función de Wigner

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.

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.

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.

En los primeros instantes de la vida del universo, este se parecía a un caldero burbujeante. La materia no estaba distribuida uniformemente: en ella maduraban grumos y vacíos, y su movimiento turbulento generaba un temblor del propio espacio: las ondas gravitacionales.

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.

Una marca de agua sutil sobre papel mojado, y un vidrio empañado frente a los ojos. Así se ve aproximadamente la tarea de leer estados cuánticos de la luz: los delicados patrones de fotones se distorsionan por las pérdidas, y los detectores capturan solo una pequeña parte de la señal.

En una lámina ultrafina de grafeno de cuatro capas, los electrones pueden comportarse como un líquido congelado. Con un enfriamiento intenso y bajo la acción de un campo eléctrico, dejan de moverse frenéticamente y se alinean en un patrón regular: el cristal de Wigner. Es similar a cómo las gotas de agua se convierten en panales de hielo con el frío.

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.

Un agujero negro no es un objeto muerto. Tras una perturbación, como la fusión con otro agujero, resuena como una campana. Ese tañido no es solo un sonido, sino un conjunto complejo de oscilaciones amortiguadas que se denominan modos cuasinormales.

En la imagen clásica del mundo, la gravedad son suaves curvaturas del espacio y del tiempo. Pero a nivel microscópico, donde manda la mecánica cuántica, esas curvaturas deberían convertirse en un ondulamiento granulado. Las partículas de ese ondulamiento se llaman gravitones.

Un visitante extraño apareció en un destello instantáneo. Un haz de fotones impactó contra un núcleo de deuterio (hidrógeno pesado) y, en la cascada de partículas generadas, los detectores notaron algo inusual. Con cierta combinación de masas y momentos, la señal se intensificaba bruscamente, como si por un instante hubiera surgido una nueva partícula.

Una sopa hirviendo en una cacerola, pero cada grano no es solo un punto, sino una pequeña peonza que gira sobre su propio eje. Así es el mundo de las partículas con espín 1. Por ejemplo, algunos mesones de vida corta que nacen en colisiones en aceleradores.

El universo temprano se expandía a una velocidad inimaginable, más rápido de lo que la luz habría podido cruzarlo. En ese hervidero, cualquier región del espacio era como un bote de pintura abierto: sus fronteras capturaban continuamente nuevo "vapor" del exterior, mientras parte de su contenido se escapaba irremediablemente.

El cono de luz es un plano de causalidad, grabado con láser en el tejido del cosmos. En la física clásica es afilado como un bisturí: los eventos dentro están unidos por hilos invisibles de influencia, mientras que fuera reina el aislamiento eterno, sellado por la velocidad límite.

Una computadora cuántica mide la energía de una molécula más o menos como una cinta métrica vieja que solo tiene marcas cada metro. Si la longitud real de la mesa es de 2,37 metros, la cinta mostrará «dos y algo», y no se puede ser más preciso. Los físicos llaman a esto resolución: el paso de la rejilla, más fino que el cual no se puede saltar.

Los metrónomos que todos conocemos, si se colocan sobre una base móvil, con el tiempo acaban balanceándose al unísono. En el mundo cuántico, este truco fue esquivo durante mucho tiempo.

Una burbuja de jabón flota en el aire, y su forma ya contiene todo lo necesario para calcular la tensión interna. Un principio similar ha funcionado en un nuevo trabajo sobre gravedad cuántica.

La gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, y no una simple atracción, como ya mostró Einstein. En esa «pista de baile» curvada incluso los hipotéticos portadores de la gravedad —los gravitones— se mueven de forma caprichosa.

Se puede palpar un objeto desconocido a lo largo, a lo ancho, en diagonal — cada vez obteniendo información nueva. Pero ¿y si una forma de palpar no dijera absolutamente nada sobre lo que mostrará otra? Así funcionan las bases mutuamente imparciales en mecánica cuántica: medir en una de ellas nos deja en total ignorancia sobre el resultado en la otra.

En física hay un dolor persistente. La relatividad general describe el origen del Universo como un punto — una singularidad donde las ecuaciones colapsan y el volumen se hace cero. La mecánica cuántica insinúa que en el momento más crítico algo no sucede como predice la física clásica.

Dos láminas delgadas con celdas hexagonales dibujadas se superponen y se giran ligeramente. Aparece un nuevo patrón: el muaré, parecido a los reflejos de la seda. Algo similar hicieron los electrones en el experimento: se organizaron en dos capas, y una capa quedó girada respecto a la otra exactamente 30 grados.

Un puñado de arena cae sobre la mesa. Los granos se acomodan de maneras distintas, pero si el puñado es grande, el volumen total apenas cambia. Así funciona aproximadamente la gravedad clásica: el espacio parece liso y definido. Pero si uno se fija en los granos individuales, resulta que a nivel cuántico el propio volumen deja de ser fijo.

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.

Cientos de personas en una pista de baile están a igual distancia unas de otras: un orden estricto, como en una red cristalina. La música lenta son las vibraciones térmicas, que hacen que los bailarines empiecen a balancearse ligeramente. Si la música se vuelve más fuerte y rápida, el orden se derrumba: todos se mezclan.

Una multitud de personas de repente empieza a moverse como una sola persona. En física, esto ocurre con los espines atómicos: diminutas agujas magnéticas. Cuando muchos espines se juntan y se comunican a través de un medio común, forman un gran imán, o macroespín.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

Todo comenzó con diminutos centelleos cuánticos sobre el lienzo primigenio. La inflación — la expansión vertiginosa propuesta por Alan Guth — estiró esas pinceladas hasta el tamaño de las galaxias.

Un rayo láser en un cristal especial se convierte por sí solo en el «gato de Schrödinger», una mezcla de dos estados. Erwin Schrödinger ideó esta paradoja para un átomo, y ahora los físicos la observan en todo un flujo de fotones. La luz es como una compañía de soldados en la plaza de armas.

En la teoría cuántica, una partícula puede correr por dos caminos a la vez. Al medirla, la encontramos solo en uno. Según Niels Bohr, todas las demás posibilidades desaparecen instantáneamente, como una rama desprendida del tronco.

El universo se expande, y los científicos quieren saber a qué velocidad y de qué está hecho. Para ello comparan datos de explosiones estelares lejanas, ondas sonoras del universo temprano y el débil resplandor que quedó tras el Big Bang. Cada conjunto de datos es como una pieza de un mosaico, y hay que unirlas para obtener el panorama completo.

Cien luciérnagas en un frasco parpadean de forma desordenada, pero en cuanto se sincronizan, los destellos se combinan en un pulso brillante. Algo parecido ocurre con los emisores cuánticos: átomos individuales o partículas artificiales que pueden emitir fotones. Cuando son muchos e interactúan, calcular su comportamiento colectivo no es tarea fácil.

La luz atrapada en una cavidad diminuta se asemeja a un péndulo que se empuja cada vez con más fuerza. Al principio oscila suave y predeciblemente, como un reloj corriente. Pero si se balancea lo suficiente, el movimiento se vuelve extraño: el péndulo parece estar en dos puntos extremos a la vez.

Las estrellas en las afueras de las galaxias giran más rápido de lo que dictan las leyes de la física si solo contamos la materia visible. Esta paradoja fue descubierta en el siglo XX por Vera Rubin y Fritz Zwicky.

Un material de un solo átomo de espesor y una pureza récord –apenas un átomo extraño por millón– se convierte en escenario de un fenómeno sorprendente. Al enfriarlo casi hasta el cero absoluto, los electrones en su interior, como los músicos de una orquesta, se quedan quietos en un orden estricto, formando un cristal.

El gato de Schrödinger suele esconderse en experimentos mentales, vivo y muerto a la vez. Esta vez lo atraparon en el laboratorio: se hizo que un pulso de luz estuviera en dos estados opuestos a la vez, como una moneda suspendida en el aire mostrando cara y cruz al mismo tiempo.

Los electrones en un conductor normalmente se comportan como un gas: se mueven caóticamente, chocan entre sí y no mantienen ningún orden. Pero si se los separa lo suficiente y se enfrían mucho, la repulsión mutua puede hacer que se coloquen en sus puestos, como los asistentes a un teatro lleno que se sientan dejando un asiento vacío entre ellos.

Dos electrones en un tubo estrecho no quieren estar cerca. Ambos tienen carga negativa y se repelen, como dos imanes con polos iguales enfrentados. Si el tubo es muy delgado, no pueden separarse lateralmente; solo les queda alinearse uno detrás del otro. Los físicos llaman a esto localización de Wigner: las partículas ocupan posiciones fijas, como cuentas en un hilo tenso.

Normalmente, para entender el estado cuántico de la luz, hay que realizar decenas de mediciones complejas, como si tuvieras que probar todas las llaves de un llavero. El nuevo modelo de IA funciona de manera diferente: es una llave universal que, tras un ligero ajuste, abre muchas «cerraduras» —estados simples y los más ingeniosos—.

La materia oscura constituye el 85% de la materia del Universo, pero permanece invisible. Solo se manifiesta a través de la gravedad. Se puede detectar por el "sonido" cósmico: una vibración tenue que impregna el espacio. Un detector solitario es impotente aquí: la señal es demasiado débil. Los físicos convierten muchos sensores en un conjunto cuántico.

La distribución de Wigner se asemeja a un mapa topográfico de probabilidades: colinas donde es más probable encontrar la partícula, y valles donde no debería estar. Durante mucho tiempo, estos «valles» negativos se consideraron una señal inequívoca de que el sistema se comporta de forma cuántica.