Un Nobel de 2004: ¿Hacia el fin de la Física? Ernesto Atlshuler* [email protected] El círculo se va cerrando. Después de siglos de búsqueda y de tropiezos, los físicos han concluido que existen tan sólo cuatro "fuerzas" ó "interacciones" responsables de todo lo que ocurre en el Universo. En orden de "fortaleza" ascendente, éstas son: la interacción gravitatoria, la débil, la electromagnética, y la fuerte. La interacción gravitatoria es la responsable, entre otras cosas, de que los objetos caigan al suelo, y de que los planetas se mantengan en sus órbitas. La interacción electromagnética es el sustento de la fricción, de que los imanes atraigan trozos de hierro, y de que los electrones de un átomo se mantengan orbitando alrededor del núcleo. La interacción débil es mucho menos afín a nuestra experiencia diaria: está vinculada a la desintegración de algunos núcleos atómicos. Este tipo de fenómenos se utiliza, por ejemplo, para determinar la edad de objetos antiguos como momias ó esqueletos de dinosaurios, y también para el diagnóstico y cura de ciertas enfermedades. Finalmente, la interacción fuerte es la que mantiene unidos a los quarks (se pronuncia "cuórks"), que son las partículas de las que están hechos los protones y neutrones que, a su vez, forman los núcleos atómicos. Durante los últimos decenios los Físicos han dedicado descomunales esfuerzos, tanto en el aspecto experimental como en el teórico, a comprender la naturaleza de tales interacciones, intentándolas fundir en un solo esquema mediante la combinación de la teoría cuántica con la de la relatividad. Así, Sheldon Glasgow, Abdus Salam y Steven Weinberg recibían el Nobel en 1979, y Gerardus't Hoof y Martinus Veltman, en 1999, por "unificar" teóricamente la interacción electromagnética con la débil. En 1973, una serie de artículos en Physical Review Letters de David J. Gross, H. David Politzer, y Frank Wilczek, abrieron un sendero importante hacia la unificación de las interacciones electromagnética y débil, con la fuerte. En particular descubrieron la llamada "libertad asintótica", o sea, que si bien los quarks están confinados dentro de protones y neutrones con una fuerza extraordinaria, al acercarse demasiado entre sí, su interacción deja de ser tan fuerte -algo así como una pareja que se pasa la vida hablando por teléfono, pero que, cuando sus miembros se encuentran cara a cara, no tienen tanto que decirse. Justamente por este descubrimiento, el Comité Nobel anunció que el Premio de Física del 2004 ha sido otorgado a Gross, Politzer y Wilczek. Si los actuales defensores de la llamada teoría de cuerdas están en lo cierto, la gran unificación pudiera llegar a incluir la interacción gravitatoria en un futuro no muy lejano, cerrando así el círculo. Por lo visto, estamos ante otra escaramuza brillante y exitosa en la "guerra santa" por lograr una visión coherente del Mundo. Porque no sólo de pan vive el hombre; el hombre necesita comprender. Y para comprender, es menester simplificar. Según muchos Físicos, cuando logremos ganar las escaramuzas que faltan, todo habrá acabado: sólo quedará "apretar algunas tuercas" por aquí y por allá, pulir algunos detalles, y decir adiós a la Física tal y como hoy la conocemos. Hacia finales del siglo XIX, parecía claro que la Física estaba a punto de terminarse: el universo conocido podía explicarse mediante las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell... y entonces nos sorprendió la Naturaleza con una serie de fenómenos que no encajaban: la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico... La aplicación del método científico obligó a rehacer y perfeccionar nuestro viejo esquema del Universo: la Física tuvo que abrirse -y lo hizo con alegría- hacia un mundo enteramente nuevo donde hombres y mujeres de la talla de Einstein, los Curie, Planck, Bohr, y Rutherford, dejaron una huella imborrable, y comenzaron a abrir el camino que hoy conduce a la unificación de las llamadas interacciones fundamentales. Este esquema de renovación cíclica se repite una y otra vez a lo largo de la Historia. ¿Que estamos tocando las puertas del fin de la Física? Como diría cierto personaje de la TV: "Vamos, ¡permítanme carcajearme!". *Doctor en Ciencias Físicas. Vicedecano docente Facultad de Física Universidad de la Habana. fg/ea/mv http://www.prensalatina.com.mx/article.asp?ID=%7BD9712A77-FDB0-499F-9069-4920FC89064B%7D&language=ES

Científicos de IBM demuestran mediciones magnéticas de un solo átomo México, D.F. a 20 de septiembre de 2004. - Los científicos de IBM han medido una propiedad magnética fundamental de un átomo: la energía requerida para rotar su orientación magnética. Se trata del primer resultado de una prometedora y novedosa técnica que han logrado desarrollar para estudiar las propiedades de las estructuras magnéticas a escala del nanómetro, que se espera revolucionarán las futuras tecnologías de la información. Desde la espintrónica hasta la computación cuántica, se está generando un sinfín de ideas totalmente nuevas para los dispositivos electrónicos, de computación y de almacenamiento de datos, con el objetivo de explotar las propiedades notables que es posible obtener con las orientaciones magnéticas de los electrones y los átomos. “Para diseñar la ingeniería de las características a nanoescala que se anticipan en estos nuevos tipos de circuitos, necesitaremos un conocimiento fundamental de las propiedades magnéticas de pequeñas cantidades de átomos en diversos ambientes, comentó Andreas Heinrich, Miembro del Plantel de Investigación del Centro de Investigación Almaden de IBM en San José, California. "Nuestra nueva técnica brinda esta información con mucho mayor detalle y precisión de lo que antes había sido posible.” La espintrónica es una clase emergente de nuevos circuitos electrónicos que explotan la orientación magnética de los electrones y los átomos: una propiedad cuántica denominada “espín” (del inglés “spin”, orientación). El espín de un electrón posee dos estados posibles: arriba o abajo. La alineación de los espines en un material crea el magnetismo. La mayoría de los materiales son no magnéticos porque tienen números iguales de espines de electrones arriba y abajo, que se cancelan unos a otros. Pero los materiales como el hierro o el cobalto tienen cantidades desiguales de espines de electrones arriba y abajo, y son magnéticos. En su nuevo resultado, los investigadores de IBM midieron la energía requerida para cambiar el espín de un único átomo de manganeso de la posición arriba a abajo. Este resultado se publica en un informe de Henrich y sus colegas Jay A. Gupta, Christopher P. Lutz y Donald M. Eigler, que aparece en la edición del 9 de septiembre de Science Express, la edición web del jornal científico Science, editada por la American Association for the Advancement of Science. (Gupta actualmente es profesor adjunto de la Universidad Estadual de Ohio). Detalles técnicos La nueva técnica es una versión magnética de la “espectroscopía de túnel de electrones inelásticos” que los científicos de IBM denominan “espectroscopía spin-flip de un solo átomo.” Para usarla, los científicos primero colocan un átomo magnético sobre una superficie y usan un campo magnético fuerte para orientar su espín. A continuación, posicionan la punta no magnética de un microscopio de efecto túnel de barrido sobre el átomo que está siendo estudiado. Mediante la aplicación de un voltaje a la punta, se hace fluir los electrones, o “pasar por un túnel” de la punta al átomo magnético. La mayor parte del tiempo, los electrones pasan directo a través del átomo. Sin embargo, si el voltaje es lo suficientemente alto, algunos electrones pueden transferir energía al átomo, generando un spin-flip (rotación del espín) y haciendo que el flujo de electrones aumente. Mediante la medición del voltaje al cual el flujo de electrones comienza a aumentar, los científicos pueden determinar la energía requerida para cambiar el espín. Los experimentos se realizan dentro de un vacío y a una temperatura muy baja (menos de un grado Kelvin) para lograr suficiente resolución para medir la pequeña energía requerida para cambiar el único espín de un átomo de manganeso solitario. La técnica de IBM es tan sensible que el científico aprendió que, para cambiar el espín de átomos posicionados cerca del borde de un parche de aislamiento sobre la superficie, se necesita el 6% más de energía que para los átomos en el medio del parche. Este nivel de detalle será valioso para comprender y diseñar las propiedades de futuros dispositivos espintrónicos a nanoescala. Los próximos experimentos explorarán cómo cambian las propiedades magnéticas cuando los átomos se reúnen en pequeños grupos y en distintas geometrías. Antecedentes Este anuncio es el más reciente en una serie de logros en ciencia a nanoescala atribuidos a Don Eigler (Fellow IBM) y sus colegas. Durante los últimos 15 años, Eigler ha liderado un grupo de jóvenes científicos pioneros en la aplicación de la manipulación de átomos en experimentos de amplio espectro destinados a construir y comprender las propiedades de las estructuras a escala atómica y explorar su potencial para el uso en tecnologías de la información, tales como la lógica digital y el almacenamiento de datos. Los resultados del grupo incluyen: Posicionamiento de átomos individuales sobre superficies. Invención de un conmutador eléctrico con un único átomo como el elemento activo. Construcción de moléculas de a un átomo por vez. Descubrimiento que los átomos de impureza magnética alteran la estructura electrónica de los superconductores en un rango sorprendentemente corto. Medición por primera vez de cómo la conducción eléctrica a través de cables de uno y dos átomos varía con el elemento químico. Demostración de la capacidad de representar ondas de densidad de electrones sobre superficies metálicas. Invención de un nuevo tipo de trampa de electrón llamada “corral cuántico” Descubrimiento del efecto “espejismo cuántico”, en el cual se usa el patrón de onda cuántica de un electrón para proyectar información, y Demostración de un circuito computacional funcional completo basado en el movimiento de “cascada molecular” de las moléculas individuales, que es 260.000 veces más pequeño que lo que podría lograrse con los mejores métodos contemporáneos de fabricación de chips. Este es también el tercer anuncio importante en materia de investigación del espín de electrones realizado por el Centro de Investigación Almaden de IBM en meses recientes. Los anuncios anteriores fueron: · El 26 de abril, IBM y la Universidad de Stanford anunciaron la creación de SpinAps, el Centro de Ciencia y Aplicaciones Espintrónicas de IBM-Stanford, cuyo objetivo es la creación de nuevos materiales y dispositivos con capacidades totalmente nuevas (como dispositivos lógicos reconfigurables, superconductores a temperatura ambiente y computadoras cuánticas), con el potencial de crear paradigmas totalmente nuevos en la computación. · En la edición de Nature del 15 de julio, los científicos del Centro de Investigación Almaden de IBM describieron un adelanto en imágenes de resonancia magnética a nanoescala: el uso de la microscopía de fuerzas de resonancia magnética para detectar directamente la débil señal del espín de un solo electrón enterrado en una muestra sólida. http://www.ibm.com/mx/press/news/2004/09/news_it_20092004.phtml

As Einstein Predicted, Earth Distorts Time, Space By Susan B. Shor TechNewsWorld 10/22/04 4:15 PM PT The scientists' results confirming Einstein's theory are accurate to about 5 percent. A NASA mission now in orbit, Gravity Probe B, is scheduled to observe "frame-dragging" in about a year. It is expected to be accurate to within 1 percent. One Sprint. Many Solutions. Scientists have found direct evidence that massive objects in space do pull the space surrounding them, a phenomenon called "frame-dragging" that was first predicted in 1918 using Einstein's theory of general relativity. The findings were reported in the journal Nature. Einstein believed that massive objects such as the Earth pull the space and time around them as they move, creating distortion. This distortion, in turn, creates Earth's gravitational pull. Any smaller objects near the distortion would also shift. "There were two remaining tests for Einstein's General Relativity (GR) theory: The test that we have reported results on in the latest issue of Nature, and the detection of gravitational waves," geodesist Erricos C. Pavlis of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt and the University of Maryland at Baltimore, explained to TechNewsWorld. "The latter will be tested (bar any surprises), by the NASA mission LISA/LIGO which will launch sometime in 2010 or so. The former has been our pet investigation for several years." Orbit Variation Pavlis and research partner Ignazio Ciufolini of Italy's University of Lecce tracked the orbits of LAGEOS and LAGEOS2 (Laser Geodynamics Satellites), which were designed to have very stable orbits to allow precise measurements of distance from the station to the satellite. The researchers found that the satellites' orbits were slightly different from what they should have been. The variation proved frame-dragging exists, they said. "These results were made possible by the excellent products (gravity models) that are coming out of the NASA mission GRACE," Pavlis explained. "The results were based on laser ranging data collected and freely distributed by the International Laser Ranging Service, with minimal effort by our team -- beyond what we normally have to do for other applications of these data." Pavlis and Ciufolini had published results with a 20 percent margin of error in the journal Science in 1998. A NASA mission now in orbit, Gravity Probe B, is scheduled to observe "frame-dragging" in about a year. It is expected to be accurate to within 1 percent. Pavlis and Ciufolini's results are accurate to about 5 percent. "The more such results, and the more independent confirmations, the better," Pavlis said. Measuring Gyroscope Spin Gravity Probe B measures tiny changes in the direction of spin of four gyroscopes contained in an Earth satellite. This allows for the measurement of how space and time are warped by the presence of the Earth, and of frame-dragging. "We will continue our work with the two satellites we used, extending the test in time, and eventually using background models that are even of higher resolution and accuracy, as they become available in the future, to produce an even more accurate result," Pavlis said. http://www.technewsworld.com/story/37555.html?u=Maskafulez&p=ENNSS_87f8785ed570f30521fdb7a44d097e61

Earth's Twisty Spacewarp By Alan M. MacRobert Gravity's complex picture, and a LAGEOS satellite. The relief map indicates the slight deviations of the Earth's gravitational field from that of a perfect ellipsoid. Red indicates higher deviation, blue lower. (The actual map is vastly more detailed than shown here.) Each LAGEOS satellites is a passive, heavy sphere covered with retroreflector mirrors for accurate laser ranging. Before subtle effects of relativity on the satellite's path can be measured, the effects of Earth's irregular gravity have to be removed to high precision. Courtesy F. Ricci / I. Ciufolini / GFZ-Potsdam. October 22, 2004 | Yet another prediction by Einstein's general theory of relativity seems to be holding true: a rotating body, such as Earth, should slightly twist the space in which it is embedded. Two physicists who have been tracking satellites orbiting Earth claim to have made the first reliable measurement of this effect. Others remain unconvinced — but a different experiment should soon settle the question once and for all. The effect in question is called "frame dragging," a very slight twisting of space-time induced by any rotating mass. (Think of a ball bearing spinning in syrup.) The phenomenon is more formally known as the Lense-Thirring effect, after the Austrian physicists Joseph Lense and Hans Thirring, who predicted it in 1918 two years after Einstein published general relativity. Frame dragging is a form of "gravitomagnetism," a set of secondary space-warping effects that should be caused by mass in motion — somewhat analogous to the way magnetism stems from electric charges in motion. (The parallelism here may have helped keep Einstein on his futile life quest for a unification of gravity and electromagnetism.) Writing in the October 20th issue of Nature, Ignazio Ciufolini (University of Lecce, Italy) and Erricos C. Pavlis (Joint Center for Earth Systems Technology, Maryland) claim to have made the first reasonably accurate measurement of frame dragging. They tracked the paths of the two Laser Geodynamics Satellites (LAGEOS I and II) for 11 years using laser rangefinders. They find that Earth's rotation twists the fabric of space enough to displace the satellites by 1.9 meters per year from where they would otherwise be, matching the amount predicted by general relativity with a measurement precision of about 10 percent. Ciufolini has previously reported signs of frame dragging in the LAGEOS satellites' orbits, but this finding met with skepticism (Sky & Telescope: July 1998, page 22). Since then, Earth's irregular gravitational field has been mapped about 50 times more accurately, thanks to the GRACE satellite mission. However, independent LAGEOS expert John C. Ries (University of Texas) is still not convinced. "It is uncertain if the GRACE gravity models are good enough yet," he says. NASA's Gravity Probe B satellite will soon provide a more direct measurement of frame dragging that should also be much more accurate. Launched last April after 40 years of planning and development, Gravity Probe B was designed primarily for this purpose. Its results, which should be announced in mid- to late 2005, are expected to be good to 1 percent. Large amounts of frame dragging have already been inferred indirectly from the behavior of matter in the extreme gravitational environments near spinning black holes. http://skyandtelescope.com/news/article_1374_1.asp