Física de lo imposible (34 page)

En realidad pueden encontrarse soluciones aún más extrañas a las ecuaciones de Einstein. Sus ecuaciones afirman que dada una cierta cantidad de masa o energía, puede computarse la distorsión de espacio-tiempo que la masa o energía generará (de la misma forma en que si dejamos caer una piedra en un estanque, podemos calcular las ondulaciones que creará). Pero también se pueden seguir las ecuaciones hacia atrás. Podemos empezar con un espacio-tiempo extraño, del tipo que aparece en los episodios de
La dimensión desconocida
. (En estos universos, por ejemplo, podemos abrir una puerta y encontrarnos en la Luna. Podemos rodear un árbol y encontrarnos en un tiempo anterior y con el corazón al lado derecho del cuerpo). Entonces calculamos la distribución de materia y energía relacionada con ese espacio-tiempo particular. (Esto significa que si se nos da una serie de ondas extrañas en la superficie de un estanque, podemos ir hacia atrás y calcular la distribución de piedras necesaria para producir estas ondas). Así fue, de hecho, como Alcubierre obtuvo sus ecuaciones. Él partió de un espacio-tiempo compatible con ir más rápido que la luz, y luego trabajó hacia atrás y calculó la energía necesaria para producirlo.

Aparte de estirar el espacio, la segunda manera posible de romper la barrera de la luz es rasgar el espacio mediante agujeros de gusano, pasadizos que conectan dos universos. En la ficción, la primera mención de un agujero de gusano se debió al matemático de Oxford Charles Dogson, que escribió
A través del espejo
bajo el pseudónimo de Lewis Carroll. El espejo de Alicia es el agujero de gusano que conecta la campiña de Oxford con el mundo mágico del País de las Maravillas. Introduciendo su mano en el espejo, Alicia puede transportarse en un instante de un universo al otro. Los matemáticos llaman a esto «espacios múltiplemente conexos».

El concepto de agujeros de gusano en física data de 1916, un año después de que Einstein publicara su histórica teoría de la relatividad general. El físico Karl Schwarzschild, que entonces servía en el ejército del káiser, pudo resolver exactamente las ecuaciones de Einstein para el caso de una única estrella puntual. Lejos de la estrella, su campo gravitatorio era muy similar al de una estrella ordinaria, y de hecho Einstein utilizó la solución de Schwarzschild para calcular la desviación de la luz en torno a una estrella. La solución de Schwarzschild tuvo un impacto inmediato y profundo en astronomía, e incluso hoy es una de las soluciones mejor conocidas de las ecuaciones de Einstein. Durante generaciones los físicos utilizaron el campo gravitatorio alrededor de una estrella puntual como una aproximación al campo alrededor de una estrella real, que tiene un diámetro finito.

Pero si se toma en serio esta solución puntual, entonces acechando en el centro de ella había un monstruoso objeto puntual que ha conmocionado y sorprendido a los físicos durante casi un siglo: un agujero negro. La solución de Schwarzschild para la gravedad de una estrella puntual era como un caballo de Troya. Desde fuera parecía un regalo del cielo, pero en el interior acechaban todo tipo de demonios y fantasmas. Pero si se aceptaba lo uno, había que aceptar lo otro. La solución de Schwarzschild mostraba que a medida que uno se acercaba a esta estrella puntual, sucedían cosas extrañas. Alrededor de la estrella había una esfera invisible (llamada el «horizonte de sucesos») que era un punto de no retorno. Todo entraba, pero nada podía salir, como en un Roach Motel.
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Una vez que se atravesaba el horizonte de sucesos ya no había vuelta atrás. (Una vez dentro del horizonte de sucesos, uno tenía que viajar más rápido que la luz para escapar al exterior del horizonte de sucesos, y eso sería imposible).

A medida que uno se acercara al horizonte de sucesos sus átomos serían estirados por fuerzas de marea. La gravedad que experimentarían los pies sería mucho mayor que la que experimentaría la cabeza, de modo que uno sería «espaguetificado» y luego desgarrado. Del mismo modo, los átomos del cuerpo también serían estirados y desgarrados por la gravedad.

Para un observador exterior que observase cómo uno se aproximaba al horizonte de sucesos, parecería que uno se estaba frenando en el tiempo. De hecho, cuando uno llegara al horizonte de sucesos, ¡parecería que el tiempo se había detenido!

Además, cuando uno atravesara el horizonte de sucesos vería luz que ha sido atrapada y ha estado dando vueltas alrededor de este agujero negro durante miles de millones de años. Parecería como si uno estuviera observando una película que detallara toda la historia del agujero negro, remontándose hacia atrás hasta su mismo origen.

Y finalmente, si uno pudiera caer recto a través del agujero negro, habría otro universo en el otro lado. Esto se denomina el puente de Einstein-Rosen, introducido por primera vez por Einstein en 1935; ahora se llama un agujero de gusano.

Einstein y otros físicos creían que una estrella nunca podría evolucionar de manera natural hasta un objeto tan monstruoso. De hecho, en 1939 Einstein publicó un artículo en el que demostraba que una masa circulante de gas y polvo nunca se condensaría en tal agujero negro. Por eso, aunque había un agujero de gusano acechando en el centro de un agujero negro, él confiaba en que dicho objeto extraño nunca podría formarse por medios naturales. De hecho, el astrofísico Arthur Eddington dijo en cierta ocasión que «debería haber una ley de la naturaleza que impidiera a una estrella comportarse de esa manera absurda». En otras palabras, el agujero negro era realmente una solución legítima a las ecuaciones de Einstein, pero no había ningún mecanismo conocido que pudiera formar uno por medios naturales.

Todo esto cambió con la aparición de un artículo de J. Robert Oppenheimer y su estudiante Hartland Snyder, escrito ese mismo año, que demostraba que los agujeros negros pueden formarse realmente por medios naturales. Ellos suponían que una estrella moribunda había agotado su combustible nuclear y entonces colapsaba bajo su gravedad, de modo que implosionaba bajo su propio peso. Si la gravedad podía comprimir la estrella hasta que quedase dentro de su horizonte de sucesos, entonces nada conocido por la ciencia podía impedir que la gravedad estrujara la estrella hasta reducirla a una partícula puntual, el agujero negro. (Este método de implosión quizá diera a Oppenheimer la clave para construir la bomba de Nagasaki tan solo unos años después, que depende de la implosión de una esfera de plutonio).

El siguiente avance fundamental llegó en 1963, cuando el matemático neozelandés Roy Kerr examinó el ejemplo quizá más realista de un agujero negro. Los objetos giran más rápidamente cuando se contraen, de la misma forma que los patinadores giran más rápido cuando acercan los brazos al cuerpo. Como resultado, los agujeros negros deberían estar girando a velocidades fantásticas.

Kerr descubrió que un agujero negro en rotación no colapsaría en una estrella puntual, como habría supuesto Schwarzschild, sino que colapsaría a un anillo en rotación. Cualquiera suficientemente desafortunado para chocar con el anillo perecería; pero alguien que cayera en el anillo no moriría, sino que en realidad lo atravesaría. Pero en lugar de acabar en el otro lado del anillo, atravesaría el puente de Einstein-Rosen y acabaría en otro universo. En otras palabras, el agujero negro en rotación es el borde del espejo de Alicia.

Si diera otra vuelta alrededor del anillo en rotación, entraría aún en otro universo. De hecho, entradas repetidas en el anillo en rotación colocarían a una persona en diferentes universos paralelos, algo muy parecido a apretar el botón «subida» en un ascensor. En principió podría haber un número infinito de universos, uno encima de otro. «Atraviesa este anillo mágico y —¡presto!— está usted en un universo completamente diferente donde radio y masa son negativos», escribió Kerr.
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Hay un grave inconveniente, sin embargo. Los agujeros negros son ejemplos de «agujeros de gusano no practicables»; es decir, el paso a través del horizonte de sucesos es un viaje de una sola dirección. Una vez que uno atraviesa el horizonte de sucesos y el anillo de Kerr, ya no puede volver atrás a través del anillo y salir a través del horizonte de sucesos.

Pero en 1988 Kip Thorne y sus colegas en el Caltech encontraron un ejemplo de un agujero de gusano practicable, es decir, uno a través del cual se podía pasar libremente de un lado a otro. De hecho, en una solución, el viaje a través de un agujero de gusano no sería peor que ir en un avión.

Normalmente la gravedad estrangularía la garganta del agujero de gusano y destruiría a los astronautas que trataran de llegar al otro lado. Esta es una razón por la que no es posible viajar más rápido que la luz a través de un agujero de gusano. Pero la fuerza repulsiva de la energía negativa o la masa negativa podría mantener la garganta abierta el tiempo suficiente para permitir a los astronautas un paso limpio. En otras palabras, masa o energía negativa es esencial tanto para el propulsor de Alcubierre como para la solución agujero de gusano.

En los últimos años se ha encontrado un número sorprendente de soluciones exactas a las ecuaciones de Einstein que permiten agujeros de gusano. Pero ¿realmente existen agujeros de gusano, o son solo un objeto matemático? Hay varios problemas importantes con los agujeros de gusano.

En primer lugar, para crear las violentas distorsiones de espacio y tiempo necesarias para atravesar un agujero de gusano, se necesitarían cantidades fabulosas de materia positiva y negativa, del orden de una estrella enorme o un agujero negro. Matthew Visser, un físico de la Universidad de Washington, estima que la cantidad de energía negativa que se necesitaría para abrir un agujero de gusano de un metro es comparable a la masa de Júpiter, salvo que tendría que ser negativa. Dice: «Se necesita aproximadamente menos una masa de Júpiter para hacer el trabajo. Manipular una masa de Júpiter de energía positiva ya es bastante inverosímil, mucho más allá de nuestras capacidades en un futuro previsible».
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Kip Thorne, del Caltech, especula con que «resultará que las leyes de la física permiten suficiente materia exótica en agujeros de gusano de tamaño humano para mantener abierto el agujero. Pero también resultará que la tecnología para hacer agujeros de gusano y mantenerlos abiertos está inimaginablemente más allá de las capacidades de nuestra civilización humana».
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En segundo lugar, no sabemos qué estabilidad tendrían estos agujeros de gusano. La radiación generada por estos agujeros de gusano podría matar a cualquiera que entrara en ellos. O quizá los agujeros de gusano no serían estables en absoluto, y se cerraran en cuanto alguien entrara en ellos.

En tercer lugar, los rayos luminosos que cayeran en el agujero negro serían desplazados hacia el azul; es decir, alcanzarían una energía cada vez mayor a medida que se acercaran al horizonte de sucesos. De hecho, en el propio horizonte de sucesos la luz está infinitamente desplazada hacia el azul, de modo que la radiación procedente de esta energía incidente podría matar a cualquiera a bordo de un cohete.

Discutamos estos problemas con cierto detalle. Un problema está en acumular energía suficiente para rasgar el tejido del espacio y el tiempo. La manera más sencilla de hacerlo es comprimir un objeto hasta que se haga más pequeño que su «horizonte de sucesos». En el caso del Sol, esto significa comprimirlo hasta unos 3 kilómetros de diámetro, momento en el que colapsará en un agujero negro. (La gravedad del Sol es demasiado débil para comprimirlo de forma natural hasta 3 kilómetros, de modo que nuestro Sol nunca se convertirá en un agujero negro. En principio, esto significa que cualquier cosa, incluso usted, podría convertirse en un agujero negro si se comprimiera lo suficiente. Esto significaría comprimir a todos los átomos de su cuerpo a distancias menores que las subatómicas —una hazaña que está más allá de las capacidades de la ciencia moderna).

Una aproximación más práctica sería reunir una batería de rayos láser para disparar un haz intenso a un punto concreto. O construir un enorme colisionador de átomos para crear dos haces, que entonces colisionarían entre sí a energías fantásticas, suficientes para producir un pequeño rasguño en la fábrica del espacio-tiempo.

Se puede calcular la energía necesaria para crear una inestabilidad en el espacio y el tiempo: es del orden de la energía de Planck, o 1028 electrones-voltio. Este es un número inimaginablemente grande, un trillón de veces mayor que la energía alcanzable con la más potente máquina actual, el gran colisionador de hadrones (LHC), situado en las afueras de Ginebra, Suiza. El LHC es capaz de hacer dar vueltas a protones en un gran «donut» hasta que alcanzan energías de billones de electrones-voltio, energías no vistas desde el big bang. Pero incluso esta monstruosa máquina se queda muy lejos de producir energías próximas a la energía de Planck.

El siguiente acelerador de partículas después del LHC será el colisonador lineal internacional (ILC). En lugar de curvar la trayectoria de partículas subatómicas en un círculo, el ILC las lanzará en una trayectoria recta. Se inyectará energía a medida que las partículas se muevan a lo largo de esta trayectoria, hasta que alcancen energías inimaginablemente grandes. Entonces un haz de electrones colisionará con antielectrones, creando una enorme ráfaga de energía. El ILC tendrá de 30 a 40 kilómetros de longitud, o 10 veces la longitud del acelerador lineal de Stanford, actualmente el mayor acelerador lineal. Si todo va bien, el ILC estará terminado en algún momento de la próxima década.

La energía producida por el ILC será de 0,5 a 1,0 billones de electrones-voltio —menos que los 14 billones de electrones-voltio del LHC, pero esto es engañoso. (En el LHC, las colisiones entre los protones tienen lugar entre los quarks constituyentes que forman el protón. Por ello, las colisiones en las que intervienen los quarks son de menos de 14 billones de electrones-voltio. Por esto es por lo que el ILC producirá energías de colisión mayores que las del LHC). Además, puesto que el electrón no tiene constituyentes conocidos, la dinámica de las colisiones entre electrón y antielectrón es más simple y más limpia.

Pero en realidad, también el ILC se queda a mucha distancia de poder abrir un agujero en el espacio-tiempo. Para eso se necesitaría un acelerador un trillón de veces más potente. Para nuestra civilización de tipo 0, que utiliza plantas muertas como combustible (por ejemplo, petróleo y carbón), esta tecnología está mucho más allá de cualquier cosa que podamos imaginar. Pero podría hacerse posible para una civilización tipo III.