paredes de dominio

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor aparecen y desaparecen: una lucha similar ocurre en los materiales bidimensionales. Aquí, los electrones simultáneamente crean magnetismo y tratan de apagarlo.

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.

El anillo se ensambló a partir de varios segmentos diferentes. En cada segmento, las partículas se comportan a su manera, como músicos con diferentes notas. Lo más interesante ocurre en las uniones: aquí las partículas a menudo se quedan atascadas, como un eco atrapado en un pasillo estrecho. Este fenómeno se llama efecto piel: las partículas se acumulan en el borde, como una multitud en la salida.

Una cacerola con pegamento muy espeso y caliente: así se veía aproximadamente el universo temprano. No era un pegamento cualquiera, sino una 'sopa de gluones': partículas que transmiten la interacción fuerte (gluones) que se movían libremente por el espacio.

Agua hirviendo en una olla: por ahí hay que empezar. Las burbujas de vapor suben, estallan y la superficie se calma. Más o menos así, en los primeros instantes de la vida del universo, podría haberse comportado un campo especial que llenaba el espacio: en él se inflaban y chocaban burbujas de una nueva fase, como islotes de vapor en un líquido.

En los primeros instantes después del Big Bang, la transición de fase cósmica dividió el plasma caliente en regiones con diferentes vacíos — los estados de menor energía del campo.

Las lentes y espejos de vidrio parecen perfectamente lisos e inmóviles. Pero en su interior hierve una vida oculta. Los átomos en un material amorfo (una sustancia sin red cristalina) están empaquetados de manera desordenada, y este desorden crea un paisaje energético complejo, como un país montañoso con innumerables colinas y valles.

Un panal de abejas hecho no de cera, sino de átomos, es el grafeno: un cristal plano de un solo átomo de espesor. Sus electrones se asemejan a corredores en un cruce: a veces aceleran, a veces frenan, pero nunca se quedan atascados en el borde. Los físicos llaman a esa lámina 'topológicamente trivial', es decir, con bordes completamente ordinarios, sin propiedades especiales.

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.

En 1981, Alan Guth propuso el escenario de la inflación cosmológica —una expansión vertiginosa del espacio que estiró las fluctuaciones cuánticas hasta el tamaño de galaxias enteras. Desde entonces, los cosmólogos, como arqueólogos, excavan este evento a través de las estructuras del Universo.

En los primeros instantes de la vida del universo, este se asemejaba a un caldero burbujeante. Al enfriarse, ocurrían transiciones de fase, algo así como cuando el vapor se convierte en agua, pero en lugar de moléculas, cambiaba el propio estado del espacio. En ese caldero nacían burbujas de la nueva fase, parecidas a las burbujas de una olla hirviendo.

Si se comprime agua entre dos cristales de modo que solo quepan dos capas de moléculas, se convierte en algo intermedio entre líquido y hielo. A temperatura ambiente, las moléculas en esa trampa aún se mueven, pero ya se alinean formando una especie de red cristalina.

Una piedra cae en un estanque y se forman ondas concéntricas en el agua. Pero una de las ondas, en lugar de expandirse, se adhiere a un pliegue invisible en la superficie y solo viaja a lo largo de él. Algo parecido han descubierto los físicos al recalcular el encuentro de la luz con una pared de dominio axiónica: una región estrecha donde el campo cambia de signo, como una cadena montañosa que separa dos laderas.

El 14 de mayo de 2019, los detectores LIGO registraron una explosión gravitacional que no encajaba en los moldes habituales. El evento GW190521 se presentó como la colisión de dos agujeros negros de 85 y 66 masas solares. El agujero resultante, de 142 masas solares, cayó justo en el rango «prohibido» —allí donde los colapsos estelares apenas dejan rastro.

Un resorte comprimido permanece inmóvil durante años. Parece congelado para siempre, pero dentro del metal los átomos se reordenan lentamente, y un día el resorte hace clic, pasando a una nueva posición más relajada.

Una banda elástica que se vuelve más gruesa cuanto más la estiras. En electricidad, este comportamiento se llama capacitancia negativa: cuanto más carga se acumula en las placas, menor es el voltaje. Un condensador normal funciona al revés: el voltaje aumenta junto con la carga.

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.

El té caliente en el congelador no se cubre de hielo de inmediato. Primero, diminutas agujas de hielo se agitan en él: aparecen y se derriten hasta que la temperatura baja lo suficiente para que el hielo se fije por completo. Más o menos así se comportaba el universo temprano cuando se enfriaba y cambiaba su estructura interna.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

Un globo no se desinfla todo a la vez: primero aparecen abolladuras que corren, se fusionan y, al final, el globo se arruga hasta convertirse en un punto. Algo parecido ocurre con las paredes de dominio: delgadas fronteras que dividían el espacio en los primeros instantes después del Big Bang.

Un enorme pastel de capas donde las capas de masa son el espacio y el relleno es una región especial, similar a una pared invisible. Esta pared no es de ladrillos, sino de energía, y podría tener el grosor de todo un universo. Si tal pared existiera, debería estirar las capas de masa de manera diferente: las que están a lo largo de ella se separarían más rápido, y las que están a través, más lento.

El enigma de la materia oscura, observada por primera vez en los remolinos estelares por Vera Rubin, ha atormentado a la física durante casi un siglo. Una de las hipótesis más audaces son los agujeros negros primordiales, nacidos en el caldo hirviente del universo primitivo.

Lo primero que viene a la mente al pensar en el nacimiento del universo es una explosión. Pero la cosmología moderna pinta un cuadro más refinado: el nacimiento a través del cuello de una copa de vino.

El universo no es un vacío, sino una enorme esfera de cristal, atravesada por fronteras invisibles: paredes de dominio, congeladas después de transiciones de fase.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se expanden círculos. Rebotan en la orilla, se superponen, se apagan. Todo ese movimiento se despliega en el espacio. Pero, ¿qué ocurriría si el propio estanque cambiara por un instante su profundidad o densidad, no en un punto, sino en todas partes a la vez?

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Un imán con un solo polo, el norte sin el sur, no es un fragmento, sino una partícula independiente. Se la llama monopolo magnético (portador de una única carga magnética). El nacimiento de tales huéspedes es posible en el universo temprano, cuando las fuerzas apenas se separaban.

Las mediciones magnéticas ordinarias solo ven la superficie del superconductor, donde interfieren barreras y flujos viscosos del campo magnético. En el interior, en el llamado estado intermedio, coexisten dominios superconductores y normales separados por paredes delgadas. Estas paredes pueden oscilar, pero era difícil escucharlas directamente.

Un cristal ordinario es como un edificio de apartamentos: los electrones se mueven por pasillos y escaleras comunes, influyéndose unos a otros a través de las paredes. Ahora quitemos todas las paredes y dejemos una sola línea de apartamentos.

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).

Tira un puñado de arena al suelo: hay pocos granos grandes, muchos pequeños y aún más diminutos. Este sesgo, en el que los eventos pequeños ocurren con frecuencia y los grandes rara vez, se describe mediante una ley de potencias. Aparece en el tamaño de las ciudades, la fuerza de los terremotos y el número de citas de artículos científicos.

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.

En el mundo cuántico hay reglas que parecen violadas. Una de ellas es la ley de conservación: si en la física clásica la simetría garantiza la conservación de la carga, al pasar a la descripción cuántica esa garantía puede desaparecer. Este fenómeno se llama anomalía cuántica.

Un resorte comprimido al máximo se rompe. Así, la teoría clásica de la gravedad lleva a una singularidad, el punto de ruptura de todas las leyes. La mecánica cuántica transforma ese final en un rebote elástico.

En el cristal de un metal, los átomos se alinean en filas ordenadas, como ladrillos en una pared. Pero si se arranca un ladrillo, queda un hueco: lo que llamamos vacancia. Bajo irradiación, estos huecos se multiplican, comienzan a fusionarse en grandes cavidades y el metal pierde resistencia.

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.

Dos partículas se aferran la una a la otra, como montañeros encordados, y vuelan hacia la pared. ¿Chocarán y rebotarán juntas, o se romperá la cuerda? ¿De qué depende? Los físicos consideraron el caso más simple: todo ocurre en una línea recta, las partículas se atraen solo cuando están en el mismo punto, y la pared es absolutamente rígida.

La estrella de neutrones es el remanente comprimido de una estrella masiva: su materia está tan densa que una montaña del tamaño de un dedal tendría una densidad colosal.

En el mundo que conocemos hay tres dimensiones espaciales. Sin embargo, la física teórica admite la existencia de direcciones adicionales, ocultas a la observación directa, compactificadas, es decir, enrolladas hasta tamaños microscópicos.