ley de conservación de la energía

Una partícula está en un pozo de energía, como un guisante en un hoyuelo. Para salir, necesita superar una barrera, y normalmente eso ocurre rara vez: cuanto más alta es la barrera, más hay que esperar. La ley de Arrhenius dice que el tiempo de espera crece exponencialmente, es decir, duplicar la altura de la barrera aumenta el tiempo cientos de veces.

El modelo estándar cosmológico se parece a una receta de pastel donde todo está estrictamente medido: la materia oscura es como harina sin grumos (presión cero), y la energía oscura es como un levadura perfecta (ecuación de estado estrictamente menos uno). Pero, ¿y si la harina está un poco húmeda y la levadura se ha vencido?

La velocidad de 7,5 kilómetros por segundo es una línea divisoria: a partir de ella, una colisión cósmica convierte los granos de polvo en un reactor químico. En el medio interestelar pululan diminutos granos de polvo cósmico — herencia de estrellas moribundas.

1799 kilómetros por segundo: a esa velocidad la estrella S5-HVS1 abandona para siempre la galaxia. Hace 4.8 millones de años fue eyectada del centro de la Vía Láctea tras un encuentro cercano con el agujero negro supermasivo Sgr A*.

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.

El agua hierve a cien grados, eso lo sabe todo el mundo. Pero, ¿por qué precisamente a cien? ¿Por qué no de forma gradual, sino de golpe: hace un segundo era líquido y, de repente, burbujas, vapor, efervescencia? Estos cambios bruscos se denominan transiciones de fase y tienen una base matemática rigurosa.

Imagine un rayo verde que, al atravesar un ingenioso montaje óptico, se enrosca en un embudo tridimensional de luz: un vórtice óptico. En su corazón, como en el ojo de un huracán, la intensidad cae a cero. Justo allí los fotones desaparecen.

Imaginen el agua como un salón de baile, donde cada molécula es un bailarín que entabla constantemente fugaces alianzas. Estos enlaces de hidrógeno generan patrones locales: unos recuerdan un vals remilgado —una red ordenada con vacíos (estructura de baja densidad)—, otros un frenético jitterbug, donde las parejas se apiñan en caóticos racimos densos.

En el interior de los planetas y estrellas, en los océanos rotantes de plasma, chocan flujos turbulentos, fuerzas de Coriolis y tensión magnética. La intriga principal es cómo la energía de este caos cristaliza en un armazón magnético estable, capaz de perdurar miles de millones de años.

El Universo es una orquesta grandiosa donde la energía oscura dirige la expansión.

El Universo es una orquesta que interpreta la sinfonía del Big Bang. Durante mucho tiempo, se consideró a la energía oscura como el director, un metrónomo inamovible que marcaba el ritmo de la expansión.

Un terrón de azúcar arrojado al té se disuelve y pronto todo el líquido queda igualmente dulce. Este camino hacia el equilibrio es tan familiar que parece obvio.

Una bola de billar golpea a otra, y la suma de sus velocidades antes y después del golpe obedece reglas estrictas. En el microcosmos ocurre lo mismo: la energía, el momento y la carga no pueden simplemente desaparecer.

Los núcleos activos de galaxias (AGN) son las principales centrales eléctricas cósmicas: su corona de rayos X arde millones de veces más caliente que las atmósferas estelares. Pero, ¿quién enciende la chispa?

El universo se expande con aceleración, como una masa que sube cada vez más rápido aunque la levadura se acabó hace tiempo. Durante veinte años, los astrónomos han buscado la causa y la llaman energía oscura. Pero qué es exactamente sigue siendo un misterio. El nuevo trabajo propone una fuente inesperada: el vacío dentro del núcleo atómico.

Una gota de agua sobre la mesa lleva una doble vida. En el interior, las moléculas están rodeadas de vecinas por todos lados, pero en la superficie solo desde abajo y los costados; arriba hay aire. Esta diferencia genera la tensión que mantiene la forma de la gota.

El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá. Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.

Miles de millones de pequeños motores zumban dentro de cada ser vivo. Las células bombean sustancias sin parar, queman azúcar, construyen nuevas proteínas — y todo ese movimiento invisible nos calienta desde dentro. Para mantener el orden, la vida debe disipar calor al entorno, como una estufa que nunca se apaga.

En 1867, James Clerk Maxwell propuso una imagen que sigue inquietando a los físicos. Dos compartimentos con gas están separados por una puerta. Las moléculas se agitan caóticamente: rápidas y lentas. Un diminuto portero abre la puerta solo ante las rápidas, dejándolas pasar a un lado, y a las lentas, al otro.

Una olla de sopa olvidada en la estufa se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente. Parece que todo ha llegado al reposo. Pero si uno mira dentro con una lupa cuántica, descubre que las moléculas de agua no se han congelado: continúan su danza. Solo que ahora esa danza se ha vuelto uniforme, no turbulenta como cuando hervía.

Una olla de agua en el fogón tarde o temprano se tranquiliza: la temperatura se iguala, el líquido deja de burbujear. Los físicos llaman a esto equilibrio térmico: un estado en el que la energía se reparte de la manera más probable.

Una cuchara caliente en una taza de té: el calor corre por el metal desde el extremo caliente hasta el frío. En los libros de texto, este proceso se describe como el temblor de los átomos que se transmiten empujones entre sí. Pero los átomos no solo tiemblan: también giran, como pequeñas peonzas. Hasta ahora, los físicos no tenían un lenguaje común para describir ambos movimientos a la vez.

Si echas arena en un vaso, se asienta en una capa uniforme. Pero en lugar de arena, tomemos partículas diminutas de gas: en un campo gravitatorio no solo caen, cada grano se desplaza por su trayectoria, choca con sus vecinas, y todo ese ajetreo genera presión. Añade los efectos de la relatividad y la imagen familiar cambia sutilmente.

Dentro de un trozo de metal, los electrones no se quedan quietos, sino que se mueven como el agua de un río. Pero no se puede ver ese movimiento directamente: es demasiado rápido y diminuto. Los científicos idearon un camino indirecto: toman "instantáneas congeladas" del líquido electrónico a diferentes temperaturas y, a partir de ellas, reconstruyen cómo se movían exactamente los electrones.

Un motor térmico común es como un molino entre dos orillas de un río, una caliente y otra fría: cuanto mayor es el desnivel, más fuerte es la corriente. Aquí el desnivel es diminuto, de solo uno o dos grados, pero el agua aún puede hacer girar la rueda.

En invierno, el lago se cubre de hielo, y este simple proceso resulta ser un modelo vivo del Universo en expansión. El grosor del hielo aumenta según la misma ley matemática que las distancias entre galaxias lejanas. El secreto está en el movimiento del agua bajo la costra de hielo.

Un café caliente se enfría al irradiar luz invisible. Para mantener su temperatura, debe recibir exactamente la misma cantidad de luz de vuelta. Este comercio silencioso de fotones es lo que sentimos como calor estable.

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.

El universo se expande, y lo hace cada vez más rápido. Detrás de esta aceleración está la misteriosa energía oscura. Durante mucho tiempo se la consideró inmutable, como una constante de libro de texto.

Un intérprete se distrae con cada ruido en la sala y la reunión de una hora se convierte en dos. Algo parecido hacen las moléculas individuales atrapadas entre dos contactos metálicos: cambian constantemente de forma y de posición, y eso influye en cómo circulan por ellas la corriente y el calor.

El agua en un vaso se enfría, el hielo se derrite y la tetera calienta la estufa: así funciona el mundo: el calor siempre va de lo caliente a lo frío. Es la segunda ley de la termodinámica, una ley que nunca se ha violado.

El agua siempre fluye hacia abajo, y el calor, de lo caliente a lo frío. Así lo dicta la энтропия. Pero el mundo cuántico encuentra atajos. Los físicos hicieron que partículas de luz interactuaran con un medio caliente y otro frío en una secuencia incierta, como una moneda lanzada que aún no ha caído.