teorema de Witten de la energía positiva

Un escultor mira un bloque de mármol y ve en él la figura que debe liberar del exceso. En lugar de añadir arcilla, quita todo lo que no pertenece a la forma. Por un camino similar han ido los autores de un nuevo trabajo sobre resonancia magnética: no han complicado el modelo del tejido añadiendo más y más detalles, sino que, al contrario, han eliminado lo superfluo para revelar la esencia.

El haz de un reflector se pierde en la oscuridad, pero si lo seguimos hacia atrás, chocamos con la lámpara. Con la historia del universo quizás ocurre lo mismo: al rastrear su expansión hacia atrás, nos topamos con un comienzo. Los físicos tomaron el modelo más simple: un universo que se estira por igual en todas direcciones, como un cubo cuyos lados crecen.

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?

Un agujero negro es como una caja fuerte perfecta: todo lo que cae en su interior desaparece sin dejar rastro. Pero la mecánica cuántica susurra que, a nivel microscópico, la información no se pierde, sino que se registra en una "superficie" invisible. Entender ese registro es descifrar el funcionamiento de la gravedad.

En el mundo macroscópico hay una regla sencilla: la densidad de energía no puede ser negativa, y su flujo no puede superar a la luz. En un café, esto se vería así: el camarero no puede repartir los pedidos más rápido de lo que corre él mismo. Los físicos llaman a esta restricción condición de dominancia de la energía.

El plano de ingeniería de un rascacielos siempre contiene un número: la carga máxima sobre los cimientos, digamos 500 kilopascales. Las Ecuaciones de Einstein del curvatura del espacio-tiempo imponen un límite similar sobre la 'carga de fuerza' dentro de estrellas, planetas y cualquier otro cúmulo de materia.

Un globo inflable con líneas de campo magnético dibujadas con rotulador es un modelo sencillo de cómo se comporta un campo magnético débil en un universo en expansión. Mientras el globo es pequeño, las líneas yacen obedientemente sobre la goma y no impiden que se estire. Así, aproximadamente, el campo llena el espacio ya existente sin discutir con su geometría.

El mundo que nos rodea es tridimensional, pero quizá sea solo una apariencia. Algunas teorías admiten que el espacio contiene dimensiones adicionales, plegadas o estiradas de manera especial. Uno de esos modelos dibuja un universo de cinco dimensiones con una dimensión "diluida" (llamada dilatón lineal).

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

En un mundo ordinario sin energía oscura, la masa de cualquier cuerpo es siempre positiva. Parece obvio: la masa positiva atrae, creando gravedad. Pero en el universo real existe la energía oscura, una fuerza misteriosa que hace que el cosmos se expanda cada vez más rápido.

En el río infinito de los números enteros, donde se arremolinan los números primos, los matemáticos llevan siglos tamizando la arena en busca de pepitas de oro: los ceros de las funciones L. Estos objetos misteriosos, descubiertos por Riemann en 1859, como una mano invisible gobiernan la distribución de los números primos.

La explosión de una lejana supernova nos contó algo difícil de creer: el mundo se expande cada vez más rápido. El motor de esta aceleración es la energía oscura, casi el 70% de todo lo que existe.

El vacío nunca está completamente vacío. En un espacio curvo —por ejemplo, en un universo en expansión o cerca de un agujero negro— el vacío se calienta. Esto recuerda a la situación en la que la aceleración hace que las partículas aparezcan como de la nada: un fenómeno conocido como radiación térmica del vacío.

La luz, al pasar cerca de un cuerpo masivo, desvía ligeramente su trayectoria: la gravedad atrae incluso a los rayos. En una situación normal, un haz de luz que proviene de una estrella lejana se comprime, como si lo estiraran con una goma invisible.

En el corazón del motor warp está la idea de Einstein de que los cuerpos masivos curvan el espacio-tiempo — el propio escenario donde ocurren todos los eventos cósmicos. Imagina una burbuja de ese espacio-tiempo curvado.

Un vaso vacío sobre la mesa parece confiable. Pero si en el fondo hay una microfisura, algún día se romperá, no con estrépito, sino silenciosamente, agrietándose en una telaraña de líneas. Así también el vacío: puede no ser verdadero, sino falso, temporalmente estable pero listo para transitar a un estado más profundo y real.

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.

El Universo se expande cada vez más rápido gracias a la energía oscura. Pero las mediciones de la velocidad dan resultados contradictorios. Nueva explicación: en el pasado, la energía oscura actuó como un freno, ralentizando la separación de galaxias, y luego cambió a aceleración.

Una estrella de neutrones es el resto de una gigante que explotó, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Una cucharadita de su materia pesa mil millones de toneladas. Dentro de una estrella así, las partículas están tan apretadas que empiezan a manifestarse efectos cuánticos. Uno de ellos es la rotación propia de las partículas, o espín.

El tiempo en física se parece a un director que marca el ritmo a toda la orquesta. Pero en el mundo cuántico no hay una batuta única: cada partícula puede vivir según su propio reloj. Normalmente simplificamos el panorama y asumimos que el tiempo fluye igual para todos.

Por lo general, un agujero de gusano se imagina como un túnel en el espacio cuyas paredes sostiene algo inusual: materia con energía negativa. Como los puntales en una mina que evitan que los techos se derrumben. Pero en este trabajo los físicos prescindieron de los puntales.

Un agujero negro ordinario es como una estufa que calienta más cuanto menor es su masa. Un agujero diminuto debería incandescer a temperaturas inimaginables y evaporarse al instante.

Un agujero negro es como un pozo sin fondo. Puedes medir cuánta agua ha caído en él mirando el nivel desde fuera. Pero, ¿cómo saber la masa del agua si estás dentro del pozo? Algo así resuelven los autores del nuevo trabajo. Han construido una «balanza» para la masa contenida en una región limitada del espacio, por ejemplo alrededor del horizonte de un agujero negro.

Un bloque de materia oscura a la deriva en el vacío: invisible, casi intangible. Nadie sabe de qué está hecho, pero un nuevo trabajo propone verlo como una gota de líquido cuántico.

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.

Una bola pesada yace sobre una cama elástica, y la tela se hunde bajo ella. Cualquier pelota que ruede cerca inevitablemente rueda hacia el centro. Así funciona aproximadamente la gravedad a escala de todo el universo. Pero, ¿y si la tela estuviera curvada hacia arriba, como una cúpula? Entonces la pelota tendería a rodar hacia afuera.

Una orquesta gigante donde cada músico es una partícula nacida en el fuego del Big Bang. Cuando la batuta del tiempo da la señal, estas partículas comienzan a desintegrarse, transformándose en otras más ligeras. Cada desintegración va acompañada de un acorde silencioso: la emisión de gravitones, diminutos cuantos de gravedad.

Ya en la década de 1930, Fritz Zwicky notó que las velocidades de las galaxias en cúmulos eran demasiado altas para la masa visible. Más tarde, Vera Rubin confirmó esto para galaxias individuales.

Desde tiempos inmemoriales, los físicos sueñan con túneles que atraviesan el cosmos: agujeros de gusano capaces de conectar rincones lejanos del Universo en instantes.

Cuando dos estrellas muertas colisionan en una galaxia lejana, dos mensajeros nos informan del evento: un estremecimiento del espacio —la onda gravitacional— y un destello de luz. Ambos mensajeros corren hacia nosotros a través del universo, pero sus caminos pueden diferir ligeramente.

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.

La idea de la inflación —la expansión ultrarrápida del espacio justo después del nacimiento— fue propuesta por Alan Guth en 1980. Explicó por qué nuestro mundo es tan homogéneo.

En 2015, los detectores LIGO captaron la primera ráfaga de ondas gravitacionales: los astrónomos escucharon cómo dos agujeros negros colisionaban en lo profundo del espacio.

Un puñado de granos de arroz cae en una sartén caliente y empiezan a saltar. Cada grano empuja a sus vecinos, y todo el montón se agita sin que nadie lo toque. Eso es la materia activa: una multitud de partículas que extraen energía por sí mismas y la convierten en movimiento.

El vacío no está tan vacío como parece. En el mundo cuántico, incluso en el vacío total, pares de partículas nacen y desaparecen constantemente — como ondas en la superficie de un estanque que no se ven a simple vista pero pueden medirse. Si se coloca una fina barrera en esas ondas, cambia el patrón de las mismas.

Una gota de crema cae en una taza de café y, en un minuto, toda la bebida se vuelve beige. Este proceso de mezcla se puede medir: ¿cuánto hay que "remover" una distribución de partículas para convertirla en otra? En matemáticas, este enfoque se llama transporte óptimo, y la medida del esfuerzo, distancia de Wasserstein.

Sobre la mesa hay un instrumento sensible: una balanza de torsión. Dos masas pesadas giran junto a una barra suspendida, y su atracción tiende a hacer girar esa barra. Pero las masas están dispuestas de modo que su atracción newtoniana ordinaria se cancela mutuamente: una tira hacia un lado, la otra hacia el opuesto. Solo queda un residuo débil, que es lo que capta el instrumento.

Una multitud se mueve libremente por la plaza, pero de repente se congela en su sitio, sin cambiar su disposición. Cada persona permanece donde estaba, pero el movimiento cesa. Así es exactamente una transición con generación de masa simétrica: el sistema adquiere rigidez, pero su simetría permanece intacta.

Un agujero negro envuelto en materia oscura se asemeja a un remolino en agua invisible. Esta sustancia solo se manifiesta a través de la gravedad.