El bosón de Higgs no te va a hacer la cama

by Javier Santaolalla

Hemos llegado al final del camino. Tenemos una teoría completa, simple, precisa, que con pocos elementos consigue explicar una gran variedad de fenómenos físicos. Una teoría perfecta. Bueno, si fuera así no seguiríamos haciendo física. Y es que hay preguntas que el Modelo Estándar no es capaz de responder...

La relatividad general tiene el atractivo de ser una teoría que trata el espacio, el tiempo y la materia de una forma muy armónica.

«La materia le dice al espacio cómo curvarse; el espacio le dice a la materia cómo moverse».

La curvatura del espacio-tiempo causada por la materia produce lo que per...

Integrar la gravedad en el Modelo Estándar tiene un interés más allá de lo meramente estético. Es verdad que resulta más bonito o más elegante tener una teoría que dos, pero es que además nos hace falta para comprender mejor nuestro universo.

Se estima que más de un 80 por ciento de la materia del universo es materia oscura.

La constante cosmológica sería una especie de gravedad negativa o repulsiva que permitiría un universo estático.

Lo que se verá es que no importa desde qué galaxia lo consideres, todas se alejan de la elegida, y más rápido cuanto más lejos estén.

Hay una propiedad interesante de la antimateria relacionada con la materia. Cuando ambas entran en contacto se destruyen mutuamente.

Para medir distancias mayores, a estrellas cercanas de nuestra galaxia, el método de paralaje estelar se puede usar e incluso mejorar. En vez de tomar medidas en dos puntos de la Tierra diferentes se puede aprovechar el movimiento de traslación de la Tierra y tomar medidas en dos puntos contrarios de la órbita alrededor del Sol. Con ello la distancia entre los dos «ojos» es mayor y podemos alcanzar mayor precisión.

Sin embargo, para estrellas que no están en nuestro entorno o que están en otra galaxia, el método de la paralaje no es suficiente, ya que apenas se percibe cambio en la posición por mucho que separemos los dos «ojos». Hay que buscar otro método de medida. El héroe en este caso es una mujer, una heroína, cuestión que merece una mención especial. En la historia de la ciencia hay relativamente pocas mujeres que hicieran grandes aportaciones.

El motivo es que no les estaba permitido estudiar y mucho menos trabajar las ...

Henrietta Swan Leavitt, nacida en 1868, era una de las «calculadoras » que trabajaban para el astrónomo Edward Pickering. Las llamaban así porque su trabajo era puramente mecánico: consistía en observar placas fotográficas y hacer cálculos. Observó entre tanto dato un interesante patrón: había un tipo de estrellas —que ahora conocemos como Cefeidas— que parpadeaban. Y su brillo variaba con el tiempo. Algunas lo hacían en ciclos cortos, de un día o similar, y otras en periodos más largos, de casi un mes. Lo que observó Leavitt fue genial: pudo ver que las que tenían periodos más largos eran más brillantes y las que tenían periodos más cortos lo eran menos.

Gracias a esta y otras medidas hoy sabemos que hay cientos de miles de millones de galaxias en el universo, cada una con cientos de miles de millones de estrellas y cada una de estas estrellas con planetas como el nuestro (los exoplanetas). La Vía Láctea no es sino una galaxia más; el Sol, una estrella normal; y la Tierra, otro planeta más. Tan grande es el universo y tan pequeños somos nosotros que es normal que nos preguntemos… ¿estaremos de verdad solos en esta inmensidad?

El gran filtro podría ser también tecnológico. Por ejemplo, el descubrimiento de algo que haga que una civilización se extinga. Tal vez la energía nuclear: igual todas las civilizaciones desaparecen al poco de descubrirla porque acaban autoaniquilándose.

La otra posibilidad, la de que haya otras civilizaciones ahí fuera pero no hayamos sabido de ellas, tiene muchas variantes. Ya sea que no somos capaces de detectarlas, que NOS EVITAN, que nos observan simplemente o que cuando existieron no éramos maduros como especie y no pudimos detectarlos.

Del mismo modo que la observación detallada del cosmos nos abrió los ojos sobre su verdadero tamaño y dimensión, su escala, estudiar el universo también nos mostró la realidad sobre su evolución temporal: aunque nos parece estático, eterno, inmutable… no lo es.

La realidad es que la relatividad es muy compleja. Es un conjunto de ecuaciones cuya solución no es para nada inmediata.

Es curioso que fuera Hoyle quien por primera vez hablara de «Big Bang», pero lo hizo en forma de burla para referirse a la teoría de Lemaître. A la teoría del Big Bang le faltaba algo para vencer a su rival y ser completamente aceptada: alguna confirmación experimental, alguna medida que apoyara esta idea sobre el inicio del universo.

Estos restos tendrían la forma de una radiación homogénea y fría que estaría en todo el espacio, viajando en todas las direcciones y a una temperatura de cinco grados por encima del cero absoluto. Esa radiación existe: es lo que se conoce como fondo cósmico de microondas (Cosmic Microwave Background, o CMB), el eco del Big Bang.

Según la teoría del átomo primitivo, que posteriormente derivaría en la teoría del Big Bang, el universo nació como un punto de altísima densidad de masa y energía que posteriormente fue expandiéndose.

Penzias y Wilson habían dado con la radiación de fondo de microondas, el eco del Big Bang, por pura casualidad. Una radiación que suponía el fin de la teoría de estado estacionario, ya que esta no era capaz de explicarla. Se trataba del mayor descubrimiento cosmológico desde la expansión del universo, fruto de la casualidad y por dos científicos que, además, eran partidarios de la teoría del estado estacionario.

Pero la cosa es aún peor: cálculos sobre el efecto de la expansión en la curvatura del universo muestran que una mínima desviación hacia arriba o hacia abajo de la densidad crítica habrían llevado a un universo con una enorme curvatura, inmensa. Curvatura que no tiene, como se puede ver. Esto es como colocar un bolígrafo de pie, apoyado por la punta, y esperar que no se caiga nunca: el más mínimo desequilibrio le hará caer. O como en esas duchas que el agua sale bien solo si ajustas mucho: un poco a un lado te hielas, al otro ardes en el infierno. ¿Qué mecanismo está detrás de esto? Es decir, ¿por qué encontramos ese valor tan cercano a la densidad crítica que además se ha mantenido durante la expansión? Algo así parece poco natural y requiere de una explicación.

Poder ver una huella de la inflación, detectarla con algún experimento, sería uno de los más grandes logros científicos de nuestra era y haría feliz a muchos cosmólogos. Y es normal, porque la teoría de la inflación resuelve de una forma muy elegante los grandes problemas que la teoría del Big Bang planteaba y nos permite cerrar la historia del universo, a falta de algunos detalles, desde el Big Bang hasta nuestros días.

La moderna teoría del Big Bang nos cuenta la historia del universo desde una fracción mínima de segundo después del inicio hasta nuestros días. Lo que ocurrió en el mismísimo momento en que comenzó todo y lo que había anteriormente no se sabe.

De esa forma podremos echar un vistazo a la historia del universo que la luz no nos deja ver. Porque el universo está lleno de misterios. Se sigue avanzando mucho en la compresión del cosmos a todas las escalas, desde lo más pequeño hasta lo más grande, pero por cada pregunta que se responde surgen otras tan apasionantes o más que las que se van resolviendo. Y aunque se van dando pasitos, aún queda un largo camino por recorrer.

La forma del universo determina su futuro: si tiene curvatura positiva, como una esfera, después de un tiempo de expansión esta se detendrá y comenzará a contraerse, acabando como empezó, en un momento de densidad infinita llamado Big Crunch.

Se trataba de algo transparente que estaría en todas partes dentro de cada galaxia. A falta de mejor nombre, se la llamó «materia oscura».

Por si esto fuera poco, la materia oscura es necesaria para explicar la formación de las primeras galaxias y cúmulos de galaxias.

Según la supersimetría por cada partícula que conocemos hay una partícula igual, es decir, simétrica, pero con propiedades ligeramente cambiadas, en particular su spin, una propiedad cuántica en la que no voy a detenerme.

Del mismo modo que una hormiga caminando por un alambre fino tendría la sensación de moverse en una sola dimensión (cuando en realidad la hormiga se puede mover por las tres rodeando el alambre), la cuarta dimensión sería invisible a nuestros ojos, pero existiría.

De paso, esta teoría da lugar a nuevas partículas con distintas masas que son candidatas a materia oscura. Por desgracia, ninguna de estas partículas ha sido detectada, por lo que siguen siendo hipotéticas, como los unicornios, el yeti o los científicos con contrato indefinido. Aun así se siguen buscando con ahínco.

Para asegurarnos de que ha sido una partícula de materia oscura la que ha golpeado, el núcleo el cristal se coloca bajo tierra, donde los rayos cósmicos no pueden llegar.

Los cosmólogos modernos se han visto en la necesidad de rescatar esta constante cosmológica setenta años después para poder explicar la expansión acelerada.

El universo necesita de un tipo de energía que desconocemos y que pueda ejercer la presión negativa necesaria para que todo el espacio se encuentre en fase de expansión acelerada. La constante cosmológica es el principal candidato.

El universo está lleno de objetos y fenómenos extremos como grandes explosiones, chorros de partículas o lugares donde la gravedad es tan brutal que hace que el espacio y el tiempo se desmoronen bajo sus pies. Vamos a ver uno de los más espectaculares que pueden existir: los agujeros negros. Pero ¿qué es un agujero negro? ¿Cómo se forma? ¿De verdad son reales? ¿Cómo se observan? Son preguntas que se han ido respondiendo recientemente. Vayamos poco a poco.

Lo más impresionante de un agujero negro es que se puede entender cómo funciona de una forma muy simple, sin necesidad de ser profesor de física ni un Stephen Hawking de la vida. Solo hace falta conocer una acción: la de la fuerza de la gravedad.

Habríamos convertido a la Tierra en un sumidero, en una prisión. La gravedad se haría la reina y dominaría todo. Habríamos formado un agujero donde todo cae. Y como ni siquiera la luz podría escapar, no nos llegaría ninguna información de él y por lo tanto sería absolutamente negro. Hemos creado un agujero negro.

Fue siguiendo este razonamiento como Michell llegó a la idea fundamental: podría darse el caso de que existiera una estrella tan masiva que hiciese que la luz cayera dentro de su campo gravitatorio.

Hay que recordar que, según la relatividad general, un cuerpo masivo, como una estrella, curva el espacio-tiempo, como una bola de bolos sobre una lona. El movimiento de un planeta alrededor de la estrella se ve como el efecto de esta curvatura sobre el planeta. Cuanta más masa tiene el cuerpo, sea estrella o planeta, mayor es esta curvatura causada en el espacio-tiempo.

En una estrella oscura la gravedad es tan intensa que se rompe el espacio-tiempo, se perfora, se crea un punto de densidad infinita, lo que se conoce como singularidad.

Hoy se conocen bastante mejor las propiedades y características de este monstruo del cosmos Se sabe que se forman por compresión gravitatoria cuando la estrella ya no puede contrarrestarla con su combustión. Y se sabe que solo ocurre cuando la masa de la estrella es suficientemente grande, como Chandrasekhar predijo. Cuando esto ocurre la estrella colapsa sobre sí misma, toda su materia se precipita hacia su centro, la singularidad. El espacio-tiempo se curva hasta rasgarse completamente en su interior, distorsionando su naturaleza. Todo se precipita hacia la singularidad. Bueno, no todo: solo la materia que esté por debajo del radio de Schwarzschild, lo que se denomina el «horizonte de sucesos». De hecho, al contrario de lo que se pensaba sobre las estrellas oscuras, los agujeros negros no contienen materia. Para las estrellas oscuras se pensaba que la luz, al proyectarse, volvía hacia su superficie.

La última órbita estable antes de caer al agujero negro es aquella en la que se viaja a la velocidad de la luz.

Y más abajo de esa órbita ya no hay forma de moverse que no sea hacia el agujero.

Son los efectos de la relatividad general de Einstein: en lugares donde la gravedad es muy intensa el tiempo pasa más lento.

Bueno, mejor dicho, partículas del vacío. En un agujero negro estos procesos también se dan. Ocurre que un par de estas partículas podría crearse justo en el límite del horizonte de sucesos. En ese caso podría pasar que una de las partículas virtuales cayera al agujero negro y la otra escapara. Al no haberse aniquilado, la partícula que escapa la podemos ver, es radiada. Esta radiación aleatoria de materia da temperatura a un agujero negro y hace que pierda masa, pudiendo llevar a la extinción a un agujero negro por evaporación. Este proceso fue descrito por Stephen Hawking, quien le dio su nombre. De ahí lo de radiación de Hawking.

Los agujeros negros no solo emiten energía, sino que también giran.

La mayor parte de los agujeros que se encuentran en la naturaleza giran sobre su eje y se llaman agujeros negros de Kerr. Además giran a grandes velocidades, dando cientos de vueltas por segundo. Esto hace que presenten algunas diferencias con respecto de los agujeros negros estáticos. Los agujeros negros de Kerr presentan dos regiones singulares. Por un lado el horizonte de sucesos, igual que en los otros agujeros negros, es decir, esférico, bien centradito y que marca el punto de no retorno. Por otro lado está

En esta región el espacio-tiempo gira a la velocidad de la luz arrastrando todo lo que allí entra. Nada puede estar en reposo. Al contrario de lo que ocurre con el horizonte de sucesos, sí es posible escapar de la ergoesfera, por lo que podría servir como mecanismo para extraer energía: uno entra, se acelera y sale, como en un tobogán. Esto se conoce como «proceso de Penrose». Se ha llegado a especular que la ergosfera podría servir para realizar viajes en el tiempo. Otra gran diferencia con respecto a los agujeros negros estáticos es que detrás del horizonte de sucesos se encuentra un segundo horizonte y dentro la singularidad.

Esta singularidad ya no es un punto, sino un anillo, posiblemente mucho menos peligroso. Esto podría posibilitar que una nave caída en un agujero negro no tenga un final catastrófico. Juan podría escapar de la espaguetización. Es esto lo que supuestamente ocurre en la película Interstellar.