El Universo está realmente reflejado en un grano de arena

Los granos de arena se comportan en determinadas condiciones de la misma forma que los plasmas exóticos que existían en los primeros momentos del universo, han descubierto científicos de la Universidad de Chicago.

En un estudio publicado en Physical Review Letters, estos científicos explican que han realizado una variante de un experimento llevado a cabo en 1883, que describía cómo el agua toma la forma de una campana cuando se vierte sobre un objeto plano, estrecho y circular.

En esta ocasión, los físicos en vez de verter agua utilizaron un pequeño flujo de granos de vidrio y cobre y comprobaron que también forman una campana al ser vertidos sobre un objeto plano, estrecho y circular.

Lanzaron masas compactas de cristal y gotas de cobre a través de un tubo sobre un objeto plano y encontraron que las colisiones rápidas de partículas densamente empaquetadas producen el estado líquido que se puede observar poco después, cuando todo se derrama.

Este resultado, aunque interesante, no es muy sorprendente, ya que se ha comprobado que en determinadas condiciones algunos gránulos se comportan como si fueran líquidos. Lo sorprendente del experimento de Chicago es que los gránulos de vidrio y cobre del experimento no sólo se comportaron como líquidos, descubrieron estos científicos.

Arena cuántica

En realidad, tal como explica la Universidad de Chicago en un comunicado, estos gránulos de vidrio y cobre se comportaron de manera parecida a como lo hacen los átomos de oro en un acelerador de partículas, que alcanzan velocidades próximas a la de la luz (300.000 kilómetros por segundo).

Es decir, estos científicos han descubierto que los gránulos de vidrio y cobre muestran estructuras similares a las que manifiestan las partículas elementales en el Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory (RHIC) cuando colisionan entre sí.

El RHIC, un simulador de 500 millones dólares, reproduce plasma de quark-gluón (QGP), una forma de la materia que se piensa existió por última vez inmediatamente después el Big Bang, en los primeros instantes del Universo.

La paradoja es que en los experimentos de Chicago sólo se lanzaron chorros de gránulos sobre un objetivo plano a no más de 19 km/h, a pesar de lo cual manifiestan un comportamiento idéntico al que desarrollan partículas elementales a velocidades próximas a la de la luz. Esta es la sorpresa.

Sorpresa porque en el universo de los quark-gluon se aplican las leyes de la física cuántica y no las leyes de la física ordinaria que rigen los objetos como los gránulos de vidrio y cobre del experimento de Chicago.

Frontera difusa

¿Cómo es posible, se preguntan estos físicos, que los granos de arena del experimento muestren comportamientos cuánticos? En cierto sentido, señalan, los límites entre el universo físico y el cuántico a veces se confunden. Y este es uno de los casos en que esta frontera parece diluirse.

Para evitar distorsiones, el equipo de Chicago llevó a cabo el experimento en condiciones que garantizan que las interacciones entre las partículas granulares y el aire no afectaría a los resultados del experimento.

“La naturaleza gasta bromas y sabe como gastarlas una y otra vez”, declaró uno de los autores de la investigación, Sidney Nagel. "Esto es lo más asombroso de la física. Las leyes que hay a un nivel, realmente son las mismas que se repiten a otros niveles, o por lo menos influencian lo que ocurre a otros niveles.”.

Añade que quizás esta investigación siente las bases de nuevas explicaciones sobre el universo primitivo, o ayude a construir los ordenadores cuánticos. En este experimento la ciencia ha encontrado una resonancia cósmica, un motivo repetido en diferentes formas y en diferentes escalas en un mundo aparentemente caótico, concluye Nagel.

Lejos del equilibrio

En el diseño del experimento, el equipo de Chicago abordó una pregunta fundamental sobre el equilibrio: ¿Bajo qué condiciones un conjunto de moléculas, granos de arena u otras partículas se comportan como un líquido?

La ciencia ha logrado hasta ahora una buena comprensión de los sistemas de equilibrio, los cuales son principalmente gobernados por la presión o temperatura. ¿Pero qué sucede con los fenómenos que están alejados de los estados de equilibrio, como un chorro de arena? ¿Qué pasa con el plasma de quark-gluón, esa mezcla de partículas subatómicas que existieron tal vez durante unas pocas millonésimas de segundo después el Bin Bang?

Los sistemas alejados del equilibrio son los que evolucionan hacia un nuevo régimen dinámico, que es radicalmente diferente. “Verdaderamente no sabemos cuáles son las ideas correctas que describen esto”, dijo Nagel. “Nos encanta la física de materia granular porque nos permite una entrada a esta pregunta con experimentos relativamente simples”.

Las partículas macroscópicas y subatómicas a veces se comportan de formas similares. Las partículas del experimento de Chicago eran lo bastante grandes para permitir a los científicos seguir la pista bajo condiciones controladas con precisión, una opción no disponible a escala subatómica, lo que probablemente posibilite nuevos desarrollos de las investigaciones cuánticas.

El Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) es un colisionador de iones instalado y gestionado por el Brookhaven National Laboratory (BNL) en Upton, New York. Utiliza un acelerador de partículas para provocar las colisiones de iones con la finalidad de estudiar las primigenias formas de la materia, así como la estructura de los protones. Nada que ver con el experimento de Chicago, pero…