teorema ergódico

Imagina una bandada de pájaros que se reúne alrededor de un comedero que nadie construyó. Cada pájaro busca comida para sí mismo, pero al final terminan juntos. Por lo general, ese comportamiento se explica por un instinto social: los pájaros quieren estar cerca de sus congéneres. Pero, ¿y si la bandada es solo un efecto secundario de la codicia?

Cada invierno los hospitales se llenan y en verano parece que se vacían. Las epidemias respiran como la marea. Pero, ¿por qué las olas de enfermedades vuelven una y otra vez, incluso sin nuevas mutaciones? Los matemáticos encontraron la respuesta en la disputa entre dos cepas. Dentro de una misma epidemia suelen convivir dos variantes del virus.

El cartero reparte cartas por calles de sentido único. Mientras solo avanza, la ruta es simple y predecible. Pero si de repente se permitieran giros en U, empezaría a retroceder, a cruzar sus propias huellas — y el esquema de reparto se enredaría. Algo parecido le ocurre a una infección cuando las personas pueden enfermarse repetidamente.

En una sala enorme hay bolas de billar esparcidas. Al principio están dispersas, cada una por su cuenta. Luego alguien añade más, y de repente las bolas se comprimen en grupos densos. Esto es una transición de fase: el momento en que la materia cambia bruscamente de estado.

El suelo no es una esponja compacta, sino un laberinto de poros de diferentes calibres. Tras la lluvia, el agua no los llena todos a la vez: primero los más estrechos, luego los más anchos. Los físicos han construido una teoría de este proceso basándose en una imagen simple: un conjunto de vasos comunicantes.

Un terrón de azúcar arrojado al té se disuelve y pronto todo el líquido queda igualmente dulce. Este camino hacia el equilibrio es tan familiar que parece obvio.

El espacio-tiempo no es una hoja lisa, sino un tejido arrugado: las estrellas y los planetas dejan pliegues en él. En cada pliegue hay información almacenada, y para borrarla, habría que liberar calor, así funciona el principio de Landauer. Es decir, la 'arruga' del espacio se puede medir a través de la entropía, la medida universal del desorden.

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.

En el corazón de una galaxia activa, donde el gas interestelar se arremolina en un deslumbrante disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo, nace una frontera que ni siquiera el sonido puede atravesar. Este horizonte acústico se consideró durante mucho tiempo una ondulación congelada en el agua.

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.

El té caliente se enfría y su temperatura es la misma en toda la taza. Pero en muchos sistemas —por ejemplo, en el gas enrarecido entre las estrellas o en el plasma— la temperatura no es constante: en un lugar las partículas van más rápido, en otro más lento.

El agua puede ser hielo, líquido o vapor. Los físicos llaman a estos estados fases. En teoría, cada fase tiene su propia medida, una forma de describir cuán probable es. Pero no toda medida que se pueda imaginar se encuentra en la naturaleza. Algunas fases son reales, mientras que otras son solo una ilusión matemática.

Una película de una taza rota proyectada hacia atrás parece absurda: los fragmentos no se reúnen solos para formar el todo. Esta sensación intuitiva de irreversibilidad está relacionada con el aumento de la entropía, una medida del desorden en un sistema.

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.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell imaginó un pequeño demonio. Este conoce la velocidad de cada molécula de gas y abre una puerta: las rápidas a la izquierda, las lentas a la derecha. Así, sin gastar energía, surge una diferencia de temperatura, lo que parece violar las leyes de la física.

Lanza una piedra a un estanque tranquilo: las ondas se expandirán uniformemente. Lánzala a una corriente turbulenta: el agua girará de manera impredecible. Una pregunta similar ha inquietado a los científicos durante mucho tiempo: ¿cómo saber, solo por la trayectoria de una partícula, si su movimiento es caótico?

Deje caer miel sobre una esponja. Esta se desliza perezosamente, rodeando los huecos. Pero si la miel se vuelve más líquida al presionarla, el flujo será más astuto. Un líquido con espesor variable en un laberinto irregular de poros es un problema que no se había podido calcular. Los autores del nuevo trabajo promediaron el caos de los microcanales en ecuaciones sencillas.

En el laboratorio, el tiempo suele correr en la pared: manecillas, dígitos, un patrón de frecuencia. Pero para el universo no hay reloj externo. La ecuación de Wheeler-DeWitt, la ley principal de la gravedad cuántica, no contiene tiempo en absoluto, y todas las teorías fundamentales carecen de una flecha del tiempo incorporada.