bistabilidad

Un libro con pestillos en las páginas: solo se puede pasar la hoja si sabes cómo hacer clic en el borde. Así funciona más o menos el metamaterial mecánico del que hablaremos. Cada celda es una pequeña masa dentro de otra mayor, unida a ella por una viga elástica. La viga puede estar en dos posiciones estables, como un interruptor.

Una cerradura con dos llaves distintas: una gira con facilidad, la otra exige un esfuerzo notable. Así se comportan dos capas de nitruro de boro hexagonal cuando se giran una respecto a la otra. Este material está formado por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal, y sus capas pueden adoptar diferentes posiciones, como dos rejillas idénticas desplazadas un cierto ángulo.

En un acuario del tamaño de una mesa de comedor, dos bancos de neones negros nadan en compartimentos adyacentes separados por una pared transparente. No pueden tocarse, pero ven cada movimiento. Y aquí está lo sorprendente: cuando un banco decide girar a la izquierda, el otro hace lo mismo un instante después. Como si dos péndulos colgados tras un cristal comenzaran a oscilar al unísono.

Cada invierno los hospitales se llenan y en verano parece que se vacían. Las epidemias respiran como la marea. Pero, ¿por qué las olas de enfermedades vuelven una y otra vez, incluso sin nuevas mutaciones? Los matemáticos encontraron la respuesta en la disputa entre dos cepas. Dentro de una misma epidemia suelen convivir dos variantes del virus.

Un bosque no vive en un mundo estático. En invierno y verano, de día y de noche, las condiciones a su alrededor cambian, y cada una de esas oscilaciones es como un ritmo al que se ajustan todos sus habitantes.

Las especies raras en una gran comunidad son como ramas delgadas de un árbol: es fácil romperlas con una ráfaga casual. Incluso si las condiciones son estables, una población pequeña simplemente no tiene suficientes individuos para sobrevivir una mala temporada.

El interruptor hace clic y la luz se enciende. Pero hay interruptores que, con la misma pulsación, pueden encender la lámpara o dejar la habitación a oscuras. Además, recuerdan lo que hicieron la última vez y, a veces, parecen lanzar una moneda al aire para decidir si encienden la luz.

Dos cuerdas pegadas a lo largo se enrollan solas en una doble hélice. Así está hecho el ADN, solo que el papel del pegamento lo juegan los enlaces de hidrógeno entre las bases, y la rigidez la aportan las propias cadenas.

Dos jardineros negocian por el agua de un pozo mágico. Uno propone cuántos cubos tomar, el otro puede aceptar o rechazar. Si se hace el trato, el agua disminuye; si no, el pozo se vuelve a llenar gradualmente. Este regateo se repite cientos de veces, y los hábitos de los jardineros a veces cambian aleatoriamente, como si estuvieran probando nuevas tácticas.

En una habitación con un rincón muerto, el sonido no llega. En la pared, un espejo inteligente: capta el sonido y lo redirige, haciendo audible lo oculto. Así funciona una superficie reflectante en las comunicaciones inalámbricas. Pero si la fuente está justo delante, el espejo solo crea eco.

La catenaria ferroviaria se asemeja a una galaxia: la energía fluye por ella como la gravedad, y los trenes se convierten en planetas. Cuantos más trenes consumen corriente simultáneamente, más fuertes son las oscilaciones de voltaje: recorren el sistema ondas gravitacionales que amenazan con apagones.

La red eléctrica ferroviaria es como una orquesta: los trenes son músicos cuyos sistemas reaccionan de manera diferente a la corriente. Cuando sus «voces eléctricas» suenan desacompasadas, se produce un desorden, una cacofonía que puede convertirse en una peligrosa oscilación de la tensión.

Un corredor pierde tanto en una pista lisa como en arena blanda. Parecería que no tiene oportunidades. Pero si el terreno bajo sus pies empieza a cambiar cada pocos segundos —unas veces pista, otras arena—, de repente el corredor deja de quedarse atrás. No se vuelve más rápido; simplemente el entorno no logra 'rematar' su debilidad.

Un corredor que, a mitad de la carrera, de repente cambia a paso ligero: ni acelera ni frena, sino que mantiene un ritmo constante. Algo similar pudo ocurrirle al propio universo poco después del Big Bang. Esta fase se denominó «estasis», de la palabra griega que significa «detención».

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

Dentro de cada célula opera una compleja red de genes que determina en qué se convertirá: neurona, célula muscular o parte de la piel. Esta elección a menudo se asemeja al accionamiento de un interruptor: dos posiciones estables, y la célula decide hacia qué lado inclinarse.

Imagina dos líquidos inmiscibles, por ejemplo aceite y agua. En condiciones normales, tienden a separarse formando una interfaz nítida. Pero introduce nadadores microscópicos — bacterias, cuya base es el carbono — y el panorama cambia drásticamente.

Lanza un puñado de monedas sobre la mesa: cada una caerá de cara o de cruz por su cuenta. Ahora imagina que las monedas comienzan a darse la vuelta, empujándose unas a otras. Algo así hacen los neutrinos en un medio muy denso.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

Quien busca las llaves repasa mentalmente los lugares donde podrían estar. Un ave que en otoño escondió cientos de semillas en rendijas las encuentra en invierno sin equivocarse. ¿Cómo cabe tanta información en el cerebro si todos tenemos aproximadamente el mismo número de neuronas? La respuesta está en la geometría.

Una bola en una pendiente con dos hoyos normalmente rueda hacia el más cercano y se detiene. Pero si la pendiente está ligeramente deformada y "recuerda" los empujones recientes, la bola puede quedarse atascada a medio camino, en un punto estrecho del que no quiere salir. Ese mismo truco lo han hecho los físicos con la luz.

Cuando una sopa caliente se enfría, aparecen grumos en la superficie; de manera similar, el universo temprano, al enfriarse, generaba filamentos de energía: las cuerdas cósmicas. Algunas se asemejan a una goma elástica tensada: mientras está intacta, es estable. Pero si cortas la goma, se rompe.

Una persona escucha un zumbido que no existe. El médico le pide que lo describa: volumen, tono, constancia. Pero esto es subjetivo: uno dirá "como un mosquito", otro "como el vapor de una tetera". Se necesita una forma de ver el tinnitus directamente, en el propio cerebro.

En una gran ciudad, después de la lluvia, el agua se acumula en los mismos bajíos, sin importar dónde caigan las primeras gotas. Una hora después, el panorama de los charcos apenas depende del punto exacto donde comenzó el aguacero. Eso es el equilibrio: un resultado al que el sistema llega independientemente del punto de partida, si se olvidan los detalles.

Una multitud de personas de repente empieza a moverse como una sola persona. En física, esto ocurre con los espines atómicos: diminutas agujas magnéticas. Cuando muchos espines se juntan y se comunican a través de un medio común, forman un gran imán, o macroespín.

Mantener en la cabeza un número de teléfono mientras lo marcas es memoria de trabajo. En el cerebro, esto lo hace un grupo de células que se envían señales entre sí, como personas que pasan un cubo por una cadena. Pero cada transmisión tiene un costo: se necesitan sustancias mediadoras que se agotan.

Un diapasón al que se le da un golpe se apaga: sus vibraciones se escapan al aire. Pero existen sistemas donde la oscilación no se amortigua, aunque alrededor haya muchas ondas libres dispuestas a llevarse la energía. Estos estados 'atrapados' son lo que los físicos llaman estados ligados en el continuo (BIC, por sus siglas en inglés).

Una hoja plana con cortes en un flujo de agua o aire se comporta como persianas autoajustables. La presión abre las rendijas y cada tira de material se inclina, convirtiéndose en un ala en miniatura. Así, incluso una hoja colocada perpendicular al flujo genera no solo resistencia frontal, sino también una fuerza de sustentación lateral significativa.

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

El punto brillante en la cámara de vacío no se apaga, aunque hace tiempo que dejaron de iluminarlo. Un ion de iterbio atrapado por campos eléctricos se ha quedado en un estado excitado, como si el electrón en su interior hubiera olvidado cómo volver a su lugar habitual.

Una célula puede editarse perfectamente, pero aun así resultar inútil. El gen se corrige exactamente según el plan, pero la célula se comporta de manera impredecible: deriva, cambia su destino, pierde seguridad. Es como arreglar un engranaje de un reloj, pero el reloj sigue andando mal porque todo el mecanismo se ha desajustado.

El entrelazamiento cuántico funciona como una correa: une las partículas, pero la longitud de esta atadura está estrictamente limitada. En una cadena de partículas, el calor hace el papel de un perro impaciente que tensa la correa: cuanto más calor, más corta es la distancia a la que aún se mantiene la conexión.

Una pila de tortitas idénticas en un plato es solo una pila. Pero si las colocas con un cierto orden, de repente aparece algo nuevo: por ejemplo, un patrón que no era visible en cada tortita por separado. Algo parecido han hecho los físicos con capas delgadas de materiales.

Un ecosistema es como un columpio al que alguien empuja imperceptiblemente. Antes se pensaba que lo importante era que el columpio no se balanceara demasiado. Pero los autores del trabajo muestran que lo más peligroso es cuando el punto de equilibrio se desliza hacia un lado donde el columpio ya no puede volver.

Las baldosas comunes forman un patrón repetitivo. Pero los átomos pueden hacer más: en ciertas condiciones, ellos mismos crean un mosaico complejo donde el diseño nunca se repite, como en los paneles de azulejos antiguos.

En un acelerador de plasma, las partículas se aceleran como surfistas sobre una ola creada en el plasma. Si el paquete líder y el paquete trasero no viajan en la misma línea, surge una inestabilidad que sacude al paquete trasero. Es como si un surfista en una ola comenzara a zigzaguear de un lado a otro: su trayectoria se degrada y puede caerse de la ola.

La goma elástica está estirada y, de repente, se rompe. En el mundo de los átomos hay una imagen similar: la cuerda que une las partículas puede romperse. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron una cadena de átomos de Rydberg y siguieron cómo se rompe esa cuerda.

Una película delgada de óxido metálico descansa sobre una superficie con una pequeña cavidad. Si se comprime ligeramente la película desde los lados, no se arruga, sino que se abomba hacia abajo en la cavidad o hacia arriba formando una joroba. Ambas posiciones son estables, como la tapa de una lata de conservas, que está o hundida o abombada y no salta de un lado a otro por sí sola.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

Golpea el fondo de una lata de conservas: se hundirá hacia adentro y se quedará así. Vuelve a presionar: se abombará hacia afuera. Esto es bistabilidad: un sistema con dos estados estables, como un interruptor de luz. Un arco elástico es el ejemplo más simple de este tipo de sistema.