vorticidad

En 1934 Jean Leray demostró que las ecuaciones de Navier–Stokes siempre tienen soluciones «en sentido generalizado». Si la solución sigue suave o puede romperse en una singularidad, no lo supo, y nadie lo supo en noventa años. En 2000 el Instituto Clay incluyó la pregunta entre sus siete problemas del Milenio.

El ala de un avión, como un esquiador en un trampolín, recuerda su aceleración. Si cambias bruscamente el ángulo de ataque, la sustentación no alcanza de inmediato su nuevo valor. Crece gradualmente, como si el ala no estuviera segura de que la maniobra va en serio. Este efecto fue descubierto por el ingeniero Herbert Wagner en 1925.

El agua de un tanque gira a casi cuatro vueltas por segundo y, como por arte de magia, surge en ella una columna del tamaño de una mesa de comedor. El vórtice vive durante decenas de vueltas, aunque todo a su alrededor burbujea y tiembla. ¿De dónde sale tanta estabilidad? El secreto es que el vórtice no está aislado.

En un laboratorio de París, se hizo que la luz fluyera alrededor de un obstáculo, como el agua rodea una piedra en un arroyo. Solo que aquí el agua es especial: no siente fricción.

Un vórtice en un disco magnético suele comportarse como una peonza grande: para que no se caiga, necesita una plataforma espaciosa y un campo propio fuerte que lo devuelva al centro. Pero, ¿y si reducimos la plataforma hasta el tamaño de un virus? Entonces el soporte habitual desaparece y el vórtice debería desmoronarse.

El agua confinada entre dos cilindros, cuando el interno gira, primero fluye en capas uniformes. Pero en cuanto la velocidad supera cierto límite, las capas se pliegan en anillos, como una pila de rosquillas. Los físicos llaman a esto vórtices de Taylor: el flujo pierde estabilidad y aparece un patrón regular.

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

Cuando dos núcleos pesados chocan en un acelerador, nace una diminuta bola de fuego de plasma de quarks y gluones (un estado especial de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de las partículas). Esta se expande y se enfría, y las partículas que emergen a menudo resultan "giradas": sus espines se alinean a lo largo de la dirección del haz.

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

Un líquido superfluido fluye sin fricción, como agua que nunca se detiene. Pero si se le hace girar, no solo rota: cada diminuto vórtice recuerda exactamente cómo se le hizo girar. Esa "huella" no es una metáfora, sino una impresión geométrica real que los físicos llaman fase de Berry (el desfase acumulado por una onda al recorrer un camino cerrado).

En aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar núcleos pesados a velocidades enormes. Por un instante nace el plasma de quarks y gluones (PQG), un estado de la materia en el que los quarks y los gluones flotan libremente, como en los primeros microsegundos tras el nacimiento del universo.

Una piedra cae en un estanque y los círculos se expanden por igual en todas direcciones. Pero hay medios donde la onda parece saber hacia dónde girar: como agua que gira solo en el sentido de las agujas del reloj.

Supersólido cuerpo — materia que es a la vez cristalina y fluida. Se crea a partir de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. En un nuevo trabajo, los físicos obtuvieron esta sustancia en forma de una red triangular de gotas. Cada gota oscila a su propio ritmo.

El espacio-tiempo fluye como un río, y un agujero negro es un remolino. Las partículas en esta corriente son como ondas con su propio ritmo: una alternancia de crestas y valles. Resulta que el remolino desplaza el ritmo de la onda a distancia, sin siquiera arrastrarla.

El agua de un río de montaña no fluye de manera uniforme: hierve, gira en remolinos, acelera de repente. Ese movimiento desordenado se llama turbulencia. Pero incluso en ella hay ritmos ocultos: ráfagas raras y fuertes que, por un breve instante, cambian todo el panorama del flujo.

El sonido viaja a través de un medio a una velocidad determinada. Si el medio se mueve más rápido, el sonido es arrastrado por el flujo, como una astilla atrapada en un remolino. En el helio superfluido —un líquido sin fricción— la rotación rápida genera vórtices-remolinos.

El agua en un río a menudo forma remolinos. Pero en los semiconductores, la base de los microchips, los electrones también se convierten en un fluido a bajas temperaturas y alta pureza. Si se crea una cavidad circular, aparecen vórtices, como en un remanso fluvial.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

El agua que se va por el desagüe forma un remolino. Algo habitual en cualquier cocina. Pero ese mismo remolino ha demostrado ser capaz de reproducir dos efectos que los físicos suelen asociar con los agujeros negros y la rotación de los planetas. El primer efecto es el desfase de una onda al rodear un obstáculo.

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.

El agua hierve detrás de una piedra en el río, el aire se arremolina detrás del ala de un avión: parece que el movimiento es completamente caótico. Pero los autores del estudio encontraron en ese caos una receta de cocina estricta. Descompusieron la rotación del fluido (el momento angular) en dos partes independientes.

Si arrojas un puñado de purpurina a un río, algunas partículas flotarán directamente, otras girarán en pequeños remolinos. Con las galaxias del universo ocurre algo parecido: no solo se separan debido a la expansión, sino que también giran en corrientes gigantes, como astillas en remolinos invisibles.

Dentro de la Tierra hay un núcleo sólido de hierro del tamaño de la Luna. Flota en metal líquido y se balancea ligeramente, como un hueso dentro de un melocotón si se agita la fruta. Estas oscilaciones se denominan modos de Slichter: el núcleo se desplaza a lo largo del eje del planeta o transversalmente. El movimiento es frenado por tres fuerzas a la vez.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

En el frío corazón de un cristal puro, los electrones fluyen como un líquido viscoso, una idea predicha por Lev Landau. Pero los vórtices de este líquido permanecían invisibles, como una imagen deducida del ruido de los espectadores. Ahora los científicos han creado una nanocuerda: un diapasón semiconductor con una cavidad circular.

Una avalancha de polvo no es simplemente un montón de nieve que se desliza montaña abajo. Es una nube que se precipita por la ladera a la velocidad de un automóvil. En su interior, la nieve no reposa, sino que vuela: miles de partículas diminutas son arrastradas por los remolinos de aire.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y desde ella se expanden círculos. El agua parece simple, pero si miramos en su interior, cada molécula no solo avanza: también gira, como una diminuta peonza. Los físicos llaman espín a esta rotación propia de las partículas.

En el agua ordinaria, las ondas de una piedra lanzada se expanden en círculos concéntricos perfectos. Pero imagina un líquido cuyas moléculas se asemejan a diminutos tornillos con rosca a la derecha. En ese medio, la superficie funciona como una carretera de un solo sentido: las ondas solo pueden propagarse en una dirección determinada.

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.

Una ráfaga de viento repentina golpea el ala y, sobre ella, se enrolla un enorme vórtice. Este vórtice puede cambiar bruscamente la sustentación, y el avión puede picar. Los ingenieros llevan tiempo buscando la manera de predecir estos vórtices, pero la complejidad lo dificulta: el flujo de aire rápido está lleno de pequeñas turbulencias caóticas.

Un fluido superfluido fluye sin fricción, como agua en una tubería perfectamente lisa, pero en cuanto encuentra un obstáculo, el panorama cambia. En un nuevo estudio se examinó cómo un flujo superfluido rodea paredes rectangulares y pozos con esquinas afiladas.

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.

Un superconductor es un material donde la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si aparecen vórtices, la corriente empieza a 'tropezar' con esos pequeños remolinos. En el grafeno retorcido en un ángulo especial, se pueden crear y estudiar estos vórtices uno a uno.

En un superconductor, la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se coloca este material en un campo magnético, aparecen vórtices en su interior: pequeños remolinos donde la superconductividad se destruye.

Una microesfera de gel o una diminuta gota de aceite se abre paso a través de un canal estrecho cuyas paredes se comprimen y se relajan rítmicamente. La partícula se aplana y luego recupera su forma — y por la rapidez con que lo hace se puede conocer su elasticidad interna y su viscosidad.

El agua se enrolla formando un anillo, y ese anillo vuela a través del fluido sin deshacerse. Estos anillos de vórtice, desde el humo hasta las corrientes submarinas, siguen leyes difíciles de capturar en el papel. Normalmente, el flujo se divide en millones de celdas cúbicas y se sigue cada una de ellas.

El agua de un charco después de la lluvia no gira igual que la de un lago profundo. Una capa fina de líquido siente el fondo, y eso cambia el carácter de los remolinos. Los científicos crearon esa capa en el laboratorio: vertieron un electrolito, aplicaron una corriente y un campo magnético, y el líquido se puso en movimiento.

Los vortones son anillos cósmicos invisibles, bucles cerrados de espaciotiempo curvado. Más finos que un átomo pero más pesados que las estrellas, estos vestigios del Big Bang giran como tiovivos gigantes, arrastrando todo a su alrededor.

El helio superfluido helio fluye sin fricción, y en él nacen vórtices — embudos microscópicos, parecidos a los remolinos en el agua. Dos de estos vórtices pueden jugar a la pídola: uno salta sobre el otro, y brincan en círculo. Este juego fue predicho por Richard Feynman en la década de 1950.

Un agujero negro en rotación se comporta como un embudo gigante, pero no solo aspira todo a su alrededor: retuerce el espacio mismo, como la rápida corriente de un río. Nuevos cálculos demuestran que en esta vorágine pueden nacer vórtices estables de partículas ultraligeras, posibles ladrillos de la materia oscura.