espacio-tiempo

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.

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.

Decenas de antenas de radio repartidas por la Tierra llevan años escuchando el tictac de los púlsares lejanos, estrellas muertas que giran y emiten impulsos con más puntualidad que los relojes atómicos. Cuando una onda gravitatoria pasa entre la estrella y nosotros, el tictac se desajusta un poquito.

Newton nos regaló un mundo donde los cuerpos se mueven en el vacío y los relojes marcan el mismo ritmo para todos. Durante tres siglos, esta imagen funcionó a la perfección. Pero en ella hay muchos puntales invisibles: la posición absoluta, la dirección "arriba-abajo", un ritmo temporal único para todo el universo.

Una balanza que no pesa un cuerpo, sino el propio espacio que lo rodea. Así funcionan las ecuaciones de Einstein en la relatividad general: conectan la curvatura del espacio-tiempo con lo que hay en él. En el lado derecho de la ecuación —donde está la «materia»— se suele poner o bien la densidad de energía, o bien la presión.

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.

Un péndulo en una habitación ruidosa recibe constantemente empujones de la gente que pasa. Su movimiento es una mezcla de oscilaciones regulares y sacudidas aleatorias. Algo similar les sucede a las débiles ondas gravitacionales en el contexto de un universo en expansión.

El asunto del reloj en el universo es delicado. Normalmente, en los cálculos del nacimiento del mundo, el papel de reloj lo desempeña un campo escalar especial — algo así como un fluido invisible que llena todo el espacio. Hace tictac, y los físicos observan cómo cambia el mundo respecto a ese tictac. Pero ese reloj es artificial, se introdujo por comodidad.

En el silencio del mundo cuántico no hay vacío. Las partículas están entrelazadas por hilos invisibles: el entrelazamiento. Los autores del trabajo propusieron que el propio tejido del espacio-tiempo está urdido con esos hilos.

Dos pelotas lanzadas desde alturas diferentes caen al suelo con aceleraciones distintas. En el espacio todo es más complejo: incluso el vacío hace que los cuerpos se muevan de manera diferente.

La relatividad general, que describe la estructura del universo, no prohíbe los bucles en el tiempo. Pero Stephen Hawking propuso la hipótesis de la 'protección de la cronología': los efectos cuánticos deberían destruir esos bucles, haciendo imposibles los viajes al pasado.

El espacio no es vacío, sino un mosaico de celdillas diminutas. En la gravedad cuántica de bucles, la curvatura del espacio-tiempo se traslada de una lámina lisa a una red de «átomos» de volumen: las redes de espín. Cada nodo de esa red es un cuanto de espacio, y los enlaces entre ellos son cuantos de área.

Una bola de arcilla se deforma entre las manos, cambia de forma pero no se rompe: unas zonas se estiran, otras se comprimen. Así trabajan los físicos con el espacio-tiempo, solo que en lugar de dedos usan ecuaciones, y en lugar de arcilla, un mundo de seis dimensiones.

Dos nadadores sincronizados se lanzan al mar. Uno llega a una zona en calma, el otro a un remolino. Sus movimientos, perfectamente coordinados al inicio, divergen. Algo similar ocurre con dos partículas cuánticas cuando una se mueve en un espacio plano y la otra en uno curvado.

Un océano infinito donde cada ola lleva información sobre lo que ocurre en las profundidades. Así es, más o menos, nuestro universo según el principio holográfico: la física dentro de un volumen puede describirse mediante procesos en su frontera.

En la gran orquesta del universo, cada instrumento tiene su propio ritmo. Los electrones en el átomo realizan saltos cuánticos en femtosegundos, las neuronas del cerebro intercambian señales en milisegundos, y una persona necesita décimas de segundo para percibir el «ahora».

En la física cuántica hay teorías donde todo obedece a proporciones claras, como un ritmo musical que siempre vuelve al inicio del compás. Pero también existen teorías 'irracionales', donde el ritmo se rompe y predecir el siguiente golpe es casi imposible. Una de ellas es la teoría del bosón compactificado: la partícula vive en una circunferencia y su comportamiento depende del radio de esa circunferencia.

Un corredor que, a mitad de la carrera, de repente cambia a paso ligero: ni acelera ni frena, sino que mantiene un ritmo constante. Algo similar pudo ocurrirle al propio universo poco después del Big Bang. Esta fase se denominó «estasis», de la palabra griega que significa «detención».

En el océano, un remolino arrastra todo a un círculo cerrado; de igual manera, una onda gravitacional en el espacio vacío retuerce el tiempo en un bucle. La onda gravitacional es una ondulación en el tejido del cosmos, y su forma especial puede convertir el flujo normal de los acontecimientos en un ciclo cerrado.

Un objeto no puede ser un punto. Al menos, en la gravedad de Einstein. Las ecuaciones de la relatividad general exigen que la fuente del campo — la materia — esté distribuida en el espacio, no concentrada en un volumen infinitamente pequeño.

La expansión del universo se parece a un globo que se infla: las galaxias se alejan unas de otras y el propio espacio se estira. En esta imagen —conocida como espacio de de Sitter— hay un punto de vista especial: el observador solo ve una parte del mundo, limitada por un horizonte más allá del cual la luz no puede penetrar.

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.

Un constructor no comprueba la resistencia de un arco repasando mentalmente todas sus formas posibles, sino desplazándolo ligeramente en su imaginación y viendo cuánta fuerza se gasta en ello. Así funciona aproximadamente el principio del trabajo virtual en mecánica.

La gravedad suele explicarse mediante la curvatura del espacio-tiempo. Los cuerpos masivos lo deforman, como una bola de bolos sobre una lámina de goma estirada. Pero este enfoque tiene dos gemelos menos conocidos.

Una superficie de dona común, pero no lisa, sino atravesada por capas invisibles — como un hojaldre donde cada capa está ligeramente girada respecto a la vecina. Así es una estructura de contacto en una variedad tridimensional: en cada punto hay un plano, y estos planos se tuercen suavemente, tocándose según una ley especial.

El Universo se expande cada vez más rápido gracias a la energía oscura. Pero las mediciones de la velocidad dan resultados contradictorios. Nueva explicación: en el pasado, la energía oscura actuó como un freno, ralentizando la separación de galaxias, y luego cambió a aceleración.

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.

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

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.

Una fotografía de muy alta resolución se puede ampliar durante mucho tiempo — y de repente una cara lisa se descompone en píxeles individuales. Algo parecido, según un nuevo trabajo, ocurre con el propio espacio-tiempo. Los autores han propuesto que los diminutos intervalos de longitud no son «piezas» prefabricadas del universo, sino resultados de mediciones.

Un viejo despertador mecánico hace tictac en el estante. Escuchas el sonido rítmico, ves moverse las manecillas y estás seguro de que el tiempo avanza. Pero si desarmas el reloj, no encontrarás ninguna pieza etiquetada como «tiempo». Solo resortes y engranajes.

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

El espacio-tiempo no es una hoja lisa, sino un tejido arrugado: las estrellas y los planetas dejan pliegues en él. En cada pliegue hay información almacenada, y para borrarla, habría que liberar calor, así funciona el principio de Landauer. Es decir, la 'arruga' del espacio se puede medir a través de la entropía, la medida universal del desorden.

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 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.

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 piedra cae en un pozo y el chapoteo llega a los oídos con retraso. Algo parecido le ocurre a la luz cuando escapa de la Tierra: sus oscilaciones se vuelven menos frecuentes, el rayo parece «cansarse». Esto es el corrimiento al rojo gravitacional — un fenómeno del que habló Einstein hace cien años.

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.

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.