Objetos misteriosos, y ¿Vacío?

No sería justo el dejar de incluir en alguno de estos comentarios para el Carnaval de Física, a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro universo: los agujeros negros. Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contra), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce  una ondulación en la curvatura del espacio-tiempo que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transportan de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del universo. Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, = 1’62 × 10^-33 cm, es la escala de longitud por debajo de la cual es espacio, tal como lo conocemos, deja de existir y se convierte en espuma cuántica. El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler, o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2’61 × 10^-66 cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío; esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor infinita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2 – 10^-7 pascales. Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto. No puedo dejar de referirme al vacío theta (vacío θ), que es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados. Esto significa que el vacío theta es análogo a una función de Bloch* en un cristal. Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido. Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido. El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teoría gauge fuertemente interaccionantes, como la cromodinámica cuántica.

En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menos contenido de galaxias que el promedio, o ninguna galaxia. También solemos llamarlo vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala. Estas regiones son, a menudo (aunque no siempre), esféricas.

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar. Cuando esté totalmente preparado para ello, os lo contaré; el mensaje permanece escondido fuera de nuestra vista*.

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada. Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (m), la longitud (l) y el tiempo (t). Utilizando estas dimensiones, la velocidad, que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones l/t, y la aceleración tendrá dimensiones l/t². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones mlt^-2. En electricidad, en unidades SI, la corriente, I, puede ser considerada como dimensionalmente independiente, y las dimensiones de las demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar. La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo; por tanto, tiene dimensión It. La diferencia de potencia está dad por la relación P = VI, donde P es la potencia. Como la potencia es la fuerza por la distancia entre el tiempo (mlt^-2 × l × t^-1 = ml²t^-3), el voltaje V está dado por V = ml²t^-3I^-1. Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones, referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas.

Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío, que al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles. Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto). Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Si la energía es masa y la masa produce gravedad, entonces ¿qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

No puedo contestar de momento esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y sólo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a las que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del universo, que no se corresponde en absoluto con la masa y la energía que podemos ver.

Estoy atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que, por mucho que miremos, nunca podremos ver. El lugar de dichas piezas perdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial.

Estamos en un momento crucial de la física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad, que también está implícita en la teoría M. Estamos anclados; necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas virtuales que atan nuestras mentes a ideas del pasado. En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aun estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo el hiperespacio, de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad. Cuando sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy no sabemos resolver.

Al mencionar dimensiones más altas (ahora trabajamos con tres de espacio y una temporal), se me ocurre, como ejemplo cotidiano y sencillo, el referirme al general que, escondido con su ejército en la profundidad de un enorme valle, no sabía qué estrategia emplear para vencer a sus enemigos. Pensando en cómo resolver el problema, ascendió con sus capitanes a lo alto de la montaña, y con sorpresa vio desde aquella altura todas las posiciones enemigas. Así, de aquel nuevo conocimiento, adquirido al subir más alto, pudo extraer consecuencias de lo que vio para preparar la estrategia adecuada y alcanzar la meta, en este caso, la victoria.

Pues, de la misma manera, nosotros también estamos obligados a subir a la montaña que nos permita ver más allá de las matemáticas topológicas, más allá de las fluctuaciones de vacío, más allá de los quarks, más allá de las singularidades y… ¿por qué no decirlo?, más allá de nuestro propio universo. No podemos olvidarnos de que dentro de varios eones, nuestro universo podría morir. Estamos obligados a buscar la manera (si existe) de escapar de ese destino fatal.

Si el universo finalmente se convierte en una singularidad que es una región donde (según las leyes de la relatividad general) la curvatura del espacio-tiempo se hace infinitamente grande, y el espacio-tiempo deja de existir, toda vez que la singularidad es también una región de gravedad de marea infinita, es decir, una región donde la gravedad ejerce un tirón infinito sobre todos los objetos a lo largo de algunas direcciones y una compresión infinita a lo largo de otras.

Después de crear un horizonte de agujero negro a su alrededor, dicen las ecuaciones que describen este fenómeno, la materia toda que compone nuestro universo, continuará implosionando, inexorablemente, hasta alcanzar densidad infinita y volumen cero, creándose así la singularidad que estará fundida con el espacio-tiempo.

Si eso ocurre (como es muy posible), seguramente, de esa “nada” que se ha formado, más pronto o más tarde surgirá mediante una enorme explosión un nuevo universo, que no sabemos si será igual, con las mismas fuerzas y las mismas leyes que el que ahora tenemos.

emilio silvera

* Teorema de Bloch: relativo a la M. C. de los cristales, que establece que la función de ondas ψ(r) = exp(ik·r) U (r). Volver
* De manera similar a como las ondas gravitacionales salen despedidas de un agujero negro en rotación. Volver

[?]