ecuación de Gross-Pitaevskii

Una aspiradora succiona el polvo incluso si hay más cerca de la boquilla. Así ocurre en un tokamak: las partículas de plasma se concentran hacia el centro, aunque su densidad sea mayor en el borde. Este fenómeno se denomina pellizco de partículas y contradice la regla habitual de que todo tiende a moverse de las zonas densas a las menos densas.

Un paquete de ondas se parece a un viajero que a veces pierde fuerzas y se dispersa por el camino, a veces mantiene el paso y a veces se concentra. En un canal de 50 metros con agua de 5 metros de profundidad, los científicos observaron cómo se comporta un grupo de olas con forma de campana cuando se cambia su altura pero no su ancho.

Si empujas agua en un canal estrecho demasiado rápido, se forma una ola empinada que rompe en espuma. En el mundo de los átomos ultrafríos, enfriados casi hasta el cero absoluto, las leyes cuánticas impiden que esa ola rompa.

Un cocinero prueba pequeños trozos de distintos bordes del plato e intenta reconstruir la receta de un plato complejo. Cada bocado da solo una pista del sabor y, además, las pruebas están un poco distorsionadas: a veces hay demasiada sal, a veces falta azúcar.

Cuando dos núcleos atómicos chocan, nace una diminuta bola de fuego. Vive un instante, pero en su interior se suceden épocas enteras: compresión, calentamiento, expansión.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Si rota, puede amplificar las ondas a su alrededor, como un eco de montaña que repite el sonido. Para la materia oscura ultraligera (partículas miles de millones de veces más ligeras que el electrón), este efecto, llamado superradiancia, podría crear una nube enorme.

El foco está en el monopolo, un cúmulo especial de campo no abeliano (un campo donde el orden de las operaciones altera el resultado), que recuerda a una carga magnética sin pareja.

89 milisegundos. Eso dura la avalancha de vórtices que acelera bruscamente la rotación del púlsar Vela — uno de los púlsares más famosos por sus glitches. Los púlsares son estrellas de neutrones que giran a gran velocidad, nacidas del colapso de supernovas.

En una habitación silenciosa se puede oír hasta el susurro más débil. Así, en el átomo de hidrógeno, el más ligero de todos, es más fácil notar a un invitado no deseado. Ese invitado podría ser el bosón Z', una partícula mediadora de una nueva fuerza que predicen muchas teorías de unificación. El modelo estándar ya tiene su propio mediador: el bosón Z.

El plasma no es solo un gas caliente, sino toda una orquesta de partículas cargadas, donde cada grupo toca su propia parte. Los iones pesados (átomos que han perdido electrones) marcan el ritmo lento, mientras que los electrones ligeros se mueven diez mil veces más rápido.

El material de construcción más masivo del planeta, el hormigón, guarda sus secretos más importantes a escala nanométrica. Su resistencia y tendencia a fluir lentamente bajo carga están determinadas por el gel microscópico de hidrato de silicato de calcio (C-S-H), cuya estructura es caótica, como un remolino congelado de átomos.

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.

La superfluidez — ese estado en el que la materia fluye sin fricción — ha permanecido elusiva durante mucho tiempo en los condensados de Bose neutros de excitones.

En el centro de muchas galaxias se esconde una nube invisible: el halo de materia oscura. Si esta materia es lo bastante fría y ligera, se comporta como un líquido superfluido: fluye sin fricción y cualquier rotación se enrolla en diminutos vórtices cuánticos, hilos del tamaño de un núcleo atómico.

Un océano infinito donde cada ola lleva información sobre lo que ocurre en las profundidades. Así es, más o menos, nuestro universo según el principio holográfico: la física dentro de un volumen puede describirse mediante procesos en su frontera.

A temperaturas de milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto nace el condensado de Bose-Einstein: un estado donde miles de átomos marchan en una misma clave cuántica.

Un objeto común se mueve en una trayectoria predecible, como una pelota. En el mundo cuántico, la partícula está difuminada en una nube de probabilidad. Para ver orden en esta niebla, los científicos reescribieron la ecuación de Schrödinger en el lenguaje del agua corriente.

Un átomo solitario de potasio cae en una nube densa de átomos de sodio enfriada casi hasta el cero absoluto. Este medio se llama condensado de Bose-Einstein: todas las partículas se funden en una única onda cuántica. Cabría esperar que la impureza simplemente eligiera a un vecino y formara un par. Pero el experimento mostró algo distinto.

Un sistema cuántico se parece a una isla que el océano va erosionando poco a poco. Las olas son la influencia del entorno, y van borrando las costas, privando a la isla de sus contornos únicos. La ecuación GKLS (Gorini–Kossakowski–Lindblad–Sudarshan) describe precisamente la rapidez con la que desaparece esa «cuanticidad». Pero toda ola tiene una fuente de energía.

En el mundo cuántico, las partículas pueden fusionarse en un único líquido que fluye sin fricción. Una de sus formas más enigmáticas es el líquido cuántico fraccionario de Hall. En él, los electrones o átomos se mueven como un vórtice único, y su carga se divide en fracciones, como un pastel cortado en porciones perfectamente iguales.

Una sopa hirviendo en una cacerola, pero cada grano no es solo un punto, sino una pequeña peonza que gira sobre su propio eje. Así es el mundo de las partículas con espín 1. Por ejemplo, algunos mesones de vida corta que nacen en colisiones en aceleradores.

En el centro de muchas galaxias se esconde un halo invisible de materia oscura que mantiene a las estrellas en los bordes, impidiendo que se dispersen. Durante mucho tiempo se describió como un gas tenue de partículas, pero un nuevo trabajo propone una visión diferente: la materia oscura podría reunirse en una gota cuántica.

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.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Muchas moléculas, como guantes, vienen en versiones zurdas y diestras. Su diferencia energética, provocada por la interacción débil, es minúscula — como un susurro en una sala ruidosa. Los físicos han ideado cómo convertir ese susurro en un unísono. Una mezcla de moléculas precursoras en un gas ultrafrío genera pares especulares.

El espacio-tiempo fluye como un río, y un agujero negro es un remolino. Las partículas en esta corriente son como ondas con su propio ritmo: una alternancia de crestas y valles. Resulta que el remolino desplaza el ritmo de la onda a distancia, sin siquiera arrastrarla.

En el mundo cuántico, las partículas de materia oscura pueden fusionarse en una sola gota superfluida: un estado donde la sustancia fluye sin fricción, como un líquido ideal. Al encontrarse cerca de un agujero negro, esa gota no desaparece en él, sino que se enrolla en vórtices estables, como el agua que rodea una piedra en un río.

El cosmos no es un bloque sólido, sino un lienzo de innumerables hilos cuánticos. El espacio-tiempo no fluye como el agua, sino que vibra como un tapiz al viento. Durante mucho tiempo, los físicos solo veían el dibujo general, ignorando el temblor de los hilos individuales.

Una gota de miel se extiende lentamente sobre la mesa; el agua, rápido. La resistencia al flujo, la viscosidad, es diferente para cada líquido. Pero, ¿y si la viscosidad cambia sobre la marcha, a medida que la sustancia se comprime o se expande?

A veces en las ecuaciones se cuela algo de más, como una tabla del suelo que chirría y no deja en paz a toda la casa. En la teoría de la gravedad, si se añaden a las ecuaciones los términos de curvatura al cuadrado (y esto es necesario para describir campos muy intensos), aparece una partícula fantasma: pesada, pero con energía…

Un funambulista avanza sobre una cuerda tensa. Cada paso es una búsqueda del equilibrio, un cálculo instantáneo de fuerzas. De manera similar, las ecuaciones de Einstein describen cómo la materia y la energía hacen que el espacio-tiempo se curve.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

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.

Imagina dos coros en salas insonorizadas sobre un escenario tambaleante. Cantan, pero no pueden oírse — el aire no transporta la melodía. Pero si el escenario tiembla, sus vibraciones conectan sus canciones. Esa es la idea detrás de una nueva prueba para la gravedad cuántica.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa uniformemente, pero en una taza con trozos de gelatina de frutas la tinta seguirá caminos sinuosos: en algunos lugares se atascará, en otros pasará de largo. Así también las moléculas en células vivas o en materiales porosos no se mueven sobre un campo liso, sino a través de un medio con desorden: en unas zonas más denso, en otras más fluido.

Una nube fría de átomos se parece a un enjambre de luciérnagas que se sienten atraídas entre sí. La atracción entre los átomos intenta reunirlos en una masa densa. Pero el temblor cuántico —el movimiento inevitable de las partículas— impide que la masa colapse. Cuando la atracción es fuerte, la nube se divide en cúmulos separados.

Una piedra lanzada cae con aceleración, y por el tiempo de caída se puede calcular la fuerza de gravedad. Los científicos repiten este experimento con una nube de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. Esa nube cae en una cámara de vacío, y los pulsos láser dividen sus ondas, como la luz en un interferómetro.

El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.

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.

Las ondas magnéticas en un gas ultrafrío se comportan como cuerdas elásticas. Dos o tres de estas cuerdas pueden trenzarse formando un nudo que respira: se contrae y se expande, pero no se deshace. Los científicos han logrado por primera vez crear estos nudos en el laboratorio y han comprobado que su respiración coincide exactamente con los cálculos.