Escoltant la simfonia de l’Univers
Senyal registrat pels detectors de Hanford i Livingston. Es representa en color la intensitat de cada freqüència al llarg del temps. Sobre un fons blau, destaca el senyal (en groc) que creix ràpidament, fins a desaparèixer cap als 0,43 segons. Aquest senyal concorda amb les prediccions de la relativitat general per a la fusió de dos forats negres de masses aproximades d’entre 36 i 29 masses solars
© B. P. Abbott / LIGO Scientific Collaboration & Virgo Collaboration)
La notícia científica de l’any va ser que les pertorbacions de l’espaitemps, les anomenades ones gravitacionals, o gravitatòries, havien estat finalment observades gràcies als detectors bessons LIGO, situats a les localitats nord-americanes de Hanford (Washington) i Livingston (Louisiana). L’anunci inicial es va fer l’11 de febrer, simultàniament a la publicació en la revista de referència Physical Review Letters de les mesures registrades al setembre anterior, així com de la seva anàlisi, que indicava que l’observació es corresponia perfectament amb la predicció teòrica del senyal esperat per a la fusió de dos forats negres amb masses a l’entorn de 30 masses solars. Posteriorment, al juny es van publicar nous resultats corresponents a l’observació d’un altre esdeveniment similar, en aquest cas amb dos forats negres unes tres vegades menys massius. Conjuntament, aquestes observacions van donar, d’una banda, una nova confirmació de la precisió amb què la relativitat general descriu l’Univers que ens envolta, fins en els seus processos més violents. D’altra banda, aquestes observacions signifiquen l’inici d’una etapa nova en l’observació del cosmos, on, a més de mirar el que hi passa a través de l’espectre electromagnètic, podrem escoltar-lo com mai s’ha fet abans.
Simuladors quàntics
Una predicció sorgida de combinar la relativitat general i la mecànica quàntica diu que els forats negres s’evaporen per emissió de partícules a partir del seu "horitzó d’esdeveniments" –és l’anomenada radiació de Hawking–. Per bé que tenim evidències indirectes d’aquesta radiació, el fet és que encara no ha pogut ser detectada de manera directa. En aquest context, cal destacar uns experiments que va dur a terme Jeff Steinhauer, de l’Institut de Tecnologia d’Israel, al final del 2015 amb sistemes de gasos ultrafreds, que van confirmar una teoria de l’any 2000 proposada per Luis Garay, Joan Ignasi Cirac i els seus col·laboradors, que indicava que en aquests sistemes, en lloc d’un forat negre del qual no pot escapar-se la llum, el que tenim és un forat sord, d’on no pot escapar-se el so. Per això, es pot dir que s’ha observat per primera vegada un exemple anàleg de la radiació predita per Hawking.
Els experiments de Steinhauer són un exemple de simulació quàntica –l’ús d’un sistema quàntic ben controlat (en el seu cas, el gas d’àtoms ultrafreds)– per simular un altre sistema físic més complicat o fins i tot impossible de reproduir al laboratori (un forat negre).
Visió artística de l’experiment de simulació de l’evolució temporal de la creació de parelles partícula-antipartícula per la realització del model de Schwinger
© IQOQI / H. Ritsch
També cal destacar enguany que a la Universitat d’Innsbruck, Àustria, es van emprar un conjunt de quatre ions confinats en una trampa de Paul per a reproduir l’evolució temporal corresponent del model de Schwinger de l’electrodinàmica quàntica en una dimensió espacial i en una altra de temporal, incloent-hi el mecanisme de producció de parelles partícula-antipartícula. Aquest experiment va constituir un primer pas en la simulació quàntica de teories de galga no abelianes, característiques de l’electrodinàmica i la cromodinàmica quàntiques, cosa que en un futur ha de permetre encarar amb noves eines la resposta a preguntes obertes sobretot en règims d’acoblament fort entre les partícules, que han dificultat l’estudi amb mètodes analítics i numèrics tradicionals.
Finalment, cal esmentar diversos experiments amb gasos ultrafreds en xarxes òptiques que van simular un model important de la física de la matèria condensada –el model de Hubbard antiferromagnètic–. Així, a l’abril, un grup de la Universitat de Bonn, Alemanya, va determinar l’equació d’estat d’aquest model en dues dimensions. Pocs mesos després, tres grups –un de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica, un altre de Harvard i un darrer de l’Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT)– van publicar simultàniament resultats sobre les correlacions de segon ordre de càrrega i de spin en el mateix sistema. Aquests estudis revelen una vegada més l’excepcional nivell de control experimental assolit en aquests sistemes físics, i han de permetre dur a terme mesures en el règim de fort acoblament entre els àtoms (règim que es considera de gran interès per a comprendre la física de sistemes fortament correlacionats, com ara certs superconductors d’alta temperatura, i que és un règim en què els estudis analítics i numèrics són molts difícils d’aconseguir).
FeSe: un superconductor amb dues cares
Enguany, cal destacar la descoberta per un grup de la Universitat de Tsinghua, Xina, que capes fines del compost FeSe (selenur de ferro) que mostren caràcter superconductor amb nivells molt baixos de dopatge. Per dopatge intermedi, el FeSe esdevé només semiconductor, però esdevé novament superconductor amb alt dopatge per un mecanisme diferent que a baix dopatge. En particular, els investigadors van evidenciar que la fase superconductora per dopatge elevat, que té un gap de 14 MeV i, per tant, una temperatura crítica considerablement alta, està lligada a l’acoblament dels electrons amb les vibracions de la xarxa, de manera similar a la teoria estàndard BCS de la superconductivitat dels metalls simples. Aquest resultat enllaça amb la troballa de l’any 2015, sobre superconductivitat a temperatura ambient (i molt altes pressions) del sulfur d’hidrogen (H3S), que indica que cal tornar a estudiar les prediccions d’aquesta teoria en règims de temperatura, pressió, dopatge i acoblament més enllà del que tradicionalment s’ha fet.
Desigualtats sense escapatòria: comiat al realisme local
L’any 2016 es va obtenir un resultat que va posar llum al debat que havien encetat Einstein i Bohr sobre la realitat de les correlacions entre partícules que prediu l’existència d’entrellaçament entre si, d’acord amb els principis de la mecànica quàntica. L’any 1964, la formulació d’unes desigualtats per John Bell ja va transformar aquest debat, i va establir un conjunt de desigualtats entre les prediccions d’Einstein (l’anomenat "realisme local") i les de Bohr (la "interpretació de Copenhaguen"). Des de la dècada de 1970, diversos experiments semblaven corroborar la interpretació de Copenhaguen, però per raons tècniques, sempre hi cabia la possibilitat que les mesures no fossin decisives per alguna escapatòria experimental (loophole).
Enguany, es van publicar tres experiments de la Universitat Tècnica de Delft, Països Baixos, de l’Institut d’Òptica Quàntica i Informació Quàntica de Viena, Àustria, i del NIST a Boulder, EUA, en què es van poder tancar totes les "escapatòries". La conclusió va ser que la natura no es comporta com Einstein hauria pensat, i el realisme local no se sosté. Cal mencionar que en els tres experiments s’ha fet servir un dispositiu creat pels grups liderats pels professors Morgan Mitchell i Valerio Pruneri de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Castelldefels.
El protó s’encongeix
L’Institut Paul Scherrer de Suïssa va obtenir un valor per al radi de càrrega del protó notablement menor a partir de mesures espectroscòpiques del deuteró muònic
© Paul Scherrer Institute / A. Antognini and F. Reiser
En el camp de la física d’altes energies s’estan acumulant resultats experimentals sobre l’estructura del protó que contradiuen mesures anteriors del seu radi de càrrega.
El darrer resultat prové de la col·laboració CREMA (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms) de l’Institut Paul Scherrer, Suïssa, que va obtenir un valor per a aquest radi a partir de mesures espectroscòpiques del deuteró muònic (un sistema format per un protó i un neutró al voltant dels quals orbita un muó en lloc d’un electró). Aquest resultat se suma a mesures anteriors amb hidrogen muònic (hidrogen en què l’electró ha estat substituït per un muó) i que ja donaven un valor per al radi de càrrega notablement menor que les mesures "tradicionals" per col·lisions amb electrons.
Com que els resultats no es corresponen amb les prediccions del model estàndard de què disposem, i no és clar si això indica una limitació tècnica en la manera que s’han dut a terme aquests càlculs o bé si apunten a problemes més fonamentals d’aquest model, caldrà estar atents a nous avenços experimentals així com a la revisió dels càlculs existents.
Premis i defuncions
El premi Nobel de física 2016 va ser atorgat als científics David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz, per descobriments teòrics de transicions de fase topològiques i fases topològiques de la matèria. Els seus treballs premiats, realitzats a les dècades de 1970 i 1980, mostren que hi pot haver fases de la matèria que no es poden descriure dins el marc desenvolupat per Landau, i són a la base d’avenços de la darrera dècada com el descobriment de superconductors topològics i aïllants topològics, que es considera que seran decisius en propers progressos tecnològics en ciència de materials.
Per acabar, al febrer va traspassar Marshall Fixman (1930 – 2016), un pioner de la física de polímers i la teoria del transport en fluids prop de punts crítics. Al mes d’abril va morir sir David Mackay (1967 – 2016), especialista en teoria de la informació i conegut sobretot pels seus treballs sobre energia sostenible, i també Deborah S. Jin (1968 – 2016), líder en la recerca experimental en física atòmica i molecular a molt baixes temperatures. Al juny, va morir Stephen Gasiorowicz (1928 – 2016), físic nord-americà d’origen polonès, reconegut pel seu llibre Mecànica quàntica. A l’agost, van traspassar James Cronin (1931 – 2016) –el qual va compartir el premi Nobel de física del 1980 amb Val Fitch pel descobriment de la ruptura de la simetria CP en la desintegració dels kaons– i Ahmed Zewail (1946 – 2016), premi Nobel de química del 1999 pels seus estudis de reaccions químiques amb espectroscòpia de femtosegons.