Explican por qué “la mayor estructura jamás identificada por la humanidad” es tan fría

En el año 2004, un equipo de astrónomos descubrió una región del Universo extraordinariamente grande, y tan fría que se consideró una rareza. Fue bautizada como Punto Frío WMAP. Ahora, astrónomos de la Universidad de Hawai en Manoa han descubierto que un supervacío situado entre nosotros y la zona es lo que haría que esta parezca mucho más fría de lo esperado, según las predicciones teóricas sobre el cosmos. (Fuente: Universidad de Hawai, Manoa y T.21)

En el año 2004, un equipo de astrónomos, al examinar un mapa de la radiación dejada por el Big Bang o explosión que dio origen al cosmos (radiación que se conoce como “fondo cósmico de microondas” o CMB), descubrieron algo muy extraño: una región del Universo extraordinariamente grande y tan fría que se consideró una rareza; pues se piensa que las temperaturas de las microondas del CMB son bastante homogéneas (no variarían en más de 10-5 a lo largo de todo el cielo). La región estaba situada en el hemisferio sur de la esfera celeste, en dirección a la constelación de Eridanus.

Bautizada como Punto Frío WMAP o Punto Frío CMB, esta zona ha sido desde entonces fuente de extrañeza, pues aunque la física que explica el Big Bang predice lugares más o menos cálidos o fríos, de distintos tamaños, en el universo; no predice la existencia de un lugar tan grande y tan frío.

En 2009, dos astrónomos de la Universidad de Michigan en Ann Arbor (EEUU) señalaron que dicho Punto Frío en realidad podía ser fruto del método estadístico usado para analizar los datos del Wide Field Survey Explorer (WISE) de la NASA, que fue el satélite que lo detectó. En otras palabras, que podía ser el producto “de una base particular de funciones de onda ”, escribieron en Astroparticle Physics ). 

Ahora, un equipo de astrónomos dirigido por el Dr. István Szapudi, del Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai en Manoa, aporta una explicación alternativa para el Punto Frío WMAP que podría ser, según declaraciones de Szapudi en un comunicado de dicha Universidad, "la mayor estructura jamás identificada por la humanidad".

Un supervacío está en medio

La explicación parte de la idea de que el Punto Frío WMAP estaría ocasionado por alguna estructura situada entre nosotros y el fondo cósmico de microondas o CMB. Este hecho indicaría, por tanto, que habría otra estructura extremadamente rara y grande en la distribución de la masa del universo.

Para tratar de constatar esta idea, los científicos utilizaron, además de los datos del WISE, datos del telescopio Pan-STARRS1 (PS1) de Hawai, ubicado en Haleakala, Maui.

A partir de todas estas informaciones encontraron un gran supervacío entre el observador (ellos) y el CMB: una vasta región de 1.800 millones de años luz de  diámetro, en la que la densidad de las galaxias es mucho menor de lo habitual en el universo conocido. Resulta que estudios previos realizados también en Hawai ya habían observado un área de este tipo en la dirección del Punto Frío WMAP, aunque mucho más pequeña. 

El supervacío recién hallado se encuentra a unos tres mil millones de años luz de  nosotros, una distancia relativamente corta en el esquema cósmico de las cosas.

¿Qué tiene que ver?

¿Pero cómo esta estructura puede determinar las características del Punto Frío WMAP? Los científicos de la Universidad de Hawai lo explican de la siguiente forma: Imagine que hay un enorme vacío, con muy poca materia, entre usted y el CMB.

Ahora piense en ese supervacío como en una colina. A medida que la luz lo atraviesa, esta debe subir la colina (gastando energía). Si el universo no estuviera sufriendo una expansión acelerada, el supervacío no evolucionaría de manera significativa a medida que la luz lo atraviesa. Por tanto, cuando la luz descendiera la colina por el otro lado, recuperaría la energía que perdió al subirla, a medida que sale.

Pero, como el universo se está expandiendo continuamente y, además, esa expansión está acelerada; la colina se va estirando a medida que la luz se desplaza por ella. Como consecuencia, la colina es más plana cuando la luz desciende por ella que cuando la subió, lo que tiene como consecuencia que la luz no pueda recoger toda la energía que perdió antes. Así que sale del supervacío con menos energía y, por tanto, con una mayor longitud de onda, esto es, con una temperatura más fría.

Este proceso explicaría por qué el Punto Frío WMAP “parece” más frío de lo que cabría esperar. Se debe tener en cuenta que los fotones o partículas de luz del CMB fluctúan –según el efecto mensurable Sachs-Wolfe integrado o ISW- esto es, que el espectro del CMB puede parecer desigual. También que atravesar un supervacío puede llevar millones de años, incluso a la velocidad de la luz, tiempo suficiente para que la "colina se aplane". 

Otro vacío en la constelación de Draco

Aunque la existencia del supervacío y su supuesto efecto sobre el CMB no expliquen totalmente el Punto Frío WMAP, lo cierto es que resulta poco probable que sea una coincidencia que ambos se encuentren en el mismo lugar, explican los investigadores.

El equipo continuará su trabajo a partir de datos mejorados, tanto para profundizar en la comprensión del supervacío recién hallado, como para estudiar otro gran vacío situado cerca de la constelación de Draco.

 

Primera imagen de la luz comportándose como onda y partícula al mismo tiempo

Científicos suizos consiguen reflejar esta naturaleza dual mediante el uso de electrones (Fuente: EPFL, Escuela Politècnica de Lausana, Suiza, T21)

 

La luz se comporta por igual como partícula y como onda. Desde la época de Einstein, los científicos han estado tratando de observar directamente estos dos aspectos de la luz al mismo tiempo. Ahora, científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza) han conseguido captar la primera instantánea de este comportamiento dual, mediante el uso de electrones. La mecánica cuántica nos dice que la luz puede comportarse al mismo tiempo como partícula y como onda. Sin embargo, nunca ha habido un experimento capaz de capturar ambas naturalezas de la luz al mismo tiempo; el más cercano que hemos llegado es verla como onda o como partícula, pero siempre en momentos diferentes. Adoptando un enfoque experimental radicalmente diferente, científicos de la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) han sido capaces de tomar la primera instantánea de la luz comportándose como onda y partícula a la vez. La novedosa investigación se publica en Nature Communications.

 Cuando la luz ultravioleta golpea una superficie de metal, causa una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" proponiendo que la luz -que se pensaba que era solamente una onda- es también un flujo de partículas. A pesar de que una gran variedad de experimentos han observado con éxito tanto los comportamientos de onda como los de partícula, nunca han podido observar ambos al mismo tiempo.
 

Un nuevo enfoque en un efecto clásico
 

Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone ha llevado a cabo un experimento con un giro astuto: Usar electrones para obtener una imagen de la luz. Los investigadores han capturado, por primera vez en la historia, una sola instantánea de la luz comportándose simultáneamente como una onda y como una corriente de partículas. El experimento se ha configurado así: Un pulso de luz láser es disparado hacia un pequeño nanocable metálico. El láser añade energía a las partículas cargadas del nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este pequeño cable en dos direcciones posibles, como los coches en una autopista. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva onda que parece que está detenida. Esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.

 

El truco del experimento

 

 Aquí es donde viene el truco del experimento: Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca del nanocable, usándolos para obtener una imagen de la onda estacionaria de luz. A medida que los electrones interactuaban con la luz confinada en los nanocables, o bien se aceleraban o se ralentizaban. Utilizando el microscopio ultrarrápido para obtener una imagen de la posición en la que se producía este cambio de velocidad, el equipo de Carbone pudo visualizar la onda estacionaria, que actuaba como una huella dactilar de la naturaleza ondulatoria de la luz. Si bien este fenómeno muestra la naturaleza de onda de la luz, demuestra simultáneamente su aspecto de partícula también. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de luz, "golpean" a las partículas de la luz, los fotones. Como se mencionó anteriormente, esto afecta a su velocidad, por lo que se mueven más rápido o más lento. Este cambio en la velocidad aparece como un intercambio de "paquetes" (cuantos) de energía entre electrones y fotones. El simple hecho de que existan estos paquetes de energía muestra que la luz del nanocable se comporta como una partícula. "Este experimento demuestra que, por primera vez en la historia, podemos filmar la mecánica cuántica -y su naturaleza paradójica- directamente", afirma Carbone en la nota de prensa de la EPFL. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y de las tecnologías del futuro. Como explica Carbone: "Ser capaces de obtener una imagen y de controlar los fenómenos cuánticos en la escala nanométrica como hemos hecho abre una nueva ruta hacia la computación cuántica." El trabajo es una colaboración entre el Laboratorio de Microscopía Ultrarrápida y Dispersión de Electrones de la EPFL, el Departamento de Física del Trinity College (Estados Unidos) y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
 

Explicación plausible sobre origen de la materia en el cosmos
El campo de Higgs habría propiciado el ‘dominio’ de las partículas sobre las antipartículas, tras el Big Bang (Fuente: Universidad de California Los Ángeles UCLA y Physical Review Letters, T21)

 

¿Por qué existe la materia si, al principio del universo, había la misma cantidad de materia que de antimateria, y ambas tienden a destruirse mutuamente? La explicación podría estar en el campo cuántico de Higgs. Según investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), dicho campo habría provocado un pequeño exceso de partículas de materia sobre la cantidad de antipartículas; un exceso que dio origen a estrellas, planetas y gases.

Se cree que, tras el Big Bang, la gran explosión que dio origen al Universo, había un equilibrio entre las partículas elementales (protones, electrones, etc.) y sus correspondientes antipartículas, que son como las primeras en masa y espín (momento angular), pero se diferencian de ellas en su carga eléctrica.

 Sin embargo, con el paso del tiempo, ocurrió algo que aún resulta desconcertante para los cosmólogos: que las partículas “ganaron” a las antipartículas. Es decir, que la materia prevaleció sobre la antimateria. Por eso, en el universo existen hoy estrellas y planetas.

 Los científicos no han encontrado nunca la explicación a esta primacía. Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de California en Los Ángeles ofrece una posible solución al misterio.

 

La clave: el campo de Higgs  

 

Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía de dicha Universidad, y sus colaboradores proponen que esta asimetría materia-antimateria podría estar relacionada  con el bosón de Higgs, partícula propuesta teóricamente hace medio siglo, y cuya existencia fue finalmente constatada en 2012, en experimentos realizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
  
 Más concretamente, estaría vinculada a lo que se conoce como campo de Higgs, que es un campo cuántico que, según el modelo estándar de física de partículas, hace que todas las partículas adquieran masa.
  
 En los momentos posteriores al Big Bang, según Kusensko y sus colaboradores, el campo de Higgs habría sido mucho mayor de lo que es actualmente, y habría propiciado que hubiese un pequeño exceso de partículas de materia sobre la cantidad de antipartículas. En otras palabras, habría favorecido que las masas de las partículas y de las antipartículas fueran temporalmente desiguales.  
  
 De esta forma, y a pesar de que siempre que una partícula y una antipartícula se encuentran desaparecen emitiendo dos fotones o un par de otras partículas, un pequeño número de partículas consiguió ‘sobrevivir’, para dar lugar a las estrellas, los planetas, y el gas del universo actual. Todo esto ocurrió a medida que el universo, en sus estadios iniciales, se enfriaba.
  
Época importante en la evolución del cosmos
  
 El planteamiento de los físicos de la UCLA es consistente con los resultados obtenidos en el LHC, que han señalado que el campo de Higgs, en los primeros momentos tras el Big Bang, era mucho más grande que su "valor de equilibrio” actual.
  
 Posteriormente, se habría producido una relajación de este campo cuántico, que pasó de su gran valor tras el Big Bang hasta el mínimo del potencial efectivo del presente. Esta etapa habría sido clave en la evolución del Universo, explican los investigadores en un artículo publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters.

El tiempo a nivel cuántico corre hacia atrás y hacia adelante indistintamente

Un experimento observa que los sistemas microscópicos contienen información del futuro, y no sólo del pasado (fuente: T21, Physical Review Letters)

En la mecánica cuántica, el tiempo va tanto hacia adelante como hacia atrás. Así parece demostrarlo un experimento realizado en Estados Unidos, que calculando 'hacia atrás' las probabilidades de que un sistema cuántico esté en un estado concreto de dos posibles, consigue una probabilidad de acierto del 90%, frente al 50% que se considera normal. Eso significa que los sistemas cuánticos contienen información sobre el futuro, al igual que sobre el pasado.

Estamos tan acostumbrados a las novelas policíacas que ni siquiera notamos cómo juegan con el tiempo los autores. Normalmente, el asesinato se produce mucho antes del punto medio del libro, pero hay un apagón informativo en ese punto y el lector no se entera de lo que sucedió hasta la última página. 

Si la última página hubiera sido arrancada del libro, pregunta el físico Kater Murch, ¿estaría el lector más cerca de adivinar lo que pasó leyendo sólo hasta el fatal incidente o leyendo el libro entero? 

La respuesta, tan evidente en el caso de una novela de misterio, no lo es tanto en el mundo de la mecánica cuántica, donde la indeterminación es algo esencial, y no algo forzado para nuestro placer lector. 

Como si lo que hacemos hoy cambia lo que hicimos ayer 

Aunque usted sepa todo lo que la mecánica cuántica puede decir acerca de una partícula cuántica, dice Murch, profesor ayudante de física en la Universidad de Washington en St. Louis (Missouri, EE.UU.), no se puede predecir con certeza el resultado de un experimento sencillo para medir su estado. Todo lo que la mecánica cuántica puede ofrecer son las probabilidades estadísticas de los posibles resultados. 

El punto de vista ortodoxo es que esta indeterminación no es un defecto de la teoría, sino un hecho de la naturaleza. El estado de la partícula no es simplemente desconocido, sino realmente indefinido antes de que se mida. El acto de la medición en sí obliga a la partícula a caer en un estado definido. 

En un artículo que se publicará este jueves en la revista Physical Review Letters, Kater Murch describe una forma de reducir las probabilidades. Mediante la combinación de información sobre la evolución de un sistema cuántico después de un tiempo objetivo con la información sobre su evolución hasta ese momento, su laboratorio fue capaz de reducir las probabilidades de adivinar correctamente el estado de un sistema de dos estados desde un 50-50 a un 90-10. 

Es como si lo que hiciéramos hoy cambiara lo que hicimos ayer. Y como esta analogía sugiere, los resultados experimentales tienen consecuencias espeluznantes para el tiempo y la causalidad, por lo menos en el mundo microscópico al que se aplica la mecánica cuántica. 

Medir un fantasma 

Hasta hace poco tiempo, los físicos podían explorar las propiedades mecánico-cuánticas de las partículas individuales sólo a través de experimentos de pensamiento, porque cualquier intento de observar directamente hacía que perdieran sus misteriosas propiedades cuánticas. 

Pero en los años 1980 y 1990 los físicos inventaron dispositivos que les permitieron medir estos frágiles sistemas cuánticos tan suavemente que no colapsan de inmediato a un estado definido. 

El dispositivo que utiliza Murch para explorar el espacio cuántico es un circuito superconductor simple que entra en el espacio cuántico cuando se enfría hasta cerca del cero absoluto. 

El equipo de Murch utiliza los dos niveles de energía inferiores de este qubit, el estado fundamental y un estado excitado, como su sistema cuántico modelo. Entre estos dos estados, hay un número infinito de estados cuánticos que son superposiciones, o combinaciones, de los estados fundamental y excitado. 

El estado cuántico del circuito se detecta al ponerlo dentro de una caja de microondas. Unos pocos fotones de microondas se envían a la caja, donde sus campos cuánticos interactúan con el circuito superconductor. Así que cuando los fotones salen de la caja llevan información sobre el sistema cuántico. 

Básicamente, estas medidas "débiles", no resonantes, no perturban al qubit, a diferencia de las medidas "fuertes" con fotones que están en resonancia con la diferencia de energía entre los dos estados, que hacen que el circuito caiga a uno u otro estado.

Adivinanzas cuánticas 

En el artículo, Murch describe un juego de adivinanzas cuánticas con el qubit. "Empezamos cada ronda poniendo el qubit en una superposición de los dos estados", explica, en la nota de prensa de la universidad, recogida por Newswise. "Luego hacemos una medida fuerte pero ocultamos el resultado, y seguimos haciendo medidas débiles del sistema." 

A continuación, tratan de adivinar el resultado oculto, que es su versión de la página que falta en la novela de misterio. "Calculando hacia adelante, es decir, utilizando la regla de Born, que expresa la probabilidad de encontrar el sistema en un estado concreto, las probabilidades de acertar son sólo 50-50", explica Murch. "Pero también se puede calcular hacia atrás usando algo llamado una matriz efecto. Basta con coger todas las ecuaciones y darles la vuelta. Siguen funcionando y se puede volver atrás en la trayectoria". 

"Así que hay una trayectoria hacia atrás y otra hacia adelante, y si nos fijamos en los dos a la vez y damos igual importancia a ambas informaciones, obtenemos algo que llamamos una predicción retrospectiva, o retrodicción. 

Lo demoledor de la retrodicción es que tiene un 90 por ciento de precisión. Cuando los físicos cotejan sus resultados con la medición almacenada del estado anterior del sistema acierta nueve de cada 10 veces. 

En la madriguera del conejo 

El juego de adivinanzas cuánticas sugiere maneras de hacer que tanto la computación cuántica como el control cuántico de sistemas abiertos, como las reacciones químicas, sean más robustos. Pero también tiene implicaciones para problemas mucho más profundos de la física. 

Por un lado, se sugiere que el tiempo del mundo cuántico se dirige tanto hacia atrás como hacia adelante, mientras que en el mundo clásico sólo se ejecuta hacia adelante. 

"Siempre pensé que la medida resolvería la simetría del tiempo en la mecánica cuántica", afirma Murch. "Si medimos una partícula en una superposición de estados y cae en uno de dos estados, bueno, eso suena como un proceso que va hacia adelante en el tiempo." 

Pero en el juego de adivinanzas cuánticas, la simetría del tiempo ha vuelto. La capacidad mejorada de acierto implica que el estado cuántico medido incluye información sobre el futuro igual que sobre el pasado. Y eso implica que el tiempo, claramente una flecha en el mundo clásico, es una flecha de dos puntas en el mundo cuántico. 

"No está claro por qué en el mundo real, el mundo hecho de muchas partículas, el tiempo sólo va hacia adelante y la entropía siempre aumenta", reconoce Murch. "Pero mucha gente están trabajando en ese problema y espero que sea resuelto en unos pocos años". 

Causa y efecto 

En un mundo donde el tiempo es simétrico, ¿hay tal cosa como causa y efecto? Para averiguarlo, Murch propone ejecutar un experimento con qubits que establezca circuitos de retroalimentación (que son cadenas de causa y efecto) y tratar de ejecutarlos tanto hacia delante como hacia atrás. 

"Se tarda 20 o 30 minutos en ejecutar uno de estos experimentos", afirma Murch, "varias semanas en procesarlos, y un año en rascarse la cabeza para ver si estamos locos o no". "Al final del día me consuela el hecho de que tenemos un experimento real y datos reales que representamos en curvas reales."

Patrón matemático común revela paralelismos entre el crecimiento de las cuidades y las galaxias en formación

Un estudio realizado por científicos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (EEUU) con nuevos modelos matemáticos ha revelado que existe un paralelismo notable entre la manera en que los humanos levantan sus ciudades y la manera en que se formaron las galaxias en el universo primitivo. (Fuente: T21, Centro de Astrofísica Hardvard-Smithsonian, MIT Technology Review)

La llamada Ley de Zipf reveló en la década de 1940 que sistemas como las lenguas o las ciudades no se organizan de manera completamente aleatoria.

En la década de 1940, un lingüista de la Universidad de Harvard llamado George Kingsley Zipf, analizando la lengua inglesa, se dio cuenta de que la frecuencia con que en esta aparecen las palabras no es aleatoria, sino que obedece a una ley empírica.

La formulación de la Ley de Zipf señala que el segundo elemento más reiterado de un idioma se repetirá aproximadamente con una frecuencia de 1/2 con respecto al primero (en inglés, the); y el tercer elemento con una frecuencia de 1/3… y así sucesivamente.  

La Ley de Zipf ha sido desde entonces aplicada a diversos sistemas, y no solo las lenguas. Economistas como Paul Krugman y Xavier Gabaix la han aplicado, por ejemplo, a las ciudades.

Así se ha demostrado que, si la ciudad más grande de Estados Unidos tiene una población de ocho millones de personas, la segunda ciudad más grande tendrá una población de cuatro millones (8/2); y la tercera tendrá una población de 8/3 millones, etc. Y que, si las ciudades se ordenasen por tamaños, el rango de cada ciudad sería inversamente proporcional al número de personas que en ella habitasen.

Comportamiento humano y galáctico

¿Por qué se da esta pauta en los sistemas? Hasta ahora no se sabía la razón. Ahora, dos investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (EEUU) llamados Henry Lin y Abraham Loeb parecen haber encontrado una respuesta al misterio en las matemáticas.

A partir de un nuevo modelo, Lin y Loeb han descubierto que existe un paralelismo notable entre la manera en que los humanos levantan sus ciudades terrestres y la manera en que se forman las galaxias en el cosmos. Ambos procesos, aseguran, son matemáticamente equivalentes, lo que implicaría que en ambos sistemas funciona un mismo principio unificador.

Para llegar a esta conclusión, “consideramos la densidad poblacional como la cantidad fundamental, y pensamos en la ciudades como en objetos que se forman cuando la densidad de población excede un umbral crítico”, explican los investigadores en un artículo recogido por arXiv.

Lo que se desveló es que las ciudades se forman por variaciones en la densidad de población similares a las variaciones en la densidad de materia que dieron lugar a las galaxias en el universo primitivo, publica MIT Techonology Review. En otras palabras, que el comportamiento humano a escala masiva sigue el mismo patrón que el crecimiento de las galaxias.