¿Qué es la física teórica, la física experimental y la física computacional?

La física como todas las ciencias naturales está en constante evolución. La clasificación actual de las ciencias obedece a un momento histórico donde era posible distinguir las fronteras entre una rama y otra. Por ejemplo, la Biología estaba relacionada con el estudio de aquellos aspectos de la naturaleza relacionados con la vida. Muy al principio, se tenía una definición más o menos clara de lo que era la vida. Cuando se comenzó a entender que los procesos relacionados con la vida son esencialmente químicos, surge el problema de definir entre la química orgánica y la inorgánica. Esto planteó la pregunta sobre cuál era el umbral entre lo orgánico y lo inorgánico.

Cuando se habla, por ejemplo, de la Química, en algún momento había un consenso entre la comunidad científica acerca de cuáles eran el tipo de fenómenos que se estudian en esta rama de la ciencia. Con el paso del tiempo, los problemas que se podían estudiar a través de los nuevos métodos y avances tecnológicos surgían sistemas donde la frontera entre la Química y la Biología son indistinguibles. Así nacieron nuevos problemas qué resolver e investigar que ahora se agrupan en lo que se denomina la Bioquímica.

En el caso particular de la Física, entendida como la rama de la ciencia relacionada con fenómenos de la naturaleza, podemos ver que tiene una relación muy estrecha con otras ciencias. Los fenómenos subyacentes a los procesos químicos son esencialmente descritos por una subrama de la Física que se llama mecánica cuántica, aplicable en sistemas naturales del tamaño de un átomo o más pequeños. Por ello, muchas personas afirman que la Física es una de las ciencias más fundamentales. Sin embargo, aunque la mecánica cuántica es una descripción fundamental de la naturaleza, no es práctica para estudiar los fenómenos cuyos elementos son más grandes.

Hace más de 100 años, la Física se entendía como el estudio de los fenómenos de la naturaleza, en particular de la masa, la energía y sus interacciones entre sí. Para comprender más a detalle, de forma incipiente se venían desarrollando tímidamente algunas ramas de esta rama de la ciencia que con el paso de las décadas se han convertido en las columnas vertebrales de la Física moderna, como son la mecánica cuántica, la mecánica estadística y la relatividad. A su vez, estos campos conforman la base de otras disciplinas más sofisticadas de la ciencia, como la teoría cuántica de campos, la física de la materia condensada o las teorías de la gravitación. Eso sin descuidar los campos de la física clásica, como la óptica, la termodinámica, la mecánica Newtoniana o la teoría electromagnética, entre otras.

Como decíamos, si hace más de 100 años se le hubiera preguntado a un físico o a una física, a qué rama se dedicaba, quizá nos hubiera dicho algo como: “me dedico al estudio los fenómenos eléctricos y magnéticos que tienen lugar al frotar un cuarzo con un trozo de tela”. En ese momento hubiéramos supuesto que hacía sus experimentos en algún laboratorio de una institución educativa o tal vez en un taller o incluso en su casa. Además, es muy probable que también, si tenía conocimientos de la recién desarrollada teoría electromagnética del científico inglés James Clerk Maxwell, intentara modelar el fenómeno haciendo uso de ecuaciones matemáticas (hoy conocidas como ecuaciones de Maxwell).

En este contexto, las y los físicos de esa época eran, o bien teóricos o bien experimentales, y muy probablemente ambas cosas. Fue años después que el uso de las computadoras abrió paso a lo que hoy conocemos como Física computacional; un enfoque que tomó relevancia y que sigue siendo aplicada y extendida con éxito en cada una de ellas.

Como se podrá notar, el proceso de estudio de los fenómenos de la naturaleza por parte de la Física requiere que las personas se vayan especializando, no sólo por rama sino por el énfasis que se hace en ciertas habilidades, intereses y motivaciones. Hagamos una breve descripción (a nuestra manera de entender) de lo que somos las y los físicos.

¿Qué onda con las y los físicos?

Las y los físicos experimentales son aquellas personas que estudian a la naturaleza usando la observación directa o indirecta. Cuando “ven” a la naturaleza, queremos decir que un físico experimental se apoya en instrumental de laboratorio, desde una simple lupa hasta equipos muy sofisticados como los aceleradores de partículas o los microscopios electrónicos para obtener datos de los cuales realiza gráficas y análisis estadísticos con la finalidad de extraer conclusiones de los experimentos de laboratorio. A veces obtiene información cualitativa (basada en las observaciones experimentales) y en otras ocasiones cuantitativa (usando algún modelo matemático que le arroje un número específico de una propiedad física medida).

Figura 1. Una visión externa de los experimentos de laboratorio. Fuente: https://dream.ai/

El objetivo final de un físico o física experimental es la reproducibilidad, es decir, que a partir de la información obtenida en el laboratorio pueda brindar una especie de “receta” para repetir el fenómeno de estudio. El funcionamiento de los aparatos electrónicos, la compleja mecánica de un automóvil e incluso el funcionamiento de la pantalla desde donde lees la presente prosa, son ejemplos de los beneficios de la reproducibilidad cuya receta se gestó en un laboratorio.

Sin embargo, no todo es miel sobre hojuelas dado que el laboratorio presenta diversos obstáculos que a menudo limitan el estudio de un vasto grupo de fenómenos. Por ejemplo, el concepto de “vacío” tal cual lo define la teoría de conjuntos, es motivo de controversia cuando se intenta interpretar a partir de observaciones y modelos experimentales. Algunas veces el número de variables experimentales es tan abrumador que termina por limitar la reproducibilidad, como suele ocurrir en el estudio de fenómenos disipativos, que son aquellos que involucran la fricción entre superficies.

Asimismo, la distancia y el tiempo suelen ser extremadamente grandes o pequeños que impiden un análisis experimental completo, como suele ocurrir en diversos fenómenos astronómicos o de escala nanométrica. Es por ello que a lo largo del tiempo, surgieron dos ramas de la Física que complementan la parte experimental y muchas veces fungen como agentes de extrapolación de los resultados derivados de la misma: la física teórica y la computacional.

Figura 2. Un investigador llevando a cabo un experimento. Fuente: https://dream.ai/

Usar una rama de la ciencia u otra no es un asunto de tamaño ya que como sabemos, la física clásica describe de manera muy eficiente el movimiento y las fuerzas que obedecen los cuerpos en distancias de algunas pocas micras hasta el movimiento de los astros. El uso de una u otra ciencia, está determinada por las características de los fenómenos que queremos estudiar. Hoy en día se habla de investigaciones transdisciplinares, es decir proyectos que ahora requieren de diversas perspectivas y métodos desarrolladas en diferentes ramas de la ciencia.

En Física, los fenómenos naturales son descritos a través de la presencia de fuerzas que actúan entre objetos. Esta descripción es equivalente a entender cómo se mueven los objetos y el porqué de estos. En palabras más técnicas, se habla de la cinemática y la dinámica de los fenómenos naturales. Se define un sistema mecánico cuando podemos establecer estos dos aspectos para describir un fenómeno natural.

Es por eso que esta rama de la ciencia puede estudiar una gran variedad de fenómenos a muchas escalas de distancia; es decir, estudiar objetos de muchos tamaños. Esta es la razón por la cual, para entender cualquier área de las ciencias naturales, es necesario saber algo de Física. La profundidad de sus conceptos depende de la naturaleza de lo que estamos estudiando.

En la física, como en todas las ciencias naturales, se utiliza el método científico. Eso significa que la tarea de entender a la naturaleza se divide en múltiples actividades diferentes. No se debe pensar al método científico como un “algoritmo” a seguir, no es una receta; antes bien, es una filosofía de cómo debemos aproximarnos a las verdades parciales y seguras que la ciencia puede ofrecer. El método científico agrupa las tareas de la investigación en acciones generales y a veces complicadas de definir como la observación, la generación de hipótesis y la comprobación. La forma concreta que toma estas actividades generales son diversas y cada ciencia natural tiene sus particularidades.

Figura 3. Un físico teórico desarrollando sus ecuaciones y modelos de la naturaleza. Fuente: https://dream.ai/

Hubo un tiempo en que las y los científicos podían realizar todas las tareas que implican el estudio de un sistema natural desde su observación, la generación de una hipótesis que explicaba el fenómeno para constituir una teoría y finalmente comprobar, a través de experimentos o nuevas aplicaciones, las predicciones que las teorías arrojaban.

Con el avance de la ciencia y sobre todo entre más complejos eran los fenómenos que se observaban, la comunidad científica fue repartiéndose las tareas que eran necesarias para entender la naturaleza. Eso significó que la construcción de la ciencia se convirtiera en una tarea social.

Las actividades para llevar a cabo el método científico pueden agruparse de muchas maneras y como sucede con la clasificación de las ciencias naturales, es complicado decir cuándo empieza una y cuándo otra. Existe un consenso entre la comunidad de científicos y científicas, y en particular dentro de la física, que las ramas que agrupan las tareas de la investigación en esta área son dos: teoría y experimento.

Por eso se alude a la existencia de físicos teóricos y físicos experimentales cuya única diferencia radica en las actividades que realizan alrededor del estudio de un fenómeno pero que en su conjunto forman un todo. No puede existir teoría sin experimento y viceversa, todo es fundamental para entender a la naturaleza.

Existe otra rama adicional de la Física que se desarrolló alrededor de los años 50 del siglo pasado. Se le denomina física computacional y su llegada se debió al desarrollo de máquinas capaces de hacer una cantidad de cálculos superior a los que los humanos podemos hacer a lápiz y papel. La física computacional inicia como una herramienta para emplear las favorables ventajas de cálculo de las máquinas de computación electrónica durante la Segunda Guerra Mundial. Estas máquinas fueron empleadas con éxito para descifrar mensajes encriptados y para el desarrollo de armas nucleares. Con la disponibilidad de las computadoras para usos no militares, los ordenadores electrónicos permitieron que la física computacional apareciera como una herramienta de las diferentes ramas de esta ciencia.

Hoy en día, el término física computacional se acuña a una modalidad de la Física que emplea los ordenadores personales para realizar cálculos matemáticos de forma eficiente, permitiendo simular y describir el comportamiento de sistemas físicos simples y complejos que pueden ser contrastados de manera exitosa con experimentos que en muchos casos pueden resultar muy costosos o de los cuales es imposible realizar en la práctica.

Dentro de las múltiples aplicaciones de la física computacional se encuentran: la simulación de sistemas moleculares, diseño de fármacos, simulaciones numéricas de fenómenos del universo, machine learning, ciencia de datos, simulaciones de sistemas vivos, meteorología y astrofísica.

Figura 4. Una física computacional desarrollando códigos de programación. Fuente: https://dream.ai/

Una de las más recientes aplicaciones de la física computacional fue la creación de una imagen de alta resolución del vórtice de ondas de luz que genera el campo magnético que rodea un agujero negro. Para lograr esta imagen se tuvieron que analizar y organizar de forma perfecta una gran cantidad de datos. Esta organización solamente se pudo hacer por medio de la física computacional permitiendo revelar cómo una porción significativa de la luz alrededor de un agujero negro está polarizada debido a la atracción del campo magnético (Ver Fig. 5). Tal como lo han mencionado investigadores que participaron en el proyecto, "revelar esta imagen en luz polarizada ha requerido el uso de ordenadores y técnicas complejas para la obtención y análisis de datos". Un logro sin precedentes para nuestra época actual.

Figura 5. Vórtice de ondas de luz que escapan del agujero negro en el centro de la galaxia M87. Fuente: https://eventhorizontelescope.org

Hoy día, la física computacional sigue incursionando de manera exitosa en un sinnúmero de sectores de la ciencia. Por ejemplo, en la medicina ha crecido de forma exponencial el uso de simuladores que permiten hacer operaciones virtuales y la física médica ha permitido el diseño y simulación de partes mecánicas que se adhieren al organismo. También en la industria cinematográfica ha permitido generar y recrear imágenes cada vez más realistas de animaciones y producciones en 3D; por ejemplo, la película Pinocho de Guillermo del Toro (ver Fig. 6).

Por otro lado, el desarrollo de los cristales líquidos desde el punto de vista computacional ha permitido un gran avance en el desarrollo de herramientas visuales que responden a cambios conformacionales de las moléculas y que son empleadas en la tecnología de pantallas de televisión tipo LCD (por sus siglas en inglés Liquid Crystal Diode) o tecnología OLED (por sus siglas en inglés Organic Light-Emitting Diode).

Finalmente, la más reciente aplicación de la física computacional se dio en el combate contra el virus que provoca el SARS‑CoV‑2. En este caso, el uso de herramientas computacionales permitió analizar modelos estadísticos y matemáticos para anticiparse al futuro y apoyar la toma de decisiones. Adicionalmente, la simulación molecular permitió establecer propuestas adecuadas de fármacos para el combate y tratamiento del virus.

Figura 6. Imagen de la película de animación Pinocho de Guillermo del Toro. Fuente: https://www.vogue.mx/estilo-de-vida/articulo/diferencias-entre-pinocho-de-guillermo-del-toro-netflix-y-pinocho-de-disney

Queda evidente que cada rama de la Física puede abordarse desde tres perspectivas, todas ellas complementarias y que nos permiten conocer más a fondo a los objetos que nos rodean, desde escalas muy pequeñas hasta aquellas muy grandes y que funcionan como puentes que nos permiten ampliar nuestro conocimiento de la naturaleza.

Por cierto, varias de las imágenes que ilustran este artículo de divulgación fueron hechas usando una Inteligencia Artificial denominada Dream by Wombo, otra de las ramas de la ciencia en donde la Física ha impactado para beneficio de la humanidad.