dilatación del tiempo

Dos corredores parten en una pista con pendiente variable. Uno sale antes, el otro después, y el juez mide sus velocidades sin saber que hubo diferencia en la salida. Algo parecido ocurre con las variantes del virus: los datos llegan con retraso, y si esos retrasos no son iguales, la estimación de la ventaja competitiva puede ser gravemente errónea.

Dos corredores parten en una pista con pendiente variable. Uno sale antes, el otro después, y el juez mide sus velocidades sin saber que hubo diferencia en la salida. Algo parecido ocurre con las variantes del virus: los datos llegan con retraso, y si esos retrasos no son iguales, la estimación de la ventaja competitiva puede ser gravemente errónea.

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.

Una piedra lanzada al agua pierde velocidad rápidamente. Un meteoro que entra en la atmósfera debería comportarse igual: el aire lo frena y la fricción quema su material. Pero las cámaras de la red Global Fireball Observatory han capturado durante diez años cientos de bólidos brillantes que atraviesan el cielo casi sin desacelerar.

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.

El velocímetro de una galaxia se dispara. Las estrellas exteriores giran tan rápido que, según todas las leyes de la gravedad, deberían salir despedidas, como salpicaduras de una rueda.

A veces, el agua caliente se congela más rápido que la tibia; este hecho extraño se conoce como efecto Mpemba. Ahora, algo similar se ha encontrado en el mundo cuántico: un estado con entrelazamiento débil (un vínculo cuántico especial entre partículas) puede adelantar a uno más entrelazado en el camino hacia la meta.

El mundo cuántico no perdona el olvido. Tira una piedra a un estanque: las ondas se expanden y desaparecen, la información sobre la caída se dispersa sin dejar rastro. En mecánica cuántica es distinto: la evolución del sistema es reversible y el pasado nunca se borra del todo.

El tictac de un reloj atómico se parece al golpe de un metrónomo, solo que en lugar de un péndulo, son las oscilaciones de los electrones en un átomo. Dos de estos relojes, uno con un ion de iterbio y otro con átomos de estroncio, se hicieron sonar juntos y se compararon sus ritmos. Las mediciones duraron casi dos años.

El cronómetro más preciso del mundo todavía funciona mirando de reojo a un viejo péndulo. Los máseres de hidrógeno —los mejores «volantes de inercia» de radiofrecuencia (dispositivos que mantienen el ritmo entre las comparaciones con el patrón)— acumulan error porque el ruido entre cuentas se filtra en la señal final.

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.

Un cúmulo globular —un denso enjambre de cientos de miles de estrellas— atraviesa la galaxia como una bala perfora el agua. En materia oscura ordinaria (esa masa invisible que mantiene unidas a las galaxias), debería perder velocidad rápidamente debido a la fricción dinámica.

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 agua caliente a veces se congela más rápido que la fría. Del agua hirviendo se forma hielo antes. Esta paradoja, descubierta por el estudiante Erasto Mpemba, inquietó durante mucho tiempo a los físicos. Resultó que cuanto más lejos está un sistema del equilibrio, más rápido lo alcanza. El efecto Mpemba sigue siendo controvertido: hay demasiadas variables y es difícil de reproducir.

Una piedra cae en aguas tranquilas y se extienden círculos por la superficie. Algo parecido le ocurre a un agujero negro cuando algo cae en él o cuando se fusiona con otro. El agujero comienza a oscilar y esas oscilaciones se escapan al espacio en forma de ondas gravitacionales. Los astrofísicos llaman a este proceso el «tañido» del agujero negro.

En 1888, Vincent van Gogh se cortó el lóbulo de la oreja. Biógrafos y psiquiatras siguen intentando explicar ese acto. Pero los matemáticos abordaron el enigma de otra manera: midieron cómo cambiaban los sentimientos del artista en sus cartas y cómo crecía la «nerviosidad» de sus pinceladas, y vieron una señal clara de la desgracia que se avecinaba. Un columpio al que empujan normalmente oscila y se calma rápido.

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.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo se desvía: este es el efecto de lente gravitacional, conocido por las imágenes de galaxias lejanas. Los astrofísicos tomaron como base un agujero negro en rotación (el espacio-tiempo de Kerr) y añadieron una pequeña corrección a la forma en que se propaga la propia luz.

Cuando dos estrellas de neutrones giran una alrededor de la otra, sus cuerpos no permanecen como esferas rígidas. La gravedad de la compañera estira cada estrella, creando protuberancias de marea, de manera similar a como la Luna eleva el agua en los océanos de la Tierra.

Imagina a un bailarín de tres rostros en la cresta de una ola de luz. Un rostro es el receptor, absorbiendo los fotones incidentes. Otro, un espejo perfecto que devuelve la luz. El tercero, un vidrio esmerilado que dispersa los rayos en todas direcciones. A baja velocidad, la danza es armoniosa. Pero a velocidades relativistas, la coreografía se desmorona.

Una orquesta sin director: cada músico solo escucha al vecino y se retrasa o se adelanta un poco. En los relojes atómicos ordinarios ocurre algo parecido: los átomos oscilan, pero su ritmo se desajusta debido al temblor térmico, y la precisión del tictac queda limitada. Sin embargo, un grupo de físicos ha logrado convertir este defecto en una virtud.

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 detector común de fotometría no distingue un fotón izquierdo de uno derecho. Pero en cuanto empieza a moverse, todo cambia. Un barquero rema entre dos flautistas que tocan la misma nota. Su oído está ajustado estrictamente a ella y es sordo a todas las demás alturas. Debido al movimiento, la melodía delante se vuelve más aguda y la de detrás más grave.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas que se expanden en todas direcciones. Ahora imagina que el estanque se convierte de repente en gelatina, y lo hace instantáneamente, más rápido de lo que tarda la onda en completar una cresta.

Coloca dos despertadores idénticos sobre una mesa y ponlos en marcha a la vez. Si uno de ellos se encuentra sobre una superficie resbaladiza y empieza a deslizarse lentamente, su marcha se alterará y, al cabo de un minuto, sonarán desincronizados. Más o menos así funciona el nuevo método propuesto por astrofísicos para los agujeros negros supermasivos.

Fotografiar los alrededores de un agujero negro es como grabar una fuente: una exposición corta congela las gotas, una larga las funde en rayas borrosas. La luz del gas incandescente que gira alrededor del agujero viaja hasta nosotros por caminos diferentes. Algunos rayos lo rodean en un arco, otros dan varias vueltas debido a la curvatura del espacio.

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.

En los sótanos de cuatro institutos europeos había siete dispositivos, cada uno comparable a un diapasón de precisión inimaginable. Solo que en lugar de sonido, emiten un «tictac» de luz: oscilaciones de un láser confinado a una frecuencia específica por átomos de espectroscopía de estroncio, iterbio o mercurio.

La luz viaja más rápido que nada en el universo, y esto no es solo un hecho, sino el fundamento sobre el que se asienta la relatividad general. Pero, ¿qué pasaría si mentalmente frenáramos la luz hasta convertirla en un paso de tortuga? Precisamente ese juego con las ecuaciones es lo que han hecho los autores de este nuevo trabajo.

Un flash fotográfico común dura milésimas de segundo. Un pulso de attosegundos es un billón de veces más corto: en el tiempo que dura, la luz recorre una distancia menor que el tamaño de un átomo.

La mano descansa sobre la mesa y llegan dos vibraciones cortas a la muñeca, una tras otra. Hay que decir cuál es más fuerte. La tarea parece simple, pero la respuesta depende de cuál vibración fue primero. Si la primera es débil y la segunda fuerte, la diferencia parece mayor que cuando se invierten.

Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.

Sobre la mesa hay un instrumento sensible: una balanza de torsión. Dos masas pesadas giran junto a una barra suspendida, y su atracción tiende a hacer girar esa barra. Pero las masas están dispuestas de modo que su atracción newtoniana ordinaria se cancela mutuamente: una tira hacia un lado, la otra hacia el opuesto. Solo queda un residuo débil, que es lo que capta el instrumento.

En los enormes aceleradores, las partículas atraviesan los detectores en milmillonésimas de segundo, y para distinguirlas entre sí se necesita un cronómetro de increíble precisión. El nuevo detector µRWELL-PICOSEC actúa como tal cronómetro: captura el momento del paso de una partícula con una precisión de 48 picosegundos, es decir, 48 billonésimas de segundo.

Un gravímetro atómico funciona como una balanza de precisión para la fuerza de gravedad: lanza una nube de átomos y observa con qué rapidez caen. Pero estos instrumentos tienen una interferencia oculta: la forma de la señal que emiten está ligeramente deformada.

Cuando un avión se aproxima al aterrizaje o un submarino navega a ciegas, el navegante necesita un instrumento que no pierda el hilo del movimiento. Los giroscopios convencionales basados en ondas atómicas son muy precisos, pero tienen una manía: la señal se repite como el patrón de un papel pintado, y después de medio paso el patrón empieza a parecer el mismo.

Un chorro de gas supersónico es como un flujo de autos en una autopista, donde algunos van más rápido que el sonido y otros apenas avanzan. Medir la velocidad de cada vehículo al instante y sin interferir con el tráfico es una tarea difícil.

Dos teléfonos con la misma batería: uno se carga en un sótano con poca señal y el proceso es más lento. El porcentaje de carga actúa como la manecilla del reloj. Los físicos trasladaron esta misma lógica al mundo cuántico. Su reloj es una batería microscópica que acumula energía.