Cinco avances en física que deberían haber ganado un Nobel, pero no lo hicieron

Los gluones se unen a partículas llamadas quarks en tríos para formar protones y neutrones. Sin embargo, los quarks y los gluones se adhieren con tanta fuerza que es imposible crear un gluón aislado. No obstante, los físicos del acelerador de anillo en tándem de positrones y electrones (PETRA) del centro de investigación DESY de Alemania detectaron la huella del gluón. Hicieron colisionar electrones con antielectrones, generando colisiones que, por lo general, creaban un quark y un antiquark, los cuales generaban instantáneamente dos “chorros” de partículas compuestas que se desplazaban uno tras otro.

Sin embargo, en ocasiones, el quark o antiquark inicial emitía un gluón, creando un tercer chorro distintivo. Esto fue lo que los investigadores del detector Solenoide del Espectrómetro de Dos Brazos detectaron a partir de junio de 1979. La mayor parte del equipo buscaba una partícula llamada quark cima, explica Riordan. Sin embargo, añade, la física Sau Lan Wu decidió que el gluón era más interesante, y prácticamente fue la única en pensar así.

Riordan afirma que ella y el teórico británico John Ellis, quien propuso que los gluones podrían producir el tercer chorro, merecen reconocimiento. Ambos rondan los 80 años. Pero otros participaron en el descubrimiento, y físicos de otros tres detectores alimentados por PETRA no tardaron en percatarse de lo mismo. Entre ellos se encuentra Samuel Ting, quien ya había recibido el Premio Nobel por un descubrimiento anterior sobre partículas.

Dada la complejidad política y las maniobras involucradas, el Comité Nobel podría haberse visto en aprietos al intentar elegir solo tres ganadores, afirma Riordan, quien no se muestra optimista respecto a que el premio Gluon sea reconocido. “Creo que ya es demasiado tarde”.

El modelo estándar de materiales cristalinos

La física de la materia condensada, la subdisciplina más extensa de la física, ha transformado el mundo de forma más radical que ninguna otra, aunque solo sea por haber dado origen al transistor y, por ende, a la microelectrónica. Sin embargo, los Premios Nobel nunca han reconocido los dos conceptos fundamentales de este campo: las vibraciones cuantizadas de un cristal, denominadas fonones, y las ondas cuánticas de los electrones, denominadas electrones de Bloch.

La descripción de los sólidos cristalinos de cualquier tipo, incluida esta magnetita, comienza con el concepto de fonones y electrones de Bloch. De Agostini/R. Appiani/Science Source

Un cristal consiste en una red tridimensional repetitiva de iones con carga positiva, impregnada de electrones con carga negativa. En 1929, el teórico suizo Felix Bloch derivó la forma matemática específica de las ondas cuánticas que describen los electrones. En 1930, el teórico ruso Igor Tamm formuló la teoría de las vibraciones cuantizadas de la red cristalina.

Tanto los electrones de Bloch como los fonones son necesarios para explicar un fenómeno tan básico como la resistencia eléctrica en un cable. Si la estructura cristalina del metal fuera perfecta, las ondas electrónicas se propagarían sin resistencia. Sin embargo, los fonones distorsionan la red, desviando las ondas electrónicas e impidiendo su flujo. Por el contrario, a bajas temperaturas, los fonones pueden actuar como un pegamento, uniendo electrones en pares libres, lo cual es clave para la superconductividad en metales simples.

Los electrones y fonones de Bloch podrían haber pasado desapercibidos en parte porque Bloch y Tamm fueron muy prolíficos. «Estos tipos lo hicieron todo», dice Norman. «Fíjense en Tamm. Trabajó en la bomba de hidrógeno. También inventó el reactor de fusión tokamak». De hecho, Bloch compartió el Premio Nobel de Física en 1952 por la resonancia magnética nuclear, y Tamm compartió el premio en 1958 por la observación de la radiación Cherenkov.

Además, la física del estado sólido fue considerada durante mucho tiempo un tipo de física inferior, hasta el punto de que el premio Nobel Murray Gell-Mann la denominó “física del estado sórdido”.

Un teorema para demostrar que el universo no es determinista.

Según la teoría cuántica, la realidad es incierta y contingente. Por ejemplo, un electrón puede girar en direcciones opuestas —hacia arriba y hacia abajo— simultáneamente, y solo cuando se mide su giro, ese estado colapsa aleatoriamente en una u otra dirección. Esta contingencia incomodaba a Einstein y a otros, quienes insistían en que el giro debía tener una dirección definida, incluso si no se medía. Argumentaban que las variables ocultas dentro del electrón debían determinar el resultado de cualquier medición potencial.

John Bell dedicó su carrera profesional a trabajar en el laboratorio europeo de física de partículas CERN .

Sin embargo, en 1964, el teórico británico John Bell ideó una sorprendente manera de detectar variables ocultas. Según la teoría cuántica, dos electrones pueden estar entrelazados de tal forma que su estado sea incierto (tanto hacia arriba como hacia abajo), pero sus dos estados estén correlacionados. Por ejemplo, si se mide que un electrón está hacia arriba, el otro debe estar hacia abajo, y viceversa. El entrelazamiento es más complejo que eso, y Bell demostró que debería producir correlaciones más fuertes que las que podrían generar las variables ocultas en las partículas.

Observar esas correlaciones más fuertes demostraría que tales variables ocultas no podían residir dentro de las partículas, sino que debían existir en algún lugar del universo, una perspectiva tan alarmante como el indeterminismo. En las décadas de 1970 y 1980, los experimentadores John Clauser y, de forma independiente, Alain Aspect utilizaron fotones, que pueden polarizarse en dos direcciones simultáneamente, para observar las correlaciones más fuertes predichas por Bell. En 2022, compartieron el Premio Nobel con el pionero de la física cuántica Anton Zeilinger.

Pero Bell falleció en 1990 sin recibir el Premio Nobel. Su teorema «fue un descubrimiento que superaba con creces el nivel de un Premio Nobel», afirma Christopher Fuchs, físico teórico de la Universidad de Massachusetts Boston. Sin embargo, antes de la década de 1990, se consideraba esotérico, añade Fuchs. «Solo a unas 20 o 30 personas les interesaba». Ahora, la prueba de Bell sirve como herramienta para demostrar que una tecnología incipiente funciona desde una perspectiva cuántica.

La revolución en nuestra concepción del espacio y el tiempo.

Ningún avance en física teórica ha suscitado mayor admiración que la creación de la relatividad por Einstein, que, junto con la mecánica cuántica, es uno de los dos pilares de la física moderna. Sin embargo, mientras que nueve teóricos (entre ellos Einstein) ganaron el Premio Nobel por sus contribuciones a la teoría cuántica, nadie recibió jamás uno por el desarrollo de la relatividad.

Gracias a Albert Einstein, los científicos entienden el espacio-tiempo como algo elástico que incluso podría formar túneles como este hipotético agujero de gusano. Rost-9D/iStock

Los físicos concebían el universo como un escenario donde los objetos se movían mientras el tiempo transcurría a un ritmo universal. En 1905, Einstein refutó esa idea. Partiendo de la premisa de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, formuló la relatividad especial, una teoría en la que el espacio y el tiempo son aspectos de un único espaciotiempo tetradimensional que es percibido de forma diferente por observadores que se mueven unos respecto a otros a velocidad constante. En 1915, Einstein fue mucho más allá y desarrolló la relatividad general, que explicaba cómo surge la gravedad cuando objetos masivos como estrellas y planetas deforman el espaciotiempo.

Para algunos miembros del Comité Nobel, esto resultó excesivo, alegando falta de evidencia experimental y descartando la relatividad como una mera creencia. Así, tras numerosas nominaciones, el comité otorgó a Einstein el premio de 1921 por explicar el efecto fotoeléctrico, en el que un fotón expulsa un electrón de un metal. El diploma de Einstein hacía hincapié en las dudas del comité, destacando que el premio se concedía «independientemente del valor que pudiera atribuirse, tras una posible confirmación, a la teoría de la relatividad y la gravitación».

Ningún otro pionero de la relatividad recibió premio alguno. Por ejemplo, fue el matemático alemán Hermann Minkowski quien reformuló geométricamente la teoría algebraica de la relatividad especial de Einstein en términos de espacio-tiempo. Einstein inicialmente desestimó el concepto por considerarlo un mero exceso de erudición, pero resultó fundamental para la creación de la relatividad general. Minkowski falleció en 1908, a los 44 años, mucho antes de que su concepto se convirtiera en un pilar fundamental de la física moderna.