efecto Schwinger

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad enorme. Este proceso se llama inflación, y la fuerza motriz es el campo del inflatón. Su energía empujaba el espacio, como la levadura hace subir la masa. Pero los físicos sospechan que en la masa podrían haber quedado “burbujas”: partículas superpesadas nacidas de la propia expansión.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad enorme. Este proceso se llama inflación, y la fuerza motriz es el campo del inflatón. Su energía empujaba el espacio, como la levadura hace subir la masa. Pero los físicos sospechan que en la masa podrían haber quedado “burbujas”: partículas superpesadas nacidas de la propia expansión.

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.

Un cristal de color verde pálido se colocó en un campo magnético y se enfrió por debajo de un kelvin, casi hasta el cero absoluto. En su interior se esconden cadenas de átomos de cobre que se comportan como diminutas agujas magnéticas.

El té caliente se enfría, el péndulo se detiene: la naturaleza ama el equilibrio. Pero un agujero negro con carga puede alcanzar un estado especial, extremo: la masa se vuelve mínima y la temperatura cae a cero.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

En una habitación, el aire toca la piel y sentimos su temperatura. Pero si el cuerpo de repente se lanzara con una aceleración colosal, el calor llegaría incluso desde el vacío absoluto.

Si aceleramos a un observador hasta velocidades cercanas a la de la luz, el vacío que lo rodea deja de ser frío. Aparece un resplandor térmico: un efecto predicho en 1976 y bautizado en honor a William Unruh. Para aceleraciones terrestres, este resplandor es increíblemente débil, como un susurro en un concierto de rock.

El vacío cuántico no es un vacío absoluto. Es más bien una membrana tensa que oscila constantemente debido a partículas invisibles que nacen y desaparecen. Incluso en la oscuridad total, esa membrana tiembla. Los físicos decidieron observar cómo se comporta alrededor de una cáscara esférica delgada, dentro de la cual hay un espacio plano ordinario, como el de nuestra habitación.

En 1981, Alan Guth propuso el escenario de la inflación cosmológica —una expansión vertiginosa del espacio que estiró las fluctuaciones cuánticas hasta el tamaño de galaxias enteras. Desde entonces, los cosmólogos, como arqueólogos, excavan este evento a través de las estructuras del Universo.

Un agujero negro es un lugar donde las reglas habituales se rompen. En el centro, según la física clásica, se esconde la singularidad: un punto de densidad infinita hacia el que se precipita todo lo que cae dentro. La teoría cuántica debería suavizar esta imagen.

El vacío cuántico no es un vacío muerto, sino un caldero hirviente de probabilidades. En algunas teorías, nuestro universo está congelado en un estado metaestable: como agua sobrecalentada, lista para explotar en vapor con un solo empujón.

Un objeto común se mueve en una trayectoria predecible, como una pelota. En el mundo cuántico, la partícula está difuminada en una nube de probabilidad. Para ver orden en esta niebla, los científicos reescribieron la ecuación de Schrödinger en el lenguaje del agua corriente.

Después del Big Bang, el universo pudo haber quedado atrapado en un falso vacío, un estado temporal como una burbuja de jabón lista para reventar. Una rara burbuja de vacío verdadero podría entonces estallar, estirando el espacio en un abrir y cerrar de ojos.

La electrodinámica cuántica, o QED, describe cómo la luz interactúa con partículas cargadas, como los electrones. Es una de las teorías más precisas de la historia: sus predicciones coinciden con el experimento hasta el undécimo decimal.

El vacío no es tan vacío como parece. Si un observador se mueve con aceleración, el vacío a su alrededor se calienta: esto lo predijo William Unruh ya en los años 1970. El efecto es similar a la radiación de un agujero negro, pero en un espacio plano.

En el interior de una estrella de neutrones, el remanente de una estrella que explotó, la materia está tan comprimida que una cucharadita pesa miles de millones de toneladas. Entre esta materia superdensa, quizás actúe un tipo especial de fuerza, una que solo afecta a los neutrinos muónicos y tauónicos.

En una luz muy tenue, los fotones llegan uno a uno, como gotas de un grifo que gotea — nunca en pares. Este efecto, predicho por Roy Glauber y confirmado por Leonard Mandel, demuestra directamente que la luz está compuesta de partículas.

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.

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.

El universo temprano se expandía a una velocidad inimaginable, más rápido de lo que la luz habría podido cruzarlo. En ese hervidero, cualquier región del espacio era como un bote de pintura abierto: sus fronteras capturaban continuamente nuevo "vapor" del exterior, mientras parte de su contenido se escapaba irremediablemente.

El electrón y el muón son migajas magnéticas. Su magnetismo es ligeramente mayor que dos (en unidades especiales), y esta 'fracción excedente' (momento magnético anómalo) surge del constante oleaje en el vacío: pares de partículas que aparecen y desaparecen por un instante.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

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.

La nada cuántica se asemeja al agua en una olla justo antes de hervir. De vez en cuando, surge espontáneamente una burbuja, pero no de vapor, sino de un universo entero. Esta burbuja no colapsa, sino que se expande en el espacio-tiempo, desencadenando su propio Big Bang. La cuestión es con qué frecuencia ocurre esto.

Stephen Hawking imaginó que el Universo nació no de una explosión, sino que emergió suavemente de la «nada» cuántica. En mundos con geometría cóncava (espacio anti-de Sitter), este nacimiento presenta un borde, como el aro de un tambor.

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.

El enigma de la gravedad cuántica ha inquietado las mentes durante casi un siglo. El campo clásico que curva el espacio-tiempo se niega a encajar en el mundo probabilístico de las superposiciones. ¿Puede la gravedad, siendo macroscópica, generar entrelazamiento microscópico?

En física hay un dolor persistente. La relatividad general describe el origen del Universo como un punto — una singularidad donde las ecuaciones colapsan y el volumen se hace cero. La mecánica cuántica insinúa que en el momento más crítico algo no sucede como predice la física clásica.

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.

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 un campo eléctrico alcanza una fuerza monstruosa, el vacío deja de estar vacío. Ya a mediados del siglo pasado, Julian Schwinger demostró que el vacío literalmente estalla en pares de partícula-antipartícula si el campo es suficientemente intenso.

Cuando un campo eléctrico alcanza una fuerza monstruosa, el vacío deja de estar vacío. Ya a mediados del siglo pasado, Julian Schwinger demostró que el vacío literalmente estalla en pares de partícula-antipartícula si el campo es suficientemente intenso.

La palma de la mano sobre una placa caliente siente el calor, incluso cuando el aire alrededor parece fresco. Algo similar ocurre con los electrones en el efecto Aharonov-Bohm: la partícula percibe el voltaje eléctrico, aunque entra en una región donde el campo ya está apagado.

El universo primigenio se asemejaba a un globo que se infla rápidamente: se expandía tan deprisa que la luz no podía alcanzar sus propios bordes. Luego, esa frenética aceleración dio paso a una expansión tranquila. Dejaron de inflar el globo y este comenzó a desinflarse lentamente.

Un puñado de granos de arroz cae en una sartén caliente y empiezan a saltar. Cada grano empuja a sus vecinos, y todo el montón se agita sin que nadie lo toque. Eso es la materia activa: una multitud de partículas que extraen energía por sí mismas y la convierten en movimiento.

Sobre un donut de goma se extiende una película invisible: el campo cuántico. Mientras el donut es pequeño, la película está tensa y no se hunde en ningún punto: el vacío permanece vacío. Pero basta con estirar el donut hasta cierto tamaño para que en la película aparezca por sí sola una abolladura: el campo comienza a sentirse en cada punto. Esa abolladura no es casual.

Dentro de una estrella de neutrones, la densidad no cambia suavemente, sino que cae en picado con escalones bruscos: los escalones de densidad. En esos escalones, el vacío de repente produce pares: neutrinos y antineutrinos.