dilatón

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

En el lejano cosmos existe un objeto hipotético: un agujero negro ultrafrío. Está cargado y se encuentra en un universo en expansión (espacio de Sitter). Su temperatura está cerca del cero absoluto, aproximadamente una billonésima de grado por encima de él.

Un agujero negro girado casi hasta su límite se parece a un atleta que se equilibra al borde del récord. Lo más interesante no ocurre dentro del agujero, sino en la finísima película del espacio-tiempo en su horizonte.

La luz se congela en el borde del abismo: así se ve el horizonte de sucesos de un agujero negro ordinario. Pero en el centro de ese abismo se esconde una singularidad, un punto donde las leyes de la física dejan de funcionar. ¿Y si en lugar de un punto hubiera una cáscara dura? Un gravastar no es un agujero negro.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad enorme. Este proceso se llama inflación, y la fuerza motriz es el campo del inflatón. Su energía empujaba el espacio, como la levadura hace subir la masa. Pero los físicos sospechan que en la masa podrían haber quedado “burbujas”: partículas superpesadas nacidas de la propia expansión.

En 1929, Edwin Hubble apuntó su telescopio a galaxias lejanas y descubrió que se alejan. Noventa años después, dos mediciones de la velocidad de esa expansión —una basada en la luz antigua y otra en estrellas cercanas— se niegan a coincidir. Una discrepancia del 9% no se puede achacar a errores.

Inmediatamente después del Big Bang, el espacio se enfrió de manera desigual. En algunos lugares pudieron formarse pliegues: hilos de energía increíblemente densos, finos como un cabello. Los físicos los llaman cuerdas cósmicas. Oscilan, chocan entre sí y emiten ondas gravitacionales: el temblor del propio espacio.

A los 10⁻³⁵ segundos después del Big Bang ocurrió la parte más vertiginosa. El espacio se expandía más rápido que la luz — esto es la inflación. Casi toda la partitura la ejecutaba un solo campo, el inflatón, dirigiendo el tempo y la tonalidad.

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.

10⁻¹²⁰. No es solo un número pequeño, es un abismo. Esta es la relación entre la densidad de energía oscura y la densidad de Planck, la escala natural de la gravedad cuántica. La colosal diferencia de ciento veinte órdenes de magnitud pareció durante mucho tiempo un enigma insoluble.

Después del Big Bang, el Universo experimentó una serie de transiciones de fase —como agua transformándose en hielo, pero con patrones impredecibles—. Al romperse simetrías discretas en los campos cuánticos, nacieron las paredes de dominio: fronteras entre distintos vacíos, semejantes a cicatrices en el tejido del espacio-tiempo.

El mundo que nos rodea es tridimensional, pero quizá sea solo una apariencia. Algunas teorías admiten que el espacio contiene dimensiones adicionales, plegadas o estiradas de manera especial. Uno de esos modelos dibuja un universo de cinco dimensiones con una dimensión "diluida" (llamada dilatón lineal).

El espacio en el que vivimos parece tridimensional. Pero cuando los físicos intentan reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica, las dimensiones habituales comienzan a comportarse de manera extraña.

Un gran tanque subterráneo con xenón líquido espera un evento raro: el empujón de una partícula de materia oscura. Normalmente, la gravedad es demasiado débil para que ese empujón se note.

El espacio-tiempo no está vacío: tiembla. Tras el Big Bang, el universo estaba lleno del zumbido de las ondas gravitacionales, similar al grave tañido de una campana gigante.

El foco está en un agujero negro, pero no uno cualquiera. Lleva un monopolo magnético y está rodeado por un dilatón: un campo que desdibuja los límites habituales del espacio. Los autores comprobaron cuán estable es este sistema frente a sacudidas térmicas.

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 agujero negro es un lugar donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Pero a su alrededor hay un anillo brillante de gas, y en el centro, un vacío oscuro que se conoce como sombra. El tamaño de esta sombra depende de cómo se curva el espacio-tiempo.

El Universo se expande cada vez más rápido gracias a la energía oscura. Pero las mediciones de la velocidad dan resultados contradictorios. Nueva explicación: en el pasado, la energía oscura actuó como un freno, ralentizando la separación de galaxias, y luego cambió a aceleración.

La luz más antigua del universo viaja hacia nosotros desde hace casi 14 mil millones de años. Nació cuando el cosmos apenas se volvió transparente, y desde entonces su plano de oscilación se ha ido girando de manera casi imperceptible.

En un lado de la balanza está toda la materia del universo; en el otro, toda la antimateria. Según las leyes de la física, en el momento del nacimiento del mundo los platillos deberían haberse equilibrado. Pero vemos que un lado pesa más: a nuestro alrededor hay estrellas, planetas, personas, y casi nada de antimateria. Este desequilibrio es uno de los grandes misterios.

Una piedra lanzada al agua deja círculos. Un satélite que orbita la Tierra también deja una huella, pero no en el agua, sino en las leyes de la física. Su órbita no es una línea fija: gira lentamente, como la manecilla de un reloj gigante. Parte de esa rotación se explica por la gravedad ordinaria, pero cada vez hay más indicios de que algo más está interviniendo: algo invisible y omnipresente.

Dentro del protón hierve la vida. Los quarks no están simplemente sentados: los mantienen unidos unas partículas portadoras, los gluones (de la palabra glue, pegamento). Normalmente, este pegamento está distribuido uniformemente, como mantequilla sobre una sartén. Pero cuando las energías se vuelven enormes, los gluones empiezan a agruparse en grumos.

El universo se expande, y en su historia hay dos episodios sorprendentes que aún no encajan en el panorama simple. El primero es un período corto en su juventud, cuando todo se dispersaba más rápido de lo esperado, como si alguien hubiera pisado el acelerador. El segundo es la aceleración actual, como si el mismo pedal estuviera pisado de nuevo, pero con más suavidad.

Un globo inflable primero se expande lentamente y luego, de repente, cada vez más rápido, como si alguien lo inflara desde dentro. Más o menos así se comporta nuestro universo: las galaxias se alejan unas de otras con aceleración. La culpable de esta aceleración se llama energía oscura.

El Universo es una enorme ciudad. La materia oscura es el armazón invisible de los edificios, y la energía oscura es la fuerza que estira las calles. Durante mucho tiempo se las consideró independientes, pero una nueva investigación las ha pillado en comunicación secreta.

Inmediatamente después del Big Bang, el espacio se infló a una velocidad inimaginable: eso es la inflación. Ahora, la expansión se ha ralentizado, pero las galaxias se alejan cada vez más rápido. A la culpable de la aceleración se le llamó energía oscura.

En los años 1920, Edwin Hubble notó que las galaxias se alejan — así se descubrió la expansión del Universo.

Ya en la década de 1930, Fritz Zwicky notó que las velocidades de las galaxias en cúmulos eran demasiado altas para la masa visible. Más tarde, Vera Rubin confirmó esto para galaxias individuales.

Los objetos cuánticos viven en un mundo de superposiciones: simultáneamente aquí y allá, con un espín y otro. Pero en cuanto adquieren suficiente masa, esta magia se disipa. Roger Penrose propuso: la culpable es la propia gravedad.

Durante mucho tiempo, la energía oscura — esa fuerza misteriosa que impulsa la expansión del Universo — se consideró eterna e inmutable, como una levadura que nunca pierde su poder. Pero no se lograba explicar esa constancia mediante las leyes del micromundo, y los científicos comenzaron a sospechar que esta «levadura» podría estar perdiendo fuerza.

La galaxia es una autopista cósmica donde las estrellas, como coches, corren en círculos. Su velocidad depende de una «carga» invisible dentro de la órbita: cuanta más masa, más rápido van los vehículos de fuera.

Una tetera común: la calientas, sube la temperatura y con ella el desorden molecular, sale vapor. Pero en el laboratorio crearon una «tetera» inusual: un agujero negro analógico hecho de circuitos superconductores enfriados al límite.

Una hoja de papel doblada se puede atravesar con un lápiz, y el camino entre dos puntos se vuelve más corto. Así funciona más o menos la idea de un agujero de gusano: un túnel en el espacio que conecta regiones lejanas.

Un globo en la palma de la mano rebota igual en todas direcciones. Pero una botella de refresco se comporta de otra manera: a lo largo del cuello es rígida, pero transversalmente se aplasta con facilidad. Así más o menos es la presión dentro de algunas estrellas: puede ser desigual en distintas direcciones. Estas estrellas se llaman anisotrópicas, y hasta ahora su comportamiento se describía con métodos dispersos.

Una piedra lanzada a un estanque genera ondas que se extienden lejos. Pero si la lanzas a una gelatina espesa, las ondas se apagan casi de inmediato. Algo parecido le ocurre a un campo gravitatorio adicional según la descripción matemática que usemos.

Nadie ha visto la materia oscura, pero su atracción la siente cada galaxia. Lo más común es imaginarla como un mar de partículas idénticas y silenciosas. El nuevo trabajo dibuja un panorama más vivo: dos tipos de partículas, una pesada y otra ligera, entre las cuales hay un intercambio constante.

En el cristal de HfTe5, los electrones se comportan casi como la luz: su masa es tan pequeña que obedecen las leyes de la relatividad. Si se coloca un cristal así en un campo magnético fuerte, los electrones comienzan a girar en órbitas diminutas. Su energía no cambia de manera continua, sino en escalones, como los pisos de un edificio.

Un diminuto superconductor, levitando sobre un imán, es como un corcho en la superficie de un océano invisible. El más leve soplo de materia oscura lo hace temblar. Los científicos analizaron dos tipos de ese «viento».

Imagina un agujero negro como un embudo en una sábana tensa: la analogía clásica de la curvatura del espacio-tiempo causada por un cuerpo masivo. Pero si admitimos la existencia de una quinta dimensión, esta imagen simple se complica: la sábana adquiere resortes ocultos.