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Ciencia
La onda gravitacional y la importancia de su verificación
18/02/2016 | Hubert Krivine

La comprobación empírica, hace unos días, de la existencia de ondas gravitacionales gracias al experimento del LIGO/1 (EE UU) es sin duda una proeza técnica increíble, pero antes que nada es un acontecimiento científico importante por dos razones: 1) confirma la teoría de la relatividad general, y 2) abre una vía totalmente nueva de exploración del Universo. Este artículo pretende situar en perspectiva este descubrimiento-

El anteojo de Galileo

Desde la noche de los tiempos, pastores, marinos, astrólogos, sacerdotes, astrónomos y sabios escrutan los cielos. Al principio lo hacían con los medios disponibles: observando a simple vista las luces provenientes de los astros. Después, en el Renacimiento, Galileo Galilei tuvo la idea de ampliar esa luz con ayuda del anteojo de los holandeses. Descubrió las montañas de la Luna, los satélites de Júpiter, las manchas solares y sobre todo la confirmación del modelo de Copérnico, que afirmaba el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Todo esto, que chocaba frontalmente con la doctrina de la Iglesia, cambiaría radicalmente nuestra visión del mundo en el plano científico, pero no solo en este, sino también en el plano social.

Las ondas de radio

Pero ¿qué era esa luz portadora de información sobre el Universo? Hubo que esperar a los trabajos de James Clerk Maxwell, en la segunda mitad del siglo XIX, para tener una idea más precisa. En sus célebres ecuaciones, este físico y matemático demostró la relación entre la electricidad y el magnetismo, que hasta entonces se consideraban fenómenos separados. Demostró que las cargas eléctricas en movimiento generan una onda –llamada onda electromagnética– que se propaga por todo el espacio. La luz visible no es más 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 más pequeña que la luz UV se hallan los rayos X y luego los rayos gamma; y con una longitud de onda más grande que la luz IR tenemos las ondas de radio.

Maxwell ignoraba todo esto, pues no hizo más que escribir una teoría que preveía esta onda. Treinta años más tarde, Heinrich Rudolf Hertz demostró su existencia mediante un experimento que transmisión sin hilos. Imposible, una vez más, minimizar las profundas implicaciones sociales de este descubrimiento (imaginemos una sociedad sin internet, televisión o teléfono móvil). Y una vez más, en el terreno científico, la observación del cielo fuera del espectro de luz visible (UV e IR) abriría nuevos horizontes.

Los neutrinos

Los neutrinos son partículas elementales neutras, postuladas en 1930 por Wolfgang Pauli para explicar la conservación de la energía en la desintegración beta y cuya existencia se demostró experimentalmente 26 años después. Interactúan muy poco con la materia y, aunque son difíciles de detectar, pueden vehiculizar información procedente de regiones alejadas y densas del Universo que la observación óptica no permite obtener. Se habla de “telescopios de neutrinos”.

Las ondas gravitacionales

En 1917, Albert Einstein acabó de formular su teoría de la relatividad general. Al igual que las ecuaciones de Maxwell, esta teoría preveía una onda que se propaga en el vacío a la velocidad de la luz (300 000 kilómetros/segundo). En Maxwell, esta onda era generada por el desplazamiento de cualquier carga eléctrica, 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 habríamos percibido antes. Esta deformación significa en la práctica que en la proximidad del Sol, por ejemplo, los rayos luminosos se curvan/2. Es más: cuando las masas están aceleradas, se genera una “onda gravitacional”. Mientras que las ondas electromagnéticas de Maxwell se detectaban por la aparición de una corriente eléctrica 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 alteración es tan pequeña (véase más adelante) que Einstein tenía muchas dudas sobre las posibilidades de verificarla experimentalmente. Tienen que producirse movimientos extremadamente rápidos de masas enormes y se necesitan detectores sumamente sensibles.

Una buena indicación de la existencia de ondas gravitacionales se obtuvo ya en 1974 con el decaimiento del periodo orbital de un púlsar binario (una estrella que orbita alrededor de una estrella de neutrones). Esta disminución de la órbita implica una pérdida de energía y, puesto que esta última ha de conservarse, tenía que reaparecer en la energía de una onda gravitatoria emitida. La observación de la disminución de la órbita coincidió con las previsiones teóricas, pero no era una prueba directa: después de todo, había otras teorías que podían explicar el fenómeno/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 detectó la oscilación, durante una fracción de segundo, de dos distancias situadas a varios miles de kilómetros exactamente de acuerdo con las previsiones teóricas que describen la coalescencia (la colisión) de dos agujeros negros. Estas distancias consistían en los brazos de 3 km de longitud de un interferómetro láser. La pérdida de materia a causa de la colisión, equivalente al triple de la masa del Sol, aportó la energía de la onda gravitacional. Dicho sea de paso, también es la prueba más directa de la existencia de agujeros negros.

Un milagro técnico

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 fracción de la velocidad de la luz). Esto solo puede darse en la naturaleza, pero además hay que tener la posibilidad de medir variaciones relativas de longitud infinitesimales, del orden de 10 elevado a –20, es decir, una milmillonésima del grosor de un cabello sobre la distancia que media entre París y Nueva York. Además, hace falta crear un vacío equivalente a 1 millonésima de la presión atmosférica en 7 000 metros cúbicos. Sin hablar ya del instrumental, que debe ser insensible a las vibraciones generadas por las olas de un océano, aunque lejano, o de una bañera que se vacía en los alrededores. Gracias a todo ello y a unos cuantos miles de millones de dólares sabemos ahora que el Universo conoció un cataclismo en algún lugar situado más allá de la galaxia enana de la Gran Nube de Magallanes hace unos 1 300 millones de años.

¿Y ahora qué?

La misma pregunta se planteó con respecto al descubrimiento del bosón 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 prácticas. Se trata en este caso de una confirmación contundente de la teoría de la relatividad general en un momento en que los misterios de la materia y la energía oscuras justificaban una relectura crítica de la misma. Se trata, finalmente, de una nueva sonda de las profundidades del Universo cuyos frutos no tardarán en llegar.

P.D. Una lección de esta narración es también la famosa “irrazonable eficacia de las matemáticas”, según expresión de Eugène Wigner/4. En efecto, las ondas electromagnéticas se descubrieron primero sobre el papel, al igual que los neutrinos y también las ondas gravitacionales. Pero este es otro tema.

14/1/2016

Hubert Krivine es físico. Ha sido investigador en el Laboratorio de Física Teórica y Modelos Estadísticos de la Universidad de París Sur. Es autor del libro La Tierra, de los mitos al saber (Biblioteca Buridán, 2012); una presentación del mismo se puede encontrar en: http://vientosur.info/IMG/pdf/VS130_Varios_Libros_VIENTOSUR.pdf

Notas:

1/ LIGO es la sigla de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser).

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 teoría de la relatividad general, solo son visibles por sus efectos en otros cuerpos.

3/ Los físicos recuerdan con amargura que durante mucho tiempo creyeron que el éter era un medio que debía existir para explicar la propagación de la luz (del mismo modo que el aire para la propagación del sonido). Claro que todos los intentos de hallarlo fracasaron: el éter no existe; este fue, por cierto, uno de los resultados de la teoría de la relatividad especial, formulada por Einstein en 1905.

4/ Eugène Wigner (1902-1995) era un físico húngaro nacionalizado estadounidense. Premio Nobel.



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