Albert Einstein

"El misterio es la cosa más bonita que podemos experimentar. Es la fuente de todo Arte y Ciencia verdaderos". Albert Einstein.

lunes, 3 de noviembre de 2014

Viaje en el Tiempo: De Einstein-Rosen a Interstellar, Agujeros de Gusano

E= m c2




            La teoría de la relatividad de Albert Einstein iba a abrir un nuevo mundo en el campo de la física. Su ya mítica fórmula, energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado iba a cambiarlo todo. Incluido por supuesto los libros y películas de ciencia ficción que a la postre serían escritos y dirigidos por sendos escritores y directores.


            En el Siglo XVII Isaac Newton se encargaría de dirigir la mayor de las revoluciones habidas en el campo de la ciencia, explicaría las leyes de la gravedad y el movimiento de los astros entre otros avances de igual importancia. Sería tal la revolución, que sus escritos y aprendizajes estuvieron vigentes por más de dos siglos. Sin embargo a finales del siglo XIX se evidenció que algo en los trabajos de Newton no terminaban de encajar. Su manera de percibir el cosmos como el cómputo de tres conceptos distintos entre ellos: tiempo, espacio y gravedad; traía de cabeza a la comunidad científica.
            Así fue como en 1865 el físico británico James Clerk Maxwell demostró que la luz viajaba por el espacio como ondas a una velocidad constante. Hecho tal que sería corroborado por los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley, los cuales midieron la velocidad de la luz desde un ángulo recto con la que llegaba a la Tierra y del mismo modo lo hicieron cuando se dirigía directamente hacia ella, determinando que llegaban a la misma velocidad.
            Dentro de ese paradigma surgió uno de los mayores genios que hayan existido jamás, probablemente el mayor de ellos desde Newton, su nombre, Albert Einstein. Einstein dedujo que la velocidad de la luz es la única constante de un tiempo que era absoluto. No importaba la dirección en la que se moviera ni su velocidad, cuanto más rápido se movía en el espacio, el tiempo se ralentizaba. La teoría de la relatividad por fin ponía en su sitio lo que por muchos años permaneció como una idea equivocada, el espacio y el tiempo eran aspectos de una misma cosa denominada espacio-tiempo. Este nuevo concepto podría parecer una constante, sin embargo, dicha constante en el cosmos es perturbada por la acción de la gravedad. Haciendo un sencillo símil, el espacio-tiempo sería la tela que sustenta nuestro Universo, dicha tela sería deformada por la acción de objetos como planetas y estrellas deformando la tela del espacio-tiempo.
            Y es aquí cuando surge la gran pregunta, ¿se puede viajar en el tiempo? (Para saber más, leer: Viaje en el Tiempo: Más allá de un Sueño) Sí y no. A velocidades cercanas a la luz, como ya hemos dicho el tiempo se ralentizaría para aquel objeto que fuera a dicha velocidad, en cambio, para cualquier sujeto exterior a ello el tiempo pasaría a una velocidad “normal”, con lo cual, el viajero, u objeto que viajara a dicha velocidad habría viajado hacia el futuro, pues lo que para él pudieron ser un viaje de varias horas, para las personas exterior al viaje fue un periodo de tiempo de varios meses o años. Por lo tanto, la física permite viajar hacia el futuro. Sin embargo, encuentra una barrera insalvable en este tipo de viajes para el hipotético caso de poder viajar hacia el pasado. Nada puede ir más rápido que la luz. El problema se haya en la fórmula esgrimida al principio de todo. Si un cuerpo para llegar a velocidades cercanas a la luz necesita energía, forzosamente tendrá que hacer acopio de una cuantiosa masa para poder alcanzar la energía suficiente para llegar a tal velocidad. Algo que se moviera a velocidades cercanas a la luz necesitarían de una masa infinita, por lo que el viaje sería imposible de realizar.

            Aunque por el momento no se haya encontrado la manera, sí es verdad el hecho de que pudieran existir unas conexiones entre puntos de nuestro propio Universo que permitieran no sólo realizar viajes entre puntos distantes del espacio sino, realmente viajar a través del tiempo. En 1935, gracias a la métrica de Schwarschild, una serie de ecuaciones de campo de Einstein dentro de la Relatividad General, Albert Einstein y Nathan Rosen otro físico de origen judío, publicaron en el ejemplar número 73 correspondiente al volumen 48 de la revista Physical Review, algo que para muchos en aquella época pasaría totalmente desapercibido pero que con el tiempo reabriría la posibilidad de un viaje Interstellar.




            Lo que describieron Einstein y Rosen era una solución matemática que describía algo que posteriormente en 1957, el físico norteamericano John Archibald Wheelder bautizaría con el nombre de “agujero de gusano”, también conocido de manera técnica como “puente de Einstein-Rosen”. ¿Podemos imaginar un círculo que carezca de centro? Si en nuestra mente recreamos un círculo cuyo radio puede medirse por ejemplo en metros en una pantalla plana, quizás en un principio, cuando lo vemos desde una perspectiva bidimensional, nos parezca un círculo más. Ahora bien, si nos acercáramos e incluso penetráramos dentro del mismo quizás nos daríamos cuenta de que dicho círculo carece de centro y aparentemente penetra en el plano donde está situado. Si en lugar de penetrar dentro del círculo y apreciar esta curiosidad nos saliéramos del plano, quizás podríamos contemplar una figura  de tres dimensiones y nos percataríamos de que ese círculo sin centro conecta con otro círculo de características similares gracias a un “puente”. A grandes rasgos, lo que describe los puentes de Einstein-Rosen son fallas en la tela del Universo que conectarían puntos diferentes de la tela espacio-temporal del mismo.




            Quizás parezca sólo una pura solución matemática, pero teniendo en cuenta los postulados relativos predichos por Einstein-Podolsky-Rosen sobre la posibilidad del entrelazamiento cuántico, donde dos partículas separadas en el espacio-tiempo tienen una interacción a distancia, y dicho postulado ha sido ampliamente demostrado por la ciencia, podríamos estar ante la conexión del  mundo macroscópico al igual que en la era actual se trabaja con la información cuántica del mundo de las partículas.
            A su vez, Einstein también describió lo que para él mismo iba en contra de la naturaleza del Universo, y aunque teórico, probablemente quizás nunca evidenciaríamos la presencia de nada igual en este cosmos en el que vivimos. Pero muchas de las soluciones puramente matemáticas dadas a algún conjunto de ecuaciones han resultado ser más reales de lo que en su día pudieron ser pensadas. Una de esas soluciones matemáticas a las ecuaciones de campo de la Relatividad General ha sido notablemente demostrada, pues los “agujeros negros”, como fueron bautizados aquellos “monstruos” originados por la naturaleza cósmica dedicados a reciclar todo tipo de materia que hubiera en el mismo, sin siquiera dar la posibilidad a la mismísima luz de escapar de la enorme fuerza de la gravedad que estas estrellas oscuras acaparan, han sido traídos a la luz de la razón del conocimiento humano, y sí, existen, son reales.
           
            En 1962, John Archibald Wheeler y su compañero Robert W. Fuller, dictaminaron que los hipotéticos “agujeros de gusano” de existir, serían tan inestables debido a la métrica de Schwarzschild que los que llegaran a existir sólo “conectarían” el espacio-tiempo por un tiempo ínfimo.
            Años más tarde, en 1988, en pleno auge a lo que “agujeros negros” se refiere, un par de físicos desafiarían los conceptos realizados en los años 60 del pasado siglo, donde ahora según Kip Thorne y Mike Morris, los “agujeros negros” podrían ser los puentes que andábamos buscando para atravesar en “línea recta” regiones del espacio-tiempo. En un principio este tipo de “agujeros negros” fueron conocidos como “atravesables”. Más tarde fue conocida como “agujeros de gusano de Morris-Thorne”. Se trataba de un portal que físicamente podría ser abierto en el Universo para unir dos regiones del espacio-tiempo, gracias a la interacción de materia exótica, en este caso materia con masa/energía negativa.




            Un año más tarde, Matt Visser, catedrático de la Universidad Victoria en Wellington, publicaría la existencia de otro posible tipo de “agujero de gusano”, dando así nuevas soluciones en la Relatividad General, se trataba de un tipo que se mantenía abierto gracias a la interacción de unas cuerdas cósmicas. Matt Visser, publicaría Lorentzian Wormholes, donde explicaría sus ideas.
            Las posibilidades son prácticamente infinitas mientras sean posibles describirlas dentro de una métrica que describa la Relatividad General. Incluso hoy en día se contempla la posibilidad de que esos “agujeros de gusano” no sólo pudieran conectar nuestro propio Universo en una conexión denominada “Intrauniverso”, además podría conectar Universos distintos, en una conexión denominada “Interuniverso”, de manera que  un Universo “recién nacido” conectara con su “Universo progenitor” mediante una especie de “ombligo”.
            Aunque teóricos y posibles dentro de la Relatividad General, los agujeros de Lorentz como son conocidos los teorizados por Matt Visser,  se desconoce a día de hoy si la teoría de la gravedad cuántica que se obtiene de condensar la Relatividad General con la Mecánica Cuántica, permitirían la existencia de estos fenómenos en la naturaleza del Universo.
            Hoy día los científicos chinos de la Universidad de Fudan en Shangai, Zilong Li y Cosimo Bambi trabajan para demostrar que el “agujero negro” que sirve de “motor” a nuestra galaxia, es en realidad un “agujero de gusano”. Según sus estudios, la energía que se hallaría cercano a uno de estos atajos en la tela del tiempo habrían sido descubiertos en el “agujero negro” supermasivo que se encuentra en el centro de la Vía Láctea. Gracias al nuevo telescopio VLT del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile, que permitirá ver el centro de la galaxia con una resolución jamás antes vista, esperan dar luz a este nuevo misterio.


Interstellar

            Inspirada en la teoría del experto en Relatividad Kip Stephen Thorne, sobre la existencia de los “Agujeros de Gusano”, narra la historia de una humanidad en peligro real de extinción y los peligros a los que se deberá enfrentar un grupo de astronautas capitaneado por  el actor Matthew McConaughey en un viaje más allá del espacio-tiempo.




            Thorne íntimo de Hawking es a día de hoy uno de los científicos más prestigiosos en lo que a relatividad se refiere. Ambos estimaron que era posible la aparición instantánea de los “agujeros de gusano”, sin embargo, esto pasaría a una escala ínfima en lo que ellos denominan como “espuma cuántica”, concepto concebido en 1955 por John Wheeler y relacionado con la Mecánica Cuántica. Este concepto serviría en esencia para explicar la fundación del tejido mismo del Universo, aunque también se utiliza como descripción cualitativa de las turbulencias espacio-temporales a nivel subatómico, y es ahí donde nació dicha teoría apadrinada por Thorne y Hawking.
            Para Kip Thorne no sería descabellada la posibilidad de que en un futuro puedan ser creados por el hombre a nivel macroscópico, aunque para ello advierte que se debe usar una enorme cantidad de “energía negativa” que actuaría como efecto Casimir, un efecto predicho por la teoría cuántica de campos que resulta medible y consiste en crear una fuerza atractiva entre dos objetos metálicos debido a los efectos asociados al vacío cuántico. Dicho efecto ha sido comprobado en laboratorio y hoy día se sabe que el efecto Casimir más allá de fórmulas matemáticas, existe.




            Christopher Nolan claro está, como director de películas y no físico no podía llegar a concebir algo así. Fue por eso que pidió ayuda a Kip Thorne. La meta de Nolan era conseguir algo científico que le permitiera viajar a través del espacio-tiempo sin tener que hacer uso de recursos “inventados” como pudiera ser la velocidad “superlumínica” de Star Wars. Así fue como llegó a Nolan la fascinante realidad de los “agujeros de gusano”. Pero, ¿cómo podía representar uno en la gran pantalla?
            Aunque el interés de Kip Thorne por asesorar la dirección de una película que tratara sobre las propiedades de “agujeros negros” y “agujeros de gusano” venía desde finales de 2009 cuando la productora Lynda Obst se le ofreció, no fue hasta 2013 cuando empezaría esta curiosa aventura, que terminaría con un descubrimiento extraordinario.
            Thorne, explicó a Nolan las propiedades que tienen los cuerpos celestes de deformar el tejido del espacio-tiempo gracias a la fuerza de la gravedad, y como esta es capaz incluso de doblar la trayectoria de la luz. El problema radicaba en el hecho de que la velocidad de la luz no era suficiente para solventar los viajes espacio-temporales, pues, incluso a esa velocidad el tiempo que tardaríamos en llegar a la estrella más cercana a nuestro Sistema Solar, Alfa Centauri, sería de unos 4,37 años, por no hablar de los problemas que acarrearía suministrar energía a una nave que fuera a esa velocidad y la masa final que tendría. El modo para viajar por el Universo, en definitiva, no podía ser ese. Había que ir más allá y los “agujeros de gusano” era sin duda la solución perfecta.
            Una solución perfecta si no fuera por el problema que acarrea tener una historia en la que la dilatación del tiempo, hace que la velocidad con la que transcurre sea diferente para los distintos personajes. Para que esto fuera una realidad plausible, Thorne le comentó a Nolan que el “agujero negro” entrada a lo que sería un túnel por el espacio-tiempo debía de girar prácticamente a la velocidad de la luz.
            El nivel técnico para representar la naturaleza misma del Universo era tal, que Nolan pidió esta vez a Thorne que trabajara con un grupo de científicos en el diseño de esa maquinaria que le permitiría burlar las restricciones espacio-temporales. Gracias a los potentes ordenadores de hoy en día, Thorne generó una serie de ecuaciones que guiaron a los softwares de efectos de la misma manera que la física gobierna el mundo real. Sus indagaciones sobre la naturaleza visual del Universo fueron enviados nuevamente al equipo de efectos especiales para recrearlo de forma matemática, sin hacer uso de recreaciones ni adornos tan característicos de las obras de ciencia ficción.
            La gran recreación del “agujero de gusano”, animó al equipo a generar la imagen de un “agujero negro”. Sin embargo, como su nombre indica, no dejan escapar la luz. Así que tuvieron que generar un proceso totalmente nuevo para su creación, tan sofisticado que algunos fotogramas individuales tardaron más de 100 horas en ver la luz, llegando a generarse unos 800 terabytes de datos. Aunque para asombro de todos, el material de acreción que orbita los “agujeros negros”, no forman un disco como cabría suponer, sino que el espacio deformado alrededor de este, también deformaba el disco dando lugar a un halo de extrañas características.




            Habían realizado un asombroso descubrimiento, pues hasta la fecha nadie ha conseguido observar un “agujero negro”. Hasta la construcción de uno no se había logrado saber su “forma” real. Resultaba que el disco de acreción se podía ver sobre, bajo y frente al mismo. El titánico trabajo de más de 30 personas y miles de computadoras durante un año, había arribado en un descubrimiento sin precedentes, la manera en la que se representaría en la película Interstellar el Universo era la misma en la que en definitiva se comportaba la naturaleza.

            Cuando vean la película recordad, lo que estamos viendo en ella es ciencia, y donde un espectador en su butaca pensará: “¡Vaya! Es hermoso”. Un grupo de científicos y especialistas pensarán: “¡Vaya! Es real, y desde cierto punto de vista es también hermoso”



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