emergencia del espacio-tiempo

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.

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.

En el centro de un agujero negro clásico se esconde una singularidad: un punto donde la densidad y la curvatura del espacio-tiempo se vuelven infinitas. La física se queda muda allí.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió a una velocidad vertiginosa. Este proceso se denomina inflación y suavizó todas las irregularidades, haciendo que el cosmos fuera homogéneo. Pero, ¿qué puso en marcha la propia inflación?

La onda cuántica se asemeja a una fotografía de larga exposición: todo está borroso, pero es precisamente esa borrosidad la que muestra el movimiento. Normalmente, estas ondas congeladas se consideran una abstracción conveniente.

Cuando una estrella gigante agota su combustible, colapsa en un agujero negro. Ese agujero tiene un límite exterior — el horizonte de sucesos, del que ni siquiera la luz puede escapar. Pero muchos agujeros negros tienen también un límite interior: un segundo horizonte que separa las capas externas del núcleo de singularidad.

Un traductor que traduce no palabras, sino la propia estructura de la conversación, se enfrenta a dificultades cuando el diálogo sale de una habitación silenciosa. En una simulación habitual sobre una retícula espacial, todo sigue un guion estricto.

En los primeros instantes de la vida del universo no había ni rastro de energía oscura: esa fuerza que hoy separa las galaxias cada vez más rápido. Pero si miramos más profundo, a la escala de Planck (miles de millones de miles de millones de veces más pequeña que el núcleo atómico), el espacio-tiempo deja de ser liso.

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».

Cuando un grano de arena cae sobre una mesa, su impacto es predecible. Pero si lo comprimimos hasta el tamaño de un núcleo atómico, las leyes habituales de la gravedad se rompen: la fuerza gravitatoria debería crecer infinitamente.

Nuestro universo se expande y su futuro, según los cosmólogos, es un espacio de de Sitter vacío y frío. Comprender su naturaleza cuántica es como intentar leer un libro mirando solo la portada.

Un traductor no solo escucha las palabras, sino también la entonación, las pausas, el temblor de la voz. El análisis entrópico ordinario de las perturbaciones cósmicas se parece a un acta de reunión: registra los hechos, pero pierde los matices. La pseudoentropía entropía es una nueva herramienta que capta la "música" oculta del universo temprano.

Sería un billar extraño si las bolas no tuvieran masa. No chocarían, sino que pasarían unas a través de otras sin notar obstáculos. Así se ve aproximadamente el intento de imaginar la luz como un flujo de partículas clásicas: pequeños corpúsculos elásticos que vuelan en línea recta. Una nueva demostración pone fin a esta imagen.

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.

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 tiempo en física se parece a un director que marca el ritmo a toda la orquesta. Pero en el mundo cuántico no hay una batuta única: cada partícula puede vivir según su propio reloj. Normalmente simplificamos el panorama y asumimos que el tiempo fluye igual para todos.

Dos partículas separadas por kilómetros cambian de estado de manera coordinada, como si no hubiera distancia entre ellas. Esto se llama entrelazamiento cuántico, y desde su descubrimiento ha dejado perplejos a los físicos: ningún portador conocido puede viajar más rápido que la luz, y las correlaciones aparecen al instante.

Por lo general, un agujero de gusano se imagina como un túnel en el espacio cuyas paredes sostiene algo inusual: materia con energía negativa. Como los puntales en una mina que evitan que los techos se derrumben. Pero en este trabajo los físicos prescindieron de los puntales.

Dos esferas masivas se separan lentamente en el vacío. Desde el punto de vista de la mecánica ordinaria, no hay nada especial. Pero las ecuaciones de Einstein dicen lo contrario: las masas aceleradas agitan el propio espacio, y desde ellas se propagan ondas gravitacionales — una ondulación que estira y comprime todo a su paso.

Una sábana estirada forma pliegues. Si tiras de una esquina, corre una onda uniforme; si comprimes la tela bruscamente, se produce un doblez agudo. Más o menos así se comportan el espacio y el tiempo en las ecuaciones de Einstein.

Un universo eterno, donde crece la medida del desorden (entropía), se presenta la mayor parte del tiempo como un vacío homogéneo. En él, ocasionalmente se ensamblan por azar estructuras complejas, como conciencias fugaces: los «cerebros de Boltzmann».

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.

La gravedad no es fundamental: es una sombra proyectada por la entropía, la medida del desorden. Ya en los años 70, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking descubrieron que los agujeros negros almacenan desorden en su superficie, como si la información estuviera esparcida sobre su…

Un globo no se desinfla todo a la vez: primero aparecen abolladuras que corren, se fusionan y, al final, el globo se arruga hasta convertirse en un punto. Algo parecido ocurre con las paredes de dominio: delgadas fronteras que dividían el espacio en los primeros instantes después del Big Bang.

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 intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. Así funciona aproximadamente la mecánica cuántica ordinaria: la partícula evoluciona en el tiempo, y el espacio sirve de escenario. Pero, ¿y si intercambiamos sus papeles? Entonces la partícula "camina" por el espacio, y el tiempo se convierte en un fondo inmóvil.

El péndulo de un reloj antiguo oscila porque un mecanismo de resorte lo empuja regularmente. Ahora imagina un péndulo que decide por sí mismo cuándo balancearse, y lo hace con un ritmo constante, solo porque en la habitación hace calor y hay una ligera corriente de aire.

La cosmología lleva mucho tiempo buscando un resquicio detrás del Big Bang. La inflación, propuesta por Alan Guth, estira y alisa las irregularidades primordiales, pero ¿qué encendió la mecha?

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 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 universo no tolera la monotonía. Hace un siglo, Edwin Hubble y Georges Lemaître nos regalaron una imagen elegante: un cosmos en expansión, liso como la superficie de un globo inflado.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se expanden círculos. Rebotan en la orilla, se superponen, se apagan. Todo ese movimiento se despliega en el espacio. Pero, ¿qué ocurriría si el propio estanque cambiara por un instante su profundidad o densidad, no en un punto, sino en todas partes a la vez?

En el corazón de una galaxia activa, donde el gas interestelar se arremolina en un deslumbrante disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo, nace una frontera que ni siquiera el sonido puede atravesar. Este horizonte acústico se consideró durante mucho tiempo una ondulación congelada en el agua.

Una goma elástica que se estira en direcciones opuestas no se comporta como una hoja de papel entera. Si tiras de un extremo, la deformación no se propaga uniformemente, sino que parece retenerse en ciertas zonas.

Para entender cómo surgió el Universo a partir del Big Bang, los físicos recurren a la idea de expansión de Georges Lemaître, apoyada en las leyes de Hendrik Lorentz.

Si dos personas miran una ciudad desde colinas diferentes, sus mapas no coinciden. Uno ve la torre a la izquierda del río, el otro a la derecha. Pero ambos saben que la ciudad es una sola. Más o menos así funciona nuestro universo en el nuevo enfoque de la gravedad cuántica. Los autores del trabajo proponen distinguir dos "tipos" de espacio-tiempo.

Una gota de crema cae en una taza de café y, en un minuto, toda la bebida se vuelve beige. Este proceso de mezcla se puede medir: ¿cuánto hay que "remover" una distribución de partículas para convertirla en otra? En matemáticas, este enfoque se llama transporte óptimo, y la medida del esfuerzo, distancia de Wasserstein.