gravedad cuántica y simetría

Un espejo común intercambia la izquierda y la derecha. Muchas leyes de la física no notan tal sustitución: son simétricas especularmente. Pero algunos fenómenos, como la interacción débil, rompen esta simetría. Hasta ahora se creía que la gravedad y la luz rompían la simetría especular cada una por su cuenta, de manera independiente.

Unas balanzas ultraprecisas intentan captar la diferencia entre dos granos de arena casi idénticos. Uno de ellos es el reflejo perfecto del otro, como en un espejo. En el mundo de las partículas elementales, ese reflejo especular se denomina paridad P, y su violación es uno de los mayores enigmas de la física.

Un armazón invisible mantiene unidas las galaxias, impidiendo que se dispersen. Es la materia oscura, una sustancia que no brilla y casi no interactúa con la materia ordinaria. Los astrofísicos llevan tiempo debatiendo de qué está hecha.

En el lejano cosmos existe un objeto hipotético: un agujero negro ultrafrío. Está cargado y se encuentra en un universo en expansión (espacio de Sitter). Su temperatura está cerca del cero absoluto, aproximadamente una billonésima de grado por encima de él.

Una casa vieja. La fachada recién pintada, la escalera no cruje. Bonita estampa. Pero basta con meter muebles pesados para que las tablas del suelo se hundan. La belleza de la fachada no dice nada sobre la solidez de los pisos. Algo parecido ocurre con los agujeros negros sin singularidad.

Una nube de ondas colapsa bajo su propia gravedad. Mientras está difusa, todo sigue el libro de texto: el campo oscila ligeramente en un espacio casi plano, y las fórmulas aproximadas funcionan perfectamente. Pero basta con añadir un poco más de energía y el panorama cambia. Los físicos usaron un modelo numérico para captar el momento en que los cálculos simples dejan de describir la realidad.

En el centro de casi todas las galaxias se esconde un agujero negro supermasivo. Su gravedad es tan intensa que modifica el propio espacio. Pero pocos se preguntan: ¿qué hace con el tejido mismo de la realidad, con los campos que impregnan el cosmos? Uno de esos campos es el campo de Higgs.

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.

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.

Un rayo de luz que se desliza a lo largo del horizonte de un agujero negro no solo se mueve: también transporta calor e información. Los físicos sospechaban desde hace tiempo que la geometría de tales rayos obedece reglas estrictas, pero los detalles permanecían difusos. El nuevo trabajo convierte estas reglas en una desigualdad clara.

La gravedad en nuestro mundo es el espacio-tiempo curvado. Así la describe la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero, ¿qué ocurre con la gravedad a nivel de átomos y partículas, donde reina la mecánica cuántica? Esta pregunta lleva casi un siglo sin respuesta.

Hace 13,8 mil millones de años, el Universo giraba en un vals. El giro a la derecha estaba prohibido. Hoy, los ecos de ese baile cósmico nos llegan en forma de una ondulación casi imperceptible del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Su existencia fue predicha por Albert Einstein.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura. Gira, arrastra el espacio a su alrededor y puede llevar impresas las huellas del mundo cuántico. Para describir un agujero así, hay que resolver las ecuaciones del campo gravitatorio.

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.

En el críquet existe un lanzamiento especial: el googly. La pelota vuela de tal manera que su giro engaña al bateador. En física también había su propio googly: durante casi medio siglo, los matemáticos no lograban que la teoría de twistores funcionara con la gravedad real. Describía muy bien los campos «cómodos», donde todo está enrollado en una sola dirección.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros supermasivos. Uno de ellos, Sagitario A*, en el corazón de la Vía Láctea, se ha convertido en un banco de pruebas para una nueva idea. Los autores del trabajo tomaron la gravedad einsteiniana y le añadieron un campo electromagnético inusual.

El modelo cosmológico estándar, basado en las ecuaciones de campo propuestas por Einstein, describe el Universo como un cóctel de materia oscura (descubierta gracias a Vera Rubin) y energía oscura en una proporción aproximada…

En el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz de nosotros, se esconde un agujero negro con una masa de 6,5 mil millones de soles. En 2019, el telescopio Event Horizon Telescope (EHT) mostró por primera vez su retrato: una rosquilla naranja con un núcleo oscuro. Pero la rosquilla no es el abismo en sí.

Cuando los cuerpos masivos se mueven con aceleración —por ejemplo, dos estrellas que giran una alrededor de la otra—, el espacio que los rodea no permanece en calma. Tiembla, como la superficie de un estanque cuando se lanza una piedra. Estas vibraciones se denominan ondas gravitacionales. Transportan energía hacia afuera y la fuente pierde masa gradualmente.

Cuando un grano de arena cae sobre una mesa, su impacto es predecible. Pero si lo comprimimos hasta el tamaño de un núcleo atómico, las leyes habituales de la gravedad se rompen: la fuerza gravitatoria debería crecer infinitamente.

A principios del siglo XX, Albert Einstein demostró que la gravedad es la curvatura del espacio y del tiempo. Poco antes, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en una sola teoría.

El Universo se comporta como una burbuja de jabón que se infla en una espuma multidimensional. El modelo de la burbuja oscura explica por qué se expande cada vez más rápido: la burbuja del espacio-tiempo crece y su membrana adquiere un grosor diminuto, de aproximadamente una micra, como el de una bacteria.

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.

En el universo joven y caliente, como en una sala de baile abarrotada, giraban los monopolos magnéticos — partículas solitarias que portan solo el polo norte o solo el polo sur. En un imán común, los polos siempre van en pares, pero aquí cada uno va por su cuenta.

El tiempo es caprichoso. Dentro de una estrella masiva fluye tranquilo, como la arena en un viejo reloj de chimenea. Afuera, a escala del universo entero, se estira junto con el espacio, como si ese mismo reloj hubiera caído en un ascensor que acelera y frena sin cesar.

Una burbuja de jabón flota en el aire, y su forma ya contiene todo lo necesario para calcular la tensión interna. Un principio similar ha funcionado en un nuevo trabajo sobre gravedad cuántica.

La sombra de un agujero negro no es solo una silueta. Es el borde del abismo, donde el espacio y el tiempo están tan retorcidos que incluso la luz se ve obligada a girar, como una astilla en un remolino. Este «remolino cósmico» surge de una masa monstruosa que curva el espacio-tiempo.

El mundo cuántico es conocido por sus incertidumbres: por ejemplo, no se puede medir simultáneamente la posición de una partícula y su velocidad.

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.

Dos esferas electrizadas se atraen con una fuerza determinada. Si reemplazas sus cargas por polos magnéticos, una balanza de resorte marcará exactamente la misma fuerza. Con los agujeros negros, resulta que ocurre lo mismo, solo que en lugar de resortes, es el propio tejido del espacio-tiempo el que actúa.

El horizonte de un agujero negro suele dibujarse como una membrana unidireccional: todo cae hacia dentro, nada sale. Pero, ¿y si no fuera una frontera vacía, sino una nube de diminutos 'trocitos' del propio espacio-tiempo?

El café caliente sobre la mesa se enfría: el calor se extiende desde el centro caliente hacia los bordes. De manera similar, sugieren los autores, se comporta el propio universo, solo que a escalas de miles de millones de años luz.

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.

Un objeto pesado cae en un estanque y ondas se extienden en todas direcciones. De manera similar, cualquier movimiento de un cuerpo masivo genera ondulaciones en el tejido del espacio: ondas gravitacionales. Pero cuando se intenta describir estas ondulaciones según las leyes del micromundo, los cálculos explotan en infinitos.

Un nanodiamante masivo en un interferómetro cuántico se divide en dos, revistiéndose de dos realidades. Su gravedad — insignificante, casi imperceptible — excita el campo cuántico del vacío, y nacen nubes coherentes de gravitones. Estas son las sombras gravitacionales, proyectadas por cada posición de la masa.

Cuando los agujeros negros se acercan y se separan — sin fusionarse, solo rozándose con sus campos gravitacionales — se convierten en proyectiles ideales para poner a prueba las leyes de la gravedad. En campos extremos, donde la dilatación del tiempo alcanza magnitudes monstruosas, cualquier grieta en la teoría brillará con un destello cegador.

En el primer segundo después del Big Bang, el universo era un caldero hirviente de energía. Pares de 'partícula-antipartícula' nacían y se aniquilaban mutuamente al instante. Pero por cada mil millones de esos pares, una partícula de materia sobrevivía — y ese remanente se convirtió en estrellas, planetas, personas.

Lanza una piedra a un estanque: las ondas se expanden cambiando la escala de la onda. Más o menos así funciona la nueva teoría: dota a cada partícula de su propio 'círculo de escala', y es precisamente esa curvatura del espacio invisible la que resulta ser la fuente de la masa.

Un lápiz que cae al suelo impacta con toda su superficie a la vez. Pero si el suelo fuera cuántico —formado por innumerables granos de arena vibrantes—, el lápiz nunca tocaría un único punto.