Alberto Lacasa

Reflexiones sobre televisión y cine

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Einstein vuelve de la playa

El mes de agosto ya se acaba y mi compromiso de colgar posts sobre física se acaba.

A lo largo de estos 20 posts (incluído este) hemos repasado aspectos de la teoría de la relatividad y de la mecánica cuántica. Han surgido paradojas como la de los gemelos, la del gato o la del matricida.

El Big Bang, el fin del universo, o la dirección unívoca del tiempo nos han acompañado y sorprendido en algunos momentos.

Para mí, ha sido una experiencia muy divertida porque me ha hecho recuperar conceptos que hacía tiempo que no tocaba con algo de profundidad. En algunos momentos he dudado de si sería capaz de explicar algunas cosas, especialmente en los artículos de física cuántica.

Con todo ello, han quedado un montón de cosas por explicar y que son de lo más llamativo.

Por ejemplo no he hablado de la teoría de universos múltiples, que tiene mucho que ver con la teoría de cuerdas y que dice que aquellas probabilidades cuánticas que en nuestro universo no se realizan, se producen en universos paralelos.

El principio holográfico lo que sostiene es que, para observar lo que sucede en un espacio contenido (como un universo) de n dimensiones, sólo hace falta mirar qué sucede en su superficie delimitadora para explicar lo que sucede dentro. Explicado fácil. Es como decir que en la superficie de la tierra (2 dimensiones) está contenida toda la información de lo que sucede en su interior (3 dimensiones); estoy hablando de el núcleo de la tierra y sus diferentes capas internas.

He dicho que la velocidad de la luz no puede ser superada, pero eso es sólo cierto en el vacío porque en otros medios, la luz va más lenta. En algunos medios, algunas partículas viajan más rápida que la luz (en ese medio). Y se produce un curioso efecto, similar al que sucede cuando un avión supersónico rompe la barrera del sonido, llamado radiación de Cherenkov.

También hay áreas que no he tocado, pero íntimamente relacionadas con estos temas, como por ejemplo la detección de planetas exosolares (fuera del sistema solar), o vida inteligente. Determinación de la edad del universo, todo el proceso de formación de las partículas tras el big bang…

En fin, que no acabaría nunca. Sólo espero que hayáis disfrutado alguno de los artículos. Y ahora, vuelta a la rutina sobre imagen, que ya le tengo ganas. 😉

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Teoría del Todo

Qué título más raro, ¿no? Pues va en serio. El fin último de los físicos es este; la teoría del todo. Y, si me permitís, voy a contaros de qué se trata.

La historia de la física ha sido siempre un camino que ha abierto nuevas puertas para que luego quedaran unificadas con el resto de la teoría.

Cuando Newton desarrolló la ley de la gravedad, se dio cuenta de que lo que atraía una manzana al suelo es lo mismo que lo que mantiene unidos a los planetas. A nosotros nos parece tan de perogrullo que nos cuesta, incluso, imaginar la hipótesis inversa. Pero si lo piensas un poco, verás que no es tan obvio que las dos cosas se vean afectadas por la misma fuerza.

Años más tarde, a finales del s. XIX, Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo, dos fuerzas que se intuían como la misma, pero que nadie había conseguido unir.

Hasta la llegada de la mecánica cuántica, conocíamos sólo dos fuerzas fundamentales; la gravedad y el electromagnetismo. Después de lanzar su teoría de la relatividad, Einstein se focalizó en unir la gravedad y el electromagnetismo. Pero no lo consiguió…

Además apareció la mecánica cuántica, que siempre desagradó al famoso físico. Ya he dicho varias veces que las dos explican realidades muy distintas del Universo; para las cosas enormes (estrellas, planetas, galaxias…) usamos la teoría de la relatividad. Para las cosas pequeñas (partículas, núcleos estelares…) utilizamos la mecánica cuántica.

Además, esta nueva teoría provocó la aparición de dos fuerzas más; la fuerza nuclear débil (responsable de la radiactividad) y la fuerza nuclear fuerte (responsable de unir las partículas del núcleo).

El problema es que hay una pequeña porción del Universo al cual afectan simultáneamente grandes gravedades a partículas (u oscilaciones) muy pequeñas. Y, en ese caso, cada una de las teorías da un resultado distinto. Necesitamos algo que las unifique.

¿Eso implica que las dos teorías están mal? No, lo que quiere decir es que son buenas aproximaciones, muy válidas, fuera de este pequeño ámbito de uso. Es como si para calcular lo que tarda un tren para ir de una ciudad a otra usáramos la relatividad. Sería absurdo porque, aunque fuera más preciso, la variación sería enormemente pequeña, imperceptible. En cambio, el cálculo hubiera sido mucho más árduo.

A esa parcela pequeña en la que se unen la gravedad y la teoría cuántica la llamamos gravedad cuántica. Y es ahí donde está el campo de batalla.

Hay una de las teorías que está bastante aceptada, aunque aún no hemos podido validarla con la naturaleza. Se la conoce como teoría de cuerdas y predice un universo muy diferente al que imaginamos.

Imagina la cuerda de una guitarra. Cuando la rasgamos da una nota. Pero si nosotros movemos el dedo que la está pulsando en el mástil, la nota que sonará es diferente. Eso se debe a que, al mover el dedo, cambiamos la frecuencia a la que vibra la cuerda.

La teoría de cuerdas lo que dice es que todas las partículas son, en realidad, como cuerdas vibrando. En función de la “nota”, de la vibración, la partícula se muestra como un electrón, como un quark, como un gravitón… Pero la cuerda es siempre la misma.

A pesar de que las cuerdas tienen 1 sola dimensión, esto requiere un universo, ya no de 4 dimensiones, como dice la relatividad, sino multitud de ellas. Algunas variaciones de la teoría de cuerdas hablan desde 8 o 9 hasta 11. Entonces, la partícula que nosotros vemos, adimensional (las partículas son puntos y los puntos no tienen dimensiones), no es más que la representación de esa cuerda que vibra en 9 dimensiones en nuestra realidad tridimensional. (No intenten imaginarlo en sus casas ;))

Ahora esta teoría se ha visto ampliada y ya no sólo se plantean la posibilidad de que sean cuerdas las que vibren, sino planos (o sea 2 dimensiones),  o estructuras con más dimensiones. Se conoce de hasta 5. Y a esa “ampliación” de la teoría de cuerdas la llamamos teoría M.

El problema de la teoría de cuerdas o teoría M es que no hemos podido comprobarla, a pesar de que hace 30 años que está formulada. Hay en torno a ella un profundo debate sobre si es pseudociencia o si el método científico (que implica proponer leyes que sean verificables) está desfasado.

En todo caso, demuestra el interés de la ciencia por hallar un fondo común que explique, con una sola formulación, la totalidad del Universo.Y el tiempo acabará por darnos una respuesta… o no.

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La materia debajo de la alfombra

Cuando miramos al cielo, las estrellas nos parecen enormes y eso nos induce a pensar que su masa debe representar una porción enorme de la masa total. Pero, en realidad, sólo representan el 0,4% de la masa total. Entonces, ¿dónde está el resto?

El gas intergaláctico representa una masa mucho mayor (sobre el 3,6%) pero, aún así, falta mucha. Por allá los años 30, un físico suizo, Fritz Zwicky, quiso medir la masa total de un cúmulo de galaxias (que es un montón de galaxias juntas). Para hacerlo, midió la velocidad a la que rotaban las galaxias porque la masa y la rotación están íntimamente ligadas. Y luego midió la luz que emitía todo el cúmulo, ya que la luz está relacionada con la energía y esta, a su vez, con la masa. Y el resultado fue que había 400 veces más que la masa esperada…

Eso llevó a los físicos a la conclusión de que el universo está constituído en, buena parte, por una materia oscura, que “no se ve”. Esta materia se acumula en las galaxias aumentando muchísimo su masa.

En estas imágenes podéis ver a la derecha como “vemos” una galaxia (a la derecha) y el halo de materia oscura que, en realidad, hay (a la izquierda).

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Además, descubrimos y hace poco mapeamos, que las Galaxias estaban unidas por una especie de red de gases que forman como una malla. Eso nos ha venido de narices porque nos ha ayudado (y mucho) a comprender porqué la materia se ha acumulado formando galaxias.

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Después del Big Bang, la materia oscura se distribuyó de forma no uniforme formando esta gran red con filamentos. En los puntos de unión de estos filamentos se producía una acumulación de materia que provocaba la concentración de la materia que, después, ha formado las galaxias. Así, y como ellos mismos dicen, la materia oscura ha constituído una especie de andamiaje para la materia “que vemos”.

Esta imagen son los filamentos tal y como están ahora que hace tan sólo 2 años, pudimos mapear. Tienes que pensar que cada uno de los puntos que se ven, son multitud de galaxias.

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Aunque la materia oscura es más de 5 veces la materia “que vemos”, el conjunto de las dos, sólo representan el 25% de la materia del Universo. ¿Dónde demonios está el 75% que falta?

¿Os acordáis que hablamos que había una posible 5ª fuerza fundamental de la naturaleza? Una de las formas de explicarla sería que hubiera energía repartida por todo el universo de forma uniforme, a la que no le afectara la gravedad. Esta energía tendería a separar la materia, es decir, a expandir el Universo.

Una hipótesis es que esta energía se genera en el vacío. Si recordáis, por el principio de indeterminación no podía haber ningún punto del universo vacío. Pues a las regiones donde no hay “nada”, se supone que hay como unas oscilaciones, que podrían ser la fuente de esta energía, que representa el 75% del total. Nada mal, ¿no?

Así, como veis, el Universo esconde la mayor parte de su contenido a nuestros ojos. Y cuando miramos al cielo sólo estamos viendo una parte ínfima de su contenido.

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Agujeros de gusano y el condensador de fluzo

¿Quién no se ha emocionado de niño viendo al auténtico coche fantástico en la película de Zemeckis Regreso al futuro? Sus idas y venidas al pasado y al futuro hacían las delicias de los que crecimos en los años 80. Pero, ¿cómo funcionaba?

Durante este mes de agosto, en el blog he explicado un montón de cosas básicamente sustentadas sobre la teoría de la relatividad de Einstein. La gente, cuando se habla de viajes en el tiempo, suele pensar en agujeros negros. Pero la verdad es que estos viajes serían mucho más probables en unos primos hermanos del los agujeros negros que son los agujeros de gusano. ¿En qué consisten?

¿Os acordáis de la ameba que pensaba que vivía en un mundo 2D cuando, en realidad, lo hace en un mundo 3D? Vamos a imaginarnos otra vez que somos esa ameba. Un día la madre del niño se pasa a ver la cabaña y ve el plástico que hace de tejado (y donde vivimos) hecho un asco. Así que se lo lleva y lo limpia y, antes de volver a ponerlo en su sitio, lo tiende. Podría ser que, en algún momento, puntos muy alejados del plástico, gracias al pliegue, se toquen. Y nosotros, que somos la ameba y paseamos tan rícamente por su superficie, podríamos pasar de un lado al otro sin darnos cuenta.

Como ya explicamos que el continuo espacio-tiempo puede deformarse, en nuestro universo pasa lo mismo pero en un 4D que percibimos como 3D. Cuando este sufre un pliegue que hace que dos puntos muy alejados del Universo se vean unidos lo llamamos agujero de gusano.

Agujero-de-gusano

Alguno puede decir a estas alturas que yo lo he planteado como viaje en el tiempo y, hasta ahora, no voy más allá que lo que hacen las naves de Battlestar Galactica. Efectivamente, esto es lo que deberían hacer sus naves. Y paciencia, que ahora cuento los viajes en el tiempo.

Imaginad que somos capaces de “abrir” agujeros de gusano. Entonces, algún avispado descubre un negocio; lanza una nave al espacio y abre una entrada en la superficie de la Tierra y otra dentro de la nave. Un montón de turistas van locos a pagar para ver el espacio sin pasar por el incómodo despegue de una nave espacial.

Así que abren el agujero de gusano, pasa la gente, lo cierran y dan un paseo con la nave por el universo. Pero un día, al “botones” del agujero se le olvida cerrar el agujero de gusano antes de mover la nave. Así que, mientras una puerta del agujero está parada en la superficie de la Tierra, la otra está moviéndose por el espacio.

¿Recordáis aquello de que, a velocidades muy altas, el tiempo pasa más despacio? Eso significa que, si la velocidad de la nave es cercana a la de la luz, para la entrada de la nave el tiempo ha pasado más despacio. Esa es nuestra máquina del tiempo.

¿Eso quiere decir que las máquinas del tiempo existen? No tan rápido…  En realidad, los agujeros de gusano son un resultado de las ecuaciones de la relatividad de Einstein, pero están en un punto que, como los agujeros negros, se tocan con la mecánica cuántica. Y es justo ese espacio el que la ciencia está investigando ahora.

Uno de los grandes problemas es justo lo que genera el conflicto en Regreso al futuro; el libre albedrío. Si los viajes en el tiempo son posibles, nada impediría que fueras al pasado y mataras a tu madre impidiendo tu nacimiento. Es lo que Thorne, el físico que más ha trabajado sobre el tema, llamó la paradoja del matricida.

Cuando Thorne presentó su teoría ya intuía que era poco factible. Hawking hizo una conjetura que se conoce como la conjetura de la protección cronológica que, en su habitual tono de broma dijo que “mantendría el mundo a salvo de los historiadores”.

La protección que el Universo podría tener contra ese tipo de objetos estelares es el siguiente; en los espacios vacíos se producen oscilaciones aleatorias. Las que se produjeran dentro del tunel del agujero convertido en máquina del tiempo, según sus cálculos, podrían amplificarse tanto que acabarían por destruirlo.

El problema es que, para saber la intensidad real de esas amplificaciones, y por tanto concluir si los destruyen o no, deberíamos conocer mejor lo que parece que en un futuro unificará las dos grandes teorías actuales; la relatividad y la mecánica cuántica, en lo que se conoce como gravedad cuántica, tema del que ya hablaré más adelante.

Si el tema os interesa os recomiendo el libro donde Kip Thorne explica sus investigaciones sobre agujeros de gusano en Agujeros negros y tiempo curvo. Me encantó porque explica todo lo que suelen explicar estos libros (relatividad, mecánica cuántica, evolución de las teorías a lo largo de los años…) pero, además, añade la experiencia personal en el desarrollo de la descripción de los agujeros de gusano. Con sus pasos adelante y sus pasos atrás, sus miedos a perder la credibilidad delante de la comunidad científica, las malas interpretaciones de la prensa a su trabajo…

Así que ya sabéis qué es lo que provocaba el consensador de fluzo y, de paso, el final de Lost. Siento haberlo reventado [NOTA: Es broma. Cuando escribí este post, Lost aún no había acabado. Básicamente, me anticipaba al final. Errando mucho, por cierto.]

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El Big Crunch no es una tableta de chocolate crugiente

Todo en este mundo tiene un inicio y un fin. Asumimos que el inicio del Universo ya lo sabemos; el Big Bang. También parece que es ineludible que el tiempo siempre va hacia adelante en la dirección que nos marca la entropía.

Y entonces, ¿todo esto cómo se acaba? Pues la respuesta no está clara, pero siempre incorpora un big en su nombre y ya os advierto que ninguna es demasiado alentadora ni apetecible.

Vamos a jugar con una pelota. La lanzamos al aire y esperamos a que vuelva a caer. Utilitzando siempre la misma fuerza, si la pelota pesa mucho no llegará tan alto como si la pelota es ligera. Y si la lanzo con más fuerza, tardará más en caer que si la lanzo con poca fuerza. Y existe la posibilidad de que si la lanza Asterix, la pelota salga tan rápido que acabe por escapar de la gravedad de la Tierra y acabe vagando por la galaxia sin rumbo por siempre más.

Al Universo le pasa algo parecido. Hasta los años 90, los físicos estaban interesados en dos datos; la densidad del Universo (que viene a ser como el peso de la pelota), y la velocidad a la que se separan las galaxias (que sería la velocidad a la que lanzamos el balón).

Si el universo “pesa” demasiado poco, entonces es como cuando lanza la pelota Asterix. La gravedad no tendrá fuerza para parar la expansión. Aún así, el universo iría, cada vez, más lento. Todo estaría, cada vez, más aislado de lo demás. Además, las estrellas acabarían su combustible y en el universo acabaría haciendo un frío que pelaría y, encima, sin luz. Sería la muerte térmica del universo. Es lo que se conoce como Big Freeze, en castellano Gran Congelación. (NOTA: si os parece interesante, vale la pena mirar el enlace de la wikipedia que he puesto porque da muchos más detalles de cada uno de los procesos finales del Universo).

Pero, ¿qué pasa si el universo “pesa” mucho? Que la propia gravedad del Universo irá frenando las galaxias hasta que se paren y empiecen a retroceder. La pelota volvería a caer. Entonces toda la masa volvería a caer en un solo punto, como justo antes del Big Bang. Incluso se plantea la posibilidad de que eso provocaría que la materia chocara y se produjera un nuevo Big Bang, que se conoce como Big Bounce (Gran Rebote). Es más, podría ser que nuestro Big Bang no haya sido el primero… A esto se le conoce como el Big Crunch (Gran colapso).

Esta teoría tiene un problema y es que no cumple con la segunda ley de la termodinámica. Quedamos con que era obligatorio que las cosas estuvieran cada vez más desordenadas. Pero, en este caso, cada vez que hay un Big Bang, el Universo debería hacer un “reset”. Y eso, claro, incumple la ley. Hay incluso quien plantea la posibilidad que, en cuanto las galaxias empezaran a retroceder el tiempo cambiara de dirección, de tal forma que dejaría de ir para adelante para ir para atrás. Es decir, que los vasos no se caerían de la mesa y se partirían en 1000 pedazos, sino que, los 1000 pedazos se convertirían en una taza maravillosa.

Lo curioso es que a finales de la década de los 90, algunas mediciones de la velocidad de las galaxias, dieron resultados sorprendentes. La velocidad a la que se separan no sólo no se estaba frenando sino que, por lo visto, se acelera. O sea, que otra vez nos ha cogido la realidad a contrapie.

Parece que habría una fuerza en el universo que hace justo lo contrario que la gravedad, es decir, separar las galaxias, y que se notan sus efectos cuanto más alejadas están las unas de las otras. Aún así, el final que le espera a nuestro universo si esto se confirma es muy parecido al del Big Freeze pero más rápido. Le llaman el Big RIP,  que no hace falta que traduzca.

Si alguien pretendía la supervivencia eterna de la raza humana y se planteaba que, tarde o temprano, tendríamos que abandonar la Tierra porque algún día acabará engullida por el sol, ya puede empezar a pensar cómo saltar de este Universo a otro, si es que hay más…

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Big Bang, la teoría del microondas

Está claro que el ser humano siempre ha intentado saber de dónde venía. Y las teorías creacionistas (Dios nos hace a su imagen y semejanza) han funcionado durante siglos. Pero un día, a alguien le dio por mirar al cielo y preguntarse cómo funcionaba todo aquello tan bonito del cielo. Entonces llegó Newton y descubrió la gravedad. Los cuerpos se atraen entre si. Y surge la pregunta.

Si las estrellas se atraen entre si, deberían ir acercándose hasta juntarse, ¿no? Newton no tenía respuesta para eso. Llegó a la conclusión que universo era infinito, así que siempre encontraríamos un grupo de estrellas un poco más allá que impedirían que las de más cerca se juntaran, llegando a un equilibrio. Pero había un problema. Si eso fuera así, cada uno de los puntos de nuestro cielo acabaría en una estrella. O sea, en un punto de luz. En consecuencia, la noche debería ser tan luminosa como el día.

La teoría evolucionó. Algunos físicos, a principios del s. XX detectaron las galaxias y nebulosas estaban separándose de nosotros. Así que universo se expandía. De esta manera ya no hacía falta un universo infinito. Sólo había que encontrar la causa de esa expansión.

El primero en proponer la teoría del Big Bang fue George Gamow, un ruso nacionalizado estadounidense. Aquí vamos a acabar con un mito; el Big Bang no es una gran explosión que escupió materia por el espacio. En realidad, la teoría lo que dice es que, al principio, toda la materia y todo el espacio estaban concentrados en un sólo punto de densidad infinita. Tras el Big Bang, el espacio en si mismo se hacía más grande y, por tanto, la distancia entre las partículas se hacía mayor. ¿No lo entendéis? No os preocupéis, yo tampoco.

Hubble, que antes de ser un telescopio era una persona, calculó la velocidad a la que se separaban las galaxias y obtuvo lo que se conoce como ley de Hubble. ¿Os habéis fijado que la sirena de una ambulancia no suena igual cuando se acerca que cuando se aleja? Cuando se acerca suena muy aguda pero, en cuanto nos supera, se vuelve grave. Es lo que se conoce como efecto Doppler. La luz, que se comporta como una onda, sufre el mismo fenómeno. Cuando una galaxia se aleja se ve más roja. Si se acerca, la vemos más azul.

Como sabéis, el método científico exige que cada nueva teoría ha de predecir cosas con las que comprobar si es válida o no. De ser cierta la teoría del Big Bang debíamos ser capaces de encontrar lo que se conoce como radiación cosmológica de fondo o fondo de microondas.

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Cuando miramos al cielo y vemos una estrella no estamos viendo el presente de esa estrella sino cómo era esa estrella miles de años atrás. Conforme más lejanas son, más antiguas. Así, si queremos entender el universo antiguo, sólo tenemos que buscar estrellas lo suficientemente alejadas.

¿Hay un límite? Sí, lo hay. En los primeros años, unos 380 mil años, la temperatura del universo era tan alta que no había luz. Hizo falta que se formaran los primeros átomos de hidrógeno, el átomo más sencillo y pequeño, para que los fotones, o sea, la luz, corrieran libremente.

Justo en ese momento, se alzanzó una temperatura de unos 3000 K (algo más de 2700ºC). Ese calor se ha ido disipando a lo largo de los 14 mil millones de años del universo. Pero, si la teoría del Big Bang era cierta, debía quedar un pequeño rastro. El fondo de microondas es ese rastro que detectamos hace ya muchos años.

Pero no todo lo que reluce es oro. El Big Bang se encuentra con unas cuantas dificultades, y alguna de ellas, seria;

1º/ Imagina una barra de hierro. Encendemos un fuego y la acercamos. Eso calentará las moléculas que queden cerca del fuego. Y estas calentarán a sus vecinas hasta que toda la barra tenga la misma temperatura. Pero si esta barra fuera enorme, nos costaría mucho que el calor llegara a los lugares más alejados. Es decir, sería difícil conseguir un equilibrio térmico. Ahora imagina el universo; tenemos partículas muy alejadas entre si, por lo que imaginar que todas las partículas tengan la misma temperatura parece improbable. Lo que los físicos esperaban encontrar en el fondo de microondas era que el calor residual que quedara de aquella explosión variara mucho en función de la dirección en la que la tomáramos la temperatura. En cambio, todos los puntos parecen tener temperaturas parecidas. Eso juega en contra del Big Bang.

2º/ Esto que viene ahora es muy difícil de visualizar. En nuestra vida cotidiana, observamos objetos con diversas formas geométricas (planos, esferas…). El universo, que recuerdo que tiene 4 dimensiones (3 de espacio y 1 de tiempo), también podría tomar diversas formas. En concreto, las más importantes; plana (la más intuitiva), esférica (si partes de un punto y sigues una línea recta, acabas volviendo a ese punto otra vez) o hiperbólica (que es parecida a la montura de un caballo). Las mediciones dicen que vivimos en un universo casi plano. El problema es que, por lo visto, un universo casi plano debería derivar muy rápido en uno esférico. Y eso no es lo que está sucediendo. Sigue siendo casi plano.

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Le hemos buscado una explicación a esto, y la única razonable sería que, en una edad muy temprana, el universo se expandiera a una velocidad superior a la de la luz. Es lo que se conoce como modelo inflacionario [AÑADIDO: A 18/03/2014 parece que este modelo ha sido comprobado]. Pero eso acarrea otras consecuencias de las que hablaré otro día.

Que nadie se asuste. La teoría del Big Bang tiene muchos puntos a favor y está muy aceptada por la comunidad científica. Pero eso no quiere decir que no tenga puntos débiles ni que tenga que ser lo que, en realidad, sucedió. Y eso es bueno porque sus posibles errores son puertas a un mayor conocimiento en el futuro.

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Las supernovas, los fuegos artificiales del espacio

Mirar al cielo de noche siempre resulta gratificante, a no ser que vivamos cerca de grandes núcleos urbanos que, por cierto, es lo que nos pasa a la mayoría. Sin saber por qué, el cielo estrellado nos parece de una gran belleza.

Pero eso es porque no hemos tenido la oportunidad de ver una supernova, a una distancia prudencial, claro. Una supernova es la explosión de una estrella hipermasiva en el momento de morir. En la imagen podéis admirar la belleza de la supernova de Kepler, que estalló muy cerquita nuestro; apenas 20000 años luz. Se pudo ver a simple vista con un tamaño parecido al de un planeta y más que cualquier estrella que no fuera, obviamente el sol. Una explosión de este tipo demasiado cerca, sería fatal para la Tierra.

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Pero, ¿cómo se produce algo así? ¿Por qué explota una estrella cuando muere? Primero hay que entender cómo funciona una estrella. La pregunta clave es, si la gravedad es tan fuerte, ¿por qué no se va haciendo cada vez más pequeña y más pequeña? Es verdad que la gravedad tiende a juntar cada vez más la materia. Entonces, ¿qué se lo impide?

Hay dos procesos que luchan contra la gravedad. El primero es muy intuitivo. ¿Qué pasa si comprimes algo? Que se calienta. El calor no es más que partículas moviéndose muy rápido. Las partículas chocan unas con otras, y eso las aparta. Por eso las cosas se dilatan. Y eso es justo lo que les pasa a las estrellas. Esta fuerza contrarrestadora es la que predomina en las pequeñas estrellas, como nuestro sol.

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Hay otra fuerza. La enorme presión a la que la gravedad somete a las partículas del núcleo de la estrella, acaba haciendo que se fusionen. Y lo que provocan son reacciones termonucleares que dejan en una broma de mal gusto las más destructivas bombas nucleares que tenemos. También resulta intuitivo entender que esas explosiones tienden a expandir a la estrella. Esta fuerza es la que predomina en las grandes estrellas para luchar contra la gravedad.

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Así, gracias al equilibrio entre la gravedad y la dilatación y las explosiones nucleares, las estrellas mantienen su tamaño. Pero estas van consumiendo su combustible. Esto es, el morenito que nos sale en verano es porque nuestra estrella, el sol, se ha desprendido de mucha energía en forma de fotones, o sea, luz (en la siguiente imagen, la a). ¿Qué le pasará cuando se le acabe el combustible? Si la estrella es pequeña, como es el caso, simplemente se enfriará hasta convertirse en un pedrusco enorme.

Si la estrella es gigante, hay un momento en el que el combustible (partículas de hidrógeno que hay por el núcleo) se agota (b). En ese momento, la fuerza que hacían las reacciones nucleares para contrarrestar la gravedad, desaparecen. Y la estrella se comprime, implosiona o, como dicen los cosmólogos, colapsa (c). De repente, toda la materia de la estrella cae, de golpe, a su propio núcleo.

Ahora imaginaos toda esa cantidad enorme de materia concentrándose en tan poco espacio a una velocidad tan grande que cuesta de imaginar. ¿Qué sucede luego? Lo único que podía pasar. La materia choca con tanta violencia que sale disparada en dirección contraria extremadamente caliente y liberando una energía enorme (d,e, y f). Y ahí tenéis la supernova.

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(imagen de la wikipedia)

Hay varios tipos de supernovas, pero no voy a entrar en eso. Si queréis información más técnica sobre eso, os paso el enlace de la wikipedia.

Y después de la supernova, ¿qué? Mucha de la materia/energía (ya vimos que era lo mismo) sale disparada. Pero puede quedar una parte que no escapa de la gravedad de la estrella. Este nucleo recibe el nombre de estrella compacta u objeto compacto. Hay varios tipos y, en resumen, son estrellas que no luchan con la gravedad gracias a reacciones termonucleares sino a fuerzas de origen cuántico.

Si la masa que ha quedado sigue siendo muy grande, estas fuerzas cuánticas tampoco son capaces de luchar en equilibrio de fuerzas con la gravedad y colapsan de nuevo. Y esta vez lo que generan es un agujero negro.

Las supernovas son fuente de contradicciones muy fuertes; destruyen lo que encuentran a su paso y son, en algunos casos, el nacimiento de un agujero negro. Pero, a cambio, son de una belleza difícil de superar y reparten materia por el universo que facilita la formación de, por ejemplo, planetas y otras estrellas. Fuente de vida y de muerte a la vez. No está mal para el guión de una película… 😉

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Agujeros negros, sumideros de materia

Ya comenté que lo que deforma el espacio es la gravedad. O sea, que se da una curiosa circunstancia; cuando la materia se concentra mucho, se deforma a si misma. Pero, ¿podemos llevar eso al límite?

La respuesta es sí y lo llamamos agujero negro. Es algo que precide la teoría de la relatividad y, por cierto, a Einstein molestaba mucho. Él creía que, aunque fuera teóricamente posible, a la práctica no se daría.

La idea es la siguiente; La masa genera gravedad. Y la gravedad deforma el espacio atrayendo más masa hacia si misma. Si la masa va aumentando, llega un momento en el que la gravedad es tan fuerte que, a partir de un cierto punto, nada puede escapar a ella, ni siquiera la luz. A ese punto de no retorno le llamamos horizonte de sucesos.

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(Imagen de isftic)

En el momento en el que se forma el horizonte de sucesos nace el misterio porque nada ni nadie que entre, podrá volver para explicarlo. ¿Qué hay en el interior de un agujero negro? Aquí entran en juego la relatividad y la mecánica cuántica. Cada una precide unas cosas y aún no tenemos claro qué sucede en realidad.

La relatividad precide que, pasado ese horizonte de sucesos, la masa sigue cayendo y cayendo atraída por unas fuerzas gravitorias terribles hasta el núcleo del agujero. Como ya sabéis, cuanto más rápido vamos, más se contrae el espacio (somos más pequeños) y más se dilata el tiempo (pasa más poco a poco).

Pero lo que nos espera en el núcleo es lo más increíble. El espacio estará tan comprimido que, en un punto infinitamente pequeño, habrá una enorme acumulación de masa. El tiempo, va tan poco a poco que, en ese punto… se para. Y a ese punto lo llamamos singularidad.

Eso es lo que demostró el archiconocido físico Stephen Hawking entre otros a finales de los 60’s. Y el nombre al nuevo cuerpo celeste se lo puso John Wheeler, un cachondo que provocó airadas críticas por el nombre que propuso pero que acabó siendo aceptado.

El problema era que, aunque a nivel teórico fueran posibles, si de verdad hasta la luz que se acercaba desaparecía cayendo en su horizonte de sucesos, ¿cómo diantres íbamos a detectar uno? La clave está en aquello que ya comentamos en el blog de que la luz ve deformada su dirección a causa de la gravedad. Como un agujero negro es muy masivo, hará una especie de efecto lenticular curioso. Esta imagen, tomada de la wikipedia, es la imagen simulada de cómo veríamos desde la Tierra un agujero negro a unos 600 km. con 10 veces la masa solar.

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Gracias a este efecto óptico hemos podido detectar diversos agujeros negros en el universo. El más cercano, uno enorme en el centro de nuestra galaxia.

Se dan un par de paradojas bastante divertidas con este proceso.

Un agujero negro está en la mayor de las ausencias de luz. Pero si está goloso consumiendo materia, a su alrededor gira muchísima materia que sí es muy fácil de ver. Y, como todo va tan rápido, se pone caliente, lo que provoca que sea muy luminoso.

Si la cantidad de materia es muy grande, entonces esta empieza a chocar la una con la otra antes de cruzar el horizonte de sucesos. Esos choques provocan que grandes cantidades de materia salga disparada en lo que se conoce como chorros de acreción y que suelen tener distancias de años-luz (un año-luz no mide tiempo sino la distancia que recorre la luz en un año). Por lo visto, curiosamente, están implicados en la formación de estrellas, por lo que el trabajo de los agujeros negros no es sólo destructivo sino que puede formar galaxias.

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Ahora sabemos que, en realidad, los agujeros sí dejan escapar algo de su materia por un curioso fenómeno cuántico que se produce justo en la superficie de su horizonte de sucesos. Incluso, si el agujero negro es muy pequeño, puede llegar a evaporarse.

Cuando pusieron en marcha el acelerador de partículas del CERN salieron los listos de la clase a decir que esto era el fin del mundo porque este acelerador era capaz de generar agujeros negros. Y tenían razón. No en lo del fin del mundo, sino en que pueden formar agujeros negros. Pero son tan diminutos, que se evaporan en seguida. Así que lo demás es prensa amarilla.

Los agujeros negros suelen ser los reyes de las conversaciones entre los que no entendemos de física pero nos gusta. Pero no son los únicos ni los, para mi, más espectaculares. Supernovas y, sobre todo, los agujeros de gusano, son increíbles. Hablaré de ellos en próximos posts.

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La gravedad todo lo deforma

En algunos posts anteriores, he comentado que no vivimos en un mundo 3D sino 4D en lo que se conoce como continuo espacio-tiempo.  Además, también he explicado que los objetos lanzados a velocidades próximas a las de la luz, el tiempo se dilata y el espacio se contrae.

Si alguno de vosotros no había tenido suficiente con todo lo explicado para sorprenderse, voy a dar otro dato con el que es difícil quedarse indiferente. Dando por explicado lo dicho, lo que deforma el continuo espacio-tiempo es la gravedad. Ahí es nada…

Ya forma parte de nuestra compresión del mundo que, cuando una masa es muy grande, tiene la capacidad de atraer materia. Pero comprender que, además, la deforma, ya no es tan fácil. Pero no hemos de olvidar un elemento importante. Igual que la pobre ameba de la que hablamos no es capaz de comprender un universo 3 dimensiones, para nosotros no es comprensible un universo 4 dimensiones. Y, de igual manera que nos parece obvio que un mundo 2 D puede deformarse dentro de un universo 3D, uno 3D puede hacerlo en un 4D.

Pero, ¿por qué lo deforma? En realidad, una vez aceptamos que, a altas velocidades, el tiempo se dilata y el espacio se contrae, el hecho cierto es que es relativamente fácil aceptar que la gravedad deforma el espacio. Voy a tratar de ser lo más intuitivo posible (y eso, tarde o temprano, acabará implicando que un físico se moleste mucho con lo que escribo ;)).

Imaginad que trabajáis en una de las naves de Battlestar Galactica y, en un esfuerzo sin precedentes, os piden que os acerquéis a una estrella hipermasiva. El gobierno, además de ahorrarse vuestro UVA, quiere consumir el mínimo combustible posible. Así que, os acercaréis a la estrella y os dejaréis llevar por la gravedad de esta.

Si nada os frena, cada vez cogeréis más velocidad. Y esa es la clave de todo. Si ya vimos que, a más velocidad, más deformación del espacio y del tiempo, querrá decir que, conforme os vayáis acercando a la estrella, mayor será la deformación de vuestro espacio-tiempo. Dicho con otras palabras, la gravedad deforma el espacio-tiempo. Y, cuanto más cerca, más lo deforma.

La gravedad es capaz de atraerlo todo. Y cuando digo todo es todo; incluída la luz. Imagina que estás mirando un cielo estrellado precioso en una noche despejada. La luz trata de seguir una trayectoria recta. Pero por el camino se encuentra estrellas muy masivas que desvían su trayectoria.

defleccion

(imagen de shelios)

Para demostrar que tenía razón, después de publicar en 1915 la teoría de la relatividad general, Einstein tuvo que esperar al siguiente eclipse de sol. La idea era la siguiente. Si la luz de las estrellas se veían desviadas por elementos muy masivos, se verían desviadas por la gravedad del sol. Luego, en un eclipse de sol, las estrellas que deberían quedar tapadas por el astro rey, se verán justo al lado de este.

Todos los físicos esperaron aquel día con mucho interés aunque muchos no daban demasiada credibilidad a lo que Einstein dijo. Pero el 29 de mayo de 1919, el primer eclipse de sol total desde que se publicó la teoría, todos los cosmólogos miraron al cielo para ver si las predicciones eran correctas. Y los astros le dieron la razón.

En 1922 Einstein ganó el premio nobel de física y su teoría quedó ratificada. Y nuestro concepto del universo, del tiempo y del espacio, cambiaron para siempre.

personal

Bienvenidos a la cuarta dimensión

La física nace de hacerse preguntas sobre nuestra experiencia diaria. En un principio, la intuición era su motor. Cuando Newton se dio cuenta que las manzanas se caían al suelo, se preguntó por qué. En base a ello buscó una regla matemática que le ayudara a predecir a qué velocidad caería y, por ejemplo, con qué fuerza golpearía al suelo la manzana que cayera del árbol. A eso lo llamamos la ley de la gravedad.

Pero la ciencia evolucionó y, a princpios del s. XX, algunos experimentos demostraron que la realidad de lo muy grande y de lo muy pequeño era mucho menos intuitiva de lo que nos pueda parecer. Dos teorías nacieron y caminaron por separado unos cuantos años para acabar cogidas de la mano, aunque aún discrepan en algunos puntos; la Teoría de la Relatividad de Einstein y la Mecánica Cuántica.

Si miramos a nuestro alrededor, percibimos 3 dimensiones de espacio y una de tiempo. En el espacio parece estático. Un metro es un metro y no hay alteración posible. Y respecto al tiempo pasa otro tanto. El reloj marca su paso sin que ninguna condición externa parezca poder afectar. Además, nuestra experiencia demuestra que el espacio y el tiempo son realidades absolutamente separadas. Pero es sólo lo que parece…

Ni las historias de Iker Jiménez son más espectaculares que la realidad. Ya comenté en el blog que, cuando algún objeto va a una velocidad cercana a la de la luz, el tiempo se dilata (pasa más poco a poco) y el espacio se contrae. O, lo que es lo mismo, ese objeto mide el tiempo más lento que nosotros y las distancias más cortas. Pero, ¿cómo puede ser que suceda esto?

Como digo, nuestra percepción es que el espacio y el tiempo son dos realidades distintas. Pero es sólo nuestra percepción. La realidad es que están intimamente ligadas. Juntas forman un todo. No es que tengamos un 3D de espacio y 1D de tiempo, sino que vivimos en un 4D de espacio-tiempo. Y asi es como lo llaman los físicos; el continuo espacio-tiempo. El problema es que percibimos un mundo en 3D y se nos hace imposible imaginar uno de 4.

No te sientas insultado, pero imagina que eres una pobre ameba que se pasea por la superficie de un plástico que hace de tejado de una cabaña de un niño. Como buena ameba, llevas toda su vida recorriendo distancias cortas y, de hecho, jamás has salido de la superficie del plástico. Lógicamente, este es plano y, para una ameba el mundo es en dos dimensiones. Puede ir hacia adelante, atrás, derecha o izquierda. Arriba y abajo es una idea que, para ella no existe.

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Pero un día una piedra cae sobre el plástico y este se deforma. ¿Notaría algo la ameba? ¡En absoluto! Sus dimensiones (delante, detrás, derecha e izquierda) siguen intactas. Si no fuera porque tienes inquietudes sobre física, jamás notarías la diferencia entre su universo plano o su universo doblado. Pero, ¿cómo podría descubrir que su universo ha sufrido un pliegue?

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Imaginemos que encuentras un exquisito manjar. Ahora no tienes hambre pero quieres asegurarte de que nadie te la roba. Y decides hacer rondas en círculo para que nadie, venga de donde venga, te la pueda arrebatar. Así que dibujas una circunferencia perfecta sobre tu superficie 2 dimensiones. Pero como eres muy perfeccionista, decides asegurar que tu círculo es perfecto, así que tomas medidas de la distancia respecto al radio y… ¡sorpresa! El radio resultante es menor de lo que esperabas!

Si la ameba es suficientemente lista, llegará a la conclusión que lo único que puede pasar es que su universo 2 dimensiones esté deformado  dentro de otro universo 3 dimensiones. Pero la pobre nunca podrá imaginarse ese universo 3 dimensiones.

Eso es justo lo que nos pasa a nosotros. Tenemos evidencias de que nuestro universo es de, por lo menos, 4 dimensiones (teorías cuánticas van mucho más allá, pero esa es otra historia), pero son evidencias indirectas. Y, como la ameba, somos incapaces de imaginar en nuestra mente más de 3 dimensiones.

Así que, mis queridas amebas, perdón, lectores del blog, bienvenidos a la cuarta dimensión de la física relativista.