jueves, 30 de agosto de 2012

El agujero negro


Los agujeros negros son objetos muy simples, sin embargo, su existencia genera multitud de efectos que la Física difícilmente puede analizar. Para comprender como se forman estos cuerpos celestes conviene entender primero qué es la gravedad, su atributo principal.

Cualquier tipo de energía o masa, por pequeña que sea produce una 'abolladura' en el espacio en el que se encuentra. Esta distorsión no es un efecto perceptible por el ojo humano, ya que deformar el espacio que algo ocupa no es algo palpable. Esta perturbación es la gravedad. Cuanta más masa tenga un objeto cualquiera más distorsionará el espacio a su alrededor. Los objetos se mueven en línea recta por el vacío donde no hay gravedad alguna que perturbe su trayectoria. Sin embargo, al pasar cerca de un cuerpo suficientemente masivo, el camino recto por el que se mueve el objeto encontrará un “socavón” y su trayectoria se curvará y quedará encerrado en esa distorsión dando vueltas alrededor del cuerpo masivo que la ha generado. Así pues, las personas que estamos en la tierra estamos atadas a ella porque el espacio que el planeta distorsiona al estar donde está no nos permite salir de él. La única manera de superar la fuerza gravitatoria de la tierra es moverse a una velocidad que permita vencer la atracción de ese espacio curvado, a este concepto se lo conoce como velocidad de escape.

Las estrellas al igual que la tierra son cuerpos celestes creados por la aglomeración de materiales atraídos entre sí por la gravedad. Una estrella es una masa enorme de hidrógeno que genera helio en su núcleo mediante reacciones termonucleares. Los átomos de hidrógeno se mueven tan rápidamente que al chocar se fusionan creando helio y grandes cantidades de calor y radiación. Este proceso obliga a la estrella a expulsar toda esa energía hacia el exterior, y de hecho explotaría si no tuviese un contrapeso que equilibrase toda esa fuerza, la gravedad. La propia estrella al ser tan masiva tiende a contraerse a sí misma, intenta caerse sobre su propio cuerpo. Gracias a este sistema la estrella se mantiene en equilibrio y puede existir. Cuando el combustible de una estrella se acaba no queda ninguna fuerza que pueda frenar la gravedad del astro y este comienza un colapso gravitatorio sin control. Si las estrellas que llegan a este punto son como nuestro sol o menos masivas, el principio de exclusión de los átomos obligará a estos a hacer tope a la gravedad dejando un cuerpo muy pequeño y denso conocido como enana blanca. Se dice entonces que esa estrella no ha pasado su Límite de Chandrashekhar. Este límite establece que una estrella con una masa 1,5 veces mayor que la del sol será demasiado masiva como parar que nada pueda para su colapso gravitatorio. En tal caso la estrella continúa contrayéndose en un proceso sin control hasta alcanzar un tamaño subatómico, creando una singularidad.

La singularidad es un cuerpo de densidad infinita que encierra en un punto de volumen cero cuerpos mayores que el sol. Esta condición curva el espacio alrededor de la singularidad de tal manera que la gravedad resultante adquiere también un valor infinito. La abolladura en ese rincón del espacio sería más similar a un pozo que a un leve socavón. Esto significa que incluso un rayo de luz que pase cerca de un agujero negro pesará tanto que literalmente caerá dentro de él, hacia la singularidad microscópica. La singularidad de un agujero negro es siempre del mismo tamaño, lo que varía es el campo de acción del astro. Este campo marca el lugar a partir del cual nada que lo cruce podrá escapar de la gravedad del cuerpo celeste ya que la velocidad de escape necesaria para vencerlo supera la velocidad de la luz (300.000 km/s). Este radio se llama horizonte de los sucesos porque ningún evento que tenga lugar dentro de ese radio podrá afectar jamás a lo que se encuentre fuera de él ya que nunca podrá escapar del agujero. El hecho de que la luz no pueda ser reflejada en estos cuerpos significa que son invisibles, sin embargo, es posible detectarlos por los efectos gravitatorios que ejercen alrededor de los astros que tienen cerca. En términos generales son enormes sumideros de lo que nada puede salir.

Lo curioso viene cuando se analizan los efectos que estos cuerpos provocan en el espacio que los rodea. El tiempo junto con el espacio forman parte de la misma estructura, el espacio-tiempo. Esta simbiosis implica que el tiempo se ve afectado por la misma gravedad que afecta al espacio, pero de manera distinta. La dimensión temporal fluye mas lentamente cuanta más gravedad hay. Se trata de una extensión del efecto de la gravedad, al igual que la deformación espacial se traduce en atracción entre cuerpos, en la dimensión temporal se traduce en una ralentización de los sucesos. Así pues un gemelo que quedase atrapado dentro de un agujero negro viviría sus 80 años de media, mientras que su gemelo de fuera lo vería envejecer a un ritmo muy lento. El reloj interno de cada uno seguiría intacto, pero el tiempo de referencia para cada uno dejaría de ser el mismo.

En la singularidad todas las dimensiones se reducen a la nada, las tres espaciales y la temporal, dando como resultado el final del tiempo mismo. Este punto toma su nombre de la imposibilidad de la Física por comprender lo que pasa en él. Todas las leyes de la ciencia dejan de funcionar en este espacio aislado del resto del universo y por eso se lo llama singularidad.

miércoles, 15 de agosto de 2012

La culpa es de los neutrinos


Hace casi un siglo y medio en 1859 un fenómeno natural dejó las redes de telégrafos de Estados Unidos totalmente inutilizadas y desde Cuba era posible observar en el cielo auroras boreales. A este suceso tan extraño se lo llamo evento de Carrington y se prevee que en los próximos años pueda volver a suceder con consecuencias mucho más desastrosas. Este fenómeno ocurrido en el siglo XIX fue causado por una Eyección de Masa Coronal. Un proceso mediante el cual el sol expulsa de manera súbita y violenta gran cantidad de plasma de su superficie hacia el espacio exterior. Ese plasma está cargado con partículas muy energéticas y portan consigo parte del campo magnético del sol. Cuando el material expulsado impacta contra el campo magnético de la tierra este genera las auroras boreales tan características de las latitudes del norte. De la misma manera puede incidir con fuerza suficiente en la magnetosfera terrestre como para desencadenar tormentas eléctricas que alteren el funcionamiento de los satélites y por extensión el de multitud de aparatos electrónicos. Este hecho no era demasiado importante en el siglo XIX sin embargo, la sociedad de hoy es completamente dependiente de la tecnología y tener un peligro potencial de ese calibre hace necesario desarrollar un mecanismo para preveer las erupciones solares y proteger la tecnología de sus efectos nocivos. Con los recursos del presente es difícil adelantarse a la meteorología solar para protegerse de sus repentinas llamaradas, ya que la tecnología humana no es lo suficientemente avanzada como para entender el comportamiento del sol de manera más profunda. Hay que destacar que estos fenómenos naturales ocurren con más frecuencia durante la fase activa del sol, la fase en la que está a punto de entrar este año. El astro rey permanece en su etapa tranquila durante 11 años, en los que el viento solar y las Eyecciones de Masa Coronal no son tan frecuentes. Al final de ese periodo la actividad solar aumenta y las erupciones se hacen más frecuentes y potentes.

A sabiendas de que el motor del sistema solar se está desperezando, algunos estudios como el llevado a cabo por Ephraim Fischbach y Jere Jenkins de la Universidad de Purdue se han atrevido a sugerir que estas tormentas solares son fácilmente predecibles analizando los neutrinos. Ambos físicos mantienen que la radiación gamma del sol sufre leves variaciones producidas por los neutrinos que el sol irradia. Según su hipótesis antes de que una Eyección de Masa Coronal se produzca las variaciones en la radiación gamma producidas por los neutrinos cambian y permitirían predecir las violentas tormentas solares con un día de antelación, haciendo posible para los gobiernos proteger sus satélites.

La idea suena interesante y sería un éxito si pudiese llevarse a la práctica sin embargo, cuesta creerla ya que los neutrinos son la partícula subatómica con menos masa que existe y la que también menor interacción tiene con la materia y las fuerzas del universo. Concretamente sólo la gravedad (que a escalas cuánticas no tiene casi fuerza y menos con la masa del neutrino) y la fuerza nuclear débil afectan a esta partícula. Por ello es casi imposible que un baño de neutrinos, equiparable al puñetazo de un ser etéreo, pudiese tener efecto alguno sobre la radiación del sol. Conociendo la naturaleza del protagonista de la hipótesis de los americanos el simple hecho de plantearse utilizarlo como herramienta para predecir el comportamiento solar equivaldría a tener un chamán para curar un cáncer terminal.

martes, 7 de agosto de 2012

La flecha del tiempo


Hace no mucho leí en un artículo que si de alguna manera se pudiese sobrevivir a una caída en un agujero negro, el privilegiado que se hallase en su interior sería capaz de ver el pasado del universo en un sólo instante. La idea se me antojaba surrealista, ya que implicaba invertir la dirección del tiempo, es decir, poner el pasado en el futuro, en algún momento el accidentado viajero contemplaría el Big Bang.


En realidad no le di mucha importancia ya que nadie puede realmente decir que ocurre dentro de un astro de esta naturaleza ya que en su corazón, en la singularidad, las leyes de la física dejan de ser aplicables. Sin embargo, por pura fortuna he dado con un capítulo del libro “Historia del tiempo” de Stephen Hawking en el que se habla de la entropía y de la relación de esta con el tiempo. Después de pensarlo un rato he comprendido el planteamiento de la idea que leí en el artículo sobre los agujeros negros, aunque sigo manteniéndome escéptico al respecto. La entropía es una magnitud que sirve para medir el grado de desorden en cualquier cosa que alguien se pueda imaginar. Por desorden se entiende la destrucción o grado de no estabilidad de ese elemento. La termodinámica establece que la entropía es siempre creciente, es decir, todo lo que existe va a acabar destruyendose, pereciendo. Las cosas se rompen con el paso del tiempo y los seres vivos morimos. La entropía nunca disminuye, ya que cuando algo se crea o se repara, el esfuerzo o energía necesarios para ello crean entropía a modo de desgaste de los materiales que hemos usado para esa reparación. En conclusión, no se puede escapar de la entropía. Ahora bien, el ser humano es capaz de percibir el paso del tiempo gracias a los efectos que la entropía tiene en su entorno. Este concepto se llama flecha del tiempo e indica la dirección que este sigue. El ver las cosas seguir un orden natural de evolución es lo que indica a las personas que el tiempo fluye hacia adelante, hacia el futuro. Si se hacen fotos del proceso entero que sigue a un vaso desde su posición quieta en una mesa a su último suspiro hecho añicos en el suelo, cualquiera podría ordenar las fotos cronológicamente basándose en el principio de la entropía. Primero el vaso estaba unido y después roto.


Con la idea anterior en mente queda claro que el tiempo fluye hacia delante, hacia el futuro por la entropía. Teniendo en cuenta que el universo se expande constantemente en todas direcciones, el tiempo dentro de él siempre fluye hacia adelante junto con la entropía que lo acompaña. Sin embargo, si el universo entero colapsase hasta ser la diminuta singularidad de la que partió el big bang, se podría esperar que la entropía se invirtiese y por tanto el tiempo también, es decir, este fluiría desde el futuro hacía el pasado. La gente recordaría el futuro y el pasado estaría por venir. El universo distendido y menos denso que conocemos ahora tendería a contraerse y a hacerse más denso. Las cosas empezarían a ordenarse y a recomponerse como una vez fueron, hasta que todo volviese a ser una pequeña región que contuviese toda la creación. Esta súbita contracción del universo es el proceso que siguen todas las estrellas que se convierten en agujeros negros. Esto me lleva a la idea principal, si el espacio se contrae hasta el infinito en un agujero negro, el tiempo también lo hace y por consiguiente la entropía se invierte junto con el, haciendo posible ver el comienzo del cosmos.


Con este post no quiero decir que esté de acuerdo con la idea planteada, ya que especular con lo que ocurre en la singularidad de un agujero negro es imposible. Pero siguiendo la lógica de la entropía tiene bastante sentido.