invariancia de gauge

En 2017, los detectores registraron una onda gravitacional proveniente de la colisión de dos estrellas de neutrones. 1,7 segundos después, los telescopios vieron un destello de estallido de rayos gamma desde el mismo punto. Ese pequeño retraso se convirtió en un tesoro para los físicos.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

Una partícula cuántica puede ser una onda y atravesar dos caminos a la vez. Pero si algo 'espía' por cuál camino ha ido, la onda desaparece. Este efecto se conoce como pérdida de interferencia. Normalmente, los responsables de espiar son los fotones o las moléculas de aire.

La gravedad en nuestro mundo es el espacio-tiempo curvado. Así la describe la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero, ¿qué ocurre con la gravedad a nivel de átomos y partículas, donde reina la mecánica cuántica? Esta pregunta lleva casi un siglo sin respuesta.

Un copo de nieve crece, una mancha de petróleo se extiende, una multitud se mueve: las ecuaciones para cada caso son distintas. Pero el final suele ser el mismo: la forma, la velocidad, el patrón obedecen a un esquema simple que se repite a diferentes escalas. Esto es la universalidad: cuando tras los detalles se esconde una ley común.

Un corredor que, a mitad de la carrera, de repente cambia a paso ligero: ni acelera ni frena, sino que mantiene un ritmo constante. Algo similar pudo ocurrirle al propio universo poco después del Big Bang. Esta fase se denominó «estasis», de la palabra griega que significa «detención».

Una bolita está en un hoyo. Por sí sola no saldrá de ahí: necesita un empujón. Pero en el mundo cuántico, una partícula puede filtrarse a través de una barrera sin energía extra. Ese truco se llama tunelización.

Cuanto más delgada es la película ferroeléctrica, más fuerte es el campo despolarizante: el dictado de la física clásica. Imagine un lápiz que se balancea sobre la punta del dedo: cuanto más corto, más difícil es mantenerlo vertical. Así es como la polarización nanométrica tiende a desaparecer.

Cuando un grano de arena cae sobre una mesa, su impacto es predecible. Pero si lo comprimimos hasta el tamaño de un núcleo atómico, las leyes habituales de la gravedad se rompen: la fuerza gravitatoria debería crecer infinitamente.

Echas un puñado de fósforo en silicio y, a cierta concentración de impurezas, el material de repente empieza a conducir la corriente. Esta es la transición de fase metal-aislante, y ocurre de manera abrupta. Pero, ¿qué cambia exactamente en las funciones de onda de los electrones cuando un aislante se convierte en metal?

La gravedad suele explicarse mediante la curvatura del espacio-tiempo. Los cuerpos masivos lo deforman, como una bola de bolos sobre una lámina de goma estirada. Pero este enfoque tiene dos gemelos menos conocidos.

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.

En el universo joven y caliente, como en una sala de baile abarrotada, giraban los monopolos magnéticos — partículas solitarias que portan solo el polo norte o solo el polo sur. En un imán común, los polos siempre van en pares, pero aquí cada uno va por su cuenta.

Un cubito de hielo en un vaso de agua no solo flota: empuja. Las moléculas de agua lo bombardean desde todos los lados, y ese bombardeo genera una fuerza que se puede medir. En física existe una fuerza similar, pero no actúa sobre el hielo, sino sobre todo lo que tiene masa, y no surge del ajetreo de las moléculas, sino de la información. Se llama fuerza entrópica.

Si cada segundo se comprueba dónde está un electrón, sus propiedades cuánticas cambian. Es como un niño que juega al escondite pero le llaman por su nombre constantemente: se queda quieto y deja de correr. En el mundo de las partículas, ese «llamador» es una medición.

En el primer segundo después del Big Bang, el universo era un caldero hirviente de energía. Pares de 'partícula-antipartícula' nacían y se aniquilaban mutuamente al instante. Pero por cada mil millones de esos pares, una partícula de materia sobrevivía — y ese remanente se convirtió en estrellas, planetas, personas.

En la física de partículas elementales se ha asumido durante mucho tiempo que las fuerzas de la naturaleza —el electromagnetismo, la interacción débil y la fuerte— obedecen a una simetría estricta llamada simetría gauge. Es como un conjunto de reglas según las cuales las partículas intercambian portadores de fuerza. Pero, ¿de dónde surgen las reglas mismas?

Lanza una piedra a un estanque: las ondas se expanden cambiando la escala de la onda. Más o menos así funciona la nueva teoría: dota a cada partícula de su propio 'círculo de escala', y es precisamente esa curvatura del espacio invisible la que resulta ser la fuente de la masa.

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.

Un sastre corta un traje, pero las costuras se abultan y los botones no coinciden. En la teoría cuántica de campos, inconsistencias similares se denominan anomalías: aparecen cuando la simetría de las ecuaciones se rompe al pasar a la descripción cuántica. Por lo general, se corrigen cosiendo parches adicionales, los llamados contra-términos de Bardeen-Weiss-Zumino.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

Un rayo de luz viaja a través del vacío, y su propio «tictac» —un reloj invisible incrustado en el propio tejido del espacio-tiempo—.

Un sensor de radiación en la ciudad se parece a un músico callejero: debe dar las notas correctas incluso cuando los dedos se entumecen por el frío o el sol calienta el instrumento.

Una célula puede editarse perfectamente, pero aun así resultar inútil. El gen se corrige exactamente según el plan, pero la célula se comporta de manera impredecible: deriva, cambia su destino, pierde seguridad. Es como arreglar un engranaje de un reloj, pero el reloj sigue andando mal porque todo el mecanismo se ha desajustado.

En el Universo recién nacido, justo después del Big Bang, el espacio se expandía vertiginosamente y el vacío parecía un líquido sobrecalentado. Cuando comenzó la «ebullición», surgieron burbujas de vacío verdadero.

El océano es como un pastel en capas: arriba, agua cálida y ligera; abajo, agua fría y densa. Entre las capas, en la interfaz, se pasean olas invisibles desde la superficie. No levantan crestas como una tormenta, sino que mecen lentamente toda la columna de agua, como si alguien sacudiera un enorme acuario desde dentro.

En los primeros instantes después del Big Bang, el espacio se expandía a una velocidad increíble. Una diminuta ondulación cuántica, incrustada en el propio principio de incertidumbre, empujaba la materia con más fuerza que cualquier fuerza conocida. Esa ondulación es el principio de incertidumbre generalizado, o GUP.