¿Qué pasa cuando mezclas la relatividad con agujeros negros que dan vueltas en el espacio? ¿Que es una onda gravitacional? Pues las respuestas a todas estas preguntas y más, en este episodio.

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 Introducción

Cuentan que un periodista preguntó a Albert Einstein si le podía explicar brevemente en qué consistía eso de la relatividad. El científico le preguntó al periodista si este podía explicarle cómo freír un huevo. “Sí, claro que puedo”, respondió el periodista. “Bueno, pues hágalo, pero imaginando que yo no sé lo que es un huevo, ni una sartén, ni el aceite, ni el fuego”.

Nosotros somos el periodista. Vamos a ello.

Cabecera

Desde que el ser humano tiene memoria, siempre ha mirado al cielo. Estrellas, planetas, constelaciones y demás movidas del inmenso, insondable, oscuro, aterrador, insultantemente largo a lo ancho y ancho a lo largo, caótico por naturaleza y nada acogedor espacio. Pero… ¿conoces el origen de sus historias? Empieza Astro.

El límite de velocidad

Continuamos con esta segunda parte de la relatividad, la gran teoría de Einstein. Si no te has terminado el episodio anterior, pausa este, terminatelo tranquilamente, tómate un café si quieres, y continuamos. De verdad, que no hay problema y lo vas a necesitar para entender lo que viene ahora. Ok, ¿todo listo? Vale, pues empezamos.

Volvamos a nuestra manta. Sí, esa manta continuo espacio-tiempo que es el tejido sobre el que se sitúa la materia. Bolas de bolos, balones de baloncesto, canicas y pelotas de golf deforman este entramado, dando lugar al efecto que conocemos como gravedad. Cuando Newton describió la gravedad, esa famosa fórmula de masa de un cuerpo por masa del otro cuerpo partido de la distancia al cuadrado, asumió un hecho que pasa desapercibido. Lo hizo asumiendo que la interacción de la gravedad es inmediata. Es decir, que los efectos de la gravedad se notan de forma inmediata en todo el universo, que no hay que esperar para que un cuerpo te atraiga. O dicho de otra manera, que la gravedad se transmite de forma instantánea.

Einstein... digamos que demostró que eso era, una vez más, una simplificación de la realidad. Ya hemos dicho que Einstein dejó claro que nada puede ir más rápido que la luz. Lo que no hemos especificado es que ese todo es TODO, en mayúsculas, negrita, subrayado y destacado en amarillo fosforito. No solo un cuerpo no se puede desplazar más rápido que la velocidad de la luz, tampoco lo puede hacer la información. O la fuerza de la gravedad… Vamos por partes.

Comencemos definiendo qué es información. No, no es poner el telediario a las 3, o entrar en la última tendencia en twitter (perdón, equis… Yo creo que nos va a pasar como a los que siguen llamando Pryca al Carreforur). En este episodio no vamos a entrar en todos los detalles matemáticos de la teoría de la comunicación, de eso ya se encargan los ingenieros de telecomunicaciones. Vale, este párrafo es para que el de guión haga propaganda de teleco, “como es doctor en movidas de teleco”.... En fin. Cuando dos personas o sistemas de comunicación intercambian mensajes, siempre están compartiendo cierta información. Esta información puede variar en su utilidad o novedad. Desde el punto  de vista matemático, un mensaje se considera más informativo cuanto menos probable es el evento que describe. Por ejemplo, matemáticamente hablando, si alguien te informa que los grupos políticos de derecha e izquierda han llegado a un acuerdo en algún tema, ese mensaje tendría un valor informativo muy alto, casi infinito. Esto se debe a que la posibilidad de que estos grupos opuestos se pongan de acuerdo y no se enfrenten es extremadamente baja. Vamos, casi nula.

Esta idea trata la información como algo que se puede medir y cuantificar, como si fuera una característica física. Siguiendo este concepto, y de acuerdo con Einstein, la información no puede desplazarse más rápido que la luz. Imaginemos que de repente aparece un nuevo agujero negro en el espacio. Si Newton estuviera completamente en lo correcto, sentiríamos los efectos de su gravedad de inmediato, sabiendo de su existencia antes incluso de poder verlo con un telescopio. Esto significaría que la información sobre el agujero negro viajó más rápido que la luz. Sin embargo, nadie ha sido capaz de demostrar que Einstein se equivocaba con sus cálculos, así que… algo tiene que pasar con la gravedad.

Onda gravitacional y gravitón

Si la gravedad no actúa de manera instantánea... ¿cómo funciona? Volvamos a nuestra manta. Imagina que colocas un balón de baloncesto en el centro de nuestra infinita y tensa manta. El balón hará que la manta se hunda en ese punto, pero debido a la tensión, el balón será impulsado hacia arriba, caerá de nuevo, y volverá a salir disparado hacia arriba. Y así de forma sucesiva. Las personas que sostienen los bordes de la manta sentirán los cambios de tensión y podrán ver cómo la manta se mueve hacia arriba y hacia abajo donde el balón ha tocado. Esta ondulación se expandirá hacia afuera, similar a las ondas que se forman en el agua de un estanque cuando tiras una piedra.

O, dicho de otro modo, observarán una onda. Si esta deformación en nuestra "manta del universo", es decir, en el espacio-tiempo, representase la gravedad, entonces lo que están viendo es una onda de gravedad. En otras palabras, experimentarán una onda gravitacional, un fenómeno que se propaga a través del espacio pero no más rápido que la velocidad de la luz.

Curiosamente, aunque Einstein predijo las ondas gravitacionales en 1916 cuando publicó su teoría de la relatividad general, no fue el primero en proponerlas. Ese honor corresponde a Oliver Heaviside en 1893, aunque como a otros tantos no es que se le hiciese demasiado caso. Sin embargo, no fue hasta 1974 que se obtuvieron las primeras pruebas de la existencia de estas ondas gravitacionales. Y fue en 2015 cuando se pudieron observar y medir de forma directa, debido a la unión de dos agujeros negros. Por cierto, ambos descubrimientos fueron premiados con el premio nobel de física.

El estudio de las ondas gravitacionales nos ofrece métodos innovadores para entender la auténtica configuración del universo. Esto se debe a que, a diferencia de la luz, las ondas gravitacionales no se alteran significativamente al encontrarse con cuerpos celestes en su camino. En otras palabras, los planetas, estrellas y hasta ciertos agujeros negros no crean "zonas de sombra" que impidan el paso de estas ondas. Esto permite que las ondas gravitacionales nos proporcionen información clara y directa sobre los fenómenos y objetos en el universo, sin las distorsiones que a menudo afectarían a la luz.

Podemos pensarlo en términos de sonido. Imagínate que hay un altavoz en el medio de un campo, transmitiendo música a máximo volumen. Ahora, piensa que en este campo hay una valla. Aunque te coloques detrás de la valla, todavía podrás escuchar la música del altavoz. Incluso si encierras el altavoz dentro de una habitación, a menos que esta esté especialmente aislada, seguirás escuchando la música a través de las paredes o la puerta. Y si colocas otro altavoz cerca del primero pero este segundo altavoz no emite sonido con suficiente potencia, será como si no estuviera allí en absoluto. Este ejemplo nos ayuda a entender cómo las ondas gravitacionales, similares al sonido en este caso, pueden atravesar obstáculos sin ser significativamente alteradas.

Pues algo parecido pasa con las ondas gravitacionales. No podemos construir habitaciones gigantes con paneles acústicos que encierren el altavoz gravitacional, y ni pensar eso de construir una valla gigante en el espacio. Esta característica única permite a los científicos estudiar y aprender sobre fenómenos celestes que de otro modo serían imposibles de observar. Como dos estrellas de neutrones que orbitan una alrededor de la otra. Estos objetos, que son efectivamente invisibles al telescopio debido a que no emiten luz de una manera convencional, pueden ser estudiados gracias a las ondas gravitacionales que producen, formando un patrón espiral detectable. En youtube y en spotify debería estar apareciendo ahora el patrón en el vídeo. Si nos ves en otra plataforma, os recomendamos que lo busquéis.

Saltarse la velocidad de la luz

Las ondas gravitacionales, al igual que la luz, no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz; de hecho, se mueven exactamente a la misma velocidad. Hasta el momento, no hemos descubierto ningún fenómeno que se propague más rápido que la luz. Esto significa que, contrariamente a lo que vemos en películas como Star Wars, la idea de viajar a través del hiperespacio, superando esta velocidad, sigue siendo solo una fantasía y no una realidad científica. Lo siento por los que soñáis con viajar en el Halcón Milenario con Chewbacca al lado **METE SONIDO DE CHEWBACCA**

Eso no impide que la ciencia siga buscando pruebas del límite de la velocidad de la luz. No hace mucho, en 2011, se anunció que se habían detectado algunas partículas, llamadas neutrinos, que iban a una velocidad superior a la de la luz. A los pocos meses, el mismo laboratorio publicó que había habido un error en los cálculos y que las medidas eran incorrectas. Una vez más, Einstein sigue teniendo razón.

Sin embargo, en la ciencia ficción podemos encontrar numerosos ejemplos que parecen posibles. Hablamos de los agujeros de gusano, como el de Interstellar. De los motores de curvatura de Star Trek o Futurama. E incluso del entrelazamiento cuántico en la serie de Dark.

La idea de los agujeros de gusano, popularizada por la ciencia ficción, describe un pasadizo que une dos puntos distintos en el espacio y el tiempo. En términos más realistas y simplificados, imagina que tienes una hoja de papel y la doblas por la mitad; al perforarla con un lápiz, creas un atajo entre ambos lados del papel. Este lápiz representa el agujero de gusano, un túnel a través del espacio que te permite llegar a otro lugar y momento del universo de manera instantánea. Según la teoría de la relatividad, la existencia de agujeros de gusano es posible, al menos desde un punto de vista matemático. Así, viajar a través de un agujero de gusano te permitiría desplazarte más rápido que la luz, ya que el tiempo que tomaría llegar a tu destino sería menor que si viajaras por el camino convencional. Si os ayuda a entenderlo, sería como tener un portal de un punto a otro (a mí por lo menos me ayuda a imaginarlo si lo veo así).

No obstante, esta definición plantea un problema: ¿a qué velocidad se viaja en el interior de un agujero de gusano? Por un lado, podría suponerse que el viaje a través del agujero de gusano también está limitado por la velocidad de la luz. Llegarías más rápido que si das toda la vuelta, sí, pero la velocidad máxima sigue siendo la misma. O, peor aún, el viaje a través del agujero de gusano tarda tanto como si tomases la ruta alternativa, como si dieras toda la vuelta. Así que, una vez más, parece que Einstein tiene razón.

Hablemos ahora sobre los motores de curvatura. Estos se definen como dispositivos que usan una enorme cantidad de energía para condensar el espacio en la dirección hacia la que se desplazan. En otras palabras, crean una fuerza gravitacional tan poderosa que hace que las distancias en esa dirección se reduzcan. Esta idea no solo es plausible teóricamente, sino que también se demostró matemáticamente en 1994 por el científico mexicano Miguel Alcubierre. Él propuso que es matemáticamente factible crear una "burbuja" de espacio comprimido. Sin embargo, esto requeriría la existencia de una masa negativa, un tipo de material que, en teoría, sería repelido por la gravedad, algo así como si tuviera una "deuda de masa" con el universo. Hasta ahora, la idea de una masa negativa es conceptualmente difícil de comprender y no ha sido demostrada en la práctica. Otra victoria para Einstein.

A diferencia de los otros efectos, que son directamente relativistas, el entrelazamiento es un efecto puramente cuántico, y no permitiría desplazar naves a través del universo. o obstante, si tomamos como referencia lo que sugiere la ciencia ficción, este fenómeno podría permitir una comunicación instantánea, haciendo posible que la información se transmita más rápido que la luz. Para entenderlo mejor, se puede consultar material educativo como los vídeos de QuantumFracture, pero aquí va una explicación sencilla: dos partículas cuánticas se consideran entrelazadas cuando comparten una propiedad específica, que las define conjuntamente, incluso si están separadas por grandes distancias, sin que se conozca el estado exacto de cada una individualmente. Es como si escondieras una bolita roja y una bolita azul en dos cajas mientras tienes los ojos cerrados. Sabes que una bolita está en cada caja, pero no sabrás el color de la bolita en una caja hasta que la abras. En el instante en que descubres el color de una, inmediatamente sabrás el color de la otra, sin necesidad de abrir la segunda caja.

Dicho así parece que no sirve para mucho, la verdad. Al fin y al cabo, es simplemente que has repartido entre cajas. Pero, al ser un efecto cuántico las cosas no son tan fáciles. Vamos a decir que de lo único que estamos seguros es que cada pareja de pelotitas alberga una roja y una azul. Pero, hasta el último momento, no vamos a comprobar de qué color es cada pelota. Esto, según la teoría cuántica, implica asumir que cada caja alberga una bola que puede ser azul o roja. O lo que es lo mismo, que existe en un estado cuántico, donde la bola es azul y roja a la vez. Como lo del gato de Schrödinger que está vivo y muerto. Si separamos las cajas y abrimos una, de manera automática sabemos el color de la otra bola. La “información” de la otra caja habría viajado de forma instantánea.

Si pudiésemos controlar de qué color aparece la bola cuando sale la caja, podríamos utilizar este fenómeno para enviar información. Al fin y al cabo, ¿no dice la cuántica eso de que observar una partícula es alterar su estado? Y aquí es dónde muchas revistas y series pinchan. Para empezar, las cajas habrían sido separadas a una velocidad no superior a la de la luz. En el mejor de los casos, sólo podemos abrir las cajas una vez. Y además, no podemos controlar el color de la bola. Si abrieramos en un lado 10 cajas, lo único que obtendríamos son 10 bolas de colores aleatoriamente entre rojo y azul. Ni más, ni menos.

Cierre

No sabemos si algún día encontraremos la forma de viajar muy rápidamente por el espacio, o de saltarnos la velocidad de la luz. Lo que sí sabemos es que este episodio se acerca muy rápidamente al final.

Muchas gracias por acompañarnos en este pequeño especial de dos partes de la relatividad. Esperamos que se haya entendido bien, porque vaya tema más denso, la leche. Un saludo a Einstein y a la gente que entendía lo que decía cuando publicó la teoría de la relatividad.

Nos vemos en el siguiente episodio con más historietas del espacio.

¡Astro más ver!