El Sueño de Einstein: Las Ondas Gravitacionales y su Significado para la Física Moderna

Para el lector atento es probable el haber escuchado a inicios de febrero de este año acerca del revolucionario descubrimiento de las ondas gravitacionales. Para muchos este fue un tema de charla ligera durante un corto tiempo, pero dicha charla se cortó dramáticamente al intentar siquiera tratar de describir de que se compone este descubrimiento. Resultará esencial entonces el mantenerse actualizado con los últimos avances en la ciencia a sabiendas de lo que representan en términos prácticos y teóricos. Este articulo narrará brevemente el trasfondo de dicho descubrimiento y cómo tiene el potencial de impactar el estudio de las fuerzas intrínsecas de la naturaleza.

En primera instancia, debe recordarse del tortuoso camino que ha llevado la teoría de la gravedad en la física de los últimos 300 años. Si bien, la tan afamada historia de Newton observando a una manzana caer de un árbol ha demostrado no ser más que un mito, es completamente cierto que, sin importar su inspiración, fue Sir Isaac Newton el que comenzó el estudio de esta fuerza regente en el universo.
En sus estudios, Newton interpretó al movimiento de objetos en reposo hacia el suelo como un indicio de una fuerza constante que actuaba sobre todas las cosas. Esta denominada gravedad le permitió explicar los fenómenos de las orbitas lunares y terrestres; y combinando el trabajo de Kepler y Galileo demostrar que la tierra gira alrededor del sol y la luna alrededor de la tierra por el efecto de atracción gravitacional que poseen las masas de estos objetos celestes. Sin embargo, más allá de esto, Newton no contaba con los recursos intelectuales en su época para la comprobación a mayor profundidad de la gravedad y sus principios astrofísicos. No fue hasta 200 años después que mucho del legado científico que dejó fue reorganizado en lo que conocemos hoy en día como la teoría general de la relatividad.
Albert Einstein fue nombrado por la revista TIME como la persona más influyente del Siglo XX. Su trabajo en el campo de la física llevó al entendimiento del universo como lo conocemos y modeló incluso el mundo geopolítico con la ulterior invención de la bomba atómica.
En el campo de la gravedad, fue hace 100 años, en 1916 cuando postulo su teoría general de la relatividad para explicar la interacción entre espacio y tiempo, interpretable como un plano cartesiano en tres dimensiones al cual se añade una cuarta siendo la duración del evento. Parte de lo que Einstein establece que la masa por si sola ejerce una distorsión en el espacio-tiempo que modifica su relación. Einstein reinterpretó es que la gravedad misma surge de estas distorsiones y que incluso la energía en forma de luz está sometida a estas influencias. Estas son las ondas gravitacionales, que hasta principios de este año no eran más que una teoría.

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A manera de visualización, el mismo Einstein describía que las ondas gravitacionales distorsionarían el espacio-tiempo como una bola de boliche cambiaría la forma de una cama elástica si se tratara de un plano fijo y estático. Si se tomará en cuenta además la aceleración de un objeto, esta fuerza se ejercería similar a las ondas creadas en un lago por un bote al moverse. Debe entonces suponerse la masiva potencia que ejercen estas ondas en una escala cósmica, con eventos como supernovas, colisiones de cuerpos celestes y agujeros negros y que en si estos eventos dejan como rastro de lo sucedido una onda que viaja a través del espacio tiempo. Es la detección de estas distintivas ondas la que eludió a científicos por casi 100 años.
La manera de detectar estas ondas requiere de comprender el efecto que tienen sobre los objetos con los que cruzan. Toda onda de gravedad, se teorizaba, modifica la distribución de la masa, aplastando y elongando la materia en una escala subatómica que puede ser muy difícil de medir o incluso percibir. Desde 1965 se hicieron intentos de detectar estas ondas, sin ningún éxito. Fue en 1974 que se formularon los avances que permitieron el desarrollo de las tecnologías modernas, gracias al experimento que le otorgó el premio Nobel de la Física a Russel Hulse y Joseph Taylor en 1993 por su trabajo en la investigación del efecto de la gravedad en pulsares, estrellas emisoras de neutrones mucho más grandes que el sol que tienen una rotación elíptica y ciclos de eyección de energía (pulsos) constantes.
Estos científicos se encontraban investigando pulsares, cuando encontraron un par de pulsares gemelos o un pulsar binario. Estos cuerpos celestes que giran entorno uno al otro gracias a la gravedad y siguen ciclos de pulsación y rotación que permite el cálculo de su localización y tiempo de pulsos con más precisión que incluso un reloj de potencia atómica. Fue en el trayecto de la investigación de los periodos de orbita que se encontró que estos disminuían al paso del tiempo a medida que ambos pulsares desaceleraban paradójicamente a lo esperado, lo que se infirió en modelos teóricos como resultado de la perdida de energía a manera de ondas gravitacionales.

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Este descubrimiento llevó a un mayor interés por esta área de la física y a la construcción de laboratorios masivos en Louisiana y Washington, EEUU; los Observatorios de Ondas Gravitatorias por Interferometría de Laser o LIGO por sus siglas en inglés. Estos laboratorios son instalaciones con tubos de vacío donde se emiten láseres de hasta cuatro kilómetros de longitud. Estos haces de luz se someten a varios espejos para evaluar su refracción y masa en distintos receptores. Es aquí donde se espera que las ondas gravitatorias surtan su efecto, causando micro vibraciones en los haces de luz por su fuerza de gravedad inherente que viaja por el espacio y tiempo, como lo teorizaba Einstein. El problema aquí yacía en encontrar el momento y frecuencia a la cual calibrar el equipo, para una onda específica en algún lugar del universo, fuera en una supernova o en alguna colisión de agujeros negros. Debe de pensarse aquí como la metáfora del árbol que cae en un bosque, donde solo hace ruido si alguien está en la vecindad del evento como para oírlo, o de sintonizar una estación de radio al momento en el día que pasan una canción específica.

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Este laboratorio reportó la detección de estas ondas desde septiembre de 2015. Fue la serendipia de la colisión y fusión de otro par de objetos celestes, en esta ocasión de dos agujeros negros 30 veces más grandes que el sol. Al momento de impacto se liberó instantáneamente una energía 50 veces más potente que el de todas las estrellas del universo. Este fenómeno gargantuán logro “zangolotear” en una escala subatómica en la tierra al laser del LIGO, así demostrando por primera vez la existencia de ondas gravitatorias en el universo. Esto fue repetido en múltiples ocasiones durante los últimos meses hasta el 11 de febrero de 2016, cuando se dio el anuncio público de que sin error alguno se había comprobado esta parte tan fundamental de la teoría general de la relatividad, a meses del 100 aniversario de su postulación por Albert Einstein.
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Ahora bien, surge la pregunta de dónde queda utilidad revolucionaria de que un superláser en Louisiana se “zangolotee” por fuerzas cósmicas que no pueden observarse de otro modo. Es exactamente en esta pregunta donde yace la respuesta.
El descubrimiento de las ondas gravitatorias ha abierto un “universo” de posibilidades para el entendimiento del cosmos. Previamente, se contaba únicamente con el estudio mediante la luz (telescopios) u ondas de radio (satélites), un estudio audiovisual, por así decirlo, de los fenómenos astrofísicos. Con la detección de ondas gravitacionales, se permite una nueva visualización, a manera de ondas que sobrexceden incluso a la luz o electromagnetismo y permiten ver aquello que permanece oculto a simple vista (u oído). Las ondas gravitacionales quizá permitan observar el interior de fenómenos como las supernovas y agujeros negros y sus maquinaciones internas que permanecen bajo un velo de monstruosos despliegues explosivos de luz y ondas sonido que impiden su evaluación. Es el equivalente a como se usan cargas explosivas para generar sismos bajo tierra y así evaluar la composición del subsuelo, pero en escala astronómica.
Debe recordarse que estas ondas viajan por espacio y tiempo, así que no solo sería posible visualizar el presente, sino el pasado del universo mediante el estudio de las ondas gravitacionales que quedan como único testimonio de eventos cósmicos del pasado. Con estas nuevas tecnologías se abren las puertas para comprender los fenómenos que dieron lugar al universo mismo como lo conocemos hoy en día y así conocer más de nuestro universo, nuestros orígenes y nuestro destino.
Para un acercamiento más audiovisual al qué y cómo de las ondas gravitacionales, se recomienda el siguiente video:

Autor: Iván de la Riva – Editor: Emilia Issa

Bibliografía:

2016-11-14T19:41:24+00:00