Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier obtuvieron el premio Nobel de Física este año (2023) por “métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia”. Vamos por partes: pulsos de luz en attosegundos. ¿Qué es un attosegundo? Wikipedia nos dice que un atto segundo son 10-18 segundos. Ese -18 pequeño se llama exponente y se usa en algo llamado notación científica. Los científicos escriben números de esta forma para describir cantidades muy pequeñas o grandes de una manera práctica. El -18 indica una cantidad muy pequeña, 18 ceros a la derecha después del punto decimal.
Un attosegundo son 0.000000000000000001 segundos o lo que es lo mismo, un segundo divido en attosegundos sería partir un segundo en 1000000000000000000 partes. Un cronómetro de un teléfono celular puede dividir un segundo en 100 partes (centésimas de segundo). En las carreras de Fórmula 1 se toman los tiempos dividiendo el segundo en 1000 partes (milésimas de segundo). Tiempos más pequeños nos resultan ajenos, poco intuitivos. Por lo tanto ¿Qué tan pequeño es un attosegundo? Para tener una idea imaginemos que vamos a grabar una película. Un video, de una manera muy simplificada es un conjunto de imágenes mostradas de manera consecutiva a cierta velocidad dando la sensación de movimiento. En una caricatura se hacen varios dibujos que, mostrados a gran velocidad, generan la ilusión de movimiento. El caballo en movimiento hecho por Eadweard Muybridge en 1878 es un famoso ejemplo:
Tomado de https://en.wikipedia.org/wiki/Film#/media/File:The_Horse_in_Motion-anim.gif
Este video primitivo (en realidad se llama cronofotografía) se compone de 12 dibujos que mostrados de manera consecutiva en un segundo, es decir, 12 fotos por segundo, o en la jerga audiovisual, a 12 cuadros por segundo, le dan al espectador la sensación de movimiento. Volviendo a nuestra película, esta va a ser muy corta, de tan solo un segundo. Pero no la vamos a grabar con una cámara cualquiera, utilizaremos la “cámara” que diseñaron los ganadores del premio Nobel. Es decir, una cámara que graba en intervalos de attosegundos, es decir a 1000000000000000000 cuadros por segundo. Algo más que los 12 cuadros por segundo de Muybridge.
Una vez terminada nuestra corta grabación de un segundo, entra el proceso de edición. No es posible lanzar una película sin verificar cuadro a cuadro que todas las secuencias sean correctas, debemos revisar foto a foto. Pero recordemos que debemos revisar 1000000000000000000 fotos. Tal vez tengamos cierto apuro en entregar la película, así que nos hemos fijado un límite de 1 segundo por cada cuadro. Es decir, tardaremos exactamente 1 segundo en revisar cada fotografía. Por lo tanto, necesitamos 1000000000000000000 segundos para revisar nuestra película de 1 segundo. Estos 1000000000000000000 segundos equivalen a 31688087814.02895 años, 31688087.814 milenios o 31688.087 millones de años.
La edad del Universo, según los cálculos cosmológicos es de 14000 millones de años, cálculos más generosos la estiman en 26700 millones de años. Es decir, que, si empezáramos a revisar cada cuadro de nuestra película de 1 segundo, que está dividida en fracciones de attosegundos y por tanto, se compone de 1000000000000000000 imágenes, no alcanzaríamos a terminar la revisión aun cuando hubiéramos empezado a hacerlo en el momento del BigBang. Necesitaríamos casi el doble o el triple del tiempo transcurrido desde el inicio del Universo hasta hoy, para terminar la postproducción de nuestra película. Demasiado tiempo de revisión para una película de 1 segundo, donde no ocurre prácticamente nada, al menos en el mundo que perciben nuestros sentidos.
Tal vez exageramos un poco con nuestra película de 1 segundo con la cámara con una resolución de attosegundos (1000000000000000000 cuadros por segundo). Nada de lo que ocurre en nuestra cotidianidad requiere ese nivel de detalle, sería un desperdicio de recursos y un imposible. No conozco un disco duro capaz de guardar 1000000000000000000 de imágenes. Un cálculo apresurado me arroja 23148 millones de Terabytes. Un buen computador tiene 1 Terabyte de almacenamiento y toda la información en internet pesa alrededor de 1000 millones de Terabytes, 23 veces menos que nuestra película de un 1 segundo de 1000000000000000000 de cuadros. Por lo tanto, ¿Para qué queremos una cámara que graba en attosegundos? ¿Cuál es su utilidad? ¿Qué se ve en un attosegundo? La respuesta es: el estudio de la dinámica de los electrones en la materia.
Los galardonados con el premio Nobel de Física, tienen el mérito de poder diseñar un experimento en el cual se emiten pulsos de luz en attosegundos. Pero este mérito no es sólo técnico, es también científico por las posibilidades que ofrece. Imaginemos que estos pulsos de luz son como un estroboscopio, esos destellos que vemos en las discotecas y crean una ilusión donde las personas se mueven de manera discontinua. En la siguiente animación podemos ver un segmento de un capítulo de los Simpson donde un joven Homero se aproxima a una van iluminada por un estroboscopio y luego se retira al ver que no es bienvenido:
Tomado de https://giphy.com/gifs/0UGbJOxiJc633K2rt4
Esta secuencia resulta graciosa por el movimiento discontinuo, vemos el movimiento con menor resolución, comparado a como lo veríamos si la luz en el interior de la van estuviera “siempre” encendida. De hecho, las bombillas en casa también emiten luz intermitente, pero no nos damos cuenta porque el tiempo que transcurre entre un pulso de luz y otro es corto para nuestros sentidos y por tanto percibimos que la luz “siempre” está ahí. Las pantallas de los computadores hacen lo mismo (se llama tasa de actualización o refresh rate). En las pantallas antiguas de los computadores, cuando se grababa un video de la pantalla, era posible ver al computador actualizando la imagen.
El punto es que, si queremos ver algo con suficiente detalle, necesitamos una fuente de iluminación que arroje destellos tan rápidos que ilumine cada movimiento. El “estroboscopio” de los galardonados con el premio Nobel emite pulsos de luz individuales, tan cercanos los unos de los otros en apenas cientos de attosegundos. Estos pulsos de luz permiten ver el movimiento de los electrones, que en un segundo zumban tanto como segundos han transcurrido desde la creación del Universo. Por lo tanto, una película de un segundo para ver un electrón es inimaginablemente larga, basta unos cientos de attosegundos para una buena película con un electrón como protagonista. Las aplicaciones de este avance son prometedoras y están por verse, pero en la ceremonia en la que se anunciaron los ganadores resaltaron la electrónica, la identificación de moléculas y los diagnósticos médicos.
