Agujeros de gusano:¿el viaje en el tiempo?(cont.)

El viaje en el tiempo ha despertado desde siempre un gran interés , se han escrito libros y se han hecho películas sobre el tema, pero sólo desde hace poco se ha empezado a tratar desde el rigor científico, de acuerdo con los últimos conocimientos – todavía en mantillas- sobre gravedad cuántica.


El primer artículo sobre el tema salió a la luz en el verano de 1988, en la revista Physical Review Letters, firmado por Kip S. Thorne y dos colaboradores suyos, Michael S. Morris y Ulvi Yurtsever.

Según el mismo Thorne, en su libro “Agujeros negros y tiempo curvo” ( presentación de Stephen Hawking), existen dos estrategias para construir un agujero de gusano, una que se podría llamar estrategia cuántica y la otra estrategia clásica.

La estrategia cuántica se basa en las fluctuaciones gravitatorias cuánticas del vacío que ocurren en cualquier lugar del espacio-tiempo. En 1955, John Wheeler, combinando la mecánica cuántica con la relatividad general dedujo que en una región del tamaño de la longitud de Planck-Wheeler ( 1,62 x 10^–33 centímetros) las fluctuaciones del vacío son tan grandes que el espacio tal como lo conocemos hierve y se convierte en borbotones de espuma cuántica, el mismo tipo de espuma cuántica que constituye el corazón de una singularidad espacio-temporal como pueda ser un agujero negro.


A partir de esta espuma cuántica, con la tecnología adecuada podría detectarse un agujero de gusano y amplificarlo hasta un tamaño clásico. Sin embargo no comprendemos todavía lo bastante bien las leyes de la gravedad cuántica y ni siquiera la propia espuma cuántica probabilística.

La estrategia clásica pasa por tratar de deformar y retorcer el espacio a escalas macroscópicas para hacer un agujero de gusano, donde previamente no existía ninguno. Existe un método para construir un agujero de gusano mediante una deformación y retorcimiento suaves, sin producir singularidades ( sitios donde no funcionan las leyes físicas tal como las conocemos actualmente). En 1966 Robert Geroch, en Princeton, utilizó métodos topológicos para demostrarlo, pero sólo puede hacerse si durante la construcción el tiempo también se retuerce ( tiempo curvo) visto desde todos los sistemas de referencia. Concretamente, mientras se procede a la construcción debe ser posible viajar hacia atrás en el tiempo tanto como hacia adelante. La maquinaria que haga la construcción debe funcionar brevemente como una máquina del tiempo, desde los momentos finales a los momentos iniciales de la construcción.


Como decía en el post anterior, el legado de Eisntein llevado hasta el límite de sus posibilidades por físicos de la talla de Penrose, Wheeler, Thorne o Hawking, nos muestra una serie de fenómenos, como los agujeros de gusano, que parecen salidos de una novela de ciencia ficción. Sin embargo, para ser realistas, las leyes de la gravedad cuántica – lo que conocemos de ellas hasta ahora- nos están ocultando la respuesta definitiva a si los agujeros de gusano pueden convertirse con éxito en máquinas del tiempo. Se sospecha que el propio haz creciente de las fluctuaciones del vacío – multiplicado por efecto del propio agujero de gusano- puede ejercer una especie de protección cronológica que impida el viaje en el tiempo. Stephen Hawking, con su característico humor irónico describe esto como una conjetura que “ mantendría el mundo a salvo de la mirada directa de los historiadores”.

Agujeros de gusano, ¿el viaje en el tiempo?

El legado de Einstein ha llevado a científicos como Kip S. Thorne, Hawking, John Wheeler, Penrose y tantos otros a una gran búsqueda para descubrir dónde y cómo falla la relatividad y qué puede reemplazarla. Cuando tenemos una gran teoría hay que exprimirla al máximo, probarla hasta los mayores extremos, a veces por caminos extraños. En el caso de la relatividad están plagados de objetos tan exóticos como agujeros negros, enanas blancas, estrellas de neutrones, ondas gravitatorias, agujeros de gusano, distorsiones o máquinas del tiempo.

El sendero por el que discurre la ciencia está lleno de avances a trompicones, o de callejones sin salida y golpes de intuición, está muy lejos de ser una autopista con varios carriles, como a veces nos parece. Al final puede encontrarse la respuesta que se busca o constatar que la mayor parte del tiempo se ha perdido para nada.

Los agujeros de gusano:

Los llamados agujeros de gusano, una especie de pasadizo entre dos puntos distantes o no del espacio-tiempo, fueron descubiertos matemáticamente en 1916 por Ludwing Flamm, unos pocos meses después de que Einstein formulara su ecuación de campo ( relatividad general), como una solución a dicha ecuación de campo. Posteriormente, en los años cincuenta fueron investigados intensamente mediante gran variedad de cálculos matemáticos por John Wheeler y su equipo. Durante muchos años, los cálculos parecían indicar que se creaban en algún instante de tiempo y rápidamente se estrangulaban y se cerraban. Pero en 1985 , cuando Kip S. Thorne trataba de resolver un grave problema que tenía Carl Sagan con la heroína de su última novela , realizó una serie de cálculos que le llevaron a encontrar la solución a la inestabilidad de un presunto agujero de gusano.

La solución que encontró Thorne pasaba por un tipo de energía llamada exótica o energía negativa. A diferencia de la materia o energía normal o positiva que actúa, en grandes concentraciones como puede ser una estrella masiva, como una lente gravitatoria convergente ( hace converger los rayos de luz) la energía exótica o negativa actúa como lente gravitatoria divergente, manteniendo separadas las paredes del agujero de gusano. Hace divergir los rayos de luz que entren así como las fluctuaciones del vacío que de otra forma al ser multiplicados por el agujero impedirían su estabilidad y lo destrozarían.

El material exótico es más común de lo que nos podría parecer, de hecho las fluctuaciones del vacío que lo envuelven todo están formadas por energía positiva y energía negativa que en circunstancias normales producen una suma nula. Sin embargo Robert Wald ( colaborador de Wheeler) y Ulvi Yurtsever demostraron en los ochenta que en el espacio-tiempo curvo ( cerca de una gran masa), en una gran variedad de circunstancias, la curvatura distorsiona las fluctuaciones del vacío y las hace exóticas ( energía negativa).

Viaje en el tiempo:



Si mantenemos abierto un agujero de gusano mediante el aporte de energía negativa ( suponiendo que tenemos los medios técnicos necesarios que deberá tener una sociedad superavanzada en el futuro), podemos construir una máquina del tiempo. Una de las bocas del agujero podría permanecer en la Tierra y la otra boca la suponemos dentro de una nave interestelar. Si esta nave viaja a una velocidad cercana a la luz durante 24 horas ( tiempo de la nave, que pasa más lentamente por efecto relativista), el tiempo en la Tierra correspondiente podría ser de 15 años, por ejemplo. Cuando la nave regresa después de 24 horas de su tiempo, por la boca del agujero que ha permanecido en la nave podríamos volver al pasado, 15 años atrás. El agujero conectaría dos espacio-tiempos separados 15 años, su limitación de viaje al pasado la fijaría el instante en que se formó el agujero, antes no nos podríamos remontar porque no estaba abierto.


Según la teoría de la relatividad general, si se pueden mantener abiertos los agujeros de gusano mediante material exótico, el viaje en el tiempo viene condicionado por el mismo momento de la creación del agujero. No se puede viajar a un tiempo anterior a la propia creación del agujero de gusano.

Figuras: La primera es una descripción esquemática de un agujero de gusano. Comunica dos lugares espaciotemporales diferentes que podrían estar a años luz el uno del otro. La segunda es un agujero negro absorbiendo materia de una estrella compañera. La tercera es una máquina del tiempo con "tecnología" del siglo XIX.

¡¡¡Feliz Navidad , feliz año 2007 y felices fiestas en compañía de vuestra familia y amigos!!!

Dragones alados y agujeros negros (*)

Los agujeros negros, esas extrañas y poderosas criaturas intuidas por la relatividad general de Einstein, son a esta época y sociedad técnica como los terribles y alados dragones de fuego eran al medioevo. Posiblemente, gozan de las mismas características de seres extraordinarios mitad verdad, mitad mentira, de las que gozaban aquellos dragones míticos. Y sin embargo son reales.

Técnicamente responden a lo que se llama una singularidad del espacio-tiempo, es decir, son lugares en donde la materia, el espacio y el tiempo colapsan. En un agujero negro dejan de tener sentido las leyes físicas tal y como las conocemos. Es un objeto estelar en donde la materia está tan comprimida, es tan densa, como toda la masa de la Tierra apretujada en la cabeza de un alfiler. Por efecto de la atracción gravitatoria que se genera ni los propios rayos de luz son capaces de escapar. En consecuencia vemos una especie de agujero sin luz, al que llamamos “agujero negro”.

El agujero negro es el resultado del último estadio de la vida de ciertas estrellas. A partir de una cierta masa, cuando el combustible nuclear de la estrella se acaba, las reacciones termonucleares no pueden impedir que la fuerza de la gravedad atraiga toda la materia de la estrella hacia el centro de la misma.

En las proximidades del llamado horizonte de sucesos del agujero, el lugar donde la materia, tal como la conocemos, conoce el último estadio antes de ser engullida, la distorsión del espacio y del tiempo es de tal calibre que una nave espacial que se encontrara allí la veríamos como suspendida, quieta, en reposo mientras que los tripulantes de la misma estarían experimentando una caída a gran velocidad hacia el abismo negro. Su tiempo y el nuestro quedan disociados debido al desmesurado efecto de la gravedad en las proximidades del agujero. El espacio queda también terriblemente distorsionado por un efecto brutal de marea: a pequeñas distancias la fuerza de atracción es extremadamente variable, de modo que una barra de hierro se estiraría como un chicle. Allí prolifera la llamada materia exótica capaz de desencadenar una especie de minúsculos túneles en el espacio tiempo que son no menos interesantes que los agujeros negros. Esos túneles son llamados “agujeros de gusano” y son capaces, al menos en teoría, de comunicar dos lugares distantes en el espacio y en el tiempo. Su estabilidad y tamaño vienen determinados por la cantidad de materia exótica que les aportemos y son la respuesta hipotética a los viajes interestelares a galaxias que se encuentren a millones de años-luz de nosotros.

Agujeros negros, agujeros de gusano, túneles en el espacio-tiempo, viajes en el tiempo, distorsión espacial y temporal, todos estos conceptos que parecen sacados de una novela de ciencia ficción, forman parte ya de la ciencia seria que se investiga en la actualidad, y no deja de ser una paradoja que la física, la ciencia más pura y dura, se ocupe de cuestiones, en otro tiempo, esotéricas. La materia a la que nos agarramos como lo más sólido, simple y real que tenemos se está convirtiendo, cada vez más, en algo lleno de misterio y complejidad. La física cuántica y la teoría de la relatividad general nos la presentan como algo siempre en movimiento que se confunde con el propio espacio y tiempo. Conforme tratamos de entender sus propias entrañas se nos aparece como formando una especie de entidad compleja que algún premio Nóbel no ha dudado en llamar: la materia-espacio-tiempo. Las extrañas criaturas que dan nombre a este artículo han contribuido, con la curiosidad que han despertado entre loas físicos, a comprender mejor el mundo que nos rodea. En cierta forma su negra belleza ha arrojado un rayo de luz sobre nuestro conocimiento del universo que nos cobija.

Para saber más:
KIP S. THORNE (1995),”Agujeros negros y tiempo curvo”, ed. Crítica. Barcelona.
ROGER PENROSE(1991),”La nueva mente del emperador”, ed.Grijalbo Mondadori. Barcelona.
GILLES COHEN-TANNOUDJI Y MICHEL SPIRO(1988),”La materia-espacio-tiempo”, Espasa-Universidad.Madrid.
STEPHEN W. HAWKING Y ROGER PENROSE(1994),”Cuestiones cuánticas y cosmológicas”, Alianza Universidad.Madrid.
MICHIO KAKU(1996),”Hiperespacio”,ed.Crítica.Barcelona.

(*)Reedición del post del mismo nombre de 8/01/06.

El humor y la ciencia. Ciencia divertida

El humorismo, como decía el brillante Carlo M. Cipolla en su genial libro “Allegro ma non troppo”, es claramente la capacidad inteligente y sutil de poner de relieve y destacar el aspecto cómico de la realidad. No debe suponer una posición hostil, sino más bien una profunda y a menudo indulgente simpatía humana, y utilizado en la medida justa, es el mejor remedio para disipar tensiones, resolver situaciones y facilitar el trato y las relaciones humanas. De todo esto se deduce que puede ser un buen aliado en la divulgación científica.

Así lo han entendido grandes divulgadores como Isaac Asimov, capaz de escribir de los temas más difíciles como si estuviera tomando un café con el lector, mezclando anécdotas divertidas que le acababan de pasar con extraños fenómenos químicos, físicos o sobre importantes periodos de la Historia o la Biblia. Habla de las cartas que le envían sus lectores, o de un sonado resbalón sobre una placa de hielo en la calle y a partir de ahí empieza a explicarnos las propiedades más extrañas del agua. Hawking, Penrose, Sheldon L. Glashow, Michio Kaku, Feynman , o kip S. Thorne, y otros tantos, en mayor o menor medida también emplean el humor, más o menos fino, para desdramatizar la enseñanza de conceptos, a veces, bastante complicados. Emplean dibujos graciosos e impactantes, versos burlones , formas de hablar arcaicas, anécdotas, cualquier recurso es bueno para conseguir quitar hierro y solemnidad a las explicaciones sobre los
principios fundamentales de la ciencia.











En nuestro país, Jorge Wagensberg es un notable ejemplo del tandem humor- ciencia. Es uno de nuestros grandes científicos, físico, profesor de Teoría de los Procesos Irreversibles en la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona y autor de una extensa obra de difusión científica en un montón de revistas y periódicos, ha dirigido durante muchos años el Museo de la Ciencia de la Fundación la Caixa. Sus artículos siempre son inteligentes, amenos, y destilan fino humor. Hace unos años publicó un libro representativo de lo que trato de explicar: “Ideas para la imaginación impura”. La imaginación impura a la que alude el título lo es porque nace de la mezcla de estímulos, de la promiscuidad de las disciplinas y del fuego cruzado de ideas, todo sazonado con buen humor.


Mientras la física fue más o menos intuitiva – hasta principios del siglo XX- no parecía tan necesario el humor para entenderla. Pero desde el desarrollo de la mecánica cuántica, la teoría de la relatividad y, últimamente, con la teoría de supercuerdas hay que tener buen humor para explicar y lograr entender los intrincados conceptos, normalmente lejos del sentido común. Creo que principalmente debido a ello los físicos cada vez utilizan más el humor para hacerse entender, más incluso que cualquier otro tipo de científicos. Es un buen medio para conseguirlo.




Algunos estudios recientes muestran que los jóvenes cada vez están menos interesados por la ciencia ( sondeo europeo reciente: 67% de jóvenes opinan que las clases de ciencias en el colegio son poco atractivas; 53% poco interesados por la ciencia;43% estima que las carreras científicas tienen poco valor). Utilizan la ciencia a través del móvil, el ordenador, mp3, etc, pero entender los principios que se esconden detrás de todos los artilugios que se utiliza no les suele interesar demasiado.

El cómic (*):

Más que utilizar el cómic como objeto de promoción o de divulgación de las ciencias, se puede usar favorablemente como vector de desarrollo del sentido crítico del niño o del adolescente. Es así como Jean-Philippe Devries, profesor de física, ha creado especialmente en la red, un cuestionario sobre las nociones de fuerza, masa y equilibrio basándose en las ilustraciones de Tintín.

Siguiendo la misma óptica, una edición especial de la revista Science & Vie, titulada “Tintín con los sabios, Hergé entre ciencia y ficción”, dedicó más de 150 páginas al espacio que ocupan la ciencia y los científicos en los numerosos cómics de Tintín.

A veces un solo personaje de cómic es utilizado a lo largo de una revista mensual de ciencias como en Cosinus en ediciones Faton. Este personaje dinamiza la puesta en página y despierta el interés del joven lector. En esta misma revista mensual, un folleto de cómic vuelve a tratar la vida y la obra de Richard Feynman. De esta manera el cómic se utiliza también para transmitir fragmentos de la historia de la ciencia, como hace con la conquista de la Luna la revista mensual Images DOC que edita Bayard Presse Jeune.

Debate:

Divertir enseñando ciencia sin perder el rigor necesario, he ahí la cuestión. Este tema ha abierto un debate que recoge la página de la Real Sociedad Española de Física. A la cuestión he aportado un par de comentarios en el debate.

(*) Revista Mètode de la Universidad de Valencia. Número 41.

La extraña probabilidad cuántica

Albert Einstein, refiriéndose a la mecánica cuántica, sin demasiado entusiasmo: “Estoy convencido de que Dios no juega a los dados”.


Cuando lanzamos al aire una moneda existen dos posibilidades: {que salga cara} o
{ que salga cruz}.Si al primer suceso le asignamos un valor de probabilidad que llamaremos p y al segundo un valor q, ocurre que, en este caso, p = q = 1/2 . Lo que que significa que para un número suficientemente alto de lanzamientos, la mitad de las veces el resultado será cara y la otra mitad será cruz. En un suceso clásico ( no cuántico), como este, los números p y q son, en general, fracciones menores de la unidad. La situación del lanzamiento de una moneda podría describirse mediante una combinación de las dos alternativas: sería : p*{que salga cara} + q*{ que salga cruz}.

En el ámbito cuántico, las cosas obedecen a leyes probabilísticas algo diferentes. Los números p y q dejan de ser fracciones para convertirse en números imaginarios (una parte real b más otra parte imaginaria con raíz cuadrada de –1) y ya no se llaman probabilidades, sino amplitudes de probabilidad, o simplemente amplitudes.


Los sucesos, mientras permanecen en ese estado puramente cuántico, están regidos por las amplitudes de probabilidad que tendrán la forma: z = a + b i ( siendo i la raíz cuadrada de –1).

Para hallar la probabilidad real cuando el suceso pasa al ámbito clásico se debe hallar el módulo al cuadrado de este número complejo, que es el cuadrado de la parte real más el cuadrado de la parte imaginaria:
| z | ² = a² + b² ( se lee módulo al cuadrado de z).

En teoría clásica de probabilidades, cuando queremos representar la situación de lanzar la moneda y la posibilidad de que salga un suceso o el otro, de forma indiferente escribimos: p*{que salga cara} + q*{ que salga cruz}. En este caso, en que la suma de probabilidades da 1, estaremos representando un suceso cierto ( probabilidad máxima = 1).

Si en dos tiradas exigimos que salga cara en la primera y cruz en la segunda, la representación sería:[ p*{que salga cara}] * [q*{ que salga cruz}]. La conjunción disyuntiva “o” , digamos que, se convierte en una suma, mientras que la “y” se convierte en un producto.

En el caso de las amplitudes ocurre lo mismo, pero mientras las probabilidades normales se suman de forma natural, como dos simples números fraccionarios, en las amplitudes de probabilidad la suma es vectorial, como en las fuerzas, tal como se explica en la figura.

( pinchar en la figura para verla mejor)

Ahora podemos entender más fácilmente lo que ocurre en el experimento de las dos rendijas, cuando observamos las figuras de interferencia que producen los electrones al pasar por ellas. Estas figuras obedecen a esta forma de sumarse y restarse las amplitudes de probabilidad cuánticas que afectan, en este caso, a los electrones.

En nuestro mundo cotidiano, macroscópico, las probabilidades ofrecen un abanico mucho más pobre que el presentan las amplitudes de probabilidad cuántica. Una vez más los números imaginarios nos ofrecen un poco más de luz para entender el extraño y poco intuitivo mundo cuántico.