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El Premio Breakthrough 2024 en Física Fundamental es para John Cardy y Alexander Zamolodchikov por su trabajo aplicando la teoría de campos a diversos problemas.
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Muchos físicos escuchan la frase “teoría cuántica de campos” y sus pensamientos se centran en los electrones, los quarks y los bosones de Higgs. De hecho, las matemáticas de los campos cuánticos se han utilizado ampliamente en campos distintos de la física de partículas durante los últimos 40 años. El Premio Avance 2024 en Física Fundamental se otorgó a dos teóricos que han desempeñado un papel decisivo en la reutilización de la teoría cuántica de campos en el estudio de la materia condensada, la física estadística y los estudios de la gravedad.
«Realmente quiero enfatizar que la teoría cuántica de campos no es exclusiva de la física de partículas», dice John Cardy, profesor emérito de la Universidad de Oxford. Comparte el Premio Breakthrough con Alexander Zamolodchikov de la Universidad Stony Brook, Nueva York.
Quizás el Premio Breakthrough sea el “más bello” entre los premios científicos, ya que se otorgan 3 millones de dólares a cada uno de los cinco premios principales (tres para ciencias biológicas, uno para física y uno para matemáticas). Se otorgan premios adicionales a los académicos al comienzo de sus carreras. Los patrocinadores fundadores del Premio Breakthrough son los empresarios Sergey Brin, Priscilla Chan, Mark Zuckerberg, Julia y Yuri Milner y Anne Wojcicki.
El Premio de Física Fundamental es para Cardi y Zamolodchikov “por sus profundas contribuciones a la física estadística y la teoría cuántica de campos, con aplicaciones diversas y de gran alcance en diversas ramas de la física y las matemáticas”. Cuando le comunicaron el premio, Zamolodchikov expresó su sorpresa. «Nunca pensé que me encontraría en una compañía tan distinguida», dice. Se educó como ingeniero nuclear en la antigua Unión Soviética, pero se interesó por la física de partículas. «Tuve que explicarme lo básico». Los fundamentos fueron la teoría cuántica de campos, que describe el comportamiento de partículas elementales con ecuaciones a menudo muy difíciles de resolver. A principios de la década de 1980, Zamolodchikov se dio cuenta de que podía seguir avanzando en un ámbito especializado de las matemáticas llamado teoría de campos conformes 2D (2D CFT). «Tuve la suerte de toparme con esta interesante situación en la que pude encontrar soluciones precisas», dice Zamolodchikov.
CFT describe asignaciones «invariantes» de un espacio a otro. «Si se toma una parte del sistema y se le añade el factor correcto, estadísticamente esa parte parece el todo», explica Cardy. Más precisamente, las asignaciones conformes preservan los ángulos entre líneas cuando las líneas se extienden o contraen en longitud. En determinados casos, los campos cuánticos obedecen a esta simetría conformacional. Cardi dice que Zamolodchikov se dio cuenta de que resolver problemas en CFT (especialmente en dos dimensiones donde las matemáticas son más fáciles) proporciona un punto de partida para estudiar campos cuánticos generales.
Cardi comenzó como física de partículas, pero se interesó en aplicar campos cuánticos a un mundo más allá de las partículas elementales. Cuando escuchó sobre el trabajo de Zamolodchikov y otros científicos de la Unión Soviética, inmediatamente vio el potencial y la versatilidad de la CFT 2D. Uno de los primeros lugares donde aplicó estas matemáticas fue en las transiciones de fase, que surgen, por ejemplo, cuando los espines atómicos de un material se alinean repentinamente para formar un ferroimán. En el marco de la CFT bidimensional, Cardi demostró que se pueden realizar cálculos en sistemas pequeños (con sólo diez ciclos, por ejemplo) y extraer información relevante para un sistema infinitamente grande. En particular, pudo calcular los exponentes críticos que describen el comportamiento de diferentes transiciones de fase.
Cardi ha encontrado otros usos para 2D CFT, por ejemplo, en la teoría de la percolación y las cadenas de espín cuánticas. “Espero que la gente considere que mis contribuciones son amplias, porque eso es lo que he intentado ser a lo largo de los años”, dice. Zamolodchikov también exploró la aplicación de la teoría cuántica de campos a diversos temas, como los fenómenos críticos y la turbulencia de fluidos. «Traté de desarrollarlo de muchas maneras», dice. Los dos teóricos nunca han colaborado, pero ambos admiten admirar el trabajo del otro. «Hemos escrito artículos sobre temas muy similares», dice Cardy. «Yo diría que tenemos una competencia amistosa». Recuerda su primer encuentro con Zamolodchikov en 1986 en una conferencia organizada en Suecia como punto de encuentro “neutral” para físicos occidentales y soviéticos. «Fue fantástico conocerlo a él y a sus compañeros de equipo por primera vez», dice Cardi.
“Zamolodchikov y Cardi son oráculos bidimensionales”, afirma Pedro Vieira, teórico de campos cuánticos del Instituto Perimeter de Canadá. Una de las cosas que Zamolodchikov demostró, dice, es el número infinito de simetrías que pueden existir en 2D CFT. Cardi fue particularmente perspicaz sobre cómo se pueden aplicar los conocimientos matemáticos 2D a otras dimensiones. «Comprendieron el poder de la física 2D, en el sentido de que es muy simple y elegante y, al mismo tiempo, matemáticamente rica y compleja», dice Vieira sobre el dúo.
Vieira dice que el trabajo de Zamolodchikov y Cardi sigue siendo importante para una amplia gama de investigadores, incluidos los físicos de la materia condensada que estudian superficies bidimensionales y los teóricos de cuerdas que modelan el movimiento de cuerdas unidimensionales que se mueven a través del tiempo. Un tema que hoy en día atrae mucho la atención es la llamada correspondencia AdS/CFT, que vincula las matemáticas de CFT y la teoría de la gravedad (ver Punto de vista: ¿Son realmente los agujeros negros bidimensionales?). También ha habido una cantidad significativa de trabajo reciente sobre CFT en dimensiones mayores a dos, dice Cardy. «Estoy segura que lo es [higher-dimensional CFT] «Ganará muchos premios en el futuro», afirma. Zamolodchikov continúa trabajando en expansiones de la teoría cuántica de campos, como « deformación”, que puede proporcionar información sobre la física fundamental, tal como lo hizo CFT.
Zamolodchikov, Cardi y los otros 18 ganadores recibirán sus premios el 13 de abril de 2024, en una ceremonia de alfombra roja que habitualmente atrae a celebridades del cine, la música y el deporte. Cardi dice que lo está deseando. «Me encanta una buena fiesta».
-Michael Scherber
Michael Scherber es editor corresponsal de Revista de Física Con sede en Lyon, Francia.
