OPINI脫N de Hubert Krivin茅.- La comprobaci贸n emp铆rica, hace unos d铆as, de la existencia de ondas gravitacionales gracias al experimento del LIGO/1 (EE UU) es sin duda una proeza t茅cnica incre铆ble, pero antes que nada es un acontecimiento cient铆fico importante por dos razones: 1) confirma la teor铆a de la relatividad general, y 2) abre una v铆a totalmente nueva de exploraci贸n del Universo. Este art铆culo pretende situar en perspectiva este descubrimiento-
El anteojo de Galileo
Desde la noche de los tiempos, pastores, marinos, astr贸logos, sacerdotes, astr贸nomos y sabios escrutan los cielos. Al principio lo hac铆an con los medios disponibles: observando a simple vista las luces provenientes de los astros. Despu茅s, en el Renacimiento, Galileo Galilei tuvo la idea de ampliar esa luz con ayuda del anteojo de los holandeses. Descubri贸 las monta帽as de la Luna, los sat茅lites de J煤piter, las manchas solares y sobre todo la confirmaci贸n del modelo de Cop茅rnico, que afirmaba el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Todo esto, que chocaba frontalmente con la doctrina de la Iglesia, cambiar铆a radicalmente nuestra visi贸n del mundo en el plano cient铆fico, pero no solo en este, sino tambi茅n en el plano social.
Las ondas de radio
Pero ¿qu茅 era esa luz portadora de informaci贸n sobre el Universo? Hubo que esperar a los trabajos de James Clerk Maxwell, en la segunda mitad del siglo XIX, para tener una idea m谩s precisa. En sus c茅lebres ecuaciones, este f铆sico y matem谩tico demostr贸 la relaci贸n entre la electricidad y el magnetismo, que hasta entonces se consideraban fen贸menos separados. Demostr贸 que las cargas el茅ctricas en movimiento generan una onda –llamada onda electromagn茅tica– que se propaga por todo el espacio. La luz visible no es m谩s que un caso particular de esta onda, caracterizada por su longitud de onda, de 0,4 (para el rojo) a 0,7 micras (para el violeta). En otras longitudes, esta onda existe pero no es visible, como por ejemplo la luz infrarroja (IR) o la ultravioleta (UV). Con una longitud de onda m谩s peque帽a que la luz IR se hallan los rayos X y luego los rayos gamma; y con una longitud de onda m谩s grande que la luz IR tenemos las ondas de radio.
Maxwell ignoraba todo esto, pues no hizo m谩s que escribir una teor铆a que preve铆a esta onda. Treinta a帽os m谩s tarde, Heinrich Rudolf Hertz demostr贸 su existencia mediante un experimento que transmisi贸n sin hilos. Imposible, una vez m谩s, minimizar las profundas implicaciones sociales de este descubrimiento (imaginemos una sociedad sin internet, televisi贸n o tel茅fono m贸vil). Y una vez m谩s, en el terreno cient铆fico, la observaci贸n del cielo fuera del espectro de luz visible (UV e IR) abrir铆a nuevos horizontes.
Los neutrinos
Los neutrinos son part铆culas elementales neutras, postuladas en 1930 por Wolfgang Pauli para explicar la conservaci贸n de la energ铆a en la desintegraci贸n beta y cuya existencia se demostr贸 experimentalmente 26 a帽os despu茅s. Interact煤an muy poco con la materia y, aunque son dif铆ciles de detectar, pueden vehiculizar informaci贸n procedente de regiones alejadas y densas del Universo que la observaci贸n 贸ptica no permite obtener. Se habla de “telescopios de neutrinos”.
Las ondas gravitacionales
En 1917, Albert Einstein acab贸 de formular su teor铆a de la relatividad general. Al igual que las ecuaciones de Maxwell, esta teor铆a preve铆a una onda que se propaga en el vac铆o a la velocidad de la luz (300 000 kil贸metros/segundo). En Maxwell, esta onda era generada por el desplazamiento de cualquier carga el茅ctrica, mientras que ahora se trata de una onda de naturaleza muy distinta, ya que la genera el movimiento acelerado de cualquier masa. Suele decirse que el paso de esta onda “deforma el espacio-tiempo”, cosa que hemos de reconocer que resulta poco clara para los no iniciados. La idea es que el espacio-tiempo se “deforma” con la presencia de masas. Hacen falta masas muy grandes para que este efecto sea detectable, de lo contrario ya lo habr铆amos percibido antes. Esta deformaci贸n significa en la pr谩ctica que en la proximidad del Sol, por ejemplo, los rayos luminosos se curvan/2. Es m谩s: cuando las masas est谩n aceleradas, se genera una “onda gravitacional”. Mientras que las ondas electromagn茅ticas de Maxwell se detectaban por la aparici贸n de una corriente el茅ctrica en una antena, el paso de la onda gravitacional puede detectarse porque modifica las dimensiones de los objetos que atraviesa. El problema es que esta alteraci贸n es tan peque帽a (v茅ase m谩s adelante) que Einstein ten铆a muchas dudas sobre las posibilidades de verificarla experimentalmente. Tienen que producirse movimientos extremadamente r谩pidos de masas enormes y se necesitan detectores sumamente sensibles.
Una buena indicaci贸n de la existencia de ondas gravitacionales se obtuvo ya en 1974 con el decaimiento del periodo orbital de un p煤lsar binario (una estrella que orbita alrededor de una estrella de neutrones). Esta disminuci贸n de la 贸rbita implica una p茅rdida de energ铆a y, puesto que esta 煤ltima ha de conservarse, ten铆a que reaparecer en la energ铆a de una onda gravitatoria emitida. La observaci贸n de la disminuci贸n de la 贸rbita coincidi贸 con las previsiones te贸ricas, pero no era una prueba directa: despu茅s de todo, hab铆a otras teor铆as que pod铆an explicar el fen贸meno/3.
Podemos decir razonablemente que los resultados del reciente experimento del LIGO en EE UU constituyen una prueba directa de la existencia de las ondas gravitacionales: el 14 de septiembre de 2015 a las 11:51 horas se detect贸 la oscilaci贸n, durante una fracci贸n de segundo, de dos distancias situadas a varios miles de kil贸metros exactamente de acuerdo con las previsiones te贸ricas que describen la coalescencia (la colisi贸n) de dos agujeros negros. Estas distancias consist铆an en los brazos de 3 km de longitud de un interfer贸metro l谩ser. La p茅rdida de materia a causa de la colisi贸n, equivalente al triple de la masa del Sol, aport贸 la energ铆a de la onda gravitacional. Dicho sea de paso, tambi茅n es la prueba m谩s directa de la existencia de agujeros negros.
Un milagro t茅cnico
Para poder “ver” una onda gravitacional es preciso que intervengan dos masas enormes (por lo menos de decenas de veces la masa del Sol) a velocidades enormes (una fracci贸n de la velocidad de la luz). Esto solo puede darse en la naturaleza, pero adem谩s hay que tener la posibilidad de medir variaciones relativas de longitud infinitesimales, del orden de 10 elevado a –20, es decir, una milmillon茅sima del grosor de un cabello sobre la distancia que media entre Par铆s y Nueva York. Adem谩s, hace falta crear un vac铆o equivalente a 1 millon茅sima de la presi贸n atmosf茅rica en 7 000 metros c煤bicos. Sin hablar ya del instrumental, que debe ser insensible a las vibraciones generadas por las olas de un oc茅ano, aunque lejano, o de una ba帽era que se vac铆a en los alrededores. Gracias a todo ello y a unos cuantos miles de millones de d贸lares sabemos ahora que el Universo conoci贸 un cataclismo en alg煤n lugar situado m谩s all谩 de la galaxia enana de la Gran Nube de Magallanes hace unos 1 300 millones de a帽os.
¿Y ahora qu茅?
La misma pregunta se plante贸 con respecto al descubrimiento del bos贸n de Higgs. Entonces respondimos que nunca ha habido un avance decisivo del conocimiento que no haya venido seguido, pronto o tarde, y de forma no predecible, de implicaciones pr谩cticas. Se trata en este caso de una confirmaci贸n contundente de la teor铆a de la relatividad general en un momento en que los misterios de la materia y la energ铆a oscuras justificaban una relectura cr铆tica de la misma. Se trata, finalmente, de una nueva sonda de las profundidades del Universo cuyos frutos no tardar谩n en llegar.
P.D. Una lecci贸n de esta narraci贸n es tambi茅n la famosa “irrazonable eficacia de las matem谩ticas”, seg煤n expresi贸n de Eug猫ne Wigner/4. En efecto, las ondas electromagn茅ticas se descubrieron primero sobre el papel, al igual que los neutrinos y tambi茅n las ondas gravitacionales. Pero este es otro tema.
Notas:
1/ LIGO es la sigla de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de ondas gravitacionales por interferometr铆a l谩ser).
2/ Los agujeros negros son astros tan masivos (de cuatro a millones de veces la masa del Sol) que la luz queda tan curvada que no puede escapar. Conjeturados en la teor铆a de la relatividad general, solo son visibles por sus efectos en otros cuerpos.
3/ Los f铆sicos recuerdan con amargura que durante mucho tiempo creyeron que el 茅ter era un medio que deb铆a existir para explicar la propagaci贸n de la luz (del mismo modo que el aire para la propagaci贸n del sonido). Claro que todos los intentos de hallarlo fracasaron: el 茅ter no existe; este fue, por cierto, uno de los resultados de la teor铆a de la relatividad especial, formulada por Einstein en 1905.
4/ Eug猫ne Wigner (1902-1995) era un f铆sico h煤ngaro nacionalizado estadounidense. Premio Nobel.
El anteojo de Galileo
Desde la noche de los tiempos, pastores, marinos, astr贸logos, sacerdotes, astr贸nomos y sabios escrutan los cielos. Al principio lo hac铆an con los medios disponibles: observando a simple vista las luces provenientes de los astros. Despu茅s, en el Renacimiento, Galileo Galilei tuvo la idea de ampliar esa luz con ayuda del anteojo de los holandeses. Descubri贸 las monta帽as de la Luna, los sat茅lites de J煤piter, las manchas solares y sobre todo la confirmaci贸n del modelo de Cop茅rnico, que afirmaba el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Todo esto, que chocaba frontalmente con la doctrina de la Iglesia, cambiar铆a radicalmente nuestra visi贸n del mundo en el plano cient铆fico, pero no solo en este, sino tambi茅n en el plano social.
Las ondas de radio
Pero ¿qu茅 era esa luz portadora de informaci贸n sobre el Universo? Hubo que esperar a los trabajos de James Clerk Maxwell, en la segunda mitad del siglo XIX, para tener una idea m谩s precisa. En sus c茅lebres ecuaciones, este f铆sico y matem谩tico demostr贸 la relaci贸n entre la electricidad y el magnetismo, que hasta entonces se consideraban fen贸menos separados. Demostr贸 que las cargas el茅ctricas en movimiento generan una onda –llamada onda electromagn茅tica– que se propaga por todo el espacio. La luz visible no es m谩s que un caso particular de esta onda, caracterizada por su longitud de onda, de 0,4 (para el rojo) a 0,7 micras (para el violeta). En otras longitudes, esta onda existe pero no es visible, como por ejemplo la luz infrarroja (IR) o la ultravioleta (UV). Con una longitud de onda m谩s peque帽a que la luz IR se hallan los rayos X y luego los rayos gamma; y con una longitud de onda m谩s grande que la luz IR tenemos las ondas de radio.
Maxwell ignoraba todo esto, pues no hizo m谩s que escribir una teor铆a que preve铆a esta onda. Treinta a帽os m谩s tarde, Heinrich Rudolf Hertz demostr贸 su existencia mediante un experimento que transmisi贸n sin hilos. Imposible, una vez m谩s, minimizar las profundas implicaciones sociales de este descubrimiento (imaginemos una sociedad sin internet, televisi贸n o tel茅fono m贸vil). Y una vez m谩s, en el terreno cient铆fico, la observaci贸n del cielo fuera del espectro de luz visible (UV e IR) abrir铆a nuevos horizontes.
Los neutrinos
Los neutrinos son part铆culas elementales neutras, postuladas en 1930 por Wolfgang Pauli para explicar la conservaci贸n de la energ铆a en la desintegraci贸n beta y cuya existencia se demostr贸 experimentalmente 26 a帽os despu茅s. Interact煤an muy poco con la materia y, aunque son dif铆ciles de detectar, pueden vehiculizar informaci贸n procedente de regiones alejadas y densas del Universo que la observaci贸n 贸ptica no permite obtener. Se habla de “telescopios de neutrinos”.
Las ondas gravitacionales
En 1917, Albert Einstein acab贸 de formular su teor铆a de la relatividad general. Al igual que las ecuaciones de Maxwell, esta teor铆a preve铆a una onda que se propaga en el vac铆o a la velocidad de la luz (300 000 kil贸metros/segundo). En Maxwell, esta onda era generada por el desplazamiento de cualquier carga el茅ctrica, mientras que ahora se trata de una onda de naturaleza muy distinta, ya que la genera el movimiento acelerado de cualquier masa. Suele decirse que el paso de esta onda “deforma el espacio-tiempo”, cosa que hemos de reconocer que resulta poco clara para los no iniciados. La idea es que el espacio-tiempo se “deforma” con la presencia de masas. Hacen falta masas muy grandes para que este efecto sea detectable, de lo contrario ya lo habr铆amos percibido antes. Esta deformaci贸n significa en la pr谩ctica que en la proximidad del Sol, por ejemplo, los rayos luminosos se curvan/2. Es m谩s: cuando las masas est谩n aceleradas, se genera una “onda gravitacional”. Mientras que las ondas electromagn茅ticas de Maxwell se detectaban por la aparici贸n de una corriente el茅ctrica en una antena, el paso de la onda gravitacional puede detectarse porque modifica las dimensiones de los objetos que atraviesa. El problema es que esta alteraci贸n es tan peque帽a (v茅ase m谩s adelante) que Einstein ten铆a muchas dudas sobre las posibilidades de verificarla experimentalmente. Tienen que producirse movimientos extremadamente r谩pidos de masas enormes y se necesitan detectores sumamente sensibles.
Una buena indicaci贸n de la existencia de ondas gravitacionales se obtuvo ya en 1974 con el decaimiento del periodo orbital de un p煤lsar binario (una estrella que orbita alrededor de una estrella de neutrones). Esta disminuci贸n de la 贸rbita implica una p茅rdida de energ铆a y, puesto que esta 煤ltima ha de conservarse, ten铆a que reaparecer en la energ铆a de una onda gravitatoria emitida. La observaci贸n de la disminuci贸n de la 贸rbita coincidi贸 con las previsiones te贸ricas, pero no era una prueba directa: despu茅s de todo, hab铆a otras teor铆as que pod铆an explicar el fen贸meno/3.
Podemos decir razonablemente que los resultados del reciente experimento del LIGO en EE UU constituyen una prueba directa de la existencia de las ondas gravitacionales: el 14 de septiembre de 2015 a las 11:51 horas se detect贸 la oscilaci贸n, durante una fracci贸n de segundo, de dos distancias situadas a varios miles de kil贸metros exactamente de acuerdo con las previsiones te贸ricas que describen la coalescencia (la colisi贸n) de dos agujeros negros. Estas distancias consist铆an en los brazos de 3 km de longitud de un interfer贸metro l谩ser. La p茅rdida de materia a causa de la colisi贸n, equivalente al triple de la masa del Sol, aport贸 la energ铆a de la onda gravitacional. Dicho sea de paso, tambi茅n es la prueba m谩s directa de la existencia de agujeros negros.
Un milagro t茅cnico
Para poder “ver” una onda gravitacional es preciso que intervengan dos masas enormes (por lo menos de decenas de veces la masa del Sol) a velocidades enormes (una fracci贸n de la velocidad de la luz). Esto solo puede darse en la naturaleza, pero adem谩s hay que tener la posibilidad de medir variaciones relativas de longitud infinitesimales, del orden de 10 elevado a –20, es decir, una milmillon茅sima del grosor de un cabello sobre la distancia que media entre Par铆s y Nueva York. Adem谩s, hace falta crear un vac铆o equivalente a 1 millon茅sima de la presi贸n atmosf茅rica en 7 000 metros c煤bicos. Sin hablar ya del instrumental, que debe ser insensible a las vibraciones generadas por las olas de un oc茅ano, aunque lejano, o de una ba帽era que se vac铆a en los alrededores. Gracias a todo ello y a unos cuantos miles de millones de d贸lares sabemos ahora que el Universo conoci贸 un cataclismo en alg煤n lugar situado m谩s all谩 de la galaxia enana de la Gran Nube de Magallanes hace unos 1 300 millones de a帽os.
¿Y ahora qu茅?
La misma pregunta se plante贸 con respecto al descubrimiento del bos贸n de Higgs. Entonces respondimos que nunca ha habido un avance decisivo del conocimiento que no haya venido seguido, pronto o tarde, y de forma no predecible, de implicaciones pr谩cticas. Se trata en este caso de una confirmaci贸n contundente de la teor铆a de la relatividad general en un momento en que los misterios de la materia y la energ铆a oscuras justificaban una relectura cr铆tica de la misma. Se trata, finalmente, de una nueva sonda de las profundidades del Universo cuyos frutos no tardar谩n en llegar.
P.D. Una lecci贸n de esta narraci贸n es tambi茅n la famosa “irrazonable eficacia de las matem谩ticas”, seg煤n expresi贸n de Eug猫ne Wigner/4. En efecto, las ondas electromagn茅ticas se descubrieron primero sobre el papel, al igual que los neutrinos y tambi茅n las ondas gravitacionales. Pero este es otro tema.
Notas:
1/ LIGO es la sigla de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de ondas gravitacionales por interferometr铆a l谩ser).
2/ Los agujeros negros son astros tan masivos (de cuatro a millones de veces la masa del Sol) que la luz queda tan curvada que no puede escapar. Conjeturados en la teor铆a de la relatividad general, solo son visibles por sus efectos en otros cuerpos.
3/ Los f铆sicos recuerdan con amargura que durante mucho tiempo creyeron que el 茅ter era un medio que deb铆a existir para explicar la propagaci贸n de la luz (del mismo modo que el aire para la propagaci贸n del sonido). Claro que todos los intentos de hallarlo fracasaron: el 茅ter no existe; este fue, por cierto, uno de los resultados de la teor铆a de la relatividad especial, formulada por Einstein en 1905.
4/ Eug猫ne Wigner (1902-1995) era un f铆sico h煤ngaro nacionalizado estadounidense. Premio Nobel.
*Hubert Krivine es f铆sico. Ha sido investigador en el Laboratorio de F铆sica Te贸rica y Modelos Estad铆sticos de la Universidad de Par铆s Sur. Es autor del libro La Tierra, de los mitos al saber (Biblioteca Burid谩n, 2012); una presentaci贸n del mismo se puede encontrar en:http://vientosur.info/IMG/pdf/VS130_Varios_Libros_VIENTOSUR.pdf