lunes, 3 de septiembre de 2018

Mirar con Nuevos Ojos (I)


Aprendemos sobre todo aquello que nos rodea gracias a la información que recibimos por distintas vías; esta información es procesada y las conclusiones a las que llegamos nos permiten dar una respuesta adecuada, para sobrevivir y prosperar en nuestro entorno. Si hablamos a nivel puramente biológico, la información nos llega a partir de los cinco sentidos… Nuestros ojos pueden percibir las ondas electromagnéticas del espectro visible, con longitudes de onda entre 400 y 700 nanometros. Nuestros oídos detectan ondas sonoras con frecuencias entre 20 y 20.000 hercios y además nos indican cuál es la orientación de nuestra cabeza, para el equilibrio. Los receptores de nuestra piel pueden darnos distintos tipos de información relacionada con la presión ejercida sobre esta, el roce con otra superficie, las vibraciones de los átomos asociadas a las altas o bajas temperaturas, o el dolor que experimentamos al sufrir daños en nuestros tejidos. El gusto y el olfato detectan la presencia de distintos tipos de moléculas (algunas beneficionas, otras perjudiciales) en lo que comemos y bebemos o en el aire que nos rodea. Toda esta información es procesada por nuestro cerebro, que es el que decide cómo reaccionar en cada caso.

Si ampliamos este mismo razonamiento incluyendo los distintos tipos de sensores ideados por la mente humana pero sin salir de nuestro propio Planeta, la cantidad de información disponible aumenta exponencialmente: no solo podemos detectar la luz del visible sino también los infrarrojos, microondas y ondas de radio, así como ultravioletas, rayos X y rayos gamma. También podemos captar ultrasonidos o infrasonidos, además de otras ondas de tipo mecánico como las ondas sísmicas. Podemos medir presiones y temperaturas con mucha mayor precisión y en un rango mucho más amplio, y además tenemos sensores de humedad, pH, corriente y campo eléctricos, campo magnético… Disponemos de muy distintos tipos de indicadores químicos, y de contadores Geiger que nos permiten detectar partículas alfa o beta, identificando así fuentes radiactivas que de otra forma serían invisibles para nosotros… En resumen, la lista es interminable.




Sin embargo, a la hora de recoger información del espacio exterior, el abanico de fenómenos de los que la Humanidad en su conjunto puede hacer uso es bastante más reducido. Es verdad que en el caso de la Luna o planetas cercanos como Marte o Venus podemos enviar sondas espaciales con distintos tipos de sensores que tomen medidas y transmitan los resultados mediante señales de radio; a veces incluso pueden traer de vuelta muestras reales de material para que las analicemos aquí… Pero esto es más difícil de hacer con los planetas más lejanos, y (por ahora) imposible con cualquier cuerpo celeste fuera de nuestro sistema estelar. Las enormes distancias hacen que solo podamos recopilar información de su Pasado (a veces muy remoto) a través del espectro electromagnético. El vacío interplanetario e interestelar impide la propagación del sonido, que como cualquier onda mecánica requiere la presencia de partículas que oscilen para transmitir la energía, y por tanto la información; prueba de ello es el hecho de que no podemos oír el Sol, que sin embargo es realmente ruidoso (De nuestra estrella sí recibimos el viento solar, consistente en partículas emitidas en todas direcciones, pero aun así el espacio que nos separa está bastante vacío… Mejor no entrar en más detalle del necesario).

Es cierto que aunque solo podamos estudiar otras estrellas o galaxias mediante las ondas electromagnéticas, a estas se les puede sacar bastante partido: se pueden analizar los distintos rangos de longitud de onda de los que hablábamos antes (lo que se conoce como astronomía multi-onda), las variaciones de intensidad con la posición y con el tiempo, la frecuencia de parpadeo de determinados fenómenos, las variaciones de posición relativa de distintas estrellas en dos imágenes tomadas desde distintos puntos de la Tierra o incluso de la órbita terrestre, los detalles de regiones más lejanas con las imágenes de mayor resolución tomadas desde fuera de la atmósfera… Además, en las últimas décadas se ha puesto en marcha, en combinación con los distintos tipos de telescopios, la detección de neutrinos, partículas subatómicas que al interaccionar muy poco con la materia pueden viajar también distancias interestelares; pero precisamente el hecho de que sean tan esquivas dificulta bastante el sacarles información útil.

Pues bien, desde hace tres años tenemos una nueva forma de recopilar información acerca del Universo, distinta del espectro electromagnético… También es una onda, también transmite energía a la velocidad de la luz y tampoco necesita la presencia de partículas para propagarse, pero en lugar de consistir en oscilaciones de pequeños campos eléctricos y magnéticos se basa en minúsculas oscilaciones del Espacio y el Tiempo mismos: lo que se conoce como ondas gravitacionales. Pero antes de meternos de lleno a hablar de estas ondas tenemos que hacer una breve introducción a la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.




No es la primera vez que hablamos en el blog de cómo el Espacio y el Tiempo se deforman para hacer que la velocidad de la luz sea una constante, independientemente de la velocidad relativa entre los distintos observadores que la miden. Estas ideas, muy poco intuitivas si nos restringimos a nuestra experiencia habitual del día a día, fueron desarrolladas por Einstein sobre el papel a principios del siglo XX: en 1905 planteó un caso especial más sencillo, con dos observadores alejándose uno del otro en línea recta, a velocidad constante y cercana a la de la luz (si queremos que se note el efecto), y en 1915 proporcionó una explicación más general en la que relacionaba el Tiempo y el Espacio con la gravedad. La primera prueba experimental de estas teorías la obtuvieron Arthur Eddington y Frank Dyson el 29 de mayo de 1919, tras enviarse dos expediciones a Isla Príncipe (en África) y a Sobral (en Sudamérica) para comprobar el efecto de lente gravitacional que la gran masa del Sol ejercía sobre los rayos de luz procedentes de las estrellas lejanas a su alrededor, desviándolos y alterando así ligeramente la posición aparente de las mismas en el cielo. Las medidas se hicieron en esta fecha y lugares aprovechando un eclipse solar, que eliminaba gran parte del intenso brillo que normalmente enmascara dichas posiciones en las imágenes… Fue esta confirmación de sus predicciones la que proporcionó a Einstein la gran fama mundial de la que goza aún hoy en día.

En contra de lo que podría pensarse, actualmente hay aplicaciones prácticas muy importantes de la Relatividad que nos pasan inadvertidas. Hace unos años esbozamos en La Belleza y el Tiempo cómo funcionaba el sistema GPS, pero expliquémoslo en más detalle: consta en total de veinticuatro satélites, propiedad del ejército de los Estados Unidos, y cuando lo usas en tu coche o en tu móvil participan entre tres y cinco satélites, dependiendo de dónde estés. Para proporcionar tu localización exacta con un error menor a diez metros hace falta tener una precisión temporal del orden de nanosegundos (milmillonésimas de segundo), ya que las señales de microondas que se usan para triangular la posición viajan a la velocidad de la luz. Esto hace necesario tener en cuenta las correcciones relativistas, y de más de un tipo, por añadidura. Por un lado, y atendiendo a la teoría de la Relatividad Especial de 1905, los satélites se mueven con una velocidad de 14.000 km/h, así que sus relojes deberían avanzar algo más despacio que los de la superficie terrestre, retrasándose siete microsegundos (millonésimas de segundo) cada día. Según la teoría de la Relatividad General de 1915, los satélites están más lejos de la masa terrestre que nosotros, así que sus relojes deberían ir en consecuencia más rápido, adelantándose cuarenta y cinco microsegundos al día. Esto da una corrección combinada de treinta y ocho microsegundos de adelanto al día que hay que tener en cuenta para que el sistema de posicionamiento no sufra un error de varios kilómetros.

Como veis, esta es una aplicación sumamente útil de las ecuaciones de Einstein que utilizamos a diario… Precisamente en aquella entrada del blog en la que hablamos del GPS enumeramos también otras aplicaciones más espectaculares, como los viajes al Futuro realizados alcanzando velocidades sublumínicas u orbitando cuerpos celestes muy masivos, ideas que por ahora no son más que Ciencia Ficción pero algún día se convertirán en realidad.




Y volvamos a las ondas gravitacionales, estas oscilaciones en el Espacio y el Tiempo que hemos mencionado más arriba. Entre otras posibles causas, podrían ser generadas por dos objetos muy masivos, por ejemplo agujeros negros, girando el uno alrededor del otro en una doble espiral que los va acercando poco a poco. Las perturbaciones causadas por esta interacción gravitatoria se propagarían en todas direcciones, de forma que al llegar a la Tierra producirían pequeñísimas deformaciones del Tiempo y el Espacio: el Tiempo transcurriría ligeramente más rápido y más despacio de forma alterna, y los objetos se estirarían y comprimirían rítmicamente, con efectos contrarios en cada instante en la dirección de propagación de la onda (la radial desde el punto de origen) y en las direcciones perpendiculares. Estas ondas fueron predichas teóricamente por Albert Einstein en 1916, aunque él mismo dijo que sería imposible llegar a detectarlas porque harían falta instrumentos de una precisión inusitada… Pues bien, Einstein se equivocó en esto último.

El objetivo principal de esta entrada era el de resumiros una conferencia impartida en el Auditorio Santiago Grisolía del Museo de Ciencias a la que asistí el pasado 3 de julio, tan solo un día después de mi apacible paseo por La Punta… ¡Vaya cambio más radical! Y estoy viendo en mi agenda que precisamente el 1, 2 y 3 de julio me vi las películas de la trilogía “Antes de…” de Richard Linklater, con lo que se confirma que fueron tres días muy bien aprovechados (y muy bien rentabilizados a efectos de entradas del blog)… Me enteré de la conferencia con muy poca antelación y no había hecho reserva previa, así que no sabía si me encontraría el aforo completo al llegar, pero una vez allí localicé a un par de conocidos a los que les había fallado el acompañante, así que pude entrar sin problemas.




El encargado de dar la conferencia era Barry Barish, octogenario físico norteamericano y profesor emérito de CalTech, ganador (junto a Rainer Weiss y Kip Thorne) del Premio Nobel de Física de 2017 por la observación experimental de ondas gravitacionales en el sistema de detectores LIGO. Haber coordinado desde su concepción en los años 90 un proyecto como este, con una duración de décadas y con cientos o incluso miles de científicos e ingenieros implicados, debe haber sido una tarea titánica, solo apta para las mentes más preclaras. Y como es lógico, al final de la charla había una respetable cola de admiradores (algunos de ellos, algo más jóvenes, realmente emocionados: auténticos “Nobeliebers”) queriendo hacerse un selfie con él… De hecho, cuando yo mismo le estreché la mano y le felicité por lo didáctico de su presentación, después de haberse ido la mayoría de la gente, Barish se quedó extrañado de que no sacara también un móvil para hacerle una foto y obtener una prueba experimental de nuestro breve encuentro.

Me gusta cuando te explican las cosas de primera mano porque no solo te resumen correctamente los conceptos teóricos más importantes, sino que además, ya sea en la propia charla o en el turno de preguntas, te puedes enterar de (o indagar en) detalles más concretos y mundanos que podrían parecer insignificantes pero al menos para mí convierten el tema en algo menos abstracto, mucho más real, cercano y palpable… Y con Barry Barish la información no podría ser más de primera mano: él ha estado metido de lleno en el proyecto desde el primer día, y es sin duda el que mejor lo conoce en su conjunto… La semana que viene hablaremos de estos pequeños detalles y de la fabulosa tecnología que nos ha permitido trascender la materia y percibir el tejido mismo del Espacio-Tiempo, pudiendo así mirar al cielo con nuevos ojos.



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