partícula virtual

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo experimentó una expansión vertiginosa: la inflación. El espacio se estiró más rápido que la luz, y las fluctuaciones cuánticas del vacío se convirtieron en partículas reales.

Una piedra cae en aguas tranquilas y, sobre la superficie, se extienden anillos perfectos. Si la piedra no solo cae, sino que además gira, aparecen pequeños remolinos: vórtices. La luz sabe hacer lo mismo, solo que en lugar de agua, el medio es el propio espacio-tiempo.

Agua hirviendo en una olla: por ahí hay que empezar. Las burbujas de vapor suben, estallan y la superficie se calma. Más o menos así, en los primeros instantes de la vida del universo, podría haberse comportado un campo especial que llenaba el espacio: en él se inflaban y chocaban burbujas de una nueva fase, como islotes de vapor en un líquido.

Un globo se infla y los puntos de su superficie se separan unos de otros. Más o menos así se expande nuestro universo. El modelo matemático de este proceso se llama espacio de Sitter: en él los científicos estudian cómo se comportan los diminutos «ladrillos» de la materia, las partículas elementales.

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.

La carga eléctrica no es como un número grabado en piedra. En el vacío que rodea a cualquier partícula cargada, constantemente se crean y aniquilan pares de partícula-antipartícula, algo así como la espuma en una copa de champán.

El vacío cuántico no es un vacío muerto, sino un caldero hirviente de probabilidades. En algunas teorías, nuestro universo está congelado en un estado metaestable: como agua sobrecalentada, lista para explotar en vapor con un solo empujón.

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.

Después del Big Bang, el universo pudo haber quedado atrapado en un falso vacío, un estado temporal como una burbuja de jabón lista para reventar. Una rara burbuja de vacío verdadero podría entonces estallar, estirando el espacio en un abrir y cerrar de ojos.

Un constructor no comprueba la resistencia de un arco repasando mentalmente todas sus formas posibles, sino desplazándolo ligeramente en su imaginación y viendo cuánta fuerza se gasta en ello. Así funciona aproximadamente el principio del trabajo virtual en mecánica.

Un vaso vacío sobre la mesa parece confiable. Pero si en el fondo hay una microfisura, algún día se romperá, no con estrépito, sino silenciosamente, agrietándose en una telaraña de líneas. Así también el vacío: puede no ser verdadero, sino falso, temporalmente estable pero listo para transitar a un estado más profundo y real.

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.

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.

Los astrónomos construyen mapas de galaxias y escuchan el susurro radial del hidrógeno neutro. La señal es tan débil que incluso un televisor encendido la ahogaría, pero antenas sensibles la captan desde las profundidades del Universo.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

La transferencia de energía en la fotosíntesis se parece a un tobogán: se hunde bajo el peso de uno, cambiando el camino para el siguiente. Así sucede en la hoja: el estado excitado de una molécula reconfigura instantáneamente el «paisaje» de las vecinas. Los físicos reproducen este efecto con iones suspendidos en una cámara trampa al vacío.

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.

La nada cuántica se asemeja al agua en una olla justo antes de hervir. De vez en cuando, surge espontáneamente una burbuja, pero no de vapor, sino de un universo entero. Esta burbuja no colapsa, sino que se expande en el espacio-tiempo, desencadenando su propio Big Bang. La cuestión es con qué frecuencia ocurre esto.

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.

Cuando un campo eléctrico alcanza una fuerza monstruosa, el vacío deja de estar vacío. Ya a mediados del siglo pasado, Julian Schwinger demostró que el vacío literalmente estalla en pares de partícula-antipartícula si el campo es suficientemente intenso.

El universo primigenio se asemejaba a un globo que se infla rápidamente: se expandía tan deprisa que la luz no podía alcanzar sus propios bordes. Luego, esa frenética aceleración dio paso a una expansión tranquila. Dejaron de inflar el globo y este comenzó a desinflarse lentamente.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

Un puñado de granos de arroz cae en una sartén caliente y empiezan a saltar. Cada grano empuja a sus vecinos, y todo el montón se agita sin que nadie lo toque. Eso es la materia activa: una multitud de partículas que extraen energía por sí mismas y la convierten en movimiento.

Según el Modelo Estándar, el vacío no está vacío, sino que es un océano de partículas virtuales fantasmales. Un campo electromagnético superintenso, como una tormenta, arranca pares de electrones y positrones hacia la realidad.

Una molécula de deuterio, formada por dos átomos de hidrógeno pesado, se desintegra al recibir el impacto de un láser. Un electrón es arrancado, dejando tras de sí un ion. En ese momento, ambos siguen vinculados: la dirección de uno revela de inmediato hacia dónde fue el otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico.

El vacío no es un silencio hueco, sino un caldero burbujeante de fluctuaciones cuánticas que nacen de la nada y desaparecen en milmillonésimas de segundo. Esta sinfonía invisible actúa como un viento constante que presiona el átomo contra la pared: como un potente bajo que empuja una pelota ligera.

El vacío cuántico no es un vacío, sino una cuerda tensa donde las partículas aparecen y desaparecen sin cesar. Un cambio brusco de condiciones —por ejemplo, el desplazamiento de los espejos de un microresonador— hace que la “cuerda” emita fotones reales.

En helio enfriado casi hasta el cero absoluto, el líquido deja de rozarse consigo mismo y fluye sin resistencia alguna.

Justo después del Big Bang el Universo era como una sopa burbujeante: del vacío emergían y se hundían pares de partículas y antipartículas. Pero la brusca expansión — época descrita por Alan Guth y Andrei Linde — selló esa olla con una tapa.

Un montón de nieve crece siguiendo reglas estrictas: los copos que caen crean irregularidades, estas atraen más nieve y los bultos se hacen más grandes. Esta misma matemática describe el crecimiento de las ciudades, los patrones en la corteza de los árboles, las ondas en el agua y las acumulaciones de polvo cósmico.

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.

Un resorte comprimido al máximo se rompe. Así, la teoría clásica de la gravedad lleva a una singularidad, el punto de ruptura de todas las leyes. La mecánica cuántica transforma ese final en un rebote elástico.

Un rayo láser mantiene un ion individual en el vacío, y este ion se comporta como una canica encerrada entre dos hoyos. Los hoyos no son agujeros en el suelo, sino regiones donde al ion le resulta energéticamente favorable estar. En el mundo clásico, la canica rodaría hacia uno de los hoyos y se quedaría allí.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió más rápido de lo que la luz podía cruzarlo. Ese crecimiento vertiginoso —la inflación— estiró las diminutas vibraciones cuánticas hasta el tamaño de galaxias enteras. Pero, ¿desde qué estado exactamente comenzaron esas vibraciones?

En una cubeta del tamaño de una moneda, la luz se comporta como el agua: se condensa en un único fluido cuántico. Cuando se le añade energía, en ese fluido se forman espontáneamente remolinos: los vórtices cuánticos. Cada vórtice es como un pequeño torbellino que no puede desaparecer sin más. Los físicos iluminaron este fluido con un láser y tomaron instantáneas.

Dos placas metálicas en vacío total se atraen. Ya Richard Feynman comparaba el vacío con una espuma hirviente: pares de partículas nacen y desaparecen al instante, creando el efecto Casimir. Si las placas son asimétricas, también se retuercen: esto es un motor de vacío. Pero para la rotación no es necesario tener piezas curvadas.

En un vaso de agua con sal, aunque esté quieto, siempre está pasando algo. Las diminutas partículas de sal, los iones, flotan y chocan entre sí, y eso provoca ondas en el agua. Estas ondas son invisibles, pero crean una fuerza que atrae o repele los objetos cercanos. Antes se creía que esta fuerza solo actuaba a distancias muy cortas, como si se desvaneciera rápidamente.

El Universo pudo haber nacido de un estado inestable: el vacío falso. Es como un vaso de agua superenfriada: la más mínima perturbación la convierte en hielo. De igual forma, en el vacío falso una diminuta burbuja de vacío verdadero puede crecer hasta convertirse en todo un Universo.

El entrelazamiento cuántico es una conexión especial entre partículas: se influyen mutuamente al instante, incluso separadas por años luz. Durante mucho tiempo se pensó que una aceleración intensa destruía este vínculo.