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Artículo publicado por Tom Siegfried el 16 de febrero de 2016 en ScienceNews

Traducción realizada por Virginia Basgall

No es frecuente que la física produzca noticias que desvíen a los medios de comunicación de la política, el crimen y los deportes. Pero, ahora, en el periodo de tiempo de cuatro años, los físicos han elevado dos veces el contenido intelectual de los listados de noticias de Google: con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 y, ahora, la detección de vibraciones del espacio-tiempo conocidas como ondas gravitatorias.

Ondas gravitatorias

Ondas gravitatorias


El hallazgo del bosón de Higgs apuntaló el modelo estándar de la física de partículas, el entramado matemático para la comprensión de la ciencia de lo ultrapequeño. Las ondas gravitatorias cimentaron el glorioso estatus de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, las matemáticas que rigen el cosmos en general.

Los físicos consideran ambos descubrimientos como grandes logros. La verificación de la existencia del bosón de Higgs confirmó la explicación favorita de la ciencia de por qué las partículas fundamentales de la naturaleza tienen masa. Las ondas gravitatorias confirmaron la existencia de los agujeros negros, en particular que éstos a veces se emparejan, giran uno alrededor de otro y luego se fusionan en una explosión cataclísmica. Tal estallido cósmico proporcionó la primera detección directa de las ondas gravitatorias, registrada en septiembre pasado por los observatorios gemelos de Advanced LIGO en los estados de Louisiana y Washington. Por un breve instante de tiempo, esa explosión produjo más de 50 veces la energía de todas las estrellas del universo juntas, como explicó Kip Thorne, físico en Caltech, el 11 de febrero durante la conferencia de prensa en la que se anunció el descubrimiento.

En cierto modo, tanto el bosón de Higgs como las ondas gravitatorias no deberían haber sido especialmente sorprendentes. Casi todos los físicos creían firmemente que el bosón de Higgs tenía que existir (o si no habrían pasado sus carreras creyendo matemáticas falsas). Y nadie dudaba en serio de que Einstein tuviera razón acerca de las ondas gravitatorias (o más precisamente, que su teoría general de la relatividad fuera correcta en la predicción de su existencia – hubo un tiempo en el que Einstein tenía sus dudas). Pero hay un sentido más profundo en el que ambos descubrimientos tienen algo en común que refleja un logro aún más asombroso: el poder de la mente humana para discernir rasgos profundamente ocultos de la realidad física.

Tanto para la partícula de Higgs como para las ondas gravitatorias, el descubrimiento real requería un enorme equipo físico, construido a un alto costo. Pero en ambos casos, la idea de que existían tales fenómenos exóticos procedía del poder del cerebro humano – la decodificación del significado físico de los símbolos matemáticos manipulados sólo con el uso de lápiz y papel. No había ninguna posibilidad de que la experimentación aleatoria pudiese haber tropezado con estos fenómenos; detectarlos requería una búsqueda explícita. Los experimentadores sabían dónde (y cómo) buscar solamente debido a los planes creados por la mente de los seres humanos, quienes podrían ver el significado oculto en sus matemáticas.

Piénsalo. Peter Higgs dedujo la existencia de una nueva partícula teniendo el cuenta las consecuencias de algunas ecuaciones complejas. Ni siquiera estaba pensando en la posibilidad de que existiera la partícula de Higgs. Pero su artículo, que expone las ecuaciones, fue rechazado (los críticos dijeron que sólo eran matemáticas, sin mucha física). Así que Higgs miró de nuevo las ecuaciones y advirtió que éstas implicaban la existencia de la partícula que ahora lleva su nombre. De alguna manera, sus matemáticas tenían un conocimiento sobre el universo que nadie más había sospechado previamente.

Einstein, de manera similar, encontró que había mucha más física en las matemáticas de la relatividad general de lo que él inicialmente sabía. Después de años de lucha, reunió las ecuaciones que describían la gravedad, explicando la extraña órbita de Mercurio y prediciendo con precisión la curvatura de la luz estelar que pasa cerca del Sol. Pero entonces, un poco más tarde, revisó de nuevo las ecuaciones y se dio cuenta de que contenían una sorpresa: las ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo transportarían mensajes a través del universo. Pero serían demasiado débiles, pensó, para que los seres humanos las detectáramos alguna vez.

Más tarde, Einstein perdió la fe en sus propias matemáticas. En la década de 1930, trató de demostrar que las ondas gravitatorias realmente no existían, después de todo. Con un colaborador preparó un artículo intentando demostrar que eran fantasmas matemáticos, no fenómenos reales con efectos físicos. Pero aparecieron errores en el análisis, desbaratando ese artículo. Las ondas gravitatorias se mantuvieron como una implicación de la relatividad general. Existen en las matemáticas, y existen en el universo.

La investigación de la historia de la física hace salir a la superficie más ejemplos del poderío de las matemáticas revelando secretos de la realidad. (Una vez escribí un libro completo sobre ellos). La relatividad general proporcionó más sorpresas que simplemente las ondas gravitatorias, verbigracia. Los agujeros negros, las lentes gravitatorias, e incluso, en cierta medida, la expansión del universo, surgieron de las ecuaciones de Einstein antes de que cualquier astrónomo los viera. Los quarks, los constituyentes de los protones y los neutrones, se presentaron en las matemáticas de Murray Gell-Mann antes de que las pruebas de su existencia se revelasen en los aceleradores de partículas. Y la antimateria, el combustible del futuro de la ciencia ficción, se convirtió en un hecho científico en la mente matemática de Paul Dirac antes de que los experimentadores avistaran antipartículas en los rayos cósmicos.

Tal vez la analogía más cercana de las ondas gravitatorias, sin embargo, sea la aparición de ondas de radio en las matemáticas de James Clerk Maxwell, que describen el electromagnetismo. En la década de 1860, Maxwell trabajó en las matemáticas de la electricidad y el magnetismo y descubrió, para su sorpresa, que la propia luz es una onda electromagnética. Maxwell, casi al instante, se dio cuenta de que podrían existir otras ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias. Un par de décadas más tarde, el físico alemán Heinrich Hertz buscó, y encontró, las nuevas ondas que Maxwell había predicho. Esas ondas de radio verificaron la teoría de Maxwell y pusieron en manos de la ciencia (y de la humanidad) una nueva y poderosa herramienta.

No hay duda de que las ondas gravitatorias revolucionarán la sociedad exactamente de la manera en que lo han hecho las ondas de radio. Pero, indudablemente, abrirán un nuevo campo para explorar el cosmos de forma muy similar a como lo hicieron los radiotelescopios. De todos modos, independientemente de sus posibles usos científicos (o prácticos), las ondas gravitatorias permanecerán para siempre como una señal de que las matemáticas concebidas en la mente humana coexisten, en cierto sentido, con el tejido de la realidad.

Hertz se embarcó en su búsqueda de las ondas de Maxwell porque tenía fe en esa idea. Se dio cuenta plenamente de que explorar las implicaciones de las ecuaciones en la teoría electromagnética le había permitido a Maxwell percibir características invisibles de la realidad.

“Es imposible estudiar esta maravillosa teoría,” escribió Hertz, “sin sentir que las ecuaciones matemáticas tenían una vida independiente, y una inteligencia propia, como si fueran más sabias que nosotros, de hecho más sabias que su descubridor, y que obtuvimos de ellas más de lo que en ellas habíamos puesto”.

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