teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo

Bailarines en un escenario con paredes móviles: las partículas en un sistema cuántico finito chocan entre sí y rebotan en los bordes, pero las paredes pueden moverse según un guion predeterminado. Durante mucho tiempo, los físicos solo sabían describir estas danzas con paredes fijas o en un salón infinito. Ahora ha surgido una manera de tener en cuenta tanto el movimiento de las paredes como los rebotes en ellas.

En el centro de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que una cucharadita pesa mil millones de toneladas. Parecería que no hay mejor lugar para buscar rastros de gravedad cuántica. Pero entre el laboratorio y la escala fundamental hay un abismo de 10⁸⁰ en densidad. Tres puertas conducen a esa habitación.

Una piedra lanzada contra una pared rebota. En el mundo cuántico, una partícula puede atravesarla como si la pared estuviera tejida de niebla. Eso es el efecto túnel cuántico: enciende las estrellas, funciona en los microchips e incluso en las células de nuestro cuerpo.

Dos observadores, Alicia y Bob, están sentados en extremos opuestos de un mismo laboratorio. Entre ellos hay una fuente que dispara dos pulsos uno tras otro. Cada pulso genera un paquete de ondas que viaja hacia su detector. Hasta aquí, todo parece un experimento ordinario con partículas cuánticas.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor aparecen y desaparecen: una lucha similar ocurre en los materiales bidimensionales. Aquí, los electrones simultáneamente crean magnetismo y tratan de apagarlo.

Una olla de gachas hirviendo: las burbujas estallan, el vapor escapa y lo mezcla todo. Algo parecido hacen las estrellas masivas en las nubes de gas gigantes. Su radiación y viento estelar soplan enormes cavidades, las burbujas moleculares, esparciendo materia a su alrededor.

El modelo estándar de la física de partículas es un catálogo de todos los ladrillos conocidos del universo: electrones, quarks y otros. Pero no dice nada sobre la materia oscura y no se lleva bien con la gravedad. El nuevo trabajo da un paso audaz: a cada ladrillo del catálogo se le añade su reflejo especular con rotación opuesta.

El espacio no es vacío, sino un mosaico de celdillas diminutas. En la gravedad cuántica de bucles, la curvatura del espacio-tiempo se traslada de una lámina lisa a una red de «átomos» de volumen: las redes de espín. Cada nodo de esa red es un cuanto de espacio, y los enlaces entre ellos son cuantos de área.

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.

Una partícula cuántica puede ser una onda y atravesar dos caminos a la vez. Pero si algo 'espía' por cuál camino ha ido, la onda desaparece. Este efecto se conoce como pérdida de interferencia. Normalmente, los responsables de espiar son los fotones o las moléculas de aire.

El horizonte de un agujero negro no es una pared, sino más bien una membrana de un solo sentido. Todo lo que lo cruza desaparece para siempre. Stephen Hawking demostró que este límite debería brillar débilmente, emitiendo partículas. Pero captar ese resplandor de un agujero real es imposible: está demasiado lejos y es demasiado tenue.

Un alfarero intenta medir el grosor de la pared de un cántaro, pero cada vez el instrumento le muestra, junto con el grosor, también la curvatura del recipiente.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo se desvía: este es el efecto de lente gravitacional, conocido por las imágenes de galaxias lejanas. Los astrofísicos tomaron como base un agujero negro en rotación (el espacio-tiempo de Kerr) y añadieron una pequeña corrección a la forma en que se propaga la propia luz.

Dos rayos de luz se encuentran en un punto y continúan divergiendo. Sus trayectorias forman dos superficies que se cruzan en el espacio-tiempo: las hipersuperficies nulas (las fronteras a lo largo de las cuales se propaga la luz). Es precisamente sobre este par de superficies donde los físicos saben cómo imponer los datos iniciales para las ecuaciones de Einstein.

Dos nadadores sincronizados se lanzan al mar. Uno llega a una zona en calma, el otro a un remolino. Sus movimientos, perfectamente coordinados al inicio, divergen. Algo similar ocurre con dos partículas cuánticas cuando una se mueve en un espacio plano y la otra en uno curvado.

En el mundo cuántico hay una danza propia. Dos toroides superconductores, que sostienen cómodamente cada uno su flujo magnético cuantizado, giran en un vals sincronizado. Entre ellos, el vacío, ni una sola línea de fuerza, pero replican los movimientos del otro sin error.

Un traductor que traduce no palabras, sino la propia estructura de la conversación, se enfrenta a dificultades cuando el diálogo sale de una habitación silenciosa. En una simulación habitual sobre una retícula espacial, todo sigue un guion estricto.

La teoría de Einstein afirma: un cuerpo masivo en rotación arrastra el espacio a su alrededor, como una cuchara remueve la miel espesa. Este fenómeno se llama arrastre del espacio, y es especialmente notable en los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

El espacio en el que vivimos parece tridimensional. Pero cuando los físicos intentan reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica, las dimensiones habituales comienzan a comportarse de manera extraña.

Construir una casa sobre arena es una mala idea. En física, durante mucho tiempo se pensó que la teoría cuántica de la gravedad tampoco podía construirse sobre una "arena" fija: un espacio-tiempo predeterminado.

Un constructor no comprueba la resistencia de un arco repasando mentalmente todas sus formas posibles, sino desplazándolo ligeramente en su imaginación y viendo cuánta fuerza se gasta en ello. Así funciona aproximadamente el principio del trabajo virtual en mecánica.

Echas un puñado de fósforo en silicio y, a cierta concentración de impurezas, el material de repente empieza a conducir la corriente. Esta es la transición de fase metal-aislante, y ocurre de manera abrupta. Pero, ¿qué cambia exactamente en las funciones de onda de los electrones cuando un aislante se convierte en metal?

En la imagen clásica del mundo, la gravedad son suaves curvaturas del espacio y del tiempo. Pero a nivel microscópico, donde manda la mecánica cuántica, esas curvaturas deberían convertirse en un ondulamiento granulado. Las partículas de ese ondulamiento se llaman gravitones.

En el mismísimo comienzo del universo, cuando todo el espacio estaba comprimido en un punto, las leyes de la física dejan de funcionar. Ese punto se llama singularidad: un borde donde nuestras ecuaciones pierden sentido. Pero, ¿y si no fuera un final, sino un tipo especial de frontera? Los autores del trabajo propusieron ver la singularidad como una frontera libre.

Dos agujeros negros giran en una danza lenta, acercándose gradualmente. Su movimiento perturba el propio espacio-tiempo, como si dos bolas pesadas rodaran sobre una sábana tensa, haciéndola vibrar. A estas vibraciones las llamamos ondas gravitacionales.

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.

Sería un billar extraño si las bolas no tuvieran masa. No chocarían, sino que pasarían unas a través de otras sin notar obstáculos. Así se ve aproximadamente el intento de imaginar la luz como un flujo de partículas clásicas: pequeños corpúsculos elásticos que vuelan en línea recta. Una nueva demostración pone fin a esta imagen.

La gravedad parece simple: nos mantiene en el suelo y hace girar los planetas. Pero si fuera clásica, es decir, descrita por las ecuaciones de Einstein como una curvatura del espacio-tiempo, y toda la materia por las leyes cuánticas del modelo estándar, entonces un simple bit cuántico…

Un rayo de linterna se aleja en la oscuridad en línea recta: así solemos pensar en la luz. Pero cerca de un cuerpo masivo, una estrella o un agujero negro, el espacio está curvado, y el rayo se dobla suavemente, como si lo guiara una mano invisible.

Durante casi un siglo, los astrónomos han observado cómo las galaxias giran como si las sujetara una masa invisible. El primero en notarlo fue Fritz Zwicky, y Vera Rubin midió con precisión la velocidad de las estrellas en las afueras.

El cosmos no es un bloque sólido, sino un lienzo de innumerables hilos cuánticos. El espacio-tiempo no fluye como el agua, sino que vibra como un tapiz al viento. Durante mucho tiempo, los físicos solo veían el dibujo general, ignorando el temblor de los hilos individuales.

Un agujero negro no es una esfera congelada. Se parece más a una burbuja de jabón cuyas paredes pueden expandirse y contraerse. Incluso tiene dos capas: el horizonte exterior, del que la luz ya no puede escapar, y el interior, escondido más adentro. Cuando el agujero absorbe materia o pierde energía, ambas capas se desplazan, como la película de una burbuja que cambia de tamaño.

Si cada segundo se comprueba dónde está un electrón, sus propiedades cuánticas cambian. Es como un niño que juega al escondite pero le llaman por su nombre constantemente: se queda quieto y deja de correr. En el mundo de las partículas, ese «llamador» es una medición.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

Una piedra cae al suelo por la ruta más económica: la que gasta menos tiempo y energía. Este principio de mínima acción gobierna toda la física clásica. Pero en el mundo microscópico todo tiembla: los campos fluctúan y no se puede decir con precisión dónde está cada cosa.

Dos bolas colgadas de hilos oscilan una al lado de la otra. Cada una se mueve por su cuenta, pero entre ellas hay un vínculo invisible: la atracción de sus masas. Si la gravedad es cuántica, podría unirlas en un todo: tiras de una y la otra responde, sin tocarse.

Un puñado de arena cae sobre la mesa. Los granos se acomodan de maneras distintas, pero si el puñado es grande, el volumen total apenas cambia. Así funciona aproximadamente la gravedad clásica: el espacio parece liso y definido. Pero si uno se fija en los granos individuales, resulta que a nivel cuántico el propio volumen deja de ser fijo.

Un sastre corta un traje, pero las costuras se abultan y los botones no coinciden. En la teoría cuántica de campos, inconsistencias similares se denominan anomalías: aparecen cuando la simetría de las ecuaciones se rompe al pasar a la descripción cuántica. Por lo general, se corrigen cosiendo parches adicionales, los llamados contra-términos de Bardeen-Weiss-Zumino.

Según Einstein, el espacio-tiempo es un tejido flexible, curvado por la materia. Pero en el mundo cuántico todo es diferente: las partículas se difuminan en una nube de probabilidades, gobernadas por una regla estricta descubierta por Max Born.

Si dos personas miran una ciudad desde colinas diferentes, sus mapas no coinciden. Uno ve la torre a la izquierda del río, el otro a la derecha. Pero ambos saben que la ciudad es una sola. Más o menos así funciona nuestro universo en el nuevo enfoque de la gravedad cuántica. Los autores del trabajo proponen distinguir dos "tipos" de espacio-tiempo.