6. Agujeros negros y ¿El Hiper-Espacio?

Para todos los fanáticos de Star-Trek, o de Star-Wars (en sus 6 episodios), la palabra nos suena bastante futurista, de ciencia ficción y nos imaginamos a Han Solo en su Halcón Milenario preparando las coordenadas para saltar al Hiper-Espacio y dejar atrás a las tropas de Darth Vader que le están pisando los talones. Entonces aparece una luz brillante y en un parpadeo aparecen en otra región lejana del universo y a salvo de las tropas del imperio.

Pero ¿Qué es el Hiper-Espacio? Para entender este concepto nos remontamos a 1905 meses después de la publicacación de sus cuatro artículos que revolucionaron la física del siglo XX,  Albert Einstein pensaba en el siguiente paso. Habia postulado que para observadores no-inerciales, todas la leyes de la física deberían ser las mismas, dando como resultado que no existía ningún sistema en reposo absoluto o "preferido". Sin embargo, ¿Que pasaba con los sistemas acelerados? ¿Que pasaba en la tierra, o en el sistema solar, donde en la aceleración de la gravedad es una fuerza que estaba siempre presente?

1. Intentando Conciliar la Gravedad con la Relatividad

Uno de los experimentos mentales de Einstein era el siguiente. Si existía una persona en un ascensor en el espacio vacío, y el ascensor empezaría a ascender con una aceleración de 9.8m/s2 (aceleración de la gravedad en la tierra), la persona no podría distinguir entre estas dos situaciones:

1. Si estaba el ascensor en reposo en la tierra y la fuerza que experimentaba era producto de la gravedad terrestre.
2. Si el ascensor estaba en el espacio sideral elevándose a una aceleración de 9.8m/s2.

Es decir, ambas situaciones eran completamente equivalentes. Esto por supuesto no era ninguna novedad, pues el mismo Isaac Newton, dos siglos antes, se había dado cuenta de la misma equivalencia. Sin embargo, Albert Einstein vuelve a ir mas allá, diciendo que "ningún experimento, ni mecánico ni electromagnético, podía hacer distinción entre estas dos situaciones...". Para explicarme, retomemos el ejemplo anterior. Tenemos a una persona en el espacio exterior dentro de un ascensor, y acelerando hacia arriba. Ahora esta persona prende una linterna y apunta hacia el horizonte, ¿Qué vería? La luz viaja en línea recta en dirección perpendicular al movimiento del ascensor (que va hacia arriba), por lo tanto para el observador en el ascensor, la luz se aleja de él a la vez que se curva hacia abajo. Ahora, detengámonos en la frase: "ningún experimento, ni mecánico ni electromagnético, podía hacer distinción entre estas dos situaciones..." ¿Qué quiere decir esto? Que para una persona dentro de un ascensor en tierra... ¡ La luz también debería curvarse hacia abajo! ¿Esto quiere decir que la gravedad afecta la luz? ¿Como? ¿Porqué? En la teoría de Newton, el campo gravitatorio afecta a partículas másicas y la luz no tiene masa.

Surge también otro inconveniente. Si la tierra fuera plana y nosotros lanzáramos una pelota hacia arriba y esta cae podríamos decir que:

1. La pelota cae al suelo por efecto de la gravedad
2. La gravedad no existe, y la pelota cae al suelo porque la tierra entera está siendo acelerada hacia arriba a 9.8m/s2

Sin embargo nuestra tierra es redonda. ¿Como conciliar el hecho que personas antípodas puedan estar acelerando hacia arriba y a la vez mantener la misma distancia entre ellas?

Albert Einstein se dio cuenta de que la solución a estas interrogantes estaba en imaginar que el espacio-tiempo (el espacio-tiempo es una palabra que describe las cuatro dimensiones que experimentamos, tres dimensiones espaciales y una temporal, unidas en un solo espacio tetra-dimensional llamado espacio-tiempo) no era plano, sino que estaba curvado debido a la presencia de masa o de energía (en entradas anteriores hemos visto que éstas son equivalentes). Según Einstein los cuerpos (como la manzana de Newton, los planetas, el sol, etc...) intentarían moverse de manera rectilínea en el espacio tiempo, pero sus trayectorias parecerían curvarse como si existiese la gravedad, pero en realidad, se debería a que la presencia de masa u energía curvaría el espacio-tiempo de una manera que aún debía determinar. Su meta era ahora encontrar esas ecuaciones que relacionaran la masa y la energía con la curvatura del espacio tiempo. Sin embargo el tiempo pasó y Albert no daba con las ecuaciones correctas. Con ayuda de su amigo Marcel Grossmann, Einstein estudió la Teoría de los espacios y superficies curvas (obra de Riemann, publicada en 1854) y durante mas de 10 años estuvo trabajando en la solución a este problema.

2. La Teoría General de la Relatividad

En noviembre de 1915 Albert Einstein presetó en una serie de conferencias en la Academia Prusiana de Ciencias su Teoría General de la Relatividad. La Teoría General de la Relatividad relaciona la curvatura del Espacio Tiempo con la masa y la energía que se mueven en el espacio tetra-dimensional. Por supuesto las matemáticas para esta teoría son muy complicada, por lo que me gusta resumirla según las palabras del físico estado-unidense  John Wheeler: "El Espacio le dice a la materia cómo moverse y la materia le dice al espacio cómo curvarse". Esta teoría reemplaza por completo la Teoría de la Gravedad, pues los efectos gravitatorios no son otra cosa sino la manifestación del espacio-tiempo curvo sobre la trayectoria de la materia. A partir de ese momento el espacio y el tiempo no son entes estáticos sobre el cual se desarrollan los eventos, sino que son entes dinámicos que evolucionan junto al universo y la materia contenida en ella.

Una predicción de la teoría de la relatividad general es que un rayo de luz que pase cerca del sol, debería desviarse en el espacio-tiempo curvo creado por el sol. En 1920 los astrónomos detectaron la desviación de la luz de las estrellas que pasaban cerca al sol durante un eclipse. Con esta confirmación del experimento la fama de Einstein se extendió al mundo entero y se convirtió en una celebridad mundial.

Otra predicción importante de la teoría de la relatividad es que el tiempo es afectado en lugares donde el espacio-tiempo está curvado por efectos de la materia. ¿De que manera? El tiempo pasa mas lento en lugares donde el espacio tiempo está mas curvado, es decir que para una persona en tierra el tiempo pasa mas lento que para una persona que está orbitando nuestro planeta a 35000Km sobre la superficie terrestre. De hecho los satélites GPS llevan consigo un algoritmo de corrección de tiempo, que aunque se trate de unas centésimas de segundo, es suficiente para que el error en tierra sea de unos cuantos metros.

3. Los Agujeros Negros

Si la concentración de masa en una vecindad se vuelve muy grande, como se cree que sucede con una estrella que agotan su combustible nuclear y cuya masa supera dos veces la masa de nuestro sol, entonces empiezan a sufrir una contracción a un volumen muy pequeño podría formar una agujero negro. Aquí la curvatura del espacio-tiempo es tan intensa que dentro de una distancia determinada al centro del agujero negro, toda materia y la luz quedarían atrapadas.

Existen en el universo sistemas binarios que no son otra cosa que dos estrellas en un sistema solar, ambas girando una alrededor de la otra. Por supuesto que para nosotros un sistema solar con dos soles nos parece muy extraño, sin embargo en el universo es al configuración mas común. En algunos casos una de las estrellas masivas han colapsado a agujeros negros, los cuales han deformado de tal manera el espacio tiempo en su vecindad que se devoran a su estrella vecina.

En el horizonte de un agujero negro, el tiempo se detiene, y lo que se encuentra más allá de este horizonte aun es desconocido para la física de nuestro tiempo. Existen claro muchas teorías y explicaciones, ninguna de las cuales se ha comprobado en laboratorio. Todo lo que se puede saber del agujero negro se obtiene a través su horizonte (el horizonte del agujero negro es el límite después del cual no hay escape para la materia o la energía, despues del horizonte de sucesos, no hay escape...) Algunas preguntas frecuentes acerca de los agujeros negros son:

¿Existen los agujeros negros? Todo parece indicar que si, incluso hay uno al centro de nuestra galaxia. Otro agujero negro es el Cygnus X-1 (que se muestra en la ilustracion superior.

Pero si del agujero negro no se escapa ni la luz, ¿Cómo es que se pueden detectar los agujeros negros? Por la "atracción gravitatoria" sobre los cuerpos celestes cercanos. Si un astrónomo ve un grupo de cuerpos celestes orbitando alrededor de "la nada" probablemente se trate de un agujero negro.

¿Es el agujero negro un portal para otras dimensiones? No lo sé, pero averiguarlo parece estar fuera de nuestro alcance, pues mucho antes de llegar al horizonte el calo y la radiación nos destruirían completamente; recuerden que al fin y al cabo un agujero negro es una estrella, no un portal negro mágico como lo pintan algunas películas de ciencia ficción.

¿Qué en el agujero negro existe antimateria? En realidad la estrella en colapso es 99.999999999% materia y el agujero negro surge de una gran acumulación de la materia condensada en un región muy pequeña del espacio.

4. El Hiper-Espacio

Si el espacio-tiempo (que tienen 4 dimensiones) puede curvarse, la pregunta surge: ¿Sobre que espacio se curva el espacio tiempo?. Me explico mejor. Imaginemos una hoja de papel infinitamente delgada. La cara de una hoja de papel es bidimensinal (largo y ancho). Si doblo la hoja de papel entonces necesito una dimensión mas para poder doblarla (es decir establecer una curvatura que no esté contenida en el plano de la hoja). Esto exige que para doblar el papel de dos dimensiones (largo y ancho), al menos necesito una dimensión más: la altura.

Imaginemos que nuestro universo tiene solo dos dimensiones espaciales, por lo que se vería como una hoja de papel muy muy muy grande. Entonces nosotros estamos en la Tierra, a 41.3 billones de kilómetros de distancia (esto es 4.3 años-luz de la tierra) de Alfa Centauro (el sistema solar más cercano a nosotros). Si hubiese alguna manera que nuestro universo bi-dimensional se doblara (como una hoja de papel) podríamos saltar hacia el "hiper-espacio", esto es a la tercera dimensión; y lograr llegar por un camino muchísimo más corto hacia Alfa-Centauro. Y el atajo que atraviesa el hiperespacio es llamado "agujero de gusano".

Ahora se que es difícil que es lleva esta figura a tres dimensiones, pero creo que de por si ya es bastante explicativa. La pregunta es ¿Puede nuestro universo doblase de tal manera que podamos acercar dos regiones muy distantes a través del hiper-espacio de 5 dimensiones? ¿Podemos nosotros hacer que nuestro universo se curve tanto como para acercar dos regiones deseadas y producir un agujero de gusano para llegar muy rápidamente a ella? ¿Se puede viajar en el tiempo curvando el espacio-tiempo de nuestro universo?

5. Buscando puertas mas allá de la frontera.

La respuesta a la primera pregunta parece ser si. Sin embargo nosotros no tenemos control sobre ello. Aunque (según Stephen Hawkings) las soluciones a las ecuaciones de espacio-tiempo de Einstein admiten soluciones de agujeros de gusano, estos tendrían un tiempo de vida demasiado cortos antes que se evaporase, evitando que objetos macroscópicos los atraviesen.  ¡Pero estamos hablando de atravesar agujeros de gusano sin que hasta el momento hayamos detectado uno solo! Por otro lado intentar construir agujeros de gusano, en teoría, requeriría el control de una cantidad tan grande de energía que ni siquiera estamos cerca de manejar. En este tema estamos parados sobre una parte de la física teórica que aun no tenemos la tecnología para siquiera experimentar en busqueda de respuestas.

Y acerca de los viajes en el tiempo, según Stephen Hawkings, para que se produzca un agujero de gusano que nos lleve al pasado, tendríamos que "producir una curva negativa en el espacio-tiempo, y la geometría de nuestro universo tiene una curvatura positiva". El estado del arte de la ciencia actual parece indicar que viajar al pasado o viajar al futuro no es posible para nosotros los seres humanos.

Pero existe un mundo donde la lógica humana se quiebra. Un mundo de lo muy pequeño, de lo borroso, de la incertidumbre. Un mundo en donde la sola observación modifica enteramente el estado del sistema. Un mundo donde dos partículas pueden estar conectadas instantáneamente no importan que tan separadas estén. Un mundo donde una partícula puede, con poca energía, puede atravesar una barrera muchísima mayor energía; donde un electrón puede prestarse energía del futuro para saltar al siguiente nivel; donde una partícula puede viajar al pasado por un instante y volver al presente otra vez; donde cada partícula tiene su antipartícula, donde un electrón recorre todos los caminos posibles "a la vez" para llegar a su destino, donde la materia puede ser onda y la energía puede ser partícula (incluso partícula con masa); y donde un "gato" puede estar en un estado de vivo y muerto al mismo tiempo.... El fabuloso mundo cuántico.

Empezaremos a explorar el mundo cuántico en la siguiente entrada. Hasta entonces...!