instantón gravitacional

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.

El cuello de un reloj de arena es el punto más estrecho, donde los granos cambian de lado. En la gravedad cuántica existe un objeto similar: el instantón (una solución instantánea que conecta dos estados del espacio). Funciona como un túnel a través del cual la geometría del universo fluye de una forma a otra.

La unión de Josephson es un puente de superconductor separado por una capa aislante muy delgada. A través de ella fluye corriente incluso sin voltaje. Pero cuando la corriente se vuelve demasiado grande, el puente comienza a oscilar y en la gráfica del voltaje aparecen escalones regulares: los escalones de Shapiro.

$$10^{-35}$$ segundos. Un instante diminuto en el que el universo se expande $$10^{26}$$ veces. Inmediatamente después, atraviesa miles de transformaciones rápidas — como una canica saltando a lo largo de una cadena de túneles. Esta cascada constituye la esencia de la inflación en cadena, propuesta por primera vez por Alan Guth.

Por lo general, un agujero negro se describe como una imagen congelada: hay masa, hay carga, y todo eso está inmóvil. Pero los objetos reales viven en el tiempo. Emiten radiación, pierden energía, cambian.

Un tímpano al borde mismo de una cascada. El sonido aquí se comporta de manera extraña: el eco no se multiplica, sino que se apaga. Así son las ondas gravitacionales en el horizonte de un agujero negro — el límite tras el cual desaparece incluso la luz.

Las básculas de muelle de una tienda muestran el peso de forma sencilla: el objeto presiona el muelle, este se comprime y la aguja se desplaza por la escala. La relación entre fuerza y compresión es directa, como la ley de Hooke.

Un par de agujeros negros gira en un baile, acercándose gradualmente. Pierden energía y rotación, un proceso que se conoce como emisión de momento angular. En la teoría ordinaria de Einstein, solo las ondas gravitacionales se llevan el momento.

La gravedad cuántica se parece a la contabilidad: cada trayectoria posible es una anotación en el libro mayor, y para hacer el balance hay que sumarlas todas.

En la teoría clásica, un agujero negro es un lugar donde la materia se comprime en un punto de densidad infinita. Esa "singularidad" parece un error en las ecuaciones: es poco probable que la naturaleza tolere infinitos.

En el críquet existe un lanzamiento especial: el googly. La pelota vuela de tal manera que su giro engaña al bateador. En física también había su propio googly: durante casi medio siglo, los matemáticos no lograban que la teoría de twistores funcionara con la gravedad real. Describía muy bien los campos «cómodos», donde todo está enrollado en una sola dirección.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió a una velocidad vertiginosa. Este proceso se denomina inflación y suavizó todas las irregularidades, haciendo que el cosmos fuera homogéneo. Pero, ¿qué puso en marcha la propia inflación?

El vacío falso no es simplemente un líquido subenfriado, sino un holograma cuántico listo para cobrar vida con la proyección adecuada.

Un traductor que traduce no palabras, sino la propia estructura de la conversación, se enfrenta a dificultades cuando el diálogo sale de una habitación silenciosa. En una simulación habitual sobre una retícula espacial, todo sigue un guion estricto.

Un constructor no comprueba la resistencia de un arco repasando mentalmente todas sus formas posibles, sino desplazándolo ligeramente en su imaginación y viendo cuánta fuerza se gasta en ello. Así funciona aproximadamente el principio del trabajo virtual en mecánica.

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.

En la imagen clásica del mundo, la gravedad son suaves curvaturas del espacio y del tiempo. Pero a nivel microscópico, donde manda la mecánica cuántica, esas curvaturas deberían convertirse en un ondulamiento granulado. Las partículas de ese ondulamiento se llaman gravitones.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el espacio. Es una región donde la gravedad comprime la materia tan fuertemente que ni siquiera la luz puede escapar. Entre todos los agujeros negros posibles destaca uno: el agujero negro rotatorio de Kerr.

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.

La orquesta toca desafinada y el sonido parece un caos. Pero si se anotan todas las notas y se analizan matemáticamente, se puede reconstruir la forma de la sala de conciertos: dónde están las paredes, qué altura tiene el techo. Así, más o menos, es como los físicos proponen derivar la gravedad a partir de la teoría cuántica.

Dos esferas masivas se separan lentamente en el vacío. Desde el punto de vista de la mecánica ordinaria, no hay nada especial. Pero las ecuaciones de Einstein dicen lo contrario: las masas aceleradas agitan el propio espacio, y desde ellas se propagan ondas gravitacionales — una ondulación que estira y comprime todo a su paso.

Un agujero de gusano es un túnel hipotético en la curvatura del espacio-tiempo que conecta dos regiones distantes del universo y potencialmente acorta el camino entre ellas.

Una sábana estirada forma pliegues. Si tiras de una esquina, corre una onda uniforme; si comprimes la tela bruscamente, se produce un doblez agudo. Más o menos así se comportan el espacio y el tiempo en las ecuaciones de Einstein.

La nada cuántica se asemeja al agua en una olla justo antes de hervir. De vez en cuando, surge espontáneamente una burbuja, pero no de vapor, sino de un universo entero. Esta burbuja no colapsa, sino que se expande en el espacio-tiempo, desencadenando su propio Big Bang. La cuestión es con qué frecuencia ocurre esto.

Lo primero que viene a la mente al pensar en el nacimiento del universo es una explosión. Pero la cosmología moderna pinta un cuadro más refinado: el nacimiento a través del cuello de una copa de vino.

Una cuerda de guitarra decide por sí misma cuánto tensarse cuando el músico toca un acorde en diferentes octavas. Algo así es lo que dibujan los físicos cuando intentan unir la gravedad —la fuerza más débil, pero omnipresente— con las extrañas leyes del micromundo.

La cosmología lleva mucho tiempo buscando un resquicio detrás del Big Bang. La inflación, propuesta por Alan Guth, estira y alisa las irregularidades primordiales, pero ¿qué encendió la mecha?

Una tetera común: la calientas, sube la temperatura y con ella el desorden molecular, sale vapor. Pero en el laboratorio crearon una «tetera» inusual: un agujero negro analógico hecho de circuitos superconductores enfriados al límite.

Una rosquilla matemática —un toro— se instaló en la frontera de un mundo tridimensional donde actúa la gravedad. Se puede arrugar y estirar, y los físicos decidieron comprobar cómo se comporta. Dentro de este mundo, el espacio puede ser plano, como una mesa; expandirse, como una burbuja de jabón; o curvarse como una silla de montar. La frontera con forma de rosquilla no quiso permanecer lisa.

En física hay un dolor persistente. La relatividad general describe el origen del Universo como un punto — una singularidad donde las ecuaciones colapsan y el volumen se hace cero. La mecánica cuántica insinúa que en el momento más crítico algo no sucede como predice la física clásica.

Un nanodiamante masivo en un interferómetro cuántico se divide en dos, revistiéndose de dos realidades. Su gravedad — insignificante, casi imperceptible — excita el campo cuántico del vacío, y nacen nubes coherentes de gravitones. Estas son las sombras gravitacionales, proyectadas por cada posición de la masa.

El agua hierve en la olla y del fondo suben burbujas. Crecen, ascienden y revientan, y el agua sigue siendo agua. Algo parecido, según han descubierto los físicos, puede ocurrir con el propio espacio — si en él hay energía oscura (la misteriosa fuerza que acelera la expansión del universo).

Una goma elástica que se estira en direcciones opuestas no se comporta como una hoja de papel entera. Si tiras de un extremo, la deformación no se propaga uniformemente, sino que parece retenerse en ciertas zonas.

Una multitud de personas de repente empieza a moverse como una sola persona. En física, esto ocurre con los espines atómicos: diminutas agujas magnéticas. Cuando muchos espines se juntan y se comunican a través de un medio común, forman un gran imán, o macroespín.

Las ecuaciones de Einstein y el modelo de Lemaître llevaban a que el Universo comenzó a partir de un punto infinitamente denso, la singularidad del Big Bang. En ese punto, la física habitual fallaba, dejando el misterio del primer instante.

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.

El nacimiento del Universo suele asociarse con el Big Bang, un punto de densidad infinita. Pero en ese punto las leyes de la física se rompen, lo cual no satisface a los científicos. Stephen Hawking y James Hartle propusieron en los años 80 una visión distinta: el tiempo no tiene frontera, como la superficie de un globo terráqueo.

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.

Normalmente, un agujero negro es una región de la que nada regresa. Pero la solución exacta de las ecuaciones de Einstein, que combina un agujero solitario de Schwarzschild y la expansión del Universo de Lemaître, presenta un panorama diferente.

Dos recipientes con agua a diferentes temperaturas están separados por una membrana delgada. Mientras la membrana esté intacta, cada recipiente vive su propia vida: en uno el agua está caliente, en el otro helada. Pero basta con retirar la membrana para que las temperaturas comiencen a igualarse y, al final, ambos recipientes alcancen el mismo estado.