dinámica cuántica

Cuando un fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa en remolinos caprichosos. De igual manera, una partícula cuántica, al intercambiar energía con su entorno, cambia su estado de una manera compleja y enredada. Describir esta danza entre partícula y entorno es una tarea que durante mucho tiempo dejó perplejos a los científicos.

Una batidora de cocina funciona a una sola velocidad, pero si empiezas a pulsar el botón a tirones, la mezcla se bate de otra manera. Algo parecido ocurre con las reacciones químicas cuando la velocidad de sus etapas individuales no es constante, sino que pulsa en el tiempo.

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.

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.

El sistema político se puede imaginar como una enorme galaxia. Los partidos son estrellas, y los partidarios son materia oscura, invisible pero que sostiene toda la estructura. El ánimo de esta masa fluctúa: se condensa en un apoyo ferviente o se disipa en una fría decepción.

En el corazón ardiente de una estrella moribunda nace un flujo invisible: el gas de neutrinos. Las partículas se precipitan a través de la materia casi sin detenerse, pero cuando su densidad es enorme, comienzan a sentirse entre sí. Los cálculos antiguos describían esto como un empujón en una multitud: cada empujón cambia la dirección, pero no surge conexión entre los transeúntes.

Una orquesta toca sin director y se oye que el tempo se acelera y se ralentiza. Solo se tiene la grabación del sonido, no la partitura. ¿Se puede deducir de esa grabación qué cuerda hay que tocar para que toda la orquesta suene más uniforme? Algo parecido se preguntan los científicos que estudian los sistemas complejos: el clima, la turbulencia, los ritmos biológicos.

La llama de una vela baila con la corriente de aire: a veces se aviva, a veces casi se apaga. Algo parecido hacen los cuásares — agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias lejanas, rodeados de un disco incandescente de materia que cae. Solo que sus oscilaciones no ocurren en segundos, sino en meses y años.

Un cristal de tiempo se asemeja a un reloj eterno: sus átomos realizan movimientos rítmicos por sí mismos. En un reloj normal, un resorte o una pila empuja el péndulo, pero aquí el movimiento surge sin aporte de energía: el sistema simplemente vuelve a su estado inicial a intervalos regulares. Esta idea fue propuesta por Frank Wilczek en 2012.

En la superficie de una esferita diminuta viven dos campos invisibles, como dos tipos de ondas en una burbuja de jabón. Estos campos no solo oscilan por sí mismos: se influyen mutuamente de manera constante, como músicos que tocan al unísono. En el nuevo trabajo, los físicos derivaron ecuaciones exactas que describen cómo estas ondas cambian con el tiempo, se calientan y transitan al caos.

Cuando dos núcleos atómicos chocan, el resultado depende de su energía y del ángulo de dispersión de los fragmentos. Normalmente, estos cálculos requieren enormes recursos computacionales y la precisión choca con las aproximaciones.

En la vida cotidiana, el tiempo fluye por sí solo, como un río entre sus orillas. Pero en la teoría cuántica de la gravedad todo es distinto: el tiempo no fluye, sino que surge de las relaciones entre los objetos, como un patrón en una alfombra que solo se ve desde un lugar concreto.

Los electrones en un conductor se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno por su cuenta, pero juntos crean un flujo. Si los hacemos girar en un anillo, su momento angular (una medida de la rotación) puede acoplarse al campo magnético, como engranajes en un reloj.

La luz atrapada en una cavidad diminuta se asemeja a un péndulo que se empuja cada vez con más fuerza. Al principio oscila suave y predeciblemente, como un reloj corriente. Pero si se balancea lo suficiente, el movimiento se vuelve extraño: el péndulo parece estar en dos puntos extremos a la vez.

Una olla en la cocina recibe calor, pero no trabajo: el gas bajo la tapa simplemente se calienta. ¿Y si la cocina no fuera normal, sino cuántica? Entonces el calor y el trabajo pueden llegar a la vez, como de un motor que además calienta. En el nuevo trabajo se describe precisamente ese caso: un sistema clásico —por ejemplo, un péndulo o un espejito— se baña en un medio cuántico.

La expansión del universo es como una pista de baile que se ensancha. Durante décadas, los físicos asumieron que más estiramiento generaría más partículas, como si la pista generara espontáneamente nuevos bailarines. Pero esos modelos ignoraban un hecho obvio: los bailarines a veces se toman de los brazos.

En la naturaleza todo es cíclico: se multiplican las liebres, prosperan los zorros, se acaban las liebres, los zorros mueren, y el ciclo se repite. Este modelo de «depredador-presa» se inventó hace un siglo y funciona en todas partes: desde la química hasta la economía. Los físicos llevaron esta trama al escenario atómico.

Los físicos utilizaron un simulador cuántico —un dispositivo que imita el comportamiento de partículas cargadas— para estudiar sus colisiones a energías enormes. Según el Modelo Estándar, las leyes del micromundo, el sistema debería transitar rápidamente al caos, donde la entropía es máxima.

En el laboratorio, el tiempo suele correr en la pared: manecillas, dígitos, un patrón de frecuencia. Pero para el universo no hay reloj externo. La ecuación de Wheeler-DeWitt, la ley principal de la gravedad cuántica, no contiene tiempo en absoluto, y todas las teorías fundamentales carecen de una flecha del tiempo incorporada.

Un traductor está en una reunión donde se habla un idioma desconocido. No entiende las palabras, pero nota que cuando uno sube la voz, otro empieza a asentir un minuto después. Al principio parece casualidad, pero con el tiempo el traductor aprende a entender quién influye sobre quién.