Física 2019

Primera "foto" d’un forat negre

El 10 d’abril de 2019 passarà a la història com el dia que vam veure per primera vegada un forat negre, la notícia de l’any en física. Concretament, s’ha aconseguit una imatge de l’horitzó dels esdeveniments del forat negre supermassiu al centre de la galàxia M87, anomenat M87*.

Tot i que aquest forat negre és tan gran (ell sol té la mida de tot el nostre sistema solar) i tan massiu (6.500 milions de vegades la massa del nostre sol), per tal de veure’l s'ha necessitat una autèntica demostració d'enginy tecnològic per l’enorme distància que ens en separa (55 milions d’anys llum). De fet, la imatge és fruit de la reconstrucció de les imatges capturades per una xarxa de vuit telescopis distribuïts per tota la Terra durant cinc nits l’abril del 2017. La quantitat de dades recollida va ser més gran que la que es recull al Centre Europeu per a la Recerca Nuclear (CERN) en un any, i per poder-les analitzar, va caldre traslladar-les en discs durs –que pesaven mitja tona–, ja que era inviable de transferir-les per internet. Quatre equips, amb un total de dos centenars de científics, les van analitzar independentment, i tots van arribar a reconstruir una imatge similar: la que va omplir internet el dia 10 d’abril.

Des del punt de vista científic, aquesta imatge mostra la radiació emesa pel disc d’acreció de M87*, mentre que el cercle negre central és on es troba l’horitzó dels esdeveniments, és a dir, l’esfera al voltant del forat negre de la qual ni la llum pot escapar. Aquesta imatge, que es pot considerar legítimament la primera foto d’un forat negre, confirma diverses prediccions teòriques, com ara la perfecta esfericitat de l’horitzó dels esdeveniments o la curvatura de la llum al seu voltant. Per exemple, la teoria preveu amb detall l’asimetria en la brillantor als dos costats, ja que el costat del disc d’acreció que es desplaça cap a nosaltres és més brillant i el costat que se’ns allunya ho és menys.

Un cop s’ha demostrat que és possible de generar aquest tipus d’imatges, en el futur s’esperen millores en el sistema de captació de dades de l'Event Horizon Telescope (EHT). En particular, per evitar la continuïtat de la visió des de l’hemisferi sud, s’està instal·lant un nou telescopi a Namíbia. L’objectiu és obtenir més detall del disc d’acreció, i així poder comparar diversos models físics sobre la seva dinàmica.

L’EHT també està treballant per a obtenir imatges del forat negre al centre de la Via Làctia, denominat Sagitari A*. Malgrat que aquest és molt més proper a nosaltres, és 1.000 vegades menys lluminós, cosa que dificulta observar-lo. Aquest any 2019 l'EHT ja va prendre dades i s’espera que les publiquin els pròxims mesos.

Supremacia computacional quàntica

Pel que fa a la física quàntica, la notícia més destacada de l’any va ser el resultat obtingut pels investigadors de Google. El mes d’octubre van publicar a la revista Nature que havien aconseguit completar un càlcul amb 53 qbits superconductors del seu processador quàntic, anomenat Sycamore. Malgrat que el dispositiu en si mateix és notablement imperfecte i comet molts errors en cada càlcul, els investigadors van poder completar un milió d’estimacions de la probabilitat de distribució quàntica esperada en uns 200 segons. D’altra banda, van estimar que completar el càlcul amb un superordinador clàssic actual requeriria uns 10.000 anys. És per aquesta impressionant acceleració del càlcul que Google reivindica haver assolit la supremacia computacional esperada amb un ordinador quàntic respecte dels ordinadors actuals.

Es tracta d’un èxit molt notable, en primer lloc des d’un punt de vista tecnològic més que no pas de frontera de coneixement. Aquest resultat confirma la versemblança de construir ordinadors que aprofitin les lleis de la física quàntica per a completar càlculs de manera molt més ràpida. Tanmateix, el càlcul dut a terme aquest any 2019 amb el processador Sycamore no té cap utilitat genuïna. Investigadors a la frontera del camp, com ara Chris Monroe, de la Universitat de Maryland, i l’empresa ionQ van estimar que encara caldrà esperar entre 5 i 10 anys per a tenir els primers càlculs quàntics realment útils, els quals seran probablement en el camp de la química. En un futur, s’espera que ordinadors quàntics més potents (amb més qbits i menys errors) ajudin a entendre l’estructura de proteïnes i així s'accelerarà la producció de nous medicaments. També podran ajudar a entendre el comportament de materials i guiaran la creació de nous materials amb propietats a la carta.

Un trio de supersòlids

Chester i Leggett van especular l’any 1970 si un sistema de bosons podia formar una estranya fase de la matèria, que seria sòlida i superfluida a la vegada. Aquestes especulacions van donar lloc a dècades de recerques infructuoses, i sovint polèmiques, amb heli-4 i més recentment amb gasos ultrafreds d’àtoms alcalins –una recerca que sembla que es pot donar finalment per acabada. Aquest any 2019, tres grups independents (un basat a Innsbruck, Àustria, un a Florència, i un a Stuttgart, Alemanya) van publicar de manera simultània resultats experimentals compatibles amb les propietats d’un supersòlid. Els experiments han utilitzat gasos ultrafreds d’àtoms lantànids (disprosi i erbi) i mostren com la competició entre interaccions repulsives de curt abast amb forces atractives de llarg abast (relacionades amb el gran moment magnètic d’aquest àtoms) donen lloc a l’estabilització d’una fase, en què el gas es divideix en grumolls amb una separació periòdica. Aquesta estructura periòdica és el que dona lloc al caràcter cristal·lí, o sòlid, de la fase, mentre que cada grumoll, que està format per centenars o milers d’àtoms, es comporta com un superfluid. Els investigadors han pogut demostrar que tots els grumolls tenen la mateixa fase, de manera que el caràcter superfluid s’estén per tot el sistema, fet que confirma les dues propietats requerides.

Aquest resultat apunta novament a les possibilitats que ofereixen els nous sistemes anomenats simuladors quàntics per a crear fases artificials de la matèria, cosa que ens ha de permetre una millor comprensió dels nostres models teòrics i com es relacionen amb materials reals.

En la mateixa direcció, cal mencionar l’assoliment per primera vegada d’un gas de Fermi degenerat amb molècules polars per investigadors del JILA/Universitat de Colorado. El caràcter polar d’aquestes molècules, formades per un àtom de potassi i un de rubidi, fa que siguin sensibles a camps elèctrics, així com a interaccions dipolars de llarg abast. Amb properes millores en el refredament i el control quàntic d’aquests gasos moleculars s’espera que es podran crear noves fases exòtiques, fins i tot amb ordre topològic, que podrien ser útils per a l’emmagatzematge i el processament d’informació quàntica.

La taula periòdica dels nuclis creix

En el món de la física nuclear, investigadors de laboratori RIKEN de Japó van mesurar el límit d’estabilitat dels elements fluor i neó, és a dir, en quin moment no es poden afegir més neutrons als nuclis amb 19 o 20 protons. Per primera vegada en vint anys, s’ha redefinit aquesta frontera en la taula periòdica dels núclids (en anglès, nuclear chart).

Establir l’estabilitat d’un nucli amb càlculs de primers principis és molt complicat, així que aquests experiments són fonamentals per a entendre millor la naturalesa de les forces nuclears, que té implicacions des de tecnològiques, en el marc de l’energia nuclear, fins a l’estructura i dinàmica d’estels de neutrons o explosions de supernoves.

Premis i comiats

El 2019 el premi Nobel de física va ser atorgat a James Peebles, per "contribucions a la comprensió de l’evolució de l’univers i el lloc que hi ocupa la Terra" i a Michel Mayor i Didier Queloz pel descobriment del primer exoplaneta.

Peebles ha tingut un paper clau en la formalització del model estàndard de la cosmologia. Als anys seixanta va desenvolupar la teoria del big-bang, fent previsions sobre la radiació de fons de microones. També va contribuir a la teoria de la nucleosíntesi, que explica com s’han format tots els elements químics que observem a l’univers. Des dels anys vuitanta, Peebles ha contribuït també a la formulació de la teoria de la matèria fosca i l’energia fosca per a explicar l’expansió accelerada de l’univers.

Per altra banda, Mayor i Queloz van descobrir el primer planeta que orbita un estel diferent del Sol. Es tracta de 51 Pegasus b, un gegant amb una massa aproximada semblant a la meitat de Júpiter, fet que va obrir un camí que ens ha dut a observar ja més de 4.000 exoplanetes. Des del punt de vista científic, que aquest exoplaneta orbiti el seu sol a una distància que és només 1/20 de la distància mitjana Terra-Sol ha forçat a replantejar el que es pensava sobre la formació planetària, un camp de recerca de gran activitat actual.

Finalment, alguns investigadors notables ens van deixar el 2019. El 6 d’abril va morir David J. Thouless, premi Nobel de física 2016 pels seus treballs sobre transicions de fase topològiques, incloent-hi la transició de Kosterlitz-Thouless en sistemes bidimensionals, així com la formulació de la quantització de la conductància Hall en termes de l’invariant TKNN. El 24 de maig va traspassar Murray Gell-Mann, premi Nobel de física 1969 i figura capital de la física nuclear i de partícules; va fer contribucions a la teoria de la interacció forta i feble i va postular l’existència de quarks (als quals va donar aquest nom). Finalment, el 27 de juliol va deixar-nos John Robert Schrieffer, que va rebre el premi Nobel de física 1972 com a codescobridor de la teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) de la superconductivitat.

Autor: Jordi Mur i Petit