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El Malpensante

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La pregunta más difícil de todos los tiempos

Nuevas Voces

Sobre la importancia de tomarle una “foto” a un agujero negro y otras revelaciones de física para dummies.

Ilustración de Manuel Gómez Burns

El 10 de abril apareció una imagen que puso en evidencia lo que, hace cien años, científicos como Albert Einstein plantearon con la sola ayuda de papel y lápiz. Se trata del primer agujero negro –o bueno, su silueta– captado en una imagen. Es el agujero negro supermasivo de la galaxia M87, con una masa 6.500 millones de veces más grande que la del Sol.

Esta imagen, que parece una rosquilla del Huila, nació de un esfuerzo colaborativo a lo largo de dos años y gracias al Event Horizon Telescope (EHT), un proyecto que involucró a observatorios, universidades y centros de investigación, además de reunir ocho radiotelescopios de todo el mundo. El equipo, liderado por la doctora Katie Bouman, desarrolló un algoritmo que hizo posible procesar la información recolectada por los radiotelescopios y generó una imagen computarizada. Lo que hoy vemos es un evento cuya luz apenas llega a nosotros, pero que sucedió hace prácticamente 55 millones de años (es decir, cuando apenas se formaba el Himalaya, la cordillera más alta de la Tierra).

Pero, ¿por qué es tan relevante tomarle una “foto” a un agujero negro? Para Santiago Vargas, doctor en astrofísica y miembro del Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional de Colombia, esta hazaña comprueba una vez más que Einstein y otros físicos tenían razón al formular una idea que cambió la forma intuitiva en que entendíamos la realidad: “Efectivamente, las ecuaciones de la relatividad general, llamadas ‘ecuaciones de campo de Einstein’, tienen soluciones que dan lugar a los agujeros negros”, dice Vargas. La teoría de Einstein los predijo, aunque él realmente no creyera en su existencia.

Pero antes de meternos con teorías físicas, dejemos claro que la idea de “tiempo” ha surgido de observar nuestro entorno y evidenciar la ocurrencia de algo. Un cambio. El movimiento del Sol en el cielo, las sombras o el transcurso del día y la noche son fenómenos que nos dieron nociones temporales para llegar después a mediciones más precisas como la hora, los minutos y los segundos, o a algunas más flexibles como las muy colombianas “hora larguita”, “media horita”, o las eras terrestres que caben en “deme un segundo, por favor”. A lo largo de la historia, nuestra concepción del tiempo ha estado estrechamente relacionada con la cultura: la religión y la mitología han marcado tipos de temporalidad (ya fueran circulares, como sucede en el hinduismo, o lineales, como en la cosmovisión judeo-cristiano-musulmana). Pero las herramientas para medir el tiempo son tantas como las personas y los lugares: cuando uno va a Santander, se encuentra con que aún hay gente que “calcula la distancia de un lugar a otro en tabacos”, cuenta Jaime Borja, doctor en historia y profesor en la Universidad de los Andes.

En cuanto a la física clásica newtoniana, esta reconoce el tiempo como absoluto e independiente de lo que contiene. Algo así como el flujo de un río que no se detiene ni se devuelve, solo sigue su curso. Un continuo que no percibimos en sí mismo sino según como afecta lo que pasa en su interior, y que se puede definir solamente a través de las matemáticas. Es, junto al espacio, ese escenario donde ocurre la acción –y la reacción–. La manera en que la mecánica clásica describe la realidad es muy cercana a la intuición general humana. Durante casi dos siglos después de Newton, la mayoría de los científicos aceptaron que el espacio y el tiempo eran absolutos, es decir, estables, inmutables.

Pero con la llegada de las ecuaciones de los fenómenos electromagnéticos y el estudio de la luz el cuento cambió, y acoplar ambas cosas a las leyes de Newton resultó demasiado difícil. Ante miradas distintas entre el electromagnetismo de James Clerk Maxwell y los postulados clásicos de Newton, Einstein concluyó que en el universo no hay un tiempo ni un espacio absolutos, sino más bien relativos. Lo único absoluto, precisó Einstein, es la velocidad de la luz.

¿Les ha pasado que están en un trancón y de repente sienten que empiezan a moverse, pero luego quedan locos cuando se dan cuenta de que son los carros alrededor los que se mueven y no ustedes? Esta es una forma de entender los marcos de referencia, pues nuestras observaciones se ven afectadas según dónde estemos parados –o si nos movemos y a qué velocidad lo hacemos–. “Con el tiempo pasa algo similar, y en la teoría de la relatividad Einstein explica que el tiempo no transcurre de la misma manera si estoy en un marco o en otro, pues todo depende de cómo se mueven esos marcos”, explica el astrofísico Vargas. Si pretendemos saber la velocidad de una bicicleta que pasa a nuestro lado sería necesario medir la distancia que recorrió y saber el tiempo que le tomó hacerlo. Ahora, si decidimos correr al lado de la bici y hacemos las mismas mediciones, seguramente la distancia final entre la bicicleta y nosotros sea menor, y por ende su velocidad con respecto a nosotros también habrá sido menor. ¿Pero qué pasa si intentamos medir el desplazamiento de un rayo de luz? Supongamos que la bicicleta pudiera ir a la velocidad de la luz; si hacemos el mismo experimento de tomar la medición cuando nos movemos, nos damos cuenta de que la distancia entre la luz y nosotros disminuye. ¡Pero un momento! Si la velocidad de la luz es absoluta eso no debería ocurrir, ¿o sí? Como en la velocidad la distancia está en función del tiempo, esto quiere decir que la única manera de que la velocidad de la luz siguiera siendo constante sería que el factor de la ecuación que disminuyera fuera el tiempo que tuvo la luz para recorrer un espacio. De esta manera, el tiempo de un cuerpo en movimiento pasa más lento que el de uno en reposo. Que el tiempo pase más lento o más rápido a causa de la gravedad hace parte de lo que Einstein denominó teoría de la relatividad especial (1905). ¿Pero no dizque el tiempo era absoluto? No. Sorry, Newton.

Pero la velocidad y el movimiento no son los únicos ingredientes que hacen que el tiempo sea relativo. “Desde la teoría de la relatividad general, el tiempo es una dimensión más. Entonces tú tienes tres dimensiones espaciales y una temporal: el tiempo”, explica Vargas, haciendo un guiño al trabajo del matemático Hermann Minkowski. De acuerdo con la teoría desarrollada por Einstein y profundizada por sus epígonos, el espacio-tiempo es el escenario donde ocurre todo en el universo. Va esta analogía (en tres dimensiones) del espacio-tiempo. Imagínense una telaraña, muy organizada, donde cada intersección es una coordenada espacio-temporal. “Si le lanzo una pelota a la telaraña, entonces la deformo”, explica Vargas. En principio, todos los cuerpos que poseen una masa tienen un efecto más o menos perceptible en la telaraña. Pero piensen en estos “objetos” de masa descomunal en el universo, como las galaxias, las estrellas, los planetas, las estrellas de neutrones, que deforman o curvan –sí, curvan– este “tejido” llamado espacio-tiempo. Según la teoría de la relatividad general, propuesta por Einstein en 1915, la gravedad vendría siendo una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. Gracias a eso, técnicamente, la Tierra orbita alrededor del Sol, y la Luna lo hace alrededor de la Tierra, porque el escenario donde se mueven es curvo.

Ahora imaginen una sábana templada, que representa el espacio-tiempo, a la que le arrojamos un cuerpo. La sábana experimenta una deformación en el lugar donde aterriza el objeto. Esta deformación distorsiona el espacio circundante y también el tiempo: “El tiempo alrededor de la masa está más contraído que afuera (lejos de esta) en donde no tiene tanta incidencia la masa”, agrega Vargas. Por ello, si arrojamos otro objeto, se verá atraído hacia el primero por esta curvatura. Respecto al transcurso del tiempo, este será distinto dependiendo del marco de referencia, o sea, de su cercanía a la masa mayor. Solo para aclarar la analogía de la sábana: no significa que la Tierra repose en un espacio plano (como la sábana), pues, reitero, en el espacio-tiempo hay cuatro dimensiones, incluyendo el tiempo. Además, en el espacio exterior, gracias a que los planetas tienen una velocidad en la dirección de su trayectoria, es decir, poseen una velocidad tangencial, y a que no hay fricción como en la sábana, estos cuerpos siguen orbitando alrededor de cuerpos de grandes masas, como el Sol.

Que el tiempo sea más lento o más rápido por la gravedad se conoce como “dilatación gravitacional del tiempo”. “Por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional, a 400 kilómetros de la Tierra, el tiempo va un poquito más rápido que para nosotros, apenas fracciones de segundo”, cuenta Vargas. Según esto, “las banderas que se dejaron en la cima del monte Everest en 1953, a casi nueve kilómetros de altura, son ahora unos 0,0015 segundos más viejas que si hubieran permanecido al nivel del mar”, agrega el astrofísico.

Si la Tierra fuera un agujero negro, un cuerpo supermasivo, la diferencia de tiempo entre alguien que “viviera” en el agujero y alguien que habitara la Estación Espacial Internacional sería más evidente, porque el tiempo en la estación pasa mucho más rápido. (¿Se acuerdan cómo es la relación del tiempo entre la Tierra y el planeta cercano al agujero negro de la película Interestelar? Allí, por cada hora que corre en el planeta cercano a Gargantúa, el agujero negro, en la Tierra pasan siete años.) El tiempo corre más lento donde la gravedad es más fuerte, donde la curvatura del espacio-tiempo es más pronunciada. Esta es la misma razón por la que los relojes de satélites GPS en la órbita de la Tierra van más rápido que los de aquí, y se han tenido que hacer correcciones para que la información sea precisa. De otra forma, no funcionarían correctamente los sistemas de navegación que hoy usamos para ir de un lugar a otro –es la teoría de la relatividad llevada del papel a la práctica–. 

En la ciencia, encontrar respuestas representa descubrir más preguntas. Einstein dijo algo como: “Pon una mano sobre una hornilla encendida de la estufa por un minuto, y parecerá una hora. Siéntate con una mujer bonita por una hora, y parecerá un minuto”. Tal cosa se vuelve más dramática cuando pasamos de lo macro a lo micro. La mecánica cuántica, otra rama de la física moderna, que se encarga de dar una explicación a los fenómenos a escalas muy pequeñas, subatómicas, rompe otra vez con nuestro entendimiento actual de la realidad: en esta, el tiempo no funciona como afirma la teoría de la relatividad, pero eso es materia de otro artículo. En el intermedio de la conversación entre relatividad y mecánica cuántica, los científicos buscan encontrar esa teoría del todo que ayude a solucionar lo que para la física ha sido la pregunta más difícil. La de “todos los tiempos”. 

© Una primera versión de este artículo fue publicada en la plataforma Todo es ciencia de Colciencias.

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Efraín Rincón

Ha escrito para diferentes medios sobre ciencia y medio ambiente. Es coproductor de Shots de Ciencia, una plataforma de divulgación científica que cuenta la ciencia de una forma pedagógica.

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