gravedad semiclásica

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 tetera hirviendo en la estufa se evapora por completo con el tiempo; así, según las ideas clásicas, un agujero negro debería desaparecer gradualmente entre silbidos de radiación. Pero, ¿y si le añadimos un ingrediente especial a la tetera?

Un agujero negro no es una aspiradora eterna. Pierde masa lentamente, emitiendo partículas como una piedra caliente que se enfría y cede calor. Este proceso, descubierto por Stephen Hawking, es apenas perceptible en agujeros grandes, pero en los diminutos — de masa comparable a una montaña — se convierte en una evaporación violenta.

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.

Un agujero negro en el que cae algo podría no limitarse a evaporarse durante miles de millones de años, sino reventar como una burbuja de jabón y convertirse en su opuesto: un agujero blanco. Este escenario lo sugieren experimentos numéricos con gravedad semiclásica.

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.

En un universo bidimensional, un agujero negro se asemeja a un embudo en el espacio-tiempo. Pero los autores del nuevo trabajo han ido más lejos: han supuesto que el propio espacio donde "viven" los momentos de las partículas también está curvado, como una silla de montar.

Un tímpano al borde mismo de una cascada. El sonido aquí se comporta de manera extraña: el eco no se multiplica, sino que se apaga. Así son las ondas gravitacionales en el horizonte de un agujero negro — el límite tras el cual desaparece incluso la luz.

La agonía de un agujero negro solitario dura una eternidad. Pero en los últimos instantes, cuando la masa se evapora según la ley descubierta por Stephen Hawking, alcanza a enviar una señal de despedida en forma de ondas de radio. No un susurro cuántico, sino un zumbido clásico, siempre que haya un campo magnético cerca.

Fotografiar las alas de un colibrí con una cámara normal es obtener una mancha borrosa. Para una imagen nítida, se toman muchas fotos rápidas desde diferentes ángulos y se ensamblan, así se crea una «instantánea» cuántica. En el laboratorio, los científicos «palpan» las oscilaciones de un diminuto espejo con un rayo láser.

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.

La paradoja de los agujeros negros ha atormentado a los físicos durante décadas. Si el agujero desaparece, ¿a dónde va su contenido? Los descubrimientos de Stephen Hawking y Jacob Bekenstein demostraron que para salvar las leyes de la naturaleza se requiere un movimiento no convencional.

Golpeas un diapasón con un martillito y vibra, mientras el sonido se va apagando poco a poco. Algo parecido le ocurre a un agujero negro cuando se le perturba: emite ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio, y luego se calma.

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 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.

La orquesta toca desafinada y el sonido parece un caos. Pero si se anotan todas las notas y se analizan matemáticamente, se puede reconstruir la forma de la sala de conciertos: dónde están las paredes, qué altura tiene el techo. Así, más o menos, es como los físicos proponen derivar la gravedad a partir de la teoría cuántica.

Las interferencias cuánticas, como el siseo de una radio mal sintonizada, llenaban el Universo primitivo. Alan Guth demostró que la rapidísima expansión (inflación) hizo que estas ondulaciones se congelaran, generando grumos de materia, las semillas de las galaxias.

Durante casi un siglo, los cosmólogos se han enfrentado al enigma: ¿qué provoca que el Universo se expanda cada vez más rápido? La respuesta convencional — la energía oscura — genera una discrepancia colosal entre la densidad de vacío teórica y las observaciones. Pero existe otro camino que invierte la causalidad.

Un rayo de luz se desliza a lo largo del horizonte de un agujero negro, esa frontera invisible de la que nada puede escapar. Cuanto más cerca está el rayo del horizonte, más lentamente transcurre su propio "tiempo", una medida especial del trayecto llamada parámetro afín.

Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo colapsa bajo su propio peso. En su interior se forma un agujero negro: una región donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Durante mucho tiempo se pensó que en el mismo centro se escondía un punto de densidad infinita: la singularidad.

Una bombilla normal brilla más cuando se calienta, eso lo sabe cualquiera. Pero un agujero negro del tamaño de un núcleo atómico obedece otras leyes. Cuando se evapora, emitiendo partículas por efectos cuánticos en su mismo borde (el horizonte de sucesos), su brillo no aumenta con la temperatura, sino que disminuye.

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.

Si echas un trozo de hielo en agua hirviendo, se derretirá hasta desaparecer. De manera similar se comporta un agujero negro en el espacio, solo que aquí el 'agua hirviendo' es el propio espacio, que extrae continuamente energía de él.

Las ecuaciones profundas de la física, como la ecuación de Wheeler–DeWitt, no contienen tiempo. El pasado y el futuro están mezclados en ellas, como fotogramas en una película sin indicación de hacia dónde proyectar. Esta simetría no es un defecto, sino una propiedad.

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.

Los detectores modernos de ondas gravitacionales confirman que los agujeros negros son una realidad. El espacio-tiempo se puede comparar con un gigantesco trampolín: las estrellas masivas lo deforman.

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.

La holografía es la idea de que todo lo que ocurre dentro de un volumen puede registrarse en su frontera, como una imagen en un holograma. En física, esto ayuda a conectar la gravedad con el mundo cuántico.

En 1965, Penrose sacudió la física con un trueno matemático: cualquier estrella lo suficientemente masiva, al comprimirse bajo su propio peso, inevitablemente cae en una singularidad, una región donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita y las leyes de la física dejan de funcionar.

En un modelo, el espacio-tiempo es un lago tranquilo, y las partículas cuánticas son peces nadando en él. Su movimiento inevitablemente crea ondas. Las matemáticas exigen que el agua tiemble; de lo contrario, la teoría se desmorona. Este temblor está estrictamente ordenado y tiene dos tipos.

El agua hierve en la olla y del fondo suben burbujas. Crecen, ascienden y revientan, y el agua sigue siendo agua. Algo parecido, según han descubierto los físicos, puede ocurrir con el propio espacio — si en él hay energía oscura (la misteriosa fuerza que acelera la expansión del universo).

La imagen estándar de la evaporación de un agujero negro, esbozada por Hawking, durante mucho tiempo pareció tranquilizadora: las fluctuaciones cuánticas cerca del horizonte generan radiación térmica, el agujero se derrite lentamente y el espacio-tiempo…

En un campo magnético intenso, los electrones de una película metálica delgada se mueven en órbitas circulares. Si el grosor de la película es comparable al tamaño de dicha órbita, la resistencia comienza a oscilar — son las oscilaciones de Sondheimer, conocidas desde mediados del siglo pasado como un efecto puramente geométrico.

Según la mecánica clásica, el electrón en un átomo debería girar en espiral alrededor del núcleo y caer rápidamente sobre él, como un surfista que pierde velocidad y se cae de la tabla. Pero los átomos viven miles de millones de años. Porque el cosmos no está vacío. Incluso en el vacío absoluto hay un mar electromagnético invisible: el campo de punto cero.

Un resorte comprimido al máximo se rompe. Así, la teoría clásica de la gravedad lleva a una singularidad, el punto de ruptura de todas las leyes. La mecánica cuántica transforma ese final en un rebote elástico.

Los agujeros negros primordiales agujeros negros se comportan como teteras hirviendo: al evaporarse, silban con ondas gravitacionales. El carácter del silbido — su espectro — depende de cómo la temperatura del agujero se relaciona con su masa.

La computadora cuántica IBM Heron R3 resolvió un problema ante el que el método clásico se echó atrás. Se trata de encontrar el estado fundamental, es decir, el nivel de energía más bajo de un sistema de 49 bits cuánticos.

La luz atrapada en una cavidad diminuta se asemeja a un péndulo que se empuja cada vez con más fuerza. Al principio oscila suave y predeciblemente, como un reloj corriente. Pero si se balancea lo suficiente, el movimiento se vuelve extraño: el péndulo parece estar en dos puntos extremos a la vez.