Descubren cómo un ‘donut matemático’ rompe una ley de 150 años: lo que revela el misterio de dos formas que parecen iguales, pero no lo son

Las formas geométricas suelen parecer simples a primera vista. Un círculo, una esfera o incluso un “donut” —lo que en matemáticas se llama un toro— parecen objetos bien entendidos. Sin embargo, cuando se analizan con las herramientas de la geometría moderna, empiezan a aparecer preguntas inesperadas: ¿qué información es suficiente para describir completamente una forma?

Un nuevo trabajo matemático ha reabierto una de esas preguntas clásicas. Un equipo internacional ha logrado construir un ejemplo que desafía una idea que durante más de un siglo se consideraba prácticamente cierta. Su estudio, publicado en una revista especializada, propone una situación concreta en la que los datos locales de una superficie no bastan para determinar su forma global, algo que durante mucho tiempo se asumió como válido.

Una vieja idea sobre cómo reconocer una superficie

En geometría diferencial, las superficies no se describen solo por su apariencia, sino por propiedades matemáticas precisas. Dos de las más importantes son la métrica, que mide distancias sobre la superficie, y la curvatura media, que describe cómo se dobla en el espacio.

Desde el siglo XIX, una pregunta clave era si estos datos bastaban para identificar una superficie de manera única. El problema se remonta a Pierre Ossian Bonnet, quien planteó si conocer esas propiedades en todos los puntos era suficiente para reconstruir una forma sin ambigüedad.

El propio artículo científico recuerda este punto de partida: “La cuestión es si un conjunto reducido de datos geométricos es suficiente para la unicidad”. En muchos casos, la respuesta parecía ser sí. De hecho, para la mayoría de superficies, estos datos determinan una única forma posible.

Sin embargo, también se conocían excepciones. Algunas superficies podían compartir esas propiedades y aun así diferir. El problema era que, en el caso de superficies cerradas y compactas —como una esfera o un toro—, no se había encontrado un ejemplo claro que rompiera esa regla.

El problema de Bonnet y un misterio sin resolver

Durante décadas, muchos matemáticos intentaron responder a una pregunta muy concreta: ¿existen dos superficies cerradas, distintas entre sí, que tengan exactamente la misma métrica y la misma curvatura media?

El artículo lo formula de manera directa al hablar del llamado problema global de Bonnet: “¿Existen dos inmersiones compactas suaves no congruentes en el espacio euclídeo tridimensional que estén relacionadas por una isometría con la misma curvatura media en puntos correspondientes?”

Puede parecer complejo, así que vamos a tratar de bajarlo a tierra.

Aquí aparecen dos ideas clave. Por un lado, “isométricas” significa que las distancias sobre la superficie son iguales. Por otro, “no congruentes” indica que no son la misma forma en el espacio: no basta con rotarlas o trasladarlas para hacerlas coincidir.

Durante mucho tiempo, se sospechó que, si tales ejemplos existían, serían extremadamente raros o incluso imposibles en superficies compactas. Algunos resultados sugerían que, en el caso de esferas, por ejemplo, esto no podía ocurrir. Pero el caso del toro —la forma de donut— seguía siendo un terreno abierto.

Dos donuts distintos que parecen el mismo

El avance del nuevo trabajo consiste en construir, de forma explícita, dos superficies con forma de toro que cumplen exactamente esas condiciones. Son superficies que comparten la misma métrica y la misma curvatura media, pero que no son la misma forma.

El resultado central del artículo lo resume así: “Existen dos toros suaves no congruentes en R³ que están relacionados por una isometría que preserva la curvatura media”.

Esto significa que, desde el punto de vista de las mediciones internas —distancias y curvatura—, ambas superficies son indistinguibles. Pero si se observan en el espacio tridimensional, su forma global es distinta.

Las imágenes del trabajo ayudan a visualizarlo. En el paper se muestran dos superficies con estructuras similares pero con diferencias claras en la distribución de “bultos” o regiones curvas. Aunque comparten propiedades matemáticas fundamentales, no pueden superponerse mediante movimientos rígidos.

Además, el estudio demuestra algo aún más fuerte: no se trata de un caso aislado. Los autores indican que existen infinitas familias de estos pares de superficies, lo que sugiere que el fenómeno es más general de lo que se pensaba.

Cómo se construyen estas superficies

El camino para encontrar estos ejemplos no fue directo. Los investigadores combinaron herramientas clásicas de geometría con técnicas más recientes, incluyendo aproximaciones discretas y modelos computacionales.

Una idea clave es el uso de superficies isométricas, es decir, aquellas que conservan distancias internas. A partir de una superficie inicial, se generan otras que mantienen esas propiedades, pero que cambian su forma en el espacio.

El artículo describe este enfoque mediante una construcción matemática específica: “Construimos explícitamente un par de toros inmersos en el espacio euclídeo tridimensional que están relacionados por una isometría que preserva la curvatura media” .

Además, los autores utilizan un tipo especial de superficies llamadas isotérmicas, que permiten describir la geometría de forma más manejable. A partir de ellas, generan los llamados “pares de Bonnet”, que son justamente las parejas de superficies con las mismas propiedades locales pero distinta forma global.

Un detalle interesante es que el descubrimiento estuvo guiado en parte por experimentos computacionales. Modelos discretos —versiones simplificadas de superficies— ayudaron a identificar patrones que luego se confirmaron de forma rigurosa.

Lo que cambia en la forma de entender la geometría

El resultado tiene implicaciones importantes. Durante mucho tiempo, se pensó que conocer la geometría local de una superficie bastaba para reconstruir su forma global. Este trabajo muestra que esa idea tiene límites claros.

En términos sencillos, significa que dos objetos pueden ser idénticos en todas sus mediciones internas y, aun así, ser distintos como formas en el espacio. Es una idea que rompe con una expectativa bastante natural: que conocer todos los detalles locales debería bastar para entender el todo.

También resuelve problemas abiertos desde hace décadas. El propio artículo señala que con estos ejemplos se resuelven cuestiones históricas sobre la unicidad de las superficies.

Pero si no parecen iguales: ¿dónde está el truco?

Al ver las imágenes, es normal que surja una duda inmediata: las dos superficies no parecen iguales en absoluto. Una puede tener zonas más abultadas, otra más simétricas. Entonces, ¿en qué sentido se está hablando de “igualdad”?

La clave está en entender que no se trata de una igualdad visual, sino geométrica en un sentido más profundo. Lo que comparten estas superficies no es su silueta externa, sino sus propiedades internas: las distancias medidas sobre la superficie y cómo se curva en cada punto. Dicho de otro modo, si alguien viviera “dentro” de una de estas superficies y midiera su entorno, obtendría exactamente los mismos resultados en ambas.

El propio trabajo lo deja claro al señalar que los datos locales no determinan necesariamente una única forma global . Esto implica que dos objetos pueden coincidir en todas sus mediciones internas y, aun así, diferir cuando se observan desde fuera.

Por eso las figuras no engañan: no tienen por qué parecer iguales. Lo sorprendente no está en lo que muestran a simple vista, sino en lo que revelan cuando se describen con las herramientas de la geometría. Ahí es donde aparece el verdadero resultado del estudio.