teoría de cuerdas

Un agujero negro no es solo una esfera oscura. En la teoría de cuerdas, puede desarrollar 'pelo' — campos escalares adicionales, como el axión y el dilatón. Estos campos modifican suavemente la geometría del espacio alrededor del agujero.

Un agujero negro suena como una campana tras el golpe. Ese tañido son las ondas gravitacionales que captan los detectores. Pero, ¿qué cambia si el espacio alrededor del agujero está curvado no solo por su masa, sino también por una corrección cuántica adicional?

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.

Una fina hebra de plata, casi tan larga como el grosor de un cabello, y en ella habitan leyes cuánticas puras. Los físicos construyeron un conductor donde los electrones solo pueden moverse hacia adelante o hacia atrás, como en una carretera perfectamente recta de un solo carril y sin arcenes.

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.

La luz del comienzo del universo ha viajado hacia nosotros durante 13,8 mil millones de años. Durante ese tiempo, su polarización —la dirección de sus oscilaciones— podría haber sufrido un giro, como la aguja de una brújula que alguien gira imperceptiblemente. Los físicos llaman a este fenómeno birrefringencia cósmica.

Inmediatamente después del Big Bang, el espacio se enfrió de manera desigual. En algunos lugares pudieron formarse pliegues: hilos de energía increíblemente densos, finos como un cabello. Los físicos los llaman cuerdas cósmicas. Oscilan, chocan entre sí y emiten ondas gravitacionales: el temblor del propio espacio.

En las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, el universo fue un escenario de cambios vertiginosos. Una lámina de goma estirada que se enfría rápidamente se cubre de microgrietas. Un proceso similar a escala cósmica pudo dar origen a las cuerdas cósmicas: hebras de energía finísimas pero superdensas que se extendían por todo el universo.

El universo temprano se parecía a un océano que se enfriaba rápidamente. A temperaturas colosales, todo era uno: quarks, electrones, interacciones se fundían en un 'vapor' simétrico. Pero a medida que se expandía y enfriaba, ese vapor se condensaba, y las transiciones de fase se sucedían como el agua que se convierte en hielo.

Si pulsas una cuerda de guitarra, vibrará y se apagará rápido. Ahora imagina una cuerda cósmica: un hilo finísimo de energía pura, remanente del Big Bang, un billón de veces más delgado que un átomo y más denso que una estrella de neutrones. Si la golpeas, podría cantar durante miles de millones de años.

La gravedad cuántica se parece a la contabilidad: cada trayectoria posible es una anotación en el libro mayor, y para hacer el balance hay que sumarlas todas.

Durante mucho tiempo, identificar fases cuánticas era como interrogar a un testigo: había que acceder a cada rincón del sistema para arrancarle su secreto. En la época de Landau, el orden se asociaba con la ruptura de simetría y un parámetro local, todo a la vista.

Desde que Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se movían demasiado rápido, y Vera Rubin midió la rotación de los brazos espirales, la materia oscura sigue siendo el principal enigma de la cosmología.

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.

El cuadro del universo, que conocemos por los libros de texto de Einstein, es un lienzo suave de cuatro dimensiones. Pero la teoría de cuerdas añade un marco de dimensiones adicionales, invisible pero tangible para la gravedad. Imagina nuestro Universo como una membrana que tiembla bajo la presión de capas ocultas.

Desde pequeños nos acostumbramos a pensar que el espacio es infinito e isótropo. Pero Einstein y Lemaître ya se preguntaban: ¿no estará el Universo cerrado sobre sí mismo, como una cinta de Möbius o un toro tridimensional?

La teoría de supercuerdas intenta describir todo lo que existe como vibraciones de hilos increíblemente pequeños. Pero incluso estos hilos tienen su propia contabilidad. Cuando los físicos calculan la energía del espacio vacío, tienen que repasar todos los estados posibles de la cuerda, como un cajero que debe pasar por caja cada artículo de un hipermercado gigante.

En el microcosmos, las fuerzas de largo alcance —la gravedad o la electricidad— no se apagan ni siquiera a distancias enormes. Por eso, cualquier partícula arrastra una estela de fotones o gravitones suaves (es decir, de muy baja energía). A esta estela se la llama «vestido»: sin ella, los cálculos se desmoronan y aparecen infinitos.

Cuando una galaxia lejana nos envía su luz, esta se atenúa con la distancia — y por esa atenuación podemos saber a qué distancia se encuentra. Más o menos así funcionan las ondas gravitacionales: cuanto más lejos está su fuente, más débil es el temblor del espacio que captan los detectores en la Tierra.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Es una región con una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Pero si lo colocamos en un fluido ideal de materia oscura y le añadimos una nube de cuerdas —finos hilos tensados a lo largo de todo el espacio—, el panorama se complica.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas en el agua. De manera similar, un agujero negro «suena» cuando cae materia en él o cuando su espacio-tiempo se sacude ligeramente. Estas oscilaciones amortiguadas se denominan modos cuasinormales, como el tañido de una campana que se va apagando poco a poco.

Una cuerda de guitarra está tensa entre dos espejos. Un haz de luz rebota entre ellos, reflejándose de un lado a otro, y la cuerda vibra con cada roce. A veces la luz pierde energía — la cuerda se la queda y la disipa en calor, como un sonido que se apaga. Otras veces la cuerda cambia el tono de la propia luz, desplazando su color, pero casi sin atenuarla.

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 universo temprano se parecía a una banda elástica bien estirada. En algunas teorías, esa banda no es solo el espacio, sino enormes cuerdas vibrantes cuya tensión hacía que el mundo se expandiera a una velocidad inimaginable.

Una alfombra intrincada con un patrón invisible al ojo, pero estricto. Cada hilo obedece reglas que pueden escribirse con ecuaciones. En matemáticas, el papel de esa alfombra lo desempeñan los espacios de Calabi-Yau: figuras multidimensionales importantes para la teoría de cuerdas. Las curvaturas del espacio-tiempo en ellos recuerdan a los pliegues de una tela.

Justo después del Big Bang, en el caldero burbujeante del universo en enfriamiento, como en un vidrio que se solidifica de forma desigual, surgieron tensiones: las más finas grietas de la realidad, las cuerdas cósmicas.

Dos piedrecitas caen al agua y los círculos en la superficie se cruzan, mezclando sus patrones. Algo parecido hacen los neutrinos: partículas ligeras que nos atraviesan por miles de millones cada segundo. Son capaces de transformarse de un tipo a otro, como un actor que cambia de máscara. A esta danza los físicos la llaman oscilaciones.

El espacio-tiempo a menudo se representa como una tela lisa. Pero en el nivel más microscópico, esta tela podría no ser continua, sino estar formada por "átomos" individuales: eventos conectados por causalidad. Esta imagen del mundo se llama teoría de conjuntos causales.

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.

Golpea una campana y sonará. Pero el sonido no será cualquiera: la campana elige las notas para las que está afinado su metal. Resulta que un agujero negro se comporta igual. Cuando algo cae en él o su espacio-tiempo se curva, empieza a oscilar.

Una cuerda cósmica que fue pulsada en el momento del Big Bang no solo zumba en una sola nota: por ella corren ondas y, de vez en cuando, se desprenden diminutos bucles. Estos bucles, como diapasones, comienzan a vibrar en su propia frecuencia, produciendo un sonido muy agudo.

La luz antigua, que viaja desde hace 14 mil millones de años, nos llega de todas direcciones. A simple vista parece perfectamente uniforme, pero al mirar con atención emergen minúsculas fluctuaciones, como ondas en una película lisa. Esas ondas no son ruido aleatorio, sino una crónica cifrada del universo.

A diferencia del Modelo Estándar, donde las partículas son puntos, la teoría de cuerdas las describe como diminutas hebras vibrantes. Sus vibraciones generan todas las fuerzas, incluida la gravedad, que en este marco es la curvatura del espacio-tiempo.

Una cuerda de guitarra decide por sí misma cuánto tensarse cuando el músico toca un acorde en diferentes octavas. Algo así es lo que dibujan los físicos cuando intentan unir la gravedad —la fuerza más débil, pero omnipresente— con las extrañas leyes del micromundo.

Las cuerdas en física no solo vibran: viven en un espacio que puede cambiar sus propiedades. A veces, sobre ese espacio se superponen campos adicionales, como líneas de fuerza invisibles.

El principio de equivalencia débil, verificado tácitamente desde los tiempos de Galileo y convertido en la base de la relatividad general, afirma que todos los cuerpos caen igual, independientemente de su composición interna.

Durante mucho tiempo, la energía oscura — esa fuerza misteriosa que impulsa la expansión del Universo — se consideró eterna e inmutable, como una levadura que nunca pierde su poder. Pero no se lograba explicar esa constancia mediante las leyes del micromundo, y los científicos comenzaron a sospechar que esta «levadura» podría estar perdiendo fuerza.

El núcleo de una estrella de neutrones puede compararse con una cuerda tensa de densidad supernuclear. El sonido que la recorre son las oscilaciones de presión, cuya velocidad $$c_s$$ revela la rigidez de la materia. Un nuevo estudio muestra que esta cuerda cósmica no vibra de forma monótona.

Un agujero negro suele representarse como un abismo con un límite sin retorno. Para salvar la información, que según las leyes cuánticas no puede desaparecer, los físicos reemplazaron ese límite por un ovillo peludo de cuerdas microscópicas. Los datos que caen quedan impresos para siempre en sus hilos entrelazados.

El espacio-tiempo a veces se parece a una hoja de papel en la que se puede hacer un agujero y unir los bordes con un tubo corto: se obtiene un agujero de gusano. En los modelos matemáticos más simples de estos agujeros aparecen campos escalares sin masa, algo así como una niebla invisible que lo llena todo.