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Ernesto Fuenmayor: Ondas Gravitacionales y el premio Nobel de Física 2017

Las leyes de la dinámica fueron descritas por Newton en 1687, conocidas actualmente como leyes de Newton. Dan una descripción exacta del movimiento de cuerpos pequeños y grandes, simples o complejos y representan un gran logro. Para escribir y explicar sus leyes de movimiento, Newton inventó el cálculo diferencial junto con Leibniz. Quería entender por qué los planetas se movían elípticamente con velocidades que dependían de la distancia al Sol e, incluso, por qué el sistema solar permanecía siempre unido. Su teoría finalmente nos enseñó a entender la razón de las mareas, a descifrar la maquinaria precisa de relojería del sistema solar y tuvo la gloria de predecir, de la mano del matemático francés Leverrier (1811-1877), la existencia del planeta que llevó por nombre Neptuno. Su teoría nos permite construir cohetes que viajan a la luna y enviar satélites al espacio. ¿Quién dudaría de una teoría capaz de tal predicción y entendimiento de la realidad?

Ley de Gravitación Universal

La gravitación gobierna no sólo el movimiento de la manzana que cae, sino también los majestuosos movimientos orbitales de la Luna alrededor de la Tierra, de los planetas alrededor del Sol y de las estrellas en torno a la galaxia. La comprensión de Newton de que una misma fuerza regula la caída de la manzana y los movimientos estelares en escenarios cósmicos ha sido uno de los grandes logros intelectuales de la humanidad. Con el planteamiento de la ley de Gravitación Universal, Newton participa en un proceso de unificación de fuerzas. Las cósmicas y planetarias obedecen las mismas leyes que la manzana que cae en presencia del campo gravitacional terrestre. Pero la teoría de Newton padecía de un pecado original, y es que supone que la gravedad se transmite instantáneamente, pero sabemos que nada puede propagarse más rápido que la luz, como el propio Einstein lo estableció en la teoría de la Relatividad Especial.

Relatividad Especial

En 1905, Albert Einstein y otros científicos plantean de nuevo el problema de comparar las medidas realizadas en distintos sistemas de referencia inerciales, que se mueven con velocidad constante unos respecto a otros, por ejemplo, un observador en un tren en movimiento y otro parado en la estación. Sus consecuencias pueden deducirse con un mínimo de cálculo matemático y son aplicables a una gran diversidad de experiencias que aparecen en la ciencia y tecnología. El nuevo planteamiento se conoce como la Teoría de la Relatividad Especial. Una consecuencia de sus postulados es que todos los observadores inerciales miden el mismo valor para la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es constante: es la misma en cualquier sistema de referencia inercial. Aunque sus postulados parecen muy razonables las consecuencias son sorprendentes y contradicen lo que llamamos, sentido común.

Teoría de Gravitación de Einstein: Teoría de la Relatividad General

La teoría de gravitación de Newton fue reemplazada en 1915 por una descripción aún más exacta: la teoría de gravitación de Einstein conocida como la teoría general de la relatividad. Einstein quería hacer concordar la teoría de la gravitación de Newton con la relatividad especial y, mientras trabajaba en eso, tuvo lo que llamó “el momento más afortunado de mi vida”, la idea de que una persona que cae no siente (y no tiene cómo medir) su propio peso. Esta idea fue generalizada en 1907 para dar forma al Principio de equivalencia: Un campo gravitatorio uniforme es completamente equivalente a un sistema de referencia uniformemente acelerado.

Por ser finita la velocidad de la luz, si encendemos una linterna dentro de un elevador que sube aceleradamente, como a la luz le toma cierto tiempo cruzar el elevador de un lado a otro, llegará a la pared opuesta en un punto más cercano al piso del elevador que el punto desde donde se la encendió, en lugar de hacer una línea horizontal paralela a éste. Si interpretamos esta observación desde el punto de vista de que el observador es estacionario pero sujeto a una fuerza gravitacional, entonces la deflexión (desviación) que se observa en el rayo de luz tiene que deberse a esta fuerza. La luz, en este sentido, no se comporta distinta a como lo hacen los cuerpos materiales (excepto porque se mueve más rápido).

La primera observación natural de la deflexión de la luz debida a la gravedad se hizo durante un eclipse solar el 29 de mayo de 1919, en esa ocasión fueron visibles unas estrellas cuya luz pasaba muy cerca del Sol. Al comparar la separación angular entre las estrellas, cuando su luz pasa por ambos lados del Sol, con la separación angular que se observa cuando están alejadas del Sol, se comprobó la deflexión de la luz al pasar al lado del sol. La confirmación del efecto predicho hizo más que cualquier otra cosa en llevar la teoría de Einstein a la atención pública y le trajo fama mundial.

La forma en que Einstein generalizó la teoría especial para poder incorporar a la gravitación fue extremadamente ingeniosa, y sin precedentes en la historia de la ciencia. La gravedad ya no iba a ser considerada una fuerza, sino como una manifestación de la “curvatura” del propio espacio-tiempo. En las cercanías de grandes masas, donde la gravedad es intensa, la geometría del espacio y el ritmo con que fluye el tiempo son distintos a como ocurre en regiones donde hay menos gravitación.

Ondas Gravitacionales

De las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General se obtiene una ecuación de ondas donde la variable que vibra u oscila es justamente este entretejido llamado espacio-tiempo. Esto significa que la geometría del propio espacio-tiempo se ve perturbada, y esas “arrugas” viajan a la velocidad de la luz tal cual las ondas en un estanque de agua. Como la interacción gravitacional es la más tenue de todas, para que estas ondas se produzcan y puedan ser detectadas debe haber ocurrido un evento catastrófico en el universo, como la explosión de una supernova, la fusión o choque de estrellas de neutrones o de agujeros negros. Se cree también que existen unas ondas gravitacionales de fondo como remanentes a la gran explosión inicial o “Big Bang”.

Detección de las ondas gravitacionales: LIGO

Desde los años 60, experimentos en todo el mundo trataban de conseguir una prueba experimental de la existencia de las ondas gravitacionales incluidas en la teoría de Einstein de 1915. Casualmente, en el año centenario de la Relatividad General, el 14 de septiembre, se registró un mismo evento en los dos detectores gemelos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) en EEUU. Cada detector consta de dos brazos perpendiculares de unos 4 km de largo cada uno, donde se propaga una luz de un láser que produce un patrón de difracción exacto al reflejarse en unos espejos. Un detector se encuentra en el sureste de Estados Unidos, en Livingston, Luisiana. El otro diametralmente opuesto en el noroeste del país, en Hanford, Washington. Luego de esta detección, en los últimos años, se han registrado 3 nuevas señales correspondientes a ondas gravitacionales. Las ondas producidas, supuestamente por la colisión de dos agujeros negros, tardaron 1,3 billones de años en llegar al detector LIGO en Estados Unidos.

LIGO es un súper proyecto en el que trabajan más de mil investigadores pertenecientes a más de veinte países del mundo desde hace 50 años. Cuando se producen eventos cósmicos violentos, las ondulaciones del espacio-tiempo se propagan en todas las direcciones, viajando a la velocidad de la luz y distorsionando físicamente todo a su paso. Pero mientras más se alejan de su fuente más “pequeñas” se vuelven y quedan reducidas a una fracción del tamaño de un protón cuando llegan a la Tierra.

Premio Nobel de Física 2017

El martes 3 de octubre de 2017, la Academia Sueca de Ciencias otorga el premio Nobel de Física a Rainer Weiss, profesor del Institute of Technology of Massachusetts (MIT), como uno de los pioneros en el diseño de interferómetros láser, cuyos haces de luz estaban concebidos para vibrar al paso de una onda gravitacional muy leve. Años después de Weiss, Kip Thorne comenzó a trabajar en dispositivos similares en el Instituto de Tecnología de California. Ambos proyectos quedaron unidos en el actual LIGO. Barry Barish, también del California institute of Technology (Caltech), lideró la etapa de edificación y puesta en marcha de los dos grandes interferómetros del proyecto. Los tres son galardonados por haber sido los arquitectos y diseñadores de LIGO, proyecto que materializado probó la existencia de las ondas gravitacionales pronosticadas por Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad General.

Estas señales desde los confines secretos del cosmos abren una nueva era en el estudio del universo. No se basan en la observación de luz ni partículas en todas sus variantes, sino en las minúsculas deformaciones del espacio-tiempo. Pudieran entonces las ondas gravitacionales abrir una ventana distinta para estudiar el universo. Así como los telescopios ópticos fueron usados en un principio y luego los radiotelescopios, que amplían la observación no sólo a la parte visible del espectro electromagnético, las ondas gravitacionales ofrecen información sobre los eventos más extremos e interesantes del cosmos.  Se espera que ayuden a entender el Big Bang, nuestros orígenes y permitan dilucidar mejor el futuro del universo. Es algo completamente diferente que nos abre las puertas a nuevos conocimientos y entendimientos jamás imaginados.

* Doctor en Física UCV, Profesor Titular UCV, Coordinador de Extensión de la Facultad de Ciencias UCV, Secretario General de la Asociación Venezolana para el Avance de la Ciencia (AsoVAC)

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