Jorge Zanelli: el oficio de trazar el universo con tiza

La curiosidad, raíz de todo logro humano, nos llevó a fabricar instrumentos capaces de mirar cada vez más lejos y más fino. Pero todos tienen un límite. En los extremos, donde las cosas son demasiado grandes, demasiado pequeñas o demasiado lejanas, como en el corazón de una galaxia o dentro de un quark, los aparatos no llegan y lo único que queda es pensar, suponer y calcular.

Ése es el territorio de Jorge Zanelli, físico teórico. “Trabajamos con modelos matemáticos para describir la naturaleza física del universo a su escala más fundamental”, explica. No hay laboratorio que montar ni telescopio que apuntar.

Nosotros especulamos. Nos preguntamos qué pasaría si el universo tuviera tal o cual propiedad, y estudiamos las consecuencias que la matemática nos dice que ocurrirían”. Sus experimentos son ecuaciones, preguntas escritas con tiza en un pizarrón.

Es licenciado en Física de la Universidad de Chile y doctor por Stony Brook University (Nueva York), y desde 1985 es investigador del Centro de Estudios Científicos (CECs).

Soñar despierto

Lo que lo empujó hacia la física desconocida, dice, es “una tendencia a soñar despierto, a la especulación. Es una forma de pajarear, de imaginarse un mundo alternativo”. Una propensión que compara con los impulsos artísticos y que en el día a día se traduce en un oficio casi artesanal, como el de quien “empieza a tallar un palo y de repente le sale un pescado”.

Una fuente importante de sus preguntas son los agujeros negros, que, pese a su nombre, no son hoyos ni túneles en el espacio, sino enormes cantidades de materia comprimida en un espacio mínimo. El Dr. Zanelli lo grafica así: “Nuestro planeta mide unos doce mil kilómetros de un extremo al otro. Si la Tierra entera se comprimiera, sin perder nada, hasta quedar del tamaño de una bolita, seguiría teniendo la misma masa, pero tan concentrada que su gravedad se volvería descomunal, tanto así que ya nada podría despegarse de ahí, ni un cohete ni un rayo de luz”.

Esa gravedad tan intensa genera una frontera invisible, conocida como el horizonte de sucesos: un punto de no retorno que separa lo que todavía puede escapar de lo que ya no. Cruzarlo es definitivo. Por eso son negros y ningún telescopio puede verlos directamente.

Como casi todo en este oficio, los agujeros negros nacieron en un cálculo. Los encontró en 1916 el astrónomo alemán Karl Schwarzschild, escondidos como una posibilidad extrema en las ecuaciones que Albert Einstein acababa de publicar. Durante décadas se discutió si eran objetos reales o una rareza de los cálculos, hasta que en 2019 (un siglo después) llegó la primera fotografía de uno, un anillo de luz anaranjada en torno a una sombra circular. Para el Dr. Zanelli la imagen no cambió su trabajo, porque no confirmaba nada que estuviera en duda, pero le parece “reconfortante saber que existe una evidencia que puede convencer a las personas más allá de la ciencia de que esto efectivamente es así”.

La primera imagen de un agujero negro, el del centro de la galaxia M87, obtenida por el Event Horizon Telescope. Crédito: EHT Collaboration.

Desde un comienzo le atrajo estudiarlos porque constituyen una paradoja. Se obtienen de ecuaciones “perfectamente normales, regulares, suaves” y, sin embargo, son soluciones que contienen una singularidad, un punto donde las propias leyes de la física se rompen. “Es tratar de entender por qué diablos la física predice algo que no tiene cabida dentro de la física”. Le interesan además porque ahí, en las condiciones más extremas de gravedad, todas las teorías chocan al mismo tiempo. “Es un laboratorio, como la Fórmula 1 para un fabricante de autos, que es donde se pone a prueba el extremo”.

En 1992, junto a Máximo Bañados y Claudio Bunster, resolvió las ecuaciones de la relatividad general suponiendo un universo con una dimensión espacial menos que el nuestro, y de esos cálculos salió, sin que lo buscaran, un agujero negro inédito, que hoy se conoce como “BTZ” por las iniciales de los tres. “No andábamos buscando eso, apareció nomás”, cuenta. “Uno no se levanta en la mañana diciendo: hoy voy a resolver este problema”. Era, además, de una simplicidad desconcertante. “Es una solución tan sencilla que la gente ni siquiera pensaba que pudiera existir. Era demasiado barata”. Al tener una dimensión espacial menos, permite calcular lo que en un agujero negro corriente resulta inabordable, y por eso reaparece incluso en la teoría de cuerdas.

Censura cósmica

Una de sus líneas actuales lleva la paradoja un paso más allá. En un agujero negro, la singularidad (allí donde la física deja de funcionar) queda encerrada dentro del horizonte de sucesos, de modo que lo que ocurre ahí adentro no alcanza a afectar al resto del universo. Pero las ecuaciones admiten casos en que ese horizonte no se forma y la singularidad está “desnuda”, a la vista de cualquier observador. El problema es mayúsculo, porque de ahí puede salir cualquier cosa, “murciélagos, o pterodáctilos, o unicornios”, y la física pierde su capacidad de predecir lo que va a ocurrir.

Debe haber, entonces, alguna razón que impida la existencia de esas singularidades desnudas. Roger Penrose, Nobel de Física 2020, la bautizó como “censura cósmica”, pero nadie sabe de dónde viene, porque las ecuaciones no la exigen. Hace algunos años, el Dr. Zanelli vio que basta con que haya materia que obedezca las leyes de la mecánica cuántica cerca de la singularidad para que se forme un horizonte.

La mecánica cuántica es la que viste las singularidades desnudas”, resume.

Lo más atractivo del oficio, para él, son justamente esas conexiones inesperadas, el hecho de que una misma matemática sirva para describir cosas sin relación aparente. Las teorías de Chern-Simons, en las que ha trabajado durante décadas, describen sistemas que se mueven y evolucionan, como un fluido o una onda, pero solo pueden formularse si el número de dimensiones (incluido el tiempo) es impar.

Un día se le ocurrió mirar la atmósfera con esos ojos. “Para cubrir una pelota de básquetbol con algo equivalente a la atmósfera, esa capa tendría que ser más delgada que una capa de pintura”, grafica. Por lo delgada que es, puede tratarse como una superficie de dos dimensiones que evoluciona en el tiempo, es decir, tres en total, un número impar, justo lo que estas teorías necesitan. “Quizá uno puede describir la atmósfera como un sistema de Chern-Simons, y esas ecuaciones deberían describir el clima. Y resulta que se puede”. El modelo, firmado junto al climatólogo Martín Jacques-Coper y a Valentina Ortiz-Guzmán, se publicó en 2022 en Physics of Fluids.

Inauguración del Año Académico 2024 de Ingeniería Civil Industrial de la USS.

Un doctorado “boutique” en Valdivia

El Dr. Zanelli es profesor titular de la Facultad de Ingeniería en Valdivia, desde donde dirige el Doctorado en Física Teórica que la USS imparte en alianza con el CECs. “Es un doctorado muy restringido, boutique. No abarcamos toda la física, sino una fracción muy pequeña. Y dentro de esa fracción queremos a los mejores estudiantes de cualquier parte del mundo”.

La formación de un físico teórico no ha cambiado mucho en un siglo. “Es un oficio artesanal, una relación de maestro y aprendiz. Como aprendían a pintar los pintores del Renacimiento: primero lavaban las brochas y después pintaban”. Ocurre discutiendo problemas y leyendo papers junto a los estudiantes, “metiendo las manos, usando la tiza”. Las herramientas cambian, pero “la inteligencia natural sigue siendo la materia prima importante”.

El lugar también pesa. Valdivia, dice, “tiene las condiciones adecuadas para el desarrollo del espíritu”, una ciudad tranquila donde no se pierden horas en desplazarse. “Ese tipo de cosas hace que la vida sea más amable y que uno pueda dedicarse a pensar en agujeros negros”.

La punta del iceberg

Lo que lo mantiene asombrado son las preguntas que siguen abiertas. “No se sabe por qué el espacio tiene tres dimensiones y el tiempo una sola. Podrían haber sido diecisiete dimensiones de espacio y catorce de tiempo”. Tampoco por qué existen las partículas que existen y no otras. En la escuela se enseña que las respuestas ya están dadas, pero la práctica de la investigación muestra lo contrario. “La ignorancia es siempre mayor que el conocimiento. Lo que sabemos es como la punta del iceberg”, dice sin pesar.

Tarde o temprano viene la pregunta por el provecho de este oficio. ¿Por qué debería una sociedad sostener un conocimiento cuyo beneficio quizá no llegue nunca? El Dr. Zanelli la ha respondido muchas veces.

“Por la misma razón por la que una sociedad hace teatro, música, poesía o arte. Porque enriquece el espíritu, porque es una actividad que tiene cierta nobleza y cierta belleza”.

“El GPS, la inteligencia artificial, todo eso es resultado de la física, la matemática o la ingeniería de hace cincuenta o cien años. La ciencia que se hace hoy va a servir quién sabe cuándo, si es que sirve”, agrega, y cita una frase de Robert Wilson, el físico que dirigió la construcción del Fermilab. En 1969, el Congreso de Estados Unidos le preguntó qué aportaba su acelerador de partículas a la seguridad del país, y él contestó que nada, salvo hacerlo más digno de ser defendido.

El conocimiento, dice, nos hace “menos vulnerables como sociedad”, del mismo modo que un buen sistema jurídico. Es una defensa sin promesas, que no ofrece curas, empleos o patentes; ofrece una manera de mirar, y Jorge Zanelli lleva una vida practicándola frente a un pizarrón, soñando despierto y anotando, con rigor, lo que ve.