Trinoceronte

Porque 140 caracteres a veces no son suficientes

Las Ondas de Dios

Grande fue el alivio que todos en el mundo de la física sentimos cuando en 2012 se descubrió por fin el bosón de Higgs.  Concluían así 40 años “creyendo” en la existencia de algo que no tenía otra opción de existir, pero que nadie había visto hasta ese momento.  Lo que casi nadie ha mencionado hasta ahora es que la física tiene por ahí otro “guardado”, uno quizás más fundamental que la “condenada partícula” y que esta a punto de completar casi 100 años escapando a los esfuerzos más infructuosos de detección directa: las Ondas Gravitacionales.  Propongo aquí que a partir de ahora llamemos a las ondas gravitacionales, “las ondas de dios” y que con ellas substituyamos el nicho en el imaginario público dejado por el Mítico Bosón.

“Las ondas gravitacionales son como el bosón de Higgs: es obvio que existen pero hasta que detectemos una no dormiremos”tranquilos”
Enero 25 de 2014
http://bit.ly/trino-ondas-gravitacionales

Una representación gráfica de una onda gravitacional producida por el choque de dos estrellas de neutrones.  Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

Una representación gráfica de una onda gravitacional producida por el choque de dos estrellas de neutrones.
Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

El 4 de Julio de 2012 terminó, dejando tras de sí un poco de nostalgia, una de las búsquedas más prolongadas de la ciencia moderna: la búsqueda del Bosón de Higgs.  Apodada por el físico León Lederman, “The Goddamn Particle” (en inglés, La Maldita Partícula), o simplemente “The God Particle” (la partícula de dios) como la rebautizaría su ambicioso editor, el Bosón de Higgs es apenas uno de pocos casos notables en la historia de la Ciencia contemporánea de algo sobre cuya existencia se sabe a “ciencia cierta” pero del que no existen evidencias directas concluyentes.  En el caso del “condenado bosón” y solo hasta 2012, no se había detectado en el laboratorio ni un solo ejemplar de la partícula.  Según el modelo estándar de las partículas elementales y las fuerzas fundamentales (que va ya para la medio bicoca de 50 años de ser inventado), el Bosón de Higgs existe “virtualmente” en cada rincón del Universo y actúa como una “melaza cuántica” que hace que la mayoría de las partículas elementales se muevan a velocidades menores que las de la luz (algo que los físicos llamamos cariñosamente, tener masa).  Siendo su lugar en el Universo tan importante, sorprendía a la mayoría que solo supiéramos de su existencia por una construcción mental humana, una teoría, muy exitosa por cierto.

Hay otra “construcción mental” con casi un 100% de ser verdadera pero de la cuál no tenemos todavía ningún rastro: las Ondas Gravitacionales.

Pero cuando digo aquí que las Ondas Gravitacionales, predichas por Einstein prácticamente al “otro día” de publicar en 1915 su obra cumbre, la Teoría General de la Relatividad, hacen parte de ese selecto grupo de “objetos perdidos” de la física, no quiero que las confundan con otros “ilustres desaparecidos” tales como la materia oscura, la energía oscura e incluso los agujeros negros.  El misterio de las que propongo llamar a partir de ahora “las ondas de dios” (y no siento con ello ningún remordimiento por demostrar mis propias ambiciones económicas) no se compara con el de la existencia de la Materia Oscura (que si bien es la mejor explicación para un montón de irregularidades  en el Universo no es producto de predicciones en una teoría fundamental y algunos físicos teóricos todavía creen que podía tratarse de un malentendido con los datos e incluso de la aplicación incorrecta de la teoría de la gravedad).  Ni que decir del caso de la Energía Oscura.

La existencia de las “ondas de dios” no solo ha sido predicha claramente por la que es considerada una de las teorías más bellas y precisas jamás creadas (la Teoría General de la Relatividad) lo que nos permite confiar casi ciegamente en que existen, de la misma manera que sabíamos que el Higgs aparecería, sino que cierta evidencia indirecta, galardonada incluso con un Premio Nobel de Física, da fé de que estas “ondas divinas” andan por ahí.  ¿Pero dónde?

¿Qué son las “ondas de dios” y por qué casi 100 años después de ser predichas no hemos podido dar con ellas?

Aunque una búsqueda en Google de “Ondas Gravitacionales” (o Gravitational Waves en inglés) probablemente les devuelva miles de sitios en Internet con completas explicaciones y gráficos fantásticos (como el que incluyo al principio) les pido me permitan presentar aquí mi propia versión de los hechos.

El aporte más importante de Einstein a la historia de la física no fue, como se cree, el descubrimiento de que si nos montamos en una nave espacial el tiempo parece transcurrir más lentamente (lo que en realidad no es del todo preciso) o de que en fenómenos donde ocurren cambios profundos en la materia se pueden liberar enormes cantidades de energía (la base de las bombas atómicas). No. El aporte más importante de Einstein y su poderosa intuición fue descubrir que lo que por mucho tiempo fueron consideradas simples “propiedades” de los cuerpos y los fenómenos en la naturaleza, a saber su tamaño o duración, en realidad eran la manifestación tangible de una parte invisible pero muy real del Universo: el Espacio-Tiempo.

Comparado por muchos con una tela o un fluído, el Espacio-Tiempo en realidad tiene una composición única: no hay nada con lo que podamos hacer una analogía perfecta sobre su composición y estructura.  Es común, por ejemplo, comparar al espacio-tiempo con una tela que se deforma o con un globo que se infla.  Sin embargo, al hacerlo, siempre surgirá la pregunta de que hay debajo del espacio-tiempo (así como hay un debajo de la tela) o dentro de él (como hay un dentro del globo).  No faltará, incluso, quien pregunte también de qué sustancia esta hecho el espacio-tiempo al imaginarse que como la tela o el globo esta debe ser seguramente una sustancia elástica.  Estas preguntas no tienén sentido ni respuesta alguna y son producto de una analogía imperfecta que deberíamos utilizar con menos frecuencia.

El Espacio-Tiempo es una parte más del mundo, esta hecho literalmente de espacio y tiempo y de nada más.  Junto con todas las formas de materia conocidas forman aquello que conocemos como el Universo.

Esta componente fundamental del Universo tiene propiedades fascinantes.  La materia y su energía ejercen sobre él una fuerza que hemos llamado por tiempos inmemoriales “gravedad”.  Pero ¿qué tiene que ver la gravedad con esa supuesta “fuerza” de la materia sobre el espacio-tiempo?  Como mencionamos antes la longitud y la duración de los fenómenos de la materia (y con ellas también las distancias, velocidades y aceleraciones) son manifestaciones, exteriorizaciones de la estructura del espacio-tiempo mismo.  Un espacio-tiempo alterado producirá signos visibles sobre el la posición, el tiempo y el movimiento de los cuerpos que interactúan con él.  Así por ejemplo, la Tierra cambia el espacio-tiempo a su alrededor y este cambio termina por determinar la velocidad y distancias recorridas por los satélites artificiales.   La consecuencia visible de este romance entre la materia y el espacio-tiempo es la tendencia aparente que tienen todas las cosas a juntarse, atraerse.  Dicha tendencia, sin embargo, no es producto de una fuerza real, sino de la apariencia que tiene esa relación tormentosa entre materia y espacio-tiempo.

Pero hay otra propiedad curiosa del Espacio-Tiempo.  Cuando se deforma por la presencia de materia y en especial cuando hay implicadas cantidades muy grandes de ella, el Espacio-Tiempo hala de sí mismo tratando de recomponer el estado imperturbado original.  Una analogía (que hay que tomarse nuevamente con cuidado) es la de una cuerda tensa y recta; cuando se hala una parte de la cuerda hacia arriba, la tensión del resto de la cuerda tiende a llevarla a la situación en la que estaba antes.  Dadas las condiciones apropiadas esa tendencia a volver a la normalidad, tanto en la cuerda, como en el espacio-tiempo, da lugar a un fenómeno fascinante que conocemos como una onda.  En la cuerda, por ejemplo, la parte no molestada, que es precisamente la que ejerce esa fuerza restauradora, siente como reacción una fuerza que hace que ella misma se perturbe.  Así, lo que empieza por una molestia en un extremo de la cuerda termina molestando otras partes en una sucesión temporal que termina dando la impresión de que algo se mueve.   En este caso, en realidad, lo único que se mueve en la cuerda es la “molestia”, “la perturbación”.  Pues bien, con el espacio-tiempo, pasa lo mismo.

Si se perturba con suficiente intensidad una parte del espacio-tiempo (por ejemplo haciendo que la cantidad de materia en un punto aumente debido a un choque entre dos estrellas), el espacio-tiempo vecino al fenómeno y aparentemente no perturbado, terminará sintiendo la molestia; la porción vecina a este último hará lo suyo y así sucesivamente.  Al final una perturbación, un “chisme”, saldrá “viajando” a una velocidad igual a la de la luz (300,000 km/s) alejándose del lugar del choque.

Nada de lo que acabo de decir (al menos puesto en palabras más técnicas) esta en duda en el momento en el que escribo esta entrada del blog.  Nada de esto surge de una interpretación particular de la teoría o ha sido apenas sugerido por observaciones.  No.  La existencia de las ondas gravitacionales es tan cierta como la Teoría General de la Relatividad misma.  Más allá de eso, si las matemáticas en las que se soporta la teoría y el resto de la física ondulatoria (que lleva ya entre nosotros casi 400 años)  se aceptan como verdaderas, entonces no hay duda que las ondas de dios están entre nosotros.

Pero ¿dónde? Nadie, hasta ahora en la historia, ha detectado la primera onda gravitacional: ¡Malditas Ondas! (Goddamn Waves!)

¿Cómo detectarlas? He ahí el quid del asunto.  Incluso si en este momento pasará por su cuerpo o por la pantalla en la que esta leyendo esta entrada, una onda gravitacional millones de veces más intensa que las que se espera existan naturalmente en el universo, no habría casi ninguna manera que la detectaras.  A duras penas percibimos como evidente la deformación permanente del espacio-tiempo alrededor de la Tierra como para que podamos percibir una perturbación diminuta que pasa a la velocidad de la luz a través nuestro.

Desde los años 80s se han intentado construir trampas para las “ondas de dios” que si bien parecerían estar diseñadas correctamente, no han entregado la primera señal inequívoca de la llegada de una de estas olas.  Hay esencialmente dos tipos de lo que podríamos llamar “orejas gravitacionales”.  En el primero tipo el paso de una onda a través de un enorme cilindro metálico o de una esfera enfriada, hace vibrar al pesado cuerpo con una frecuencia muy cercana a su frecuencia de vibración natural.  Como resultado y de la misma manera que una cantante lírica puede quebrar solo con su voz copas de cristal rígido, el paso de la onda gravitacional deja vibrando cuál campana al detector.  Las vibraciones resultantes son perceptibles después por instrumentos corrientes.  El diseño se basa en principios similares a aquellos que nos permiten saber que esta pasando un avión muy lejano cuando vemos los vidrios de nuestras ventanas temblar descontroladamente aún con un sonido casi imperceptible.  Al fenómeno se lo llama resonancia.

En el segundo diseño, mucho más sofisticado y delicado, se envían dos rayos láseres a lo largo de tubos vacíos dispuestos perpendicularmente uno de otro.  Los rayos rebotan en el extremo de los tubos y regresan a un detector situado muy cerca de donde fueron emitidos.  En condiciones normales si los dos tubos miden exactamente lo mismo (lo que debe garantizarse con una precisión menor que ¡la diez milésima parte del ancho de un protón!) los rayos deberían llegar en sincronía al lugar en el que fueron emitidos.  Sin embargo al paso de una onda gravitacional (aún de una muy débil), la longitud de uno de los lados (que como dijimos antes es la manifestación tangible del espacio-tiempo) se haría sutilmente distinta de la del otro lado.  Con ello los rayos de luz en los tubos llegarían a destiempo a la meta produciendo un fenómeno conocido como interferencia.  La medida de la intensidad de la interferencia y su cambio en el tiempo nos daría información de la frecuencia e intensidad de la onda gravitacional.

Del primer modelo se construyeron un par de “poncheras gravitacionales” en los 80s y 90s.  El resultado de la operación de estos instrumentos fue completamente nulo.  Ni una sola onda gravitacional “toco la campana”.  Del segundo modelo esta en operación todavía un enorme detector, el LIGO (por Laser Interferomer Gravitational Wave Observatory) cuyos “tubos” perpendiculares miden 3 km de longitud lo que convierte a LIGO “telescopio” monolítico más grande del mundo.  El número de ondas gravitacionales detectadas por LIGO también es nulo, con excepción de unos cuantos falsos positivos y de un ruidillo de fondo que todavía no logra desprenderse identificarse conclusivamente.  Tal vez nos ha faltado empeño o ninguno de los detectores construído a la fecha tenga la sensibilidad adecuada.  Se sabe por ejemplo que en el caso de detectores como LIGO entre más largo sean los brazos del detector más sensibilidad tendrá.  Pero la Tierra es esférica y no permite fácilmente poner en su superficie túneles rectos de por ejemplo centenares o miles de kilómetros de longitud.  LISA (por Laser Interferometer Space Antena) es un concepto de telescopio de ondas gravitacionales que se construiría en el espacio y que utilizaría como tubos, el vacío mismo entre los planetas.  La longitud de los brazos en LISA sería de millones de kilómetros aumentando muchísimo la sensibilidad y el rango de fuentes que podríamos detectar.  Con LISA podríamos “escuchar” el choque de dos agujeros negros super masivos al otro lado del Universo.

Disminución del período orbital del Pulsar Binario PSR B1913+16.  Los puntos son las observaciones.  La línea es lo esperado asumiendo que las Ondas Gravitacionales existan

Disminución del período orbital del Pulsar Binario PSR B1913+16. Los puntos son las observaciones. La línea es lo esperado asumiendo que las Ondas Gravitacionales existan

Pero como todo en la Ciencia, con el caso de las Ondas Gravitacionales hay siempre una posibilidad: que no existan y que por lo tanto la Teoría de la Relatividad General este equivocada.  Si bien es cierto que la Relatividad, como cualquier teoría, es apenas un “campamento” en nuestro difícil camino hacia la “cima” de las cumbres del entendimiento exacto del funcionamiento del universo, sus predicciones cuantitativas han recibido confirmación experimental y observacional con una precisión sin precedentes en la ciencia.  Mejor aún. Existe un sistema astronómico cuyo funcionamiento puede explicarse con absoluta precisión usando la Relatividad General y asumiendo que es una “linterna” permanente de ondas gravitacionales.  Se trata del pulsar binario PSR B1913+16 (no, nadie ha encontrado una manera más romántica de llamar a este importante sistema astronómico).  En el sistema, dos estrella muy compactas (estrellas de neutrones o como me gusta llamarlas a mí “estrellas sin vacío”) orbitan una alrededor de la otra en un tiempo extremadamente corto para los estándares astronómicos (cerca de 8 horas).  Si no existieran las ondas gravitacionales (es decir si la Relatividad General estuviera equivocada) la órbita de estos dos cuerpos se mantendría siempre del mismo tamaño.  Esto gracias a la denominada conservación de la energía.  Pero lo que se observa es otra cosa (ver figura): los cuerpos en el sistema se están aproximando uno a otro a un ritmo medido con precisión (entre 1990 y 2000 el período orbital perdio casi 20 segundos).  ¿La razón? La gravedad de estos objetos compactos es muy intensa y las características particulares de sus movimientos hacen que desde el espacio-tiempo vecino a ellos se creen y propaguen hacia afuera ondas gravitacionales.  De la misma manera que las ondas de radio que emite un celular van agotando su batería, las ondas de dios que producen las estrellas en este sistema van agotando la energía orbital y como consecuencia producen una disminución en el período y un acercamiento entre ellas.

El descubrimiento de este pulsar y la manera como el estudio detallado de su movimiento ha ayudado a confirmar indirectamente la existencia de las Ondas Gravitacionales y por ende de la exactitud de la Relatividad General hizo que Russel Hulse y Joseph Taylor recibieran en 1993 el Premio Nobel de Física.  Entonces.  Si el comité del Nobel les otorgo a estos físicos un premio de este prestigio por comprobar indirectamente la existencia de un fantasma que ha vivido entre nosotros por 100 años es definitivamente porque la comunidad científica confia en la existencia de las ondas gravitacionales.

Entonces.  No hay duda que con el asunto de las ondas gravitacionales estamos ante un caso similar al del Bosón de Higgs.  El día de mañana cuando descubramos estas “condenadas ondas” haremos un gran alboroto mediático como el que hicimos con el “condenado bosón”.  Sin embargo y como también paso con el Higgs, seguirá siendo muy extraño que cuando en el futuro (ojalá no muy lejano) le pregunten a cualquier físico qué piensa del descubrimiento de las “ondas de dios”, este comience diciendo: “en realidad sabíamos que existían hace 100 años”.

P.S. Como la propuesta de llamarlas “Ondas de Dios” va a caer mal en algunos ámbitos y seguramente va a crear algunas confusiones, como las creadas también con el término de “Partícula de Dios”, me adelanto desde ya al debate.  En realidad el nombre en este caso podría ser más preciso de lo esperado.  En el caso de detectar exitosamente estas ondas y si se desarrollara en los próximos siglos una Astronomía avanzada sobre la base de su observación sistemática, las ondas gravitacionales podrían proveernos imágenes directas de lo ocurrido en los primeros instantes de la creación. que es, vale la pena mencionar, el único lugar al que la física, las astronomía y la cosmología contemporánea parece haber acorralado a los dioses de algunos creyentes modernos.  Es decir estas ondas nos permitirían ver por fin “la cara” del mismísimo creador.  Tal vez nos espere una terrible decepción, pero con esto no veo inconveniente en afirmar que el nombre “Ondas de Dios” les sienta bastante bien.

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2 pensamientos en “Las Ondas de Dios

  1. Profe, un par de preguntas de un lego:

    Para los fenómenos astronómicos que producen ondas gravitacionales como el del Pulsar que menciona, ¿cuál es la longitud de onda habitual de este fenómeno? ¿Son longitudes de onda de la escala de los detectores (3km)?

    ¿Podría hablarse de interferencia constructiva/destructiva de ondas gravitacionales? ¿y haber singularidades creadas exclusivamente por ondas gravitacionales que se refuerzan?

    Perdón por la preguntadera. 😛

    • Gracias Juan D. por la pregunta. ¡En realidad estas son excelentes preguntas y ayudan a complementar la entrada!

      Las ondas gravitacionales no son como ninguna de las ondas que conocemos. Mientras que la frecuencias de las ondas electromagnéticas son de centenares de miles de Hertz, esto porque son producidas en fenómenos microscópicos, las ondas gravitacionales tienen frecuencias de a los sumo centenares de Hertz. Viajando a la velocidad de la luz una onda con 1,000 Hz de frecuencia tendría una longitud de onda de 300,000 km/s / 1,000 Hz = ¡300 km! En el caso por ejemplo del pulsar binario la longitud de onda de la radiación gravitacional podría ser de ¡1,000 millones de km! Más increíble aún es el caso del fondo cósmico de ondas gravitacionales. Las ondas en ese caso tendrían longitudes de onda del orden de los 1,000 millones de años luz.

      Con ondas tan largas la posibilidad de hacer “óptica gravitacional”, construir un “reflector” o una “lente”, es realmente muy lejana.

      La interferencia de ondas gravitacionales es posible pero las amplitudes de las mismas son tan pequeñas que esta descartado que puedan en realidad crear algún efecto notable.

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