teoría de campos conformes

Los electrones en una película ultralimpia de arseniuro de galio se comportan como una multitud en una encrucijada donde la dirección la marca la inclinación del campo magnético. Con inclinación cero, forman un líquido compresible de fermiones compuestos, partículas formadas por un electrón y un par de vórtices.

Imagina un interferómetro como un oído gigante que escucha el susurro de una galaxia lejana. Tres antenas, distribuidas por continentes, captan la señal, y la diferencia de sus fases se combina en una magnitud que no depende del centelleo atmosférico. Esa magnitud se llama fase de cierre.

Un puñado de monedas cae sobre la mesa: cara y cruz se colocan al azar. Así se ve una instantánea de una cadena cuántica: en algunos lugares hay partícula, en otros no. Pero detrás del desorden se esconde un ángulo estricto. En el trabajo tomaron una cadena de partículas cerrada en un anillo. La dividieron en cuatro arcos: dos se midieron, dos se dejaron intactos.

Una piedra lanzada contra una pared rebota. En el mundo cuántico, una partícula puede atravesarla como si la pared estuviera tejida de niebla. Eso es el efecto túnel cuántico: enciende las estrellas, funciona en los microchips e incluso en las células de nuestro cuerpo.

Una partícula cuántica se mueve en círculo, pasando por varias estaciones. En cada estación, algo le ocurre, por ejemplo, sus propiedades cambian ligeramente. Tras completar el ciclo, la partícula regresa, pero su estado ya no es exactamente el mismo que al principio.

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

Dos observadores, Alicia y Bob, están sentados en extremos opuestos de un mismo laboratorio. Entre ellos hay una fuente que dispara dos pulsos uno tras otro. Cada pulso genera un paquete de ondas que viaja hacia su detector. Hasta aquí, todo parece un experimento ordinario con partículas cuánticas.

Un cristal de color verde pálido se colocó en un campo magnético y se enfrió por debajo de un kelvin, casi hasta el cero absoluto. En su interior se esconden cadenas de átomos de cobre que se comportan como diminutas agujas magnéticas.

El modelo estándar de la física de partículas es un catálogo de todos los ladrillos conocidos del universo: electrones, quarks y otros. Pero no dice nada sobre la materia oscura y no se lleva bien con la gravedad. El nuevo trabajo da un paso audaz: a cada ladrillo del catálogo se le añade su reflejo especular con rotación opuesta.

El horizonte de un agujero negro no es una pared, sino más bien una membrana de un solo sentido. Todo lo que lo cruza desaparece para siempre. Stephen Hawking demostró que este límite debería brillar débilmente, emitiendo partículas. Pero captar ese resplandor de un agujero real es imposible: está demasiado lejos y es demasiado tenue.

El límite de un agujero negro es como el borde de una cascada: una vez que lo cruzas, no hay vuelta atrás. Pero a diferencia de una cascada, este límite puede ser muy frágil: basta un ligero empujón para que desaparezca.

En la física cuántica hay teorías donde todo obedece a proporciones claras, como un ritmo musical que siempre vuelve al inicio del compás. Pero también existen teorías 'irracionales', donde el ritmo se rompe y predecir el siguiente golpe es casi imposible. Una de ellas es la teoría del bosón compactificado: la partícula vive en una circunferencia y su comportamiento depende del radio de esa circunferencia.

Construir una casa sobre arena es una mala idea. En física, durante mucho tiempo se pensó que la teoría cuántica de la gravedad tampoco podía construirse sobre una "arena" fija: un espacio-tiempo predeterminado.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

A principios del siglo XX, Albert Einstein demostró que la gravedad es la curvatura del espacio y del tiempo. Poco antes, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en una sola teoría.

Un cálculo cuántico a veces se parece a un intérprete que se distrae con cada crujido en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. En física, ese «crujido» se llama problema del signo: surge cuando las probabilidades en las fórmulas se vuelven negativas o complejas, y las simulaciones informáticas habituales empiezan a fallar.

Un agujero negro es como una peonza: cuanto más rápido gira, más notable es su comportamiento. Tiene dos fronteras: el horizonte externo y el interno, límites de los que ni siquiera la luz puede escapar. En el nuevo trabajo, los físicos se asomaron al interior de un agujero negro giratorio con carga y multiplicaron las áreas de esas dos superficies.

El tiempo es caprichoso. Dentro de una estrella masiva fluye tranquilo, como la arena en un viejo reloj de chimenea. Afuera, a escala del universo entero, se estira junto con el espacio, como si ese mismo reloj hubiera caído en un ascensor que acelera y frena sin cesar.

Una esponja de cocina empapada en almíbar: en algunos lugares hay más almíbar y el dedo se pega de inmediato; en otros, apenas lo toca. Así es más o menos la superficie de un catalizador. Las moléculas no reaccionan en todas partes, sino en puntos especialmente pegajosos: los centros activos.

Las leyes cuánticas gobiernan el mundo de los átomos. Para que un objeto grande también se vuelva cuántico, hay que congelarlo casi hasta el cero absoluto en criostatos. Los físicos hicieron lo contrario: con un láser silenciaron una membrana a temperatura ambiente. La membrana, como una diminuta campana, vibra por los empujones térmicos.

A diferencia del Modelo Estándar, donde las partículas son puntos, la teoría de cuerdas las describe como diminutas hebras vibrantes. Sus vibraciones generan todas las fuerzas, incluida la gravedad, que en este marco es la curvatura del espacio-tiempo.

Una cuerda de guitarra decide por sí misma cuánto tensarse cuando el músico toca un acorde en diferentes octavas. Algo así es lo que dibujan los físicos cuando intentan unir la gravedad —la fuerza más débil, pero omnipresente— con las extrañas leyes del micromundo.

Lanza una piedra a un estanque: se formarán ondas en el agua. Si lanzas dos piedras cerca, las ondas se cruzarán, creando un patrón de ondas reforzadas y anuladas. Esto es la interferencia.

Una rosquilla matemática —un toro— se instaló en la frontera de un mundo tridimensional donde actúa la gravedad. Se puede arrugar y estirar, y los físicos decidieron comprobar cómo se comporta. Dentro de este mundo, el espacio puede ser plano, como una mesa; expandirse, como una burbuja de jabón; o curvarse como una silla de montar. La frontera con forma de rosquilla no quiso permanecer lisa.

Si cada segundo se comprueba dónde está un electrón, sus propiedades cuánticas cambian. Es como un niño que juega al escondite pero le llaman por su nombre constantemente: se queda quieto y deja de correr. En el mundo de las partículas, ese «llamador» es una medición.

En un modelo, el espacio-tiempo es un lago tranquilo, y las partículas cuánticas son peces nadando en él. Su movimiento inevitablemente crea ondas. Las matemáticas exigen que el agua tiemble; de lo contrario, la teoría se desmorona. Este temblor está estrictamente ordenado y tiene dos tipos.

Una piedra lanzada a un estanque deja círculos que se expanden en el agua. En la física cuántica, el papel de esos círculos lo desempeñan ecuaciones que relacionan las propiedades de las partículas. Recientemente, los matemáticos propusieron un conjunto de tales ecuaciones para un mundo sin gravedad, pero con un gran número de "grados de libertad", algo así como las ondas complejas en el agua.

El núcleo atómico no es una bola de billar, sino más bien una nube brumosa que cambia constantemente de contorno. Los protones y neutrones en su interior están en continuo movimiento, y el núcleo puede adoptar las formas más diversas: alargado, achatado o con forma de pera.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero si la piedra es muy pequeña y el agua no es del todo común, las ondas la atraviesan sin siquiera darse cuenta. Algo así ocurre con las vibraciones sonoras en el helio superfluido: a energías extremadamente bajas, se filtran a través de los obstáculos como si no existieran.

Una goma elástica que se estira en direcciones opuestas no se comporta como una hoja de papel entera. Si tiras de un extremo, la deformación no se propaga uniformemente, sino que parece retenerse en ciertas zonas.

Un cocinero prepara un pastel siguiendo la receta, pero en lugar de una masa esponjosa obtiene una corteza dura. Empieza a repasar las causas: quizá la harina se humedeció, o el horno calienta de manera desigual, o los huevos estaban demasiado fríos.

Un sastre corta un traje, pero las costuras se abultan y los botones no coinciden. En la teoría cuántica de campos, inconsistencias similares se denominan anomalías: aparecen cuando la simetría de las ecuaciones se rompe al pasar a la descripción cuántica. Por lo general, se corrigen cosiendo parches adicionales, los llamados contra-términos de Bardeen-Weiss-Zumino.

Una piedra cae en un estanque. Las ondas se expanden, se atenúan, y pronto la superficie vuelve a estar lisa. Pero, ¿y si el estanque no tuviera orillas, ni fondo, ni siquiera un tamaño de onda característico? En ese mundo —un mundo sin escala— viven los sistemas cuánticos cuando están rodeados por un entorno que no distingue ninguna longitud ni energía.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe entrar en su momento exacto. Antes, para tocar una pieza compleja, había que reacomodar constantemente los instrumentos, lo cual era lento y ruidoso. El nuevo esquema, llamado «arquitectura de paridad», mantiene a todos en su lugar y el director simplemente cambia las notas.

Un rayo de luz viaja a través del vacío, y su propio «tictac» —un reloj invisible incrustado en el propio tejido del espacio-tiempo—.

Una cadena caliente de átomos alineados se comporta como un diminuto agujero negro. Esta cadena es una fila de partículas, cada una de las cuales se asemeja a un pequeño imán. A temperatura normal, los imanes se voltean de forma caótica, pero si se enfrían, se alinean en un orden único.

Los electrones en un conductor se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno por su cuenta, pero juntos crean un flujo. Si los hacemos girar en un anillo, su momento angular (una medida de la rotación) puede acoplarse al campo magnético, como engranajes en un reloj.

En la superficie de una esfera diminuta, los electrones se organizan en patrones que recuerdan a las ondas en el agua. Los físicos llevan tiempo observando que esta imagen tan sencilla describe con una precisión sorprendente el comportamiento de los sistemas cuánticos. Pero por qué funciona seguía siendo un misterio.

La aguja magnética de una brújula apunta al norte, pero ¿y si el propio espacio tuviera un eje oculto? Los físicos han comprobado si la estructura del cosmos, que es la misma en todas las direcciones, podría estar rota, utilizando el campo magnético de la Tierra.