Ruptura espontánea de la simetría

Una membrana bien estirada, encerrada en un estuche estrecho, decide por sí sola dónde romperse. Así ocurre con la célula: cuando está apretada, el punto de ruptura se desplaza del centro y las dos mitades resultan desiguales. Antes se pensaba que tal asimetría estaba predeterminada por marcadores químicos, pero el nuevo trabajo muestra que la mecánica por sí sola es suficiente.

En una cadena montañosa hay senderos que se pueden contraer a un punto si se camina por un valle llano. Y hay rutas circulares que no se pueden encoger sin cruzar una cresta.

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.

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.

En algunas teorías cuánticas, las simetrías se entrelazan de manera inusual, como si un castillo tuviera dos llaves, pero girar una desplazara ligeramente la otra. Estas simetrías entrelazadas se denominan 2-grupos. Una de ellas es ordinaria y actúa sobre partículas puntuales (0-forma); la otra es «lineal» (1-forma) y gobierna objetos extendidos como cuerdas o líneas.

En algunas teorías cuánticas, las simetrías se entrelazan de manera inusual, como si un castillo tuviera dos llaves, pero girar una desplazara ligeramente la otra. Estas simetrías entrelazadas se denominan 2-grupos. Una de ellas es ordinaria y actúa sobre partículas puntuales (0-forma); la otra es «lineal» (1-forma) y gobierna objetos extendidos como cuerdas o líneas.

Una cuerda de guitarra pulsada exactamente en el centro solo produce armónicos impares. La misma prohibición se aplica en cristales simétricos: cuando la luz arranca electrones, la radiación resultante contiene solo armónicos impares. Pero los físicos han encontrado una manera de eludir esta restricción. Y sin mover un solo átomo.

Una ladera de montaña después de una nevada parece una acumulación caótica de nieve. Pero basta con medir las irregularidades y resulta que los cambios de altura obedecen a una matemática estricta. modelado estocástico aquí no es del todo aleatorio.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

Un agujero negro sentado sobre una delgada membrana universal (la brana) se asemeja a una bola pesada que estira una lámina elástica. En la física clásica es calvo: solo masa, carga y rotación.

Los neutrinos recuerdan a bailarines invisibles que cambian de máscara en pleno salto. Los tres tipos de estas partículas —el neutrino electrónico, el muónico y el tau— se transforman constantemente entre sí. Esta danza se describe mediante una compleja matriz de mezcla, y los físicos llevan tiempo intentando descomponerla en movimientos simples.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

El mundo cuántico a menudo se compara con un instrumento musical. Cada sistema, ya sea un átomo o una cadena de partículas, suena en sus propias frecuencias, que los físicos llaman niveles de energía. En los sistemas caóticos, como en una orquesta sin director, estas frecuencias suelen llenar todo el rango disponible sin huecos.

Los músicos de una orquesta tocan cada uno su parte sin escuchar a los demás. En un cristal perfecto de disulfuro de tungsteno sobre grafeno, los excitones —pares ligados de electrón y hueco— se comportan igual: apenas se mezclan debido a una simetría oculta llamada simetría de valle.

En el agua enfriada a –40 °C ocurre una pausa paradójica: el hielo hexagonal perfecto no tiene prisa por nacer. En lugar de eso, se forma una estructura desordenada con incrustaciones de capas cúbicas: una verdadera cuna para la simetría futura, llena de desorden pero ya cargada con una arquitectura oculta.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

En el mismísimo comienzo del universo, cuando todo el espacio estaba comprimido en un punto, las leyes de la física dejan de funcionar. Ese punto se llama singularidad: un borde donde nuestras ecuaciones pierden sentido. Pero, ¿y si no fuera un final, sino un tipo especial de frontera? Los autores del trabajo propusieron ver la singularidad como una frontera libre.

Dos nubes de átomos ultrafríos, casi inmóviles a temperaturas de unos pocos nanokelvins, se mezclan en una trampa. Una nube está formada por átomos ligeros, la otra por átomos pesados. Se empujan entre sí de manera diferente.

En el universo joven y caliente, como en una sala de baile abarrotada, giraban los monopolos magnéticos — partículas solitarias que portan solo el polo norte o solo el polo sur. En un imán común, los polos siempre van en pares, pero aquí cada uno va por su cuenta.

El núcleo atómico se parece a un autobús lleno de gente. Para liberar espacio, un grupo de dos protones y dos neutrones —el núcleo de helio, la partícula alfa— sale por la puerta delantera: es la desintegración alfa, descrita por George Gamow como un túnel bajo la barrera de energía.

Una orquesta sin director. Cada músico no solo escucha a su vecino, sino también los ecos de todo el escenario. Así es más o menos la idea del campo de Higgs no local: una partícula 'siente' lo que ocurre no en un punto, sino en toda una región del espacio. En la imagen habitual, la masa surge cuando las partículas atraviesan el omnipresente campo de Higgs, como una cuchara en la miel.

El pesado núcleo atómico de californio-252 puede desintegrarse espontáneamente en dos fragmentos grandes, algo parecido a una gota de agua que revienta. Pero dentro de esa gota actúan las leyes cuánticas, y cada fragmento adquiere su propia rotación: el espín.

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.

Una cadena infinita de átomos espaciados uniformemente. Desplaza toda la cadena un paso y la imagen no cambia. Esto es la simetría traslacional: el mundo se ve igual en cualquier dirección. Parecería que una regla tan simple debería generar estados simples, como una red cristalina ensamblada con bloques idénticos. Pero los autores recontaron esos bloques.

Sobre la mesa hay un vaso de agua. Para cada molécula, todas las direcciones son equivalentes: no distingue el norte del sur. Esto es simetría. Pero si se congela el agua, las moléculas se alinean en una red de hielo y la simetría se rompe: aparece una dirección privilegiada. El mundo cuántico sabe romper la simetría de manera más astuta.

Cuando una sopa caliente se enfría, aparecen grumos en la superficie; de manera similar, el universo temprano, al enfriarse, generaba filamentos de energía: las cuerdas cósmicas. Algunas se asemejan a una goma elástica tensada: mientras está intacta, es estable. Pero si cortas la goma, se rompe.

Lanza una piedra a un estanque: las ondas se expanden cambiando la escala de la onda. Más o menos así funciona la nueva teoría: dota a cada partícula de su propio 'círculo de escala', y es precisamente esa curvatura del espacio invisible la que resulta ser la fuente de la masa.

En la física de partículas elementales se ha asumido durante mucho tiempo que las fuerzas de la naturaleza —el electromagnetismo, la interacción débil y la fuerte— obedecen a una simetría estricta llamada simetría gauge. Es como un conjunto de reglas según las cuales las partículas intercambian portadores de fuerza. Pero, ¿de dónde surgen las reglas mismas?

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero si la piedra es muy pequeña y el agua no es del todo común, las ondas la atraviesan sin siquiera darse cuenta. Algo así ocurre con las vibraciones sonoras en el helio superfluido: a energías extremadamente bajas, se filtran a través de los obstáculos como si no existieran.

Diminutos imanes en una red, el clásico modelo de Ising, suelen describir cómo los vecinos se influyen entre sí. Pero, ¿qué ocurre cuando el sistema es observado de cerca? Cada medición de la energía de un enlace es como una mirada que obliga a los imanes a 'decidir' su estado.

Una pompa de jabón con electricidad atrapada en su interior y paredes hechas de un campo invisible: así se ve aproximadamente un agujero negro con 'pelo resonante'. No es pelo real, sino una nube de campo escalar que se mantiene alrededor del agujero gracias a sus propias interacciones.

Una orquesta sin director toca y, de repente, sin una orden visible, los violines empiezan a sonar más fuerte y los instrumentos de viento se desplazan ligeramente en el tiempo. Desde fuera parece que nada ha cambiado, pero dentro del conjunto se ha producido una reorganización. Algo parecido ocurre en los sistemas físicos pequeños durante las llamadas pseudotransiciones de tercer orden.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor suben y estallan. En el mundo cuántico de un líquido superfluido, las burbujas se comportan de otra manera: pueden colisionar y engendrar vórtices, diminutas corrientes arremolinadas parecidas a remolinos en un río. Los científicos modelaron ese líquido con un enfoque holográfico.

Un puñado de monedas cae sobre la mesa. Mientras giran, cada una puede caer cara o cruz: eso es la incertidumbre cuántica. Pero en cuanto caen, la imagen se vuelve definida, clásica. Así, aproximadamente, el ruido destruye el orden cuántico y lo convierte en desorden ordinario.

Una balanza con pesas idénticas, pero un platillo siempre pesa más. En el mundo de las partículas elementales, ese desequilibrio se llama violación de la simetría CP: las partículas y sus gemelos especulares (las antipartículas) se comportan de manera ligeramente diferente.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

El cristal de seleniuro de bismuto (Bi₂Se₃) es simétrico por sí mismo, como un sándwich bien preparado: dale la vuelta y nada cambia. Pero basta con girar ligeramente una capa respecto a la otra para que la simetría se rompa. El material comienza a 'sentir' de qué lado llega la luz y responde con una corriente eléctrica.

Una multitud se mueve libremente por la plaza, pero de repente se congela en su sitio, sin cambiar su disposición. Cada persona permanece donde estaba, pero el movimiento cesa. Así es exactamente una transición con generación de masa simétrica: el sistema adquiere rigidez, pero su simetría permanece intacta.

La luz recorre la habitación, se refleja en los espejos y las paredes. El vacío entre ellos parece completamente neutro: no estorba al rayo ni curva su trayectoria. Pero, ¿y si en los cimientos más profundos del mundo el vacío estuviera estructurado de forma más compleja?