ecuación de Wheeler-DeWitt

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.

Bailarines en un escenario con paredes móviles: las partículas en un sistema cuántico finito chocan entre sí y rebotan en los bordes, pero las paredes pueden moverse según un guion predeterminado. Durante mucho tiempo, los físicos solo sabían describir estas danzas con paredes fijas o en un salón infinito. Ahora ha surgido una manera de tener en cuenta tanto el movimiento de las paredes como los rebotes en ellas.

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.

Cuando un fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió más rápido de lo que la luz podía cruzarlo. Como un globo que se infla, pero en lugar de goma, el propio espacio. En este globo inevitablemente aparecían ondas: diminutas compresiones y rarefacciones de las que luego surgieron todas las galaxias y estrellas.

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

Una partícula cuántica se mueve en círculo, pasando por varias estaciones. En cada estación, algo le ocurre, por ejemplo, sus propiedades cambian ligeramente. Tras completar el ciclo, la partícula regresa, pero su estado ya no es exactamente el mismo que al principio.

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

Newton nos regaló un mundo donde los cuerpos se mueven en el vacío y los relojes marcan el mismo ritmo para todos. Durante tres siglos, esta imagen funcionó a la perfección. Pero en ella hay muchos puntales invisibles: la posición absoluta, la dirección "arriba-abajo", un ritmo temporal único para todo el universo.

Dos cuerpos masivos, suspendidos en una superposición cuántica, recuerdan a una pareja de bailarines que intenta mantener un ritmo común mientras a su alrededor una orquesta hace ruido. Cada onda gravitacional es como un músico que los saca del compás.

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

En el mundo macroscópico hay una regla sencilla: la densidad de energía no puede ser negativa, y su flujo no puede superar a la luz. En un café, esto se vería así: el camarero no puede repartir los pedidos más rápido de lo que corre él mismo. Los físicos llaman a esta restricción condición de dominancia de la energía.

Un agujero negro en rotación no es un remolino tranquilo. El espacio a su alrededor tiembla y vibra ante la menor perturbación, como la cuerda de una guitarra después de un pellizco. Estas oscilaciones se describen mediante la ecuación de Teukolsky, una construcción matemática compleja que los físicos estudian desde hace medio siglo.

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.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

Un péndulo en una habitación ruidosa recibe constantemente empujones de la gente que pasa. Su movimiento es una mezcla de oscilaciones regulares y sacudidas aleatorias. Algo similar les sucede a las débiles ondas gravitacionales en el contexto de un universo en expansión.

Una fracción de segundo después del Big Bang, el universo era un caldo hirviente de partículas y antipartículas. Según todas las leyes, deberían haberse aniquilado mutuamente, dejando solo el vacío. Pero por una razón desconocida, por cada mil millones de pares, quedó una partícula de materia 'extra'.

El asunto del reloj en el universo es delicado. Normalmente, en los cálculos del nacimiento del mundo, el papel de reloj lo desempeña un campo escalar especial — algo así como un fluido invisible que llena todo el espacio. Hace tictac, y los físicos observan cómo cambia el mundo respecto a ese tictac. Pero ese reloj es artificial, se introdujo por comodidad.

En el silencio del mundo cuántico no hay vacío. Las partículas están entrelazadas por hilos invisibles: el entrelazamiento. Los autores del trabajo propusieron que el propio tejido del espacio-tiempo está urdido con esos hilos.

Una trampa de luz mantiene a un átomo casi inmóvil, como una bolita sobre un resorte suave. Pero en cuanto aparece una aceleración, por ejemplo la gravedad, el equilibrio se desplaza. El átomo se mueve dentro de la onda de luz estacionaria, y esto cambia el ritmo al que intercambia energía con el campo.

En los albores de los tiempos, el universo experimentó un breve instante de expansión frenética: la inflación. Las diminutas vibraciones cuánticas del espacio-tiempo se estiraron hasta escalas cósmicas.

Una partícula cuántica puede ser una onda y atravesar dos caminos a la vez. Pero si algo 'espía' por cuál camino ha ido, la onda desaparece. Este efecto se conoce como pérdida de interferencia. Normalmente, los responsables de espiar son los fotones o las moléculas de aire.

La gravedad en nuestro mundo es el espacio-tiempo curvado. Así la describe la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero, ¿qué ocurre con la gravedad a nivel de átomos y partículas, donde reina la mecánica cuántica? Esta pregunta lleva casi un siglo sin respuesta.

El centro de atención es un agujero negro de forma inusual. Su geometría recuerda a un huso: a la rotación habitual se le añade una ligera elongación. El parámetro B mide esta deformación. La deformación de huso no es solo un juguete matemático.

Dos rayos de luz se encuentran en un punto y continúan divergiendo. Sus trayectorias forman dos superficies que se cruzan en el espacio-tiempo: las hipersuperficies nulas (las fronteras a lo largo de las cuales se propaga la luz). Es precisamente sobre este par de superficies donde los físicos saben cómo imponer los datos iniciales para las ecuaciones de Einstein.

Todo río tiene una desembocadura: el lugar donde el agua se encuentra con el mar. El espacio-tiempo también tiene su propia 'orilla': se llama infinito futuro y está allí adonde van a parar todas las señales, la luz y las ondas gravitacionales.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo estaba lleno de un temblor cuántico: diminutas oscilaciones que más tarde podrían convertirse en ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio. Pero cuando los físicos intentan calcular este proceso, en las ecuaciones aparecen números infinitamente grandes.

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.

La onda cuántica se asemeja a una fotografía de larga exposición: todo está borroso, pero es precisamente esa borrosidad la que muestra el movimiento. Normalmente, estas ondas congeladas se consideran una abstracción conveniente.

En un mundo ordinario sin energía oscura, la masa de cualquier cuerpo es siempre positiva. Parece obvio: la masa positiva atrae, creando gravedad. Pero en el universo real existe la energía oscura, una fuerza misteriosa que hace que el cosmos se expanda cada vez más rápido.

Un corredor que, a mitad de la carrera, de repente cambia a paso ligero: ni acelera ni frena, sino que mantiene un ritmo constante. Algo similar pudo ocurrirle al propio universo poco después del Big Bang. Esta fase se denominó «estasis», de la palabra griega que significa «detención».

En el océano, un remolino arrastra todo a un círculo cerrado; de igual manera, una onda gravitacional en el espacio vacío retuerce el tiempo en un bucle. La onda gravitacional es una ondulación en el tejido del cosmos, y su forma especial puede convertir el flujo normal de los acontecimientos en un ciclo cerrado.

La explosión de una lejana supernova nos contó algo difícil de creer: el mundo se expande cada vez más rápido. El motor de esta aceleración es la energía oscura, casi el 70% de todo lo que existe.

La teoría de Einstein afirma: un cuerpo masivo en rotación arrastra el espacio a su alrededor, como una cuchara remueve la miel espesa. Este fenómeno se llama arrastre del espacio, y es especialmente notable en los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Un objeto no puede ser un punto. Al menos, en la gravedad de Einstein. Las ecuaciones de la relatividad general exigen que la fuente del campo — la materia — esté distribuida en el espacio, no concentrada en un volumen infinitamente pequeño.

Construir una casa sobre arena es una mala idea. En física, durante mucho tiempo se pensó que la teoría cuántica de la gravedad tampoco podía construirse sobre una "arena" fija: un espacio-tiempo predeterminado.

En el centro de muchas galaxias se esconden gigantescos agujeros negros en rotación. Los astrofísicos sospechaban desde hace tiempo que estos objetos son sorprendentemente resistentes: tras engullir una estrella o fusionarse con otro agujero, se calman rápidamente y olvidan la catástrofe.

Un objeto común se mueve en una trayectoria predecible, como una pelota. En el mundo cuántico, la partícula está difuminada en una nube de probabilidad. Para ver orden en esta niebla, los científicos reescribieron la ecuación de Schrödinger en el lenguaje del agua corriente.

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.