Una nueva teoría sobre nudos invisibles en el universo primitivo podría explicar por qué existe la materia (y nosotros con ella)

Cuando se habla de nudos, la mayoría piensa en cuerdas, lazos marineros o cordones que se resisten a desatarse. Sin embargo, la ciencia ha demostrado que los nudos son mucho más que un pasatiempo manual. En matemáticas se estudian como estructuras topológicas y en física aparecen en fluidos, campos magnéticos e incluso en el ADN. La característica que los define es su estabilidad topológica, es decir, la imposibilidad de deshacerlos sin cortar o atravesar las hebras. Ahora, un grupo de físicos teóricos ha dado un paso inesperado: proponen que en el universo primitivo también existieron nudos invisibles, formados no de cuerdas comunes sino de campos cuánticos.

El hallazgo procede de un trabajo firmado por investigadores de Japón y Alemania, publicado en Physical Review Letters. Según explican, han demostrado por primera vez que los nudos pueden surgir como solitones estables en un modelo realista de física de partículas. Dicho modelo incluye el axión de la cromodinámica cuántica y los neutrinos diestros, dos elementos muy buscados para explicar fenómenos que el modelo estándar aún no resuelve. Los autores escriben: “Sugerimos que, durante el universo temprano, pudo existir una ‘era dominada por nudos’, en la que estos habrían sido un componente esencial del cosmos”.

De los cordeles a la física de partículas

Los nudos han acompañado a la física durante más de un siglo. En el siglo XIX, Lord Kelvin defendió la idea de que los átomos eran nudos de un supuesto “éter”, una hipótesis errónea pero que impulsó el desarrollo de la teoría de nudos. Desde entonces, los científicos los han encontrado en fluidos, plasmas, superconductores y materiales complejos. En todos los casos, lo fascinante es su resistencia: al igual que un lazo marinero no se deshace sin cortar la cuerda, estos nudos físicos se mantienen porque la geometría los protege.

El nuevo estudio lleva esa idea mucho más lejos. Los autores muestran que, en un modelo con dos tipos de cuerdas —una “local” con flujo magnético, similar a los superconductores, y otra “global” como los vórtices de un superfluido—, al enlazarse pueden dar lugar a un nudo estable. “Cuando estos dos tipos de cuerdas están entrelazados, forman solitones de nudos estables”. Esto significa que la naturaleza podría haber tejido literalmente nudos invisibles en los primeros instantes del universo.

Cómo se forman los nudos cósmicos

El trabajo describe de manera técnica cómo aparecen estas estructuras. Cuando se rompen ciertas simetrías fundamentales, surgen cuerdas topológicas. Al enlazarse, la interacción cuántica entre los campos hace que el nudo no se deshaga y se estabilice. Las simulaciones realizadas por los autores muestran configuraciones en las que un lazo de una cuerda se enlaza con varios de la otra, creando nudos con diferentes números de enlace.

Un aspecto clave es que estos nudos adquieren carga eléctrica a través de un mecanismo conocido como acoplamiento de Chern-Simons. Este fenómeno evita que las cuerdas colapsen y, en palabras de los investigadores, “los lazos individuales de cuerdas son inestables y tienden a encogerse, pero al enlazarse generan campos eléctricos que estabilizan el nudo”. Gracias a este efecto, el nudo se convierte en una entidad duradera y no en una configuración efímera.

Nudos y el origen de la materia

Más allá de la teoría, la propuesta tiene consecuencias profundas para la cosmología. Uno de los grandes enigmas actuales es el desequilibrio entre materia y antimateria. El universo debería contener cantidades iguales de ambas, pero la realidad es distinta: domina la materia, y eso explica que existan estrellas, planetas y vida.

Los físicos sugieren que los nudos cósmicos pudieron tener un papel decisivo. Según el artículo, el colapso de los nudos a través de túneles cuánticos “conduce a la generación de la asimetría materia-antimateria observada en el universo”. Dicho de otro modo, estos nudos invisibles pudieron ser el motor que inclinó la balanza a favor de la materia, haciendo posible nuestra existencia.

Una “era de nudos” en el universo temprano

El artículo describe un escenario sorprendente: tras el Big Bang, cuando las temperaturas eran altísimas, se formaron cuerdas que se entrelazaron con cierta probabilidad. El resultado fue una abundancia de nudos estables. Su presencia llegó a ser tan importante que los investigadores hablan de una “era dominada por nudos”.

Durante este periodo, la energía de los nudos superó a la de la radiación que llenaba el universo. Con el tiempo, al desintegrarse por efectos cuánticos, liberaron su energía y devolvieron el protagonismo a la radiación. Según el trabajo, este proceso de decaimiento podría haber rehecho el universo y contribuido a la producción de neutrinos pesados, clave para explicar la asimetría cósmica.

Detectar huellas en las ondas gravitacionales

Una de las propuestas más llamativas es que este escenario puede ponerse a prueba con observaciones. Los nudos, al dominar durante una etapa, habrían dejado su huella en el espectro de ondas gravitacionales. El artículo muestra simulaciones en las que las curvas predicen desviaciones detectables por observatorios actuales y futuros, como LISA, Cosmic Explorer o el radiotelescopio SKA.

Los autores destacan que esta es una ventaja frente a otras hipótesis. Afirman que “la existencia de la era dominada por nudos puede observarse en términos de ondas gravitacionales”. En otras palabras, si los detectores no encuentran las señales predichas, la teoría podría descartarse. Esto convierte a la propuesta en falsable, algo muy valioso en ciencia.

Más allá del modelo estándar

El estudio también se conecta con la física de partículas más allá del modelo estándar. Introduce dos simetrías: la Peccei-Quinn, relacionada con el axión —una partícula candidata a explicar la materia oscura—, y la B−L, vinculada con los neutrinos diestros. Ambas son consideradas extensiones elegantes y bien motivadas del modelo estándar, porque permiten abordar problemas como el de la masa diminuta de los neutrinos o la ausencia de violación CP fuerte.

Lo notable es que este mismo marco da lugar a los nudos cósmicos. Así, una misma propuesta intenta resolver varios de los misterios fundamentales de la física: la materia oscura, la asimetría cósmica y el papel de los neutrinos. Para los investigadores, integrar todos estos elementos en un modelo coherente es una prueba de la solidez de su planteamiento.

El futuro de los nudos en física

El artículo concluye con una reflexión sugerente. Kelvin pensó que los átomos eran nudos, una idea equivocada que, sin embargo, sembró un campo de estudio. Hoy, más de un siglo después, los físicos vuelven a los nudos, no como átomos sino como actores cósmicos. “Nuestros resultados proporcionan, por primera vez, un modelo realista en el que los nudos pueden desempeñar un papel crucial en el origen de la materia”.

Queda mucho por hacer, puesto que los propios autores reconocen que hacen falta modelos más completos, posiblemente integrados en teorías de gran unificación. También habrá que comprobar si los parámetros elegidos en las simulaciones corresponden a valores realistas en el cosmos. Pero el paso dado es notable: han abierto un camino en el que los nudos ya no son una curiosidad matemática, sino un elemento con capacidad de explicar nuestra propia existencia.

Cortesía de Muy Interesante

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