Un joven físico portugués, galardonado por sus aportes a la Teoría Cuántica de Campos

El Premio Sackler de la Universidad de Tel Aviv es la tercera distinción internacional importante a la que se hace acreedor Pedro Vieira, quien trabaja en el Perimeter Institute de Canadá y en el ICTP-SAIFR de Brasil

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El joven físico portugués Pedro Vieira es uno de los ganadores del Premio Sackler de Física de 2018. El Raymond and Beverly Sackler International Prize, con un valor de 100 mil dólares y concedido por la Tel Aviv University (TAU), contempla anualmente a dos científicos con edades inferiores a los 40 años por sus aportes a los nuevos desarrollos y aplicaciones de la Teoría Cuántica de Campos. Vieira lo recibirá durante el mes de marzo junto con Zohar Komargodski, del Weizmann Institute, de Israel.

Y no será la primera distinción internacional importante que Vieira recibe. En 2015, su trabajo fue reconocido con la Medalla Gribov de la European Physical Society, y con el Premio Sloan, de la Alfred P. Sloan Foundation.

Vieira divide su año de trabajo entre el Perimeter Institute for Theoretical Physics, en Waterloo, Canadá, y el Instituto Sudamericano para la Investigación Fundamental (ICTP-SAIFR), con sede en São Paulo, Brasil. Alojado en el Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), el ICTP-SAIFR fue creado en el marco de una colaboración de la Unesp con el International Center for Theoretical Physics (ICTP, con sede en la localidad de Trieste, en Italia) y cuenta con financiación de la FAPESP.

Cuando aún era estudiante en Portugal, Vieira fundó la Mathematica Summer School on Theoretical Physics, que continua reuniéndose anualmente y que tiene un carácter itinerante, cuyo objetivo consiste en promover el perfeccionamiento en matemática y ofrecer un foro de discusión de temas avanzados ligados a la Física Teórica para físicos de todos los niveles.

Vieira le concedió una entrevista a Agência FAPESP desde la ciudad de Oporto, en Portugal, durante sus vacaciones. Sus principales momentos pueden leerse a continuación:

Agência FAPESP – Aparte de tus importantes aportes al desarrollo de la Teoría Cuántica de Campos (Quantum Field Theory o QFT) y de la Teoría de Cuerdas, también eres conocido por tu capacidad de referirte a los temas más complicados de la física de manera sencilla, intuitiva y accesible ante quienes no dominan el lenguaje matemático que normalmente se utiliza. Por eso querría pedirte que describas de esa manera sencilla tu campo de estudios.
Pedro Vieira – Lo que estoy estudiando es la llamada Teoría Cuántica de Campos. Se trata de la unión de dos teorías: la Física Cuántica, que describe todo aquello que es muy pequeño, y la de la Relatividad, que describe todo aquello que es muy rápido. Por eso, cuando existe algo que es a la vez muy pequeño y muy rápido, como en el caso de las partículas fundamentales de la materia, debemos combinar ambas teorías: la Física Cuántica y la de la Relatividad.

Agência FAPESP – Ése ha sido un gran desafío para los físicos desde Einstein.
Pedro Vieira – En efecto, porque lo que ocurre es que la teoría de campos resultante puede ser fácil o difícil. Es fácil cuando las partículas que estamos estudiando no interactúan demasiado unas con otras. Ése es el caso de la luz, por ejemplo. Los fotones que componen un haz de luz se mueven libremente unos junto a otros, y prácticamente sin interacciones. Si entendemos lo que sucede con uno de ellos, entenderemos lo que ocurre con todos los otros. Pero la teoría de campos se vuelve difícil cuando las partículas interactúan fuertemente unas con otras. En tal caso, la situación se vuelve tan compleja que no hay matemática que describa lo que sucede. Lo que yo hago entonces es trabajar en el desarrollo de esa matemática.

Agência FAPESP – ¿Y cómo lo haces?
Pedro Vieira – Lo que hago es desarrollar la intuición física, por un lado. Por otra parte, hago lo propio con el lenguaje matemático. Ambas cosas son necesarias para describir la situación real: tanto las imágenes físicas como las técnicas matemáticas. En este marco, una cosa que estudio es la llamada Teoría de Cuerdas. En la Teoría de Cuerdas, la idea es que las partículas no son pequeñas esferas, no son puntos, tal como se pensó en la física clásica e incluso en la física contemporánea, sino que son pequeñas cuerdas, pequeños hilos elásticos. Vistas de lejos, esas entidades parecen puntos. Pero vistas de cerca aparecen como cuerdas, como hilos elásticos. Una hipótesis que los físicos consideran sumamente atractiva y muy elegante indica que, si cabe decirlo así, todas las partículas –los cuarks, los electrones, los neutrinos, los fotones, etc.– son en realidad cuerdas. 

Agência FAPESP – ¿Las mismas cuerdas?
Pedro Vieira – Las mismas cuerdas con distintos modos de vibración. Las ondas se propagan por las cuerdas exactamente como sucede cuando tocamos una guitarra y percutimos sus cuerdas.

Agência FAPESP – Esta teoría admite la existencia de cuerdas abiertas y de cuerdas cerradas, ¿no es cierto?
Pedro Vieira – De ser abierta –como un segmento de recta o como cualquier línea que posea dos extremos–, la cuerda al moverse en el espacio-tiempo dibuja una superficie similar a la de un rectángulo, que puede ser un rectángulo liso u ondulado. De ser cerrada –como una circunferencia o como cualquier línea curva que se cierra sobre sí misma–, la cuerda al moverse en el espacio-tiempo diseña un tubo, que puede ser un tubo regular, como la superficie lateral de un cilindro, o un tubo irregular, con ondulaciones y tortuosidades. Por eso el estudio de la Teoría de Cuerdas consiste en estudiar esos rectángulos y esos tubos en el espacio-tiempo, los rectángulos y los tubos que dibujan las cuerdas al moverse.

Agência FAPESP – ¿Y cómo se piensan en ese caso los fenómenos a los que en el Modelo Estándar se los denomina interacciones entre las partículas?
Pedro Vieira – Allí es cuando que la cosa se complica. Sucede que las cuerdas empiezan a dividirse o a juntarse con otras cuerdas. Entonces los rectángulos y los tubos también se dividen o se juntan. Y la descripción matemática de todas esas superficies se vuelve bastante compleja. La intuición que tuvimos y que nos permitió concebir un truco para esquivar esa dificultad matemática consistió en el caso del tubo en recortarle un fragmento en forma de hexágono. Así creamos un elemento básico, pasible de estudiárselo fácilmente con nuestras herramientas matemáticas. Al poner varios de esos hexágonos juntos, es posible obtener algo parecido a una superficie azulejada, y así se puede dibujar cualquier tubo. Entendí que a los tubos, es decir, a los movimientos de las cuerdas cerradas, puede describírselos mediante hexágonos. Y que a los rectángulos, es decir, a los movimientos de las cuerdas abiertas, puede describírselos por medio de pentágonos. Con hexágonos y pentágonos me parece que se pueden describir todos los tipos de cuerdas en movimiento.

Agência FAPESP – ¿Qué más pueden decirnos al respecto?
Pedro Vieira – Cuando pensamos en las cuerdas moviéndose en el espacio-tiempo, nos percatamos de que pueden hacerlo en muchas direcciones. Se mueven en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones (tres para el espacio y una para el tiempo). Pero la superficie de los tubos que se forman debido al movimiento de las cuerdas cerradas tiene dos dimensiones únicamente. Se trata de una superficie bidimensional. Esta observación es sumamente importante, pues indica que si logramos conocer bien la geometría de dicha superficie bidimensional, lograremos conocer también la geometría de esos tubos que están en un espacio plusdimensional. Y es mucho más sencillo estudiar un espacio bidimensional que cualquier espacio con más dimensiones. Si enfocamos la superficie bidimensional del tubo únicamente, ¿qué sucede si alguna onda se mueve en esa superficie, como una ola sobre la superficie del mar? Esa onda sólo puede ir arriba o abajo y a la derecha o a la izquierda. Sólo existen esas posibilidades. Y cuando dos o tres ondas se mueven en esa superficie, se chocan unas con otras. Por eso estudiar la física en dos dimensiones es estudiar esas ondas que se desplazan a lo largo de líneas y pasan unas sobre otras. A esta física puede estudiársela muchas veces mediante una técnica llamada “integrabilidad”. Esta técnica nos permite estudiar esas ondas y lo que ocurre con éstas cuando pasan unas sobre otras. La integrabilidad se utilizaba en algunas aplicaciones tecnológicas de la física de la materia condensada, en el estudio de materiales que son prácticamente unidimensionales. Por supuesto que no son rigurosamente unidimensionales sino casi eso. Y esa técnica permite estudiar todo lo que pasa cuando las partículas sólo pueden desplazarse en una dimensión.

Agência FAPESP – ¿Y cómo se incorporó la integrabilidad a la Teoría de Cuerdas?
Pedro Vieira – Fue una gran sorpresa que ocurrió en 2003, cuando se le prestó atención al hecho de que las cuerdas por sí mismas son objetos unidimensionales. Y que entonces podríamos utilizar la integrabilidad, esa misma simplificación, para estudiar la Teoría de Cuerdas. Esto ahora parece obvio, pero nadie se había percatado de ello antes. Lo que hemos entendido recientemente fue que, con esa técnica matemática, la integrabilidad, podíamos considerar un fragmento de la superficie del tubo en forma de hexágono e imaginar ondas moviéndose en él. Una onda parte de uno de los seis lados del hexágono y se mueve hasta el otro lado. Otra onda parte de un lado distinto y así sucesivamente. En ocasiones esas ondas se encuentran y deben pasar unas sobre otras. Lo que entendimos fue cómo debíamos estudiar esos hexágonos aun cuando exista en ellos una gran agitación, con muchas ondas moviéndose en distintas direcciones. Con la técnica de integrabilidad se volvió posible su estudio. Como cualquier superficie puede dividirse en hexágonos, al estudiar el hexágono logramos describir cualquier superficie, que a su vez describe procesos que ocurren en el espacio-tiempo cuatridimensional. Éste fue uno de los trucos que desarrollamos en el transcurso de los últimos años: el truco de utilizar la física de dos dimensiones para estudiar física de muchas dimensiones.