El Universo y sus maravillas

“El final de la evolución es catastrófico con una gran explosión, explosión supernova, en la que las capas externas de la estrella son eyectadas con una energía similar a la que producirá el Sol durante toda su vida (aproximadamente 10.000 millones de años).”

Cuando llega ese momento final de una estrella por falta de contrapresión, la gravedad, cada vez más libre para hacer su trabajo, produce finalmente la implosión de la estrella y se produce tanto calor que, como he dicho antes, las capas exteriores explotan por la presión de la radiación, y la implosión queda interrumpida quedando una esfera extremadamente compacta de material nuclear o estrella de neutrones proveniente de  una explosión supernova de tipo II.

El colapso bajo la propia gravedad la lleva a tener una densidad de unos 10¹⁷ Kg/m³; los electrones y protones están tan apretados que se funden y forman neutrones. En este punto conviene aclarar que el objeto en el cual se convierte una estrella finalmente, está directamente conectado a la masa de la estrella.

El astrónomo Kart Schwarzschild hizo un estudio que se conoce como “radio de Schwarzschild”: para las estrellas como nuestro Sol, el final estará en una estrella enana blanca; para estrellas con dos veces y media la masa solar, su destino corresponde a una estrella de neutrones; y si la masa de la estrella es mayor que cinco veces la masa del Sol, la estrella se convertirá en un agujero negro.

Cuanto más masivo es un agujero negro, mayor es el radio de Schwarzschild. Para un agujero negro que venga de un cuerpo de masa M, este radio es igual a 2GM/c², donde G es la constante gravitacional y c la velocidad de la luz. Fue calculado por primera vez por este astrónomo a partir de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

Estos objetos cosmológicos que pueblan el universo tienen propiedades asombrosas. Las estrellas de neutrones, a menudo rotan con impresionante velocidad (más de 500 revoluciones por segundo). Debido a irregularidades en la superficie emiten una señal de radio que pulsa con esa velocidad. Estos objetos fueron descubiertos por la observación de esa señal de radio y por eso se les llamó “púlsares”. En las tablas astronómicas se indican por las letras LGM, que es una reliquia de los tiempos en los que se consideró la posibilidad de que fueran señales de otras civilizaciones extraterrestres.

    Son como faros cósmicos en la inmensidad espacial

Los primeros cálculos realizados por el astrónomo de origen indio Subrahmanyan Chandrasekhar demostraron que un objeto frío y compacto tiene una masa sólo unas pocas veces superior a la del Sol. No importa de qué tipo de materia esté formado, no podrá resistir la presión. La fuerza gravitatoria se hace tan intensa que únicamente la teoría de la relatividad general de Einstein puede decirnos lo que sucederá. Como la fuerza gravitatoria actúa colectivamente sobre todas las partículas de la estrella, sigue siendo débil cuando actúa sobre una sola partícula. Por lo tanto, no hay (aún) necesidad de la Gravedad Cuántica para calcular exactamente la siguiente cadena de sucesos.

Seguramente fue el físico John Archibald Wheel primero en comprender cuál sería el resultado de estos sucesos, y no tenemos la más mínima duda de que llevaba toda la razón. El resultado final de los sucesos es lo que él llamó un agujero negro. Éstos se producen cuando la materia durante la implosión alcanza en un cierto punto la velocidad de la luz.

Entonces se pasa un borde matemático, un punto de no retorno, ni a la velocidad de la luz podría escapar de allí una nave espacial que, sin darse cuenta, traspasara ese punto o borde matemático que llamamos “horizonte de sucesos”. Incluso las señales que intentara emitir serían atrapadas por la fuerza descomunal de atracción del agujero negro, que genera la fuerza de gravedad en su estado puro y de máxima dimensión allí, en el interior del agujero, en lo que se conoce como una “singularidad”. Allí dejan de existir el espacio y el tiempo. La estrella original, a medida que se va contrayendo sobre sí misma para convertirse en un agujero negro, de forma efectiva y real se vuelve negra, hasta desaparecer de la vista de un posible observador que sólo sabe de su presencia. Por la enorme fuerza de gravedad que genera, hasta la luz es engullida por el monstruo.

              Si pudiéramos verlo, así sería el agujero negro. Estas son las primeras fotos obtenidas

El agujero acaba siendo solamente una gran bola de gravedad pura. De hecho, se han detectado y fotografiado estrellas vecinas a un gran agujero negro que, cuando las atrapa y engulle, acaban siendo literalmente desgarradas. Su materia es atraída, pasa el horizonte de sucesos y desaparece en el interior: la negra e invisible singularidad.

Podemos calcular cómo se comportan los chorros de partículas elementales cuando se aventuran cerca de un agujero negro. Stephen Hawking, estudiando este problema, tropezó con una dificultad que al principio consideró simplemente una formalidad: exactamente, ¿Cuándo se considera que algo es una partícula y cuándo puede ser vista como parte del espacio vacío?

Si algo ocupa un nivel positivo de energía, se considera generalmente una partícula, pero cuando el nivel de energía está bajo cero, tiene que ser ocupado y es la ausencia de un objeto en tal nivel lo que se observa como una partícula. Consecuentemente, nos encontramos con que mientras que un astronauta, al caer en un agujero negro, ve el espacio-tiempo a su alrededor vacío, para un observador exterior parece que hay partículas que escapan de ser capturadas por el agujero. ¿Es esto una impresión de la teoría?, fue lo primero que pensó Hawking; y no importa el grado de refinamiento de sus cálculos, siempre parecía obtener un flujo débil de partículas que escapaban del agujero. En ese punto hizo el descubrimiento más importante: ¡esas partículas son reales! Cada agujero negro está emitiendo un flujo constante de partículas de todas las especies concebibles. La intensidad del chorro de partículas es inversamente proporcional al cuadrado de la masa del agujero negro.

Los aspectos que implican la radiación de Hawking son que antes de llegar a los estadios finales el tamaño del agujero negro se hará comparable a la longitud de Planck y toda la masa llegará a ser tan sólo un poco mayor que la masa de Planck. Las energías de las partículas emitidas también corresponderán a la de la masa de Planck. Solamente una teoría completa de la gravedad cuántica podrá predecir y describir exactamente lo que sucede al agujero negro en ese momento.

“La longitud de Planck es la distancia o escala de longitud por debajo de la cual se espera que el espacio deje de tener una geometría clásica. Una medida inferior previsiblemente no puede ser tratada adecuadamente en los modelos de física actuales debido a la aparición de efectos de gravedad cuántica.”

Esta es la importancia de los agujeros negros para la teoría de partículas elementales en la longitud de Planck; sería un buen laboratorio ya que todas alcanzarán, por sí mismas, el régimen de energía de los números de Planck, y una buena teoría debe ser capaz de decirnos cómo calcular ese caso. En la teoría de supercuerdas se puede objetar que no nos dice nada de los agujeros negros, y mucho menos de cómo uno de ellos puede comenzar su vida como un agujero de tamaño astronómico y acabar explosivamente.

“Esta teoría reemplaza la singularidad en el centro de un agujero negro postulando que toda la región dentro del horizonte de sucesos es en realidad una maraña de cuerdas, las que la teoría de cuerdas postula que vibran para formar el espacio-tiempo, todas las partículas y fuerzas que conocemos, tanto en las tres dimensiones físicas de espacio como en direcciones compactas (las dimensiones extras están entrelazadas en la espuma cuántica).”

Variantes de la teoría

“Las cinco versiones de la teoría actualmente existentes, entre las que pueden establecerse varias relaciones de dualidad, son: La Teoría de cuerdas de Tipo I, donde aparecen tanto “cuerdas” y D-branas abiertas como cerradas, que se mueven sobre un espacio-tiempo de diez dimensiones.”

Los teóricos de cuerdas han tratado desenfrenadamente de conseguir el que esta teoría prediga los agujeros negros como cualquier buena teoría de la gravedad, sin embargo, de momento no ha sido posible. Cuanto más se piensa en ello, más importancia parecen tener los agujeros negros en el mundo de lo pequeño.

Cálculos realizados en relación a mini agujeros negros que obedecen tanto a las leyes cuánticas como a las relativistas de la gravedad, han dado resultados sorprendentes. Han aparecido las mismas expresiones matemáticas que las de la teoría de cuerdas.

“El físico italiano Gabriele Veneziano publicó una fórmula matemática para dominarlas a todas… a todas las partículas regidas por la interacción nuclear fuerte… las partículas llamadas hadrones… tanto bariones como el protón y el neutrón, como mesones como el pión y el kaón.”

“La teoría de cuerdas nació para explicar los resultados experimentales en la física de los hadrones. En la década de 1960 se descubrieron tantos nuevos hadrones que en lugar de partículas se hablaba de resonancias, como si fueran vibraciones de objetos más fundamentales. Para entenderlos era necesaria una nueva ley física universal.”

“Leonard Susskind, Yoichiro Nambu y Holger Nielsen encontraron en 1970 que el modelo dual de Veneziano describía la interacción entre parejas de cuerdas abiertas y el modelo dual de Virasoro entre parejas de cuerdas cerradas. El misterioso objeto fundamental que vibraba dando lugar a las resonancias en los modelos duales eran cuerdas.”

Reseñas del BLOG DE  Don FRANCISCO R. VILLATORO

Y a todo esto…

“La fórmula para la captura y emisión de partículas por un agujero negro es exactamente igual a la fórmula de Veneziano. Esto resulta extraño ya que no es un tema de cuerdas. La realidad es que la teoría no está acabada y que unos y otros dan palos de ciego buscando el camino que nos lleve a la “buena” teoría, y allí, seguramente, estará la explicación de estas conexiones que hoy aparecen en los números y que no podemos explicar.”

Agujeros de gusano

Quizás algún días nos salven

Si creemos a Stephen Hawking, los agujeros negros son simplemente el principio de una deformación mucho más seria del espacio-tiempo, por ejemplo, su idea del “espacio-tiempo espumoso”. Pero eso no es todo; él y otros, en particular Sidney Coleman de la universidad de Harvard, han especulado con el papel especial que juegan los “agujeros de gusano”, que son conductos en el espacio-tiempo que conectan regiones muy distantes del universo, e incluso, pueden comunicar nuestro universo con otro universo. La formulación de Einstein de la teoría de la gravedad podría admitir tales rarezas.

“Por sorprendente que parezca, la antigravedad es un fenómeno predicho por la teoría relativista de la gravedad de Einstein, en el régimen ultrarrelativista. David Hilbert descubrió a finales de 1915, y publicó en 1917 y 1924, que la solución de Schwarzschild de las ecuaciones de Einstein permite que una partícula que se mueva en un círculo alrededor de una masa a una velocidad mayor que c/√3 puede sufrir una fuerza antigravitatoria (una fuerza gravitatoria repulsiva). Dicha fuerza repulsiva podría servir para acelerar naves espaciales a velocidades relativistas (idea d Felbel físico Franklin

r). Se ha sugerido que podría descubrirse dicha fuerza utilizando los haces de protones del LHC del CERN. Un nuevo artículo, que analiza en detalle la solución de Reißner-Weyl-Nordström para una masa cargada, muestra que no es posible verificar esta fuerza con haces de protones moviéndose en el anillo del LHC a velocidades utrarrelativistas ya que se requiere una partícula con gran masa, que cumpla que m²>q², lo que no ocurre ni con un protón ni con un electrón. La verificación experimental de la antigravedad tendrá que esperar.”

ALBURQUERQUE (EEUU).- Los túneles de protones que existen en laboratorios de EEUU y Europa podrían probar en un par de años la antigravedad, asegura Franklin Felber. Este científico afirma haber resuelto la ecuación de campo gravitatoria formulada por Albert Einstein.

“Mi fórmula es la primera solución en lo que se refiere al movimiento de una masa a la velocidad de la luz”, declara desde Albuquerque (Nuevo México)

Hace algún tiempo ya que se pudo leer en la prensa que el físico de EE.UU, Franklin Felber, acababa de dar un paso nuevo en el desarrollo de la teoría de la relatividad general. La clave para viajar a velocidades cercanas a la de la luz podría estar en la solución exacta de una ecuación que planteó Albert Einstein hace casi un siglo: aprovechar las particularidades de la fuerza de la gravedad para enviar naves a otros mundos, a velocidades inconcebibles hasta ahora.

Los resultados de Felber nos dicen que cualquier cuerpo que viajara a un 57’7% de la velocidad de la luz generaría un extraño campo gravitatorio a su alrededor, conocido como antigravedad, que repelería los objetos que se acercaran en lugar de atraerlos. De esta forma, las naves espaciales del futuro podrían emplear los campos de antigravedad como medio de propulsión. Para ello, bastaría con acercarse al área de acción de un objeto que viajara a gran velocidad para ser rechazadas por su fuerza gravitatoria. De acuerdo con los nuevos cálculos, que acaban de presentarse en el Foro Internacional de Tecnología y Aplicaciones Espaciales de Alburquerque, en Estados Unidos, el impulso provocado por un objeto lo bastante grande podría enviar un vehículo hasta zonas inexploradas del universo.

La solución de Felber, la primera que se consigue para masas con velocidades cercanas a la de la luz, también establece que los humanos y el equipo que viajaran a bordo de la nave no sufrirían grandes daños durante la inmensa aceleración provocada por la antigravedad. Además, estos resultados podrían servir para poner a prueba en aceleradores de partículas algunas de las predicciones de la teoría de Einstein.

El hallazgo de Felber, vicepresidente y responsable de la división de física de la empresa Starmark, ha provocado ya algunas controversias, aunque su informe ha sido publicado por el Instituto Americano de Física en su último boletín de conferencias y ha pasado al examen de otros especialistas, pero siempre ha sido igual: cuando surge algo nuevo – aunque sea bueno – surgen los escépticos y detractores.

¿Hasta cuándo estarán dando réditos las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein? ¡Qué maravilla!

Volviendo al tema anterior, los investigadores podrían pensar que, si la teoría de Einstein admite los agujeros de gusano, éstos tienen que existir. Esto se parece a lo que ocurre en mecánica cuántica, en la que todo lo que está permitido sucede obligatoriamente, es decir, si alguna configuración es posible, ésta tiene una probabilidad definida de que en realidad ocurra. Seguramente, el lector de este trabajo habrá visto alguna vez o habrá leído alguna historia de ciencia ficción, y sabrá cómo les gustan a los autores del género los agujeros de gusano. Entran con sus naves en uno situados en nuestra Vía Láctea y, en un instante, salen por otro agujero de gusano situado en Andrómeda, una galaxia hermana situada a más de dos billones de kilómetros de la nuestra.

Hawking y Coleman parece que están a favor de la existencia de dichos agujeros de gusano, sin embargo, otros reputados científicos no creen en tal posibilidad.

Existe un análisis formal de la gravedad cuántica que se realizó en la universidad de Siracusa, en el estado de Nueva Cork, por Abhay Ashtekar. El trabajo fue desarrollado después por los investigadores Lee Smolin y Carlo Rovelli, que propusieron que los ingredientes fundamentales del espacio-tiempo no son puntos sino lazos cerrados. Aunque se parece un poco a lo que vimos en la teoría de cuerdas, ésta es una aproximación completamente diferente; de acuerdo con Smolin y Rovelli, lo esencial es que los lazos están atados en nudos y que fuera de esos nudos no hay espacio-tiempo en absoluto. La teoría de nudos es uno de los temas más difíciles de las matemáticas modernas.

Durante sus excursiones por las matemáticas de la teoría de cuerdas, los especialistas se han encontrado también con el problema del nudo. Edward Witten, uno de los mejores, ha descubierto varios teoremas matemáticos sobre nudos que le han hecho merecedor de la prestigiosa medalla Field, considerada el premio Nobel de las matemáticas, que se otorga cada cuatro años en el Congreso Internacional de matemáticas a jóvenes matemáticos menores de 40 años.

Si alguna de las cuestiones aquí planteadas le parecen asombrosas, no quiero ni pensar lo que pasaría por su mente si contara algunas cuestiones planteadas en congresos y reuniones científicas, que se ha discutido y filosofado sobre saltos cuánticos de un universo a otro (generalmente a través de agujeros de gusano), mundos paralelos en cosmología cuántica.

emilio silvera

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