Hay fenómenos en la naturaleza que parecen diseñados para desafiar la lógica. Uno de ellos ocurre cuando ciertos átomos se comportan de forma tan extraña que solo consiguen mantenerse unidos si son tres o más, pero no si están en pareja. Es como si una silla solo se mantuviera en pie si tiene tres patas, pero no dos. Esta rareza cuántica no es una fantasía, sino un efecto real conocido como efecto Efimov, predicho por el físico ruso Vitaly Efimov en la década de 1970. Y aunque se comprobó experimentalmente en sistemas de tres y cuatro átomos, resolver cómo se comportan cinco átomos unidos en ese mismo estado ha sido una tarea pendiente durante tres lustros.
Ese desafío ha sido superado por un equipo de la Universidad Purdue, liderado por el físico Christopher Greene, junto con el investigador Michael Higgins. Publicaron por fin el modelo matemático que describe cómo cinco partículas idénticas pueden formar una estructura estable mediante el efecto Efimov, algo que nunca antes se había logrado. El avance, recogido en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, marca un hito en la física cuántica teórica y abre nuevas puertas para entender los límites de la materia en condiciones extremas.
Un fenómeno que parece imposible
A diferencia del mundo que conocemos, en el que las cosas se agrupan o se separan según reglas visibles y tangibles, el mundo cuántico opera con normas completamente diferentes. El efecto Efimov es uno de los ejemplos más llamativos. Este fenómeno se da cuando tres o más partículas, como ciertos átomos o bosones, pueden formar un sistema ligado, es decir, mantenerse unidas, incluso cuando la atracción entre dos de ellas no es suficiente para mantenerlas juntas por separado. Es un tipo de estructura que surge solo de la interacción colectiva, y no de los pares individuales.
Vitaly Efimov predijo este comportamiento teórico hace más de medio siglo, pero pasaron décadas antes de que pudiera confirmarse experimentalmente. En 2006, un equipo europeo logró inducir este efecto entre tres átomos de cesio en un gas ultrafrío. Desde entonces, los físicos han intentado ir más allá, explorando qué ocurre con cuatro, cinco o más partículas. Pero el salto de cada número supone un incremento monumental en la complejidad matemáticaque debe resolverse para describir el sistema.
Un rompecabezas de cinco cuerpos
En 2009, el propio Greene ya había conseguido modelar el caso de cuatro partículas. Pero el sistema de cinco cuerpos planteaba una barrera aún más compleja. Resolverlo exigía no solo mayor potencia computacional, sino también nuevas herramientas matemáticas y un entendimiento más profundo del sistema. “Necesitábamos una combinación de ordenadores más rápidos, procesamiento paralelo y una mejor comprensión de las matemáticas”, explica Greene en el artículo de divulgación sobre su trabajo.
A lo largo de estos 15 años, el equipo logró afinar su enfoque. El trabajo se centra en un sistema formado por cinco bosones idénticos, una clase de partículas que incluyen, por ejemplo, ciertos átomos con espín entero. Lo que calcularon fue la tasa a la que estas cinco partículas se combinan en una estructura cuántica estable mediante el efecto Efimov, un proceso conocido como recombinación. Los resultados no solo completan un eslabón clave en la teoría, sino que también tienen implicaciones prácticas para controlar átomos en experimentos con gases ultrafríos y sistemas cuánticos confinados.
La ecuación que lo gobierna todo
Resolver este problema significa enfrentarse a la ecuación de Schrödinger, uno de los pilares de la mecánica cuántica. Esta ecuación describe cómo cambian los estados cuánticos de un sistema con el tiempo, pero a medida que se añaden más partículas, las soluciones se vuelven inabarcables para los métodos clásicos. En este caso, los autores lograron aplicar técnicas numéricas avanzadas y supercomputación para representar la dinámica de cinco cuerpos.
El paper afirma de forma literal: “Pensamos que conocemos las leyes de la mecánica cuántica, pero las fórmulas son increíblemente difíciles de resolver. Ha hecho falta una comprensión más profunda de las matemáticas para llegar a este punto”. Esta cita refleja la naturaleza del desafío: no es que se haya descubierto una ley nueva, sino que por fin se pudo trazar el mapa completo de cómo opera esa ley en un sistema tan complejo.
Aplicaciones más allá del laboratorio
Aunque parezca un logro puramente teórico, los efectos de este tipo de investigaciones van mucho más allá de la pizarra y las simulaciones informáticas. Los sistemas en los que se manifiesta el efecto Efimov incluyen gases de átomos ultrafríos, confinados mediante láseres en laboratorios especializados. Pero también hay implicaciones en la física de sistemas extremos, como los interiores densos de las estrellas de neutrones, donde la materia existe en condiciones que desafían lo conocido.
Comprender cómo se recombinan partículas en estos entornos podría ayudar a mejorar los modelos de física nuclear y astrofísica, y también podría ser útil en el desarrollo de nuevas formas de controlar estados cuánticos en computación y simulación. Según el artículo, este tipo de avances puede mejorar los métodos para confinar y estudiar átomos en experimentos controlados, lo cual es clave para la investigación básica y para tecnologías emergentes basadas en la mecánica cuántica.
Un modelo, muchas preguntas
A pesar del logro, el artículo no resuelve todos los misterios que rodean al efecto Efimov. Lo que hace es proporcionar una representación precisa del caso de cinco partículas, un paso esencial para seguir avanzando. El trabajo también plantea una pregunta aún más desafiante: ¿qué ocurre cuando hay seis o más partículas? Con cada cuerpo adicional, las ecuaciones se vuelven más intratables y los recursos necesarios para resolverlas crecen exponencialmente.
Sin embargo, ahora que la barrera de los cinco cuerpos ha sido superada, existe un camino más claro para seguir explorando. La combinación de avances computacionales y nuevas técnicas matemáticas permite imaginar que en un futuro no tan lejano podamos entender sistemas aún más complejos. Greene y su equipo han demostrado que con persistencia, colaboración y una visión a largo plazo, incluso los problemas más intrincados pueden desentrañarse.
Referencias
- Esry, B. D., Greene, C. H., & Burke, J. P. Jr. (1999). Recombination of three atoms in the ultracold limit. Physical Review Letters, 83, 1751. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.1751
- Higgins, M. D., & Greene, C. H. (2025). Five-body recombination of identical bosons. Proceedings of the National Academy of Sciences, publicado el 25 de abril de 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2503390122
- von Stecher, J., D’Incao, J. P., & Greene, C. H. (2009). Signatures of universal four-body phenomena and their relation to the Efimov effect. Nature Physics, publicado el 26 de abril de 2009. https://doi.org/10.1038/nphys1253
