Visita a Einstein

El problema de la luz

"No es que Einstein se levantara un día y se dijera: voy a inventarme el concepto de que el tiempo es relativo. Elaboró esta teoría para resolver un problema: no se entendía el comportamiento de la luz, que posee una propiedad increíble: tiene siempre la misma velocidad. Da igual que te acerques a la fuente o te alejes. La mayor parte de los físicos de la época se inventaron procedimientos relativamente complicados para intentar incorporar este hecho, pero Einstein cambió los principios de la física para incorporar este comportamiento de la luz como un principio más. Y entonces descubrió que lo que salía era consistente".

Primera teoría: la relatividad especial

"Hablando en términos metafóricos, la idea es que se produce una especie de mezcla entre el espacio y el tiempo. Es una mezcla parecida a la que hay entre las diferentes direcciones del espacio. Es decir, en el espacio puedes tener varias direcciones: dirección Norte, dirección Oeste? Y luego tienes direcciones mezcladas. Por ejemplo, el Noroeste. Pues en el caso del espacio-tiempo ocurre que hay como direcciones mezcladas entre el tiempo y el espacio. En el espacio-tiempo el análogo de girarse para ir en una dirección mezclada, como la del Noroeste, es moverse, es la velocidad. Cuando estás en movimiento te estás desplazando en una dirección mezclada entre el espacio y el tiempo. En el espacio, si vas hacia el Norte a 20 kilómetros por hora tardas en una hora en hacer 20 kilómetros. Pero si tu dirección es Noroeste y vas a 20 kilómetros por hora, en una hora te desplazas hacia el Norte menos de 20 kilómetros. Eso es así porque también te vas desplazando hacia el Oeste y la velocidad efectiva con la que te mueves hacia el Norte es menor. En el caso del espacio-tiempo pasa algo parecido. Al moverte, circulas en una dirección "oblicua" del espacio-tiempo y tu velocidad en dirección puramente temporal es más lenta que si circulas directamente en la dirección temporal. Imagina que tienes dos relojes, uno que está parado y otro que envías en un viaje a gran velocidad. A la vuelta los comparas de nuevo y encuentras que el que se ha movido está atrasado con respecto al que se quedó en reposo. Esa es la relatividad especial: la idea de que el espacio y el tiempo se mezclan en función del estado de movimiento del observador".

Primera teoría: la relatividad general

"La idea de la relatividad general es que esa estructura del espacio-tiempo, que tiene cuatro dimensiones (las tres del espacio y la del tiempo), se deforma. Esa deformación es lo que llamamos gravedad. Una forma de verlo es que si estás en un campo gravitatorio y te dejas caer en caída libre desaparece la gravedad. En una montaña rusa, en las caídas se te suben las tripas... y lo que no son las tripas. Esa sensación de ingravidez demuestra que la gravitación es equivalente a una aceleración. Como una aceleración es una velocidad variable, y la velocidad era una especie de mezcla entre espacio y tiempo, resulta que esta mezcla va cambiando de un punto a otro. El resultado es una deformación, una curvatura, de la cuadrícula espacio-tiempo. Lo que Einstein hizo durante diez años fue, básicamente, buscar la fórmula matemática para representar esta idea: es la fórmula que caracteriza la curvatura del espacio-tiempo, el grado de deformación del espacio-tiempo, en función de la cantidad de energía que hay ahí metida. Esto es así porque la deformación de la cuadrícula espacio-tiempo es equivalente a la gravedad y la gravitación depende de la cantidad de masa que tienes, algo que ya sabemos desde Newton. Y como Einstein había demostrado en 1905 que masa y energía son lo mismo básicamente, al final lo que cuenta es la cantidad de energía. Finalmente encontró la fórmula adaptando las matemáticas desarrolladas por Riemann en el siglo XIX. La teoría ha pasado todas las comprobaciones experimentales hasta ahora, aunque en los próximos años tendrá que someterse a un montón de nuevos tests que mayor precisión."

¿Porqué no predijo el Big Bang?

"Hay dos clases básicas de deformación de esa malla espacio-tiempo. Una es la contracción, cuando tienes energía ordinaria en forma de partículas elementales normales. Eso expresa el hecho de que gravitación es atractiva. Hay otra clase de deformación más misteriosa, que ocurre cuando hay energía en el vacío. Entonces se produce una especie de antigravedad, como una fuerza repulsiva. A esta energía del vacío Einstein la llamó la constante cosmológica. La introdujo en sus cálculos en 1917, cuando empezó a hacer un modelo del universo. Tenía una fórmula que representaba el comportamiento del espacio-tiempo dependiendo de la materia, así que podía preguntarse qué geometría tenía el universo. Era la primera vez que eso se podía hacer. Cuando se puso a buscar soluciones se dio cuenta de que el modelo colapsaba y como no ves el universo colapsar, tuvo que inventar esta fuerza repulsiva para conseguir un equilibrio. Unos años más tarde Hubble descubrió que el universo estaba en expansión. Entonces ya parecía innecesario introducir esa constante en el modelo, porque después de todo el universo no estaba en equilibrio. La situación más bien se parece a los trozos de una bomba que ha estallado. Así nace la teoría del Big Bang. Por todo ello, Einstein, en cierto modo, perdió la oportunidad de predecir la existencia del Big Bang. Habría sido la predicción más espectacular de la historia. Einstein era bastante conservador cuando se trataba de extraer consecuencias de sus propias teorías. Por ejemplo, frente a la idea de los agujeros negros siempre fue muy escéptico, no se los creía".

Un error que fue un acierto

"Cuando se descubrió la expansión del universo, Einstein lamentó el error cometido: la constante cosmológica ya no hacía falta. Pero hace veinte años vimos que el universo no sólo se expande, sino que se expande de forma acelerada: cada galaxia va más rápido hoy de lo que iba ayer. En vez de frenarse por la gravedad mutua, parece que hay algo que está forzando a las galaxias a fugarse cada vez más rápido, exactamente como ocurre si tienes una constante cosmológica. Así que, al final, esta constante cosmológica puede que acabe siendo uno de sus grandes descubrimientos. De todas formas, es un misterio, porque la teoría cuántica tiende a producir una energía de vacío mucho mayor de la que observamos. Así que no se ha dicho la última palabra sobre este tema".

Agujeros negros: pura relatividad

"Un agujero negro se produce cuando tienes una gravedad tan intensa que hasta la luz cae como una piedra. La curvatura del espacio-tiempo de Einstein es máxima. Un agujero negro es la relatividad general en estado puro. Durante mucho tiempo no eran más que curiosidades matemáticas. Pero desde los años 60 se empezó a ver evidencia de objetos astronómicos que no se podían explicar sin la hipótesis de un agujero negro. Nunca se ha visto a ninguno de cara, porque están muy lejos. Pero la evidencia indirecta es aplastante".

Las bestias que radian energía

"Las evidencias de que hay agujeros negros son de dos tipos. En un caso tienes agujeros negros de pequeño tamaño, de unos diez kilómetros de diámetro pero con una masa como la del sol. Si hay materia que está cayendo dentro, sueles tener una especie de atasco. Hay un cuello de botella, la materia empieza a chocar antes de entrar y al chocar se calienta y entonces radia con gran virulencia. Esa radiación es la que ves desde lejos. Y luego están los agujeros negros supergigantes, con una masa como mil millones de soles, están en el centro de las galaxias. Son como los anteriores pero a lo bestia. Los quasars son galaxias activas que están a miles de millones de años luz y para explicar el hecho de que las veamos estando tan lejos, suponemos que hay un agujero negro gigante en su centro radiando como un gigantesco volcán cósmico. También tenemos evidencia de que hay un agujero gordo en el centro mismo de nuestra propia galaxia, a unos 25000 años luz de aquí, un bicho gordo de cuatro millones de masas solares, pero que últimamente está bastante tranquilo, como un dragón dormido?".

Hasta aquí llega Einstein

"Los agujeros negros son objetos, dentro de lo que cabe, relativamente simples de describir con las leyes de Einstein, al menos en cuanto a su interacción con el mundo exterior, aunque hay un montón de procesos complicados que tienen que ver con el comportamiento de la materia a muy alta temperatura, con campos magnéticos muy grandes, etc. De lo que no tenemos ni idea es de lo que pasa en el interior. En teoría, sabemos que cuando cruzas el horizonte no pasa nada grave, pero luego encuentras la singularidad. Y las leyes de la física directamente cascan en la singularidad. No sabemos lo que pasa porque el espacio-tiempo se rompe, literalmente, y todas las leyes de la física están basadas en el espacio-tiempo. En el agujero negro central de nuestra Vía Láctea esto pasa después de apenas un minuto de caída en el interior. Caes dentro de esa bola negra y en un minuto las leyes de la física, todas las fórmulas de los libros, cascan. Ya no es lo que te pasa a ti, es lo que le pasa a tus partículas elementales. Hay unas fuerzas de marea dentro del agujero negro que acaban destrozándote. Y luego quedan tus partículas elementales que van una detrás de otra: no sabemos lo que les pasa al cabo de un minuto. Es una forma muy drástica de expresar los límites de la física. Para un físico, no hay nada más radical que el interior de un agujero negro. Se parece mucho a un Big Bang al revés. Por eso muchos creen que entender el interior de un agujero negro es necesario para intentar entender el Big Bang".

Agujeros de gusano: la mina que se derrumba

¿Pueden ser los agujeros negros puertas al otro lado del universo? "Hay algunas soluciones a las ecuaciones de Einstein que tienen esas propiedades, pero son unas soluciones muy especiales. Son como túneles con dos agujeros negros como puertas. Lo que pasa es que solo se puede entrar, nunca salir por el otro lado, y la singularidad te atrapa en el interior. Ultimamente los físicos teóricos están fascinados con esto porque pueden estar relacionados con el entrelazamiento cuántico de las partículas elementales. Si hablamos de los agujeros de gusano de las películas, son muy diferentes. Por necesidades del guión necesitas poder salir por el otro lado, y para esto hace falta concentrar un montón de energía negativa, de un tipo que nunca hemos visto. Incluso asumiendo la existencia de esas energías negativas, el túnel es muy inestable. El mero hecho de entrar en el interior tiende a producir su derrumbamiento sobre el viajero. Es como si entrases en una mina tan tan frágil que sólo con tu respiración quiebras las vigas y se te cae encima. Algo así.

¿Es posible la máquina del tiempo?

"Se ha sugerido que los agujeros de gusano, si existieran, también se podrían utilizar para viajar en el tiempo. Si pudieras hacer un agujero de gusano y manipularlo, si pudieras definir dónde pones las dos bocas, tal vez podría funcionar como una máquina del tiempo. Pero tienes todos los problemas de estabilidad que indicamos antes.

Bienvenidos al día de la marmota

"Cuando hablamos de los viajes en el tiempo es muy fácil entrar en contradicciones lógicas. Todas esas tramas dramáticas que se utilizan en el cine de viajar al pasado y matar a tu padre. Las teorías físicas que tienen un sentido no suelen entrar en esas contradicciones porque no permiten ese tipo de situaciones. Cuando tienen soluciones que puedes interpretar como viajes en el tiempo se parecen más a esa película sobre el día de la marmota, en la que siempre se está repitiendo lo mismo. Los viajes en el tiempo que aparecen en las soluciones explícitas de las ecuaciones de Einstein son viajes muy aburridos, porque siempre estás haciendo lo mismo. En el momento en que intentas hacer algo distinto rompes el ciclo y entonces la solución deja de ser un viaje en el tiempo. Pero, además, cuando lo haces en la práctica, con las ecuaciones aparecen singularidades. Siempre cuando intentas hacer cosas raras se te cierra el túnel temporal, como el caso del agujero de gusano".