En la reunión anual de la Sociedad Americana de Astronomía, el 12 de enero, se dieron a conocer los ganadores del Premio de Cosmología Buchalter, una iniciativa que “busca estimular el trabajo teórico, observacional o experimental pionero en cosmología que tenga el potencial de producir un gran avance en nuestra comprensión”. Una vez más, la ciencia local tiene motivos para celebrar y hacernos sentir orgullosos: los ganadores del primer premio, “creado para apoyar el desarrollo de nuevas teorías, observaciones o métodos que pueden ayudar a iluminar el rompecabezas de la expansión cósmica”, fueron el físico teórico uruguayo Rafael Porto y su colega Daniel Green, de la Universidad de California.

Porto y Green se llevaron los 10.000 dólares del primer premio por el artículo que escribieron juntos, titulado “Señales de un universo cuántico”, publicado en la revista Physical Review Letters en junio de 2020. Para el jurado, el trabajo presenta “una forma novedosa y notable de demostrar sin ambigüedades el origen cuántico de la estructura cosmológica a gran escala, lo que a su vez podría conducir a demostrar la naturaleza cuántica de la gravedad”.

Puede sonar rimbombante, pero el juicio no exagera absolutamente nada: en su brillante artículo nuestro compatriota Rafael Porto y su colega proponen, nada más y nada menos, una forma de preguntarle al universo cómo se formó la materia antes de que pasara el primer segundo del Big Bang, el estallido que dio inicio a todo lo que conocemos. Ciencia en la frontera del conocimiento.

Los otros dos trabajos premiados fueron “Parámetros cosmológicos del BOSS Galaxy Power Spectrum”, de Mikhail Ivanov y el argentino Matías Zaldarriaga, quien investiga en el Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de la Universidad de Princeton, Estados Unidos. El mundo es pequeño. O Darwin los cría y ellos se juntan: Rafael Porto fue compañero de Matías Zalarriaga durante su pasaje por el IAS de Princeton. De hecho, Porto nos confesaría luego que la idea del artículo que escribió con Green y que le valiera el galardón se le ocurrió estando en el IAS. El tercer premio fue para Philip Mocz, Anastasia Fialkov, Fernando Becerra, Mustafa Amin, Sownak Bose, Michael Boylan-Kolchin, Pierre Chavanis, Lars Hernquist, Lachlan Lancaster, Federico Marinacci, Víctor Robles y Jesús Zavala por el artículo “Primeras estructuras de formación de estrellas en filamentos cósmicos difusos”. El fundador del premio, el exastrofísico Buchalter, hoy convertido en “emprendedor”, afirmó que “los ganadores del premio 2020 son esfuerzos increíblemente innovadores que presentan nuevas ideas convincentes que pueden hacer evolucionar nuestra comprensión del universo”.

El artículo premiado

Si bien “Señales de un universo cuántico” tiene sus aspectos complejos –qué no lo es donde lo cuántico mete la cola–, es un artículo que al mismo tiempo es diáfano en lo que se propone y presenta a consideración. “Las observaciones cosmológicas sugieren fuertemente que la estructura en el universo se originó a partir de fluctuaciones diminutas presentes en el Universo muy temprano”, afirman Porto y Green. Allí se abren dos posibilidades.

La primera es que esas perturbaciones se produjeron “a través de fluctuaciones de punto cero de la mecánica cuántica en el vacío” y luego se habrían “extendido a largas distancias por una rápida expansión acelerada”, lo que se conoce como la inflación que sucedió al Big Bang y que implica, como se ha observado, que el universo se expande y que las galaxias tienden a alejarse. Pero hay otra posibilidad: “Las observaciones actuales bien podrían explicarse también por “fluctuaciones estadísticas clásicas”. La cuestión no es menor, ya que trata de determinar cómo evolucionó la materia tras esa gran explosión, el Big Bang, que se dio cuando todo el universo y todo lo que contiene estaba concentrado en un diminuto punto de densidad infinita hace unos 15.000 millones de años. El trabajo entonces define un marco y permite “que pueda confrontarse con observaciones futuras” para identificar el origen cuántico de esas fluctuaciones.

Si bien la física teórica puede parecer ardua en ocasiones, como la cosmología atañe al origen del cosmos en el que vivimos, casi siempre quienes se dedican a la disciplina hacen observaciones atractivas que mezclan ciencia y filosofía. Por ejemplo, en un pasaje del artículo Porto y Green dicen: “Desafortunadamente, uno no puede simplemente realizar experimentos con todo el universo. Solamente podemos observar el que habitamos”.

Por eso, a pesar de largos intentos a lo largo de la historia, “hasta ahora ha habido un progreso limitado en la identificación de conexiones observacionales entre el estado inicial cuántico y el universo clásico que observamos hoy”. Su aporte: “Una predicción comprobable de la naturaleza cuántica de las fluctuaciones primordiales”.

Como si este artículo fuera poco, Porto tuvo un año ajetreado: en 2020 publicó, en colaboración con otros colegas, cinco trabajos más en revistas científicas de relevancia.

Nace una estrella

Rafael Porto investiga en el departamento de Física de Astropartículas del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en Hamburgo, Alemania. Pero su carrera en la física de partículas y teórica comenzó en la calle Tristán Narvaja, cuando la Facultad de Ciencias aún no se había mudado a Malvín Norte.

“Físico de partículas de formación y originario de Uruguay, Rafael Porto se graduó con un doctorado en Física de la Universidad Carnegie Mellon, en Estados Unidos, en 2007”, dice la página del DESY. Allí tampoco esconden el orgullo de haberlo reclutado: “Su trabajo de tesis ya introdujo nuevas ideas y resultados en la física gravitacional. En particular, Porto resolvió por primera vez (en colaboración con su asesor de doctorado, el profesor Rothstein) la dinámica de los agujeros negros binarios debido a los efectos de espín no lineal en el régimen de campo débil, un problema que desafió a los científicos durante muchas décadas”. Reseñan que luego pasó como posdoc por el Instituto Kavli de Física Teórica y por el ya mencionado Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, reseñando que allí “trabajó en nuevos enfoques en cosmología”. Antes de llegar al DESY, fue miembro de la facultad del Centro Internacional de Física Teórica de San Pablo, Brasil.

Habiéndose dedicado a la cosmología y la física teórica, no sorprende que haya publicado media docena de artículos en revistas científicas internacionales junto a Rodolfo Gambini, quien hoy dirige el grupo de Teoría de Campos y Relatividad General del Instituto de Física de la Facultad de Ciencias y que fuera el tutor de la licenciatura y maestría de Porto en nuestro país. “En ese momento teníamos la política de tratar de que los estudiantes hicieran la maestría con nosotros y después salieran a hacer un doctorado en el exterior, porque todavía el grupo era chico”, expresa Gambini con satisfacción por el logro de Porto.

“Publicamos juntos unos seis trabajos, un número muy elevado para lo que es normalmente una maestría. Realmente era un estudiante excelente, y en ese tiempo se entusiasmó mucho con la física. Después hizo una carrera muy interesante en distintos lugares de Estados Unidos hasta terminar ahora en Alemania”, afirma Gambini, quien también comenta el artículo por el que fue reconocido: “Es un trabajo que mira lo que ocurrió en el primer segundo después del Big Bang, lo que es algo realmente muy difícil”.

Gambini, científico acostumbrado a volar a grandes alturas, también es experto en el vuelo rasante, sin que ello implique perder calidad: “La idea es que debido a un efecto cuántico, la densidad de materia no es igual en todas partes, varía ligeramente. Eso se conocía por lo que se llama el fondo cósmico de microondas, que uno puede ver en cualquier dirección del espacio. La radiación que llega, de una temperatura de fondo de poco más de 2° Kelvin, proviene del instante en que la luz se desacopló del resto de la materia, lo que ocurrió unos 300.000 años después del Big Bang. Básicamente la información disponible, la información a la que podemos acceder, es la información de esa etapa. La luz no viene, digamos, distribuida uniformemente, sino que hay lugares más calientes que otros. Esas diferencias de temperatura reflejan una diferencia también en la densidad de la materia. Esas diferencias de densidad son las que tienen origen en las fluctuaciones cuánticas que ocurrieron antes o durante la inflación del universo, que se supone que ocurrió un segundo o poco menos después del Big Bang. Es un efecto que de alguna manera está en los orígenes del universo, y siempre se pensó que era muy difícil tener algún tipo de información directa sobre ese tipo de cosa”. El aporte de Porto y Green tiene otro aditivo: “Resolver si la fluctuación es cuántica o clásica también parecía una cosa sumamente difícil, pero todo está basado en el hecho de que algunos fenómenos cuánticos dejan huellas clásicas, que son las que nosotros podemos ver ahora, que ningún efecto clásico podría dejar. Entonces, mirando la huella actual, uno podría decir si el origen fue cuántico o no. Desde el punto de vista observacional es una hazaña extraordinaria poder mirar estas cosas”, remata Gambini.

Que un muchacho que repartía estados de cuenta de una tarjeta de crédito mientras estudiaba en la Facultad de Ciencias (ver entrevista) hoy sea un físico teórico que gana un premio por ayudar a conocer qué pasó en los primeros segundos de formación del universo parece confirmar que este mundo, con todos sus defectos e injusticias, aún tiene una capacidad superlativa para contarnos historias maravillosas.

Artículo: “Signals of a Quantum Universe”.
Publicación: Physical Review Letters (junio de 2020).
Autores: Daniel Green, Rafael Porto.