Una partícula cruza a un «mundo paralelo» cuántico y ayuda a resolver la paradoja del monopolo magnético
Una partícula puede atravesar una frontera cuántica sin rebotar en ella y emerger convertida en algo aparentemente distinto, como si hubiera cruzado a otro mundo. El fenómeno ofrece una nueva forma de entender una de las paradojas más desconcertantes de la física: qué ocurre cuando una partícula se encuentra con un monopolo magnético.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Una misma excitación cuántica puede parecer completamente diferente después de atravesar una frontera topológica. La ilustración representa cómo una partícula localizada cruza la interfaz sin reflejarse y emerge convertida en una excitación no local, sin que la información cuántica se pierda. Crédito: IA-DALL-E / RexMolón Producciones
Una paradoja de la física que lleva más de 40 años sin una explicación intuitiva
Hay problemas en física que parecen surgir no porque las leyes de la naturaleza fallen, sino porque estamos utilizando el lenguaje equivocado para describir lo que ocurre. Durante más de cuatro décadas, uno de esos rompecabezas ha quitado el sueño a los físicos teóricos: ¿qué sucedería si una partícula cargada chocara contra un monopolo magnético, la hipotética versión magnética de una carga eléctrica aislada?
Las ecuaciones conducían a una conclusión desconcertante. La partícula que salía del encuentro parecía no ser la misma que había entrado. Sus números cuánticos podían ser distintos e incluso fraccionarios, como si el monopolo hubiera despedazado la partícula y violado por el camino alguna de las reglas fundamentales de conservación de la física.
Ahora, un equipo internacional de físicos encabezado por Atsushi Ueda, de la Universidad de Gante, en Bélgica, propone una manera especialmente visual de entender el problema. Su trabajo, aceptado en la revista Nature Physics, muestra mediante sistemas cuánticos de muchos cuerpos que una partícula puede atravesar determinados tipos de fronteras sin reflejarse en absoluto y, sin embargo, emerger al otro lado convertida en algo que parece completamente diferente. No ha desaparecido ni se ha destruido: ha cambiado la forma en que debe ser descrita.
Recordemos que los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son conjuntos formados por muchas partículas cuánticas que interactúan entre sí, generando comportamientos colectivos que no pueden explicarse estudiando cada partícula por separado.
La partícula no desaparece: cambia la manera de describirla
La idea recuerda a la imagen que nos ofrecen las novelas y películas de ciencia ficción en la que alguien o algo cruza la frontera hacia una especie de mundo paralelo. No porque exista literalmente otro universo, sino porque a ambos lados de la frontera se utilizan dos descripciones matemáticas distintas —aunque equivalentes— de una misma realidad física. Lo que en un lado parece una partícula localizada, en el otro puede transformarse en una excitación extendida, una suerte de bucle cuántico invisible unida a la frontera mediante una cuerda topológica.
Dicho de una forma más sencilla, la partícula no desaparece ni se destruye al atravesar esa frontera. Lo que cambia es su aspecto desde el punto de vista de la teoría utilizada para describirla. Antes de cruzarla puede comportarse como un objeto localizado en un punto concreto; después, sus propiedades quedan repartidas a lo largo de una región del sistema, de modo que ya no podemos señalarla con el dedo y decir «está exactamente aquí». Ese área es el bucle cuántico de la comparación; en inglés, non-local string-like excitation (excitación no local con forma de cuerda).
Y la llamada cuerda topológica tampoco es una cuerda física: es una conexión cuántica no local que se extiende entre la excitación y la frontera y que permite conservar la información sobre lo que le ha ocurrido. Por eso, aunque la partícula original parezca haberse esfumado, en realidad continúa existiendo bajo otra forma cuántica.
El punto de partida de esta historia se remonta a comienzos de la década de 1980 y a la llamada paradoja de Callan-Rubakov. Esta plantea qué ocurre cuando una partícula cargada interactúa con un monopolo magnético: los cálculos parecían indicar que podía salir convertida en una partícula con propiedades distintas, incluso con números cuánticos fraccionarios, lo que crea un aparente conflicto con las leyes de conservación.
¿Qué es un monopolo magnético?
Antes de continuar, conviene aclarar qué es exactamente un monopolo magnético. Este es un objeto hipotético que tendría un solo polo magnético —norte o sur—, a diferencia de los imanes cotidianos, que poseen inevitablemente ambos. Aunque nunca se ha observado uno de estos monopolos fundamentales en la naturaleza, aparecen de forma natural en algunas teorías de partículas.
Monopolos magnéticos a la caza. Recreación artística de la posible producción de un par de monopolos magnéticos a partir del intenso campo magnético generado durante la colisión de dos iones pesados. Estas partículas hipotéticas tendrían, a diferencia de los imanes convencionales, un polo magnético aislado. Crédito: James Pinfold.
Una «cuerda matemática» entra en escena
El problema surgió cuando los físicos se pusieron a estudiar qué ocurriría al lanzar contra uno de ellos un fermión de Weyl, un tipo de partícula elemental que, idealmente, no tiene masa y se desplaza a la velocidad de la luz, y cuyo movimiento está ligado a una propiedad cuántica denominada quiralidad, que permite distinguir entre versiones que podríamos llamar, de forma simplificada, diestras y zurdas.
Los cálculos indicaban que el estado saliente podía tener propiedades aparentemente incompatibles con las del entrante. Tomada de forma literal, la solución sugería incluso una especie de fraccionamiento de la partícula, algo que desencadenó una larga discusión sobre cómo interpretar el resultado.
Durante los últimos años ha comenzado a emerger una explicación basada en las llamadas simetrías generalizadas. El monopolo actuaría como una frontera que conduce a la partícula hacia un sector cuántico diferente. La partícula saliente llevaría adherida una estructura topológica no local, algo parecido a una cuerda matemática que la conecta con la zona donde se produjo la interacción.
Dos territorios con leyes iguales, pero escritas en lenguas diferentes
La novedad del nuevo trabajo consiste en demostrar que esta extraña situación no tiene por qué ser una peculiaridad exclusiva de los monopolos.
➡️ «Demostramos que este fenómeno es ubicuo en modelos fuertemente interactivos», explican los investigadores en el artículo. En las cadenas cuánticas de espines que han estudiado, las partículas atraviesan determinadas impurezas con una transmisión perfecta y después se comportan como si la partícula original hubiese desaparecido del espectro.
Para entender qué significa esto conviene imaginar dos territorios separados por una frontera. Las leyes fundamentales son equivalentes en ambas zonas, pero cada una de ellas utiliza un idioma distinto para describirlas. Una persona que atraviesa la frontera no desaparece: simplemente cambia su pasaporte, sus etiquetas y la manera en que se registra su identidad.
Los investigadores demuestran que la transmisión perfecta a través de determinados defectos topológicos puede ser una señal de la existencia de una dualidad o una simetría generalizada. El trabajo proporciona además un modelo sencillo para comprender la física que se esconde tras la histórica paradoja del monopolo magnético. Crédito: IA-DALL-E / RexMolón Producciones
¿Qué significa «dualidad» en física?
En física, esa relación recibe el nombre de dualidad. Dos teorías duales pueden parecer radicalmente diferentes y, sin embargo, describir exactamente la misma física. Los autores lo expresan con claridad en los métodos del trabajo: una dualidad «no es un cambio en la teoría física en sí, sino un cambio en cómo se representa».
Los estados fundamentales y las excitaciones siguen siendo los mismos; lo que cambia es el lenguaje empleado para identificarlos.
Para demostrarlo, el equipo de Ueda recurrió a uno de los modelos más famosos de la física estadística: el modelo de Ising, que permite representar sistemas magnéticos mediante cadenas de pequeños espines cuánticos. Construyeron dos cadenas descritas de manera diferente y las conectaron mediante una impureza que funcionaba como interfaz.
Después lanzaron contra ella un paquete de ondas, el equivalente matemático de una partícula propagándose por la cadena.
Una partícula atraviesa la frontera con una transmisión del 100 %
En condiciones normales, la frontera puede comportarse como una pared. La excitación llega, choca y rebota. Eso es precisamente lo que muestran algunas de las simulaciones del estudio. Pero cuando los parámetros de las dos regiones coinciden de la manera adecuada y ambas descripciones están relacionadas mediante la conocida dualidad de Kramers-Wannier —una relación matemática que muestra que dos estados aparentemente muy distintos de un sistema magnético pueden ser, en realidad, dos formas equivalentes de describir la misma física—, ocurre algo extraordinario: la partícula atraviesa la interfaz con una transmisión del 100 %.
No hay eco. No hay una fracción que rebote. No queda energía atrapada en la frontera.
Pero la partícula que aparece al otro lado ya no parece la misma.
Una excitación que inicialmente consiste en la inversión localizada de un espín se convierte en una pared de dominio, una frontera móvil entre regiones con distinta orientación magnética. Desde la perspectiva del observador que únicamente sabe reconocer la partícula original, esta sencillamente parece haberse esfumado.
La «cuerda topológica» que hace parecer invisible a la partícula
Ahí está la clave conceptual del trabajo. La partícula no se destruye: se transforma en su versión dual.
Los físicos describen esta transformación diciendo que la excitación adquiere una cuerda topológica. No se trata, por supuesto, de una cuerda material. Es una estructura matemática no local que puede extenderse desde la partícula hasta la interfaz. Debido precisamente a su carácter no local, determinados observadores o mediciones locales pueden ser incapaces de verla.
La imagen utilizada por los propios investigadores resulta particularmente intuitiva. En palabras del coordinador del trabajo, el astrofísico Frank Verstraete, la interfaz topológica puede desplazarse matemáticamente por el sistema como si se estuviera corriendo una cortina. Cuando el paquete de ondas avanza hacia la derecha se comporta como si no hubiera ninguna impureza; cruzarla equivale, escriben, a esconderse detrás de la cortina. La energía no queda bloqueada en ella aunque cambie la forma de describir los grados de libertad de la excitación.
La metáfora permite comprender algo profundamente cuántico: lo que parece una transformación física radical puede ser, en realidad, un cambio de perspectiva.
Una partícula atraviesa la frontera cuántica y cambia de identidad
La simulación muestra cómo una excitación puede propagarse entre dos descripciones duales de un sistema cuántico y atravesar la interfaz que las separa con transmisión perfecta. Al cruzarla, la partícula no desaparece ni se destruye: se transforma en una excitación diferente, una de las claves del estudio para comprender la paradoja del monopolo magnético.
… Pero invisible no significa inexistente
Y el fenómeno no se limita a un modelo cuántico especialmente sencillo. Para comprobar si también aparecía en sistemas más complejos, los investigadores analizaron la cadena de Heisenberg de espín 1, un modelo que representa una hilera de espines cuánticos que interactúan con sus vecinos y cuyo comportamiento colectivo puede llegar a ser extremadamente complejo.
En determinadas condiciones, este sistema entra en la llamada fase de Haldane, un estado cuántico muy peculiar en el que algunas de sus propiedades no dependen tanto de lo que ocurre en cada punto concreto como de la organización global de los espines y de las simetrí
El resultado volvió a ser sorprendente.
Una pared de dominio —la frontera que separa dos zonas de la cadena cuyos espines están orientados de manera diferente— se forma en la región ferromagnética y comienza a desplazarse hacia la interfaz. Cuando llega hasta ella, la atraviesa sin reflejarse y entra en la fase de Haldane, donde deja de ser detectable mediante observaciones locales, como si se hubiera vuelto invisible.
Pero invisible no significa inexistente. La excitación continúa propagándose por el sistema y, cuando alcanza el extremo opuesto de la cadena, modifica los espines situados allí. Su presencia puede además reconstruirse mediante correlaciones no locales, es decir, observando relaciones entre puntos separados del sistema que revelan lo que una medición realizada en un único lugar no puede detectar. Es como seguir una ráfaga de viento que no podemos ver durante su recorrido, pero cuya existencia queda demostrada cuando, más adelante, hace agitarse las hojas de un árbol.
Por qué este descubrimiento puede ser importante
Esta transformación, señalan los autores, es análoga a la que aparece en los modelos utilizados para comprender la paradoja original del monopolo magnético.
La consecuencia es poderosa. Quizá el problema planteado hace más de 40 años no exigía imaginar partículas que misteriosamente se fragmentaban o leyes de conservación que dejaban de funcionar. Quizá la partícula simplemente había cruzado una frontera entre dos maneras equivalentes de describir la realidad, llevándose consigo una estructura topológica que los observables habituales no estaban preparados para reconocer.
Y eso convierte una antigua paradoja en algo mucho más interesante: una pista sobre hasta qué punto la identidad de una partícula depende del lenguaje cuántico desde el que la observamos.▪️(9-agosto-2026)
LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- Qué han descubierto: determinadas excitaciones cuánticas pueden atravesar una interfaz topológica con transmisión perfecta.
- Qué les ocurre: al cruzarla pueden convertirse en excitaciones aparentemente diferentes y adquirir una estructura topológica no local.
- Por qué no desaparecen: las regiones situadas a ambos lados pueden ser descripciones duales de la misma física.
- Qué explica: proporciona un análogo en sistemas de red de la solución a la histórica paradoja del monopolo magnético.
- Por qué importa: la transmisión perfecta podría utilizarse para detectar dualidades y simetrías generalizadas desconocidas.
PREGUNTAS & RESPUESTAS: Monopolo Magnético y Paradoja
La colocaría después del reportaje, no interrumpiendo la narración.
🧲 ¿Qué es la paradoja del monopolo magnético?
La paradoja de Callan-Rubakov surge al estudiar teóricamente la interacción entre determinadas partículas cargadas y un monopolo magnético. Los cálculos parecían producir partículas salientes con propiedades diferentes o incluso números cuánticos fraccionarios, lo que planteaba un aparente problema con la interpretación de las leyes de conservación.
🧲 ¿Han descubierto un monopolo magnético?
No. El estudio es un trabajo teórico sobre sistemas cuánticos de muchos cuerpos y defectos topológicos. Sus autores construyen modelos de red que reproducen aspectos de la física que permite comprender la paradoja asociada a los monopolos magnéticos.
🧲 ¿Qué le ocurre a la partícula?
En los casos estudiados, la excitación atraviesa completamente la interfaz pero cambia de representación. Puede pasar de una excitación local a otra no local asociada a una cuerda topológica.
🧲 ¿Qué significa transmisión perfecta?
Significa que el paquete de ondas atraviesa la interfaz sin que una parte de él sea reflejada. En el modelo estudiado, esta transmisión completa aparece cuando los sistemas situados a ambos lados mantienen la relación de dualidad adecuada.
🧲 ¿Por qué es importante el estudio?
Porque conecta dualidades, simetrías generalizadas, defectos topológicos y dinámica cuántica y sugiere una nueva estrategia para detectar dualidades desconocidas: observar puntos en los que se produzca transmisión perfecta.
TECNOLOGÍA CUÁNTICA
Fuente: Ueda, A., Vander Linden, V., De Vos, B. et al. Perfect particle transmission through duality defects. Naure Physics (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03390-5
