Una vida dedicada a descubrir universos posibles a través de la física

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Francisco Muñoz Sáez es doctor en Física, profesor asociado del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile y coordinador del Programa de Postgrado en Ciencias, mención Física de la misma universidad. El investigador conversó con Ciencia en Chile sobre su vida dedicada a la física, el rol de esta ciencia en la búsqueda de comprender los comportamientos elementales de nuestro universo y la transformación revolucionaria de la ciencia a partir del big data y machine learning.

Celeste Skewes, Ciencia en Chile.- 

¿Cuál es una de las grandes preguntas- y la más fascinante para usted- que la física actual está concentrada en responder?

Hay un montón de preguntas y de desafíos. Una de las cosas más relevantes tiene que ver con la computación. Muchos de los algoritmos como big data o machine learning están cambiando las ciencias de las ingenierías, de la física e incluso la forma de hacer ciencia. Antes alguien estudiaba algo y pasaba años estudiando lo mismo, llegaba a los resultados y los publicaba, esa era la vida de un investigador promedio. Pero, mediante técnicas de machine learning se puede hacer lo mismo para 10 mil casos distintos, lo que le tomaría a una persona toda su vida estudiar o más, ahora lo puede hacer en días. Eso es un cambio radical de las formas que tenemos de enfrentar la ciencia.

Comportamientos inesperados

Usted estudia la materia condensada, ha mencionado que ésta es una área de la física que permite conocer no solo este universo sino todos, ¿a qué se refiere?

Es una analogía. En general, cuando alguien quiere estudiar el universo, la cosmología o cosas como partículas elementales, por ejemplo los neutrinos- qué son los neutrinos, cuáles son las propiedades que tiene, etc.-, lo estudia relacionando unas pocas cosas, es decir, de forma más aislada.  En cambio dentro de un material ocurren cosas que no ocurren al estudiar los elementos de forma aislada, o sea, un comportamiento emergente. Cuando tienes un montón de cosas juntas que interactúan es muy distinto a tenerlas separadas.

Vamos a hacer otra analogía. Para entender la naturaleza humana puedes estudiar y dominar el conocimiento sobre cómo funciona la mente de una persona, esto es la psicología. Ahora, si tienes 1 millón de personas juntas éstas se comportan de forma distinta, ya no corresponde al área de la psicología sino al de la sociología y aparecen nuevas leyes. Lo mismo ocurre en materiales, uno encuentra cosas que funcionan como si fueran electrones pero que no son electrones, o si a los electrones los pones en un campo en el que deberían ir hacia un lado, van hacia el lado opuesto. Esto ocurre porque hay muchas cosas más que están interactuando. Puedes descubrir partículas que se comportan como si no tuvieran masa, pero sí tienen masa. Son los mismo electrones que están juntos y hacen cosas muy raras cuando actúan entre ellos y un material.

Esto usted lo estudia a través de la física teórica, es decir la ciencia que elabora teorías y modelos usando el lenguaje matemático con el fin de explicar y predecir fenómenos físicos, ¿cómo es entender el mundo a través de estos lentes?  

Esto no es solo algo interesante o un estudio que signifique simplemente aumentar la cantidad de conocimiento del universo, sino que tiene conclusiones súper prácticas. Por ejemplo, uno de los grandes problemas que hay en el mundo es el desperdicio energético. Si un computador lo ocupas de forma muy intensa se va a calentar mucho desperdiciando energía como calor. Hay tipos de materiales en los que los electrones obedecen leyes distintas a las de los electrones comunes y corrientes, y que, por ejemplo, no disipan energía. Esto para la computación sería maravilloso, es decir, que no se gaste más energía de la necesaria, que no haya pérdida.

Hay otros materiales que incluso te permiten ocupar la energía que se pierde, o sea, que se genera calor y ese calor se convierte de nuevo en energía eléctrica. Así que no solo es interesante el estudio de la física teórica, sino que es súper útil. Las cosas exóticas pueden proveer soluciones nuevas a problemas actuales.

Un cambio atómico, una gran transformación

Actualmente está finalizando un Proyecto Anillo que busca estudiar las interacciones entre luz y nanomateriales, ¿puede comentar sobre este?

El Proyecto Anillo es bien desafiante, es un proyecto novedoso y completamente rupturista. Lo que plantea es entender cómo funcionan lo centros de color como qúbits -explico enseguida qué son- y cómo controlarlos en cierto tipo de materiales exóticos. Con esta información podremos sentar las bases de cómo hacer computación mediante esta tecnología.

Para explicar qué son los centros de color y los qúbits es importante mencionar que un bit es un estado en el que puede haber un 1 o un 0, se usa un transistor para ver si pasa corriente eléctrica o no (1 si pasa corriente eléctrica y 0 si no pasa) y con eso se hace todo lo que es electrónica y computación en la actualidad. Ahora, los qúbits son análogos a los bits, pero de forma cuántica, tienen mucha más flexibilidad y permiten resolver otro tipo de problemas en lo que se llama computación cuántica, algo que sería maravilloso para criptografía, para telecomunicaciones seguras, etc.

Uno de estos posibles qúbits son los centros de color. Los centros de color son bastante más comunes de lo que nosotros pensamos. Por ejemplo, si tienes zafiro -imagina una piedra blanca, bonita, brillante, pero que no tiene mayor gracia que eso- basta que cambies algunos aspectos en la red cristalina, o sea que cambies cien átomos por millón de aluminio por otros de cromo, y el zafiro se va a transformar en rubí, una piedra preciosa roja, y eso es interesante porque emite solamente luz en el rojo.

Cada uno de estos defectos en la red cristalina de estos átomos que no corresponden a los que deberían ser se comportan como si fueran átomos independientes, como si algunas propiedades del átomo estuvieran aisladas del mundo, porque están muy lejos entre ellos y eso los puede afectar mediante campos electromagnéticos, mediante presión, mediante un montón de formas y alterar cómo funcionan. Cuando alteras cómo funcionan puedes hacer electrónica o un análogo de electrónica sobre ellos para controlar cómo transmitir y procesar información. Así que son una propuesta útil para computación cuántica.

Física para la vida cotidiana

La física es una ciencia que forma parte intrínseca de nuestro universo, sin embargo a veces puede parecer lejana, ¿qué cree que es fundamental que como ciudadanos consideremos de la física?

Lo relevante con respecto a la física es el de plantearse un problema y resolverlo cómo lo hacemos los físicos, esto es: tenemos un input lo más sencillo posible y de eso sacamos un output. Esta forma de pensar se puede aplicar para cosas prácticas. Uno de los temas que están muy en boga son las AFP, ¿las AFP son un beneficio o son un detrimento para las personas? A esto no es difícil ponerle números, con un modelo sencillo veamos cuánto es el retorno que tienen, cuánto es el dinero que se aporta, cuánto es el tiempo que se va a estar cotizando y uno puede saber cuánta es la tasa de ganancia y cuánto sería con un sistema de reparto. Este tipo de discusión técnica la podría hacer alguien de forma sencilla con una calculadora y con pocas hipótesis. Eso me gustaría que considere la ciudadanía, formas más prácticas de resolver problemas, y eso se puede hacer con razonamiento físico similar a lo que se enseña en el colegio.

Mirando hacia el futuro ¿cuáles cree que son los principales desafíos de la física en Chile?

Las líneas de investigación en general tienen muy buen nivel en Chile, tanto de la Universidad de Chile como de las otras universidades. Chile es de los países que logra hacer mejor ciencia con menos dinero. La revista Nature tiene su índice –Nature Indexdonde eso está calificado, y si uno ve el apartado de Latinoamérica la eficiencia en Chile es muchas veces mayor que la del resto de la región.

Uno de los primeros desafíos de la física en Chile es aumentar la parte experimental. Otro desafío grande tiene que ver con el financiamiento. La mayoría de los estudiantes de doctorado buenos que hacen un posgrado y quieren volver a Chile terminan después de cierto tiempo encontrando puestos en la academia, pero esto no sabemos cuánto más se pueda mantener.

Finalmente, no sé si será un desafío, una oportunidad o simplemente un fenómeno, el hecho de que estamos atravesando un cambio generacional en la física, es decir, por muchos años una generación estuvo marcada por lo que fue el exilio, una generación de científicos de primer nivel y que son considerados los padres de la física en Chile ya se está retirando, entonces vamos a ver qué va a ocurrir en el sistema con este cambio.