Preguntas y respuestas: Carver Mead revolucionó las computadoras. ¿Puede hacer lo mismo con la física?

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Carver Mead no se deja impresionar por las cosas complicadas. En lo que a él respecta, el mayor desafío es tomar un sistema complejo y encontrar una manera de simplificarlo sin pasar por alto ninguna de sus características esenciales.

En una era en la que los circuitos integrados para computadoras eran pintados minuciosamente a mano por hábiles litógrafos, el pionero de la microelectrónica de Caltech diseñó un modelo que facilitó que cualquier persona colocara miles de transistores en un solo chip microcontrolador. Su innovación de principios de la década de 1970, llamada integración a muy gran escala, o VLSI, recientemente le valió el prestigioso Premio Kyoto 2022.

VLSI desempeñó un papel fundamental en la revolución de los semiconductores. Impulsó el aumento exponencial de la cantidad de transistores que se podían colocar en un chip, reduciendo los dispositivos informáticos y ampliando sus capacidades.

Después de simular los movimientos de los electrones alrededor de un microchip, Mead se interesó en las leyes fundamentales de la física que gobiernan su movimiento. Se encargó de reformular las reglas de la electricidad y el magnetismo, que ahora se enseñan de la misma manera que cuando las propuso James Clerk Maxwell en 1865.

Basándose en más de un siglo de experimentos de física moderna, Mead ideó una imagen más holística de los fenómenos electromagnéticos. Su enfoque se basa en la física cuántica, que trata a los electrones, fotones y otros componentes básicos de la materia como ondas y partículas.

Mead llamó al resultado «electrodinámica colectiva» y usó ese término como el título de un «pequeño libro verde» sobre el tema que publicó en 2001. Ahora es profesor emérito en Caltech y continúa trabajando en este y otros proyectos.

Habló con The Times sobre su viaje de la tecnología informática a la física fundamental.

¿Puedes describir los conceptos básicos de la electrodinámica colectiva?

Piense en el electrón como una onda, con una frecuencia correspondiente a su energía y una longitud de onda relacionada con su impulso. Un superconductor contiene una gran densidad de electrones, acoplados entre sí para que formen un estado cuántico colectivo gigante llamado condensado. Es como un enorme electrón.

Cuando hacemos un alambre con un superconductor, la propagación de la onda de condensación a lo largo del alambre se llama corriente eléctrica, y la frecuencia de la onda de condensación se llama voltaje.

Los componentes del electromagnetismo son, por lo tanto, de origen cuántico.

¿Estás diciendo que la física necesita un cambio de imagen?

La física cuántica no se conocía en la época de Maxwell, por lo que el origen cuántico de las interacciones electromagnéticas no era visible. Trágicamente, la teoría electromagnética todavía se enseña a la antigua.

¿Cuál es la mayor diferencia entre la electrodinámica colectiva y el enfoque clásico?

La importancia del potencial. La ingeniería eléctrica, que ha hecho nuestro mundo moderno, se basa en la noción de potencial. Muchos físicos no entienden realmente el potencial, piensan que es un truco matemático. Pero en realidad, es un concepto muy, muy profundo.

En un circuito eléctrico, el condensado de electrones en un cable es como el agua que fluye por una tubería. A su flujo lo llamamos corriente eléctrica y a su presión se le llama potencial eléctrico o voltaje.

¿La electrodinámica colectiva proporciona nuevos conocimientos que no se pueden obtener con la teoría estándar de la electricidad y el magnetismo?

Para las cosas estándar, obtienes la misma respuesta con ambos. Pero hay cosas que mi enfoque hace que sean más fáciles de explicar.

Por ejemplo, tome el flujo cuantificado. Eso describe cómo algo fluye a través de una región en cantidades discretas. En los años 70, los científicos observaron que el flujo magnético alrededor de una pequeña rosquilla de un superconductor se comportaba de esta manera. Si tienes un montón de ellos, obtienes un imán permanente. Eso es un imán permanente: un montón de pequeños bucles superconductores, uno en cada átomo. Y están todos alineados.

Extendiendo esto a dos imanes, puedes simplemente calcular lo que hacen entre sí y obtienes la energía maravillosamente. Al considerarlo como un sistema cuántico, la electrodinámica colectiva le brinda la respuesta correcta de una manera más directa que el enfoque clásico. Y eso es algo muy fundamental que puedes medir.

Algunos lo han encontrado muy interesante. Pero mirando hacia atrás, el libro no tiene suficiente explicación, por lo que a la gente le cuesta mucho seguirlo. Una o dos veces al año, recibo un correo electrónico de alguien que dice: «Tomé lo que dijiste en tu librito verde y cambió mi vida». Y luego estará en silencio por otro año o dos.

¿Tienes pensado ampliarlo aún más?

Sí, estoy trabajando duro en eso.

¿Cree que sería útil capacitar a la próxima generación de físicos en esta nueva forma holística?

Estamos desarrollando cosas nuevas en física todo el tiempo. Digamos que, como una aproximación, tenemos una duplicación del conocimiento cada cinco o diez años. Después de algunos de esos, ya no será posible educar a la gente, porque hay demasiadas cosas nuevas.

Así que realmente solo tienes dos opciones. Una es que puedes volverte más y más estrecho, donde aprendes más y más sobre cada vez menos hasta que sabes todo sobre nada. O puede volver atrás y darse cuenta de que el nuevo conocimiento que tenemos permite una forma increíblemente más profunda de comprender el campo y sus relaciones conceptuales.

Existe una noción generalizada de que la nueva ciencia conduce a nuevas innovaciones. ¿Es esto siempre cierto?

Casi nunca es cierto.

La mayoría de las cosas que están sucediendo no son para nada el espíritu de la época dominante. Es sobre lo que la gente se vuelve creativa y sale y lo prueba, y la mayor parte no funciona. La mayoría de las cosas que he hecho no han funcionado, pero ocasionalmente me encuentro con una que sí lo hace. ¡Y se siente muy bien!

¿En qué otro tipo de innovaciones estás trabajando?

He dedicado mucho tiempo a trabajar en la organización óptima de los sistemas de información. La computadora programada general, como su computadora portátil o un teléfono inteligente, que usamos hoy en día es un gran desperdicio de sus recursos. Hace una cosa simple y usa mucha energía para hacer cada cosa simple.

Estamos empezando a desarrollar formas en las que se podría utilizar la tecnología de silicio con transistores para emular cosas que hacen los cerebros de los animales. Si estudias los sistemas nerviosos de los animales, la organización es muy diferente a la de una computadora de uso general, y es extraordinariamente eficiente desde el punto de vista energético: nuestro cerebro solo necesita unos 20 vatios para funcionar.

Ser un profesor emérito me da tiempo para pensar más profundamente sobre las cosas, realizar esfuerzos como el librito verde y preguntarme sobre cosas como lo que sucede en el cerebro.

Esta entrevista ha sido editada por su extensión y claridad.



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