entropía

Un superconductor es un material en el que la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se comprime ligeramente, como un resorte, sus propiedades cambian. Los científicos llevaban tiempo queriendo medir cuánto calor absorbe un material así comprimido, pero los instrumentos no cabían en el reducido montaje.

Un estado cuántico es como el clima en la montaña: cambia con cada mirada. Para evaluar su incertidumbre, los físicos hacen copias y realizan mediciones. Cada copia es un termómetro que se rompe después de usarse.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

El campo magnético suele actuar como un estricto controlador de tráfico: para que el calor se convierta en electricidad, debe colocarse de través en el camino. Si el campo se alinea con el flujo de calor, el efecto desaparece, o al menos así se creyó durante décadas.

Una red aleatoria clásica se parece a un mapa de carreteras: para que cuatro ciudades se conecten en un cruce complejo, hay que tender muchas autopistas. En el mundo de las partículas cuánticas todo es distinto.

El universo se parece a una masa que leva en el horno. Las galaxias se alejan unas de otras, y la velocidad de esa separación aumenta. Para explicar la expansión acelerada, los cosmólogos inventaron la energía oscura: una fuerza misteriosa que empuja el espacio desde dentro.

Un imán se calienta lentamente. A baja temperatura, todas sus pequeñas flechas (los espines) apuntan en la misma dirección: eso es orden. A alta temperatura, se agitan caóticamente. Pero hay un punto especial, el crítico, donde el orden apenas desaparece y el sistema se queda congelado en la indecisión.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

El entrelazamiento cuántico — cuando las partículas están vinculadas de modo que el estado de una determina instantáneamente el estado de otra — suele ser algo frágil. Cualquier interferencia, como el calentamiento, rompe este vínculo. Pero, ¿qué pasa si el tiempo del observador es limitado?

Si uno mira fijamente por la ventana nocturna, tarde o temprano se topa con la negrura tras la cual no se ve nada. No es solo una valla lejana: es el borde del universo accesible, el horizonte cósmico. La luz de estrellas más distantes simplemente no ha tenido tiempo de llegarnos.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el espacio. Tiene temperatura y emite radiación. Tiene entropía: una medida de la información oculta grabada en la superficie de su horizonte, como un patrón en una burbuja de jabón.

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.

En el mundo cuántico, un hecho se vuelve objetivo cuando su valor queda impreso en múltiples fragmentos independientes del entorno, como un anuncio pegado en cientos de tablones por toda la ciudad. Cada copia por sí sola no añade información nueva, pero cambia las reglas del juego para quien intenta borrar esa información.

Un agujero negro tiene tres leyes, como un gas ideal. La primera: la energía no desaparece. La segunda: el área del horizonte de sucesos no disminuye. Y la tercera, la más caprichosa, exige que a temperatura cero la entropía (la medida del desorden) tienda a cero o a una constante universal.

Un termómetro caprichoso muestra diferentes temperaturas según quién lo mire. Algo parecido ocurre con un agujero negro: sus propiedades térmicas —entropía y temperatura— dependen de cómo describamos la información que oculta.

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.

La mecánica cuántica permite que una partícula esté en dos lugares a la vez: esto se llama superposición. Pero los cuerpos masivos, como una mota de polvo o una bolita, no se comportan así: su posición siempre está definida. ¿Por qué?

Echa un cubito de hielo en un vaso de agua: en un minuto se derrite y la temperatura se iguala. Así funciona el equilibrio térmico: la energía se distribuye uniformemente y el sistema «olvida» su pasado.

En un cristal, el calor viaja en ondas. Los átomos vibran, y esas vibraciones —llamadas fonones— transportan energía desde el borde caliente hasta el frío. Durante mucho tiempo se pensó que si los fonones entraban en resonancia (sus frecuencias coincidían exactamente) y podían intercambiar energía, el calor fluiría en avalancha. Resulta que no es así.

En el mundo cuántico reina un ajetreo constante. Las partículas intercambian energía, se entrelazan y se influyen mutuamente. Parecería que cuantos más participantes hay en este juego, más difícil es predecir el resultado. Pero a veces, del caos nace el orden. Los físicos han mirado dentro del modelo SYK, un campo de pruebas matemático para estudiar el caos cuántico.

Una computadora cuántica es como un copo de nieve frágil sobre una palma cálida. El más mínimo soplo de calor o una ligera vibración, y se convierte en una gota. Para que el copo sobreviva, se corrige constantemente, restaurando su forma original. Esto es la corrección de errores cuánticos.

El viento lleva el polen, y cada grano de polen se mueve como si fuera independiente. Pero cuando el aire se arremolina en un torbellino, las trayectorias del polen ya no se pueden separar: están enredadas.

A veces, una taza de café caliente se congela más rápido que el agua fría del grifo. Esta paradoja, conocida como efecto Mpemba, durante mucho tiempo se consideró una curiosidad de la física clásica. Ahora, su análogo cuántico ha ayudado a probar y ajustar procesadores cuánticos, dispositivos que algún día podrían ser la base de computadoras ultrapotentes.

Un péndulo que pesa unas pocas arenas se balancea sobre un hilo de vidrio finísimo. Sus movimientos son tan débiles que los empujones térmicos de las moléculas de aire parecen un huracán. Pero precisamente ese péndulo es la clave para ver maravillas cuánticas en el mundo de los objetos grandes.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

Una fábrica capaz de producir un millón de piezas por hora, por alguna razón, solo hace un centenar. Más o menos así se comporta nuestro universo si lo miramos a través del prisma de la entropía, esa medida del desorden que, según las leyes de la física, solo puede aumentar. Las principales "máquinas" de esta fábrica son los agujeros negros supermasivos.

En 1973, Jacob Bekenstein propuso que los agujeros negros poseen entropía —una medida del desorden oculto. Stephen Hawking lo confirmó después añadiendo la radiación, pero el origen microscópico de la entropía seguía oscuro.

Un montañero en la cresta nota algo extraño: el horizonte a su alrededor parece congelarse. Ni adelante ni atrás, solo vacío y silencio. Más o menos así pintan los nuevos cálculos para nuestro universo. En algún momento de su expansión, un límite invisible — el futuro horizonte de sucesos— dejó de crecer.

En 1888, Vincent van Gogh se cortó el lóbulo de la oreja. Biógrafos y psiquiatras siguen intentando explicar ese acto. Pero los matemáticos abordaron el enigma de otra manera: midieron cómo cambiaban los sentimientos del artista en sus cartas y cómo crecía la «nerviosidad» de sus pinceladas, y vieron una señal clara de la desgracia que se avecinaba. Un columpio al que empujan normalmente oscila y se calma rápido.

La corriente eléctrica ordinaria calienta los cables: cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono lo sabe. Pero existe una corriente de otro tipo: en ella los electrones no corren en masa hacia un lado, sino que giran sincronizados, como patinadores en pareja. Ese giro coordinado se llama corriente de espín y casi no produce calor.

Un sólido bajo el microscopio no es en absoluto un monolito. En un vidrio, un polímero o una resina endurecida, los átomos están dispuestos al azar, y por eso las propiedades del material cambian de un punto a otro. A grandes escalas estamos acostumbrados a describirlas con campos suaves, como la temperatura o la presión en una habitación.

El mundo cuántico está lleno de conexiones extrañas. Dos partículas pueden estar "enredadas": el estado de una influye al instante en la otra, aunque las separen kilómetros. Pero, ¿cómo saber si están realmente enredadas? Es como un ovillo de hilo: a primera vista no se distingue si es una madeja única o solo hebras enredadas.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

En un vaso de agua, el aceite se acumula en gotas: es una separación en equilibrio dictada por la química. Pero hay sistemas donde el orden no nace del reposo, sino de un flujo constante de energía.

Un corredor va por detrás del líder, pero llega primero a la meta. En el mundo cuántico, esta proeza la realizó un sistema de espines nucleares — las diminutas agujas magnéticas de los átomos de carbono-13 en un diamante.

Cortamos una cadena de espines y en los bordes aparecen partículas sin brecha de energía. Se les llama modos cero y solo viven en el borde. Antes se contaban mediante invariantes topológicos complicados, pero ahora hay una forma más sencilla.

Un rayo de luz que se desliza a lo largo del horizonte de un agujero negro no solo se mueve: también transporta calor e información. Los físicos sospechaban desde hace tiempo que la geometría de tales rayos obedece reglas estrictas, pero los detalles permanecían difusos. El nuevo trabajo convierte estas reglas en una desigualdad clara.

Si tomas una olla con agua hirviendo y le echas un puñado de espaguetis, se cocinan rápido y se pegan en un amasijo. Pero en una enorme olla de restaurante, donde los espaguetis flotan libremente, cada uno se mantiene separado.

Un brote de dengue se parece a un incendio en la pradera: las llamas saltan de persona a persona a través de las picaduras de mosquitos. Las autoridades responden de dos maneras: envían a los enfermos a los hospitales y rocían sustancias que matan a los insectos.