquellas cantidades que se les atribuía a los electrones en el antiguo modelo atómico de Bohr y Sommerfeld, había ciertos fenómenos que no podían explicarse, debía haber algo más. El espín solo podía asumir dos valores, como una moneda que solo puede mostrar dos caras.

• Con el tiempo se comprendió que ese espín se podía entender como la velocidad con que el electrón gira en su propio eje. Uno de los resultados de la mecánica cuántica es que los electrones están obligados a girar a una velocidad determinada y que, al medirla, los dos resultados posibles tienen relación con el sentido de este giro: en la dirección de las manecillas del reloj o en contra de ellas.

La segunda idea de Pauli fue su principio de exclusión. En él decreta que dos electrones no pueden estar en el mismo estado dentro del átomo. En el átomo de Bohr y Sommerfeld los electrones solo pueden orbitar el núcleo en ciertas órbitas bien establecidas. El principio de exclusión nos dice que solo pueden existir dos electrones en la misma órbita, girando uno en dirección opuesta del otro.

• El principio de exclusión fue capaz de explicar la estructura de la tabla periódica, además de muchas propiedades de los átomos que eran un misterio hasta entonces.
• Más tarde se entendió que el principio de exclusión es satisfecho por muchas otras partículas, como el quark, que constituye protones y neutrones, y el neutrino, una pequeña y esquiva partícula cuya existencia fue propuesta también por Wolfgang Pauli.

Todas estas se conocen como “fermiones”. Las partículas que no satisfacen el principio de exclusión pueden amontonarse juntas en un mismo estado. Se les llama “bosones”. Ejemplos son el fotón, la partícula de luz y el bosón de Higgs. La división entre bosones y fermiones es la fundamental entre las partículas que pueblan el universo.

• El hecho de que un electrón solo pueda mostrarse en dos estados lo hace similar no solo a una moneda. También a un bitde una computadora digital. Los bits son los elementos fundamentales de información que almacena y procesa. Pueden asumir solo dos valores, usualmente etiquetados con los números 0 y 1.

La mecánica cuántica, sin embargo, tiene otra característica que la distingue de su contraparte clásica: los electrones pueden estar en una superposición de estados. Esto significa que podemos prepararlos de modo que, por ejemplo, cuando midamos el espín, exista, digamos, un 30% de probabilidades de que esté girando en una dirección y 70% en la otra. Estas probabilidades están en los fundamentos de la mecánica cuántica y han sido objeto de debate desde su formulación.

Los computadores cuánticos son una tecnología actualmente en desarrollo y que promete velocidades de procesamiento imposibles para un computador basado en bits. Los cuánticos usan qbits (de bits cuánticos en inglés: quantum bits).

• Estos son sistemas cuánticos de dos estados, en ciertas implementaciones electrones, que se pueden preparar en superposiciones, por lo que almacenan mucha más información que los bits.
• Aún falta mucho para que estos computadores cuánticos estén disponibles para el uso masivo. Pero por ahora existen versiones de ellos en laboratorios de investigación y empresas que compiten por conseguir versiones comercializables. Wolfgang Pauli vive en el corazón de cada uno de ellos.

CHILE EN LA ENCRUCIJADA CUÁNTICA

Por Paulina Assmann

Doctora en Ciencias Físicas

Los avances en física teórica del siglo XX, como la mecánica cuántica, nos están llevando a tecnologías en la industria que definirán el siglo XXI. El 2025 ha sido declarado por la Unesco como el Año Internacional de la Ciencia y Tecnología Cuántica, un reconocimiento a que esta disciplina ya no es una promesa del futuro, sino una realidad con aplicaciones concretas en ciberseguridad, telecomunicaciones y computación.

Mientras la computación cuántica aún enfrenta desafíos para su adopción masiva, otras aplicaciones ya están resolviendo problemas críticos que las tecnologías tradicionales no pueden abordar con la misma eficacia. Desde la protección de datos hasta la optimización de redes, la ventaja competitiva está en manos de quienes comprendan que el momento de adoptar estas soluciones es ahora.

• Estados Unidos, China y la Unión Europea han entendido que dominar la computación cuántica no es solo una apuesta científica, sino una necesidad económica y geopolítica. Han destinado miles de millones de dólares a su desarrollo, porque saben que, quienes lideren hoy esta revolución, definirán la economía digital del futuro. Chile no puede darse el lujo de quedarse al margen.

En los últimos años, nuestro país ha dado pasos estratégicos con proyectos como el SNSAT (Sistema Nacional Satelital), el Plan de Construcción Naval Continua y la reciente creación de la División de Tecnologías Emergentes en el Ministerio de Ciencia.

• Estas iniciativas son fundamentales, pero hay una gran diferencia entre adquirir tecnología y construir una industria. Si Chile quiere ser un actor en la economía cuántica global, no basta con infraestructura; necesitamos transformar estos proyectos en motores de desarrollo tecnológico y comercial.

La Segunda Revolución Cuántica ya está redefiniendo sectores estratégicos. Mientras la computación cuántica sigue avanzando hacia su madurez, otras aplicaciones ya están en marcha, con un impacto tangible en ciberseguridad y otras áreas clave.

• Por ejemplo, el trabajo en generadores cuánticos de números aleatorios autocertificables en tiempo real es esencial para proteger sistemas de información en la era poscuántica.

Este avance no es un caso aislado. En los últimos meses, Chile ha demostrado que puede desarrollar tecnología de frontera para Latinoamérica, con proyectos como LatamGPT, un modelo de inteligencia artificial desarrollado en la región que compite con actores globales. Este es un ejemplo de que no solo consumimos tecnología; podemos ser creadores y exportadores de innovación.

• Chile tiene talento e infraestructura para sumarse a la transformación cuántica, pero ¿seremos solo usuarios o protagonistas en este ecosistema global? Si queremos liderar, necesitamos una estrategia clara, incentivos para la industria, inversión en infraestructura y talento, y un ecosistema de innovación que integre empresas, universidades y Estado. Si no, en pocos años solo compraremos soluciones extranjeras, perdiendo la oportunidad de desarrollar y aprovechar esta tecnología clave para la economía global.

El Año de las Tecnologías Cuánticas no es solo una celebración, sino también una advertencia: el futuro cuántico se construye ahora. ¿Chile será creador o dependiente?

EL CUESTIONARIO: NICOLÁS GRANDI

Hisilicon Balong

Cada semana hacemos las mismas cuatro preguntas a una persona dedicada a la ciencia. En esta edición entrevistamos al físico teórico Nicolás Grandi, doctor en Física y profesor de la Universidad Nacional de La Plata.

-¿Qué te motivó a dedicarte a la ciencia?

-Cuando tenía seis años, mi mamá me regaló un álbum de figuritas de dinosaurios. Imaginemos lo que era la vida de chico de seis años en los setenta. Obviamente no había internet, claro. Pero ni televisión por cable había, solo cuatro canales en blanco y negro, que la mayor parte del tiempo transmitían cosas aburridísimas para un niño de seis años. Esas imágenes detalladas y en color de unos animales gigantescos, hermosos y aterrorizantes, fueron mi primer contacto con la ciencia.

Luego, durante la escuela secundaria, descubrí la física mientras almorzaba con mi abuelo ingeniero, y me pasaba horas hablando de fuerzas, velocidades, átomos, temperaturas. Cuando tuve que elegir una carrera, lo hice con la única preocupación de no defraudar a ese niño de seis años fascinado con el universo.

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

-Probablemente, lo que más me haya motivado a dedicarme a la física teórica haya sido esa forma única de belleza, consistente en elegancia matemática y simplicidad de conceptos básicos, que se aprecia durante las etapas avanzadas de la carrera. Por ejemplo, cuando aprendemos a utilizar la notación de cuadrivectores en la relatividad especial, o la notación de Dirac para la mecánica cuántica, y de repente buena parte de las relaciones matemáticas constitutivas de esas teorías quedan automatizadas en la notación y permitiéndonos ganar intuición sobre la física subyacente.

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

-En mi propia actividad, la física, creo que el problema más importante es el del comportamiento cuántico de la gravedad. La relatividad general y la mecánica cuántica comparten el tipo de belleza antes mencionado, pero esta cualidad se destruye al intentar combinarlas. Es posible que, al resolver esta colisión, que por el momento es puramente teórica, ganemos también comprensión sobre fenómenos observables, tales como el fondo cósmico de radiación, la rotación de las galaxias y la expansión acelerada del universo. Fuera de mi campo específico, creo que hay otros desarrollos científicos que tendrían consecuencias determinantes en nuestra visión del lugar del hombre en el universo, siendo tal vez la más importante la cuestión de la existencia o no de vida fuera de la Tierra.

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

-Mi propia actividad dentro de la física teórica es bastante ecléctica. Tal vez el problema en el que he puesto más esfuerzo a lo largo de mi carrera es el del comportamiento de la materia cuando sus componentes interactúan muy fuertemente. Se trata de una pregunta cuyas consecuencias abarcan desde la estructura del núcleo atómico hasta la existencia de superconductores a temperatura ambiente, y para la cual contamos con muy pocas herramientas matemáticas. He dedicado una parte considerable de mi trabajo a la aplicación de una de esas herramientas, de desarrollo bastante reciente en base a los trabajos de Maldacena, conocida como “dualidad holográfica”.

LA IMAGEN DE LA SEMANA

Estudio en Hidrógeno-Alfa de la Nebulosa Cabeza de Caballo. Crédito: Martin Heigan

Una de las grandes victorias de la mecánica cuántica fue la de explicar los tipos de luz que emiten los ditintos átomos.

Por ejemplo, consideremos el hidrógeno, el elemento más liviano, cuyos átomos consisten en un protón y un electrón. Si encerramos gas de este elemento en un tubo, ponemos electrodos en sus extremos y aplicamos un voltaje suficientemente alto entre los terminales, el gas comenzará a emitir luz. Estaremos ante una lámpara de descarga de hidrógeno.

• Este es un tipo de dispositivo de iluminación ya en desuso, pero que se utilizaba mucho hace algunas décadas con otros gases: con neón para un color rojo vívido, el sodio para el amarillo.

La luz del hidrógeno se produce porque la corriente eléctrica que pasa a través de la lámpara arranca electrones de los átomos. Estos luego son atrapados por un protón libre y rearman un átomo. Los electrones pasan de una de las órbitas posibles a otra y emiten fotones en cada salto. Como las órbitas son características de cada átomo, el color de los fotones también.

• Mirando el color de la luz emitida por un gas, los físicos pueden identificar los átomos allí presentes.

El hidrógeno es el átomo más abundante en el universo, por lo que su luz es ubicua ante los ojos de los astrónomos. Una de sus emisiones más frecuentes es conocida como H-alfa. Esta es una luz roja profunda, que típicamente observamos en las grandes nebulosas, como en la IC-434 que se puede ver en la fotografía que aquí mostramos, capturada por Martin Heigan. Esta nebulosa está a unos 1.500 años luz de distancia en el cinturón de Orión.

Delante vemos una estructura oscura, con forma de cabeza de caballo. Por eso se la conoce con ese nombre. Está unos 300 años luz más cerca que IC-434.

El hermoso rojo profundo del hidrógeno está en todas partes y la mecánica cuántica nos explica con detalle su origen atómico.

BREVES PARALELAS

Asteroide Bennu. Crédito: NASA/Goddard/University of Arizona

En septiembre de 2016, la NASA lanzó la sonda OSIRIS-REx, con el objetivo de recoger muestras de Bennu, un asteroide de unos 500 metros de diámetro, que en sus momentos de mayor cercanía se encuentra a unos 5 millones de kilómetros de la Tierra. El viaje tomó siete años y la sonda llegó en septiembre de 2023 terminando con éxito la misión.

• En enero pasado, estudios de las muestras revelaron que Bennu posee las moléculas fundamentales de la vida en la Tierra: los aminoácidos que conforman las proteínas y las nucleobases del ADN.
• Esto refuerza las teorías de que los bloques fundamentales de la química de la vida se pudieron formar en el sistema solar primitivo y que los asteroides podrían haber sido los proveedores de estos. Quizás la vida sea, después de todo, un fenómeno mucho más común de lo que jamás imaginamos.

El 13 de febrero de 2023, el telescopio KM3NeT (aún en construcción) detectó un neutrino cósmico en el mar Mediterráneo, en las cercanías de Sicilia.

• El neutrino es una partícula muy liviana, eléctricamente neutra, muy difícil de detectar. De los billones que atraviesan cualquier detector cada día, solo un puñado es atrapado. El neutrino fue postulado por Wolfgang Pauli en 1930 y confirmado experimentalmente solo 26 años más tarde.
• El neutrino recién descubierto es bien particular, por ser 30 veces más energético que todos los observados hasta el momento, y lo más probable es que no provenga de nuestra galaxia.
• La detección, llevada a cabo en detectores ubicados a 3,5 km de profundidad, se logró gracias a que el neutrino colisionó con una molécula de agua, generando partículas secundarias que son fácilmente observables, entre ellas, un muón de alta energía. La trayectoria de esta permitió reconstruir el evento.

Pese a las preguntas que aún rodean a este descubrimiento, la ciencia lo celebra entusiasta. Es que los neutrinos poseen un valioso potencial para explorar el universo primitivo, ya que, debido a que son muy esquivos, permiten estudiar regiones donde la luz no puede atravesar. Más observaciones serán necesarias para confirmar y dilucidar el significado de este hallazgo.

RECOMENDACIONES: EL UNIVERSO EN LA PALMA DE TU MANO

Por Fabiola Arévalo

Doctora en Física

Si alguna vez has querido explorar el cielo nocturno, pero no sabes por dónde empezar, esta es tu oportunidad. Instalar una aplicación de astronomía en tu celular puede convertir cualquier noche despejada en una experiencia fascinante. 

• Estas appste permiten apuntar la pantalla del dispositivo al cielo y, en tiempo real, identificar estrellas, planetas, constelaciones y hasta galaxias lejanas. Un buen punto de partida es localizar algo fácil de reconocer, como la Luna o el cinturón de Orión (las Tres Marías), y compararlo con la imagen en la aplicación.
• Una vez hecha esa conexión, puedes buscar otros objetos en la appy, luego, intentar encontrarlos en el cielo. Quizás descubras que lo que creías una estrella brillante es en realidad un pequeño planeta que está muy cerca, o que ese punto difuso es una galaxia gigante a millones de años luz.
• Además de identificar astros, estas aplicaciones son ideales para planificar observaciones. El cielo cambia constantemente, pero gracias a datos recopilados por telescopios en la Tierra y en el espacio, es posible predecir eventos astronómicos con precisión. Fenómenos como lluvias de meteoros, eclipseso conjunciones planetarias ocurren en momentos específicos del año.

Por ejemplo, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno son visibles a simple vista y hoy (y varios días de febrero) algunos de ellos pueden observarse juntos al atardecer. El cielo es patrimonio compartido y, con o sin telescopio, es posible disfrutar de estos fenómenos, especialmente aprovechando los cielos despejados de esta temporada.

• En un mundo donde el uso del celular suele ser objeto de debate, esta es una forma de aprovecharlo para algo verdaderamente enriquecedor: tener siglos de conocimiento astronómico al alcance de tu mano. Así que este verano, mira hacia arriba y redescubre el universo.

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Y esto 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.

• Mis agradecimientos al equipo editorial que me apoya en este proyecto: Fabiola Arévalo, Francisco Crespo, Francisca Munita, Camilo Sánchez y Sofía Vargas, y a todo el equipo de El Mostrador.