oscilación

Una cerradura con dos llaves distintas: una gira con facilidad, la otra exige un esfuerzo notable. Así se comportan dos capas de nitruro de boro hexagonal cuando se giran una respecto a la otra. Este material está formado por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal, y sus capas pueden adoptar diferentes posiciones, como dos rejillas idénticas desplazadas un cierto ángulo.

El tictac de un reloj atómico se parece al golpe de un metrónomo, solo que en lugar de un péndulo, son las oscilaciones de los electrones en un átomo. Dos de estos relojes, uno con un ion de iterbio y otro con átomos de estroncio, se hicieron sonar juntos y se compararon sus ritmos. Las mediciones duraron casi dos años.

El cronómetro más preciso del mundo todavía funciona mirando de reojo a un viejo péndulo. Los máseres de hidrógeno —los mejores «volantes de inercia» de radiofrecuencia (dispositivos que mantienen el ritmo entre las comparaciones con el patrón)— acumulan error porque el ruido entre cuentas se filtra en la señal final.

Dos pequeñas pesas, cada una del peso de un grano de arena, cuelgan en la oscuridad a una temperatura más fría que el espacio exterior. No se tocan, pero entre ellas hay un hilo invisible: la gravedad. El experimento que ahora construyen los físicos debe captar el momento en que ese hilo tira de una pesa debido al movimiento de la otra.

Por una sábana tensa corre un pliegue solitario: un salto abrupto de altura que no se deshace, sino que se mueve como un todo. Los físicos llaman a ese pliegue "kink". Si se tira bruscamente de la sábana en un punto, se propagará una ondulación. Pero en algunos medios, esa ondulación no se dispersa, sino que se agrupa en un bulto y vibra en el mismo lugar durante decenas y cientos de ciclos. Ese bulto es un oscilón.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

Una neurona envía una señal a su vecina. Esta no responde de inmediato: el impulso viaja por la prolongación a una velocidad finita, como una carta que se retrasa en el camino. Por lo general, ese retraso se considera un estorbo, pero en este nuevo trabajo se convierte en el director de orquesta.

Dentro de cada célula hay una construcción continua: las moléculas se agrupan y se separan constantemente. A veces forman gotas densas, como aceite en agua, pero sin membrana. Estas gotas funcionan como almacenes temporales: aquí se guardan proteínas, copias de genes o herramientas para reparar el ADN.

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

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.

Tres gemelos que corren se cambian de ropa constantemente. Algo así hacen los neutrinos, esas partículas casi invisibles que nos atraviesan por billones cada segundo. Nacen en reacciones nucleares, como las del interior del Sol, y existen en tres variedades, o 'sabores'. Pero lo curioso es que, en su camino, un neutrino puede cambiar de sabor, transformarse de electrónico a muónico o a tau.

El péndulo oscila con tal precisión que, si hubiera estado contando los segundos desde el Big Bang, hoy se habría desviado solo medio segundo. Esa es la estabilidad del nuevo láser ultravioleta portátil, el corazón de los relojes atómicos de aluminio.

Un reloj atómico es un péndulo que late a la frecuencia de la luz. Dentro de una trampa, un ion de aluminio está suspendido, y un láser lo sondea como un diapasón. Si la frecuencia del láser coincide con la frecuencia propia del átomo, este responde. Esa respuesta es la que se usa para calibrar el reloj.

Una partícula diminuta flota en un rayo láser, como una mota de polvo en la luz de una linterna. Las moléculas de agua la empujan constantemente, de forma desordenada y desde todas las direcciones. Normalmente, estos empujones estorban: la partícula se sacude y las mediciones precisas se convierten en una lotería.

El metal fundido se parece a una sala abarrotada donde todos esperan la señal para empezar a bailar. La cristalización es ese momento en que el caos se convierte en orden. Pero para que el baile comience, se necesita el primer paso: la aparición de diminutos núcleos de cristalización. Normalmente, para ello hay que enfriar mucho el metal.

La goma elástica está estirada y, de repente, se rompe. En el mundo de los átomos hay una imagen similar: la cuerda que une las partículas puede romperse. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron una cadena de átomos de Rydberg y siguieron cómo se rompe esa cuerda.

Un enlace químico es como un resorte tenso entre átomos. Cuando se rompe, los fragmentos de la molécula salen despedidos, pero no se quedan quietos: siguen vibrando, como una cuerda que se suelta.

Una brújula magnética en un tubo de ensayo suena a truco de magia, pero es física pura. En una solución de fumarato (una sal del ácido málico), los núcleos de carbono-13 se comportan como pequeñas peonzas.

Calienta un reloj de cuarzo común diez grados y empezará a atrasarse segundos por día. Los relojes atómicos son más precisos, pero ocupan un armario entero. Un diamante con un diminuto defecto —la vacancia de nitrógeno— promete la precisión de un reloj atómico en el volumen de un grano de arena.

Dos péndulos en la misma pared, si se balancean desfasados, al cabo de una hora ya marchan al unísono. Esa sincronización la observó ya Christiaan Huygens en 1665, mirando los relojes de su taller. Hoy su observación se repite en el laboratorio, pero con un matiz: los péndulos no son de madera, sino cuánticos.

Dos muones nacen en la desintegración de un mesón eta y se separan, unidos por el entrelazamiento cuántico. Una experimentadora, Alicia, mide el espín del muón negativo, mientras que otro, Bob, registra la dirección del positrón proveniente de la desintegración del muón positivo. Parecería que el orden de los eventos debería influir en las correlaciones.

En 1946, Felix Bloch predijo que, incluso sin campo magnético externo, en un conjunto de espines existe un momento magnético fluctuante. Crece como la raíz cuadrada del número de partículas, y en muestras pequeñas este ruido puede superar la polarización térmica.