espacio de Fock

Dos observadores, Alicia y Bob, están sentados en extremos opuestos de un mismo laboratorio. Entre ellos hay una fuente que dispara dos pulsos uno tras otro. Cada pulso genera un paquete de ondas que viaja hacia su detector. Hasta aquí, todo parece un experimento ordinario con partículas cuánticas.

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

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 el mundo macroscópico hay una regla sencilla: la densidad de energía no puede ser negativa, y su flujo no puede superar a la luz. En un café, esto se vería así: el camarero no puede repartir los pedidos más rápido de lo que corre él mismo. Los físicos llaman a esta restricción condición de dominancia de la energía.

Construir una casa sobre arena es una mala idea. En física, durante mucho tiempo se pensó que la teoría cuántica de la gravedad tampoco podía construirse sobre una "arena" fija: un espacio-tiempo predeterminado.

En el microcosmos, las fuerzas de largo alcance —la gravedad o la electricidad— no se apagan ni siquiera a distancias enormes. Por eso, cualquier partícula arrastra una estela de fotones o gravitones suaves (es decir, de muy baja energía). A esta estela se la llama «vestido»: sin ella, los cálculos se desmoronan y aparecen infinitos.

El universo temprano se expandía a una velocidad inimaginable, más rápido de lo que la luz habría podido cruzarlo. En ese hervidero, cualquier región del espacio era como un bote de pintura abierto: sus fronteras capturaban continuamente nuevo "vapor" del exterior, mientras parte de su contenido se escapaba irremediablemente.

Viertes agua en un vaso, pero quieres obtener exactamente un millón de gotas, no aproximadamente, sino exactamente. Un grifo normal vierte un chorro donde el número de gotas siempre varía. En el mundo cuántico, con los fotones pasa lo mismo: un láser emite luz donde la cantidad de partículas fluctúa como una multitud en una plaza.

Los metrónomos que todos conocemos, si se colocan sobre una base móvil, con el tiempo acaban balanceándose al unísono. En el mundo cuántico, este truco fue esquivo durante mucho tiempo.

El fin del universo no es simplemente oscuridad. Si la energía oscura lo desgarra en pedazos o si se contrae de nuevo en un punto, como un Big Bang al revés, se produce una singularidad: el momento en que la física convencional falla. Durante mucho tiempo se creyó que en ese incendio cósmico todo desaparecía.

El misterio de la energía oscura es un abismo. La teoría cuántica de campos predice una densidad 10¹²⁰ veces mayor que la observada. En el paisaje de cuerdas, este abismo cobra forma: una miríada de vacíos con diferente energía, y nosotros anidamos en uno de ellos.

Un pulso de luz puede compararse con un acorde musical: varias notas suenan a la vez, y cada una tiene su volumen y su fase. En óptica cuántica, estos "acordes" se denominan estados comprimidos multimodo.

Una nube ultrafría de átomos atrapada en una trampa de luz láser sabe «respirar»: se contrae y se expande rítmicamente, como unos pulmones. Los físicos saben observar esta respiración desde hace tiempo, pero solo ahora han comprendido que su amplitud no es solo una imagen bonita, sino un medidor preciso de las ocultas vibraciones energéticas dentro de la nube.

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que los convencionales no pueden abordar. Pero sus componentes, los bits cuánticos, son muy sensibles. Una variante de estos bits es el circuito oscilante, que puede estar en dos estados, como un péndulo que se balancea a la izquierda o a la derecha. Estos estados son los que almacenan la información.

Un montón de nieve crece siguiendo reglas estrictas: los copos que caen crean irregularidades, estas atraen más nieve y los bultos se hacen más grandes. Esta misma matemática describe el crecimiento de las ciudades, los patrones en la corteza de los árboles, las ondas en el agua y las acumulaciones de polvo cósmico.

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.

Un fotón es como un auto en un estacionamiento de varios pisos, donde cada piso es su frecuencia (color). Normalmente se queda atascado en un nivel, pero los científicos agregaron un ascensor: un modulador programable que mueve al fotón entre pisos a voluntad.

El gato de Schrödinger suele esconderse en experimentos mentales, vivo y muerto a la vez. Esta vez lo atraparon en el laboratorio: se hizo que un pulso de luz estuviera en dos estados opuestos a la vez, como una moneda suspendida en el aire mostrando cara y cruz al mismo tiempo.

Crear luz con un número exacto de fotones es como acuñar justo 100 000 monedas sin defectos. Hasta ahora, los físicos solo podían controlar unas decenas de partículas. La tecnología de la «máquina óptica» rompe esa barrera: las lentes virtuales, como fresas en un torno, eliminan el «desenfoque» y garantizan que cada paquete contenga exactamente la cantidad deseada de fotones.

Los cubitos de hielo en un vaso se derriten y el agua se mezcla por sí sola. Así se comportan muchos sistemas cuánticos: las partículas intercambian energía y, al cabo de un tiempo, el orden desaparece. Pero si añades una cucharada de miel al vaso, la mezcla se ralentiza, y con frío intenso el agua se congela en vidrio: sin red cristalina, pero también sin fluidez.

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.

Cientos de cocineros en una cocina: un caos total. Normalmente, el desorden crece. En física cuántica, la medida de ese desorden se llama entropía John von Neumann. Para un sistema de muchas partículas, la entropía suele aumentar con su número. Pero los científicos han encontrado una excepción.

De noche, un astrónomo apunta su telescopio al borde del universo visible y no ve estrellas, sino una ondulación: la huella de los primeros instantes. Sabe que esa ondulación debería obedecer a la estadística, como la estatura de la gente en una multitud. Pero solo tiene una multitud, y no hay con qué compararla.