Fermions de Weyl
Cristall fotònic que conté fermions de Weyl observats per un equip del MIT
© MIT / Ling Lu, Qinghui Yan
L'avenç més notable durant l'any 2015 en física va ser el descobriment, vuit dècades després que es formulés de manera teòrica, dels fermions de Weyl. El 1929, el físic i matemàtic alemany Hermann Weyl va formular les solucions de l'equació de Dirac amb massa nul·la, anomenats fermions de Weyl, que podrien representar partícules fonamentals llavors desconegudes. Posteriorment, durant uns quants anys, es va especular si els neutrins podrien ser fermions de Weyl, fins que es va descobrir que tenien massa.
Les partícules observades ara no són, però, partícules fonamentals, sinó excitacions d'uns materials amb propietats força especials, com ara que no respecten la simetria d'inversió temporal o la de paritat, la qual cosa fa que es dotin d'un caràcter topològic que també trobem en les seves excitacions. De fet, els fermions de Weyl recorden els fermions de Majorana, que es van observar l'any 2014, però els de Weyl apareixen en sistemes tridimensionals, fet que els fa més robustos i potencialment amb més perspectives d'aplicacions tecnològiques.
Aquest vessant multidisciplinari també s'evidencia en el fet que els fermions de Weyl van ser observats en diverses famílies de materials ben diferents. D'una banda, un grup de la Universitat de Princeton i un altre de l'Acadèmia de Ciències xinesa els van detectar en arsenur de tàntal (TaAs), un semimetall; de l'altra, un grup de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT) va observar estats anàlegs en un cristall fotònic. Al cap de poc es van observar també en el semimetall NbAs.
Física nuclear i de partícules
Imatge de l’emissió polaritzada de la pols de la Via Làctia presa pel satèl·lit Planck de l’ESA
© ESA / Plank Collaboration
Un altre descobriment destacat, i alhora inesperat, va ser el del pentaquark, una partícula composta per cinc quarks, els constituents fonamentals de la matèria juntament amb els leptons (electrons i neutrins). Fins ara, es coneixien partícules compostes per tres quarks (anomenades hadrons, com ara el protó i el neutró) o per dos quarks (mesons, com ara els pions i els kaons), i encara que el 2002 va haver-hi uns resultats experimentals que semblaven indicar l'existència d'un pentaquark amb una massa de prop d'1,5 vegades la massa del protó, posteriorment es va determinar que havia estat una observació falsa.
Els nous resultats apunten l'existència d'un pentaquark amb una massa d'unes 4,7 vegades la del protó, i que podria estar en dos estats interns de masses lleugerament diferents. L'error de l'observació del 2002 ha dut els investigadors a fer totes les comprovacions possibles per confirmar els nous resultats, en els quals hi ha gran confiança. Aquests resultats donaran nous enfocaments a la teoria de les interaccions entre quarks i ens asseguraran que s'adequa correctament a aquestes observacions.
En un àmbit similar, per primera vegada un grup de teòrics va ser capaç de calcular, a partir de les lleis fonamentals en què s'havien introduït paràmetres ad hoc o experimentals, la diferència de massa entre el neutró i el protó. Aquest càlcul és una autèntica gestaperquè requereix la combinació d'eines de la cromodinàmica quàntica (QCD, que descriu la interacció nuclear forta) i de l'electrodinàmica quàntica (QED, que descriu la interacció electromagnètica).
Finalment, dins de la física fonamental, cal esmentar la publicació al gener de les dades del satèl·lit Planck de l'Agència Espacial Europea (ESA) sobre la presència de pols en el medi interestel·lar. Tal com indicaven resultats preliminars del 2014, aquestes noves observacions treuen pes a la reivindicació de la detecció d'ones gravitatòries que l'equip de l'experiment BICEP2 havia fet a l'inici.
Ful·lerens a l'espai
Com a culminació d'un esforç de desenvolupament experimental de més de dues dècades, un grup de la Universitat de Basilea va aconseguir mesurar al laboratori, en condicions anàlogues a les del medi interestel·lar, dues línies espectrals de ful·lerè ionitzat (C60+). Això va permetre d'identificar per primera vegada i de manera concloent dues de les bandes interestel·lars difoses (en anglès, diffuse interstellar bands, o DIB), que s'havien començat a detectar astronòmicament fa més de 100 anys. Això ha de permetre nous avenços en la comprensió de la dinàmica de molècules orgàniques que ocorre en el medi interestel·lar i el seu impacte en la formació d'estrelles i planetes.
Superconductivitat convencional a alta temperatura
Durant el 2015, de la física de la matèria condensada i ciència de materials, en va destacar l'observació de la transició superconductora d'un compost d'hidrogen a una temperatura rècord de 203 K. Un grup de l'Institut Max Planck de Química de Mainz (Alemanya) va sotmetre sulfur d'hidrogen (H2S) a pressions d'1,5 milions d'atmosferes i va observar que, per sota d'aquesta temperatura, el material perd de sobte la resistivitat elèctrica i també presenta l'efecte Meissner.
Aquests resultats són significatius per diverses raons. En primer lloc, l'estudi d'aquests materials es fonamenta en càlculs anteriors basats en la teoria BCS de la superconductivitat. Això, juntament amb l'observació de l'efecte Meissner, indica que es tracta d'un superconductor "convencional" (per oposició als cuprats, o "superconductors d'alta temperatura", coneguts fins ara). El fet que un superconductor convencional tingui una temperatura de transició tan elevada (més alta que la de qualsevol altre material conegut) és una novetat absoluta, que reinvidica les teories d'Ashcroft i Mermin a la dècada de 1970 en contra del que per aquella època havia defensat Anderson.
Un equip de l’Institut Max Planck de Química va sotmetre sulfur d’hidrogen (H2S) a altes pressions i va observar que el material perd sobtadament la resistivitat elèctrica i presenta l’efecte Meissner.
© Mikhail Emerets
En segon lloc, perquè és la primera vegada que es descobreix un material superconductor d'alta temperatura seguint una predicció teòrica; això demostra que els càlculs basats en la teoria BCS, fins i tot en el cas de fort acoblament d'electrons i de xarxa, estan ben desenvolupats i han de poder permetre noves prediccions, algunes de les quals sembla que apunten cap a materials que serien superconductors a temperatura ambient (i pressions molt altes).
Superfluïdesa bacteriana
En el camp de la matèria activa, cal destacar un descobriment pel que fa a l'estudi de materials compostos per grans nombres d'agents actius que exerceixen forces i consumeixen energia.
El grup de Harold Auradou de la Universitat de París-Sud a Orsay (França) va observar que grups de bacteris Escherichia coli de gran activitat són capaços de reduir la viscositat del fluid en què es troben fins a anul·lar-la, de manera que el fluid amb bacteris esdevé superfluid. Aquest descobriment podria donar lloc a aplicacions com ara el desenvolupament de bombes microscòpiques, que rebrien l'energia que necessiten del mateix fluid --ric en bacteris-- en què es trobarien immerses.
Premis i comiats
Si bé durant un temps es va pensar que els neutrins podien ser un exemple dels fermions de Weyl, el 2015 el premi Nobel de física va recaure precisament en els líders dels experiments que van demostrar que els neutrins tenen massa, de manera que no poden ser fermions de Weyl. Els guardonats van ser el japonès Takaaki Kajita i el canadenc Arthur B. McDonald. Segons el model estàndard de la física de partícules, hi ha tres tipus de neutrins, que són partícules fonamentals. Doncs bé, aquests investigadors, al capdavant de l'observatori Super-Kamiokande i del Sudbury Neutrino Observatory (SNO), respectivament, van demostrar entre els anys 1998 i 2001 que els neutrins canvien, o oscil·len, d'un tipus a un altre en viatjar per l'espai. Aquesta evidència els va fer concloure que els neutrins han de tenir massa, perquè la freqüència d'oscil·lació depèn de la diferència de masses.
D'altra banda, el premi Emmy Noether de física per a dones, atorgat per la Societat Europea de Física, va ser concedit en l'edició de primavera del 2015 a Anna Fontcuberta i Morral, professora associada de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suïssa), per les seves "contribucions pioneres a la física de les nanoestructures semiconductores i les seves aplicacions a la física mesoscòpica i la recol·lecció d'energia".
Per acabar, deixem constància d'alguns científics il·lustres que van traspassar aquest any. Al gener moria Charles W. Townes (1915 - 2015), que va construir el primer màser i va formular, junt amb Arthur Schawlow, la teoria del làser. Per aquests treballs va ser guardonat amb el premi Nobel de física l'any 1964. Precisament d'aquest any és l'experiment d'observació de la violació de la simetria CP en la desintegració de mesons K que va reportar el premi Nobel del 1980 a James Cronin i a Val Fitch (1923 - 2015), el qual va morir al mes de febrer. Al mes d'abril va morir Alex Dalgarno (1928 - 2015), un dels teòrics més importants de la física atòmica i molecular, que va desenvolupar nous mètodes per al càlcul de col·lisions que han estat fonamentals per a l'estudi de la física de l'atmosfera, del medi interestel·lar, i més recentment dels gasos ultrafreds. Al juliol, va traspassar Yoichiro Nambu (1921 - 2015), que va desenvolupar idees fonamentals com ara la ruptura espontània de simetria, per la qual va ser premi Nobel de física el 2008, o la formulació invariant de galga de la teoria BCS de la superconductivitat. Finalment, cal mencionar el traspàs de Jacob Bekenstein (1947 - 2015), el qual va demostrar que l'entropia d'un forat negre no és zero, sinó que és proporcional a l'àrea del seu horitzó d'esdeveniments, i que una regió de l'espai només pot contenir una certa quantitat d'informació, anomenada cota de Bekenstein.
Centenari de la teoria de la relativitat general
Albert Einstein
© Fototeca.cat
Al novembre del 2015 es van complir exactament cent anys des que Albert Einstein va presentar, en una sèrie de quatre xerrades a l'Acadèmia Prussiana de Ciències de Berlín, les equacions de camp de la teoria de la relativitat general, així com les primeres prediccions que se'n deriven.
Des de bon principi, la teoria va esdevenir famosa perquè es considerava la construcció teòrica més important formulada per la ment humana per a entendre el món que l'envolta i, alhora, una teoria tan complicada que pràcticament ningú podia entendre-la. Per bé que en gran mesura aquestes idees segueixen presents en la cultura popular, el que és cert és que la relativitat general (o simplement RG) ha tingut un impacte molt ampli no tan sols en la comprensió de l'Univers, sinó també en aspectes ben pràctics de la vida diària.
Orígens i impacte immediat
Els resultats presentats el 1915 van ser el fruit d'una llarga i complexa recerca per tal d'estendre la teoria especial de la relativitat del 1905 a casos on hi hagués un camp gravitatori. La tasca va requerir l'ús d'algunes operacions de les matemàtiques més avançades del seu temps, amagades sota l'aparent simplicitat de les equacions de camp.
A l'esquerra de l'equació hi ha el tensor de Ricci, que descriu la geometria de l'espaitemps, mentre que a la part dreta hi ha el tensor d'energia-moment, que descriu la distribució massa-energia. En la popular formulació de John Archibald Wheeler, "l'espaitemps li diu a la matèria com s'ha de moure, la matèria li diu a l'espaitemps com s'ha de corbar". Malgrat la complexitat d'aquestes equacions, aviat se'n van derivar prediccions experimentals destacades. Einstein va calcular el ritme de precessió del periheli de Mercuri, i va obtenir un resultat d'acord amb les observacions experimentals. Durant més de cinquanta anys, les mesures havien contradit les prediccions basades en les lleis d'Isaac Newton, de manera que aquest primer èxit va tenir un gran impacte en l'acceptació de la teoria. També abans d'acabar el 1915, Karl Schwarzschild, mentre lluitava al front rus durant la Primera Guerra Mundial, va trobar la solució exacta de les equacions que predeien l'existència d'una regió especial de l'espaitemps de la qual res, ni tan sols la llum, no podria escapar --es tracta del que més tard s'ha anomenat forat negre. Einstein també va predir que la trajectòria dels raigs de llum ha de corbar-se en passar a prop d'un cos massiu, com ara el Sol. A penes acabada la Primera Guerra Mundial, l'eminent astrònom britànic Arthur Stanley Eddington va dirigir una expedició per a observar l'eclipsi de sol del 1919, i va mesurar el canvi de posició aparent d'un estel. Gràcies a les seves investigacions va poder confirmar aquesta predicció, fet que va llançar Einstein a la fama mundial. Aquesta predicció també implica que els rellotges, en camps gravitatoris intensos, avancen més lentament que en camps menys intensos. Però per a veure aquest efecte no cal anar a casos tan extrems, n'hi ha prou amb fer servir el GPS d'un telèfon mòbil. I és que els rellotges que porten els satèl·lits són tan sensibles que cal tenir en compte la diferència entre el temps en òrbita i a la superfície terrestre perquè ens diguin encertadament on ens trobem. De fet, si els càlculs no incloguessin els efectes de la RG, la posició que ens donaria el sistema estaria equivocada de desenes de metres.
Així mateix, la RG ha esdevingut l'eina que ha transformat la cosmologia, que era considerada una branca de la filosofia, en una ciència experimental. En això s'ha basat l'observació del telescopi Hubble de l'expansió de l'Univers, un fet que es pot descriure amb les equacions d'Einstein, i del qual es pot deduir que l'Univers ha tingut un moment inicial, l'anomenat Big Bang. Aquesta teoria s'ha reforçat amb la detecció del fons de radiació de microones del cosmos el 1965, i amb l'observació del ritme accelerat d'expansió de l'Univers feta per Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt i Adam Guy Riess el 1998.
Present i futur
Des de la dècada de 1960, s'ha obert un nou vessant en la RG: l'estudi de sistemes on cal aplicar-la tenint present, també, la mecànica quàntica. El resultat més destacat d'aquesta recerca és la predicció de Stephen Hawking que un forat negre es dissipa lentament, que ha donat lloc a un debat intens i encara obert sobre què passa amb la informació continguda en el forat. Més recentment, Juan Martín Maldacena va conjecturar la correspondència AdS/CFT, que enllaça les equacions de la RG i una teoria quàntica de camps.
Amb vista al futur més immediat, l'aspecte científic més esperat és la confirmació de la tercera predicció d'Einstein que diu que esdeveniments particularment energètics (com ara el col·lapse d'un estel de neutrons o la col·lisió de dos forats negres) sacsegen de tal manera l'espaitemps que s'emeten ones gravitatòries (en certa manera, com la caiguda d'una pedra en un llac forma ones a la seva superfície). Amb experiments com ara l'Advanced LIGO, posat en marxa el 2015, s'espera poder-les detectar per primera vegada, i d'aquesta manera obrir una nova finestra des d'on veure l'Univers com no l'hem vist mai.