La primera regla del Club de la Pelea es que no se habla sobre el Club de la Pelea. Dirigida por David Fincher (director de Mank, disponible en Netflix), la película de 1999 consigue construir el orden (y el desorden) a lo largo de 139 minutos partiendo de 8 simples reglas. ¿Podemos explicar el orden y el desorden de las transiciones de fase y los fenómenos críticos partiendo de unas pocas reglas?

En posteos anteriores vimos que el orden (o desorden) macroscópico de un sistema no se obtiene trivialmente partiendo de las reglas físicas microscópicas que describen al sistema. El orden macroscópico puede no ser computable, o en el mejor de los casos, “more is different” y requiere nuevos métodos y aproximaciones. Por eso cuando se consiguieron explicar los fenómenos críticos con una teoría física, fue claro que se estaba realizando un gran avance en el entendimiento de los sistemas físicos extensos. De hecho, la teoría de fenómenos críticos marcó buena parte de la física de los últimos 50 años. No tiene sentido hacer una competencia entre áreas que obtuvieron más premios Nobel, o considerar que la importancia de un área o una teoría depende de si sus autores están listados entre los laureados con un premio (“¡X jugador no ganó ningún mundial, es un pecho frío!“). Hacer esto ignoraría la cantidad de resultados cruciales para la física que fueron valorados mucho más tarde, o que permearon la física tan profundamente que los olvidamos (la física tal como la conocemos no existiría sin el cálculo infinitesimal, y sin embargo, Newton es conocido popularmente por la gravedad y la manzana).

Sin embargo, hacer el ejercicio inverso sí tiene algún sentido: mirar la lista de premios Nobel da información sobre algunos temas que marcaron épocas en la física (de la misma forma que mirar la lista de selecciones que ganaron mundiales da información sobre estilos de fútbol, técnicos y jugadores que marcaron épocas). Y desde 1982 hasta la fecha, muchos premios Nobel tuvieron que ver con el desarrollo de la mecánica estadística, y con el estudio directo o indirecto de las transiciones de fase. Comencemos el repaso de estos premios con Wilson:

El uso del grupo de renormalización para comprender fenómenos críticos fue introducido en la segunda mitad del siglo 20 por Leo Kadanoff, Kenneth Wilson y Michael Fisher. Wilson ganó el premio Nobel en 1982 por su teoría de fenómenos críticos en conexión con transiciones de fase (Kadanoff y Fisher ganaron otros premios). Wilson falleció en junio de 2013, y en conmemoración de esa fecha la American Physical Society publicó en 2019 este breve artículo que resume varias de sus contribuciones:

• APS News: This month in physics history.

Al final de ese artículo van a encontrar la referencia al paper original de Wilson de 1971 por el que ganó el premio Nobel. Los dos artículos de Wilson de 1971 sobre grupo de renormalización y su relación con fenómenos críticos están disponibles (con acceso abierto) en Physical Review B:

• Renormalization group and critical phenomena. I. Renormalization group and the Kadanoff scaling picture.
• Renormalization group and critical phenomena. II. Phase space cell analysis of critical behavior.

Desde 1982 a la fecha, al menos en otras siete ocasiones se entregaron premios Nobel en temas relacionados con mecánica estadística y transiciones de fase. El más reciente (en 2021) ya lo mencionamos cuando hablamos de vidrios de spin y redes neuronales, y fue para Giorgio Parisi, Klaus Hasselmann and Syukuro Manabe por sus contribuciones a la teoría de sistemas complejos. El anterior fue para David Thouless, Duncan Haldane, y Michael Kosterlitz (que estuvo conversando con estudiantes del DF hace unos años), y se otorgó en 2016 por avances teóricos en el estudio de transiciones de fases topológicas de la materia. Las transiciones de fases topológicas involucran un cambio en el orden topológico del sistema: por debajo de una temperatura crítica los “defectos” (por ejemplo, vórtices cuantizados en un superfluido en dos dimensiones) se ordenan en pares (de vórtices con signos opuestos), mientras que por arriba de dicha temperatura se encuentran solitarios y libres. Los interesados en esta transición pueden leer la descripción técnica del premio Nobel, que usa herramientas de la materia (el modelo de Ising, el parámetro de orden, y la energía libre de Landau):

• Topological phase transitions and topological phases of matter.

Yendo hacia atrás en el tiempo y solo llegando en la lista hasta 1982, el premio Nobel de 2003 se entregó a avances en la teoría de superconductores y superfluidos, el de 2001 a los experimentos que obtuvieron los primeros condensados de Bose-Einstein gaseosos en el laboratorio, el de 1996 a la transición de He-3 a la fase superfluida, el de 1991 a avances en el estudio de fases ordenadas en cristales líquidos y polímeros, y el de 1987 a la observación de superconductividad en materiales cerámicos. Los interesados en algunos de estos temas pueden mirar las páginas del premio Nobel, donde encontrarán más información.