El universo elegante (17 page)

No obstante, durante la última década se ha ido acumulando un conjunto cada vez más amplio de pruebas experimentales relativas a la existencia de los agujeros negros. Evidentemente; dado que son negros, no pueden observarse directamente barriendo el cielo con los telescopios. En vez de eso, los astrónomos buscan agujeros negros detectando comportamientos anómalos en otras estrellas emisoras de luz más corrientes que pueden estar situadas justo fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro. Por ejemplo, cuando el gas y el polvo de las capas exteriores de estrellas corrientes caen hacia el horizonte de sucesos de un agujero negro, se aceleran hasta alcanzar casi la velocidad de la luz. A estas velocidades, la fricción que se produce dentro del torbellino de materia que cae en remolinos hacia abajo, genera una enorme cantidad de calor que hace que la mezcla de polvo y gas se ponga «incandescente», emitiendo luz visible y rayos X. Puesto que esta radiación se produce justamente en el exterior del horizonte de sucesos, puede escapar del agujero negro y viajar a través del espacio, con lo que es posible observarla y estudiarla directamente. La relatividad general proporciona unas predicciones detalladas sobre las propiedades que tendrán estas emisiones de rayos X; la observación de estas propiedades predichas aporta pruebas contundentes, aunque indirectas, de la existencia de agujeros negros. Por ejemplo, una cantidad cada vez mayor de pruebas indica que existe un agujero negro de gran masa —aproximadamente dos millones y medio de veces la masa del Sol— situado en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Además, hay que decir que incluso este agujero negro, aparentemente gigantesco, se queda pequeño si lo comparamos con los que los astrónomos creen que existen en el núcleo de los quásares asombrosamente luminosos que están diseminados por el cosmos: agujeros negros cuyas masas pueden ser
miles de millones
de veces la del Sol.

Schwarzschild murió sólo unos pocos meses después de encontrar la solución que lleva su nombre. Tenía cuarenta y dos años y su muerte se produjo a consecuencia de una enfermedad cutánea que contrajo en el frente ruso. Su trágicamente breve encuentro con la teoría de la gravedad de Einstein desveló una de las facetas más impactantes y misteriosas del mundo natural.

El segundo ejemplo en el que la relatividad general funciona se refiere al origen y la evolución de la totalidad del universo. Como ya hemos visto, Einstein mostró que el espacio y el tiempo responden ante la presencia de masa y energía. Esta distorsión del espacio-tiempo afecta al movimiento de otros cuerpos cósmicos que se desplazan en la proximidad de los alabeos resultantes. A su vez, el modo exacto en que se mueven estos cuerpos, en virtud de su propia masa y energía, tiene un efecto añadido sobre el alabeo del espacio-tiempo, que a su vez afecta al movimiento de los cuerpos, y así sucesivamente continúa la danza cósmica interconectada. Mediante las fórmulas de la relatividad general, basadas en aspectos geométricos del espacio curvo que constituían la vanguardia de los conocimientos introducidos por Georg Bernhard Riemann (después hablaremos más sobre Riemann), Einstein pudo describir la evolución relativa del espacio, el tiempo y la materia cuantitativamente. Para su sorpresa, cuando las ecuaciones se aplicaban al universo en su conjunto, más allá de un contexto aislado dentro del universo, como un planeta o un cometa describiendo órbitas alrededor de una estrella, se llegaba a una interesante conclusión:
el tamaño total del universo espacial debe estar cambiando con el tiempo
. Es decir, la estructura del universo se está ampliando o se está reduciendo, pero no permanece invariable. Las fórmulas de la relatividad general lo muestran explícitamente.

Esta conclusión era
too much
(demasiado), incluso para Einstein. Había dado la vuelta a la intuición general relativa a la naturaleza del espacio y del tiempo que se había ido construyendo durante miles de años mediante experiencias cotidianas, pero la noción de un universo que siempre había existido y nunca cambiaba estaba demasiado fuertemente arraigada como para que incluso este pensador radical pudiera abandonarla. Por esta razón, Einstein revisó sus fórmulas y las modificó introduciendo algo denominado constante cosmológica, un término adicional que le permitía evitar esta predicción y, una vez más, gozar de la comodidad de un universo estático. Sin embargo, doce años más tarde, mediante mediciones detalladas de galaxias lejanas, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble estableció experimentalmente que el universo se expande. Según una historia que se ha hecho famosa en los anales de la ciencia, Einstein volvió después a la forma original de sus fórmulas, definiendo su modificación temporal como el mayor error de su vida.
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A pesar de su resistencia inicial a aceptar esta conclusión, la teoría de Einstein predecía la expansión del universo. De hecho, al principio de la década de 1920 —varios años antes de las mediciones de Hubble— el meteorólogo ruso Alexander Friedmann había utilizado las fórmulas originales de Einstein para mostrar, con cierto detalle, que todas las galaxias se desplazarían en el sustrato de una estructura espacial que se estira, alejándose así rápidamente unas de otras. Las observaciones de Hubble y otras muchas que se realizaron posteriormente, han verificado minuciosamente esta asombrosa conclusión de la relatividad general. Al ofrecer la explicación de la expansión del universo, Einstein realizó una de las mayores hazañas intelectuales de todos los tiempos.

Si la estructura del espacio se está expandiendo, aumentando así la distancia entre las galaxias que se desplazan en el flujo cósmico, podemos imaginar que la evolución retrocede en el tiempo, para aprender sobre el origen del universo. A la inversa, la estructura del espacio se contrae, haciendo que todas las galaxias se aproximen cada vez más unas a otras. Como les sucede a los alimentos en una olla a presión, cuando el universo comprime las galaxias acercándolas, la temperatura aumenta rápidamente, las estrellas se desintegran y se forma un plasma caliente de constituyentes elementales de la materia. A medida que la estructura sigue contrayéndose, la temperatura asciende sin cesar, lo mismo que la densidad del plasma primordial. Cuando imaginamos que el reloj retrocede unos 15.000 millones de años a partir de la edad del universo que observamos actualmente, este universo se comprime hasta alcanzar un tamaño aún menor. La materia que constituye
todas las cosas
—cada automóvil, cada casa, cada edificio o montaña sobre la Tierra; la propia Tierra; la Luna; Saturno, Júpiter y todos los planetas; el Sol y todas las demás estrellas de la Vía Láctea; la galaxia de Andrómeda con sus 100.000 millones de estrellas, y todas y cada una de las más de 100.000 de galaxias— queda comprimida por un tornillo cósmico hasta tener una densidad asombrosa. Y si el reloj retrocede a épocas aún más tempranas, la totalidad del cosmos se comprime hasta adquirir el tamaño de una naranja, un limón, un guisante, un grano de arena, y a tamaños aún más diminutos. Extrapolando todo el camino de vuelta al «comienzo» de su existencia, parecería como si el universo hubiese empezado siendo un
punto
—una imagen que reexaminaremos críticamente en posteriores capítulos— en el que toda la materia y la energía estaría comprimida alcanzando una densidad y una temperatura inimaginables. Se cree que una bola de fuego cósmica, el
big bang
, surgió en una erupción a partir de esta mezcla volátil, arrojando las semillas a partir de las cuales evolucionó el universo hasta llegar a ser lo que hoy conocemos.

La imagen del
big bang
como una explosión cósmica que lanza al exterior los contenidos materiales del universo; como la metralla que expulsa una bomba al explotar, resulta útil para que nuestra mente se haga una idea de lo que pudo ser, pero es algo equívoca. Cuando una bomba explota, lo hace en un lugar concreto del espacio y en un momento concreto del tiempo. Lanza su contenido al espacio que la rodea. Pero en el
big bang
no hay espacio alrededor. Cuando devolvemos el universo hacia su comienzo, la compresión de todo el contenido material se produce porque todo el espacio se está contrayendo. La vuelta al tamaño de una naranja, al tamaño de un guisante, al tamaño del grano de arena, representan el total del universo, no algo que está dentro del universo. Cuando volvemos a los inicios, resulta sencillamente que no hay espacio fuera de la granada de mano que tiene el tamaño de una cabeza de alfiler. Por el contrario, el
big bang
es la erupción de espacio comprimido cuyo despliegue, como un maremoto, transporta materia y energía incesantemente, incluso en nuestros días.

En los experimentos realizados con nuestro nivel actual de tecnología no se han hallado desviaciones con respecto a las predicciones de la relatividad general. Sólo el tiempo dirá si con una mayor precisión experimental se podrá descubrir por fin algo que indique que también esta teoría es sólo una descripción aproximada de cómo funciona la naturaleza realmente. La comprobación sistemática de teorías con unos niveles de exactitud cada vez mayores es, ciertamente, una de las maneras de progresar de la ciencia, pero no es la única. De hecho, ya hemos visto uno de estos casos: la búsqueda de una nueva teoría de la gravedad se inició, no por una refutación experimental de la teoría de Newton sino más bien por el conflicto de la teoría de la gravedad de Newton con otra teoría: la relatividad especial. Tuvo que producirse el descubrimiento de la relatividad general como una competidora de la teoría de la gravedad para que se identificaran unas fisuras en la teoría de Newton por el procedimiento de constatar unas diferencias muy pequeñas, pero medibles, entre los resultados de ambas teorías. De este modo, resulta que unas incoherencias teóricas internas pueden desempeñar un papel tan decisivo para conseguir avances, como pueden desempeñarlo otras veces los datos experimentales.

Durante el último medio siglo, la física se ha visto enfrentada con otro conflicto teórico más cuya importancia está a la par con la del que existe entre la relatividad especial y la teoría de la gravedad de Newton. La relatividad general resulta ser fundamentalmente incompatible con otra teoría que está también extraordinariamente bien comprobada:
la mecánica cuántica
. Por lo que respecta a las cuestiones tratadas en este capítulo, el conflicto impide a los físicos comprender qué es lo que realmente les sucede al espacio, al tiempo y a la materia cuando estaban todos ellos brutalmente comprimidos en el momento del
big bang
o en el punto central de un agujero negro. Sin embargo, de una forma más general, el conflicto nos alerta sobre una deficiencia fundamental que presenta nuestra manera de concebir la naturaleza. La resolución de este conflicto ha escapado a los intentos de lograrla que han realizado algunos de los físicos teóricos más grandes, dando a dicho conflicto una bien medida reputación de ser
el problema central
de la física teórica moderna. La comprensión de este conflicto requiere familiarizarse primero con algunas características básicas de la teoría cuántica, que es lo que vamos a tratar a continuación.

U
n poco agotados después de su expedición al sistema transolar, George y Gracie vuelven a la Tierra y se van al bar H-barra para tomar una copa, que es lo que apetece después de pasar una temporada en el espacio: George pide lo de siempre —zumo de papaya con hielo para él y una tónica con vodka para Gracie— y gira hacia atrás en su taburete, con las manos enlazadas detrás de la cabeza, para disfrutar de un cigarro puro que acaba de encender. Sin embargo, justo cuando se dispone a inhalar el humo, se lleva la sorpresa de ver que el cigarro ha desaparecido de entre sus dientes. Pensando que de algún modo se ha debido de caer de la boca, George se inclina hacia delante esperando encontrar un agujero ardiendo en su camiseta o en sus pantalones. Pero no está ahí. El cigarro no aparece. Gracie, alertada por el movimiento brusco de George, mira por encima y descubre que el cigarro está sobre el mostrador, justo
detrás
del taburete en que se sienta George. «Qué raro», dice George, «¿cómo demonios puede haber ido a parar ahí? Es como si hubiera atravesado mi cabeza, pero no tengo la lengua quemada y no parece que tenga más agujeros de los habituales». Gracie examina a George y confirma extrañada que la lengua y la cabeza de George parecen perfectamente normales. En cuanto llegan las bebidas, George y Gracie se encogen de hombros y añaden el caso del cigarro caído a la lista de pequeños misterios de la vida. Pero siguen pasando cosas raras en el bar H-barra.

George mira su zumo de papaya y se da cuenta de que los cubitos de hielo no paran de traquetear —rebotando uno contra otro y contra las paredes del vaso como automóviles sobrecargados en una pista de autos de choque—. Y esta vez el extraño caso no le sucede sólo a él. Gracie levanta su vaso, cuyo tamaño es más o menos la mitad del de George; y ambos ven que allí también los cubitos de hielo rebotan por todas partes y aún más frenéticamente. Después, apenas pueden distinguir los cubitos unos de otros, pues todos ellos se funden juntos en una masa de hielo. Sin embargo, nada de esto es comparable a lo que sucede a continuación. Mientras George y Gracie están mirando con los ojos como platos el baile que se organiza en la bebida de ésta, ven cómo un cubito de hielo
atraviesa
la pared del vaso y cae sobre la barra. Tocan el vaso y comprueban que está intacto; de algún modo, el cubito de hielo ha atravesado la pared sólida del vaso sin producirle ningún daño. «Esto tienen que ser las alucinaciones típicas que se producen después de un paseo por el espacio», dice George. Ambos desisten de volverse locos ladeando sus vasos para que los cubitos choquen con las paredes de los mismos, y se encaminan hacia sus respectivas casas para descansar. En absoluto se dan cuenta George y Gracie de que, con las prisas por marcharse, han tomado por auténtica una puerta que está pintada como motivo decorativo en una de las paredes del bar H-barra. Pero el personal de este bar está muy acostumbrado a que la gente pase a través de las paredes y apenas se dan cuenta de la precipitada salida de George y Gracie.

Hace un siglo, mientras Conrad y Freud iluminaban el corazón y el alma de la oscuridad, el físico alemán Max Planck proyectó el primer rayo de luz sobre la mecánica cuántica, un marco conceptual que afirma entre otras cosas que las experiencias de George y Gracie en el bar H-barra —si se analizan a nivel microscópico— no tienen por qué deberse a que sus facultades mentales estuvieran perturbadas. Unos hechos tan poco habituales y extraños como aquellos son típicos del comportamiento real de nuestro universo a una escala extremadamente pequeña.