El lado oscuro del universo

A inicios del siglo XX, en una oficina de patentes en Berna, un ensimismado empleado pasa sus horas de ocio haciendo cálculos matemáticos. En uno de sus pupitres, al que llama con cierta pomposidad ‘Departamento de Física Teórica’, guarda sus fórmulas y apuntes. En realidad, son ejercicios realizados a partir de sus obsesiones juveniles respecto a la luz. Ya de adolescente se había preguntado cosas como ¿qué pasaría si fuésemos capaces de perseguir un rayo de luz, corriendo junto a él, hasta alcanzar su velocidad? ¿Podríamos verlo quieto? Eso que era imposible de lograr le había permitido inferir que entre el movimiento, el espacio y el tiempo había cierta singularidad, cierta relación, que podía explicar las leyes que regían el mundo físico.

Con los años, se empapó de los avances científicos de su época, y, al terminar la escuela, ingresó a la sección de Matemáticas de la Escuela Politécnica de Zúrich. Su nombre era Albert Einstein y en 1905, a los 26 años, iba a transformar el mundo con la presentación de cuatro artículos que cambiarían los fundamentos de la física. Uno estaba referido a la teoría cuántica de la radiación, otro explicaba el origen atómico del efecto browniano, y en otro presentaba su famosa ecuaciónc2, en la que E era energía; m, masa y c, la velocidad de la luz.

Si bien todos eran importantes, el cuarto artículo fue el que resultó revolucionario: se trata del titulado “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, en el que sentaba las bases de lo que se conoció como la teoría de la relatividad especial. Con ella zanjaba las incompatibilidades existentes entre la mecánica de Newton y la electrodinámica de Maxwell. En otras palabras, había descubierto que, si la velocidad de la luz era siempre absoluta (casi 300 mil kilómetros por segundo), lo que era relativo era el binomio espacio-tiempo, y ambos dependían del movimiento. Toda una revolución.

El ejemplo más común para explicar esta relatividad puede ser descrito así: imaginemos a dos personas. Una viaja en un carro a 100 kilómetros por hora y la otra está parada al borde de la pista. Para la primera, recostada en el asiento del vehículo, el vehículo parece quieto, que no se mueve; en cambio, para la segunda persona, el carro pasa raudo ante sus ojos. Es decir, el movimiento constante y la inercia responden a leyes similares. Pero el tiempo y el espacio cambian. En el mismo ejemplo, si hubiera un reloj dentro del automóvil y la persona que está fuera tuviese otro, aunque en milésimas de segundos, la hora en el carro pasaría más lenta. Esta variación llevará a hipótesis más sorprendentes: si en vez de viajar en un auto, alguien pudiera volar alrededor del planeta durante cinco años a una velocidad cercana a la de la luz, esta persona envejecería 50 % menos que los que se encuentran en la Tierra. Hoy se sabe que aquí influye otra fuerza, también relativa, que ralentiza el paso del tiempo: la gravedad.

Einstein profundizó sus ecuaciones y estudios, y diez años después, en noviembre de 1915, logró construir el gran hito que todavía hoy sigue despertando preguntas y resolviendo enigmas más allá del propio genio que lo creó: la teoría de la relatividad general. Esta vez ya no se apuntaba solo al mundo físico conocido, sino que se sentaban las leyes de lo inconmensurable, de ese universo que apenas podemos vislumbrar. En ella, este hijo de judíos no practicantes descubrió que los cuerpos de mucha masa tenían la capacidad de curvar el binomio espacio-tiempo como si fuera una gigantesca malla elástica. A esa capacidad la llamamos fuerza de gravedad. Como escribió poéticamente el físico John Wheeler, “el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse, y la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse”, lo que hace que estrellas, planetas y lunas se atraigan entre sí en una danza cósmica.

Iluminando el lado oscuro del universo
Autor: Roberto Emparan
Editorial: Ariel
Año: 2018

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“Lo que Einstein estableció era cómo el espacio y el tiempo se distorsionan o cambian en ciertas situaciones extremas, cuando viajamos a velocidades muy rápidas, o estamos en presencia de cuerpos muy masivos, en los que la gravedad es muy intensa”, dice el físico español Roberto Emparan, autor de Iluminando el lado oscuro del universo, un libro fascinante que recorre la vida de Einstein y nos muestra no solo sus conjeturas y teorías, con muchísimos ejemplos cotidianos, sino que también detalla los avances de la física a partir de sus postulados revolucionarios, los cuales trascendieron a su creador.

“Todo lo que hizo Einstein estuvo basado en raciocinios —explica Emparan, por el teléfono, desde sus oficinas en el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona—. Él hacía lo que llamamos experimentos mentales. Imaginaba situaciones extremas, y de ahí llegaba a conclusiones paradójicas. La teoría general de la relatividad es una de las teorías físicas más complejas y ricas, e incluso el propio Einstein no fue capaz de anticipar todas las consecuencias que podía tener”.

Uno de los fenómenos vaticinados por esta teoría —aunque resistido por Einstein— es algo que ha fascinado a físicos y cosmólogos en los últimos 50 años: los agujeros negros.

“A pesar de que sus ecuaciones predijeron su existencia —continúa Emparan, quien será uno de los invitados del próximo Hay Festival Arequipa—, fue algo que él jamás entendió. Hoy podemos decir que comprendemos su teoría mejor que él, y no porque seamos más listos, yo definitivamente no lo soy, sino por el trabajo colectivo de mucha gente, durante mucho tiempo. A veces las mejores ecuaciones de la ciencia van más allá de sus creadores”.

Einstein para perplejos
Autor: José Edelstein y Andrés Gomberoff
Editorial: Debate
Año: 2017

Pero ¿qué es un agujero negro? En primer lugar, hay que entender que en esta hipotética malla elástica, en la que se curva el espacio-tiempo y en la que danzan galaxias enteras hay sitios en los que la gravedad resulta tan descomunal que son como remolinos oscuros, de los que ni siquiera la luz puede escapar. “Y si ella no lo hace, que es la que viaja más rápido en el universo, ya nada lo hará”, agrega Emparan.

Se cree que los agujeros son estrellas que han agotado su combustible nuclear después de miles de millones de años y, por alguna razón llamada ‘singularidad’, comprimen de tal manera su diámetro que originan una masa tan densa que atrapa todo lo que llega a ella.

“El cogollo ultracomprimido que queda es una estrella de neutrones, una especie de núcleo atómico descomunal con una masa no mayor que dos o tres veces la del Sol, pero dentro de un volumen cien billones de veces menor que el de este, en un radio de diez o veinte kilómetros. Tenemos un millón de veces la masa de la Tierra dentro del tamaño de una ciudad”, escribe, intrigado, Emparan en Iluminando el lado oscuro.

Física y berenjenas. La belleza invisible del universo
Autor: Andrés Gomberoff
Editorial: Aguilar
Año: 2015

Algunas páginas más adelante, se pregunta: “¿Cuáles son los límites de la teoría de Einstein? Todavía no lo sabemos bien: no hemos hallado ninguna discrepancia patente entre sus predicciones y las observaciones astronómicas, cada vez más sofisticadas y minuciosas. Pero las propias ecuaciones, honestas, nos muestran abiertamente hasta dónde pueden llegar. Predicen que el universo se expande, y sin embargo son incapaces de describir lo que sucede en los primeros instantes de la expansión. Nos enseñan que el colapso gravitatorio se consuma en los agujeros negros, pero enmudecen perplejas cuando les preguntamos acerca del destino final de su interior”.

Los agujeros negros son solo una parte de ese lado oscuro del universo. Según investigaciones recientes se sabe que el universo se compone de un 69 % de energía oscura, un 27 % de materia oscura y solo un 4 % de materia ordinaria, que es la que podemos ver. “Ese lado oscuro que nos suena a Star Wars —dice Emparan— es realmente inquietante”.

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Andrés Gomberoff es un físico chileno, nacido en 1969, y experto en temas referidos a la gravitación y la cosmología. Es coautor, junto con José Edelstein, de Einstein para perplejos, un libro en el que explica en términos sencillos los alcances de las teorías del genio alemán. Más allá de esto, Gomberoff también es un gran divulgador y sus columnas periodísticas han sido reunidas en un libro titulado Física y berenjenas, en el que juega con la metáfora de que esta disciplina científica y los vegetales son aparentemente difíciles de digerir para muchas personas, pero cuando se les encuentra el sabor, uno cambia rápidamente de opinión.

A dos semanas de su llegada a Arequipa, responde el teléfono: “Hay muchas maneras de hablar de los agujeros negros”, dice. “Desde los años setenta dejaron de ser una predicción casi de ciencia ficción de las teorías de Einstein y pasaron a ser unos protagonistas más del universo. Hemos visto muchos en nuestra galaxia, agujeros supermasivos en el centro de la mayoría de galaxias, y, en los últimos años, con las ondas gravitacionales, hemos percibido cómo chocan entre sí, algo que es más común de lo que pensábamos”.

Gomberoff se refiere a uno de los mayores hitos en la historia del conocimiento del cosmos sucedido el 14 de setiembre del 2015, cuando el proyecto Ligo logró captar con sus sofisticados detectores las ondas gravitacionales de un choque o fusión de dos agujeros negros, un espectáculo estelar sucedido a mil millones de años luz de la Tierra. Un hecho lejanísimo e invisible —pues no emite luz— que solo pudo ser captado por las vibraciones que ha dejado en el espacio. Algo que no solo confirmaba las teorías de Einstein sobre la elasticidad del universo —aunque él se resistía a aceptarlo—, sino que también era la prueba de que estos monstruos oscuros eran una realidad.

“Estos agujeros nos son cada vez más familiares —continúa el físico chileno—, pero contienen ciertas cosas bastante misteriosas. La más importante es que tienen una superficie imaginaria, porque no se ve, que se llama ‘horizonte de eventos’, y cuya particularidad es atraer la luz. En realidad no son aspiradoras, sino que son como cualquier estrella, incluso se puede orbitar alrededor de ellos, pero cuando algo pasa por este horizonte es atraído por la gravedad”.

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¿Cumplen alguna función estos agujeros? ¿Son como las cajas negras del universo que contienen información sobre el origen de todo? “La palabra ‘función’ implica una cuestión puramente humana, el universo es como es”, responde Gomberoff. “Es probable que hayan tenido algún impacto en cuestiones que ya no son de mi área, por ejemplo, la formación de galaxias. Existen teorías al respecto, pero todavía no se sabe bien cómo se habría formado este agujero negro primigenio”.

Al respecto, hay un punto que los físicos aún no pueden resolver: hacer coincidir la relatividad general, que rige las leyes del universo, con la mecánica cuántica, que rige lo microscópico.

“Alguien podría preguntarse para qué queremos compatibilizar las cosas pequeñitas y cósmicas —reflexiona Gomberoff—. La razón es que en ciertos contextos, como en los agujeros negros, la materia de dimensiones estelares se concentra en regiones más pequeñas que un átomo, y esto puede ser importante para entender el origen de todo. Si queremos entender esto, más vale que podamos compatibilizar ambas teorías”.

Es algo que buscaría la hipotética teoría del todo, eso que perseguía Stephen Hawking. Para entenderla volvamos a Emparan: “Ese es uno de los grandes problemas abiertos de la física actual. De lo que estamos hablando es que tenemos dos teorías: una de la gravedad de Einstein, que nos describe las cosas muy grandes, a escalas y distancias muy grandes, y otra, que es la de la física cuántica y nos describe las cosas muy pequeñas, los átomos, las partículas subatómicas, los núcleos atómicos. Tenemos estas dos teorías: una para lo muy grande y otra para lo pequeño. Pero el universo es uno solo, entonces creemos que debe haber alguna forma o teoría que contenga ambas. Eso es lo que todavía no sabemos hacer”.

Esa sería la llave para entender en toda su complejidad el universo.

En el Hay Festival 2018 de Arequipa

VIERNES 9 DE NOVIEMBRE
10:00 – 11:00
Universidad Nacional San Agustín
(sala Mariano Melgar)
Física y berenjenas. Andrés Gomberoff en conversación
con Tamara Gil.
20:00 – 21:00
Centro Cultural Peruano Norteamericano (teatro)
Para entender a Einstein. Christophe Galfard en conversación con Andrés Gomberoff.

SÁBADO 10 DE NOVIEMBRE
12:00 – 13:00
Universidad Nacional San Agustín
(sala Mariano Melgar)
La ciencia en las orillas. Roberto Emparan y Andrés Gomberoff en conversación con Dante Trujillo.

DOMINGO 11 DE NOVIEMBRE
16:00 – 17:00
Auditorio del Colegio de Arquitectos
La música del universo. Roberto Emparan en conversación con
Clara Elvira Ospina.