Ondas gravitacionales. Nuevos ojos para la humanidad.

El pasado martes anunciaron el premio Nobel de Física para este año que, casi sin sorpresa, fue otorgado a Rainer Weiss,  Barry C. Barish y Kip S. Thorne , en ese orden, por sus contribuciones al experimento LIGO y la detección de ondas gravitacionales. Es una situación interesante pues con apenas 4 eventos observados hasta el momento es considerado uno de los logros más grandes de la humanidad. Un siglo tuvimos que esperar para superar la dificultad técnica de ser capaces de detectar oscilaciones del tamaño de fracciones del núcleo atómico, pero eso no es todo. Para detectar una ola en el mar, por ejemplo, basta con colocar un flotador en la superficie y ver su movimiento (cambios de altura), y para una onda electromagnética la detección de una corriente, (electrones moviéndose) cuando esta pasa. En cambio con las ondas gravitacionales la situación es bien diversa: ya no podemos hablar de movimiento en forma tan despreocupada pues cuando nos referimos a movimiento estamos hablando de cambios de posición en el espacio a través del tiempo, y con las ondas de gravedad lo que oscila es precisamente el espacio, y el tiempo también. La cuestión de estas mediciones es suficientemente compleja como para que no me atreva a tratar de explicarla como no me siento incluso con la convicción de que yo mismo la entienda. Quiero sin embargo hacer un paralelo con otra instancia histórica que puede ayudarnos a entender la magnitud de la situación en la que nos ha puesto este descubrimiento.

De un lado al otro con con las ondas electromagnéticas

A mediados del siglo XIX James Maxwell reunía, completaba y expresaba de manera general las leyes del electromagnetismo, que en forma compacta matemática presentó como

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El segundo término de la última ecuación era algo nuevo en la Física e implica la existencia de las ondas electromagnéticas, que además no necesitaban de ningún medio para propagarse (se trasladan incluso el vacío). Este último detalle causó malestar en la comunidad científica del momento. Hoy por hoy estamos rodeados de ondas electromagnéticas producidas por los humanos(la señal de WIFI o de celular con la seguramente logró acceso a esta entrada son un ejemplo), pero en aquella época tomó dos décadas para que pudieran ser generadas y detectadas controladamente para así poder establecer, por ejemplo, su velocidad.

El experimento llevó a cabo Heinrich Hertz en 1887,  una década luego de la muerte de Maxwell, generando ondas a partir de la chispa que saltaba entre dos electrodos enfrentados. A cierta distancia se encontraba un receptor, constituido también por dos electrodos enfrentados, entre los cuales saltaba una chispa cuando la onda pasaba. Los resultados de Hertz fueron conclusivos y la teoría de Maxwell tomó fuerza para ser aceptada.

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Dibujo esquemático del experimento de Hertz

Menos de una década paso para que Nikola Tesla ideara la forma de utilizar este nuevo tipo de onda para trasmitir información inalambrica, con lo que hoy conocemos como radio, y aun así nadie en ese momento imaginó siquiera lo que implicaría para la humanidad. Cómo, apenas medio siglo después, prácticamente se convertirían en parte fundamental de la sociedad moderna.

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Algunas de las muchas aplicaciones que hoy por hoy tienen las ondas electromagnéticas.

Sin embargo, Hertz en su experimento también encontró algo inusual. Al colocar una pantalla opaca entre el emisor y el receptor pudo observar que el brillo de la chispa era menos intenso. Viendo más detenidamente este fenómeno, determinó que los objetos cargados perdían carga más fácilmente cuando eran iluminados. Para ser precisos con luz de alta frecuencia, lo que denominamos Ultra Violeta (UV). Los intentos por explicar la naturaleza de este fenómeno, que dependía de la frecuencia y no de la intensidad de la luz, fueron infructuosos utilizando la joven, poderosa y vigorosa teoría de Maxwell. En efecto, la teoría de Maxwell además concluye que la luz no es otra cosa que una onda electromagnética de frecuencia particular. Por lo que de ser correcta podría explicar también este fenómeno.

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Distintos tipos de ondas electromagnéticas y sus emisores. Tomado de la página del experimento ALMA en Chile.

De hecho, el experimento de Hertz estaba simultáneamente mostrando que la teoría de Maxwell no es la correcta. En 1905 Einstein explica el fenómeno descubierto por Hertz, hoy llamado fotoeléctrico, abandonando la idea de que la luz sea una onda y rescata la naturaleza corpuscular, a la Newton, con partículas que llamamos fotones. Aun hoy es difícil conciliar con el sentido común que la luz sea onda, como dice Maxwell, y, a la vez, corpusculos. Pero gracias a esto se da el nacimiento de lo que hoy conocemos como la mecánica cuántica, base de la Electrodinámica Cuántica, que remplaza a la de Maxwell. Nos queda como moraleja que un experimento que inicialmente parecer ayudar a establecer una visión de mundo puede tornarse en contra, digamos, de aquella visión que favorece. O sea, como se dice popularmente “Nadie sabe para quién trabaja”.

La era de las ondas gravitacionales. La cúspide del reinado de Einstein

También en 1905 Einstein, basado en los estudios de Maxwell, plantea una teoría que termina por echar por el suelo la mecánica de Newton, y por la que se hace famoso. La teoría de la relatividad. Esto fue sólo el inicio de una intensa década que resultó en la teoría general de la gravitación (de la que ya hemos hablado en otras oportunidades) que, como la de Maxwell, predice ondas. Estas también viajan a las velocidad de la luz y, hasta donde sabemos, las ondas que los humanos podemos generar en el momento son prácticamente imposibles de detectar. Con la tecnología actual para tener chance de observarlas es necesario esperar un evento de magnitud cósmica, como el choque de dos agujeros negros (objetos también predichos por la teoría de Einstein).

Representación visual del suceso visto por LIGO

Las cuatro señales hasta ahora reportadas por LIGO, y ahora también VIRGO, son precisamente de esta índole. Dos agujeros negros danzando uno alrededor del otro a una distancia de la Tierra de ¡mil millones de años luz! (o sea una danza que ocurrió hace mil millones de años). Pero próximamente se espera tener el poder de detectar danzas menos exóticas. Esta vez con estrellas de neutrones, abriendo, de paso, la puerta a observar algo que nos diga que la teoría de Einstein no es la correcta, como le sucedió a Maxwell. De hecho ya tenemos pistas para pensar en esto.

Si fueran ondas de sonido se escucharían así. Primero en la frecuencia original y luego elevada que sea mejor apreciado por el oído humano.

En el año 2011 otorgaron a Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Reiss el premio Nobel de Física por la detección de la expansión acelerada del universo. Antes de 1999, año de su observación, pensábamos que el universo se expandía con velocidad constante y los Físicos trabajaban duramente para explicar una aceleración cero pues las teorías existentes predicen en general valores no nulos. Sin embargo, un valor nulo puede explicarse si, por ejemplo, alguna simetría del universo prohibiera valores distintos de cero. Así que por décadas se buscó esta dichosa simetría que no era evidente. Cuando se supo que esta aceleración no era nula, prácticamente todo se vino al traste y debimos comenzar de nuevo. En efecto, el valor medido es increíblemente pequeño, y nuestras predicciones sobre su valor, más precisamente sobre la causa de esta, entregan un número con 120 ceros más a la derecha que el observado. ¡La peor predicción de la historia de la ciencia! Muchos creemos que para entender lo que está sucediendo debemos comprender lo que pasa más allá de la teoría de Einstein. En el recóndito punto donde la gravitación y la mecánica cuántica se encuentran.

Por lo que entendemos estamos aun lejos de poder detectar directamente ondas gravitacionales de origen cuántico (sin embargo, pueden estar ya en la bandeja) y los gravitones, que serían los análogos a los fotones. Pero, nuevamente, esto es sólo basados en lo que conocemos, que puede estar equivocado. Así las cosas la situación es similar a la de finales del siglo XIX cuando nadie sabia bien qué era o para qué podían servir la ondas electromagnéticas. Pero estas nos permitieron ver el universo con nuevos ojos que cambiaron la historia, de la humanidad y de la teoría que las predijo.

¿Qué nos deparará el futuro? ¿Qué nuevos fantasmas invisibles aprenderemos a ver en los próximos años? ¿Qué hay más allá de Einstein? ¿Tendremos que replantear también la mecánica cuántica? ¿En qué parte del planeta se encuentran, si ya nacieron, los nuevos Einstein, Hertz y Tesla? Eso nadie lo sabe. Por suerte, como dice Lawrence Krauss, los científicos amamos no saber.

¡Nos seguimos leyendo!

P.D. De modo indirecto, con BICEP2, ya contamos con herramientas para detectar los efectos de ondas gravitacionales de origen cuántico generadas en el universo primordial. Estas permitirían poner a prueba nuestro entendimiento del universo cuando tenía menos de una trillonésima de segundo de existencia.

P.P.D. La información de BICEP2 la obtiene a partir de la radiación cósmica de fondo, originada cuando el universo tenía unos 380 mil años. Antes el universo era opaco y la luz no se propagaba por lo que con luz no podemos ir más allá. La ondas gravitacionales, en cambio, se propagaban incluso antes por lo que si fuéramos capaces de detectar estas ondas primordiales estaríamos mirando el universo más joven jamás visto.

P.P.P.D. Para los que quieran saber un poco más sobre las dichosas ondas gravitacionales

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