La canción del universo

por Anthony Zee

Unas cuantas notas tenues

Finalmente, la larga espera había llegado a su fin; la raza humana en el planeta Tierra había escuchado colectivamente la canción del universo.[1] Sí, nosotros, los miembros de una especie más bien malévola aunque bastante inteligente, podemos afirmar con orgullo que hemos detectado las ondas del espaciotiempo, tan solo unos miles de millones de años después de que la vida emergiera del limo primordial.

Hemos ingresado por fin en el selecto club de las civilizaciones que han sintonizado la canción del universo. Algo realmente impresionante, si consideramos que solo han pasado unos cuantos siglos desde nuestro primer conocimiento de la gravedad, cuando los físicos tiraron a la basura el mito aristotélico de que, al caer, “la manzana busca su lugar natural”.

Einstein triunfa una vez más.

Dos agujeros negros girando en espiral abocados a un abrazo final

En el silencio del profundo espacio oscuro, a mil trescientos millones de años luz de distancia, dos agujeros negros se sienten fatalmente atraídos. Están cada vez más cerca uno del otro, giran en espiral, se funden en un abrazo y rápidamente se convierten en un solo agujero negro, radiando al hacerlo una cantidad enorme de energía en una explosión de ondas gravitatorias.

Y así, esta particular explosión de ondas gravitatorias se extiende por el universo del mismo modo que una piedra lanzada en un estanque produce una onda circular que se propaga hacia afuera. Eso fue hace mil trescientos millones de años, mucho antes de que aparecieran los dinosaurios, cuando los humanos no eran más que un espejismo en el ilusorio sueño de un trilobite.

Transcurrieron los eones y esa manada de gravitones siguió su viaje a la velocidad de la luz por la inmensidad casi incomprensible del universo, acercándose cada vez más al planeta Tierra, y llegaron aquí el 14 de setiembre de 2015, momento en que fueron detectados por dos masivos detectores de varios kilómetros de longitud equipados con los más sofisticados y vanguardistas instrumentos creados por la tecnología humana, uno en Livingston, Luisiana, y el otro en Richland, Washington. Estos lugares, muy separados uno del otro, detectaron el pulso con una diferencia temporal de un milisegundo. De la misma forma que usted, por el hecho de tener dos orejas y gracias a la leve diferencia en el tiempo de llegada de un sonido a cada oreja, puede determinar la dirección de la fuente de la que procede el sonido, los físicos también pudieron determinar aproximadamente la dirección de los dos agujeros negros que se habían fusionado.

El espaciotiempo cobra vida

En 1915, mientras estos particulares gravitones se aproximaban a la Tierra –después de mil trescientos millones de años de viaje, ¡solo les quedaba un siglo para llegar a su destino!– un terrícola llamado Albert Einstein (1879-1955) completó finalmente su teoría de la gravedad, también conocida como relatividad general. Provocó el desconcierto del mundo físico al afirmar que, de hecho, no existía la gravedad, sino solo espaciotiempo curvado.

Los físicos descubrieron un secreto asombroso: que eso que llamaban gravedad no era más que una especie de baile entre el espaciotiempo y la energía, el primero curvándose por aquí y por allá, la segunda moviéndose de acá para allá. El espaciotiempo y la energía enlazados en un pas de deux: la energía en todas sus formas, como usted y como yo.

La energía es materia y la materia es energía, como nos enseñó el propio Einstein en 1905 con su teoría de la relatividad especial: E = mc2, probablemente la fórmula más famosa de la historia de la física.

Hace ya pues bastante tiempo que sabemos que el espaciotiempo puede curvarse. Y de ello se sigue que también puede moverse formando ondas. Einstein se percató enseguida de que una cosa se seguía de la otra, y solo un año después[2], en 1916, publicó un artículo postulando la existencia de las ondas gravitatorias.

Las ondas y la rigidez

Hay ondas por todas partes. Si golpeamos con una cuchara un pudin de gelatina veremos cómo se propaga una onda a través del mismo. Cuando el viento sopla sobre la superficie del mar obliga al agua a formar ondas de manera incesante. Las cuerdas vocales de un cantante comprimen el aire haciendo que una onda sonora se propague hacia fuera. Cualquier medio compresible puede ondular.

Pensemos en una larga barra de metal. Si golpeamos uno de sus extremos, la disposición regular de los átomos en dicho extremo se comprime, si bien de modo muy leve. Cuando un momento más tarde recuperan su posición inicial, empujan a sus vecinos, que a su vez se ven comprimidos. Esta información se transmite a lo largo de la barra de metal en forma de onda de compresión: “Alguien ha golpeado el extremo de la barra. Pásalo.”

La velocidad con la que se propaga una onda viene determinada por la elasticidad o, de manera equivalente, por su contrario, la rigidez. Cuanto más rígida es una barra de metal, más rápido se propaga la onda. Podemos considerar la rigidez de una barra como la medida de la propensión de los átomos a volver al lugar donde estaban antes de que la barra fuese golpeada.

A los físicos teóricos les encanta considerar qué pasa cuando llevan las cosas al extremo. Consideremos, pues, una barra infinitamente rígida. Entonces, por definición, cuando golpeamos uno de sus extremos, toda ella se mueve como un todo, y la información de que la barra ha sido golpeada en uno de sus extremos se transmite al otro extremo de manera instantánea. Pero, como recordará el lector, según la relatividad especial de Einstein, la energía y la información no pueden moverse más rápido que c, la velocidad de la luz.[3] De ello se sigue que la física no permite la existencia de barras de metal infinitamente rígidas.

La última entidad rígida en caer

Este punto será crucial en la discusión que tendremos más adelante, porque el espaciotiempo newtoniano es absolutamente rígido. Según Newton (aquí estoy siendo un tanto injusto con el gran científico, como veremos después) la gravedad se transmite instantáneamente.

Se sigue de ello que una vez que Einstein hubo declarado que el espaciotiempo era elástico, y no absolutamente rígido, las ondas de gravedad resultaron inevitables. Por este motivo, la inmensa mayoría de físicos teóricos hace tiempo que están convencidos de la existencia de las ondas gravitatorias.

Que las ondas y la rigidez no hacen buenas migas se entiende fácilmente si pensamos en términos cotidianos. Las ondulaciones –piense, por ejemplo, en la danza del vientre– tienen mucho que ver con la flexibilidad, y cuesta mucho imaginarse a un tipo tieso y estirado ondulando.

Podemos considerar el espaciotiempo como la última entidad rígida de la física clásica en caer.

A veces uno toma la delantera, y a veces la toma el otro

Después del histórico anuncio de que el espaciotiempo era lo suficientemente flexible como para que en él se produjesen ondas, un periodista le preguntó a Einstein por qué motivo se mostraba tan profético, tan por delante de los experimentalistas. Buena pregunta, aunque en este caso habría sido mucho mejor preguntar por qué los experimentos iban tan rezagados respecto a la teoría.[4] En física, a veces la teoría va por delante del experimento, y a veces es al contrario. Lo ideal para el progreso de la física es que ambos avancen de manera constante y al mismo ritmo.

¡En pocas ocasiones la brecha temporal que los separa es de cien años!

Fue preciso un siglo de avances tecnológicos espectaculares para poder detectar las ondas gravitatorias. El motivo, como veremos, es que las ondas gravitatorias, al llegar a la Tierra, se han vuelto increíblemente débiles. Para entenderlo hemos de tener en cuenta que, pese a lo que nos dice la experiencia cotidiana, la gravedad es una fuerza increíblemente débil. Explicaremos este hecho en los dos próximos capítulos.

Tú dices ondas gravitatorias, yo digo ondas de gravedad

Podría pensarse que estas ondas generadas por la gravedad tendrían que llamarse “ondas de gravedad”, pero en este caso la historia tiene algo que decir: las olas que se producen en los pantanos y en los océanos fueron denominadas “ondas de gravedad” mucho antes de que Einstein apareciese en escena. El exceso de agua en la cresta de una ola es arrastrado hacia abajo, llena el valle más cercano hasta convertirlo en otra cresta. Y así es como se propaga la ola. La explicación física es clara y perfectamente newtoniana.

Por ello, las revistas de física y los libros de texto se refieren al tipo de ondas de las que estamos hablando aquí como “ondas gravitatorias”. En su artículo de 1918, Einstein habla de “Gravitationswellen”, como puede verse en la siguiente ilustración.

En su momento sentí curiosidad por qué expresión iban a utilizar los libros de física de divulgación. Hojeé uno de ellos y vi que su autora utilizaba ambos, incluso a veces en la misma página. Después, repasé mi propio libro sobre la gravedad de Einstein y me sorprendió ver que en él utilizaba solo la expresión “ondas de gravedad”. Dada la tendencia americana a abreviarlo todo no me cupo duda alguna de que “ondas de gravedad” acabaría imponiéndose. Al fin y al cabo, las ondas de agua solo tienen interés para un subgrupo relativamente pequeño de físicos.

También realicé una pequeña encuesta entre científicos y académicos, excluyendo de ella a los físicos, y el resultado fue que la mayoría preferían “ondas de gravedad” a “ondas gravitatorias”.

En este libro utilizo el término “ondas de gravedad” y también ocasionalmente “ondas gravitatorias” y “ondas gravitacionales”.

Notas

[1] La noticia se produjo el 11 de febrero de 2016.
[2] Dos años más tarde, cuando Einstein tenía 39, lamentaba los efectos del envejecimiento con estas palabras: “El intelecto se atrofia pero el brillo de la fama sigue rodeándolo como una cáscara calcificada.”
[3] Ya he utilizado antes la letra c sin decir qué significaba. Por cierto, c significa celeritas.
[4] Nos ocuparemos de esto enseguida.

Prólogo del libro de Anthony Zee Sobre la gravedad.

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