Por Diego Vidal
@vidaleando
Hace más de cien años, Einstein presentó su Teoría general de la Relatividad, la cual es una teoría del espacio-tiempo donde se postula que su naturaleza es dinámica. Ayer por fin se detectó una de las predicciones más elusivas de dicha teoría, con lo cual no sólo se confirma que la humanidad está en el camino correcto (al menos en ciencia) sino que se abre la puerta a mucha investigación y desarrollo.
¿Qué es el espacio-tiempo?
Toma una piedra y lánzala, verás que su posición cambió, es decir cambió su situación espacial; el lapso que tomó dicho desplazamiento tuvo lugar en el tiempo. Ahora bien, quita la piedra, el aire, la tierra, la luz y cualquier tipo de energía, piensa sólo en el vacío.
Resulta que no está tan vacío, siguen estando el espacio y el tiempo; uno pensaría que como están quietos los podemos ignorar, pero de hecho no están quietos, son dinámicos.
Por otra parte, si los separas no tienen sentido, la teoría de Einstein nos invita a pensar que el espacio y el tiempo están unidos en una misma unidad conceptual: el espacio-tiempo. A nosotros nos cuesta trabajo ver esta dupla fundamental ya que el hecho sólo es obvio a velocidades cercanas a la de la luz, pero es en éste momento donde te debes desnudar de todo antropocentrismo, ya que una gran parte del universo viaja a estas velocidades.
¿Cuál es la dinámica del espacio-tiempo?
En ausencia de energía o masas (que son lo mismo en esta teoría), es plano; en presencia de alguna de las dos, se curva y este efecto lo sentimos como gravedad, es decir, nosotros al tratar de seguir la trayectoria más recta en un espacio-tiempo curvo es lo que explica porque gravitamos.
La gravedad se codifica como curvatura, y ésta es la primera expresión dinámica ya que se ha deformado el espacio-tiempo, esto nos lleva a uno de los descubrimientos más bellos de la raza humana: geometría es igual física.
¿Las ondas gravitacionales son una expresión dinámica?
A lo largo de los años los físicos han estudiado una variedad inmensa de sistemas y muchos de ellos exhiben un comportamiento ondulatorio cuando se toman desde una perspectiva colectiva. Si tomas varias moléculas de agua y las pones en un contenedor, los estímulos se transmitirán como una onda; las ondas electromagnéticas son perturbaciones locales del campo electromagnético que se propagan (muy parecido a las de agua de hecho). Por ende era de esperar que el espacio-tiempo pudiera tener un comportamiento ondulatorio, pero el hecho no fue obvio hasta que se asumieron ciertas condiciones en las ecuaciones de Einstein y ahí quedó más que claro: la teoría predice que debe haber ondas gravitacionales.
¿Entonces las ondas gravitacionales son como las de radio, o las de sonido?
Como siempre en física: si pero no. Una onda es una conceptualización de cómo se transmite una perturbación en un sistema colectivo, al decir colectivo entendemos que hay correlación entre el punto que estoy parado y otro a una cierta distancia. Ahora bien, una onda en general tiene amplitud –si es sonido: volumen, pero en general está ligado a la potencia–, frecuencia –en sonido: tono, en general está ligado a la energía– y una velocidad, la cual en sonido depende de las condiciones atmosféricas, y en general depende del medio.
Ahora, el sonido es una onda de compresión, el aire se comprime y dilata en patrones ondulatorios (como en un resorte slinky), es por ello que en el vacío no puede existir y en un medio denso viaja más rápido. Las ondas electromagnéticas, que abarcan desde radio pasando por luz visible y llegando a rayos gamma, son oscilaciones del campo electromagnético, que se pueden imaginar como una gelatina que está presente por doquier (incluso en el vacío) y que es perturbada por objetos con carga, creando así la onda. Las ondas gravitacionales son oscilaciones del espacio-tiempo, que también se puede imaginar como una gelatina, pero una fundamental, es decir, una gelatina donde están montadas otras gelatinas como el campo electromagnético; el espacio-tiempo es perturbado por objetos con masa o energía creando así la onda gravitacional.
Por otra parte, hubo gran confusión ya que en el evento dijeron que las detectaron por sonido, pero esto es incorrecto. Simplemente hicieron una analogía, moviendo completamente la frecuencia.
¡Quiero hacer ondas gravitacionales! ¿Cómo le hago?
Simple: aplaude. Para entender porque está bien esto retomemos la analogía anterior. En el caso del sonido, el modo más sencillo de generarlo es hacer oscilar una membrana que a su vez hará oscilar el aire en compresiones y dilataciones de él mismo, las cuales llegarán a nuestros oídos y harán oscilar nuestros tímpanos, etcétera. En el caso de las ondas electromagnéticas, basta con que tenga una carga puntual y la ponga a oscilar para que perturbe el campo electromagnético alrededor de ella y esto genere las ondas; la radio es una antena que pone a oscilar un montón de electrones en la antena emisora, los cuáles a su vez ponen a oscilar al campo el cual transmite las oscilaciones por medio de ondas, al llegar a la antena receptora las ondas ponen a oscilar a los electrones de la antena y listo.
En el caso de las ondas gravitacionales no basta con una partícula con masa oscilando para generarlas, una solución capitalista sería decir–¿Bueno, que tal con dos?– desgraciadamente esto tampoco resuelve el problema. El arreglo que oscile necesita generar un área –a nivel técnico: momento cuadrupolar– para poder general la onda, por suerte sus manos tienen área y tienen masa; con la masa basta para curvar el espacio-tiempo y con que aplaudan generan la oscilación. Chido.
¿Y cómo las detecto?
He ahí el gran problema, y es por eso que la predicción estuvo casi 100 años en la torre de marfil de las cosas que estarían chidas pero que no se han visto. La potencia de una onda gravitacional en caso de que si hayan aplaudido es de 10^(-66) Watts (lo cual es dividir 1 entre 10 seguido de 65 ceros), incluso si todo el mundo le aplaude al Papa entonces esto sería de 10^(-59) Watts, si esto lo comparamos son el sub-woofer que se va a usar en los perreos eclesiásticos –500 Watts– sería una potencia 10^61 veces más grande, lo cual es un 1 seguido de 61 ceros. De nuevo, esto no implica que las ondas gravitacionales sean ondas de sonido, sólo era una comparación de potencia, podríamos haberlas comparado con las de radio. Al ser tan tenues casi ni se perciben, si tuviera un anillo de masas chiquitas, la onda las movería casi nada; es por eso que se debe usar una técnica para medidas de muy altas precisión llamada interferometría, la cual en éste caso indujo a crear un dispositivo con brazos de cuatro kilómetros, LISA. En caso de que éste hubiera fallado, la siguiente apuesta era LIGO, un sistema de tres satélites separados por cientos de kilómetros disparándose un láser entre ellos. Si el lector lo desea luego puedo hacer un escrito describiendo a detalle estos experimentos.
¿Por qué es importante el descubrimiento?
La teoría de la relatividad general tiene cinco predicciones, ahora todas han sido probadas experimentalmente. Además, dado que la onda gravitacional viaja a la velocidad de la luz y esto se midió, se descartan todas las teorías de gravedad masiva. Por otra parte, esto inicia el campo de la astronomía gravitacional, es decir astronomía sin medios ópticos, viendo al fenómeno por la señal más pura que vamos a poder obtener. Finalmente, sabemos que en el Big Bang se crearon ondas gravitacionales primordiales –complicadísimas de ver– con este descubrimiento se van a poder calibrar nuestros instrumentos para verlas y por fin entender que sucedió en el origen de este universo y tener uno de los primeros pasos en tener una teoría cuántica del espacio-tiempo, un problema que no se ha resuelto en 80 años.
¿Por qué es relevante el descubrimiento?
Si cuando Maxwell y Hertz descubrieron las ondas electromagnéticas les hubieran hecho esta misma pregunta, probablemente hubieran respondido lo que responderé yo: la belleza de la naturaleza está contenida en un plano diferente al pragmatismo. Es decir, no tenían ni idea de que se podía hacer; pero unos cuántos años después la revolución de las telecomunicaciones se gestó a partir del descubrimiento de estas ondas.