efectos de gravedad cuántica

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.

Un superconductor expulsa el campo magnético como una esponja exprime el agua. Este efecto Meissner se conoce desde hace casi un siglo, pero normalmente se calcula en un mundo plano, sin gravedad. En el campo intenso de un agujero negro o a velocidades enormes, el panorama cambia.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

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 una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

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.

Un agujero negro no es eterno. Incluso en el vacío total, pierde energía lentamente: este proceso se conoce como radiación de Hawking. Los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos crean pares de partículas, una de las cuales escapa, llevándose masa del agujero.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo resonaba como una campana. La inflación — la era de expansión acelerada, confirmada por las mediciones del fondo cósmico de microondas — había terminado, y el campo del inflación comenzó a oscilar alrededor del mínimo de su potencial.

Una diminuta esfera magnetizada flota en el vacío, sostenida por campos invisibles. Comienza a girar alrededor del eje del campo magnético, igual que una peonza a la que se le ha dado un ligero impulso. Esto es la precesión. Pero cuando la esfera se vuelve muy pequeña, entran en juego las leyes cuánticas.

En 1956, dos radiotelescopios en Jodrell Bank apuntaron a Sirio, captando no imágenes sino el temblor de la intensidad. El experimento de Hanbury Brown y Twiss (HBT) reveló algo sorprendente: las correlaciones de los fotones entrantes cuentan la estadística de la fuente, si es caótica como una lámpara térmica o coherente como un láser.

Imagina una transición de fase cuántica como un baile complicado. Los electrones giran en orden estricto, y cada paso es su distribución espacial, mientras que el ritmo es la dinámica. Durante décadas, los físicos solo vieron un movimiento borroso, sin poder distinguir: ¿cambian las figuras o se acelera la música?

Un agujero negro se parece a una habitación perfectamente oscura: desde fuera no se ve lo que hay dentro, y quien cruza el umbral parece desaparecer para el mundo exterior. Pero, ¿qué siente el propio observador en caída? En la física clásica, nada especial: el horizonte de sucesos no está marcado con ningún cartel.

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.

Una patinadora gira sobre el hielo, alejándose gradualmente de su órbita. Del mismo modo, una estrella pequeña o un agujero negro, al orbitar un agujero negro masivo, pierde energía. Emite ondas gravitacionales: ondas en el espacio-tiempo que los detectores en la Tierra captan. Pero la danza de esta pareja es más compleja de lo que parece.

El horizonte de un agujero negro se asemeja a una película de jabón estirada sobre el abismo. Desde fuera parece perfectamente liso, pero de cerca tiembla. Esta ondulación nace de las fluctuaciones cuánticas: la creación y aniquilación continuas de partículas en el vacío.

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.

El foco está en un agujero negro con dos fronteras de no retorno: los horizontes externo e interno. Más allá del horizonte externo, el espacio y el tiempo intercambian sus roles, pero el camino aún no ha terminado. Más adentro, en el horizonte interno, la gravedad prepara una nueva sorpresa.

La luz atraviesa una película arrugada y sale ligeramente diferente. De manera similar, las ondas gravitacionales nacidas en el universo temprano sienten la distribución grumosa de galaxias y materia oscura.

Dos boyas en las olas. Si lanzas una piedra al agua, los círculos se expanden y mecen primero una boya y luego la otra, no al mismo tiempo. En el mundo cuántico, ese «mecer» se llama entrelazamiento: las partículas, como boyas, empiezan a moverse de manera coordinada.

Un agujero negro no es una aspiradora eterna. Dejado en el vacío, desaparece lentamente, irradiando energía como un charco que se seca en el asfalto. Este proceso, predicho por Stephen Hawking, se llama evaporación. Cuanto más pequeño es el agujero, más rápido se derrite y más caliente es su "aliento".

Una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo: eso es la superposición. Pero cualquier interacción, como un grito, «colapsa» instantáneamente esta incertidumbre. Durante mucho tiempo se creyó que incluso la gravedad podía interferir.

El espacio-tiempo fluye como un río, y un agujero negro es un remolino. Las partículas en esta corriente son como ondas con su propio ritmo: una alternancia de crestas y valles. Resulta que el remolino desplaza el ritmo de la onda a distancia, sin siquiera arrastrarla.

Las ondas gravitacionales son temblores en el propio espacio, nacidos de la colisión de agujeros negros u otros cuerpos masivos. Su mayor rareza no es que nos atraviesen, sino que cambian para siempre la curvatura del espacio-tiempo y las distancias entre todo lo que tocan.

Dos diminutos espejos en el vacío son como patinadores en pareja. Sus oscilaciones se sincronizan mediante un hilo gravitacional invisible. Al enfriarlos a millonésimas de grado por encima del cero, ese hilo los convierte en un único vínculo cuántico: el movimiento de uno resuena instantáneamente en el otro.

La gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, y no una simple atracción, como ya mostró Einstein. En esa «pista de baile» curvada incluso los hipotéticos portadores de la gravedad —los gravitones— se mueven de forma caprichosa.

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 gravitón individual — un cuanto del espacio-tiempo — es increíblemente débil. Para detectores como LIGO, construidos por Rainer Weiss y colegas, los efectos cuánticos están suprimidos en un factor de 10⁻³⁸: es como intentar oír cómo un grano de arena caído en un huracán cambia la…

Un remolino de café puede abarcar dos puntos en una taza: una mancha borrosa de líquido arremolinado. Las partículas cuánticas se comportan de manera similar: un remolino espaciotemporal donde existen en dos lugares a la vez. Pero la gravedad actúa como la cuchara que remueve el tejido del espacio y el tiempo.

Un globo con un dibujo se desinfla y el dibujo se ondula y se deforma. Algo parecido le ocurre a un agujero negro que se evapora lentamente, perdiendo energía mediante la radiación descubierta por Stephen Hawking.

Tira una piedrecita a un pozo y el sonido te dirá su profundidad. De manera parecida, los astrofísicos escuchan a los agujeros negros: tras una fusión u otra perturbación, el agujero vibra y emite ondas gravitacionales.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden en círculos. Si la piedra no cae, sino que pasa rozando la superficie a gran velocidad, de su movimiento surge una onda recta que corre por el agua. Cuando esa onda choca con un tronco flotante, desde el punto de impacto vuelven a salir círculos.

Una piedra cae en un pozo y, un segundo después, se oye un chapoteo. Una estrella cae en un agujero negro y desaparece tras el horizonte, dejando solo un estremecimiento del espacio. Pero, ¿y si el fondo del pozo no fuera un callejón sin salida, sino un pasaje? En la imagen habitual, la materia se comprime en un punto de densidad infinita: la singularidad.

Lanza una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. Cuando la piedra se hunde, las ondas se expanden y poco a poco se desvanecen. Pero si miras en lo más profundo del espacio-tiempo, descubrirás que no funciona exactamente así.

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.

El agujero negro no solo engulle todo a su alrededor, sino que también se evapora lentamente, como un cubo de hielo al sol. Mientras el agujero adelgaza, los campos cuánticos a su alrededor empiezan a comportarse de manera inusual.

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.

En el centro de un enorme embudo que lo succiona todo, una pequeña esfera cae en espiral. Mientras gira, se genera un zumbido grave: es el propio espacio el que tiembla, y a ese temblor lo llamamos ondas gravitacionales. Su frecuencia aumenta y el tono se eleva, igual que el sonido de una sirena al pasar.

Una campana golpeada resuena cada vez más débil. Su tañido se apaga suavemente, como las ondas en el agua tras lanzar una piedra. De manera similar, un agujero negro se comporta tras chocar con otro: tiembla, y esas vibraciones —ondas gravitacionales— se alejan por el espacio, debilitándose gradualmente.

En una sala vacía, el sonido rebota entre las paredes convirtiéndose en un eco retumbante. Una cavidad óptica es la misma cámara de eco, pero para la luz.