einstein

Newton nos regaló un mundo donde los cuerpos se mueven en el vacío y los relojes marcan el mismo ritmo para todos. Durante tres siglos, esta imagen funcionó a la perfección. Pero en ella hay muchos puntales invisibles: la posición absoluta, la dirección "arriba-abajo", un ritmo temporal único para todo el universo.

Una balanza que no pesa un cuerpo, sino el propio espacio que lo rodea. Así funcionan las ecuaciones de Einstein en la relatividad general: conectan la curvatura del espacio-tiempo con lo que hay en él. En el lado derecho de la ecuación —donde está la «materia»— se suele poner o bien la densidad de energía, o bien la presión.

En el silencio del mundo cuántico no hay vacío. Las partículas están entrelazadas por hilos invisibles: el entrelazamiento. Los autores del trabajo propusieron que el propio tejido del espacio-tiempo está urdido con esos hilos.

Un par de agujeros negros gira en un baile, acercándose gradualmente. Pierden energía y rotación, un proceso que se conoce como emisión de momento angular. En la teoría ordinaria de Einstein, solo las ondas gravitacionales se llevan el momento.

Un agujero negro normalmente oculta su singularidad bajo un horizonte de sucesos, una frontera invisible de la que ni siquiera la luz puede escapar. Pero a veces esa "capa" falta, y la singularidad, el punto donde la física conocida deja de funcionar, queda expuesta a un observador externo.

En el críquet existe un lanzamiento especial: el googly. La pelota vuela de tal manera que su giro engaña al bateador. En física también había su propio googly: durante casi medio siglo, los matemáticos no lograban que la teoría de twistores funcionara con la gravedad real. Describía muy bien los campos «cómodos», donde todo está enrollado en una sola dirección.

En el océano, un remolino arrastra todo a un círculo cerrado; de igual manera, una onda gravitacional en el espacio vacío retuerce el tiempo en un bucle. La onda gravitacional es una ondulación en el tejido del cosmos, y su forma especial puede convertir el flujo normal de los acontecimientos en un ciclo cerrado.

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 objeto no puede ser un punto. Al menos, en la gravedad de Einstein. Las ecuaciones de la relatividad general exigen que la fuente del campo — la materia — esté distribuida en el espacio, no concentrada en un volumen infinitamente pequeño.

El universo temprano era un lugar turbulento. El espacio vibraba con ondas gravitacionales, ondas en el propio tejido del cosmos. En ese crisol burbujeante, se cree que nació la materia oscura. Pero las partículas recién nacidas no tenían masa; había que obtenerla de algún lugar. Normalmente, el campo de Higgs es el responsable de la masa.

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.

En el mismísimo comienzo del universo, cuando todo el espacio estaba comprimido en un punto, las leyes de la física dejan de funcionar. Ese punto se llama singularidad: un borde donde nuestras ecuaciones pierden sentido. Pero, ¿y si no fuera un final, sino un tipo especial de frontera? Los autores del trabajo propusieron ver la singularidad como una frontera libre.

Un agujero negro supermasivo flota en una nube de materia oscura. En la imagen habitual, esta sustancia invisible simplemente añade masa y apenas interactúa con la materia ordinaria. Pero las partículas de materia oscura podrían tener rotación propia: espín.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el espacio. Es una región donde la gravedad comprime la materia tan fuertemente que ni siquiera la luz puede escapar. Entre todos los agujeros negros posibles destaca uno: el agujero negro rotatorio de Kerr.

La gravedad parece simple: nos mantiene en el suelo y hace girar los planetas. Pero si fuera clásica, es decir, descrita por las ecuaciones de Einstein como una curvatura del espacio-tiempo, y toda la materia por las leyes cuánticas del modelo estándar, entonces un simple bit cuántico…

Una estrella muerta con un campo magnético miles de millones de veces más intenso que el terrestre es un magnetar. Su corteza se agrieta y emite una potente ráfaga de rayos X hacia el espacio. Pero parte de esa luz no llega hasta nosotros en su forma habitual.

La orquesta toca desafinada y el sonido parece un caos. Pero si se anotan todas las notas y se analizan matemáticamente, se puede reconstruir la forma de la sala de conciertos: dónde están las paredes, qué altura tiene el techo. Así, más o menos, es como los físicos proponen derivar la gravedad a partir de la teoría cuántica.

Una estrella de neutrones es el resto de una gigante que explotó, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Una cucharadita de su materia pesa mil millones de toneladas. Dentro de una estrella así, las partículas están tan apretadas que empiezan a manifestarse efectos cuánticos. Uno de ellos es la rotación propia de las partículas, o espín.

Dos esferas masivas se separan lentamente en el vacío. Desde el punto de vista de la mecánica ordinaria, no hay nada especial. Pero las ecuaciones de Einstein dicen lo contrario: las masas aceleradas agitan el propio espacio, y desde ellas se propagan ondas gravitacionales — una ondulación que estira y comprime todo a su paso.

El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá. Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.

Dos piedrecitas caen al agua y los círculos en la superficie se cruzan, mezclando sus patrones. Algo parecido hacen los neutrinos: partículas ligeras que nos atraviesan por miles de millones cada segundo. Son capaces de transformarse de un tipo a otro, como un actor que cambia de máscara. A esta danza los físicos la llaman oscilaciones.

Una sábana estirada forma pliegues. Si tiras de una esquina, corre una onda uniforme; si comprimes la tela bruscamente, se produce un doblez agudo. Más o menos así se comportan el espacio y el tiempo en las ecuaciones de Einstein.

Una burbuja de jabón flota en el aire, y su forma ya contiene todo lo necesario para calcular la tensión interna. Un principio similar ha funcionado en un nuevo trabajo sobre gravedad cuántica.

La gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, y no una simple atracción, como ya mostró Einstein. En esa «pista de baile» curvada incluso los hipotéticos portadores de la gravedad —los gravitones— se mueven de forma caprichosa.

Las ecuaciones profundas de la física, como la ecuación de Wheeler–DeWitt, no contienen tiempo. El pasado y el futuro están mezclados en ellas, como fotogramas en una película sin indicación de hacia dónde proyectar. Esta simetría no es un defecto, sino una propiedad.

Un funambulista avanza sobre una cuerda tensa. Cada paso es una búsqueda del equilibrio, un cálculo instantáneo de fuerzas. De manera similar, las ecuaciones de Einstein describen cómo la materia y la energía hacen que el espacio-tiempo se curve.

Una piedra cae al suelo por la ruta más económica: la que gasta menos tiempo y energía. Este principio de mínima acción gobierna toda la física clásica. Pero en el mundo microscópico todo tiembla: los campos fluctúan y no se puede decir con precisión dónde está cada cosa.

Una orquesta lejana interpreta una sinfonía, pero la grabación está llena de interferencias. La melodía está escrita para dos instrumentos, pero del ruido parece emerger una tercera voz, suave y desconocida. Así escuchan los astrofísicos las ondas gravitacionales, tratando de captar las más mínimas desviaciones de las predicciones de Einstein.

Imagina dos coros en salas insonorizadas sobre un escenario tambaleante. Cantan, pero no pueden oírse — el aire no transporta la melodía. Pero si el escenario tiembla, sus vibraciones conectan sus canciones. Esa es la idea detrás de una nueva prueba para la gravedad cuántica.

Según Einstein, el espacio-tiempo es un tejido flexible, curvado por la materia. Pero en el mundo cuántico todo es diferente: las partículas se difuminan en una nube de probabilidades, gobernadas por una regla estricta descubierta por Max Born.

Einstein describió la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo, como si una pesa deformara una tela tensa. Los agujeros negros son las hendiduras más profundas, y cuando algo cae en ellos, por la tela viajan ondas gravitacionales — ondulaciones que podemos detectar.

Las estrellas en las afueras de las galaxias giran inesperadamente rápido. Según Newton, cuanto más lejos del centro, más lento debería ser el movimiento, como en un baile circular donde los que están en el borde van más despacio.

En la vida cotidiana, el tiempo fluye por sí solo, como un río entre sus orillas. Pero en la teoría cuántica de la gravedad todo es distinto: el tiempo no fluye, sino que surge de las relaciones entre los objetos, como un patrón en una alfombra que solo se ve desde un lugar concreto.

Durante mucho tiempo, los cosmólogos no pudieron mirar más allá del punto de inicio: la singularidad infinitamente densa del Big Bang, donde las ecuaciones de la relatividad general de Einstein pierden su poder predictivo.

Un reloj de pared normal avanza de manera continua, pero un reloj cuántico es otra cosa. Hace tictac en momentos aleatorios y cada tictac puede durar un intervalo distinto. En promedio, si se observa durante mucho tiempo, marcará la hora correcta. Pero en cada instante concreto su manecilla puede saltar hacia adelante una cantidad inesperada.

La partícula cuántica —habitante del mundo de las partículas elementales— se asemeja a una moneda que gira en el aire: ni cara ni cruz, sino una mezcla de posibilidades. Pero al caer sobre la mesa, el resultado se vuelve inequívoco. ¿Qué hace de mesa en la medición?

Dos partículas pueden entrelazarse de tal modo que un empujón a una se siente instantáneamente en la otra, incluso si las separan galaxias. Einstein lo llamó 'espeluznante acción a distancia'. Los físicos se preguntaron: ¿puede la propia gravedad, esa simple atracción mutua, crear semejante vínculo?

En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen propusieron un experimento mental que, según ellos, revelaba la incompletitud de la mecánica cuántica. Dos partículas se separan tras interactuar, y medir el momento de una de ellas proporciona al instante un conocimiento exacto del momento de la otra.

Cuando la entropía alcanza su máximo, la obra termina. Cae el telón, los actores se van, la escenografía se congela. Pero el escenario permanece. Así ocurre con el tiempo: la muerte térmica del universo borra la dirección «pasado-futuro», pero no el tiempo mismo.

La ciudad está dibujada en una hoja de papel. Las calles son las mismas, los cruces están en su lugar, pero las distancias entre las manzanas han cambiado de repente.