curvatura del espacio-tiempo

Cuando los planetas giran alrededor del Sol, no solo siguen sus órbitas: también se atraen ligeramente entre sí. Es como un baile en el que cada pareja siente el movimiento de los demás. Los científicos decidieron averiguar cuánto cambia esta atracción mutua las trayectorias de los planetas. Resulta que hay pequeñas correcciones que antes no se tenían en cuenta.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo cambia ligeramente de dirección, como el agua que rodea una piedra en un arroyo. En el sistema solar hay muchas de estas "piedras": planetas, sus lunas, asteroides. Y cada uno de ellos, con su gravedad, curva la trayectoria de la luz que llega de estrellas lejanas.

Dos agujeros negros, girando en una danza, se acercan cada vez más rápido y finalmente se fusionan en uno solo. Esta danza no es silenciosa: sacude el propio espacio y el tiempo, y por el universo se propagan ondas gravitacionales.

Los neutrinos son partículas diminutas que, cada segundo, atraviesan nuestros cuerpos por miles de millones sin tocar ni un solo átomo. Tienen una propiedad misteriosa: en su camino desde el Sol o un acelerador, pueden cambiar de tipo, o "sabor", por ejemplo, de neutrino electrónico a neutrino muónico.

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

Un vórtice en un material magnético es como un remolino, pero en lugar de agua, lo que gira son las direcciones de la magnetización. Un electrón que atraviesa ese vórtice no siente solo un campo magnético, sino una curvatura del espacio: su camino se dobla como si rodara por un embudo con cuello estrecho.

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.

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.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

Tira una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. De manera similar, cualquier cuerpo, incluso el más pequeño, perturba el campo gravitatorio a su alrededor. En el vacío frío del espacio, estas perturbaciones, como ondas en una superficie tranquila, hacen que dos objetos cercanos siempre se repelan.

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.

Lanza dos piedras de formas diferentes a un estanque: las ondas en el agua contarán cuál era lisa y cuál era angular. Las ondas gravitacionales funcionan de manera similar: cuando dos objetos superdensos se fusionan, el temblor del espacio-tiempo propaga detalles sobre su estructura interna.

Una hoja de papel se estira rápidamente en todas direcciones. Sobre ella hay dibujadas diminutas flechas que representan partículas, y el estiramiento hace que se muevan e interactúen de manera diferente a como lo harían sobre una mesa fija.

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

Imagina una lámpara escondida detrás de un gran acuario lleno de agua. No ves una única fuente de luz, sino varios reflejos y refracciones: el agua desvía la trayectoria de los rayos.

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

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.

Dos cuerpos masivos, suspendidos en una superposición cuántica, recuerdan a una pareja de bailarines que intenta mantener un ritmo común mientras a su alrededor una orquesta hace ruido. Cada onda gravitacional es como un músico que los saca del compás.

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.

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.

El universo no es solo un lugar, es un calendario de eventos: qué ocurrió antes y qué después. En la geometría einsteiniana del espacio-tiempo, este calendario a veces se corta.

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.

Una enana blanca es el núcleo enfriado de una estrella como el Sol. Su destino lo decide la masa: existe un límite claro, el de Chandrasekhar (alrededor de 1,4 masas solares), más allá del cual la estrella se contrae aún más.

El principio holográfico se compara a menudo con un holograma: toda la información sobre el volumen está registrada en una superficie plana.

El cuello de un reloj de arena es el punto más estrecho, donde los granos cambian de lado. En la gravedad cuántica existe un objeto similar: el instantón (una solución instantánea que conecta dos estados del espacio). Funciona como un túnel a través del cual la geometría del universo fluye de una forma a otra.

La luz que se aleja de un cuerpo masivo pierde fuerza. Su frecuencia disminuye ligeramente y el color se desplaza hacia el rojo. Los físicos llaman a esto corrimiento al rojo gravitacional. En la teoría clásica todo está claro, pero en cuanto hablamos de cuantos, empiezan las dificultades.

El universo a veces recuerda a una tela vieja: tras un rápido enfriamiento pudieron quedar pliegues: hilos finos, casi invisibles, de densidad monstruosa. Se les llama cuerdas cósmicas. Normalmente, en el centro de una de estas cuerdas se esconde una singularidad: un punto donde las leyes de la física pierden su sentido.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Una entonación equivocada cambia el significado hasta hacerlo irreconocible. Algo parecido le ocurre a la partícula con espín 3/2: el gravitino. No puede existir en solitario: su "discurso" debe estar perfectamente coordinado con el entorno, o toda la construcción se desmorona.

En el mundo macroscópico hay una regla sencilla: la densidad de energía no puede ser negativa, y su flujo no puede superar a la luz. En un café, esto se vería así: el camarero no puede repartir los pedidos más rápido de lo que corre él mismo. Los físicos llaman a esta restricción condición de dominancia de la energía.

Dos estrellas giran una alrededor de la otra, acercándose gradualmente. Su danza pierde energía, y esa energía se escapa al espacio en forma de ondas gravitacionales y, a veces, de otros campos.

En 2017, los detectores registraron una onda gravitacional proveniente de la colisión de dos estrellas de neutrones. 1,7 segundos después, los telescopios vieron un destello de estallido de rayos gamma desde el mismo punto. Ese pequeño retraso se convirtió en un tesoro para los físicos.

El agujero negro de Kerr-NUT no es solo una aspiradora cósmica. Es una solución de las ecuaciones de Einstein en la que el agujero tiene masa, rotación y un extraño parámetro NUT. Se comporta como una carga magnética para la gravedad: aunque parece invisible, altera las propiedades del espacio circundante.

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.

Dos casas con fachadas idénticas. Ventanas, puertas, color de las paredes: todo coincide. Pero por dentro, una está vacía y la otra rebosa vida. ¿Cómo saberlo sin entrar? En el espacio hay un problema similar: un agujero negro y un gravastar se ven igual por fuera, pero están construidos de manera diferente.

Una piedra lanzada vuela en arco y cae. Un planeta alrededor de una estrella es la misma piedra, solo que cae infinitamente, rodeando el astro en una curva cerrada. En el mundo de Newton, esa curva es una elipse perfecta, y el planeta regresa al mismo punto en cada vuelta. En la realidad, la órbita gira ligeramente: su punto más cercano a la estrella, el periastro, se desplaza.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

El universo temprano se asemeja a un resorte fuertemente comprimido. En los primeros instantes se expandió a una velocidad inimaginable: esta etapa se llama inflación.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

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.