APUNTES ESPACIALES

La imagen de cabecera de esta entrada es una fotografía del universo 400.000 años después del Big Bang, es decir, hace 13.699,6 millones de años. No es el instante primigenio, pero casi. A escala cosmológica, 400.000 años es una cantidad de tiempo prácticamente despreciable. Me gustaría recalcar que la imagen es una verdadera fotografía, es decir, no es una imagen sintetizada en laboratorio, sino que es luz (fotones) como la que captan nuestros ojos, como la que emite el Sol y permite que podamos ver la Luna, las calles de nuestra ciudad, un libro o a nosotros mismos. Únicamente los colores son falsos, e indican los lugares más calientes y densos de ese caldo a partir del cual se formó todo lo que conocemos, todo lo que nos rodea. La imagen se tomó a partir de la radiación de fondo que aún campea por todo el universo y que no es otra cosa que el eco de la Gran Explosión, un eco también llamado radiación fósil.

Últimamente he sustituido en buena medida mis lecturas literarias por otras meramente informativas y de entretenimiento: lecturas de divulgación científica. Lo que he ido aprendiendo, aunque sea de forma grosera y sin profundidad, me ha dejado tan pasmado y tan meditabundo que he decidido escribir un poco sobre ello aunque sólo sea para poner un poco en orden mis confusas ideas acerca de materia tan interesante. Al fin y al cabo, creo que merece la pena preguntarse un poco acerca de dónde viene todo lo que nos rodea y, en último término, a dónde va, es decir, cuál es el destino último del universo y, por extensión, de nosotros mismos. En el camino que lleva a intentar responder a tan fundamentales preguntas uno se entera de cosas que jamás habría imaginado, pues que las leyes físicas, o mejor dicho algunas leyes físicas, rompen en mil pedazos nuestra concepción de las cosas. Pero no es nuestra culpa, porque al fin y al cabo nuestro cerebro se mueve bajo unos parámetros a los que está acostumbrado, y salirse de ellos requiere de un importante esfuerzo de imaginación.

Repito que no está en mi ánimo profundizar ni menos excederme con erudiciones para las que no estoy en absoluto preparado, menos aún en este ámbito del saber. Ello sería una grave insensatez por mi parte y, sobre todo, una irrefutable muestra de estupidez. La única razón que me impulsa es poner un poco de orden en mi cabeza acerca de todo lo aprendido y compartir mi fascinación y estupor por las leyes de la naturaleza, las que rigen todo lo que nos rodea y las que nos rigen a nosotros mismos. Si todo está en todo, como parece y es de suponer, ¿podríamos llegar a entender nuestro propio comportamiento ayudándonos de lo que aprendamos del cosmos? ¿Y viceversa? Estas son las preguntas que me hecho alguna vez, de las que han salido algunas entradas (literarias) en este blog. Porque, no debe olvidarse nunca, el Hombre no es hijo de la Historia, sino de la Naturaleza.

De modo que en lo que sigue abandonaré el estilo literario para ceñirme a lo que sé y a la realidad de las cosas tal y como las he comprendido. Es decir, un simple ensayo. Será como los trabajos que nos mandaban en el colegio, sólo que prometo no hacer “corta y pega”, sino, simplemente, ir escribiendo lo que entendí como si se lo explicara a un amigo.

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TODO SE ALEJA DE TODO

En la década de los veinte del siglo XX, Edwing Hubble descubrió una característica del universo que pondría patas arriba cualquier concepción anterior sobre el mismo: las galaxias no están estáticas en el cielo, sino que se mueven, y lo hacen alejándose unas de otras, más rápido cuanto más alejadas están. Es decir, la galaxia más lejana de nosotros se aleja mucho más rápidamente que otras más cercanas. Además, no se alejan de forma desordenada y arbitraria, sino muy ordenadamente: si uniéramos tres de esas galaxias con tres líneas, formando un triángulo, veríamos como el triángulo crecería, sin variar en absoluto su forma.

Por tanto, el universo no es estático, como parece a simple vista, sino que cada vez se hace más grande, más oscuro y más frío. El universo se está expandiendo. Ahora bien, si todo se aleja de todo, entonces hubo un momento en el pasado en que todo estaba con todo, en que toda la materia estaba concentrada en un único punto. Así fue como se llegó a la teoría del Big Bang, que es la que acepta la mayoría de científicos. Hoy se sabe que el universo tiene una edad de 13.700 millones de años.

Hay una imagen que captó el telescopio espacial Hubble llamada Campo ultraprofundo (ver la entrada de este blog A hombros de gigantes) en la que se observa un conjunto un tanto caótico y apretujado de galaxias. El ojo humano no ha conseguido llegar más allá en su visión del cosmos. En realidad, tampoco puede esperar ver mucho más allá, puesto que esas galaxias se hallan casi en el límite del horizonte espacial, en el límite del universo observable. Más allá no hay nada, y si lo hay, no podemos verlo.

¿Por qué no podemos verlo? Las galaxias de la imagen (situadas a unos 13.000 millones de años luz de distancia) se están alejando de nosotros a una tasa casi igual a la de la velocidad de la luz. ¿Es posible que una galaxia se aleje de nosotros a una tasa superior a la de la velocidad de la luz si, como dice la teoría de la relatividad de Einstein, la velocidad de la luz es la máxima permitida en el universo? Sí es posible, y en tal caso, los fotones (partículas que forman las ondas de luz) nunca podrán alcanzarnos.

Esta es la razón por la que se habla del “universo observable”. Si detrás de ese horizonte cósmico hay algo más, es algo que se puede suponer pero que no se puede ver. La velocidad de la luz es la mayor velocidad que se puede alcanzar, un límite imposible de rebasar. Eso es así, y no tiene vuelta de hoja. Entonces, ¿cómo es posible que una galaxia se aleje de nosotros a una tasa mayor que la de la velocidad de la luz? ¿No viola eso la teoría de la relatividad de Einstein? No, en absoluto. Cuando dos galaxias se alejan una de otra, no son ellas las que se mueven, sino que es el espacio entre ambas el que se amplía. No se trata de un movimiento como lo concebimos ordinariamente: ir de un punto A a un punto B en X tiempo. Las galaxias no se mueven en el espacio, sino con el espacio. Y esa tasa de alejamiento puede ser mucho mayor que la velocidad de la luz, sin violar por ello las leyes que predijo Einstein con su famosa teoría.

FINITO, ILIMITADO

Del descubrimiento de Hubble puede inferirse que, si todo estuvo en todo, si todo estuvo en un único punto primordial, el universo es ciertamente finito, y no infinito como se admitía anteriormente de forma general. Ahora bien, que el universo sea finito no quiere decir que tenga límites. Un avión con combustible ilimitado que sobrevolara la esfera terrestre podría hacerlo eternamente, y nunca encontraría los confines de la Tierra. Y no los encontraría porque, al ser la Tierra una esfera, tales confines no existen. En cambio, es evidente que la Tierra no es infinita.

¿Sucede lo mismo en el universo? ¿Es el universo una esfera gigantesca finita pero ilimitada? En tal caso, podríamos, con una imaginaria nave espacial que fuera mucho más rápido que la luz, dar vueltas y vueltas entre las galaxias sin encontrar nunca sus confines. Las galaxias que viésemos se repetirían cada cierto tiempo, simplemente porque serían las mismas. Daríamos vueltas y pasaríamos una y otra vez por los mismos lugares, pero podríamos hacerlo indefinidamente. El universo es, por tanto, ilimitado, aunque no sea infinito.

Ahora bien, ello implicaría que el universo no es plano, sino que tiene una curvatura intrínseca. Al menos la teoría de la relatividad de Einstein no niega tal posibilidad, no hay nada que impida decir que el universo, en efecto, es curvo en tres dimensiones. Sin embargo, el estudio de la imagen de microondas, la radiación fósil, ha deparado que no existe tal curvatura, y que por tanto la geometría del espacio cósmico es plana en tres dimensiones.

¿Qué quiere decir que la geometría del universo es plana o curva en tres dimensiones? En primer lugar, hay que recordar algunos principios básicos de geometría:

1) Líneas, superficies y volúmenes. Una línea es un espacio de una dimensión; una superficie, un espacio de dos dimensiones, y un volumen, un espacio de tres dimensiones.

2) Concepto de curvatura. Una línea puede ser recta o curva. Su curvatura puede ser diferente en distintos puntos. Una superficie puede ser plana (la página de un libro) o curva (la superficie de una pelota). Y la curvatura puede tener varios valores, según el tamaño de la pelota.

Aquí nos tropezamos con un muro que nos pone nuestro propio cerebro: así como es muy fácil hacernos a la idea de la curvatura de una línea o una superficie, es imposible representar e imaginar un espacio de tres dimensiones con curvatura. Pero que no podamos imaginarlo ni representarlo no significa que no exista, y de hecho sabemos que existe gracias a las matemáticas, gracias, en último término, a nuestra inteligencia.

CONGLOMERADO DE ÉPOCAS

A nosotros nos parece que la luz se mueve a una velocidad inimaginable, monstruosa. Puede que, a las escalas a que estamos acostumbrados, sea así. Sin embargo, la luz, a escala cósmica, va a paso de tortuga. Es de una lentitud que, por otra parte, nos permite tener una —o, mejor dicho, muchas— ventanas al pasado, a cómo fue el universo en una época más o menos remota de su existencia.

Si miramos a una estrella que está a 4 años luz, la vemos tal y cómo fue hace cuatro años, el tiempo que su luz ha tardado en llegar hasta nosotros. Si vemos una galaxia que está a 13.000 millones de años luz, la vemos tal y como era hace 13.000 millones de años, es decir, poco después del Bing Bang. El Sol lo vemos tal y como era hace ocho minutos, y la Luna, el objeto celeste más cercano, tal y como era hace un segundo. En realidad, desde la Tierra nunca tenemos una imagen “en directo” de nada de lo que está ahí fuera, lo cual, aunque pueda parecer descorazonador, es en realidad una bendición, porque nos abre de par en par una ventana al pasado y nos permite saber, paso a paso, cómo ha sido la evolución de todo lo que nos rodea desde el Big Bang e incluso remontarnos hasta el Big Bang mismo.

El universo, por tanto, nunca se nos presenta tal y como es, y tampoco tal y como fue en el pasado. En realidad, es cada objeto individual el que se nos presenta tal y como fue. El universo, visto desde nuestra posición, es un conglomerado de todas las épocas, un collage de tiempos más o menos lejanos, desde unos pocos minutos atrás hasta decenas de miles de millones de años. La velocidad de la luz es la que es y las cosas son como son.

RELATIVIDAD RESTRINGIDA

En la física clásica de Newton, las velocidades se suman. Si un tren va a 20 kilómetros por hora y una persona situada en su techo lanzase un balón hacia adelante a 20 kilómetros por hora, para nosotros, que estamos quietos respecto al tren, ese balón llevaría una velocidad de 40 kilómetros hora. Para el lanzador del balón, en cambio, el balón iría a 20 kilómetros por hora, al igual que para cualquier observador que estuviera subido al tren.

Esto, que tan bien funciona para balones tirados desde un tren y para velocidades normales, no funciona para la luz. A finales del siglo XIX se descubrió que la luz llevaba la misma velocidad (299.793 kilómetros por segundo en el vacío) para todos, independientemente del observador que realizase la medición. Ello ponía en tela de juicio algunos conceptos que se tenían hasta entonces como irrefutables, sobre todo en lo que toca al espacio y al tiempo.

De los cálculos que Einstein llevó a cabo para explicar el hecho de que la velocidad de la luz fuera la misma para todos los observadores nació en 1905 la teoría de la relatividad restringida, ampliada en 1915 con la teoría de la relatividad general.

La teoría de la relatividad destroza de un plumazo dos verdades que se tenían como irrefutables: que el tiempo era absoluto, es decir, que su tasa de avance era el mismo para todos, y que el espacio también lo era, es decir, que todos los geómetras, con los mismos aparatos de precisión, deberían medir exactamente las mismas longitudes.

En lugar de ello, se descubrió que el tiempo y el espacio eran indivisibles, que fluían conjuntamente dependiendo el uno del otro, naciendo el concepto de espacio-tiempo.

Para empezar, Einstein descubrió que el paso del tiempo para un observador determinado depende de la velocidad a que se mueva y de la gravedad a que esté sometido. Es un hecho contrastado que el tiempo pasa más despacio para alguien que se mueve a altas velocidades que para alguien que esté parado respecto al que se mueve. Asimismo, el tiempo pasa más despacio para alguien que se ve sometido a una fuerte gravedad que para alguien alejado de esa fuerza de gravedad. El paso del tiempo es más lento para alguien que se desplace en un Fórmula Uno que para alguien que esté parado, viendo la televisión en su casa por ejemplo. Un habitante de Barcelona, ciudad situada a nivel del mar, ve pasar el tiempo más despacio que otro en la cima del Everest, porque la gravedad a nivel del mar es ligeramente más intensa, al estar más cerca del centro de la Tierra.

Sin embargo, en estos ejemplos las diferencias son tan pequeñas que se pueden despreciar. Nuestros sentidos son incapaces de notarlas, y sólo se han visto mediante instrumentos de medición extremadamente precisos. Cuando de verdad se sienten los efectos es a velocidades cercanas a la de la luz y bajo fuerzas gravitatorias realmente grandes, como las de los agujeros negros. Todo ello es, además, relativo, no absoluto. Es decir, cuando decimos que para alguien pasa el tiempo más despacio, siempre lo decimos respecto a otro. No hay una única medida del tiempo, sino infinidad de ellas, y todas distintas. Una medida no puede entenderse sin otra que la complemente.

De sus cálculos Einstein halló que el paso del tiempo en un objeto es más lento a medida que se aproxima a la velocidad de la luz, hasta detenerse en dicho punto. Para un fotón (partícula de luz), que viaja a la velocidad constante de 299.793 k/s en el vacío (tan pronto como nace se pone a viajar a esa velocidad) el tiempo simplemente no pasa, se detiene. Es para nosotros, los observadores estáticos, para quienes pasa el tiempo, no para el fotón.

Halló también que la masa de un objeto en movimiento aumenta con la velocidad, hasta hacerse infinita en el límite no rebasable de la velocidad de la luz.

Halló también que la longitud del objeto en movimiento se acorta en la dirección del movimiento, hasta hacerse nula a la velocidad de la luz.

Halló también que para hacer que un objeto se moviera a la velocidad de la luz habría que administrar una cantidad de energía infinita.

Halló también que la masa es una forma de energía (la famosa ecuación E=mc2).

RELATIVIDAD GENERAL

En 1915 Einstein amplió su primera y revolucionaria teoría con la relatividad general. En ella describe también el comportamiento de los efectos gravitatorios. Básicamente, lo que Einstein demostró fue que la gravedad, que hasta entonces se tenía como una fuerza de atracción, no era en realidad una fuerza, sino la consecuencia de que la masa curva el espacio, dependiendo esa curvatura de lo grande que sea la masa.

Los cuerpos en el espacio se mueven siguiendo una geodésica. Una geodésica es el camino más corto —o más largo— entre dos puntos dados. Hemos dicho que la masa curva (deforma) el espacio. Imaginemos que un cuerpo se desplaza por el espacio y de repente pasa cerca de un cuerpo más masivo, una estrella por ejemplo. Al estar ese espacio curvado por la presencia de la estrella, el cuerpo errante, que seguirá siempre su camino trazando esa geodésica, no tendrá más remedio que inscribirse bajo la fuerza gravitacional de esa estrella. Si es suficientemente masiva, la curvatura será tan acentuada que hará que el cuerpo que antes viajaba en línea recta lo haga ahora dando vueltas alrededor de su nuevo compañero, sin dejar nunca de seguir esa geodésica. Si la estrella mantiene su masa, el cuerpo seguirá ligado gravitacionalmente a ella. Pero no es que la estrella ejerza una fuerza, sino que es la geometría del espacio, curvada por una masa, la que ha creado esa gravedad.

(Continuará, si Dios o los átomos me dan fuerzas y un poco de sabiduría)