La Física Cuántica y su impacto tecnológico

 

“Quizá tantos siglos de descuidar las ciencias han provocado en nosotros la sensación de que nunca podremos ponernos al día en la creación de las ciencias, y que incluso no vale la pena ni siquiera intentarlo, ¿Será cierto?”

Abdus Salam (Pakistán). Premio Nobel de Física 1979

 

En nuestros países se desconoce en gran medida, el impacto de la Física Cuántica y la investigación en Física Básica, sobre nuestro modo actual de vida.  Principalmente en los países subdesarrollados prevalece un criterio entre quienes dirigen los sectores académicos, políticos e industriales, según el cual invertir en ciencia básica es menos  beneficioso que invertir en investigación aplicada. Henrick Casimir, excepcional por el hecho de que no sólo contribuyó al conocimiento de la Mecánica Cuántica, sino que también fue el director de los laboratorios de investigación de la Philips en Holanda, y por lo tanto tuvo experiencia  en investigación académica como industrial, refutó ese punto de vista de forma memorable:

“He oído manifestaciones de que el papel de la investigación académica sobre la innovación es despreciable.  Es la tontería más escandalosa con la que mi suerte me ha deparado tropezar.

Sin duda alguna, uno puede especular ociosamente si los transistores hubiesen sido descubiertos por personas que no hubiesen estado entrenados en, y que no hubiesen contribuido a la mecánica ondulatoria o a la teoría de los electrones en los sólidos.  Pero ocurre que los inventores de los transistores eran versados en, y contribuyeron a, la teoría de los sólidos.

Uno puede preguntarse si los circuitos básicos de los computadores podrían haber sido encontrados por gente que quería construir ordenadores. Pero, ocurre que fueron descubiertos en los años treinta por físicos que se ocupaban de contar partículas nucleares porque estaban interesados en la física nuclear.  Uno podría preguntarse si se hubiese hallado la energía nuclear porque la gente quería nuevas fuentes de energía o si la urgencia de tener nueva energía hubiese conducido al descubrimiento del núcleo. Quizá, pero ocurre que no sucedió de esa manera y que fueron los Curies y los Rutherford  y Fermi y algunos cuantos más.

Uno podría preguntarse si existiría una industria electrónica sin el descubrimiento previo de los electrones por gente como Thomson y H. A. Lorentz.  De nuevo no ocurrió de esa manera.

Uno puede incluso preguntarse si las bobinas de inducción de los motores de los coches hubiesen podido ser construidas por compañías que querían hacer transporte motorizado y si se hubiesen tropezado con las leyes de la inducción. Pero las leyes de la inducción habían sido encontradas por Faraday muchas décadas antes.

O si, sintiendo la necesidad de suministrar una mejor comunicación, uno hubiese podido encontrar las ondas electromagnéticas. Estas no fueron descubiertas de tal manera.  Fueron encontradas por Hertz, que resaltó la belleza de la física y que basó su trabajo en las consideraciones teóricas de Maxwell.  Creo que no existe prácticamente un ejemplo de innovación del siglo XX que no esté en deuda de esta manera con el pensamiento científico básico”.

Este punto de vista también era compartido por hombres como Faraday  y J. J. Thomson.  Faraday, al ser preguntado por el famoso primer ministro Gladstone por la utilización práctica del descubrimiento de la electricidad replicó: “Un día, señor, podrá usted ponerle impuestos”. De forma análoga, Thomson, que descubrió el electrón, señalaba que mientras que la investigación en ciencia aplicada conduce a la mejora y desarrollo de métodos viejos, la investigación en ciencia pura puede resultar en métodos completamente nuevos y más poderosos.  Concluía que “la investigación en ciencia aplicada  conduce a revoluciones, y las revoluciones, bien sean políticas o industriales, son cosas extremadamente beneficiosas si uno está en el lado de los ganadores”.

Desde los años finales del siglo XX, tenemos claro que el conocimiento científico representa un valor estratégico desde el punto de vista económico, lo que realmente se valora es la cantidad de conocimiento invertido en la elaboración  de un producto y esto es lo que se pretende demostrar seguidamente, en el caso específico del aporte de la física cuántica al desarrollo de las altas tecnologías.

 

LA FISICA CUANTICA Y LAS ALTAS TECNOLOGIAS

 -Las avanzadas tecnologías afectan la educación, la capacitación profesional, el tipo de trabajo y el bienestar social.

 -Algunos  científicos consideran que los mejores trabajos y oportunidades de inversión, en alta tecnología, más allá del 2000 están dados por la investigación y desarrollo en los siguientes campos principalmente:

 ·      Superchips de computadores de nueva generación y su impacto en los mercados internacionales.

 ·      Supercomputadores y microcomputadores.

 ·      Mercado mundial de la televisión y el impacto de la televisión de alta definición.

 ·      La comercialización de superconductores de altas temperaturas y nuevos materiales.

 Todos los productos de alta tecnología han sido creados según nuestro conocimiento de la estructura atómica, conocimiento alcanzado basándose en los fundamentos teóricos de la Mecánica Cuántica, rama de la Física Moderna, que trata del comportamiento a nivel atómico y subatómico.

  

TECNOLOGICAS DE TIPO ATOMICO: 

 Comienzan a desarrollarse después de la Segunda Guerra Mundial, y llega a su punto más álgido durante los años setenta.

 Durante los años ochenta constituyó una parte significativas de la economía mundial.

 -Computadores personales.

 -Potentes estaciones de trabajo.

 -Fax e impresoras láser.

 -Cirugía de precisión con láser y comunicación por satélite.

 -Imanes superconductores y aceleradores de partículas de altas energías.

 -Drogas recombinantes, ADN y diagnosis por imágenes de resonancia magnética.

 La alta tecnología abarca un espectro muy ancho de nuevas industrias que representan el estado del arte en investigación, desarrollo y fabricación.

 

-Robótica

-Supercomputadores

-Inteligencia artificial

} Son extensiones de Tecnología de semiconductores y computadores.

-Industria de las telecomunicaciones         } Electrónica y óptica láser

 -Ciencias aeroespaciales y nuevos materiales  }        Ramas de la alta tecnología.

 

Las industrias actuales de alta tecnología comprenden las siguientes ramas:

 -Semiconductores

-Computadores

-Robótica

-Supercomputadores

-Inteligencia artificial

-Láser

-Medicina de alta tecnología

-Fibra óptica

-Telecomunicaciones

-Aeroespacial

-Nuevos materiales

-Aceleradores de partículas

-Biotecnología

  

En todas las nuevas industrias subyacen cuatro áreas básicas de alta tecnología:

-Semiconductores

-Láser

-Superconductores

-Ingeniería Genética

}

Todos los grandes desarrollos tienen sus inicios en los años cincuenta

 

LA ALTA TECNOLOGIA DE SEMICONDUCTORES:

 Abarca un rango muy variado de productos que incluye transistores, circuitos integrados, chips de memoria y microprocesadores, hardware y software de ordenador, ordenadores personales (microcomputadores), superordenadores, robots e inteligencia artificial.¨

 A continuación se citan algunas fechas importantes en relación con el desarrollo de la tecnología de semiconductores:

 1947.  John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley inventan el transistor, y en 1956 se les concede el Premio Nobel de Física.

 1959.  Se desarrolla una nueva técnica que permite la fabricación de transistores mediante capas de materiales semiconductores. Esta tecnología abrió el camino para la producción en masa de transistores usando obleas planas de silicio.

 1961.  En una oblea de silicio se fabrica en un solo dispositivo un circuito electrónico completamente operativo constituido por varias partes. Esto es el circuito integrado, el chip, que marcó el comienzo de la era de la información. 

1971.  Se hace realidad el primer microprocesador, un ordenador completo en un único chip.  Conocido como el Intel 4004, el chip contenían cerca de 2000 componentes.  En la actualidad un chip de cuatro megabites contiene ocho millones de componentes.

 1977.  Aparece el ordenador personal Apple II, con una memoria de 4 kilobites, estableciendo la revolución del PC:

 1980.  Comienza formalmente la revolución de los microordenadores con la introducción del IBM-PC en 1981, del IBM-XT en 1983, de los Apple MacIntosh en 1984, del IBM-AT en 1986 y del IBM-PS/2 en 1987.

 

LA ALTA TECNOLOGICA DE LASER: 

 Proporciona algo más que las impresoras láser y los discos compactos (CD).  Da lugar a una rama industrial totalmente nueva llamada optoelectrónica, que incluye las telecomunicaciones por fibra óptica, así como los sistemas de almacenamiento de datos de computador en CD.

1954.  James Gordon, H. J. Zeiger y Charles Townes inventan el primer máser operativo, el equivalente al láser en microondas.

 1960.  Se prueba el primer láser.  Era de rubí, produciendo un haz rojo de luz láser, del mismo tipo que el que se utiliza en los sistemas de seguridad de algunas tiendas.

 1972.  Se mide la velocidad de la luz con una exactitud sin precedentes utilizando un haz láser producido por una mezcla de helio-Neón.

 1980.  Empiezan las aplicaciones de la tecnología láser. Las aplicaciones industriales incluyen el corte, soldadura, alineamiento y vigilancia.  Juega un papel crucial en el campo de la cirugía de precisión, al igual que en telecomunicaciones optoelectrónicas, por no mencionar el sistema de guiado de misiles y bombas (guerra del Golfo Pérsico).

 

LA ALTA TECNOLOGIA DE SUPERCONDUCTORES:

 El fenómeno de la superconductividad es antiguo, fue descubierto en 1911 por Heike Kamerlingh-Onnes, pero esta rama de la física permaneció en total oscuridad durante 70 años hasta 1986.  Ahora todo el mundo está interesado en los nuevos superconductores de alta temperatura, con juicios multimillonarios por los derechos de patentes. En los objetivos de la investigación y desarrollo de superconductores se incluyen la transmisión de potencia así como el almacenamiento de energía, trenes de levitación magnética y dispositivos de conmutación ultrarrápidos para aplicaciones en computadores.

 1973.  Se descubre el primer material superconductor, un compuesto de niobio, que presenta esta propiedad por encima del punto de ebullición del hidrógeno líquido.

 1986.  Se descubre el primer superconductor, un no metal, que presenta superconductividad a temperaturas superiores al punto de ebullición del helio líquido. Premio Nobel de Física para Alex Muller y J. Bednorz por el descubrimiento. 

1987.  Se descubre el primer material que es superconductor a temperaturas superiores del punto de ebullición del nitrógeno líquido, el cual es barato y fácilmente disponible.  Se provoca una desenfrenada carrera mundial a la búsqueda de nuevos materiales.

 

LA ALTA TECNOLOGIA DE LA INGENIERIA GENETICA:

 Es la única alta tecnología en las ciencias de la vida, y cubre un amplio espectro de aplicaciones, en las moléculas ADN, recombinación de manipulaciones de ADN, en agricultura, petroquímica y biotecnología farmacéutica. Esta área de alta tecnología está fuera del ámbito de la física.

 1953.  James Watson y Francis Crick descubren que la estructura de la molécula ADN tiene forma de una doble hélice.

 1961.  Se descifra el código básico de la vida, secuencias de moléculas base en una molécula de ADN conectadas a otras de amino-ácidos en una molécula de proteína.

 1978.  Se produce de forma masiva el primer medicamento producido por ingeniería genética:  la insulina humana.

 1986.  Se produce por tecnología de recombinación de ADN la primera vacuna contra la hepatitis.

 1988.  Primera patente concedida a un animal viviente por ingeniería genética:  un ratón propenso al cáncer.

  

El hecho de que estas cuatro áreas básicas de alta tecnología sean productos de la segunda mitad del siglo XX no es el único denominador común entre ellas.  Tienen un aspecto común fundamental:  la fuente común de conocimiento, que no es otra que el conocer de forma detallada las estructuras atómicas que nos han sido reveladas por los fundamentos teóricos de la física cuántica, desarrollada durante la primera mitad del siglo veinte.  Los superconductores y los semiconductores deben sus propiedades a la estructura electrónica de los átomos que forman el material, mientras que el haz de luz láser es debido a una reacción en cadena de átomos en transición de niveles de energía superiores a inferiores. El mecanismo por el que dos ramales de una molécula de ADN se separan y reproducen, el proceso mismo de la vida, depende de la estructura de los átomos y de las moléculas.

 Si quisiéramos encontrar una única definición para la alta tecnología, se debe decir que es la tecnología de la física cuántica, la tecnología de tipo atómico.

 

COMENTARIOS FINALES

 -Hace 75 años, el físico danés Niels Bohr propuso un nuevo esquema teórico que daba cuenta de los fenómenos atómicos y moleculares. Varios experimentos habían demostrado, que el comportamiento de la naturaleza en la escala atómica contradecía las predicciones de la física clásica de Maxwell y Newton.

 -Desde el punto de vista científico, la mecánica cuántica representa una teoría coherente como herramienta para entender los fenómenos que suceden en la escala microscópica, cuyas predicciones han sido confirmadas experimentalmente con un impresionante grado de precisión.

 -La invención del transistor ha sido el descubrimiento que ha tenido el impacto más directo en nuestras vidas, uno de sus descubridores el físico John Bardeen en su conferencia de recibimiento del Premio Nobel de Física, deja en claro que el transistor no se descubrió por accidente con estas palabras:  el propósito general del programa era el obtener un conocimiento lo más completo posible de los fenómenos semiconductores, no en términos empíricos, sino sobre la base de la teoría atómica¨.

-El físico Leon Lederman, galardonado con el Premio Nóbel por el descubrimiento del quark top, una de las partículas fundamentales de la materia, sostiene ¡que el 30% del Producto Interno Bruto de los Estados Unidos los genera la Mecánica Cuántica!

 -Mauricio Fortes, Presidente de la Academia de la Investigación Científica de México, en un artículo publicado acerca de este tema, concluye que esta historia tiene dos moralejas:

 1.  Un país que aspira a librarse de las cadenas del subdesarrollo requiere de una masa crítica de científicos que conozcan la mecánica cúantica. 

 2.  La tecnología moderna sólo puede desarrollarse si ocupa un nicho compartido con la ciencia básica.  El punto de vista crucial que da sentido a las dos afirmaciones anteriores, tiene que ver con los tiempos de maduración que transcurren entre la concepción de un principio básico y su eventual aplicación a escala industrial. Actualmente estos períodos varían entre diez y veinte años.

La globalización despierta nuevas exigencias para las ciencias, con un énfasis en concebir esta actividad como un agente utilitario, que debe producir beneficios materiales en el menor tiempo posible.  Se confunde a la ciencia con la tecnología avanzada, al identificarla como un instrumento eficaz, para mejorar el nivel de competitividad de productos y procesos.  En todos los países de economía fuerte, existe un orden histórico que correlaciona la existencia de una comunidad científica de primera línea, que alimenta al desarrollo tecnológico. Esta relación de causa y efecto entre ciencia básica, ciencia aplicada y bienestar social no se puede lograr en un país que ignora la importancia de cultivar y multiplicar los nichos de conocimientos alojados en nuestras universidades, institutos y centros de investigación.

Abdus Salam Premio Nobel de Física de 1979 y ciudadano del Pakistán, expresa claramente la problemática que enfrentan nuestros países subdesarrollados al tratar de elaborar sus políticas científicas frente a los organismos internacionales en los siguientes términos: “Dentro del mundo en desarrollo, hay muy pocos que ponen énfasis en que para lograr una eficacia a largo plazo, la transferencia de tecnología debe ir siempre acompañada de una transferencia de ciencia; que la ciencia de hoy es la tecnología de mañana, y que cuando hablamos de ciencia ésta debe entenderse en su sentido más amplio para que sus aplicaciones sean efectivas. Yo incluso iría más lejos: si uno fuera maquiavélico, uno podría discernir motivos siniestros entre aquellos que nos tratan de vender la idea de una transferencia de tecnología sin transferencia de ciencia. No hay nada que nos haya hecho más daño en el Tercer Mundo que la consigna, reciente en los países ricos, de una “ciencia apropiada”. Desafortunadamente, esta consigna fue irresponsablemente repetida en nuestros países para justificar la paralización en el crecimiento global de la ciencia”.

 

Físico Warner Chaves Vargas
Escuela de Física
Instituto Tecnológico de Costa Rica