vórtice cuántico

Un pulso láser incide en una nube de gas y arranca electrones de ella, dejando tras de sí una burbuja: una cavidad donde apenas hay partículas. Esa burbuja viaja a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz, y sus paredes arrastran a los electrones que quedaron dentro, como una lancha rápida arrastra a un esquiador acuático.

En la imagen habitual del mundo, un evento es un punto en el mapa del espacio-tiempo: un "aquí y ahora" sin tamaño ni estructura interna.

295 000 metros por segundo. A esa velocidad ni siquiera se mueven las partículas en las eyecciones coronales del Sol. Pero en el centro del cúmulo de galaxias H1821+643, el gas caliente se desplaza exactamente así. El cuásar en su corazón exhala, y su aliento agita todo a su alrededor en una distancia de 60 000 años luz.

En el centro de muchas galaxias se esconde una nube invisible: el halo de materia oscura. Si esta materia es lo bastante fría y ligera, se comporta como un líquido superfluido: fluye sin fricción y cualquier rotación se enrolla en diminutos vórtices cuánticos, hilos del tamaño de un núcleo atómico.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

En el mundo cuántico, las partículas de materia oscura pueden fusionarse en una sola gota superfluida: un estado donde la sustancia fluye sin fricción, como un líquido ideal. Al encontrarse cerca de un agujero negro, esa gota no desaparece en él, sino que se enrolla en vórtices estables, como el agua que rodea una piedra en un río.

El sonido viaja a través de un medio a una velocidad determinada. Si el medio se mueve más rápido, el sonido es arrastrado por el flujo, como una astilla atrapada en un remolino. En el helio superfluido —un líquido sin fricción— la rotación rápida genera vórtices-remolinos.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

Según el Modelo Estándar, el vacío no está vacío, sino que es un océano de partículas virtuales fantasmales. Un campo electromagnético superintenso, como una tormenta, arranca pares de electrones y positrones hacia la realidad.

El agua hierve detrás de una piedra en el río, el aire se arremolina detrás del ala de un avión: parece que el movimiento es completamente caótico. Pero los autores del estudio encontraron en ese caos una receta de cocina estricta. Descompusieron la rotación del fluido (el momento angular) en dos partes independientes.

El vacío puede generar partículas si se aplica un campo suficientemente intenso. Los físicos llaman a esto la paradoja de Dirac–Klein. Antes, para explicarlo se requerían cálculos muy complejos de la teoría cuántica de campos. Pero se puede recurrir a una imagen intuitiva: una banda elástica muy tensada con un nudo. El nudo es la partícula.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

Un fluido superfluido fluye sin fricción, como agua en una tubería perfectamente lisa, pero en cuanto encuentra un obstáculo, el panorama cambia. En un nuevo estudio se examinó cómo un flujo superfluido rodea paredes rectangulares y pozos con esquinas afiladas.

El helio líquido, enfriado casi hasta el cero absoluto, se comporta como dos fluidos a la vez: una parte viscosa ordinaria y una parte superfluida que fluye sin fricción. Cuando esa corriente choca con un cilindro, nacen vórtices detrás de él.

Un vórtice en un gas superfluido se parece a un remolino en un lavabo: el líquido gira alrededor de un núcleo vacío. Si se retuerce ese vórtice tres veces más fuerte de lo normal, no se sostiene: se descompone en tres remolinos separados, como un chorro de agua grueso se rompe en gotas.

En una cubeta del tamaño de una moneda, la luz se comporta como el agua: se condensa en un único fluido cuántico. Cuando se le añade energía, en ese fluido se forman espontáneamente remolinos: los vórtices cuánticos. Cada vórtice es como un pequeño torbellino que no puede desaparecer sin más. Los físicos iluminaron este fluido con un láser y tomaron instantáneas.

En un superconductor, la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se coloca este material en un campo magnético, aparecen vórtices en su interior: pequeños remolinos donde la superconductividad se destruye.

Una placa delgada se coloca transversal al flujo de agua o aire. Detrás de ella nace una estela: una zona donde el flujo se enreda y se mezcla. Normalmente, esta estela se vuelve turbulenta cuando la velocidad del flujo es suficientemente alta, y la medida de esto es el número de Reynolds.

Un agujero negro en rotación se comporta como un embudo gigante, pero no solo aspira todo a su alrededor: retuerce el espacio mismo, como la rápida corriente de un río. Nuevos cálculos demuestran que en esta vorágine pueden nacer vórtices estables de partículas ultraligeras, posibles ladrillos de la materia oscura.

Según las leyes del micromundo, un electrón que obedece la ecuación de Dirac tiembla incluso en completo reposo. Esto es el Zitterbewegung, una oscilación con una amplitud de billonésimas de milímetro, como un trompo sobre un eje invisible.

Cuando se hace girar un líquido en una taza, se forma un remolino con un centro vacío. En ese centro hueco, las ondas encuentran una trampa: al reflejarse en las paredes, le roban energía al vórtice y crecen como el fuego a lo largo de una mecha: cada ola es más fuerte que la anterior, hasta que estalla un pico.