simulación hidrodinámica

El sonido de alta frecuencia, enfocado en un solo punto, actúa como una lente invisible que concentra la luz del sol. Dentro del tumor, esa lente genera en un segundo una temperatura de unos 72°C — como el agua caliente del grifo, pero dentro del tejido vivo. Mientras tanto, las células sanas de alrededor permanecen casi intactas.

El Universo justo después del Big Bang parecía un caldero hirviente: por doquier estallaban y crecían burbujas de un nuevo estado de la materia. Eran transiciones de fase de primer orden, exactamente como la ebullición del agua. Solo que la temperatura alcanzaba billones de grados.

El universo temprano no se parecía a un estanque tranquilo, sino a un caldero burbujeante. La materia fluía, chocaba y se arremolinaba, todo en medio de la rápida expansión del propio espacio. Para entender cómo de esa sopa caliente nacieron las estrellas y las galaxias, los físicos construyen simulaciones digitales.

El metro corre a toda velocidad por el túnel, y los pasajeros del último vagón ni siquiera se tambalean. Así funciona más o menos el flujo sanguíneo en los pulmones: el corazón impulsa la sangre con potentes sacudidas, pero para cuando llega a las venas, la pulsación casi ha desaparecido.

Espacio profundo, centro de una galaxia. Un agujero negro supermasivo está rodeado por un disco incandescente de gas y polvo. Y de repente, a través de ese velo ardiente, con una periodicidad de varias horas, pasa una estrella — como una flecha disparada por el arco de la gravedad.

En el corazón de casi todas las galaxias duerme un agujero negro supermasivo, el director invisible de la orquesta estelar. Cuando las galaxias chocan, sus monstruos centrales se acercan, girando en una danza gravitacional. A veces se une un tercer compañero al dúo, y entonces comienza un vals triple cuyo desenlace es impredecible.

En los primeros instantes de la vida del universo, este se asemejaba a un caldero burbujeante. Al enfriarse, ocurrían transiciones de fase, algo así como cuando el vapor se convierte en agua, pero en lugar de moléculas, cambiaba el propio estado del espacio. En ese caldero nacían burbujas de la nueva fase, parecidas a las burbujas de una olla hirviendo.

El flujo de aire que rodea un ala o una pala de turbina se comporta como una cuerda: primero es suave y en capas, es el régimen laminar. Pero basta con que la velocidad aumente o aparezca una perturbación externa para que la cuerda se rompa en un temblor caótico: la turbulencia.

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.

Un planeta del tamaño de Neptuno, pero al rojo vivo. Bajo las nubes, un océano de magma capaz de absorber una atmósfera entera de hidrógeno. El nuevo modelo SEAMIST ha rastreado por primera vez cómo esa disolución cambia el destino del planeta desde su nacimiento hasta su vejez. La gran sorpresa es el mecanismo de ebullición catastrófica.

En el corazón de una nube molecular nace una estrella masiva. Su luz ultravioleta ioniza el hidrógeno y la nube brilla en la línea Lyman-alfa. Pero para el fotón, ese destello no es una liberación, sino un encarcelamiento en un laberinto de espejos.

Los astrónomos construyen mapas de galaxias y escuchan el susurro radial del hidrógeno neutro. La señal es tan débil que incluso un televisor encendido la ahogaría, pero antenas sensibles la captan desde las profundidades del Universo.

Una bombilla normal brilla más cuando se calienta, eso lo sabe cualquiera. Pero un agujero negro del tamaño de un núcleo atómico obedece otras leyes. Cuando se evapora, emitiendo partículas por efectos cuánticos en su mismo borde (el horizonte de sucesos), su brillo no aumenta con la temperatura, sino que disminuye.

Una palmada comprime el aire y este se dispersa: el choque más simple. En el espacio, el papel de las palmas lo desempeñan las estrellas que explotan: sus ondas de choque comprimen bruscamente el gas y desencadenan una mezcla caótica: la turbulencia.

El agua de un río de montaña no fluye de manera uniforme: hierve, gira en remolinos, acelera de repente. Ese movimiento desordenado se llama turbulencia. Pero incluso en ella hay ritmos ocultos: ráfagas raras y fuertes que, por un breve instante, cambian todo el panorama del flujo.

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?

El brazo de un río estelar rodea el centro de una galaxia lejana, como una cinta luminosa sobre una montura invisible. Esa montura es el halo oscuro: una enorme nube de materia oscura invisible que, con su atracción, mantiene unidas a las estrellas y al gas.

El burbujeo de una olla, una ráfaga de viento, el humo que sube de una fogata: todo obedece a ecuaciones que los matemáticos llaman «no lineales y disipativas». En pocas palabras, en ellas la energía se pierde por fricción y las partes del flujo se influyen tanto entre sí que predecir el movimiento con antelación es una tarea al límite de lo posible.

El agua que se va por el desagüe forma un remolino. Algo habitual en cualquier cocina. Pero ese mismo remolino ha demostrado ser capaz de reproducir dos efectos que los físicos suelen asociar con los agujeros negros y la rotación de los planetas. El primer efecto es el desfase de una onda al rodear un obstáculo.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor suben y estallan. En el mundo cuántico de un líquido superfluido, las burbujas se comportan de otra manera: pueden colisionar y engendrar vórtices, diminutas corrientes arremolinadas parecidas a remolinos en un río. Los científicos modelaron ese líquido con un enfoque holográfico.

El vacío puede generar partículas si se aplica un campo suficientemente intenso. Los físicos llaman a esto la paradoja de Dirac–Klein. Antes, para explicarlo se requerían cálculos muy complejos de la teoría cuántica de campos. Pero se puede recurrir a una imagen intuitiva: una banda elástica muy tensada con un nudo. El nudo es la partícula.

En una nube, miles de diminutas gotas de agua flotan en el aire. Para que llueva, necesitan crecer: unirse en gotas más grandes y volverse lo suficientemente pesadas como para caer al suelo.

Un estallido de rayos gamma es un destello de luz breve pero extremadamente potente, que se produce cuando se fusionan estrellas de neutrones o cuando colapsa una estrella masiva. Dentro de ese destello, chorros de plasma se mueven a velocidades enormes y chocan entre sí.

Una diminuta estrella de oro se derrite bajo el haz de un microscopio electrónico y sus puntas se redondean lentamente. Antes, ese proceso solo podía verse en fotogramas tomados con largas pausas, y el propio haz de electrones llegaba a modificar la muestra.

El agua de un río rodea las piedras, el aire se desvía alrededor del ala de un avión: estos movimientos se describen con ecuaciones que son difíciles de resolver incluso con una computadora potente. Las redes neuronales pueden aproximar estas soluciones, pero a menudo se equivocan cuando los datos se recogen solo en unos pocos puntos o están contaminados por ruido.

Las superburbujas son colosos cósmicos, similares a pompas de jabón, pero en lugar de película jabonosa contienen el gas enrarecido entre las estrellas, y no las infla un soplo, sino una serie de explosiones de supernovas. En simulaciones por computadora se comportan como si tuvieran vida: crecen, se enfrían y se mueven.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos, y se comporta como una sopa de partículas cargadas. Para predecir cómo fluye y se calienta esa sopa, hay que saber cómo chocan las partículas e intercambian energía.

La Escherichia coli es una nadadora diminuta en un mundo donde el agua es espesa como gelatina. Dentro de nuestro intestino no se desliza libremente, sino que se abre paso a través de la mucosidad, una red enredada de moléculas largas parecida a una madeja de hilos enmarañados.

La membrana para la electrólisis del agua se parece a una esponja empapada en agua. En su interior deben moverse libremente los iones hidróxido, partículas que transportan la carga eléctrica. Pero cómo se mueven exactamente fue durante mucho tiempo un misterio: es demasiado complicado seguir a cada ion en un experimento.

En el aire turbulento, las gotas no vuelan en línea recta: las zarandea de un lado a otro, como motas de polvo en un rayo de luz. Los físicos construyeron un dispositivo que sigue cada gota del tamaño de una décima parte del grosor de un cabello. Una cámara graba su movimiento y una computadora reconstruye las trayectorias.

Cada pocos años, la corriente cálida frente a las costas de Perú se desplaza y los pescadores se quedan sin captura. Es El Niño, el aliento del Pacífico tropical, que afecta el clima desde Indonesia hasta California. Predecir su aparición es tan difícil como adivinar hacia dónde rodará una piedra lanzada a un río caudaloso.

En el Sol ocurren explosiones de vez en cuando que lanzan al espacio enormes nubes de partículas cargadas. Esa nube viaja hacia la Tierra y puede dejar fuera de servicio satélites, interrumpir las comunicaciones por radio e incluso dejar ciudades sin electricidad.

En una nube oscura y fría entre las estrellas, una mota de polvo de una milésima de milímetro atrapa moléculas ligeras. El monóxido de carbono y el hidrógeno se adhieren a su superficie como gotas de lluvia a un cristal y reaccionan. Tras varios pasos se obtiene metanol, el mismo alcohol que forma parte del limpiaparabrisas.

El 1 de octubre de 2024, ocurrió en el Sol una llamarada de clase X7.1, una de las más potentes. Dos naves espaciales, HXI y STIX, la observaron desde ángulos distintos, como dos ojos, y junto con un modelo informático permitieron reconstruir la escena en tres dimensiones.

Si haces pasar agua por un cuello estrecho, la corriente se acelera justo en el borde y detrás del obstáculo se forma un remolino. Algo parecido les ocurre a los electrones en materiales bidimensionales ultralimpios, como una capa delgada de grafeno.

Una hoja de papel lanzada desde una ventana revolotea, da vueltas y a veces se detiene un instante en horizontal. Hasta ahora, para predecir esto con honestidad, había que ejecutar millones de ecuaciones en supercomputadoras para cada gota de aire. Es como si para contar el cambio en una tienda tuvieras que modelar cada átomo de la caja registradora. El nuevo enfoque es más astuto.

Una gota de una mezcla espesa de almidón de maíz y agua cae sobre una mesa. Normalmente, una mezcla así se endurece al instante ante un impacto brusco; incluso se puede correr sobre ella si se llena una piscina. Pero en este experimento todo fue diferente.

Cuando un planeta se acerca demasiado a su estrella, las fuerzas de marea lo destrozan, encendiendo una pira funeraria cósmica. Los escombros forman un disco brillante. Los científicos simularon la muerte de planetas en otras estrellas, rastreando el brillo de esos destellos.

El agua se enrolla formando un anillo, y ese anillo vuela a través del fluido sin deshacerse. Estos anillos de vórtice, desde el humo hasta las corrientes submarinas, siguen leyes difíciles de capturar en el papel. Normalmente, el flujo se divide en millones de celdas cúbicas y se sigue cada una de ellas.

Un reactor de fusión se asemeja a una caldera gigante donde se «cuece» helio a partir de hidrógeno. El plasma en su interior alcanza 150 millones de grados, diez veces más caliente que el núcleo del Sol. Pero como en cualquier caldera, aquí se forma sarro: impurezas dañinas que se depositan en las paredes y apagan el plasma.