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…

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.

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.

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.

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.

(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… 😉

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.

(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.

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.

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.

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.

(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.

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.

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?

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.