Ciencia e Independencia: Todavía no sabemos todo sobre la gravedad

Cuando en 1687 Sir Isaac Newton con la publicación de sus Tres Leyes del Movimiento inició la Era Científica e Industrial moderna en el impresionante período intelectual europeo conocido como "La Ilustración", uno de sus más impresionantes éxitos fue el identificar y deducir las consecuencias de esa fuerza invisible y misteriosa que es la gravedad. Fue el trabajo tan cósmico y grandioso de unificar las leyes de la Tierra y del Cielo en un set único y exacto, que luego pudo evidenciar al explicar con exactitud los movimientos y la maquinaria del Sistema Solar, lo que hizo a la ciencia la fuerza cultural más poderosa y aclamada de nuestros tiempos. Todos los demás estudiosos del mundo natural querían imitar los métodos, la racionalidad, y los éxitos predictivos y explicativos de la Física gravitacional Newtoniana.

Pero aunque Newton produjo una precisa y asombrosa descripción matemática de la fuerza de gravedad que ejercía la Tierra sobre las cosas que caen, la Luna sobre los mares de la Tierra, o el Sol sobre los planetas del Sistema Solar en realidad no entendía como era que pasaba tan misterioso fenómeno. En un lado estaba un cuerpo masivo gigante como el Sol, y por otro estaba un planeta chiquito como la Tierra a cientos de millones de kilómetros de distancia. No había nada entre ellos, solo espacio vacío. Pero por algún tipo de magia negra el Sol sin tocar la Tierra la hala hacia su centro. Newton sabía exactamente con qué fuerza la iba a halar y como se movería la Tierra una vez el Sol la halara, pero no tenía ni la más remota idea de cómo era que la halaba. ¿Qué era exactamente lo que el Sol hacía que afectaba el movimiento de la Tierra a tan gran distancia sin tocarla?

El misterio persistió por casi 230 años hasta que Albert Einstein destronó la física Newtoniana con su Teoría General de la Relatividad. Einstein resolvió el problema de cómo se propaga la invisible y misteriosa fuerza de gravedad que había identificado Newton. Su explicación es bastante rara y muy poco intuitiva. Según Einstein el espacio vacío y el tiempo forman una especie de plasticina invisible de 4 dimensiones. Cuando el Sol habita un lugar de este espaciotiempo maleable con su mera presencia "dobla" y deforma el espacio vacío y el tiempo a su alrededor. La imagen visual usada por muchos científicos para explicar tan alocada idea es que imaginemos las 4 dimensiones del espacio y el tiempo como una superficie plana y elástica como un trampolín (que en esta analogía perdió 2 dimensiones porque una superficie plana en nuestro espacio es bidimensional). Al uno poner un objeto pesado en el trampolín (como una bola de boliche) ambos objetos se hunden, y la superficie del trampolín que antes era plana ahora se vuelve curva. Esa curvatura del espaciotiempo Einstein la interpretó como la gravedad. El Sol no tenía que tocar la Tierra a distancia por acto de magia para cambiar su movimiento y obligarla a orbitar. La Tierra cree que localmente se mueve en una línea "recta" por pura inercia, pero resulta que en el espacio doblado a causa de la gran masa del Sol esa línea, recta solo en lo local, termina cerrándose sobre sí misma y formando una elipse para un observador lejos de la órbita terrestre.

La idea de un espaciotiempo vacío y doblado por las masas que lo habitan puede ser difícil de entender y de visualizar, pero tiene una estructura matemática hermosa y bien definida. Una vez uno pone las reglas de la geometría diferencial y dice que quiere decir y como medir la curvatura del espacio, la teoría matemática resultante es preciosa, y hace unas predicciones asombrosas y precisas que se han confirmado varias veces. Predice las minúsculas desviaciones de la órbita de Mercurio que la gravedad de Newton nunca pudo explicar, predice los huecos negros, predice la expansión del universo, predice los "lentes gravitacionales" en los que grandes masas pueden doblar haces de luz y cambiar la posición aparente de estrellas en el cielo, y muchas otras ocurrencias exóticas y cósmicas. A Einstein y a los físicos relativistas no deja de maravillarnos el hecho de que nosotros, unos monitos sofisticados que apenas ayer aprendimos a hablar y a encender fogatas, podamos hoy predecir y explicar con lujo de detalles el inmenso y maravilloso Cosmos que vemos allá afuera de nuestro pequeño planeta.

Pero no todo es miel sobre hojuelas. En la ciencia cada vez que resolvemos un misterio no tardan en aparecer como veinte nuevos misterios aún más increíbles y asombrosos para tomar su lugar. En los últimos años hemos empezado a ver eventos en los que la fuerza de gravedad juega un papel crucial y sin embargo no está pasando lo que la bella Teoría de la Relatividad de Einstein espera que debería de pasar.

Uno de los problemas principales en la Cosmología Moderna lo constituyen las observaciones que aparentemente contradicen como deberían ser los movimientos y la evolución de un universo cuya dinámica gravitacional se rija por la exitosa, y bien fundamentada empíricamente, Teoría de la Relatividad General de Einstein pero que solo contenga la cantidad de materia bariónica que podemos ver con telescopios o inferir de procesos de nucleosíntesis y dinámicas estelares y/o galácticas. Parece que la materia que vemos que hay no parece ser suficiente para que las galaxias se muevan en la forma y velocidad que las vemos moverse. Para producir las fuerzas de gravedad necesarias para explicar las aceleraciones que se observan parece que haría falta mucha más masa y energía que las que los procesos de condensación de nubes de hidrógeno en estrellas y galaxias nos pueden proveer.

Los modelos actuales más usados en cosmología teórica contienen unos componentes mayoritarios de "materia oscura fría" y un éter de "energía oscura" que constituirían aproximadamente un 96% del tensor de materia-energía del universo.

La "materia oscura" se deduce de anomalías en las curvas de rotación de las galaxias, la dispersión de velocidades en cúmulos de galaxias, y la data de microlentes gravitacionales en cúmulos densos. Esta "materia oscura" debe tener unos componentes exóticos conocidos como WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) que no pueden estar hechos de los quarks y leptones que hemos visto y medido en los aceleradores terrestres, y que constituyen los componentes fundamentales del exitoso Modelo Estándar de la Materia. Las actuales teorías de campos cuánticos y modelos de supercuerdas permiten postular de manera lógicamente consistente la existencia de varias partículas que aún no se deben de haber observado en los experimentos que se han hecho hasta la fecha, pero para muchos cosmólogos la idea de postular un componente puramente hipotético 6 veces mayor que la masa "normal" que nunca se ha observado, y del cual no se sabe mucho es filosóficamente indeseable en esta etapa tan temprana del juego.

La situación es aún peor en el caso de la expansión del universo observada en corrimientos al rojo bien grandes por medio de mediciones con supernovas 1A. La data de cientos de supernovas acumuladas en los últimos 10 años apunta claramente a que la expansión del universo era mucho más lenta cuando se empezaron a formar las primeras galaxias que la que observamos ahora en nuestra vecindad local. El universo se expande aceleradamente cuando con la cantidad de materia observada un universo relativista debería de estar desacelerándose. Esto acoplado a las también precisas fluctuaciones del fondo de microondas cósmico medidas con el satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) parecen indicar la existencia de un campo de "energía oscura" de densidad aparentemente constante que actúe como el término de la constante cosmológica Λ que postuló Einstein para su Relatividad General a principios de siglo. Pero este éter de "energía oscura" constituiría un 73% de toda la energía del universo con una presión negativa. Un componente hipotético e invisible tan grande no parece ser una hipótesis muy prudente de aceptar sin ninguna evidencia empírica a su favor.

Muchos físicos están empezando a considerar seriamente la idea de que esto de inventar sustancias invisibles que ejerzan la fuerza de gravedad que nos falta no es muy satisfactorio, y que a lo mejor lo que está pasando es que a escalas cósmicas la Teoría de Einstein ya no funciona tan bien como nosotros la vemos hacerlo en nuestra vecindad cósmica inmediata. A estas nuevas teorías de gravedad se les conoce como "Gravedad Modificada". Presentaremos las ideas básicas de algunas de ellas en artículos subsiguientes del blog.