“Cuando la información encuentra un lenguaje matemático capaz de trascender las diferencias físicas de su portador, las ondas, los fotones, los neutrinos y los muones dejan de ser únicamente partículas de naturaleza distinta para convertirse en protagonistas de una misma pregunta: ¿puede el Universo expresar un mensaje mediante infinitas formas físicas, unidas por la arquitectura universal de las matemáticas?”

Preámbulo

Hay proyectos que nacen en el aula, se convierten en experiencias inolvidables y, con el paso del tiempo, encuentran nuevas formas de manifestarse gracias a los avances de la tecnología.

Hoy quiero compartir con ustedes una experiencia que ha marcado dos momentos de mi historia personal y académica, unidos por una misma inquietud: comprender cómo podemos transmitir información mediante distintos fenómenos físicos y cómo la electrónica nos permite transformar esas ideas en realidades tangibles.

Hacia el año 2003, mientras impartía clases en la carrera de Ingeniería en Sistemas, un estudiante de maestría me compartió un proyecto que coincidía de manera extraordinaria con una de las asignaturas que tenía a mi cargo: Teoría de Ondas.

Nos embarcamos entonces en la construcción de un pequeño radar y una antena Bambi, concebida como un pequeño radiotelescopio.

Trabajábamos con el microcontrolador PIC16F84, cuya programación representaba un verdadero desafío para la época.

Sin embargo, entre cálculos, circuitos y líneas de código, conseguimos resolver el reto de la mejor manera: logramos transmitir un mensaje corto.

Aquel resultado, aunque modesto en apariencia, encerraba una lección invaluable sobre la relación entre las ondas, la electrónica y la transmisión de información.

Años después, tras la pandemia, retomamos aquel espíritu de exploración mediante un nuevo experimento: transmitir música utilizando un Arduino y un haz láser.

El proyecto nos permitió comprobar, en la práctica, cómo una señal puede transformarse, viajar mediante la luz y recuperarse en el extremo receptor para reproducir el sonido.

Fue una experiencia especialmente significativa porque nos permitió reencontrarnos con una idea que ya habíamos explorado años atrás, pero ahora desde las posibilidades que ofrecen las nuevas herramientas electrónicas.

Esta evolución también me recuerda otro proyecto académico: la construcción de la caja de control de un elevador, desarrollada por estudiantes de Electromecánica.

El sistema original estaba compuesto por numerosas cajas interconectadas a un panel de control.

Gracias al apoyo de un gran amigo y excelente profesional, el ingeniero en jefe Aurelio, pude comprender y desarrollar parte de aquel complejo circuito.

A partir de esa experiencia, comenzamos a explorar cómo reducir y transformar el sistema analógico en una arquitectura digital, con el propósito de que los estudiantes no solo fueran capaces de realizar la conversión, sino también de reconocer las correspondencias funcionales y las diferencias fundamentales entre ambos enfoques.

Estas experiencias me han enseñado que la tecnología no avanza únicamente cuando sustituimos componentes antiguos por otros más modernos; también progresa cuando somos capaces de descubrir los principios que permanecen detrás de cada transformación.

Lo analógico y lo digital, las ondas de radio y los pulsos luminosos, los circuitos electrónicos y los sistemas de comunicación constituyen distintas aproximaciones a un problema común: representar, transportar y recuperar información.

Hoy quiero invitarlos a dar un paso más allá de aquellas experiencias, hacia una frontera fascinante de la física contemporánea.

Les presento un artículo que he denominado un salto cuántico, en el que exploraremos una pregunta tan provocadora como sugerente: ¿sería posible transmitir información (e incluso música), mediante partículas de naturaleza física diferente, como los fotones, los neutrinos o los muones?

No se trata de afirmar que todas estas posibilidades tengan el mismo grado de viabilidad tecnológica, sino de examinar sus fundamentos, sus limitaciones y los principios que podrían permitirnos comprenderlas desde una perspectiva común.

Como siempre, les agradezco sinceramente que me acompañen en este recorrido por la ciencia, la tecnología y las ideas que nos impulsan a seguir aprendiendo.

Gracias por dedicar parte de su valioso tiempo a leerme, por compartir esta curiosidad intelectual y por mantener viva la convicción de que cada experimento, cada pregunta y cada descubrimiento pueden abrir una nueva puerta al conocimiento.

Muchas gracias por acompañarme una vez más en este viaje, donde la curiosidad conecta nuestra historia con las posibilidades del futuro.

Introducción: una pregunta que conecta la tecnología con la física fundamental

A lo largo de la historia, el ser humano ha buscado diferentes maneras de transmitir información: desde las señales de humo y los mensajes escritos hasta las ondas de radio, las fibras ópticas y los sistemas digitales.

Aunque estos procedimientos parecen muy distintos, todos comparten un propósito fundamental: conseguir que un mensaje generado en un lugar pueda ser interpretado en otro.

Esta continuidad nos invita a formular una pregunta que trasciende las tecnologías convencionales: ¿es posible establecer un lenguaje matemático común para transmitir información mediante partículas de naturaleza física diferente?

La pregunta surge de una reflexión sobre tres experiencias tecnológicas: la transmisión de un mensaje breve mediante un proyecto electrónico basado en ondas de radio, la transmisión de música utilizando un láser y el estudio de sistemas de control electromecánico mediante la transformación de circuitos analógicos en digitales.

Aunque cada experiencia responde a necesidades diferentes, todas permiten reconocer una idea central: la información puede representarse de diversas maneras sin que necesariamente cambie el significado del mensaje que deseamos comunicar.

Esta observación abre una posibilidad de exploración intelectual.

Si podemos representar una canción mediante una señal eléctrica, transmitirla utilizando luz y recuperarla mediante un receptor, ¿podríamos emplear principios matemáticos semejantes para estudiar la transmisión de información mediante otras partículas, como los neutrinos o los muones?

La respuesta exige distinguir entre lo que ya se realiza tecnológicamente, lo que se ha demostrado experimentalmente y lo que todavía constituye un desafío científico.

1. La información: un lenguaje que trasciende los dispositivos

Para comprender esta posibilidad, imaginemos una canción que deseamos enviar a otra persona.

Podemos almacenarla en un teléfono, convertirla en una señal eléctrica, transmitirla mediante ondas de radio o utilizar un haz de luz.

En cada caso, el mecanismo físico es diferente, pero el objetivo permanece: conservar la información necesaria para reconstruir la canción en el destino.

La información no depende exclusivamente del material o del dispositivo que la transporta. Una misma secuencia musical puede representarse mediante números, pulsos eléctricos, variaciones luminosas o símbolos digitales.

Lo importante es que exista una correspondencia entre el mensaje original y la señal utilizada para transmitirlo.

Aquí aparece el papel de las matemáticas.

Mediante ellas podemos describir las señales, establecer reglas de codificación, calcular probabilidades de error y determinar cuánta información puede recuperarse después de la transmisión.

En lugar de estudiar cada tecnología como un fenómeno completamente aislado, podemos utilizar conceptos compartidos para comparar su funcionamiento.

La teoría de la información, desarrollada por Claude E. Shannon, proporciona una de las bases fundamentales para este enfoque.

Su aportación permitió estudiar matemáticamente la comunicación, independientemente de que el mensaje consistiera en palabras, sonidos o datos digitales.

Esto no significa que todos los canales funcionen de la misma manera, sino que podemos formular preguntas comunes acerca de su capacidad, sus limitaciones y la confiabilidad de los mensajes transmitidos.

Por consiguiente, un lenguaje matemático común no requiere que las partículas sean físicamente idénticas. Requiere que podamos describir los procesos de comunicación mediante conceptos compatibles y reconocer, al mismo tiempo, las particularidades de cada fenómeno.

2. Fotones, neutrinos y muones: tres posibilidades diferentes

Para explorar esta idea, debemos acercarnos a tres tipos de partículas que poseen propiedades físicas muy distintas.

Los fotones son las partículas asociadas a la luz y a las demás formas de radiación electromagnética.

Gracias a ellos funcionan las comunicaciones ópticas, incluidas las que utilizan fibras de vidrio y sistemas láser.

Cuando transmitimos música mediante un láser, podemos codificar la señal sonora en variaciones controladas de la luz. Un detector recibe esas variaciones y las convierte nuevamente en una señal eléctrica, que después puede transformarse en sonido.

Este procedimiento constituye un ejemplo concreto de cómo una estructura de información puede viajar mediante un fenómeno físico distinto del sonido original. No necesitamos transportar las vibraciones del aire de una habitación a otra; basta con transmitir una representación adecuada de ellas.

Los neutrinos plantean una situación muy diferente. Son partículas elementales que interactúan muy débilmente con la materia, por lo que pueden atravesar grandes cantidades de material sin ser detectadas.

Esta propiedad los hace interesantes para investigar comunicaciones en circunstancias donde las señales electromagnéticas resultan difíciles de utilizar. Sin embargo, su detección es extraordinariamente complicada.

Para reconocer un neutrino, normalmente necesitamos observar los efectos de alguna de sus escasas interacciones con la materia.

En 2012 se demostró experimentalmente la transmisión de un mensaje binario mediante neutrinos.

Este resultado mostró que era posible comunicar información utilizando estas partículas, aunque las condiciones experimentales estaban muy lejos de permitir una transmisión musical cotidiana.

El desafío no consiste únicamente en producir neutrinos, sino en generar señales controladas, detectar suficientes eventos y distinguir el mensaje del ruido estadístico.

Los muones, por su parte, son partículas elementales con carga eléctrica, similares a los electrones, pero mucho más masivas. Son inestables y se desintegran espontáneamente.

Su producción y detección controladas requieren equipos especializados, como los utilizados en la investigación de física de partículas.

En principio, podrían estudiarse esquemas para codificar información mediante haces de muones, pero ello no implica que exista una tecnología práctica para transmitir música de esta manera.

Estas diferencias revelan una cuestión esencial: aunque podamos describir la comunicación mediante una estructura matemática común, las propiedades físicas de cada partícula determinan qué procedimientos son posibles, qué dificultades deben resolverse y cuánta información puede transmitirse de forma confiable.

3. La matemática como puente entre diferentes medios físicos

¿Cómo podríamos comparar estos sistemas sin confundir sus mecanismos?

Una alternativa consiste en describirlos mediante cinco elementos generales: una fuente de información, un codificador, un canal físico, un detector y un decodificador.

La fuente produce el mensaje; el codificador lo transforma en una representación adecuada para la transmisión; el canal permite que esa representación llegue al destino; el detector registra la señal recibida, y el decodificador reconstruye el mensaje original.

Este esquema puede aplicarse a una comunicación por láser, a una transmisión por radio y, en un contexto experimental mucho más complejo, a un sistema que utilice neutrinos.

La estructura general es semejante, aunque los equipos, las escalas de energía, las probabilidades de detección y las dificultades técnicas sean muy diferentes.

Las matemáticas permiten expresar esta estructura mediante modelos, funciones y relaciones entre variables.

Podemos estudiar cuántos bits se transmiten por segundo, qué probabilidad existe de perder un mensaje, cuánta energía se necesita y qué tan fielmente se recupera la información.

Por ejemplo, supongamos que deseamos enviar una canción digitalizada. Primero la convertimos en una secuencia de ceros y unos.

Después, asignamos una representación física a esos valores: dos niveles de intensidad luminosa en un sistema óptico, por ejemplo, o dos patrones temporales de emisión en un esquema experimental de comunicación mediante partículas.

Finalmente, el receptor interpreta las señales registradas y reconstruye la secuencia digital.

En un canal óptico, la detección puede ser rápida y eficiente.

En un canal de neutrinos, la escasez de interacciones detectables dificulta identificar cada símbolo y obliga a considerar tiempos de observación, redundancia y corrección de errores. La matemática permite comparar ambas situaciones, pero no elimina las diferencias físicas que las originan.

Por ello, el lenguaje común no debe entenderse como una fórmula universal capaz de resolver automáticamente cualquier problema de comunicación.

Debe entenderse como un marco de descripción que permite estudiar diferentes sistemas mediante preguntas y herramientas compatibles.

4. De la electrónica analógica a la digital: una analogía útil

La transformación de circuitos analógicos en digitales ofrece una analogía especialmente ilustrativa.

En un sistema analógico, una señal puede variar de manera continua dentro de un intervalo.

En uno digital, la información se representa mediante valores discretos, como los ceros y los unos que utilizan las computadoras.

Ambos sistemas pueden representar información relacionada, aunque lo hagan de maneras distintas.

La conversión exige procedimientos específicos y puede introducir limitaciones, pero permite que dispositivos diferentes intercambien datos mediante reglas comunes.

Algo semejante ocurre cuando comparamos los canales físicos. Una señal de audio puede representarse mediante una corriente eléctrica o mediante variaciones luminosas.

Si ambas representaciones conservan la información necesaria, podemos recuperar el mismo mensaje utilizando receptores adecuados.

La analogía tiene límites importantes: convertir una señal analógica en digital no equivale a transformar una partícula en otra.

Las diferencias entre fotones, neutrinos y muones son mucho más profundas que las existentes entre dos formas de representar una señal electrónica.

Sin embargo, la comparación nos ayuda a comprender que el significado de un mensaje puede conservarse a pesar de que cambie su representación física.

Esta perspectiva también permite formular una pregunta educativa: ¿podemos enseñar los principios generales de la comunicación utilizando primero experimentos accesibles y después modelos que describan fenómenos más complejos?

Un proyecto con Arduino y un láser puede servir como punto de partida para comprender la codificación y la detección, mientras que la comunicación mediante neutrinos permite explorar los límites de esos mismos conceptos.

5. La barrera de lo físico: no todo lo que las matemáticas pueden describir se puede trasladar al mundo de la tecnología.

“La información puede representarse mediante estructuras matemáticas y transmitirse a través de distintos medios físicos, siempre que exista un mecanismo capaz de codificarla, transportarla, detectarla y recuperarla, de acuerdo con las propiedades y limitaciones de cada medio”.

Establecer un modelo matemático común no significa que todas las formas de transmisión sean igualmente viables.

Una ecuación puede describir un procedimiento posible bajo ciertas condiciones, pero su realización depende de las leyes físicas, de los instrumentos disponibles y de los recursos necesarios.

Los fotones cuentan con una infraestructura tecnológica ampliamente desarrollada. Podemos producirlos, dirigirlos, modularlos y detectarlos mediante dispositivos relativamente accesibles.

Por eso, transmitir música mediante un láser es una experiencia realizable en un laboratorio educativo.

Los neutrinos, en cambio, requieren instalaciones especializadas para su producción y detección.

Aunque ya existe una demostración experimental de comunicación mediante estas partículas, convertir ese resultado en un sistema capaz de transmitir audio con utilidad práctica constituye un desafío muy diferente.

Los muones también presentan dificultades relacionadas con su inestabilidad, su producción y su detección.

Además, su carga eléctrica hace que respondan a los campos electromagnéticos, lo cual influye en la manera de dirigirlos y controlarlos.

La teoría de la información puede ayudarnos a evaluar estos problemas, pero no sustituye la experimentación.

Necesitamos combinar las matemáticas con la óptica, la electrónica, la física de partículas y la ingeniería para determinar qué sistemas funcionan, bajo qué condiciones y con qué rendimiento.

En consecuencia, la pregunta inicial no debe responderse mediante una afirmación absoluta.

Sí podemos construir un lenguaje matemático compartido para analizar la transmisión de información a través de diferentes partículas, pero cada implementación requiere modelos físicos particulares y evidencia experimental que confirme sus posibilidades.

Conclusión: una misma pregunta, distintos caminos físicos

¿Es posible establecer un lenguaje matemático común para transmitir información mediante partículas de naturaleza física diferente?

La respuesta es afirmativa si entendemos ese lenguaje como un marco para representar mensajes, estudiar canales, calcular errores y evaluar la recuperación de la información.

La teoría de la información ofrece herramientas para comparar sistemas diversos, mientras que la electrónica, la óptica y la física de partículas permiten comprender las condiciones particulares de cada uno.

La transmisión de música mediante un láser demuestra que un mensaje sonoro puede viajar mediante luz sin que el sonido original tenga que propagarse físicamente hasta el receptor.

La comunicación experimental mediante neutrinos demuestra que incluso partículas extraordinariamente difíciles de detectar pueden transportar información bajo condiciones especializadas.

Los muones, por su parte, plantean otra posibilidad de investigación, aunque sus propiedades hacen que su utilización práctica sea especialmente compleja.

El verdadero alcance de esta propuesta no consiste en afirmar que todas las partículas pueden utilizarse indistintamente para comunicar mensajes, sino en descubrir qué principios matemáticos permanecen cuando cambia el medio físico.

Comprender esas correspondencias nos permite conectar experiencias tecnológicas concretas con preguntas fundamentales de la ciencia.

Quizá el avance más significativo no sea encontrar una única partícula capaz de transportar cualquier mensaje, sino desarrollar herramientas matemáticas que nos permitan comprender, comparar y explorar las múltiples formas en que la naturaleza puede convertirse en portadora de información.

“Quizá el Universo no sea solamente un vasto escenario donde las partículas danzan bajo las leyes de la naturaleza, sino también un misterio en el que la información encuentra innumerables formas de manifestarse; y quizá, al descubrir el lenguaje matemático que las conecta, no estemos únicamente descifrando cómo se comunican los elementos de la realidad, sino acercándonos a una pregunta aún más profunda:

¿es la información una propiedad del Universo que hemos aprendido a interpretar, o es el Universo mismo una forma de información que apenas comenzamos a comprender?”