campo gravitatorio

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo cambia ligeramente de dirección, como el agua que rodea una piedra en un arroyo. En el sistema solar hay muchas de estas "piedras": planetas, sus lunas, asteroides. Y cada uno de ellos, con su gravedad, curva la trayectoria de la luz que llega de estrellas lejanas.

Un superconductor expulsa el campo magnético como una esponja exprime el agua. Este efecto Meissner se conoce desde hace casi un siglo, pero normalmente se calcula en un mundo plano, sin gravedad. En el campo intenso de un agujero negro o a velocidades enormes, el panorama cambia.

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.

Una balanza que no pesa un cuerpo, sino el propio espacio que lo rodea. Así funcionan las ecuaciones de Einstein en la relatividad general: conectan la curvatura del espacio-tiempo con lo que hay en él. En el lado derecho de la ecuación —donde está la «materia»— se suele poner o bien la densidad de energía, o bien la presión.

En el centro de casi todas las galaxias se esconde un agujero negro supermasivo. Su gravedad es tan intensa que modifica el propio espacio. Pero pocos se preguntan: ¿qué hace con el tejido mismo de la realidad, con los campos que impregnan el cosmos? Uno de esos campos es el campo de Higgs.

El plano de ingeniería de un rascacielos siempre contiene un número: la carga máxima sobre los cimientos, digamos 500 kilopascales. Las Ecuaciones de Einstein del curvatura del espacio-tiempo imponen un límite similar sobre la 'carga de fuerza' dentro de estrellas, planetas y cualquier otro cúmulo de materia.

Dos pelotas lanzadas desde alturas diferentes caen al suelo con aceleraciones distintas. En el espacio todo es más complejo: incluso el vacío hace que los cuerpos se muevan de manera diferente.

La onda cuántica se asemeja a una fotografía de larga exposición: todo está borroso, pero es precisamente esa borrosidad la que muestra el movimiento. Normalmente, estas ondas congeladas se consideran una abstracción conveniente.

Bajen las luces. Al escenario entra un teatro de sombras, donde solo hay r titiriteros — pero la pantalla vive según las leyes de la geometría hiperbólica. Cada movimiento de la mano crea un patrón que los matemáticos llaman grupo discreto de isometrías.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros, regiones con una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. A su alrededor suelen orbitar estrellas, y a veces una de ellas es un púlsar, un faro cósmico que emite pulsos de radio estrictamente periódicos.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad inimaginable: esta etapa se denomina inflación. Se cree que entonces pudieron nacer del vacío partículas de materia oscura, esa sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas y evita que se dispersen.

El universo temprano era un lugar turbulento. El espacio vibraba con ondas gravitacionales, ondas en el propio tejido del cosmos. En ese crisol burbujeante, se cree que nació la materia oscura. Pero las partículas recién nacidas no tenían masa; había que obtenerla de algún lugar. Normalmente, el campo de Higgs es el responsable de la masa.

Dos boyas en las olas. Si lanzas una piedra al agua, los círculos se expanden y mecen primero una boya y luego la otra, no al mismo tiempo. En el mundo cuántico, ese «mecer» se llama entrelazamiento: las partículas, como boyas, empiezan a moverse de manera coordinada.

La inflación es la expansión ultrarrápida del universo en sus primeros instantes. La provocó un campo similar a una bola que rueda cuesta abajo. Pero junto a él podría haber habido una segunda bolita, casi imperceptible.

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

Dos piedrecitas caen al agua y los círculos en la superficie se cruzan, mezclando sus patrones. Algo parecido hacen los neutrinos: partículas ligeras que nos atraviesan por miles de millones cada segundo. Son capaces de transformarse de un tipo a otro, como un actor que cambia de máscara. A esta danza los físicos la llaman oscilaciones.

Estiran un colchón inflable y sobre él gira un remolino de agua. Al estirarse, el remolino se contrae: su tamaño con respecto a toda la superficie disminuye.

La gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, y no una simple atracción, como ya mostró Einstein. En esa «pista de baile» curvada incluso los hipotéticos portadores de la gravedad —los gravitones— se mueven de forma caprichosa.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden en círculos. Si la piedra no cae, sino que pasa rozando la superficie a gran velocidad, de su movimiento surge una onda recta que corre por el agua. Cuando esa onda choca con un tronco flotante, desde el punto de impacto vuelven a salir círculos.

El motor warp crea una burbuja alrededor de la nave que comprime el espacio delante y lo expande detrás. Es una forma astuta de burlar la prohibición de velocidades superlumínicas sin violar la teoría de Einstein.

Una piedra cae en un estanque: cerca de la orilla los círculos son casi imperceptibles, pero junto al punto de impacto el agua hierve. Algo similar ocurre con el campo eléctrico alrededor de una carga: de cerca es abrupto y enmarañado, pero a distancia se estira en una onda uniforme que transporta energía.

El espacio-tiempo es como un cristal gigante. Las ondas gravitacionales, nacidas de colisiones de agujeros negros, no solo lo hacen temblar: dejan defectos imborrables: de borde, como si se hubiera insertado un plano extra de átomos en el cristal, y helicoidales, donde las capas se retuercen.

Un puñado de arena cae sobre la mesa. Los granos se acomodan de maneras distintas, pero si el puñado es grande, el volumen total apenas cambia. Así funciona aproximadamente la gravedad clásica: el espacio parece liso y definido. Pero si uno se fija en los granos individuales, resulta que a nivel cuántico el propio volumen deja de ser fijo.

Si arrojas un puñado de purpurina a un río, algunas partículas flotarán directamente, otras girarán en pequeños remolinos. Con las galaxias del universo ocurre algo parecido: no solo se separan debido a la expansión, sino que también giran en corrientes gigantes, como astillas en remolinos invisibles.

Una peonza pesada lanzada cerca de un agujero negro no sigue la curva que dibujan los libros de texto. Su propia rotación y su achatamiento —como el de una calabaza aplastada por los polos— hacen que la trayectoria zigzaguee. En este nuevo trabajo, ese camino zigzagueante se ha calculado con mayor precisión que nunca.

Ya en el siglo pasado, Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias giraban demasiado rápido, como si una materia invisible las mantuviera unidas. Desde entonces, la materia oscura ha sido un misterio. Normalmente se atribuye su origen a nuevas partículas o fuerzas.

Hace cien años, las ecuaciones de Einstein predijeron los agujeros negros, pero en su interior la física se rompía: las trayectorias de las partículas terminaban en la singularidad, un punto de curvatura infinita. Era un callejón sin salida, el fin del espacio-tiempo.

Un electrón deslizándose sobre colinas y valles invisibles creados por la textura de espín: así se ve un nuevo capítulo en la física de la materia condensada. En materiales cuánticos con la dirección de los espines localizados variando suavemente (textura de espín), el electrón deja de ser simplemente una partícula que vuela a través de la red.