Teorema de Goldstone

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

En el universo temprano, cuando se enfriaba después del Big Bang, pudieron formarse defectos —como grietas en el hielo. Uno de esos defectos es el monopolo global, un diminuto cúmulo de campo donde la energía queda atrapada en un nudo.

En un cristal, los electrones no se distribuyen al azar. Sus ondas obedecen la simetría de la red, como las ondas en el agua adoptan la forma del aro que se lanza en ella. El nuevo trabajo muestra que, en puntos de alta simetría, esas ondas deben tener nodos: lugares donde la densidad electrónica es estrictamente cero.

El universo temprano se parecía a un océano que se enfriaba rápidamente. A temperaturas colosales, todo era uno: quarks, electrones, interacciones se fundían en un 'vapor' simétrico. Pero a medida que se expandía y enfriaba, ese vapor se condensaba, y las transiciones de fase se sucedían como el agua que se convierte en hielo.

Un mosaico de cuadrados y triángulos cubre el suelo sin dejar huecos, pero no forma un patrón repetitivo simple. Tal diseño es un cuasicristal, un sólido donde los átomos no se colocan periódicamente, sino siguiendo un patrón de varias ondas de distinta longitud. Estas ondas son inconmensurables entre sí y juntas crean un orden de largo alcance.

10⁻¹²⁰. No es solo un número pequeño, es un abismo. Esta es la relación entre la densidad de energía oscura y la densidad de Planck, la escala natural de la gravedad cuántica. La colosal diferencia de ciento veinte órdenes de magnitud pareció durante mucho tiempo un enigma insoluble.

En 1984, el mundo de la cristalografía dio un vuelco: en una aleación de aluminio y manganeso se descubrieron picos de difracción nítidos con simetría de orden cinco, como si la naturaleza se burlara de los teoremas estrictos que prohibían que los patrones repetitivos tuvieran ejes 5, 8, 10 o 12.

Las estrellas bosónicas son átomos gravitacionales. Solo que en lugar de carga eléctrica, el núcleo es la propia gravedad, que mantiene una nube de campo escalar en grumos cuantizados.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

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.

Dos nubes de átomos ultrafríos, casi inmóviles a temperaturas de unos pocos nanokelvins, se mezclan en una trampa. Una nube está formada por átomos ligeros, la otra por átomos pesados. Se empujan entre sí de manera diferente.

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.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. Las ondas largas y las cortas se mueven a la misma velocidad: así se comporta el sonido ordinario en casi cualquier medio. Pero en los líquidos cuánticos todo puede ser diferente. Los físicos consideraron un superfluido donde las partículas se mueven a lo largo de una banda de energía "plana".

Al principio, instantes después del Big Bang, el universo estaba organizado de forma ridículamente simétrica: había tantas partículas como antipartículas. Pero ocurrió un desequilibrio, diminuto como un grano de arena extra en un kilo de azúcar, y todo el mundo que conocemos —estrellas, planetas, personas— surgió de ese excedente.

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 piedra cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero si la piedra es muy pequeña y el agua no es del todo común, las ondas la atraviesan sin siquiera darse cuenta. Algo así ocurre con las vibraciones sonoras en el helio superfluido: a energías extremadamente bajas, se filtran a través de los obstáculos como si no existieran.

Una pompa de jabón con electricidad atrapada en su interior y paredes hechas de un campo invisible: así se ve aproximadamente un agujero negro con 'pelo resonante'. No es pelo real, sino una nube de campo escalar que se mantiene alrededor del agujero gracias a sus propias interacciones.

Un flujo de electrones entra en el plasma como un chorro de agua golpea un estanque tranquilo. El chorro perturba la superficie, generando ondas que crecen rápidamente y mezclan el agua. En el plasma, este proceso se llama inestabilidad de Buneman: el haz de electrones excita oscilaciones que luego disipan su energía.

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.

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 pulso láser corto golpea un cristal, y este no responde con un solo sonido, sino con toda una escalera de frecuencias separadas por un intervalo idéntico. Así nace un peine de frecuencias fonónicas: un fenómeno que los físicos investigan en un material con una estructura interna inusual.

Los cristales de tiempo son una fase exótica de la materia que exhibe movimiento periódico no en el espacio, sino en el tiempo, incluso en su estado fundamental, no excitado. Esta idea, que recuerda a un reloj perpetuo que no requiere cuerda, fue propuesta por primera vez por Frank Wilczek.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

Los telescopios modernos ven que las galaxias lejanas se alejan cada vez más rápido. La causa se llama energía oscura, pero su naturaleza fue un misterio. Además, los cálculos de la velocidad de expansión en el universo temprano y tardío no coinciden. La solución quizás esté en un evento similar a la caída de un lápiz.

En la familia de los bronces de wolframio, un material era considerado el tranquilo. Al enfriarse, sus hermanos reorganizan sus electrones en un patrón ondulado, pero él no. Así se pensaba hasta hace poco. Ahora resulta que también tiene su reorganización.

En el mundo cuántico, un objeto puede estar en varios lugares a la vez. Sin embargo, en la vida cotidiana vemos las cosas en un lugar fijo. La razón es la gravedad.

El mosaico de Penrose, armado con dos tipos de baldosas, recubre el plano sin un patrón repetitivo — maravilla matemática descubierta por Roger Penrose, que ha obtenido una realización física en el mundo cuántico.