efecto Unruh

Un detector cuántico es como un péndulo sensible suspendido en el espacio vacío. Si una onda gravitatoria abrupta pasa cerca, uno esperaría que el péndulo se balanceara. Pero el cálculo muestra algo distinto: la onda no lo agita, sino que amortigua las oscilaciones ya existentes.

Un agujero negro atrapa todo lo que se acerca demasiado. Pero si en lugar de un solo objeto lanzas un par, uno de ellos puede salir disparado de vuelta, llevándose parte de la energía de rotación del agujero. Este truco, ideado por Roger Penrose en 1969, funciona solo porque el agujero negro tiene un horizonte: el límite del cual nada regresa.

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.

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.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad enorme. Este proceso se llama inflación, y la fuerza motriz es el campo del inflatón. Su energía empujaba el espacio, como la levadura hace subir la masa. Pero los físicos sospechan que en la masa podrían haber quedado “burbujas”: partículas superpesadas nacidas de la propia expansión.

Una olla de agua hirviendo está cubierta con dos tapas: una interior y otra exterior. El termómetro bajo cada una muestra su propia temperatura, pero su media armónica (un modo especial de promediar en el que se suman los inversos) permanece siempre invariable. El calor parece obedecer una regla invisible.

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.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

Un agujero negro enfriado casi hasta el cero absoluto se asemeja a un instrumento musical con un único conjunto de notas posibles. Golpéalo y no responderá con cualquier sonido, sino solo con un conjunto estrictamente definido de frecuencias.

En una habitación, el aire toca la piel y sentimos su temperatura. Pero si el cuerpo de repente se lanzara con una aceleración colosal, el calor llegaría incluso desde el vacío absoluto.

Un agujero negro no es eterno. Incluso en el vacío total, pierde energía lentamente: este proceso se conoce como radiación de Hawking. Los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos crean pares de partículas, una de las cuales escapa, llevándose masa del agujero.

El Universo se enfriaba como una bañera gigante después de un comienzo caliente. Unos 400 000 años después del Big Bang, el hidrógeno ya estaba listo para recombinarse — los protones atrapaban electrones para formar átomos neutros. Pero en algún lugar de esa agua oscura seguía goteando un grifo.

Un intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una hora de reunión se convierte en dos. Algo así es como el ruido térmico interfiere con la teletransportación cuántica: las partículas portadoras pierden la sincronía y el mensaje se corrompe.

Si aceleramos a un observador hasta velocidades cercanas a la de la luz, el vacío que lo rodea deja de ser frío. Aparece un resplandor térmico: un efecto predicho en 1976 y bautizado en honor a William Unruh. Para aceleraciones terrestres, este resplandor es increíblemente débil, como un susurro en un concierto de rock.

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.

La materia oscura no se ve con telescopios, pero su gravedad fue revelada hace medio siglo por Vera Rubin.

El vacío cuántico no es un vacío absoluto. Es más bien una membrana tensa que oscila constantemente debido a partículas invisibles que nacen y desaparecen. Incluso en la oscuridad total, esa membrana tiembla. Los físicos decidieron observar cómo se comporta alrededor de una cáscara esférica delgada, dentro de la cual hay un espacio plano ordinario, como el de nuestra habitación.

El efecto Mpemba es un enigma: el agua caliente a veces se congela más rápido que la tibia. Normalmente se relaciona con cómo el agua pierde calor y entropía (medida del desorden). Pero en un vaso de agua, el caos impide un modelo preciso. Los físicos construyeron un modelo cuántico: una partícula en un pozo con dos huecos separados por una barrera.

Un gas que pasa por una válvula estrecha puede calentarse o enfriarse: es el efecto Joule-Thomson, en el que se basan los refrigeradores y los licuadores de aire. Resulta que los agujeros negros también pueden comportarse así.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros supermasivos. Uno de ellos, Sagitario A*, en el corazón de la Vía Láctea, se ha convertido en un banco de pruebas para una nueva idea. Los autores del trabajo tomaron la gravedad einsteiniana y le añadieron un campo electromagnético inusual.

Un agujero negro se parece a una habitación perfectamente oscura: desde fuera no se ve lo que hay dentro, y quien cruza el umbral parece desaparecer para el mundo exterior. Pero, ¿qué siente el propio observador en caída? En la física clásica, nada especial: el horizonte de sucesos no está marcado con ningún cartel.

La radiación de fondo no es sólo un tenue resplandor con una temperatura de 2,7 K. Es una fotografía del universo 380 000 años después del Big Bang, cuando el plasma primordial finalmente se volvió transparente a la luz. Pero para los físicos teóricos es mucho más interesante lo que ocurrió antes.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

Las observaciones del James Webb mostraron que ya 500 millones de años después del Big Bang (con corrimientos al rojo z~10), en el universo brillaban agujeros negros con masas de miles de millones de soles.

La historia comenzó con la escasez de masa. En los años 1930, Fritz Zwicky, midiendo velocidades en cúmulos de galaxias, fue el primero en sospechar la presencia de materia invisible. Más tarde, Vera Rubin mostró que los bordes de las galaxias espirales giran demasiado rápido para la materia visible.

El vacío nunca está completamente vacío. En un espacio curvo —por ejemplo, en un universo en expansión o cerca de un agujero negro— el vacío se calienta. Esto recuerda a la situación en la que la aceleración hace que las partículas aparezcan como de la nada: un fenómeno conocido como radiación térmica del vacío.

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.

La materia oscura es el armazón invisible que sostiene a las galaxias. Pero, ¿cómo apareció exactamente? La respuesta estándar es que las partículas de materia oscura dejaron de colisionar y se "congelaron" en la cantidad que vemos hoy. Sin embargo, hay un camino más astuto: el UFO, o congelamiento ultrarrápido.

El vacío no es tan vacío como parece. Si un observador se mueve con aceleración, el vacío a su alrededor se calienta: esto lo predijo William Unruh ya en los años 1970. El efecto es similar a la radiación de un agujero negro, pero en un espacio plano.

Dos agujeros negros giran en una danza lenta, acercándose gradualmente. Su movimiento perturba el propio espacio-tiempo, como si dos bolas pesadas rodaran sobre una sábana tensa, haciéndola vibrar. A estas vibraciones las llamamos ondas gravitacionales.

Una hoguera no se consume de inmediato. Si miras las llamas en un instante al azar, solo ves un revoltijo de lenguas de fuego, y nunca podrías saber qué se ha quemado: una rama mojada, una revista vieja o un montón de hierba seca. Pero si observas la hoguera hora tras hora, en su danza aparecen ritmos: un aumento del calor, una pausa, un cambio de color. Esos ritmos cuentan qué se arrojó al fuego.

Un agujero negro ordinario es como una estufa que calienta más cuanto menor es su masa. Un agujero diminuto debería incandescer a temperaturas inimaginables y evaporarse al instante.

El vacío cósmico no es el vacío, sino un océano vivo: su energía se hincha y mengua al compás de la expansión. Como una marea lunar, la densidad del vacío responde con sensibilidad al ritmo de Hubble —la batuta del Universo—.

Durante casi un siglo, los cosmólogos se han enfrentado al enigma: ¿qué provoca que el Universo se expanda cada vez más rápido? La respuesta convencional — la energía oscura — genera una discrepancia colosal entre la densidad de vacío teórica y las observaciones. Pero existe otro camino que invierte la causalidad.

El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá. Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.

Un rayo de luz se acerca a un agujero negro no de frente, sino en trayectoria tangencial. Si el ángulo es perfecto, la luz no cae hacia adentro ni escapa: empieza a enrollarse en círculos, como un patinador que gira en el borde de un embudo. Esta estrecha pista es el anillo de fotones.

Dos antenas en una habitación insonorizada solo captan ruido. Pero si empiezas a girarlas —especialmente en direcciones opuestas— entre el ruido emerge una señal común.

Un agujero negro es un bolsillo cósmico en el que cae todo, incluso la luz. Pero los trabajos pioneros de John Wheeler, Stephen Hawking y Roger Penrose mostraron que a veces, debido a la colosal curvatura del espacio-tiempo, el bolsillo se…

Si se acelera una de cuatro partículas entrelazadas hasta una velocidad enorme, su entrelazamiento cuántico no simplemente se desvanece: primero se debilita y luego se fortalece de nuevo.

Una tetera común: la calientas, sube la temperatura y con ella el desorden molecular, sale vapor. Pero en el laboratorio crearon una «tetera» inusual: un agujero negro analógico hecho de circuitos superconductores enfriados al límite.