¿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.

Empezamos con la próxima revolución en la biología, la vida y la Tierra: ideas como el origami de ADN, la super-evolución, los mapas cerebrales y el ultrasonido del planeta. Luego es el turno de la naturaleza en sus más pequeñas y grandes escalas. Desde nuevas formas de probar las peculiaridades del mundo cuántico a las tecnologías informáticas del futuro, a las teorías más recientes sobre el funcionamiento del cosmos, qué ideas, proyectos y tendencias están agitando el mundo de la física, del espacio y de la tecnología.

Algunas son golpes de genio, algunas, enfoques sutiles de viejos problemas, otras, formas radicalmente nuevas de hacer observaciones. Todas van a cambiar la ciencia más allá de lo que podemos imaginar.

La Tierra

Desde las extinciones en la historia de la vida a la muerte de los océanos, las ciencias de la Tierra tienen muchos Apocalipsis a la vista.

El evento Hangenberg

Revisando los antiguos ensayos de la Tierra.

La historia de la vida está llena de grandes revoluciones: florecimiento de la diversidad en una época, extinciones en masa en la siguiente. En esa escala, el evento Hangenberg, una extinción que ocurrió hace 359 millones años, al final del período Devónico, se considera un accidente menor. No más.

El final del Devónico fue un momento crucial para los vertebrados. Muchos linajes primitivos se extinguieron mientras los tiburones y los peces óseos se hacían dueños de las aguas, y los tetrápodos, los animales de cuatro patas que a la larga se convirtieron en dinosaurios y mamíferos, conquistaban la tierra.

Lo habíamos considerado como un cambio gradual, fogoneado por una serie de pulsos de extinción diseminados a lo largo de los 25 millones de años de canícula del Devónico. Pero ahora parece que estos pulsos fueron triviales en comparación con el evento Hangenberg, que casi acabó con las especies típicas del Devónico y despejó el escenario para un nuevo orden mundial.

No conocemos las causas de este desastre. Sin embargo, la reevaluación de su importancia muestra cómo los antiguos fósiles siguen siendo un campo fértil de nuevas ideas.

La muerte de los océanos

Adónde nos está llevando el cambio climático.

Mientras nos preocupamos por los efectos a corto plazo del cambio climático sobre los habitantes de la tierra como nosotros, el calentamiento global representa otra amenaza, más insidiosa, para los océanos del mundo. A través de los siglos, el calor de la atmósfera alterada se irá filtrando poco a poco en el mar. El agua caliente puede contener mucho menos oxígeno disuelto que el agua fría, por lo que gran parte de los peces y otras criaturas marinas podrían llegar a asfixiarse.

En los océanos ya existen "zonas muertas" sin oxígeno, incluyendo un área de miles de kilómetros cuadrados en el Golfo de México. Las simulaciones indican que el cambio climático podría aumentar la superficie de estas zonas siete veces en los próximos dos mil años.

En caso de que a usted no le preocupen los peces, las regiones privadas de oxígeno que ellos dejarían vacantes podrían ser colonizadas por bacterias productoras de óxido nitroso, un gas con un poderoso efecto invernadero. Trabajar sobre la posible extensión de estos procesos de retroalimentación y elaborar estrategias para luchar contra ellos será la mayor preocupación de los científicos del clima en los próximos años.

Observatorios oceánicos

Conectado en lo profundo.

Los océanos de la Tierra son regiones vastas e inexploradas llenas de preguntas sin respuesta. ¿Qué papel juegan en el cambio climático? ¿Cómo surgen los terremotos en las zonas de subducción bajo el mar, que representan el 90% de toda la energía sísmica liberada en el mundo? ¿Cómo es la vida sobre y debajo del fondo del mar?

La escasez de datos ha obstaculizado la posibilidad de responder estas y otras preguntas. Un nuevo proyecto podría cambiar este hecho. En lugar de confiar en el laborioso método tradicional de las expediciones en buques, la Iniciativa Observatorios Oceánicos apunta a conectar al océano. Su red de sensores, tendidos desde la superficie al fondo del mar frente a las costas de EE.UU. y, más lejos, en el Pacífico y en el Atlántico, transmitirá datos científicos y de video no sólo a los laboratorios sino también a las escuelas y a los hogares a través de Internet.

El trabajo se puso en marcha a fines del año pasado. Las interacciones continuas, en tiempo real, con el océano podrían ser el avance que necesitamos para explorar la última frontera de nuestro planeta.

Geoingeniería

Más intromisión ¿la solución para los males del planeta?

La geoingeniería es "la manipulación deliberada a gran escala del medio ambiente para contrarrestar el cambio climático", según la Real Society del Reino Unido. Se presenta en dos variantes principales: los enfoques que buscan reflejar la luz del sol de nuevo hacia el espacio, y los que tienen por objeto eliminar el dióxido de carbono del aire y almacenarlo bajo la tierra.

Respecto a la primera variante, inyectar aerosoles de sulfato que reflejen la luz del sol en la atmósfera superior es una opción relativamente económica, fácil y rápida. Gracias a las erupciones volcánicas, también sabemos que funciona. Pero sin una reducción de las emisiones en paralelo, un programa como este debería ser permanente, porque la temperatura podría aumentar drásticamente en caso de discontinuarse. También podría afectar al monzón asiático del que dependen miles de millones de personas para abastecer de lluvia a sus cosechas. Tales incógnitas hacen que sea difícil llegar a un acuerdo internacional sobre estas medidas.

En comparación, las ramificaciones políticas de las técnicas de captura y almacenamiento parecen leves. Pero estos son proyectos lejanos y costosos en comparación con la inyección de aerosoles, y llevaría mucho más tiempo notar los beneficios.

Estas dicotomías se sitúan en el corazón de la geoingeniería. La geoingeniería representa una frontera totalmente nueva en la relación entre la ciencia y la naturaleza. No hay que descartarla de plano, pero debemos reconocer que al final las objeciones sociales pueden ser más vinculantes que las tecnológicas. Ignoramos las lecciones de la energía nuclear y de los cultivos genéticamente modificados a costa de nuestro propio riesgo.

Ecología

Si usted piensa que la evolución trata solamente sobre cómo los individuos transmiten sus genes a su descendencia prepárese para una recomposición sustancial en la red de su vida... y de sus finanzas.

Cambio climático biogenético

La evolución hace evolucionar a la Tierra.

Si pudiéramos viajar quinientos o mil millones de años al pasado llegaríamos a un pasaje curioso de la historia de la Tierra. Al comienzo de éste, los modernos organismos eucariontes prosperaban pero sólo como células individuales. Al final, el mundo se parecía mucho a lo que es hoy en día, lleno de grandes plantas, animales invertebrados y peces.

Entre estos dos puntos, el registro geológico muestra que la Tierra osciló violentamente entre períodos de calor extremo y glaciaciones que cubrieron todo el planeta ("Tierra en bola de nieve"). La opinión tradicional era que procesos geológicos tales como las colisiones entre continentes condujeron a esta inestabilidad climática. Ahora, sin embargo, hay una creciente conciencia de que la evolución de la vida ha jugado un papel fundamental en los eventos climáticos.

¿Podría ser, por ejemplo, que las glaciaciones en bola de nieve se hayan producido por la evolución de las algas y esponjas multicelulares? Ambas podrían haberse alimentado del carbón con efecto invernadero de la atmósfera, reduciendo la capacidad del aire para mantener el calor, pero al morir, el carbón hubiera caído junto con estos organismos hasta el fondo del mar como sedimento.

¿Se salvó la Tierra de la muerte por congelamiento gracias a la invención del reciclamiento del carbón, a la evolución de criaturas con intestino? Es un hecho intrigante que las glaciaciones en bola de nieve se produjeran asiduamente antes de la evolución de los animales pero nunca después de la evolución del ano.

Estas preguntas no son caprichosas. Al tratar de entender nuestro propio impacto sobre el clima de la Tierra, nos brindan una nueva perspectiva acerca de la historia del planeta y del rol que juega la vida en él.

La trama de la vida

El árbol de Darwin arrancado.

Los genomas bacterianos, nos estamos enterando, son mosaicos. Los genes pueden venir de distintas fuentes, no solamente de un antecesor común: hasta la mitad de los genes pueden diferir entre dos cepas de la misma especie.

La transferencia "lateral" de genes es la culpable: en este proceso, el material genético de una bacteria pasa a otra, ya sea por expulsión al entorno y captación subsiguiente, o a través de algún virus, o de sexo bacteriano. La transferencia ocurre dentro y entre especies, e incluso entre representantes de los equivalentes bacterianos de filos y reinos. Una consecuencia es que no hay un patrón simple que defina las relaciones entre las especies microbianas. El árbol de la vida con sus ramas dividiéndose ordenadamente, una metáfora de la teoría de la evolución, ha sido arrancado.

Ahora sabemos que la comprensión del proceso evolutivo no depende de este "pensamiento en árbol". Es más, la nueva disciplina de la metogenómica, que se enfoca en las comunidades microbianas y las diferencias entre los genes funcionales que trabajan a este nivel, está reduciendo la necesidad de "pensar en especies". El resultado será una visión más nítida de las relaciones establecidas en la maraña de la vida.

Súper-evolución

Cambio para el bien común.

En el estudio de la evolución, el último medio siglo fue la era del reduccionismo, en la que todo se explicaba en términos de intereses individuales y genes egoístas. Ahora estamos entrando en la era del holismo, que reconoce cómo las colonias de insectos sociales, las sociedades humanas y por lo menos algunos ecosistemas multiespecie pueden responder como un único "superorganismo" a las presiones selectivas.

El punto de inflexión se produjo en la década de 1970, cuando la bióloga Lynn Margulis postuló que las células nucleadas complejas se originaron como asociaciones simbióticas de células bacterianas. Ahora se sabe que cada entidad reconocida como un organismo es en realidad un grupo altamente organizado de células individuales, por lo que es difícil negar que un conjunto de individuos pueda tener las propiedades de un organismo y evolucionar de manera concertada.

El proceso de selección de grupos a través del cual se produciría esta evolución parece haber sido rechazado autoritariamente durante la era del individualismo. Pero Darwin tenía razón: los comportamientos altruistas "por el bien del grupo" —sea el grupo una especie o un ecosistema— requieren un proceso de selección entre grupos para evolucionar, y tienden a ser socavados por la selección individual dentro de los grupos.

Lo que es nuevo es la idea de que la selección de nivel superior no siempre es vencida por la selección de nivel inferior, y de hecho, algunas veces gana. Ahora tenemos que seleccionar las implicancias de esta idea, que abarca desde el origen de la vida a la estructura de los ecosistemas, la naturaleza de la religión y la evolución biocultural humana.

Ecología financiera

Ingeniería del ecosistema económico.

La ecología es una materia joven y todavía en evolución. A medida que pasaba de una ciencia fundamentalmente descriptiva a una con un apoyo conceptual más firme, las nociones románticas del "equilibrio de la naturaleza" han dado lugar a una comprensión detallada de la forma en que las estructuras de las redes alimentarias permiten mantener la riqueza de los ecosistemas.

La economía puede aprender algo aquí. Las crisis bancarias recientes han dejado muy en claro que las cada vez más complejas estrategias de gestión del riesgo en cada una de las instituciones financieras no han sido acompañadas por una atención similar al riesgo que corre el sistema en su conjunto. Y, sin embargo, vagos mantras acerca de un equivalente económico del equilibrio natural —manos invisibles que producen un "equilibrio general" de manera eficiente si están libres de limitaciones regulatorias— se oyen aún de boca de muchos banqueros hinchados de bonos.

Las caricaturas matemáticas simples de "ecosistemas bancarios" proveen un nuevo enfoque. Capturan algunas de las dinámicas esenciales de las redes financieras interactuantes y tienen paralelos interesantes —y diferencias significativas— con el trabajo anterior sobre estabilidad y complejidad ecológica. Estos modelos se volverán más importantes a medida que intentemos avanzar hacia sistemas financieros diseñados contra el riesgo sistémico. Pero no será fácil cambiar las formas de pensar muy arraigadas.

Genética

Después del genoma, es hora de pasar a los siguientes niveles: el interactoma y el fenoma. Mientras tanto, aguarde la magia de la biotecnología y un torrente de titulares sobre el Parque Jurásico.

Un catálogo de la variación humana.

El mapa del genoma humano, completado en gran medida hace diez años, fue una hazaña notable. Pero si la genómica va a alcanzar su máximo potencial, por ejemplo, en la lucha contra las enfermedades, lo que necesitamos saber es cuánto varían las secuencias de ADN entre los individuos. Dentro de los próximos años tendríamos que lograrlo. El 1000 Genomes Project, un consorcio público-privado establecido en 2008, tiene como objetivo crear un mapa detallado de la variación genética humana. En junio de este año se completaron algunos proyectos piloto que involucraron a 885 personas, y se identificaron alrededor de 16 millones de variaciones del ADN, la mitad de ellas no identificadas previamente. Esto sugiere que puede haber unos 60 millones de variaciones por descubrir. El proyecto completo, el análisis de los genomas de 2500 personas de 27 poblaciones de todo el mundo, ya está en marcha. El conjunto creciente de datos está disponible en línea en http://www.1000genomes.org/page.php.

Paleogenética

Hasta hace poco, pensábamos que sería imposible descifrar el mapa genético de un organismo extinto. Sin embargo, en mayo de este año, un equipo internacional publicó el genoma completo de un Neandertal (Science, Vol. 328, p. 710). ¿Qué es lo que ha cambiado? Principalmente una más rápida y más económica secuenciación del ADN. Procesar miles o millones de secuencias a la vez ha permitido a los paleogenetistas reconstruir el ADN dañado y descartar las secciones degradadas. También pueden diferenciar el 5 por ciento de una muestra de fósiles que realmente pertenece a una especie antigua de la contaminación bacteriana posterior, haciendo coincidir el material con el ADN de una especie relacionada existente. En los últimos cinco años, se han obtenido los genomas de varias especies icónicas incluyendo un oso cavernario de 40.000 años de antigüedad, un mamut y ahora un hombre de Neandertal. ¿Para qué sirve todo esto? Nos puede proporcionar una gran cantidad de información acerca de nuestro propio árbol genealógico, para empezar. La idea de que las antiguas secuencias de ADN se podrían utilizar para revivir animales extinguidos hace mucho tiempo, al estilo Jurassic Park, es más fantasiosa, pero nunca se debe decir nunca.

Interactomas

Las proteínas y el ARN, las moléculas codificadas por los genes, rara vez actúan en forma aislada. Algunas proteínas se asocian con otras proteínas, ya sea para regularlas o para formar máquinas celulares más grandes. Otras realizan tareas específicas uniéndose a secuencias particulares de ADN o uniéndose a las moléculas de ARN. A lo largo del siglo XX, esta telaraña increíblemente densa de interacciones —apodada "interactoma" en alusión al genoma— se mantuvo impenetrable. En la última década, sin embargo, la información completa de la secuencia del genoma y las herramientas bioinformáticas cada vez más potentes nos han permitido generar y analizar mapas de los interactomas tanto en los seres humanos como en otros organismos modelo. Aunque todavía están lejos de ser completos, estos mapas están preparados como para servir de andamios a los nuevos modelos de funcionamiento celular. Dado que muchas enfermedades del ser humano pueden ser explicadas por perturbaciones de las interacciones moleculares dentro de las células, los interactomas cambiarán drásticamente nuestra forma de pensar acerca de la salud humana, y la forma de diseñar drogas y medidas preventivas para contrarrestar las enfermedades.

Fenomas

Si queremos comprender realmente el mundo de los seres vivos, el genoma no es suficiente. Tenemos que llegar a captar al "fenoma": la suma total de todos los rasgos, desde los genes a la conducta, que conforman un ser vivo. Si a usted le parece difícil, tiene razón. Piense en su propio fenoma. Hay rasgos evidentes, como el color de ojos, la estatura y los rasgos faciales. Luego hay cosas más intangibles, como su tasa metabólica, su personalidad, la susceptibilidad a la enfermedad de Alzheimer, y miles de millones de cosas más. Todas estas características surgieron de la interacción entre su genoma y el entorno a partir del momento en que usted fue concebido. Esta complejidad tal vez explique por qué no existe todavía ningún "Proyecto Fenoma Humano", aunque tal cosa se planteó por primera vez en 2003. Pero están surgiendo proyectos de menor escala, como la Mouse Phenome Database. Desde la medicina personalizada a la comprensión de la evolución, la ciencia será la beneficiaria.

El origami de ADN

Las cosas en la vida son pegajosas: si uno pone juntos los pares de bases de ADN correctos, se unirán como el velcro. Tome largas cadenas simples de ADN y agrégueles algunas cadenas sintéticas más cortas: las uniones entre los filamentos cortos pueden moldear a las cadenas largas en formas específicas y hacer que se mantengan juntas. Esta técnica del "origami de ADN" es una de las más prometedoras a la hora de crear moléculas que se auto-ensamblen en estructuras 3D. Se ha utilizado para fabricar una variedad asombrosa de objetos, desde ruedas dentadas a cajas 3D con un mecanismo de llave y cerradura. En última instancia, la esperanza es utilizar estas cajas para la entrega de medicamentos, y explotar el plegado y el desdoblamiento de las biomoléculas para fabricar componentes informáticos a nanoescala.

Neurociencia

Gracias a mejores imágenes del cerebro y mejores conocimientos biológicos, nos estamos aproximando a las neuronas de la conciencia y a las sutilezas de nuestra maquinaria mental.

 

El control cognitivo

Hacia el fundamento de la conciencia.

La pregunta "¿Qué es la conciencia?" representa una de las grandes fronteras de la ciencia contemporánea. Gracias a los estudios en seres humanos y animales, ahora sabemos que es un estado sutilmente matizado cuya naturaleza e intensidad varían según el nivel de actividad intrínseca del cerebro, su microclima químico y la información que recibe desde el exterior.

Mediante la utilización de las vicisitudes normales de vigilia, sueño y estados oníricos, ahora estamos comenzando a explorar cómo se expresa y se controla la conciencia. Por ejemplo, he estado involucrado en estudios que comparan la activación cerebral durante el sueño REM con la del estado de sueño lúcido, durante el cual mantenemos gran parte de la función ejecutiva del cerebro. Los mismos parecen confirmar la importancia central de una zona específica del cerebro frontal —la corteza prefrontal dorsolateral— en la regulación de muchos aspectos clave de la conciencia, incluyendo la atención, la toma de decisiones y la acción voluntaria.

Una combinación de técnicas de imágenes, mediciones juiciosas de la experiencia subjetiva y detallados estudios a nivel celular y molecular continuarán profundizando nuestra comprensión de nuestros centros de mando cognitivos en los próximos años. Con ellos pretendemos descifrar el enigma de la conciencia, y tal vez corregir los estados disfuncionales del cerebro que ahora llamamos enfermedad mental. Allan Hobson.

Allan Hobson es Profesor Emérito de Psiquiatría de la Escuela Médica de Harvard, en Cambridge, Massachusetts.

El conectoma

Mapas mentales.

Entender las rutas a través de las cuales las poblaciones de células cerebrales comparten información sería un paso importante hacia la comprensión de cómo funcionan nuestros cerebros. Sin embargo, aunque se pueden inferir conexiones individuales, no tenemos el diagrama del cableado básico del cerebro humano.

Esto no es sorprendente. El cerebro contiene aproximadamente 100 mil millones de neuronas y una sola neurona puede conectarse a otras 10.000. Sin embargo, las técnicas emergentes indican que estamos avanzando en esta tarea de proporciones enormes.

Usando microscopios electrónicos, por ejemplo, se pueden sondear los cerebros animales neurona por neurona, conexión por conexión, con la esperanza de descubrir los circuitos característicos que se repiten en todo el cerebro. Desde una perspectiva más amplia, las tecnologías de imágenes cerebrales pueden mapear las carreteras del cerebro, grandes "cables" que consisten en muchos miles de conexiones entre distintas regiones.

Los Institutos Nacionales de Salud de EE.UU. comenzaron a financiar un esfuerzo mayor, el Human Connectome Proyect, que tiene la finalidad de generar un mapa completo de las conexiones cerebrales a gran escala en los seres humanos. Siguiendo sus instrucciones, podríamos llegar a una mejor comprensión de cómo las regiones del cerebro interactúan para producir la conducta.

Las neuronas espejo

Posiblemente, la clave de cómo aprendemos y pensamos.

El dicho "mono ve, mono hace" no puede ser más cierto. Gracias a las neuronas "espejo" que se disparan no sólo cuando realizamos una acción nosotros mismos sino también cuando vemos a otros que la realizan, nuestros cerebros de primates inconscientemente imitan todos los comportamientos que alguna vez observamos.

Esa es la teoría, por lo menos. Las neuronas espejo se descubrieron en los macacos en la década de 1990, y las exploraciones del cerebro mediante resonancia magnética funcional habían sugerido que existen también en los seres humanos. Pero no fue hasta mayo de este año que los investigadores pudieron medir la descarga de las neuronas espejo directamente en los humanos, usando electrodos implantados en el cerebro de pacientes epilépticos a la espera de cirugía.

Aunque los defensores del poder de las neuronas espejo dicen que lo explican todo, desde la empatía y la compasión al gusto por la pornografía, su significado exacto sigue siendo controvertido. En los próximos años estaremos investigando qué es exactamente lo que pueden y no pueden explicar sobre la cognición humana.

Procesamiento de arriba-abajo

Nuestro pasado determina nuestro presente.

El ojo humano es una cámara que graba fielmente todo lo que desfila frente a nosotros, pasando la información a través del procesador visual del cerebro antes de que aparezca como una experiencia consciente.

Este proceso abajo-arriba es la visión de los libros de texto. En realidad, nos estamos dando cuenta de que nuestra experiencia está más cercana a una forma de realidad aumentada, en la cual nuestro cerebro redibuja lo que ve para que se adecue a nuestras expectativas y recuerdos.

Lo mismo pasa con nuestros otros sentidos y la sospecha creciente es que los dobleces en este sistema "arriba-abajo" pueden iluminar algunas enfermedades neurológicas como la esquizofrenia, el autismo o la dislexia. Suceda esto o no, es una idea que está cambiando radicalmente nuestro punto de vista de cómo nuestro pasado influencia nuestro aquí y ahora.

Reciclamiento neuronal

La cultura es un parásito.

La arquitectura de nuestro cerebro consume fácilmente la escritura, la religión y el arte. ¿Cómo adquirimos estos rasgos y habilidades culturales con tanta facilidad?

La respuesta estándar es que nuestros plásticos cerebros tienen una capacidad de aprender única, flexible y generalizada. Pero ¿es verdad? Después de todo, el cerebro humano no es homogéneo, sino que se organiza en áreas especializadas. Más aún, las imágenes cerebrales revelan que las habilidades como la lectura y las matemáticas tienen distintos "nichos neuronales", además de estar confinadas a circuitos cerebrales específicos.

Esta es una fuerte evidencia a favor de una idea conocida como reciclamiento neuronal: que nuestras habilidades culturales invadieron y parasitaron los circuitos cerebrales originalmente dedicados a funciones evolutivamente más antiguas aunque relacionadas. La lectura, por ejemplo, parece ocupar circuitos sensibles a las formas complejas y con buenas conexiones a las áreas encargadas del lenguaje. De ser esto correcto, fueron nuestros cerebros los que formaron a nuestra cultura, más que la cultura a nuestros cerebros. El ingenio humano no es infinito sino que está básicamente limitado por la arquitectura neuronal.

Nootrópicos

Alimentos para el pensamiento.

Usted tiene que archivar un informe muy largo y el reloj no se detiene. Si pudiera concentrarse, recodar hechos y figuras en forma más efectiva, o sólo sacarse de encima esa sensación de fatiga que tiene después de la noche de ayer.

Pronto podrá conseguirse un estímulo cerebral luego de una visita a la farmacia. Los psicoestimulantes como la Ritalina y el Adderall prescritos para el Trastorno por Déficit de Atención con Hiperactividad, y el Aricept, utilizado en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer, producen un aumento de la concentración y un incremento de la memoria en las personas sanas también.

Estas drogas no se consiguen actualmente sin receta pero algunos investigadores piensan que en el futuro se conseguirán. Multipliquemos este poder cerebral extra por los 7 millones de miembros de la raza humana, dicen, y los beneficios para la sociedad y en la búsqueda del conocimiento pronto empezarán a sumarse. Pero ¿queremos realmente convertirnos en una raza de súper-cerebros drogados? Alimento para pensar, en verdad.

Vida artificial

Células, enzimas, fotosíntesis, pronto estaremos rehaciendo la vida a nuestro modo. Por no hablar de los repuestos de partes de nuestro cuerpo, y de domesticar a la gripe de una vez por todas.

Células artificiales

Las membranas son la vida.

La naturaleza exacta de la primera célula, la precursora de toda la vida de hoy en día, sigue siendo un misterio. Es un enigma apasionante, pero reconstruir los acontecimientos que tuvieron lugar hace 4 mil millones de años no es tarea fácil.

Afortunadamente, hay mucho para aprender en la lucha por un objetivo más modesto, el de la construcción de células artificiales simples a partir de sus paredes. Las membranas primitivas hechas de ácidos grasos parecen tener todas las propiedades adecuadas, tales como permitir el crecimiento espontáneo y la división, o dejar que los nutrientes penetren en la célula.

¿Qué fue lo que produjo la transformación de estas membranas primitivas en las membranas modernas basadas en fosfolípidos más complejos? Una ARN primitivo podría haber catalizado la síntesis de fosfolípidos, pero ¿qué ventaja le transfirieron los fosfolípidos a las células primordiales?

La respuesta bien puede ser la primera pista para la avalancha de eventos que condujeron a la biología moderna. Si la podemos encontrar en las células artificiales, nos transportaremos a la aparición de la evolución darwiniana y a los orígenes de la vida tal como la conocemos.

Enzimas artificiales

Moléculas para todas las ocasiones.

Ya sea para un nuevo medicamento o para una célula solar, nos esforzamos constantemente en diseñar y construir nuevas moléculas. Construirlas es una cosa, hacerlas lo suficientemente eficientes como para la producción comercial es otra muy distinta. Si tan sólo pudiéramos tener una hoja del libro de la naturaleza, que utiliza enzimas altamente especializadas como catalizadores para "batir" las grandes cantidades de moléculas que la vida necesita.

Cada vez estamos más cerca. Podemos tomar las enzimas naturales y ajustar su estructura al azar hasta que una de esas variantes produzca de manera eficiente la molécula que deseamos. Para que la estrategia sea un poco menos azarosa, podemos utilizar un "diseño racional" (dirigido por computadora) de procesos de modelado que nos permitan fabricar las enzimas artificiales desde cero.

En última instancia, el objetivo es superar a la naturaleza. En comparación con los catalizadores artificiales, las enzimas naturales poseen una gama relativamente limitada de metales en su núcleo. Al combinar lo mejor de la catálisis natural y artificial, podríamos fabricar enzimas —y productos finales— que sean capaces de cualquier cosa.

Células madre endógenas

¿Cómo está creciendo mi órgano?

Las células madre son, posiblemente, la frontera más apasionante de la Medicina en este momento. La mayoría de las células del cuerpo humano están irreversiblemente especializadas o "diferenciadas" en alrededor de 200 tipos. Las células madre, en cambio, son pizarras en blanco con el potencial de desarrollarse de muchas maneras distintas.

Esto significa que podrían ser utilizadas para curar un gran número de tejidos dañados o enfermos. La mayoría de las investigaciones hasta ahora se han centrado en crear células madre a partir de los tejidos de embriones o de adultos en el laboratorio, manipulando su desarrollo con "factores de crecimiento" químicos, e implantándolas donde hagan falta. Pero podría haber un procedimiento más inteligente: despertar en nuestros propios cuerpos a las células madre "endógenas" para lograr la regeneración natural.

Otros animales lo hacen. Los anfibios, por ejemplo, pueden regenerar miembros enteros mientras se dedican a sus tareas diarias. Algún día, la simple inyección de los factores químicos adecuados puede ser suficiente para generar un nuevo riñón o páncreas, o incluso una pierna.

Fotosíntesis artificial

Energía del aire

Una hoja es algo hermoso. También es una maravilla de la ingeniería química. Dentro de ella, los centros de la reacción fotosintética recogen la energía solar para impulsar la transformación del agua y del dióxido de carbono del aire en azúcares que nutren y construyen la planta.

Ojalá pudiéramos hacer algo similar. El sol es la mayor fuente de energía que conocemos, pero la luz del sol no puede estar en todas partes todo el tiempo. Si pudiéramos encontrar una forma barata de convertir la energía solar en combustibles químicos almacenables y transportables, que estuvieran a nuestra disposición las 24 horas del día y los siete días de la semana, estaríamos en camino de conseguir energía limpia para todos.

Algunas piezas del rompecabezas ya están en su lugar. Las minúsculas partículas que recogen la luz se pueden embeber en una membrana para absorber la energía y separar el dióxido de carbono y el agua. Los productos no van a ser azúcares sino combustibles para transporte sin emisiones de carbono: el hidrógeno, el metanol y, en el futuro, los combustibles de alta densidad de energía optimizados para vehículos específicos tales como los aviones.

Este año el Departamento de Energía de EE.UU. destinó $ 122 millones de dólares para crear el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial en California. Aquí y en todo el mundo se compite para desarrollar nuevos absorbentes, catalizadores y membranas que permitan la realización a gran escala de una idea que podría cambiar el mundo para siempre.

Una vacuna universal contra la gripe

Domar al asesino global

La gripe porcina y la gripe aviar parecen haber retrocedido por ahora, pero la aparición de una nueva cepa de gripe sigue siendo la fuente más probable de una pandemia global.

Esto se debe a que el virus de la gripe muta, por lo que tener gripe un año no significa que no volvamos a tenerla al año siguiente. Es por eso que hacemos nuevas vacunas contra la gripe todos los años. También es por eso que, cada pocas décadas, una cepa de gripe se presenta con una novedad genética que le permite evadir nuestra inmunidad y causar estragos a nivel mundial.

¿Cómo detenerla? Mediante el perfeccionamiento de una vacuna universal, eficaz contra todas las cepas. Están en desarrollo varias vacunas alternativas que desencadenan una respuesta inmune contra las partes del virus que no mutan. Algunas han llegado a ensayarse en seres humanos. Si resultan efectivas, la gripe pronto podría convertirse en una enfermedad medio olvidada contra la cual hay que vacunar a los niños.

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