(Ver parte 1)
¿Qué ideas van a transformar nuestra comprensión del mundo que nos rodea y nuestra relación con él? New Scientist repasa los avances que marcarán realmente una diferencia. Pedimos a los principales expertos que nos dijeran qué cosas serán revolucionarias en sus áreas de estudio e incluimos algunas ideas propias.

Luz y materia

El material para los premios Nobel del futuro: cómo lograr que la luz haga lo que se nos antoje, el eslabón perdido de los cerebros electrónicos, por qué los rayos T son los nuevos rayos X.

Óptica de transformación

Un toque luminoso.

Mantener a los electrones en el camino es fácil porque se confinan obedientemente en alambres de metal de unos pocos nanómetros de diámetro. Los fotones son más problemáticos. La fibra óptica más fina tiene micrómetros de diámetro, por lo que un equivalente óptico de un chip de computadora, por ejemplo, es un sueño lejano.

La óptica de transformación podría remediar esto, proporcionando una ruta para que la luz fluya como el agua alrededor de los obstáculos, y para que pueda ser enfocada en puntos mucho más pequeños que su longitud de onda. El secreto está en imaginar los rayos de luz y los campos eléctricos y magnéticos correspondientes como si estuvieran incrustados en una lámina de goma. Tirando y estirando esta lámina, pueden dirigirse a gusto. La distorsión de la hoja nos dice las propiedades eléctricas y magnéticas que debe tener el medio con las características de transmisión adecuadas.

Estos medios diseñados se conocen como metamateriales. Pueden utilizarse, por ejemplo, para hacer capas que guíen suavemente a la radiación alrededor de un objeto, volviéndolo invisible a nuestros ojos, o para recoger la luz en una gran superficie y concentrarla a nanoescala en una molécula sensible a la luz o punto cuántico. La óptica de transformación nos traerá un nuevo control del electromagnetismo, con fotones tan dóciles como electrones.

Claytronics

La materia toma la forma que usted quiera.

Imagine que transforma a la abuela en una pieza de mobiliario. Fantasía, tal vez, pero el potencial de los Claytronics no se detiene muy lejos.

Se trata de la construcción de materiales a partir de bloques pequeños, programables en forma inalámbrica, llamados catoms, que pueden ser instruidos para unirse en cualquier tipo de arreglo tridimensional. En su última encarnación, los catoms son tiras enrolladas milimétricas de material conductor que responden a fuerzas electrostáticas accionadas por control remoto.

Todavía es muy pronto, y la investigación actual se centra en la manera de lograr que los catoms se unan más firmemente, sin dejar de ser desmontables. Eventualmente, sin embargo, las posibilidades van desde sillas que, con una orden, se transformen en una mesa o en una estantería, a una forma de videoconferencia en la que una copia realista del interlocutor esté en la habitación mientras uno chatea.

Memristores

¿El eslabón perdido del cerebro artificial?

Los bloques de construcción de los circuitos electrónicos son las resistencias, los condensadores y los inductores. Ah, y los memristores. Estos dispositivos -"resistencias con memoria"- se predijeron hace 40 años, pero no fue hasta 2008 que se encontró finalmente un material con comportamiento memristivo (Nature, Vol. 453, p 80).

El pequeño tamaño y el bajo consumo de energía de los memristores los hace perfectos para almacenar y manipular información. Un solo memristor puede hacer el trabajo de hasta una docena de transistores en un chip de la CPU, y los primeros chips que utilicen esta tecnología deberían aparecer en el mercado en 2013.

Pero los memristores tienen más para ofrecer. Una idea es que reproduzcan el comportamiento de las sinapsis, los espacios que transportan las señales eléctricas entre las neuronas. El desarrollo de circuitos memristivos que simulen la arquitectura del cerebro en un chip puede mejorar la comprensión de nuestros propios circuitos, o incluso ayudar a desarrollar la próxima generación de inteligencia artificial.

Grafeno

A toda máquina hacia el futuro

En nuestro mundo tridimensional todo tiene un ancho, una longitud y una altura. Por lo menos, eso era lo que pensábamos. Pero estábamos pasando por alto a una clase entera de materiales: los cristales de un átomo o una molécula de espesor; esencialmente, planos bidimensionales de átomos extraídos de los cristales convencionales.

Estos cristales se van a convertir en materiales maravilla. Tomemos al grafeno, compuesto por capas individuales de átomos de carbono dispuestas en un retículo parecido a un panal de abejas, que mis colegas y yo aislamos por primera vez en 2004. El grafeno es más fuerte y más rígido que el diamante, pero se puede estirar hasta una cuarta parte de su longitud como el caucho. Su área de superficie es la más grande conocida en relación con su peso.

Pese a su delgadez, el grafeno es impermeable. Conduce el calor y la electricidad mejor que el cobre, y se puede usar en transistores que son más rápidos que los que se hacen con silicio. Gracias a esto podemos realizar algunos experimentos con partículas cuánticas de alta velocidad que los investigadores del CERN, en Suiza, sólo pueden soñar.

Con semejante variedad de propiedades, hay grandes esperanzas respecto a lo que podríamos lograr con el grafeno. Los optimistas dicen que estamos entrando en la era del carbono. Incluso los pesimistas piensan que el impacto sólo será un poco menor.

Radiación terahertz

Después de la X viene la T.

Si usted parte de la zona de la luz visible y explora las longitudes de onda más largas del espectro electromagnético encontrará, entre las microondas y los infrarrojos, un tipo de radiación a la que hasta ahora le habíamos dedicado poco tiempo: los rayos terahertz o rayos T.

Nuestra sintonía está cambiando a medida que adquirimos la tecnología para producirlos y manipularlos fácilmente. Al igual que los rayos X, los rayos T pueden penetrar la ropa y la piel, pero sin los efectos secundarios dañinos asociados con la exposición prolongada a los rayos X. Los estados de energía vibracional y rotacional de las moléculas complejas también son particularmente sensibles al sondeo por terahertz. Al bombardear un material con rayos T, el patrón de absorción y emisión de éste permite identificar desde drogas hasta explosivos. Los primeros escáners de cuerpo entero de rayos T ya se utilizan en aeropuertos, junto con profusas garantías de que las imágenes íntimas que revelen nunca serán divulgadas.

Computación

¿No sería genial si Internet entendiera lo que queremos? Lo hará, y estudiará a sus simbiontes humanos también, y todo ello a velocidades cada vez mayores.

El telescopio de Internet

Cómo se mete la Web debajo de nuestra piel.

La pregunta fundamental de las Ciencias Sociales, en pocas palabras, es la siguiente: ¿cómo se puede poner a un montón de gente junta y acabar no sólo con un montón de gente, sino con familias, empresas, mercados y sociedades?

La respuesta, hemos pensado durante mucho tiempo, se encuentra en las interacciones entre los individuos y las organizaciones. Medir estas interacciones es hacer posible finalmente que cientos de millones de personas se vuelquen a realizar sus actividades sociales y económicas online, a través del e-mail y las redes sociales, buscadores y sitios de comercio electrónico, y teléfonos cada vez más inteligentes. La red se está convirtiendo para la ciencia social en lo que el telescopio es para la astronomía: un dispositivo que le permite ver un universo antes invisible.

Hemos usado el correo electrónico para mapear redes sociales que alcanzan a cientos de millones de personas, hemos demostrado a través de experimentos a gran escala cómo la influencia social genera canciones de éxito. Hemos utilizado las consultas a los buscadores para predecir los ingresos de taquilla de las películas o las tendencias locales de la gripe, y ahondado en las actualizaciones de Facebook para medir la felicidad de la sociedad.

Estos primeros éxitos no se ocupan de los "grandes" problemas de las Ciencias Sociales, como los orígenes de la desigualdad económica o la intolerancia religiosa. Pero no hay razón por la cual la revolución de datos de Internet no pueda cambiar nuestra comprensión acerca de nosotros mismos, al igual que los datos recogidos por los primeros astrónomos transformaron nuestra visión del cosmos.

Zetaflops

Mi nueva computadora tiene más potencia.

Las supercomputadoras de hoy en día son bastante impresionantes. Pero no son ni la mitad de buenas que nos gustaría. Incluso el ordenador más potente del mundo, el Cray Jaguar del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee —capaz de más de 1,7 petaflops, o 1,7 × 10¹⁵ cálculos por segundo— no tiene suficiente empuje para las simulaciones más complejas. ¿El sueño de recrear los primeros segundos del Universo o predecir el clima futuro del planeta con un detalle sin precedentes? Siga soñando.

Pero no se olvide de poner la alarma. En 2030, los chips ultrarrápidos de bajo consumo de energía junto con las conexiones ópticas de alta velocidad deberían dar lugar a la máquina zetaflop: 10²¹ cálculos por segundo, el equivalente a un trillón de PCs de hoy en día. Este será un punto de inflexión en nuestra capacidad predictiva, permitiéndonos modelar los efectos de los nuevos medicamentos en el cuerpo humano, la respuesta de las sociedades al cambio climático, o cómo las galaxias en colisión dan a luz a nuevos sistemas solares.

La red semántica

Mi computadora me entiende.

Las búsquedas en Internet tienen sus límites. Escriba en un buscador una pregunta como “¿Cuántas mujeres ganaron más de un premio Nobel?” y encontrará la respuesta, pero solamente después de cliquear aquí y allá y de leer un poco.

Esto se debe a que los buscadores no saben lo que significan las palabras. En términos simples, clasifican las páginas web según la cantidad de veces que aparece la palabra consultada en ellas y cuántos sitios populares las enlazan. Los buscadores no saben que el Nobel es un premio y que los humanos pueden ganar premios.

Los "metadatos" semánticos que ahora se vierten en la Web les ayudarán a saberlo. El autor de una página web puede etiquetar el término "premio Nobel" con un enlace a una base de datos legible para una máquina, como Dbpedia.org. Allí, "Premio Nobel" podría estar vinculado con una serie de nombres, cada uno asociado a un género. Si acoplamos esta base de datos a un motor de búsqueda que tenga una comprensión básica de la estructura de la oración humana, la búsqueda en la Web puede comenzar a arrojar no solamente páginas, sino también respuestas.

Por ejemplo: "Una: Marie Curie".

Lifelogging (registro vital)

Inmortalidad digital ahora.

En 1945, el ingeniero estadounidense Vannevar Bush presentó la idea del memex de una persona —"un suplemento ampliado de su memoria"— que podría almacenar, buscar y recuperar toda una vida de libros, registros y comunicaciones. Cincuenta años más tarde, Bill Gates escribió que "algún día las computadoras almacenarán todo lo que una persona ha visto y oído".

Ese día ya está aquí. Desde el año 2001, Jim Gemmell y yo hemos investigado muchos aspectos del lifelogging, almacenando cartas, documentos, fotos, videos y grabaciones de voz relacionados con mi vida en una base de datos donde se pueden hacer búsquedas. Las memorias de almacenamiento de terabytes, junto con las cámaras digitales, biosensores y GPS, permiten que ahora podamos registrar todo lo referente a una persona en tiempo real, desde su localización a los detalles de su estado físico, como gasto energético, ritmo cardíaco y niveles de estrés.

¿Visión utópica o pesadilla distópica? Eso va a depender de las leyes y normas que establezcamos respecto a la privacidad. ¿Qué derechos tenemos, por ejemplo, para grabar nuestras interacciones con los demás? Pero el beneficio potencial del lifelogging es inmenso. En 2009, investigadores del Reino Unido demostraron cómo el lifelogging con una cámara de lapso de tiempo puede ayudar a recuperar el control de sus vidas a personas que sufren de pérdida de la memoria (Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, DOI: 10.1136/jnnp.2008.164251).

Para las Ciencias Sociales, el lifelogging masivo representará una inundación de datos sin precedentes que podría mejorar nuestra comprensión del comportamiento humano. Para cada uno de nosotros, puede ser la oportunidad de conseguir un poco de inmortalidad limitada.

Software verificado

Mi computadora no me va a fallar.

Las fallas del navegador son molestas, pero en lo que se refiere al mal funcionamiento del software, sus consecuencias son leves. Con el piloto automático de un avión o la sala de control de una central nuclear es otra cosa. Nuestra vida se va saturando de ordenadores, ¿cómo podemos saber que no se producirá un error? En la actualidad, probamos sistemáticamente todos los escenarios posibles en los que se podría producir un error. Lo lógico sería que estuviéramos más seguros. Un programa de computación es una secuencia de instrucciones y comandos que, en última instancia, se reducen a la lógica. La lógica se puede reducir a teoremas matemáticos que se pueden probar con un grado de certeza inalcanzable de otro modo.

Las técnicas matemáticas para comprobar el software utilizando la lógica formal existen desde la década de 1960, pero las computadoras más rápidas, los mejores algoritmos y los programas de control inteligente de teoremas están haciendo ahora que el "software verificado" sea comercialmente viable. Los programas sin fisuras lógicas también son menos vulnerables a los ataques maliciosos, por lo que esta innovación nos podría dejar a todos más tranquilos.

Nanotecnología

La mecánica cuántica se volverá mecánica y su computadora correrá sobre nudos fantasma, espintrónica, o tal vez incluso sobre luz ralentizada.

Optomecánica cuántica

Explorando el límite cuántico clásico.

En el corazón de la física moderna se encuentra un círculo que debe ser cuadratizado. Los experimentos nos dicen una y otra vez que, en lo fundamental, el mundo trabaja de acuerdo a las leyes contraintuitivas de la mecánica cuántica. Sin embargo, el mundo macroscópico en el que vivimos parece sólidamente clásico. La optomecánica cuántica podría ayudarnos a resolver esta paradoja. Utiliza la presión de los fotones confinados, las partículas cuánticas de la luz, para manipular las propiedades de los objetos mecánicos que van desde la nanoescala a la macroescala.

Experimentos recientes han demostrado, por ejemplo, cómo el enfriamiento por láser —una técnica inventada inicialmente para enfriar nubes de átomos— se puede utilizar para reducir las vibraciones de pequeños dispositivos mecánicos. Esto abre la fascinante perspectiva de resonadores mecánicos que operen a temperaturas frías, en las que los efectos cuánticos entran en juego.

Estos resonadores cuánticos tendrían aplicaciones en la detección, la metrología y el procesamiento de la información cuántica, pero lo que me parece más interesante es la posibilidad de que un objeto visible a simple vista se pueda poner en una superposición cuántica entre dos localizaciones separadas, por lo que estaría al mismo tiempo aquí y allá. Comprobar las predicciones de la teoría cuántica en un sistema completamente nuevo en cuanto a tamaño y masa, aportará ideas originales para saber dónde está el límite entre el mundo clásico y el cuántico, y quizás también para abordar la gran empresa inconclusa de unificar la física cuántica con la gravedad.

Luz lenta

Disminuyendo el límite de velocidad.

Se puede hacer que la luz, el objeto más rápido del Cosmos, disminuya su velocidad a un ritmo de marcha, o incluso que se detenga en seco. ¿Quién lo hubiera pensado?

En realidad, se trata de un truco: no es la luz la que se hace más lenta o se detiene, sino la información que transporta. Si enviamos un pulso de luz de energía sintonizada a un enjambre de átomos súper-enfriados, conocido como condensado de Bose-Einstein, el pulso entra en resonancia con el condensado, permitiendo que la información se transfiera de la luz a los átomos. Después, un segundo pulso láser puede sacar la información de los átomos y transportarla.

Esta es una buena noticia. Si somos capaces de dominar los detalles más complicados de la técnica, la capacidad de almacenar datos transmitidos por la luz durante un tiempo indefinido podría marcar el comienzo de la era de las computadoras ópticas súper rápidas, que acabarían con los pesados componentes de silicio.

Aisladores topológicos

Un nuevo giro en la electrónica.

Para después de la electrónica tenemos la espintrónica, en la que, en lugar de corrientes de electrones, son los espines de los electrones individuales los que transportan la información y controlan a los dispositivos.

Todavía hay algunos obstáculos en el camino. Uno de ellos es que el espín es un efecto magnético, pero en la pequeña escala de, por ejemplo, un chip de computadora, nosotros sólo sabemos manipular campos eléctricos.

Ahí es donde entran los aisladores topológicos, una nueva clase de material que sólo se postuló en 2005. Los efectos de la mecánica cuántica dentro de ellos permiten que los espines de los electrones en su superficie sean controlados directamente por campos eléctricos.

El resultado es una "autopista electrónica" a lo largo de la cual los electrones fluyen en "carriles" de una sola dirección de acuerdo a su espín. Las colisiones son suprimidas y las cosas funcionan en conjunto en forma más elegante que en los chips de silicio convencionales, porque no se calientan tanto como los chips de alto consumo de energía que usamos hoy. Si la técnica se pudiera ampliar, daría como resultado dispositivos espintrónicos más frescos y más rápidos para todos.

Anyones

¿El impulso que necesita la computación cuántica?

Algunas tribus humanas han estado codificando números en nudos durante milenios. La tribu conocida como “los físicos” ha descubierto recientemente que las partículas cuánticas pueden codificar números también. Ahora ataron las dos ideas y usan las complicadas trayectorias de las partículas para representar bits de información.

El estudio de los nudos se conoce como topología, y la computación cuántica topológica podría crear una revolución en el procesamiento de los datos numéricos. Las partículas en cuestión no son electrones o átomos comunes, sino anyones no Abelianos, entidades fantasma que sólo existen como producto del movimiento de otras cosas. Si desea ver el ojo de una tormenta, primero necesita una tormenta; si desea anyones no Abelianos, primero tiene que crear y controlar los movimientos particulares de los electrones en delgadísimos cristales bidimensionales.

Todavía es un problema complicado pero el éxito nos puede llevar a aprovechar finalmente el inmenso poder de la computación cuántica.

Monopolos magnéticos

El eslabón perdido del electromagnetismo.

Si usted quiebra un imán por la mitad, al igual que la escoba en El Aprendiz de Brujo de Disney, obtendrá dos nuevos imanes, cada uno con dos polos. ¿Podría tener alguna vez un imán con un solo polo, un monopolo?

Sí, dicen los físicos. Los imanes están descritos en la teoría del electromagnetismo. El lado "electro" involucra fuerzas de atracción y de repulsión y cargas positivas y negativas separadas, por lo que la simetría exige que las fuerzas de atracción y repulsión del magnetismo también deberían ir acompañadas por polos separados. Es más, la mejor teoría que describe los primeros momentos del Universo requiere de la existencia de monopolos.

Así que durante los últimos 80 años hemos estado rastrillando ambientes tan diversos como el polvo de la luna, los rayos cósmicos y los escombros de las colisiones en los aceleradores de partículas para encontrarlos. Recién empezamos a ver algo que se ajusta a su descripción en cristales altamente especializados conocidos como “espines de hielo”. Pero la pregunta sigue siendo si alguna vez encontraremos un monopolo en la naturaleza.

Cosmología

¿Está preparado para la realidad oculta que nos promete la supersimetría? ¿O para la evolución de la mecánica cuántica? ¿Qué tal un agujero negro en el galpón de las herramientas?

Supersimetría

La ventana a una nueva realidad.

El modelo estándar de la física de partículas es, al mismo tiempo, ampliamente exitoso y manifiestamente incompleto. Cuando consideramos qué podría extender y profundizar nuestra comprensión acerca de las obras más básicas de la naturaleza, hay una sola respuesta: la supersimetría.

La supersimetría es como una droga maravillosa. Ayuda a unificar las diversas interacciones fundamentales de la naturaleza. Desempeña un papel esencial en las teorías cuánticas de la gravedad basadas en la teoría de las cuerdas. Incluso podría explicar de qué está hecha la materia oscura que llena el universo.

En el fondo hay una idea simple: que todas las partículas conocidas tienen una "superpartícula" más pesada asociada, con un espín cuántico diferente. Las partículas y las superpartículas están ligadas matemáticamente a través de un "superespacio" cuyas dimensiones —y aquí es donde las cosas se vuelven un poco difíciles de imaginar— son las raíces cuadradas de las dimensiones de nuestro espacio normal.

La física, la tecnología e incluso la filosofía se revolucionaron cuando la teoría de la relatividad de Einstein nos enseñó a considerar al tiempo como una cuarta dimensión. ¿Podría ser tan revolucionaria la idea de que las dimensiones conocidas del espacio-tiempo tienen raíces cuadradas? El Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra, Suiza, está buscando los primeros vestigios de la supersimetría, así que pronto vamos a averiguarlo.

Correspondencia AdS / CFT

Superconductores de agujeros negros.

De todas las cosas de la física, los agujeros negros tienen probablemente el mayor atractivo. Alucinantemente extremos, abundan en el universo. De hecho, es probable que haya uno en algún laboratorio cerca suyo, aunque necesitará de una de las ideas más extrañas de la física reciente para notarlo.

Se trata de la pomposamente titulada “anti-de-Sitter/conformal field theory correspondence" (correspondencia anti-de-Sitter/teoría conformal de campos), o ADS / CFT, para abreviar. Un derivado de la teoría de cuerdas que dice que los objetos gravitacionales como los agujeros negros son codificados de manera muy precisa, aunque indirecta, en las propiedades de la exótica materia cuántica investigada en los laboratorios de física de todo el mundo.

¿Por qué este tema? Porque mientras que la materia cuántica es en gran parte un misterio incluso para los iniciados, tenemos un conjunto muy amplio de herramientas para hacer frente a los agujeros negros y similares. Con la correspondencia AdS / CFT, podemos utilizar a los agujeros negros para explicar la materia cuántica.

Esto nos podría permitir, por ejemplo, descifrar el enigma de veinticuatro años de antigüedad de los superconductores de alta temperatura, materiales cuyo funcionamiento cuántico les permiten conducir la electricidad sin resistencia a temperaturas muy por encima del cero absoluto. Si podemos hacer realidad el sueño de la superconductividad a temperatura ambiente nos veremos obligados a reescribir los términos del debate sobre la energía.

La aspiración más grande de los físicos, sin embargo, es que la correspondencia AdS / CFT pueda llevarnos en otra dirección: ¿podrían dirigirse los experimentos sobre la materia cuántica para obtener una comprensión más profunda de la gravedad y, tal vez, una teoría de la gravedad cuántica capaz de unificar a toda la física? Esta promesa me cautiva a mí y a muchos otros.

La gravedad de Horava

El fin del espacio-tiempo

Desde que Einstein publicó su teoría general de la relatividad en 1915, el espacio y el tiempo fueron uno: el espacio-tiempo. Casi un siglo después, podrían divorciarse.

La relatividad general proporciona una explicación para la fuerza que llamamos gravedad. Pero no es una teoría cuántica, a diferencia de las teorías que describen las otras tres fuerzas de la naturaleza. El año pasado, sin embargo, el físico checo Petr Horava calculó que al permitir que el espacio y el tiempo cambiaran en forma independiente uno del otro, la gravedad se vuelve susceptible a los avances de la teoría cuántica.

El matrimonio entre la teoría de la relatividad y la teoría cuántica representaría el máximo avance de la física, una "teoría del todo" para responder a preguntas tales como qué sucedió en el Big Bang, cuando volúmenes microscópicos se unieron a una gravedad intensa. Propuestas más complejas, como la teoría de las cuerdas, persiguen el mismo objetivo, y tampoco han sido verificadas experimentalmente. Sólo el tiempo dirá cuál es el enfoque correcto.

Darwinismo cuántico

El más fuerte de todos los mundos posibles.

Han engañado a las mejores mentes desde la creación de la teoría cuántica. Las cosas cuánticas pueden existir en varios lugares al mismo tiempo, o girar a la derecha y, al mismo tiempo, a la izquierda. Pero cuando hacemos una medición, siempre obtenemos una sola respuesta. ¿Por qué?

Tal vez debido a una especie de lucha darwiniana por la supervivencia: los estados cuánticos compiten entre sí por nuestra atención, y sólo vemos al "más apto", que es el que más influye sobre su entorno.

Los experimentos que este año sondearon conjuntos minúsculos de electrones retenidos en puntos cuánticos parecen confirmar algunas predicciones de este "darwinismo cuántico" (Physical Review Letters, vol 104, p 176801). Si la idea es correcta, se confirmarían nuestras sospechas de que los experimentos sólo pueden probar el impacto de un sistema cuántico sobre su entorno, no al propio sistema.

Teoría de la matriz aleatoria

No todas las aleatoriedades son iguales.

La aleatoriedad a menudo no parece aleatoria. En una lotería como la Lotería Nacional del Reino Unido, en la que seis bolas son extraídas de entre 49, los números se agrupan: la mitad de los posibles dibujos contiene dos números consecutivos.

Esta es la aleatoriedad tradicional. Sin embargo, una nueva forma no aglutinada de aleatoriedad parece estar asomando en todos los datos referentes a las matemáticas y a las ciencias, una curiosidad matemática llamada teoría de la matriz aleatoria.

Una matriz es un conjunto rectangular de números que puede utilizarse para codificar las transformaciones espaciales. El estiramiento o la contracción producidos por una matriz en direcciones claves del espacio están dados por el "valor propio" de la matriz. Las matrices aleatorias son matrices llenas de números elegidos al azar, y son los patrones de sus valores propios —que se distribuyen al azar, pero sin aglutinarse— los que ahora estamos viendo por todas partes.

Estos patrones aparecen en la distribución de los niveles de energía de los núcleos de elementos pesados como el uranio, en la distribución de los valores cero de la "función zeta de Riemann", que determina cómo se distribuyen los números primos, e incluso en los tiempos de arribo de los autobuses a un pueblo de México, donde los conductores deciden sus propios horarios. Investigar por qué será un objetivo nuevo y fructífero para las matemáticas y la ciencia.

Ingeniería

Vamos a transportar rocas de Marte, un telescopio del tamaño de un continente mirará hacia atrás a las edades oscuras del universo, y vamos a hacer un modelo de todas las personas vivas.

El Square Kilometre Array

Sondeando el universo oscuro.

Hay una parte del universo donde los telescopios convencionales no llegan. Para ver lo que sucedía en tiempos lejanos, en la "edad oscura" antes de que se formaran las estrellas y las galaxias, necesitamos un instrumento como nunca antes se ha visto. El Square Kilometre Array (SKA) estará formado por miles de radiotelescopios repartidos en un continente —en 2012 se decidirá si será en Australasia o en el sur de África— que actuarán en conjunto para producir el equivalente de un plato único, gigantesco, de un kilómetro cuadrado de tamaño.

El SKA reconocerá las ondas de radio emitidas por átomos de hidrógeno ultra-distantes y trazará su desaparición a medida que los átomos sean desmembrados por la luz ionizante de los primeros objetos celestes. Nos ayudará a precisar las propiedades de nuestro universo en aparente aceleración, probará la relatividad general alrededor de los agujeros negros, e investigará el origen de los campos magnéticos cósmicos. En resumen, abrirá nuestros ojos para el cosmos invisible.

Rocas marcianas

En busca del Planeta Rojo.

Las rocas lunares traídas a la Tierra por las misiones Apolo en las décadas de 1960 y 1970 representan un material casi inalterado de los primeros días del Sistema Solar. Son los cimientos de nuestras teorías sobre la formación planetaria.

Sería ideal traer piedras de otros lugares para verificar estas teorías. Las sondas han hecho algunos análisis químicos in situ en la fuente más obvia, Marte, pero una batería completa de pruebas significaría traer un pedazo del Planeta Rojo hasta aquí.

Las muestras también nos hablarían sobre el desarrollo del propio Marte. ¿Qué tan extensa fue su actividad volcánica temprana? ¿Alguna vez estuvo cubierto por un océano? Si la vida comenzó en Marte ¿las rocas muestran cómo sucedió?

Las respuestas vendrán en el futuro, si vienen. La Academia Nacional de Ciencias de los EE.UU. está actualmente sopesando una misión a Marte para recoger muestras en contra de una misión a Júpiter. Incluso si la misión a Marte resulta seleccionada, podrían pasar 15 años o más antes de la partida, suponiendo que la tecnología —para despegar eludiendo el fuerte campo gravitacional de Marte, por ejemplo— esté lista para ese entonces.

Transmutación nuclear

Residuos bombardeados.

Los reactores nucleares proporcionan alrededor del 14 por ciento de la electricidad del mundo. También generan 12.000 toneladas de residuos cada año, algunos de los cuales se mantendrán peligrosamente radiactivos durante milenios. El plan actual para manejar este legado tóxico es confinar los residuos en depósitos subterráneos sellados y poner un cartel que diga "Manténgase alejado" para advertir a las futuras generaciones.

Hay otra forma de tratar los residuos, inspirada en las reacciones radiactivas que forjan metales pesados en una supernova: bombardear el combustible usado con neutrones. Los isótopos radiactivos peligrosos absorben los neutrones, se vuelven inestables y se convierten en un elemento un poco menos problemático.

Las formas más nocivas de plutonio, uranio y otros actínidos pueden requerir cientos de miles de años para convertirse en sustancias inofensivas, pero la "transmutación nuclear" puede reducir ese período a 500 años. Los experimentos en Europa y en Japón pondrán a prueba esta idea en los próximos años. Si los proyectos a escala industrial pueden limpiar los residuos nucleares de alto nivel correctamente, muchos más países le dirán "Sí, por favor" a la energía atómica.

Modelado basado en agentes

Es un mundo humano, después de todo.

¿Cómo se puede modelar la evolución de un sistema solar? Simple, en teoría: se programa una computadora con las ecuaciones que describen los movimientos planetarios y algunas cifras relevantes, como la masa de cada planeta o asteroide, y pronto tenemos una imagen del sistema solar dentro de mil millones de años.

En la práctica, los miles de objetos que tiene un sistema solar hacen que las cosas no sean tan sencillas. Imagínese, entonces, la dificultad de hacer una simulación de las interacciones humanas, en las que el número de jugadores es mucho mayor, y sus comportamientos son más difíciles de describir a través de unas pocas ecuaciones.

El modelado basado en agentes evita estas dificultades. "Agentes" similares a partículas interactúan de acuerdo a reglas simples y globales, mientras que otras reglas adaptativas adicionales permiten que su comportamiento cambie en respuesta a las interacciones anteriores. Las complejas conductas del mundo real, que se derivan de millones de inescrutables procesos individuales de toma de decisiones, surgen a menudo rápidamente.

Se trata de una poderosa herramienta para lidiar con temas difíciles, tales como los orígenes de las congestiones de tráfico, las epidemias y las crisis financieras. Ahora están en marcha ambiciosos planes para crear un modelo con 10 mil millones de agentes que pueda simular el desarrollo de toda la población del planeta.

Nanogeneradores

La energía de la gente.

La idea es bastante simple: poner cristales piezoeléctricos en las suelas de sus zapatos. Estos generan electricidad cuando se comprimen, por lo que cada paso origina una pequeña corriente. Canalícela correctamente y podrá cargar su teléfono celular mientras sigue con su rutina diaria. Hasta ahora, los cables de óxido de zinc de nanómetros de espesor son los que tienen el mejor desempeño piezoeléctrico. Pueden generar cerca de 200 milivatios por centímetro cúbico (Nature Nanotechnology, t. 5, p. 366 ). Los dispositivos son tan pequeños que sólo generan nanovatios, pero los que saben dicen que vamos a estar en el rango comercialmente viable de milivatios dentro de cinco años. Los beneficios tampoco son tan superficiales como la carga del teléfono celular. Con el tiempo los generadores de energía impulsados por la gente podrían alimentar implantes médicos que proporcionen una dosis de medicamentos o que mantengan el corazón funcionando.

Fuente: NewScientist. Aportado por Silvia Angiola

Autores de los artículos:
Andre Geim: Andre Geim es co-ganador del Premio Nobel de Física 2010. Trabaja en la Universidad de Manchester, Reino Unido.
Duncan Watts: Duncan Watts dirige el grupo de Dinámicas Sociales Humanas de Yahoo! Research, en Nueva York, y es autor del libro Todo es obvio (una vez que sabes la respuesta). (Corona, 2011).
Gordon Bell: Gordon Bell es un científico en computación del Microsoft Research de Redmond, Washington.
Markus Aspelmeyer: Markus Aspelmeyer investiga los fundamentos de la física cuántica en la Universidad de Viena, Austria.
Jan Zaanen: Jan Zaanen es profesor de Física Teórica de la Materia Condensada en la Universidad de Leiden, Países Bajos.