Einstein y Dios

Albert Einstein es la figura icónica del científico genio que todos admiran pero nadie entiende. Es uno de mis héroes intelectuales no solo porque la Relatividad General es mi campo de estudio, sino que histórica, política y filosóficamente me siento identificado con las ideas y posturas de Einstein.

Una de las muchas controversias sobre el pensamiento de Einstein en materias fuera de la física teórica es la de si Einstein era ateo o creía en Dios. Su teoría de la Relatividad, (que predijo la idea del “Big Bang” como el principio del universo antes de que Hubble lo descubriera experimentalmente), su concepción determinista de la física, y su visión sobre el rol de las leyes del universo parecerían colocarlo en la posición de que Dios no hace falta para correr el universo.

Sin embargo, hay varias citas de Einstein que sugieren una concepción religiosa. La más famosa es su comentario de que “Dios no juega a los dados con el universo” para expresar su disgusto con la interpretación probabilística que se le estaba dando a la Mecánica Cuántica. O la respuesta que dio a un periodista que le preguntó como se hubiera sentido si la expedición de Eddington no hubiese confirmado su teoría de que la gravedad puede doblar el paso de la luz. Einstein replicó: “Me hubiese dado mucha pena con Dios pues estaba seguro que mi teoría era correcta.” Y otra en que justifica su búsqueda de una teoría de campos unificando todas las fuerzas físicas con “A mí lo que me interesa averiguar es si Dios tenía opciones al decidir como hacer el universo.”

Einstein no era ateo. Él creía en un universo ordenado y con leyes causales que él no sabía de donde salieron, y cuya belleza y poder lo maravillaban. Eso NO ES CREER EN DIOS. Al menos no es lo que hacen los cristianos fundamentalistas.

Einstein no creía en un ser invisible que oye a los que rezan.
Einstein no creía en el Génesis, ni nada de la Biblia.
Einstein no creía que el hombre esta hecho a imagen y semejanza de Dios.
Einstein no creía en mesías que nacieron de una virgen y que son hijos de Dios.
Einstein no creía en fantasmas, ni en la vida después de la muerte.
Einstein no creía en curas, ni ministros, ni rabíes, ni iglesias.
Einstein no creía en nada que no se pudiera ver y de lo cual no hubiera evidencia.
Einstein no creía en ángeles, demonios, ni espíritus inmateriales.

El "Dios" de Einstein son las matemáticas, las leyes físicas, el orden, la causalidad, y la belleza del universo. No es un viejo inmortal de barba blanca todopoderoso y omnisciente que todo lo sabe y todo lo ve, y que puede usar sus superpoderes mágicos para complacer a los esclavitos que hipócritamente lo alaben, le regalen dinero y le pidan favores.

Y finalmente, Einstein sabe que su creencia es anti-científica y no espera que nadie le crea porque él lo dice si no lo puede probar. No es una creencia religiosa en que "él conoce la verdad" sino una "mera opinión personal". No es lo mismo ni se escribe igual.

El que alguien use metafóricamente la palabra "Dios" no significa que cree en el mismo Dios que creen los cristianos. El Dios del Nuevo Testamento no es el Dios del Viejo Testamento. Son personalidades completamente diferentes. Y el papá de Jesucristo en el que creen el Papa, Jorge Raschke y George Bush no es Alá. Ni Odín. Ni Zeus. Ni Baal. Ni Cthulhu.

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¿Cuan factible es crear un motor de “warp drive”?

Con el calentamiento global, la superpoblación, la alta probabilidad de una guerra nuclear, o la posibilidad casi segura de que acabemos con los recursos naturales mucho más rápido que lo que naturalmente se pueden regenerar por sí solos, un científico con visión realista de futuro estimaría que este planeta no tiene salvación de esta infección exponencial conocida como la humanidad, y que hay que tirarlo a pérdida.

Pero la humanidad además de Hitler, Genghis Khan, George Bush, Pol Pot, Julio César, Bill Gates, Rush Limbaugh o Pedro Rosselló (que hacen a uno avergonzarse de ser de la misma especie que ellos) tambien ha producido arte, música, amor, cultura, ideas, justicia, ciencia y muchas cosas dignas de salvarse y preservarse. Y quizás si empezamos de nuevo con una colonia chiquita en otro planeta aprendamos de los errores de la historia y podamos crear una civilización más decente, justa, bondadosa, y en equilibrio con el ambiente. Uno puede soñar y tratar de ser optimista. Al fin de cuentas hay mucho en los seres humanos que es bueno y merece que se salve para otras generaciones.

Para mudarnos de la Tierra y colonizar otros planetas el obstáculo principal lo son las inmensas distancias que hay hasta otras estrellas. En esta estrella lo mejorcito para mudarse a mediano plazo sería Marte, y saldría carísimo y sería mucho peor que la Tierra. Su atmósfera es muy fina, tiene poca gravedad, es muy frío, y no tiene mucha agua (excepto en el hielo de sus casquetes polares).

Uno quisiera un planetita más grande, caliente y con mucha agua como la Tierra para que pudiese florecer la vida, las plantas, la agricultura, los animales, y tener un cielo azul y con bastante ozono para cubrirnos de la radiación ultravioleta de las estrellas como el Sol. Debe haber muchos planetas así en el universo, pues todo parece indicar que casi todas las estrellas de última generación (como el Sol o más jóvenes) tienen sistemas planetarios. Pero si existen deben de estar a decenas, sino cientos, de años luz de nosotros.

La Teoría de la Relatividad Especial de Papá Einstein nos pone una traba bien seria en esto de viajar a otros sistemas solares porque dice que en este universo nuestro nada material puede viajar más rápido que la luz. Y viajar cerca de la velocidad de la luz debe ser costosísimo, peligroso y casi imposible por la cantidad enorme de energía requerida para esto. Así que aún postulando que hayan muchísimos avances en tecnología de propulsión, generación de energía, computación y nuevos materiales (que uno puede intentar extrapolar de lo que sabemos de física hoy en día) un viaje a otro planeta terrestre tomaría cientos de años en el escenario realista más optimista. Esto haría estos viajes prácticamente imposibles excepto con una nave generacional donde vayan familias y lleguen a su destino final no los que iniciaron el viaje, sino sus tataranietos.

La ciencia-ficción siempre ha obviado este problema con postular que de algún modo le daremos la vuelta a la limitación einsteiniana y crearemos motores para naves espaciales que puedan superar la barrera de la luz. Una visionaria serie, que ha predicho muchos avances tecnológicos desde los 1960´s en que se creó, lo es “Star Trek” (que predijo los celulares, los floppy disks y flash drives en computadoras, sensores como los tricorders, e inspirado a cientos de nerds y geeks que ahora trabajan en el programa espacial de NASA). Su manera de viajar a velocidades mayores que la de la luz se conoce como “warp drive” .

Gene Roddenberry, y los creadores modernos de las versiones subsiguientes de Star Trek, siempre buscaron consultar con físicos e ingenieros para tratar de que su tecnología de ciencia-ficción pareciera plausible. Montones de físicos importantes como Kip Thorne, Lawrence Krauss, Stephen Hawking, (y este servidor que no es ni de cerca tan famoso, pero al menos es físico también) han sido “trekkies” desde la serie original de Kirk y Spock (cuya era va a ser revivida en la próxima película de la inmortal franquicia). Y muchos de ellos han notado que aunque la relatividad especial prohibe terminantemente viajar más rápido que la luz localmente (pasarle por el lado a un haz de luz), la Teoría de la Relatividad General permite ciertos “loopholes” al deformar el espaciotiempo que harían que una nave llegue a un planeta lejano antes que la luz viajando en el espacio plano normal. Sería algo así como el cuento de la Caperucita Roja donde el lobo llega primero a la casa de la abuelita porque manda a Caperucita a coger el camino largo mientras que él se va por un atajo más corto.

La idea implicaría buscar soluciones dinámicas a las ecuaciones de Einstein (que indican cuales espaciotiempos curvos son posibles en teoría) en donde la nave espacial se mueva dentro de una burbuja de “espacio normal” a velocidades menores que c, mientras que con algún tipo de energía exótica uno dobla el espacio al frente de la burbuja haciéndolo más pequeño mientras que expande el espacio que queda detrás de la burbuja. La Teoría de Einstein no pone ninguna limitación a cuán rápido se puede comprimir y estirar el espacio vacío. Así que en principio uno puede lograr llegar al otro planeta al que quiere ir mucho antes que lo que le tomaría a la luz viajar hasta allá.

El físico de origen mejicano, Miguel Alcubierre, demostró en un trabajo de 1994 que efectivamente la Teoría de la Relatividad General permite soluciones del tipo “warp drive” si existiesen valores del tensor de materia-energía con densidades negativas, (lo que en Relatividad y Cosmología se conoce como “materia exótica”). Esto parecía indicar que al menos no era imposible de acuerdo a la Relatividad General crear una nave como el USS Enterprise ,(y que Roddenberry y los escritores de Star Trek no estaban tripeando en maví como creían ellos mismos). Claro, el probar que puede existir la materia exótica o probar que se pueden generar las cantidades astronómicas de energía necesarias para hacer funcionar el “warp drive” de Alcubierre son otros veinte pesos. Pero al menos Papá Einstein no nos prohibía que tuviésemos un futuro glorioso como el de Star Trek y la Federación Unida de Planetas.

Este tópico del “warp drive” volvió a tomar interés para los físicos otra vez cuando el año pasado dos físicos de Texas, Richard Obousy y Gerald Cleaver, escribieron un interesantísimo artículo postulando que si existen dimensiones adicionales como las postuladas por las teorías de supercuerdas y la energía oscura que constituye la constante cosmológica es producida por el Efecto Casimir en Mecánica Cuántica, (de esto escribí otro artículo anteriormente aquí), uno podría usar esa energía oscura para manipular una de las dimensiones extras y producir el desdoblamiento necesario para que tengamos una burbuja de “warp drive” funcional.

A los “trekkies” rabiosos de The Next Generation para acá eso le debe sonar parecido al “subespacio” que forma parte del “technobabble” clásico de la serie, pues ahí se postula según los escritores de Star Trek un hiperespacio de dimensiones adicionales a través del cual se comunican superluminalmente las naves de la Federación y se crean montones de partículas ficticias para posibilitar todas sus tecnologías milagrosas.

Todavía todo esto es ciencia-ficción fantasiosa, y no es considerado más que un pasatiempo divertido para los físicos teóricos, pero le para los pelos a uno cuan profética parece ser a veces la ciencia-ficción, y como la realidad en la física moderna puede ser tan excitante y misteriosa como la ficción.

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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.

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Más allá de Einstein: el futuro de la exploración espacial

Acaba de salir calientito del horno un reporte del National Research Council de los Estados Unidos donde se hacen recomendaciones a la NASA sobre como usar su presupuesto para satélites astronómicos (que cuestan una millonada cada uno) para uno de sus programas principales para las próximas décadas de exploración espacial que se ha denominado "Beyond Einstein".

Beyond Einstein (BE) es una de las propuestas programáticas de la agencia espacial norteamericana en las áreas de estudiar cómo fue que se creó el universo, fenómenos de carácter cósmico como los huecos negros, la formación de galaxias, y el grandísimo y excitante misterio de qué rayos es esa "energía oscura" que está inflando nuestro universo cada vez más rápidamente. Todos problemas misteriosos y que aún no se entienden muy bien (y que hemos reseñado periódicamente en este blog por ser de mi área de especialización e interés).

Ya se sabe con certeza que ocurrió el "Big Bang" y cuando exactamente fue que ocurrió (13.7 ± 0.2 billones de años). Se ha confirmado que existen y ya se han visto varios huecos negros de diferentes tamaños (desde los de tamaño estelar devorando estrellas vecinas hasta los monstruos gigantes que habitan en el núcleo de las galaxias y que pesan billones de veces la masa de nuestro Sol). Y también se ha confirmado que la expansión del universo es hoy mucho más rápida que cuando ocurrió el Big Bang, lo cual indica que esta expansión se está acelerando. Pero para que se acelere todo el universo con sus billones y billones de galaxias y trillones de megatoneladas de materia hace falta mucha energía. Así que tiene que haber una energía "oscura" que no sabemos qué es ni de donde salió, porque las energías que entendemos con nuestra física actual no pueden hacer lo que vemos que está ocurriendo.

Esta área de investigación en NASA se llama "Beyond Einstein" porque se supone que todos estos fenómenos se pudiesen entender perfectamente con la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. Pero no es así. El Big Bang se comporta muy raramente y al parecer tuvo un período inflacionario que no se entiende muy bien solo con la Relatividad. Los teóricos han identificado varios tipos de huecos negros, y físicos como el gran Stephen Hawking han determinado que los huecos negros pueden evaporarse y poseen propiedades como entropía o temperatura que según la teoría clásica de Relatividad no debieran tener. Y claro, según el modelo clásico de la expansión relativista el universo debiera irse frenando por su propia gravedad, y no acelerándose.

Hay 2 posibilidades de porqué falla la Teoría de Einstein si para todos los demás fenómenos gravitacionales funciona excelentemente. La opción preferida (y que se estudia primero) es que la teoría relativista está bien pero nos faltan ingredientes que aún desconocemos para poder tener una explicación aceptable de lo que vemos. La otra opción no muy deseada es que la teoría es falsa, y solo constituye una buena aproximación a bajas energías pero en estos fenómenos cósmicos estamos llegando al límite de su validez y nos estamos dando cuenta de que a energías por encima de éstas no va a funcionar más. Esto requeriría reemplazarla entonces por una nueva, y conllevaría una revolución crucial en nuestro entendimiento del universo.

Sea como sea, para poder entender mejor que es lo que pasa en nuestro universo y saber que hacer con la teoría de Einstein hay que tener data mucho más completa y precisa. Esto requiere de costosas misiones satélites que midan con una precisión asombrosa los datos relevantes de huecos negros, galaxias lejanas, supernovas en los confines del universo y el fondo de microondas cósmico. NASA había planeado un set de cómo 8 misiones espaciales diferentes para científicamente estudiar estos problemas de la manera más completa y eficiente posible.

Pero como en los EE.UU. del Führer G.W. Bush es más importante hacer guerra, matar y torturar civiles solo por ser musulmanes, invadir países para robarles petróleo, y hacer cada vez más ricos a los donantes Republicanos pues no hay mucho dinero disponible para cosas baladíes y sin importancia como hacer ciencia y entender como funciona nuestro mundo. Total, para sus huestes cristianas fundamentalistas esto de mandar satélites al espacio y recolectar datos es una pérdida de tiempo pues las respuestas "correctas" ya están hace 2,000 años en la Biblia.

Así que con el presupuesto asignado por la maceta y bestia Administración Bush (que además quiere que se use mayormente para misiones mayormente de Relaciones Públicas como mandar americanos a Marte) no hay cama para tanta gente. No se pueden financiar todas las misiones científicas y hay que escoger. Por eso se conformó un panel de prestigiosos científicos del NRC para decidir quienes viven (y pueden hacer tesis doctorales con los datos que se obtengan), y quienes mueren (y deben dejar lo que están estudiando por falta de chavos).

El reporte recomendó solo 2 misiones de BE como las más importantes y que se les debe de dar prioridad financieramente para meterle mano a los interesantes problemas cosmológicos que tenemos. Una es la denominada Joint Dark Energy Mission que junto con el Departamento de Energía (quizás la escogieron por que era un "serrucho" entre las dos agencias y les salía más barato) costeará un observatorio automático que detecte supernovas 1A y usando controles robot mueve los telescopios para un análisis detallado que permita hacer un mapa exacto de cómo se ha ido acelerando la expansión del universo en las diferentes épocas de su historia. La otra, por suerte para los que estudiamos huecos negros y ondas gravitacionales, es el Laser Interferometer Space Antenna, (o LISA como la conocemos afectivamente los "insiders"). LISA es un set de tres satélites que estarán en la misma órbita que la Tierra alrededor del Sol (pero 20° detrás de nosotros). Estos satélites forman un gigantesco triángulo en el espacio que detectaría las distorciones en el espaciotiempo llamadas "ondas gravitacionales" provenientes de choques entre huecos negros. Estas ondas contendrían información valiosa sobre la estructura y comportamiento detallado de los huecos negros.

Las demás probablemente se vayan por el chorro… Claro, si sirvieran para matar gente les lloverían los chavos.

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Einstein, la gravedad y el universo

La evidencia es clara y contundente. El universo comenzó en una gran explosión hace 14 mil millones de años. Todas las galaxias que vemos se alejan unas de otras, por lo que vemos que el universo se está expandiendo cada vez más y más rápido. ¿Por qué sucede tan extraño proceder cósmico? Muchos astrofísicos atribuyen esto a la presencia de un campo de energía oscura misteriosa, que no se ve y que todavía no se sabe de dónde salió. Para tratar de entender esto hay muchos modelos teóricos compitiendo entre sí. Veremos hoy algunos de los más interesantes.

La primera explicación que vino a la mente de los físicos fue que la expansión acelerada se debía a la energía propia del vacío que postula la Mecánica Cuántica. De acuerdo al principio de incertidumbre no puede existir un espacio totalmente vacío sin energía ni materia pues eso equivaldría a tener una energía exactamente igual a cero sin ninguna duda. Como el conocer el valor exacto de una cantidad física como la energía está prohibido por ley, la mecánica cuántica postula que en todas partes del espacio se crean pares de partículas y anti-partículas virtuales de la "nada" (porque la "nada" tiene que tener algo de energía aunque la coja prestada del pasado). A esta energía residual del vacío se le conoce como energía del punto cero. Este concepto suena totalmente loco y absurdo pero se puede comprobar con mediciones precisas del llamado Efecto de Casimir. Además la teoría de Campos Cuánticos que postula estas ideas es la teoría de la física más exacta y avanzada que haya creado la humanidad.

Pero hay un pequeño problemita con esta hipótesis. Cuando uno usa la teoría de campos cuánticos para calcular cuanta energía del punto cero debería de haber en un universo del tamaño del nuestro con la densidad de materia que vemos sale que la energía del punto cero es DEMASIADO GRANDE. De tal manera que si esa fuese la fuente de la energía oscura el universo se hubiese expandido tan y tan rápido que se hubiese desbaratado en los primeros microsegundos luego del Big Bang. El estimado de la Mecánica Cuántica convencional falla por un factor de 10¹²⁰. Un error de cálculo horrendamente grande aún para un astrofísico teórico. Generalmente en mecánica cuántica estos resultados exageradamente malos se curan con algún proceso complementario que cancele el efecto que debiera de ser grande pero que obviamente no lo es (porque no se ve). Pero aquí este truco teórico no funcionará porque no se puede cancelar toda la energía. Habría que inventarse otro campo o interacción cuántica que produzca una energía tan barbáricamente grande, pero no exactamente igual, para que quede el relativamente pequeño remanente de energía oscura que está acelerando la expansión del universo. Nadie tiene aún ni la menor idea de cómo lograr tal hazaña de prestidigitación matemática.

Otra idea la inventó nuestro héroe, Albert Einstein, al crear su Teoría General de la Relatividad. Einstein tenía como meta el crear una teoría de la fuerza de gravedad donde ésta se propagara causalmente a la velocidad de la luz y donde cualquier observador, no importa donde estuviese o cuán rápido se estuviera moviendo relativo a otras cosas, pudiera describir todo lo que se ve en el cosmos con las mismas leyes de la física que todos los demás observadores. La teoría resultante dice que el espaciotiempo vacío es una cosa maleable que se puede doblar y curvear dependiendo de la materia que contenga. Pero acabando de formular su teoría en 1916 Einstein se dio cuenta de que en un universo donde su teoría fuese cierta el universo al doblarse por la materia que contiene no puede ser ni inmóvil, ni eterno, ni infinito. Pero desde el éxito de la mecánica Newtoniana se creía que así tenía que ser el universo. Un espacio eterno, infinito y donde las estrellas y los planetas habían estado ahí quietecitos por siempre. O si no las fuerzas atractivas de la gravedad harían que todo colapsara a un punto. Einstein en 1916 creía que así tenía que ser el universo y empezó a dudar de su propia teoría y las consecuencias a las que llevaba. Pero como su teoría era tan hermosa y él había trabajado en ella por más de 11 años sin parar (lo que eventualmente afectó su salud, y le costó su primer matrimonio y la custodia de sus hijos), Einstein buscó una manera de cómo salvar su teoría. Usando las simetrías matemáticas de su ecuación original añadió un término adicional que conservara la energía y las propiedades relativistas de la teoría, pero que proveyera de una "fuerza de anti-gravedad" en la misma estructura del espacio y el tiempo que contrarrestara la curvatura gravitatoria de la materia que contiene el universo. A ese término repulsivo le puso el nombre de la constante cosmológica. Cuando en 1931, Edwin Hubble demostró con su estudio sistemático del movimiento de las galaxias que el universo se estaba expandiendo, Einstein aceptó que su teoría original había estado correcta y llamó a la introducción metafísica de la constante cosmológica "el peor error de su vida."

Así que una de las ideas para explicar la misteriosa energía oscura que acabamos de descubrir es postular que hasta cuando metió las patas Einstein era tan genial que su término de la constante cosmológica resultó a la larga que era correcto. Aunque esto es una explicación a medias porque no explica porque la supuesta constante cosmológica es del tamaño justo para que el universo no se expanda demasiado de rápidamente, y permita la formación de galaxias, estrellas, planetas, seres vivos y astrónomos que se pregunten estas cosas. Para eso hay que entrar a las ideas del principio antrópico que hemos cubierto en entradas anteriores del blog.

Otra de las ideas que andan dando vueltas en las discusiones de los físicos y cosmólogos es la de que la Relatividad General "plain" original de Einstein es la correcta, y que el universo está lleno de un campo cuántico escalar con la propiedad de que ahora tiene la densidad necesaria como para servir de energía oscura. A este campo de energía cósmico se le conoce en los círculos astrofísicos como quintaesencia. El nombre viene de la idea griega antigua de Aristóteles de que la Tierra estaba hecha de cuatro elementos (agua, aire, tierra y fuego) y que el cielo estaba hecho de un quinto elemento etéreo diferente a los de la tierra. Hay otra gente que postula que no existe ninguna energía oscura nada y que hay que modificar la fuerza de gravedad a distancias cosmológicas o permitir variación de constantes de la naturaleza como la constante gravitacional de Newton (G) o la velocidad de la luz (c).

Modelos y explicaciones teóricas tenemos de más. Lo que necesitamos es data más precisa para poder botar las hipótesis que no concuerden con la realidad, que es la esencia del método científico.

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Reporte desde la frontera de la ciencia

En estos días estoy participando de una de las Conferencias más concurridas e importantes de la Física Teórica: el Encuentro Anual de la Sociedad Americana de Física, que se celebra este año en Jacksonville, Florida. Aquí se reúnen los mejores cosmólogos, relativistas, teóricos de supercuerdas, físicos de partículas elementales, y expertos en mecánica cuántica de todo el continente americano (y varios europeos “colaos”) para presentar sus más recientes resultados. Es un banquete de física de la buena, con lo último en la avenida sobre las más modernas teorías y desarrollos experimentales en issues como el Big Bang, la Teoría de la Relatividad, huecos negros, los fundamentos de las leyes físicas, la estructura subatómica de la materia, y varios otros temas super-interesantes en las fronteras de la ciencia.

Muchas de las charlas son extremadamente técnicas y matemáticas, pero les intentaré traducir al español la esencia de las charlas a las que asista y encuentre interesantes.

Einstein vuelve a batear otro home run.
Los primeros resultados de un experimento con una precisión tecnológica impresionante, conocido como Gravity Probe B vuelve a confirmar las predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Einstein. El viejito despeinado de pelo y bigote blanco sigue bateando de 100-100. No ha fallado una. Esta vez se confirma con la deformación del espaciotiempo alrededor del planeta Tierra debido a su masa gravitacional. Al deformarse el espacio y el tiempo alrededor del planeta esto produce desviaciones en la órbita que debiera de seguir un objeto completamente libre de toda otra influencia externa según las leyes de movimiento de Isaac Newton. Lo impresionante de la charla no fue solo que Einstein haya sido tan inteligente y tan bárbaro de lograr una teoría con un poder explicativo tan feroz (sobre sucesos tan esotéricos y cósmicos) luego de casi 100 años de formulada, sino el tesón y las maravillas tecnológicas de los físicos que logran medir efectos tan minúsculos y difíciles de visualizar. El experimento es tan difícil como medir el ancho de un cabello humano con menos de 5% de error desde una distancia de 100 millas. Wow!

Preparándonos para el LHC y otra Revolución más en la Física.
Este año debe comenzar a funcionar el acelerador de partículas más grande jamás diseñado por la raza humana: el Large Hadron Collider. Un anillo de varias millas de diámetro entre Suiza y Francia podrá chocar protones con anti-protones a energías de Tera-electronvoltios. Esto son energías fantásticamente grandes que no se habían logrado en nuestro universo desde los primeros minutos iniciales del Big Bang. Los físicos teóricos están muy excitados con este nuevo juguete pues varios de ellos predicen que el LHC podría ver nuevas partículas que prueben la existencia de supersimetría, den pistas importantes de cómo unificar la Mecánica Cuántica y la Relatividad General, y hasta puedan detectar dimensiones adicionales si es que estas existen, como algunas teorías de supercuerdas parecen indicar. No hay nada más excitante en la ciencia que otra Revolución, donde la verdad y la naturaleza del universo cambian rápidamente ante nuestros propios ojos.

Colisiones de huecos negros. Un campo madurando a pasos agigantados.
Mi campo de interés favorito pues fue donde hice mi tesis doctoral. Y es que los huecos negros son tan misteriosos y sexy. Hmmmmm… Y si los pones a chocar unos con otros más divertido es, (y horrendamente difícil). El cálculo de cómo se deforma el espaciotiempo cuando dos huecos negros, (las fuentes de gravedad más grandes del universo de cuya fuerza de atracción NADA PUEDE ESCAPAR y si uno cae dentro de ellos se pierde de este universo para siempre), orbitan a velocidades cercanas a la de la luz requiere resolver cientos de páginas de complejas computaciones algebraicas EN CADA PUNTO DEL ESPACIO y cada milésima de segundo. Solo una supercomputadora que haga trillones de cálculos por segundo puede meterle mano a tamaño problemón. Cuando yo estaba escribiendo mi tesis este problema era casi insoluble. No se sabía ni siquiera como escribirlo bien, ni como ponerlo en una forma que la computadora lo entendiese, mucho menos intentar resolverlo. Pero como los físicos somos la changa y había tantos genios trabajando en esto, vemos hoy cálculos completos de varias órbitas de diversos tipos de huecos negros colisionando y una cantidad verdaderamente impresionante de predicciones físicas la mar de interesantes. ¿Porqué nos interesan los choques entre huecos negros? ¿Para que sirve tal información? Esa es materia de otro artículo futuro en más detalle, pero puede proveer pistas importantes sobre la formación de galaxias, estrellas, planetas y eventualmente animales inteligentes como quisiéramos ser nosotros. Sin un choque de estos al formarse nuestra galaxia de la Vía Láctea probablemente nosotros no estuviésemos aquí vivitos hoy en día. Pero ese es un cuento para otro día si a alguien de verdad le interesa.