Agujeros negros y ondas gravitacionales

Una mirada profunda al Universo

Gerardo Herrera Corral

• Editorial: Sexto Piso
• Año: 2019
• ISBN:
  9788417517632
• Categoría: Ciencias biológicas
• Categoría: Ciencias en general

Una manzana cae, los planetas giran majestuosamente alrededor del Sol, el remolino de un agujero negro ejerce su atracción fatal (¡y es fotografiado directamente por primera vez!), diminutas ondas gravitacionales fluctúan en el tejido invisible del espacio-tiempo. Estamos ante distintas expresio­nes de la enigmática fuerza de la gravedad. ¿Cómo la entiende la ciencia desde Newton hasta Einstein, pasando por los intentos de descifrarla en la escala de la gravedad cuántica? ¿Cómo la retrata la literatura y el cine? ¿Qué reflexiones filosóficas nos despierta?. En este libro Gerardo Herrera nos habla de uno de los descubrimientos científicos más importantes de este siglo, la detección de las ondas gravi­tacionales, así como de los agujeros negros, a los que están íntimamente ligadas. Empezando con las ideas de Galileo y Newton, el libro nos guía hacia la relatividad de Einstein, la curvatura del espacio-tiempo, los agu­jeros negros y las ondas gravitacionales. El autor nos lleva después por el camino de las teorías de unificación que intentan reconciliar la visión de Einstein de la gravedad con la mecánica cuántica, y nos introduce a los conceptos de la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica. Finalmente, Herrera explora la relación de nuestras modernas teorías físicas con el cine y la literatura, para concluir con una visión filosófica sobre la naturaleza del tiempo y el destino del Universo. Éste es sin duda un libro apasionante que nos habla de una de las grandes aventuras del pensamiento humano, que debe leer cualquiera que esté interesado en entender los últimos grandes avances de la física, la cosmología y la astrofísica.

EL ORIGEN DE LAS FUERZAS Y LA BÚSQUEDA DE UNIDAD

«La unidad es la variedad, y la variedad es la unidad, esta es la ley suprema del Universo».

ISAAC NEWTON

Los físicos siempre han pensado que las Fuerzas fundamentales de la naturaleza están relacionadas. Consideran que las cuatro interacciones se nos presentan como distintas cuando en realidad son aspectos de una sola Fuerza. El esquema de ideas es que cuando el régimen de energía es muy alto y la escala microscópica muy pequeña, las Fuerzas se unifican. No tenemos una teoría que describa esta unificación, pero su búsqueda es sin duda el objetivo más importante de la física de nuestros días (Gordon, 2017).

Una razón moderna para pensar en la unificación de las Fuerzas viene dada por el modelo que hoy aceptamos como explicación del origen del Universo. Tenemos evidencia observacional que nos dice que todo comenzó en una gran explosión hace trece mil ochocientos millones de años. Esto significa que en sus comienzos todo lo que vemos era esencialmente uno y lo mismo y que es a partir de ahí que se generó la diversidad que existe en nuestro derredor. Las Fuerzas no tendrían por qué ser la excepción, debieron surgir de una sola al comienzo de los tiempos.

Hoy se piensa que en el Tiempo de Planck es decir cuando el Universo tenia 10^-43 segundos de edad, sólo existía una interacción. A las teorías que se proponen para entender esta fase se las conoce como de Gran Unificación. Pero justo después de esta etapa la Fuerza gravitacional se separó para dejarnos un Universo con dos interacciones: la gravitacional y la interacción de Gran Unificación.

Muy poco después, cuando el Universo cumplió los primeros 10^-35 segundos sufrió un proceso de violento crecimiento. De pronto y por sólo un instante, imperceptible de tan corto, el Universo se expandió. En este exiguo momento, el Universo creció hasta hacerse un centenar de octillones de veces mayor de lo que era. A este desmesurado crecimiento se le conoce como inflación cósmica, resultado de una inestabilidad del Universo recién nacido. Las consecuencias fueron no sólo el dramático crecimiento sino además la creación de una gigantesca cantidad de materia. De no haber ocurrido la inflación, el Universo hubiese colapsado sin dejar rastro ni testigos. En esta época el Universo creció del tamaño que tenía, miles de millones de veces más pequeño que un protón, al tamaño de una naranja; esto en un instante inconcebiblemente breve. Tan sobrecogedor cambio en el Universo lo estabilizó y lo hizo perdurable. Es en este periodo inflacionario cuando la Fuerza fuerte se separó de la interacción electrodébil.

En su nueva etapa el Universo era más frío, la temperatura había descendido a tan sólo mil billones de grados. Las partículas y las antipartículas aparecían de manera espontánea, algunas abandonaban la virtualidad para convertirse en partículas reales.

Es también en ese tiempo, cuando apenas había transcurrido una milésima de picosegundo, que la materia terminó dominando sobre la antimateria. Cuando el Universo cumplió su primer picosegundo de edad la Fuerza electromagnética y la interacción débil se separaron. Hasta ese momento era una sola Fuerza conocida como electrodébil.

Hoy, después de trece mil ochocientos millones de años, el Universo tiene apenas 3 Kelvin de temperatura. En este Universo tan frío en el que vivimos (aproximadamente -270°C) existen estas cuatro Fuerzas fundamentales.

La historia de las Fuerzas fundamentales comienza en la escala de Planck cuando el Universo se origina. A medida que el Universo se enfriaba fueron apareciendo otras interacciones.

Todo el proceso que llevó a la separación de las Fuerzas fundamentales ocurrió muy temprano en la historia del Universo. No había transcurrido una fracción de segundo desde que el Universo comenzó cuando ya existían las interacciones que hoy percibimos. De ser una sola empezaron a actuar de manera distinta y con características diferentes.

Tenemos razones para pensar que así fue. Dos de las Fuerzas fundamentales que conocemos: la Electromagnética y la Débil han sido ya enmarcadas como una sola interacción a la que llamamos Fuerza Electrodébil. Mas aún, hemos podido ver en el laboratorio cómo estas dos Fuerzas se unifican cuando se crean las condiciones que existían antes de que se separaran.

Existe también una manera de describir la Fuerza Electrodébil junto con la Fuerza Fuerte en lo que se llama Teoría de Gran Unificación. Con esta teoría se puede entender a las tres, aparentemente distintas Fuerzas (Electromagnética, Débil y Fuerte) como una sola Gran Fuerza Unificadora.

Sin embargo, el verdadero reto está en la conciliación que esperamos y deseamos entre las tres interacciones del mundo microscópico y la Fuerza Gravitacional. Esta Gran Unificación aún no ha llegado… o, ¿quizá sí?

LA GEOMETRÍA Y LA FÍSICA

Casi todo el mundo considera que la formulación de la Teoría de la Relatividad no es otra cosa que una geometrización de la gravedad. Esto significa que lo que antes consideramos como una Fuerza ahora es la deformación del espacio-tiempo. La Fuerza como algo invisible que afecta el estado de movimiento o reposo de los cuerpos desapareció para dejarnos la idea de que el espacio en el que nos movemos se deforma y nosotros no tenemos otra manera de cambiar de posición diferente a la que ese espacio nos impone. Desde un punto de vista radical se acostumbra a decir que con la Teoría de la Relatividad General la física desapareció para dar paso a las matemáticas y más concretamente a la geometría. Sin embargo, hay voces como la de Steven Weinberg¹⁷ que intentan moderar la postura diciendo (Weinberg, 1972):

… tenía sentido darle a la geometría riemaniana un papel central en la descripción de la Gravedad. Pero con el paso del tiempo nos hemos dado cuenta de que no es posible esperar que la interacción Fuerte, Débil y Electromagnética puedan ser entendidas en términos geométricos, de tal manera que sobre-enfatizar la geometría sólo oscurece la conexión profunda entre la gravitación y el resto de la física.

El mismo Albert Einstein se oponía a una interpretación geométrica de la realidad a través de la física. Se cuenta que en una carta de junio de 1948 a Lincoln Barnett (editor de la revista Life Magazine) escribió: «No puedo estar de acuerdo con la opinión extendida de que la Teoría de la Relatividad General geometrizó la física» (Vaas, 2016).

Aunque otros lo intentaron, Einstein no, nunca se planteó un programa de geometrización de la física. Einstein estaba interesado en la unificación.

El mundo microscópico de las tres interacciones es descrito por la Mecánica Cuántica. Para hacerlo la Teoría Cuántica de la Materia se ha enriquecido con los conceptos más fundamentales que sustentan el marco teórico. El más importante de estos es el de simetría.

En la naturaleza estamos rodeados de simetrías y algunas de ellas se esconden de forma sutil. La simetría bilateral de nuestro cuerpo y de muchos animales, la simetría rotacional de la luna esférica, la que vemos en flores, frutos y hojas de muchas especies vegetales es tan ordinaria que a menudo pasa desapercibida. Nos hemos acostumbrado tanto a la presencia de objetos simétricos que no pensamos más en que esto podría ser la manifestación de algún principio profundo del Universo. Efectivamente las simetrías juegan un papel fundamental en la física de nuestros días.

No sólo existen simetrías geométricas, la física fundamental ha descubierto otro tipo de simetrías presentes en la naturaleza. Así, por ejemplo, la manera en la que operan las Fuerzas que conocemos son el resultado de la «simetría de norma», que es una simetría que deja sin cambiar las ecuaciones matemáticas cuando transformamos un sistema de partículas de una manera determinada.

Las simetrías nos generan leyes de conservación y nos permiten entender el origen de las interacciones como condiciones del Universo para ser simétrico. Éste es un resultado fantástico descubierto por una matemática judío-alemana llamada Emmy Noether, que en 1918 publicó el teorema asombroso que conectó la carga eléctrica, el momento, la energía de partículas elementales, entre otros, con propiedades geométricas.

En su teorema establece que las simetrías continuas en un sistema físico están siempre conectadas con una Ley de Conservación. Así, por ejemplo, la Ley de Conservación de la energía se debe a que las leyes de la física no cambian ante la translación en el tiempo. Es decir, la energía se conserva porque las ecuaciones que nos decían cómo se mueven los objetos, son las mismas ayer que hoy. Las ecuaciones de movimiento permanecen iguales cuando hacemos una translación en el tiempo y decimos pues que esas ecuaciones son simétricas ante esta transformación temporal de la misma manera como un círculo sigue siendo círculo si lo rotamos tanto como queramos. De manera parecida, el hecho de que las ecuaciones que nos describen el movimiento de los objetos sean las mismas aquí que donde se encuentra usted, nos conduce a la conservación del «momentum». El momentum es «la cantidad de movimiento» y viene dado por la multiplicación de la masa del objeto por su velocidad.

En la física de partículas elementales se han descubierto muchas simetrías que explican el comportamiento de las interacciones. Algunas son aproximadas y entonces se dice que la simetría está rota por algún motivo, de tal manera que en la ausencia de esta causa de la ruptura el Universo sería simétrico. En su esencia el Universo lo es, pero la aparición de nuevos fenómenos oculta las simetrías de fondo. Así, por ejemplo, los quarks «u» y «d» parecen ser dos aspectos de una misma cosa. Decimos que existe una simetría de intercambio de estos quarks que se llama «simetría de isospín». Esto quiere decir que, si cambiamos todos los quarks «u» por quarks «d» en un arreglo de quarks dado, entonces tendremos el mismo tipo de arreglo. Esta simetría existe, pero está rota por la aparición de otros fenómenos en la naturaleza, como la interacción electromagnética, que hace distinguible a un arreglo de quarks «u» y «d». Así, por ejemplo, conocemos como protón, con carga positiva, a un arreglo de dos quarks «u» y un quark «d»; por otro lado, llamamos neutrón a un arreglo de dos quarks «d» y un quark «u». Este último arreglo no tiene carga eléctrica y lo llamamos neutrón, pero sería fácil obtener un neutrón a partir de un protón si los quarks «u» y «d» fuesen intercambiables. De no tener electromagnetismo en la naturaleza, los neutrones y los protones serían la misma cosa.¹⁸

El teorema de Noether refleja una propiedad geométrica profunda de la naturaleza. De alg...

Índice

• PORTADA
• CRÉDITOS
• PREFACIO
• LA FUERZA DE GRAVEDAD
• NEPTUNO, EL PLANETA AZUL VERDE
• ARISTÓTELES, GALILEO, NEWTON, EINSTEIN
• LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL
• LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL
• LA PRECESIÓN DE MERCURIO Y EL DOBLE AMANECER
• OBJETOS PESADOS EN EL CIELO
• ONDAS GRAVITACIONALES: EL COMIENZO
• LA DANZA DE LAS ESTRELLAS: PRIMERA OBSERVACIÓN
• LA DANZA DE LOS AGUJEROS NEGROS: PRIMERA OBSERVACIÓN DIRECTA
• CONFIRMACIÓN Y APOGEO
• EL MENSAJERO DE LAS ESTRELLAS
• AGUJEROS NEGROS
• EL AGUJERO NEGRO EN EL CENTRO DE NUESTRA GALAXIA
• VIAJE AL CENTRO DE LA GALAXIA
• EL GRAN ATRACTOR
• LAS OTRAS FUERZAS
• EL ORIGEN DE LAS FUERZAS Y LA BÚSQUEDA DE UNIDAD
• LA QUINTA FUERZA
• LA GRAVEDAD Y EL CINE
• LA GRAVEDAD Y LA LITERATURA
• LA GRAVEDAD Y LA FILOSOFÍA
• LA GRAVEDAD Y EL FIN DEL UNIVERSO
• LA MIRADA PROFUNDA
• EPÍLOGO
• GLOSARIO BIOGRÁFICO
• GLOSARIO DE TÉRMINOS
• REFERENCIAS
• NOTAS