El agujero negro

Los agujeros negros son objetos muy simples, sin embargo, su existencia genera multitud de efectos que la Física difícilmente puede analizar. Para comprender como se forman estos cuerpos celestes conviene entender primero qué es la gravedad, su atributo principal.

Cualquier tipo de energía o masa, por pequeña que sea produce una 'abolladura' en el espacio en el que se encuentra. Esta distorsión no es un efecto perceptible por el ojo humano, ya que deformar el espacio que algo ocupa no es algo palpable. Esta perturbación es la gravedad. Cuanta más masa tenga un objeto cualquiera más distorsionará el espacio a su alrededor. Los objetos se mueven en línea recta por el vacío donde no hay gravedad alguna que perturbe su trayectoria. Sin embargo, al pasar cerca de un cuerpo suficientemente masivo, el camino recto por el que se mueve el objeto encontrará un “socavón” y su trayectoria se curvará y quedará encerrado en esa distorsión dando vueltas alrededor del cuerpo masivo que la ha generado. Así pues, las personas que estamos en la tierra estamos atadas a ella porque el espacio que el planeta distorsiona al estar donde está no nos permite salir de él. La única manera de superar la fuerza gravitatoria de la tierra es moverse a una velocidad que permita vencer la atracción de ese espacio curvado, a este concepto se lo conoce como velocidad de escape.

Las estrellas al igual que la tierra son cuerpos celestes creados por la aglomeración de materiales atraídos entre sí por la gravedad. Una estrella es una masa enorme de hidrógeno que genera helio en su núcleo mediante reacciones termonucleares. Los átomos de hidrógeno se mueven tan rápidamente que al chocar se fusionan creando helio y grandes cantidades de calor y radiación. Este proceso obliga a la estrella a expulsar toda esa energía hacia el exterior, y de hecho explotaría si no tuviese un contrapeso que equilibrase toda esa fuerza, la gravedad. La propia estrella al ser tan masiva tiende a contraerse a sí misma, intenta caerse sobre su propio cuerpo. Gracias a este sistema la estrella se mantiene en equilibrio y puede existir. Cuando el combustible de una estrella se acaba no queda ninguna fuerza que pueda frenar la gravedad del astro y este comienza un colapso gravitatorio sin control. Si las estrellas que llegan a este punto son como nuestro sol o menos masivas, el principio de exclusión de los átomos obligará a estos a hacer tope a la gravedad dejando un cuerpo muy pequeño y denso conocido como enana blanca. Se dice entonces que esa estrella no ha pasado su Límite de Chandrashekhar. Este límite establece que una estrella con una masa 1,5 veces mayor que la del sol será demasiado masiva como parar que nada pueda para su colapso gravitatorio. En tal caso la estrella continúa contrayéndose en un proceso sin control hasta alcanzar un tamaño subatómico, creando una singularidad.

La singularidad es un cuerpo de densidad infinita que encierra en un punto de volumen cero cuerpos mayores que el sol. Esta condición curva el espacio alrededor de la singularidad de tal manera que la gravedad resultante adquiere también un valor infinito. La abolladura en ese rincón del espacio sería más similar a un pozo que a un leve socavón. Esto significa que incluso un rayo de luz que pase cerca de un agujero negro pesará tanto que literalmente caerá dentro de él, hacia la singularidad microscópica. La singularidad de un agujero negro es siempre del mismo tamaño, lo que varía es el campo de acción del astro. Este campo marca el lugar a partir del cual nada que lo cruce podrá escapar de la gravedad del cuerpo celeste ya que la velocidad de escape necesaria para vencerlo supera la velocidad de la luz (300.000 km/s). Este radio se llama horizonte de los sucesos porque ningún evento que tenga lugar dentro de ese radio podrá afectar jamás a lo que se encuentre fuera de él ya que nunca podrá escapar del agujero. El hecho de que la luz no pueda ser reflejada en estos cuerpos significa que son invisibles, sin embargo, es posible detectarlos por los efectos gravitatorios que ejercen alrededor de los astros que tienen cerca. En términos generales son enormes sumideros de lo que nada puede salir.

Lo curioso viene cuando se analizan los efectos que estos cuerpos provocan en el espacio que los rodea. El tiempo junto con el espacio forman parte de la misma estructura, el espacio-tiempo. Esta simbiosis implica que el tiempo se ve afectado por la misma gravedad que afecta al espacio, pero de manera distinta. La dimensión temporal fluye mas lentamente cuanta más gravedad hay. Se trata de una extensión del efecto de la gravedad, al igual que la deformación espacial se traduce en atracción entre cuerpos, en la dimensión temporal se traduce en una ralentización de los sucesos. Así pues un gemelo que quedase atrapado dentro de un agujero negro viviría sus 80 años de media, mientras que su gemelo de fuera lo vería envejecer a un ritmo muy lento. El reloj interno de cada uno seguiría intacto, pero el tiempo de referencia para cada uno dejaría de ser el mismo.

En la singularidad todas las dimensiones se reducen a la nada, las tres espaciales y la temporal, dando como resultado el final del tiempo mismo. Este punto toma su nombre de la imposibilidad de la Física por comprender lo que pasa en él. Todas las leyes de la ciencia dejan de funcionar en este espacio aislado del resto del universo y por eso se lo llama singularidad.

La culpa es de los neutrinos

Hace casi un siglo y medio en 1859 un fenómeno natural dejó las redes de telégrafos de Estados Unidos totalmente inutilizadas y desde Cuba era posible observar en el cielo auroras boreales. A este suceso tan extraño se lo llamo evento de Carrington y se prevee que en los próximos años pueda volver a suceder con consecuencias mucho más desastrosas. Este fenómeno ocurrido en el siglo XIX fue causado por una Eyección de Masa Coronal. Un proceso mediante el cual el sol expulsa de manera súbita y violenta gran cantidad de plasma de su superficie hacia el espacio exterior. Ese plasma está cargado con partículas muy energéticas y portan consigo parte del campo magnético del sol. Cuando el material expulsado impacta contra el campo magnético de la tierra este genera las auroras boreales tan características de las latitudes del norte. De la misma manera puede incidir con fuerza suficiente en la magnetosfera terrestre como para desencadenar tormentas eléctricas que alteren el funcionamiento de los satélites y por extensión el de multitud de aparatos electrónicos. Este hecho no era demasiado importante en el siglo XIX sin embargo, la sociedad de hoy es completamente dependiente de la tecnología y tener un peligro potencial de ese calibre hace necesario desarrollar un mecanismo para preveer las erupciones solares y proteger la tecnología de sus efectos nocivos. Con los recursos del presente es difícil adelantarse a la meteorología solar para protegerse de sus repentinas llamaradas, ya que la tecnología humana no es lo suficientemente avanzada como para entender el comportamiento del sol de manera más profunda. Hay que destacar que estos fenómenos naturales ocurren con más frecuencia durante la fase activa del sol, la fase en la que está a punto de entrar este año. El astro rey permanece en su etapa tranquila durante 11 años, en los que el viento solar y las Eyecciones de Masa Coronal no son tan frecuentes. Al final de ese periodo la actividad solar aumenta y las erupciones se hacen más frecuentes y potentes.

A sabiendas de que el motor del sistema solar se está desperezando, algunos estudios como el llevado a cabo por Ephraim Fischbach y Jere Jenkins de la Universidad de Purdue se han atrevido a sugerir que estas tormentas solares son fácilmente predecibles analizando los neutrinos. Ambos físicos mantienen que la radiación gamma del sol sufre leves variaciones producidas por los neutrinos que el sol irradia. Según su hipótesis antes de que una Eyección de Masa Coronal se produzca las variaciones en la radiación gamma producidas por los neutrinos cambian y permitirían predecir las violentas tormentas solares con un día de antelación, haciendo posible para los gobiernos proteger sus satélites.

La idea suena interesante y sería un éxito si pudiese llevarse a la práctica sin embargo, cuesta creerla ya que los neutrinos son la partícula subatómica con menos masa que existe y la que también menor interacción tiene con la materia y las fuerzas del universo. Concretamente sólo la gravedad (que a escalas cuánticas no tiene casi fuerza y menos con la masa del neutrino) y la fuerza nuclear débil afectan a esta partícula. Por ello es casi imposible que un baño de neutrinos, equiparable al puñetazo de un ser etéreo, pudiese tener efecto alguno sobre la radiación del sol. Conociendo la naturaleza del protagonista de la hipótesis de los americanos el simple hecho de plantearse utilizarlo como herramienta para predecir el comportamiento solar equivaldría a tener un chamán para curar un cáncer terminal.

La flecha del tiempo

Hace no mucho leí en un artículo que si de alguna manera se pudiese sobrevivir a una caída en un agujero negro, el privilegiado que se hallase en su interior sería capaz de ver el pasado del universo en un sólo instante. La idea se me antojaba surrealista, ya que implicaba invertir la dirección del tiempo, es decir, poner el pasado en el futuro, en algún momento el accidentado viajero contemplaría el Big Bang.

En realidad no le di mucha importancia ya que nadie puede realmente decir que ocurre dentro de un astro de esta naturaleza ya que en su corazón, en la singularidad, las leyes de la física dejan de ser aplicables. Sin embargo, por pura fortuna he dado con un capítulo del libro “Historia del tiempo” de Stephen Hawking en el que se habla de la entropía y de la relación de esta con el tiempo. Después de pensarlo un rato he comprendido el planteamiento de la idea que leí en el artículo sobre los agujeros negros, aunque sigo manteniéndome escéptico al respecto. La entropía es una magnitud que sirve para medir el grado de desorden en cualquier cosa que alguien se pueda imaginar. Por desorden se entiende la destrucción o grado de no estabilidad de ese elemento. La termodinámica establece que la entropía es siempre creciente, es decir, todo lo que existe va a acabar destruyendose, pereciendo. Las cosas se rompen con el paso del tiempo y los seres vivos morimos. La entropía nunca disminuye, ya que cuando algo se crea o se repara, el esfuerzo o energía necesarios para ello crean entropía a modo de desgaste de los materiales que hemos usado para esa reparación. En conclusión, no se puede escapar de la entropía. Ahora bien, el ser humano es capaz de percibir el paso del tiempo gracias a los efectos que la entropía tiene en su entorno. Este concepto se llama flecha del tiempo e indica la dirección que este sigue. El ver las cosas seguir un orden natural de evolución es lo que indica a las personas que el tiempo fluye hacia adelante, hacia el futuro. Si se hacen fotos del proceso entero que sigue a un vaso desde su posición quieta en una mesa a su último suspiro hecho añicos en el suelo, cualquiera podría ordenar las fotos cronológicamente basándose en el principio de la entropía. Primero el vaso estaba unido y después roto.

Con la idea anterior en mente queda claro que el tiempo fluye hacia delante, hacia el futuro por la entropía. Teniendo en cuenta que el universo se expande constantemente en todas direcciones, el tiempo dentro de él siempre fluye hacia adelante junto con la entropía que lo acompaña. Sin embargo, si el universo entero colapsase hasta ser la diminuta singularidad de la que partió el big bang, se podría esperar que la entropía se invirtiese y por tanto el tiempo también, es decir, este fluiría desde el futuro hacía el pasado. La gente recordaría el futuro y el pasado estaría por venir. El universo distendido y menos denso que conocemos ahora tendería a contraerse y a hacerse más denso. Las cosas empezarían a ordenarse y a recomponerse como una vez fueron, hasta que todo volviese a ser una pequeña región que contuviese toda la creación. Esta súbita contracción del universo es el proceso que siguen todas las estrellas que se convierten en agujeros negros. Esto me lleva a la idea principal, si el espacio se contrae hasta el infinito en un agujero negro, el tiempo también lo hace y por consiguiente la entropía se invierte junto con el, haciendo posible ver el comienzo del cosmos.

Con este post no quiero decir que esté de acuerdo con la idea planteada, ya que especular con lo que ocurre en la singularidad de un agujero negro es imposible. Pero siguiendo la lógica de la entropía tiene bastante sentido.

Bucando a Higgs

El próximo 4 de julio los científicos del CERN darán a conocer al mundo sus últimos avances sobre la investigación del bosón de Higgs. Esta partícula ha levantado mucha expectación desde que se anunciase su estudio en Ginebra hace ya un tiempo. De demostrarse la existencia del esquivo Higgs, la teoría estándar de la Física quedaría algo más completa.

Dicha teoría establece que hay dos típos de partículas que costituyen todos los elementos del cosmos, los fermiones, que serían los ladrillos básicos de la materia, y por otro lado los bosones, responsables de transmitir las fuerzas de la naturaleza. Los fermiones constituyen los protones y neutrones que a su vez forman los átomos. Los campos en los que actúan los bosones son la gravedad, el espectro electromagnético del cual el ser humano percibe la luz, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. El Higgs es un bosón especial que de momento existe en el plano teórico y que actúa en un ambiente llamado campo de Higgs donde estas partículas se extienden por todo el universo. Cualquier partícula elemental como las anteriormente mecionadas, que pasase a través de este campo adquiriría masa convirtiendose en materia.

El problema radica en que el bosón de Higgs tiene una vida extremadamente corta y acaba desintegrándose en otros elementos subatómicos al desaparecer. Conseguir probar la existencia de Higgs supone confirmar la manera en la que la materia se crea. Con este mismo fin el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra recaba datos sobre los choques que se producen en él. Al romper elementos tan pequeños , este gran círculo de 27 kilómetros pretende encontrar el bosón entre las ruinas de este auto de choques cuántico.

El juego de la vida.

El tema de hoy no tiene una relación directa con la astronomía, sin embargo parte de una premisa relacionada con la misma que se planteó hace tiempo para entender el universo. La conocida frase de descartes "pienso, luego existo" es lo que quiero poner en duda.

La Física es la herramienta que el hombre tiene para explicar cómo ocurren los eventos en el universo. Describe el funcionamiento de las leyes naturales e intenta predecir como incidirán en un futuro sobre un objeto determinado. Sin embargo no explican el porqué de lo que ocurre en la naturaleza. El hombre intenta dar significado a sus experiencias interpretando lo que recibe a través de su cerebro, y así explica su realidad. La manera en la que se percibe está determinada por las leyes naturales del entorno en el que se desarrollan las experiencias recogidas, luego estas leyes determinan la realidad perceptible.

En un intento de entender porqué y no cómo las cosas son de la manera que son, en 1970 John Conway desarrolló un experimento teórico muy interesante, lo llamo 'El juego de la vida'. Este experimento consistía en jugar a ser Dios para entender como se comportaría un universo hipotético con unas leyes establecidas por el propio John. Para hacerlo simple John creó un universo de 2 dimensiones, un tablero de ajedrez infinito. Sólo había dos tipos de casillas, las verdes que significaban vida y las negras que significaban muerte. Después estableció tres leyes:

1- Un cuadrado vivo (verde) con dos o tres vecinos vivos (verdes) sobreviviría.

2-Un cuadrado muerto (negro) con exactamente tres vivos constituiría un ser vivo.

3-La última ley englobaba el resto de casos en los que la vida sobrevive o perece en su infinidad de posibilidades.

Después de analizar los resultados, la combinación de casillas mostraba patrones en los que obviamente la vida había salido adelante simplemente teniendo en cuenta la posibilidad de maniobras que ofrecía ese universo de 2 dimensiones (atrás-delante e izquierda-derecha) a la casilla verde. En algunos casos se habían formado en las infinitas combinaciones, agrupaciones de casillas que representaban seres vivos, y que matemáticamente podían elegir en que dirección desplazar sus casillas para evitar la muerte. Es decir, tenían inteligencia artificial a un nivel muy básico. Las casillas sabían elegir la opción más adecuada para su supervivencia como respuesta a un supuesto concreto.

Volviendo al punto inicial y tomando las casillas como ejemplo, se puede decir que un universo como el que ocupamos con cuatro dimensiones ofrece un abanico de posibilidades mucho más complejo, del cual el ser humano ha sido uno de los resultados posibles. El hombre se caracteriza del resto de las criaturas por su capacidad de pensar, algo que lo convierte en un ser diferente del resto, se trata de un ser vivo consciente de su propia existencia y con capacidad de razonar. Sin embargo, no somos más que casillas aglomeradas en un sistema más complejo que el de John, por lo que podríamos deducir que lo que el ser humano entiende por pensar y razonar, no es más que un computo de decisiones óptimas tan complejo que es imposible llegar a entender debido a su avanzada matemática, y que por simplificar llamamos libre albedrío. En otras palabras, la esencia humana, esa habilidad para medir nuestro entorno y decidir, estaría sujeta a normas que una vez entendidas podrían explicar el comportamiento humano y predecir cualquier decisión que tomásemos. Este descubrimiento nos arrebataría lo que tan especiales nos hace, dejándonos como objetos con una capacidad de actuar frente a cualquier estímulo, pero siendo objetos al fin y al cabo. ¿Es entonces el pensar algo artificial y ya programado que nos hace creer ser algo que en realidad no somos?

¿Son los átomos lo más pequeño?

Aunque para aquellos que son duchos en física lo que estoy a punto de escribir suene a tontería, mucha gente desconoce que la materia esta formada por partículas mucho más pequeñas que los átomos. De hecho hay muchos tipos de partículas subatómicas flotando por todos lados, y cada una tiene su función en la naturaleza.

Existen dos grandes familias de partículas subatómicas, los fermiones y los bosones. Los fermiones son la base de toda la materia, mientras que los bosones son las partículas que transmiten las diferentes fuerzas que dominan la naturaleza. De este modo los fermiones se agrupan para formar los elementos de un átomo. Los quarks son fermiones que juntos crean neutrones y protones, que constituyen el núcleo del átomo, mientras que los electrones son otro tipo de fermión necesario para dar consistencia al átomo.

Los bosones, la otra gran familia, se ocupan de transmitir las fuerzas de la naturaleza cuando pasan a través de las particulas de materia que he citado, así pues, la gravedad se transmite a través de gravitones y las ondas electromagnéticas como la luz, a través de los fotones.

Naturalmente las divisiones entre estas familias de partículas son mucho más complejas, pero tener una idea general de qué son y para qué sirven nunca está de más.

Antes de antes

¿Qué había en el espacio antes del Big Bang? Es una pregunta que seguramente toda la gente se haya hecho alguna vez y, que seguramente no tenga una respuesta totalmente precisa. Pero lo cierto es que si partimos de que el universo era un punto diminuto que contenía toda la materia en su interior, la respuesta puede hacerse más comprensible.

La naturaleza está compuesta por tres dimensiones espaciales y el tiempo, pero al igual que ocurre en los agujeros negros, cuando el espacio-tiempo se condensa de manera infinita en un punto casi inexistente llamado singularidad, la dimensión temporal se mezcla con las espaciales, dejando de ser una magnitud separada de las otras tres, y pasan a ser una sola cosa. Viene a ser lo que pasa con las dimensiones restantes en la teoría de cuerdas, estas son tan pequeñas que son inexistentes para la humanidad. De modo que si el universo empezó al estallar esa singularidad, no tiene sentido preguntarse qué había antes de la misma, ya que el tiempo no existía, ni tampoco el espacio. Vendría a ser algo similar a preguntarse que hay al sur del polo sur. El espacio y el tiempo son magnitudes que aparecieron después del Big Bang, antes de el no existían, por lo que es imposible plantear la pregunta anterior en ese escenario.