La comunidad física descubrió supersólidos extraños, construyó nuevos tipos de superconductores y continuó sosteniendo que el cosmos es mucho más extraño de lo que nadie sospechaba.

Un artículo de Natalie Wolchover. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

¿Se recordará 2024 como un año emblemático en la búsqueda de la comprensión del universo o como un año mediocre? Eso depende de si un resultado de esta primavera resulta ser real.

En abril, los físicos detectaron un indicio de una señal que sugería que la energía oscura, la misteriosa energía del espacio mismo, podría estar debilitándose. “Indicio” es el término preferido porque la señal en los cielos no es lo suficientemente robusta como para ser llamada “evidencia”, por no hablar de “descubrimiento”. Los astrofísicos utilizaron el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés) para mapear millones de galaxias a diferentes distancias en el espacio y el tiempo, y a partir de este mapa dedujeron cómo se ha expandido el universo a lo largo de su historia. Los datos confirmaron, como sabemos desde 1998, que la expansión del cosmos se está acelerando, impulsada por lo que llamamos energía oscura. Pero los datos del DESI insinúan que la tasa de aceleración habría estado disminuyendo.

Si la energía oscura es una fuente de energía que puede diluirse, cambiaría radicalmente y profundizaría la comprensión de los físicos sobre las leyes fundamentales del universo. “De ser cierto, sería la primera pista real que hemos obtenido sobre la naturaleza de la energía oscura en 25 años”, comenta a Quanta Adam Riess, uno de los descubridores de la energía oscura y ganador del Premio Nobel. Los físicos teóricos están ocupados tratando de explicar por qué la energía oscura podría cambiar, mientras DESI registra más datos para una evaluación más definitiva en los próximos años.

La materia oscura ha muerto, larga vida a la materia oscura

En la búsqueda de los componentes invisibles del universo, la materia oscura alcanzó un hito desalentador. Los experimentadores que buscaban hipotéticas partículas de materia oscura conocidas como WIMP (partículas pesadas e inertes que durante mucho tiempo se consideraron las principales candidatas para la materia no reflectante que flota en las galaxias y sus alrededores) llegaron a un límite. Los detectores se han vuelto tan sensibles que ahora captan el brillo de los neutrinos del sol, lo que los ciega a cualquier señal más sutil. «Así que ese viene a ser el final de la era de detección de WIMP», nos explica la física de la Universidad de Stanford Natalia Toro.

Ella y otros cazadores de materia oscura han cambiado de rumbo y ahora buscan nuevos candidatos para la materia oscura, especialmente partículas ligeras pero abundantes que se presentarían en múltiples especies. «La hipótesis más común es que esto es de alguna forma simple. ¿Por qué narices deberíamos esperar esto?», comenta Philip Schuster, también físico de Stanford, expresando un sentimiento cada vez más común entre los especialistas.

Para que nadie sospeche que la materia oscura es el epiciclo ptolemaico del siglo XXI (un modelo del universo en el que se ha creído durante mucho tiempo, pero que es enrevesado y, en última instancia, erróneo), los astrónomos han descubierto una nueva razón para pensar que realmente existe. El hallazgo, un objeto llamado MACS J0018.5, ha resultado tan convincente que la gente se refiere a él como el nuevo cúmulo Bullet. En el cúmulo Bullet original (considerado durante mucho tiempo como una de las piezas de evidencia más persuasivas de la existencia de la materia oscura) vemos dos enormes cúmulos de galaxias chocando entre sí. El gas que colisiona brilla intensamente en el centro del lugar del choque, pero la mayor parte de la materia ha pasado de largo, formando manchas pesadas que distorsionan la luz a ambos lados. Así es como se comportarían las partículas de materia oscura, porque no interactúan (o apenas lo hacen).

MACS J0018.5 es similar, excepto que los cúmulos de galaxias se están fusionando a lo largo de nuestra línea de visión. Los investigadores apuntaron un radar hacia ellos y descubrieron que su gas visible se ha ralentizado a medida que choca, mientras que la mayor parte de la masa se mueve más rápido, sin impedimentos por la colisión.

Estos cúmulos fusionados son difíciles de explicar sin invocar el tipo de partículas invisibles que estamos buscando.

Descubrimientos astronómicos

El cielo nocturno guarda muchos secretos. El telescopio espacial James Webb, el buque insignia de la astronomía moderna, ha revelado algunos más este año, en particular en sus observaciones de objetos lejanos de los primeros mil millones de años del universo. Galaxias con forma de plátano, pequeños puntos rojos, cúmulos con forma de uva, agujeros negros jóvenes sorprendentemente grandes: los astrofísicos están disfrutando con la “bella confusión” de esta época formativa de la historia cósmica.

The Webb telescope also enabled a precise new measurement of the universe’s expansion rate, deepening a puzzle known as the Hubble tension. Meanwhile, other telescopes revealed the largest magnetic fields in the universe, hidden organic molecules and the clumpiness of the cosmos itself.

El telescopio Webb también permitió una nueva y precisa medición de la tasa de expansión del universo, complicando un rompecabezas conocido como la tensión de Hubble. Mientras tanto, otros telescopios descubrieron los campos magnéticos más grandes del universo, moléculas orgánicas ocultas y la grumosidad del propio cosmos.

Días felices en el laboratorio

Pasando de los muy grande a lo muy pequeño, los físicos que manipulan átomos, moléculas y cristales en el laboratorio han pasado el año 2024 en un frenesí de nuevos descubrimientos, y han alcanzado niveles asombrosos de precisión y control sobre sus canteras cuánticas. Un equipo de Innsbruck creó un estado exótico de la materia, predicho hace tiempo, llamado supersólido, e incluso obtuvo imágenes de los característicos “tornados cuánticos” que se formaron al agitar un cristal rígido de átomos de disprosio. Los astrofísicos sospechan que esta fase supersólida podría surgir en el interior de estrellas increíblemente densas y de rápida rotación llamadas púlsares.

Mientras tanto, los físicos de la materia condensada que estudian materiales bidimensionales (es decir, láminas cristalinas de átomos) descubrieron tres nuevos tipos de superconductividad este año, al tiempo que reflexionaban sobre una extraña fase cuántica de la materia en la que partículas emergentes que poseen carga fraccionaria fluyen alrededor del borde del cristal. Todavía no se sabe si estas fases resultarán tecnológicamente útiles, pero ese es siempre el sueño.

Otros laboratorios han logrado avances en la codificación y manipulación de información en conjuntos de átomos. Los ordenadores cuánticos de átomos neutros, que una vez fueron un método poco utilizado en la computación cuántica, parecen haber pasado de repente a ocupar un lugar destacado. En noviembre, estos dispositivos en ascenso proporcionaron un resultado histórico: lograron un cálculo lógico resistente al ruido o “tolerante a fallos”.

Además, durante décadas, los físicos han intentado determinar con precisión la energía de una transición nuclear especial en el torio, sabiendo que podría servir como herramienta para investigar las fuerzas fundamentales que unen al universo. Este año, tres grupos diferentes lograron finalmente medir esta transición del “reloj nuclear”, que planean monitorear para buscar variaciones en la intensidad de esas fuerzas fundamentales.

Un vistazo más allá del espacio-tiempo

Los físicos teóricos han logrado avances de tipo más abstracto. Han desarrollado un nuevo lenguaje geométrico para predecir los resultados de las interacciones entre partículas. Tradicionalmente, utilizan ecuaciones que describen estas interacciones como eventos dinámicos que se desarrollan en el espacio y el tiempo según las reglas cuánticas. Con el nuevo método, las respuestas parecen surgir de conjuntos de curvas en superficies. Estos descubrimientos innovadores forman parte de un esfuerzo por descubrir las bases fundamentales del espacio y el tiempo en sí mismos, el tema de “El desenlace del espacio-tiempo”, un número especial de nueve partes que publicamos en septiembre [en Quanta Magazine].

Para profundizar aún más en un tema deliciosamente profundo, consulte nuestra exploración multimedia de la entropía, que examina cómo la comprensión evolutiva de esta variable ha reformulado el propósito de la ciencia y nuestro papel en el universo.

Todos enfurecidos

Las discusiones relacionadas con la física en X (antes conocida como Twitter) son pálidas sombras de lo que solían ser, pero se generó una animada charla a partir de una noticia de física, cuando Scientific American informó que un experimento de física cuántica había detectado evidencia de «tiempo negativo». ¿Qué se supone que significa esto exactamente? ¿Realmente algo había tardado menos que nada de tiempo? No exactamente. En el mundo cuántico, las palabras a menudo fallan.

Lo que ocurrió fue que los físicos de la Universidad de Toronto dispararon fotones hacia una nube de átomos de rubidio. Cada fotón podía excitar un átomo de la nube, o atravesarla sin interactuar, o ambas cosas. Estas posibilidades cuánticas interferían como dos ondas. Entonces los investigadores pudieron determinar que algunos fotones atravesaban la nube de átomos más rápido cuando eran absorbidos y reemitidos que cuando no lo eran, lo que implicaba un “tiempo de permanencia negativo”, como si estos fotones excitaran a los átomos durante un tiempo negativo, pero, de nuevo, son solo palabras. “Estamos midiendo una duración, no algo que termina antes de empezar”, intentó explicar uno de los investigadores involucrados en X.

En octubre, también hubo sorpresa cuando el Premio Nobel de Física 2024 fue otorgado a pioneros de la inteligencia artificial, una tecnología que, a primera vista, parece no tener relación con las leyes de la naturaleza. “Estoy estupefacto”, dijo a Science uno de los galardonados, el científico informático Geoffrey Hinton. Sin embargo, en la década de 1980, él y el otro ganador, John Hopfield, modelaron sus rudimentarias redes neuronales artificiales basándose en sistemas de física estadística.

Algunos físicos estadísticos se mostraron satisfechos con la atención que se ha prestado a sus oscuras investigaciones sobre el comportamiento de sistemas compuestos por muchas partes. “Para nosotros, es algo fantástico”, declaró Aurélien Decelle a Science. “Es un reconocimiento a un nivel más amplio de que lo que estamos haciendo es muy importante”.

El artículo original, The Year in Physics, se publicó el 17 de diciembre de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López