Física de Altas Energías Teórica hep-th

El universo se expande cada vez más rápido, y la explicación estándar es una constante cosmológica positiva, es decir, un vacío de Sitter. La teoría de cuerdas, que aspira a ser la gravedad cuántica, debería poder describir ese vacío, pero tras décadas de esfuerzo no ha aparecido ninguna construcción sólida.

Dos recipientes con agua a diferentes temperaturas están separados por una membrana delgada. Mientras la membrana esté intacta, cada recipiente vive su propia vida: en uno el agua está caliente, en el otro helada. Pero basta con retirar la membrana para que las temperaturas comiencen a igualarse y, al final, ambos recipientes alcancen el mismo estado.

La ciudad está dibujada en una hoja de papel. Las calles son las mismas, los cruces están en su lugar, pero las distancias entre las manzanas han cambiado de repente.

En los primeros instantes después del Big Bang, el espacio se expandía a una velocidad increíble. Una diminuta ondulación cuántica, incrustada en el propio principio de incertidumbre, empujaba la materia con más fuerza que cualquier fuerza conocida. Esa ondulación es el principio de incertidumbre generalizado, o GUP.

Una transferencia bancaria no llega de inmediato, sino tras un plazo fijado, y el saldo en la cuenta del receptor resulta mayor que el efectivo depositado por el remitente. Algo así hace el nuevo protocolo, llamado teleportación cuántica temporal de energía (TQET).

En el corazón silencioso del cosmos, donde las partículas se encuentran y se separan, surge un acto de pura armonía. Dos bosones de Higgs se unen y, por un breve instante, forman un todo único.

En 2008, un grupo de físicos dedicó meses de tiempo de supercomputación para calcular una única magnitud en la teoría de la gravedad cuántica.

La sombra de un agujero negro no es solo un silueta oscura. Es una huella de toda la geometría del espacio-tiempo, incluidos los efectos cuánticos más sutiles.

En una cadena de espines fríos extendida a lo largo de una línea, el orden y el desorden pueden entretejerse en un patrón que no se describe con las reglas habituales. Dos estados de la materia, dos "órdenes", están separados por una encrucijada donde los caminos no convergen, sino que divergen.

En un acelerador chocan dos partículas de Higgs. Por un instante brevísimo, sus destinos se entrelazan y luego se separan, llevando consigo la información del encuentro.

En la sala de conciertos de la teoría cuántica reinó durante mucho tiempo una estricta disciplina: se creía que los operadores, esos intérpretes de la complejidad, solo podían crecer a una velocidad determinada.

En el borde del espacio-tiempo, donde terminan todos los rayos de luz, habitan simetrías que los físicos han debatido durante medio siglo. Se llaman superrotaciones: son transformaciones de la esfera celeste que divergen en puntos individuales, como vórtices en helio superfluido.

Un agujero negro en el espacio anti-de Sitter no es un vacío, sino más bien una olla con líquido hirviendo. Este líquido tiene dos fases: agujeros negros pequeños y grandes, como vapor y agua. A cierta presión, se fusionan en un punto crítico, tal como el agua a 374 °C y 218 atmósferas pierde la diferencia entre líquido y gas.

Dos telescopios miran al mismo universo y ven velocidades diferentes. Las mediciones locales de supernovas dan 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, mientras que los datos de la radiación de fondo de microondas en el modelo estándar predicen 67.36 ± 0.54.

El universo se expande, y el ritmo de esa expansión lo marca la energía oscura, una fuerza misteriosa que acelera el alejamiento de las galaxias. En el modelo cosmológico estándar, su densidad es constante: la constante cosmológica, un metrónomo inmutable desde el nacimiento del mundo.

Una máquina térmica es como un velero: para avanzar necesita un gradiente. Normalmente, es la diferencia de temperatura entre el reservorio caliente y el frío. Pero, ¿y si el propio reservorio se moviera? El viento que hincha las velas no solo se debe a la diferencia de presiones, sino también al movimiento de las masas de aire.

Durante mucho tiempo, el agujero negro de la relatividad general fue considerado un espejo perfecto: sin importar qué campos incidieran sobre él, no se deformaba.

Las ondas gravitacionales de la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro llevan la huella de la dinámica más compleja del espacio-tiempo. Para descifrar esa huella, los físicos calculan amplitudes de dispersión: las probabilidades cuánticas de que dos cuerpos se separen con un cierto ángulo.

Un electrón sale del núcleo de tritio con una energía de 18,57 keV, dejando tras de sí un compañero invisible: el neutrino. Si ese neutrino tiene acceso a una quinta dimensión, su masa se descompone en toda una torre de estados, y cada uno de ellos arranca un pedazo del espectro.

El camino hacia el equilibrio para un detector cuántico se asemeja a una ruta de montaña: la subida siempre es más rápida que la bajada. Un átomo acelerado en el vacío, que siente las fluctuaciones cuánticas del campo, se calienta hasta la temperatura de Unruh.

Hace cien años, las ecuaciones de Einstein predijeron los agujeros negros, pero en su interior la física se rompía: las trayectorias de las partículas terminaban en la singularidad, un punto de curvatura infinita. Era un callejón sin salida, el fin del espacio-tiempo.

Un detector de ondas gravitacionales no solo capta el rumor de las fusiones, sino también el suave chapoteo cuando una estrella o una nube de gas se sumerge en un agujero negro supermasivo.

En 1976, Gerard 't Hooft observó que el vacío de una teoría de gauge no es tan sencillo como parece: posee una estructura topológica que se manifiesta en una susceptibilidad topológica no nula.

El universo representa una obra de teatro, y el papel principal está reservado para la energía oscura. Durante mucho tiempo pareció que el actor era inmutable: la constante cosmológica (la energía del vacío que acelera la expansión del universo) marcaba un mismo tono.

Un sistema cuántico, una vez que nace, no lo olvida. Incluso después de decenas de tiempos de vida, en su decaimiento queda una huella del estado inicial: una cola potencial que decrece lentamente. Para dos colorantes fluorescentes, eritrosina B y eosina Y, esta cola se ha logrado observar por primera vez en dos canales espectrales a la vez.

Un agujero negro no es simplemente el cubo de basura del universo, sino más bien una caja fuerte con código secreto. Durante décadas se pensó que cualquier señal enviada hacia el horizonte de sucesos se refleja parcialmente: el espacio-tiempo curvo actúa como un espejo deformante y parte de la energía siempre regresa.

Cada noche, en el archivo municipal, el encargado coloca las nuevas carpetas en los estantes. Si durante el día han llegado demasiadas, los estantes se comban y a la mañana siguiente el archivo responde a las solicitudes con más lentitud. Así funciona aproximadamente la memoria de un agujero negro: no solo almacena información, sino que siente físicamente su peso.

Los rayos cósmicos —partículas con una energía monstruosa— viajan en la oscuridad del espacio intergaláctico. En una colisión frontal, su fuerza puede comprimirse en un agujero negro del tamaño de un átomo.

El Universo temprano estaba lejos de ser perfecto: algunas regiones se estiraban más rápido que otras, creando pliegues y distorsiones. Pero el rebote cuántico —la transición de contracción a expansión, causada por las leyes del micromundo— lo corrige todo.

El universo es una autopista grandiosa por la que las galaxias-automóviles se alejan cada vez más rápido. El pedal del acelerador está a cargo de la misteriosa energía oscura.

El método de la «copia doble» en física es un truco culinario: el cocinero toma la receta de una sopa fría y, al duplicar los ingredientes, obtiene la receta de un guiso caliente.

La materia es como una casa. En algunas habitaciones reina el orden estricto de un cristal, donde cada átomo está en su lugar. En otras, el caos del helio superfluido, donde los átomos se olvidan de sus vecinos. Un superconductor, según John Bardeen, es una sala de estar perfecta sin puertas: al campo magnético no se le deja entrar.

El universo está lleno de masa invisible — la materia oscura — que solo se manifiesta a través de la gravedad. Una de las hipótesis sugiere que la materia oscura está compuesta por agujeros negros primordiales, objetos formados en las condiciones extremas inmediatamente posteriores al Big Bang.

Los agujeros negros rara vez están en completo aislamiento. A menudo están envueltos en nubes invisibles de partículas hipotéticas de materia oscura, tan ligeras que solo sienten la interacción gravitatoria, casi sin chocar entre sí ni con la materia ordinaria.

Habitualmente consideramos que el número de dimensiones es constante: largo, ancho, alto. Pero en el mundo cuántico incluso esto puede ser variable. Una nueva teoría describe sistemas donde la dimensión no es una constante, sino una propiedad cuántica que puede ser diferente al mismo tiempo. Un globo en el frío está plano, en el calor, redondo.

Un agujero negro no es un embudo sin fondo, sino una olla cósmica. En su interior, la materia obedece leyes que nos son familiares por el comportamiento del agua: en ciertas condiciones se asemeja al vapor hirviente, en otras, a un líquido que se enfría.

Según una hipótesis física, nuestro mundo volumétrico podría ser una proyección desde una superficie plana. De tal Universo a veces se desprenden pequeñas burbujas cerradas — universos bebés. Durante mucho tiempo se consideraron vacíos, carentes de diversidad interna.

Según las leyes del micromundo, un electrón que obedece la ecuación de Dirac tiembla incluso en completo reposo. Esto es el Zitterbewegung, una oscilación con una amplitud de billonésimas de milímetro, como un trompo sobre un eje invisible.

Un agujero de gusano es un túnel que atraviesa el espacio curvado y conecta regiones distantes del universo. Recientemente, Juan Maldacena y sus colegas propusieron un modelo funcional de este agujero basado en una combinación especial de curvatura espacial y partículas cuánticas.

En el mundo que conocemos hay tres dimensiones espaciales. Sin embargo, la física teórica admite la existencia de direcciones adicionales, ocultas a la observación directa, compactificadas, es decir, enrolladas hasta tamaños microscópicos.