Física

Madrid, año 2090. El taxi se eleva silencioso por encima de los edificios, gira sobre su eje 180 grados y emprende la marcha hacia el aeropuerto. Al igual que el resto de los transportes de la ciudad, no tiene motor. Sólo una banda oscura de pocos centímetros de ancho en su parte inferior, de la que sobresalen pequeños mecanismos orientables y dispuestos de forma simétrica alrededor del vehículo, crea un escudo gravitatorio de intensidad regulable. Gracias a él, el taxi va ganando o perdiendo altura y velocidad. Tras un recorrido suave, sin sacudidas, deja a los pasajeros en la terminal deseada. El aeropuerto es enorme. Está dividido en zonas bien delimitadas. La mayor de ellas está destinada a los viajes terrestres.

Se trata de un servicio rápido y económico, al alcance de cualquier bolsillo, que conecta Madrid con todas las ciudades del mundo. Los aviones ya no tienen alas, porque éstas han perdido su utilidad. Son redondos y aplanados, de varios tamaños, y también se desplazan atados a grandes escudos gravitatorios.

Atrás quedaron los tiempos en que los viajes se realizaban a base de un ingente consumo de combustible. Ahora, la propia Tierra proporciona toda la energía necesaria. Su fuerza de gravedad durará mientras dure el planeta, y gracias a ella todos los desplazamientos están garantizados. El viajero también puede ir a cualquiera de las colonias lunares o marcianas. Para ello deberá hacer escala en alguna de las bases orbitales situadas en los puntos en que la gravedad de la Tierra y la de nuestro satélite se anulan mutuamente, o en las situadas en los puntos de gravedad compensada entre la Tierra, Marte y el Sol. Para convertir este futuro en realidad, la ciencia debe dar aún algunos pasos fundamentales. Nuestra actual comprensión de la fuerza de la gravedad no permite por el momento plantear la construcción de un escudo gravitatorio, aunque, si llegara alguna vez a existir, no diferiría mucho del descrito.

La gravedad, aunque es quizá la más evidente de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, es la menos conocida. Sabemos que gracias a ella la Luna gira alrededor de la Tierra, de la misma forma que la Tierra y los demás planetas giran alrededor del Sol, y éste alrededor del centro de la galaxia, una vez cada 500 millones de años. Sabemos que las mareas están producidas por la acción gravitatoria de la Luna, y que todas las formas vivas de la Tierra permanecen firmemente ancladas a su superficie gracias a la fuerza de la gravedad. Conocemos con precisión con cuánta fuerza tira la Tierra de nosotros, y también que ese tirón no es igual en todas partes.

Hemos calculado la velocidad de escape de la gravedad terrestre, es decir, la velocidad que debe alcanzar un cuerpo lanzado hacia arriba para que no vuelva a caer, así como la de todos los planetas de nuestro Sistema. Podemos aprovechar los campos gravitatorios planetarios para optimizar la trayectoria de una sonda espacial hasta Plutón, y poseemos las ecuaciones necesarias para calcular la desviación de un rayo de luz sometido a un campo gravitatorio. Es decir, conocemos bien todos los efectos de la gravedad, pero no sabemos cómo funciona. ¿Cómo ordena la Luna al mar que tiene que moverse con las mareas? ¿Cómo sabe la Tierra que debe girar alrededor del Sol, y no perderse en el espacio? ¿Por qué se mantienen unidas los miles de millones de estrellas que forman las galaxias, en lugar de dispersarse en el vacío? EI mismo hombre podría ser considerado como un hijo de la gravedad. Efectivamente. Nosotros no podemos ver ni tocar esa misteriosa fuerza, pero ella ha intervenido directamente en el destino evolutivo de cada especie animal o vegetal, y ha modelado cada uno de nuestros órganos y miembros. La espina dorsal humana, por poner un ejemplo, sirve para que el cuerpo humano no sea aplastado por la gravedad. Nuestras extremidades son palancas, especialmente diseñadas para vencer la gravedad. Las venas varicosas, la artritis y los fallos cardiacos son enfermedades que en última instancia proceden de batallas perdidas a la gravedad.

Si la semilla humana hubiera caído, por ejemplo, en la Luna -cuya gravedad es la sexta parte de la terrestre- los seres humanos serían dos veces más altos, con brazos y piernas largas y delgadas. En Júpiter, que tiene una masa 318 veces mayor que la de la Tierra, es fácil imaginar seres humanos con piernas cortas y gruesas, y el cuerpo bajo y achatado, que recuerdan a los enanos acrondoplásicos.

Nada como experimentar la gravedad cero, para darse cuenta de hasta qué punto todo esto es cierto. En estado de ingravidez, la mayoría de los músculos, diseñados para ciertos trabajos, no sirven, y por eso se atrofian rápidamente. Nuestros huesos pierden su papel de armazón y, sin cuerpo que sujetar, se descalcifican; la sangre se desorienta y no sabe hacia dónde debe circular, por lo que termina acumulándose en zonas del cuerpo arbitrariamente elegidas. Se trata del mayor de los problemas de los científicos frente a la futura realización de largos viajes espaciales. Si no se resuelve, es posible que jamás podamos plantearnos abandonar nuestro planeta, para conquistar otros mundos. Y La gravedad parece ocupar un puesto especial entre las demás fuerzas de la naturaleza. Hay fuerzas, como el electromagnetismo, que actúan dentro del espacio-tiempo, mero marco para los sucesos físicos.

Con la gravedad ocurre algo diferente. No se trata de ninguna fuerza impuesta sobre un fondo espacio-temporal pasivo, sino que consiste más bien en una distorsión del propio espacio-tiempo. Este es el concepto de gravedad al que llegó Einstein y que él mismo describió como el trabajo más difícil de su vida.

El éxito de Einstein en este campo fue el de sustituir la idea de gravedad como fuerza por la de gravedad como geometría. Las ecuaciones de Newton describen la gravedad como la fuerza con que dos cuerpos se atraen, fuerza que es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre dichos cuerpos. Einstein propuso, sin embargo, que la gravedad podía ser considerada como una deformación del tejido espacio-temporal del universo, producida por la existencia de cuerpos masivos. Estos cuerpos curvarían el tejido, al igual que una bola de billar comba la superficie estirada de una sábana. En este universo, los cuerpos se guiarían siempre la línea de menor resistencia entre las curvas.

La teoría general de la relatividad de Einstein no ha dejado de cosechar éxitos y confirmaciones desde que fuera formulada, en 1915. Gracias a ella se consiguió colmar algunas lagunas de teorías anteriores, como calcular la precesión del perihelio de la órbita de Mercurio, algo que Newton no había conseguido. Algunas de sus más espectaculares predicciones -incluso la de que los rayos de la luz se curvarían a su paso por un campo gravitatorio-fueron confirmadas por los experimentos realizados midiendo posiciones de estrellas enfiladas con el borde del Sol durante un eclipse, y comparándolas después con las tomadas sin la interposición del astro rey. Este experimento demostró que un rayo de luz que roce la superficie solar se desvía 1.75 segundos de arco. Los problemas comienzan cuando se intenta aplicar la mecánica cuántica. La gravedad es la única de las cuatro fuerzas fundamentales que se resiste a ser cuantizada. Veamos las consecuencias que trae esta afirmación. Existen cuatro fuerzas conocidas en la naturaleza: de menor a mayor alcance, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil, electromagnetismo y gravedad. Las dos primeras actúan en el interior del núcleo atómico, es decir, tienen muy corto alcance hablamos de billonésimas de milímetro-,y son responsables, respectivamente, de la cohesión del núcleo y de la desintegración radiactiva del tipo beta (ß). Las dos últimas son de muy largo alcance y fueron también las primeras en ser observadas. Una está asociada a todos los fenómenos eléctricos y magnéticos. Y sin la otra, la materia no estaría dispuesta en el universo de la manera que conocemos. A pesar de que la gravedad es capaz de sujetar firmemente en sus órbitas cuerpos tan masivos como la Tierra, que pesa 6.000.000.000.000.000.000.000.000 de kilos, o de mantener unidas 100.000 millones de estrellas pa formar nuestra galaxia, se trata de la más débil de las cuatro fuerzas. Pensemos que con sólo levantar un brazo estamos venciendo la fuerza gravitatoria de todo el planeta, que trata de impedir nuestro movimiento. La gravedad es billones de veces más débil que la fuerza nuclear fuerte o que el electromagnetismo para darse cuenta de ello, basta con pensar en la tremenda cantidad de energía necesaria para provocar una fisión nuclear, es decir, vencer la cohesión interna de un sólo núcleo atómico y separar sus protones y neutrones. Si dicha cohesión dependiera de la fuerza de la gravedad y no de la fuerza fuerte, cada átomo sería del tamaño del Sistema solar.

Otra característica diferenciadora de la gravedad es que nunca cambia de signo. Que se sepa, no existe la gravedad negativa. Nosotros podemos incrementar, debilitar e incluso invertir las demás fuerzas, pero no la gravedad. No puede ser reflejada, detenida ni suavizada. La gravedad siempre atrae, nunca repele.

Todas las fuerzas, a excepción de la gravedad, han podido ser cuantizadas.

Una a una fueron sucumbiendo a lo que se ha dado en llamar la nueva física, esto es, la mecánica cuántica sugerida a principios de siglo por Max Planck y desarrollada por Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger. En el fabuloso mundo de lo cuántico existen partículas especialmente encargadas de transmitir las fuerzas. Son auténticos mensajeros que transportan la cantidad mínima de información relativa a cada fuerza. Así, la partícula mensajera de la fuerza electromagnética -electricidad, magnetismo- es el fotón de luz, y el de la fuerza nuclear fuerte es el gluón que, aunque no puede verse aisladamente en laboratorio, es bien conocido por los teóricos, pero las cosas han llegado aún más lejos. El descubrimiento científico más importante de nuestra era es quizá que el universo no ha existido siempre. La ciencia no se ha enfrentado jamás a un desafío mayor que el de explicar cómo surgió, y por qué está estructurado tal y como lo vemos.

En la década de los años veinte, Edwin Hubble se dio cuenta de que aquellas nubecillas de tenue luminosidad que observaban los astrónomos en el cielo no eran pequeños objetos sin importancia de nuestra vecindad, sino otras galaxias independientes de la nuestra, a distancias inimaginables de la Tierra. El universo creció de repente. Trabajando en los postulados del científico ruso Alexander Friedman, Hubble demostró además que, a cada momento que pasa, el universo se hace más grande. Se encontró con que todas las galaxias se alejan frenéticamente unas de otras, a una velocidad que crece directamente de forma proporcional a la distancia que las separa. Así, las más lejanas de la Vía Láctea se separan de nosotros a unos 200000 kilómetros por segundo, casi a la velocidad de la luz. Si las galaxias se separan cada vez más, esto quiere decir que antes estaban más juntas. Hace un millón de años estaban más próximas que ahora, y hace 1000 millones de años quién sabe cómo estaban de apretadas. Llevando este razonamiento al límite, es posible pensar que en un momento del pasado toda la materia de todas las galaxias existentes estuvo concentrada en un punto microscópico de infinita densidad, a partir del cual comenzó la expansión que dio origen al universo que conocemos.

Se calcula que su edad es aproximadamente de 15000 millones de años. En su loca carrera hacia el origen, un punto de inimaginable densidad y temperatura que estalló en lo que hoy denominamos Big Bang, la Gran Explosión, los científicos han llegado hasta el primer segundo después de la creación. Para su estudio, este primer segundo ha sido dividido en eras. En los grandes aceleradores de partículas se han conseguido reproducir las condiciones energéticas del universo primigenio cuando sólo tenía 10'" segundos de edad, es decir, una cien billonésima parte del primer segundo después de la explosión. La teoría ha llegado mucho más lejos. La barrera del conocimiento humano -más allá no funcionan las matemáticas- es el denominado tiempo de Planck, que es la diez septillonésima parte del primer segundo después del Big Bang.

En el origen, sólo había un tipo de partícula y una única fuerza. A medida que el universo se fue expandiendo, y por lo tanto enfriando, surgieron las partículas que podemos ver hoy día, y la fuerza única se escindió en cuatro. El proceso puede ser comparado a una serie de congelaciones. De la misma manera que con sólo variar la temperatura podemos tener agua en estado líquido, sólido y gaseoso -tres manifestaciones diferentes de una misma realidad-, el progresivo enfriamiento del universo propició que una única fuerza tomara la apariencia de cuatro distintas.

El primer gran paso hacia la unificación teórica de las fuerzas lo dio James Clerk Maxwell, en el siglo XIX. El fue el primero en comprender que la electricidad y el magnetismo, consideradas hasta entonces como dos fuerzas separadas, eran en realidad manifestaciones diferentes de una misma fuerza, que hoy conocemos como electromagnetismo. Más de medio siglo después, a finales de los años sesenta, el físico paquistaní Abdus Salam y los norteamericanos Steven Weinberg y Sheldom Glashow, que compartieron por ello el Nobel, fueron más lejos y postularon la unificación del electromagnetismo con la fuerza nuclear débil. La existencia de esta nueva unificación debería ser probada por la presencia de dos tipos dé partículas -la W y la Z- mensajeras de la fuerza electrodébil unificada. En 1983, el italiano Carlo Rubbia vio por primera vez estas partículas en el acelerador del CERN, en la frontera franco-suiza. Su trabajo también le valió el premio Nobel, junto con el ingeniero de aceleradores Simon Van der Meer. El descubrimiento de las W y Z, que tenían además exactamente las características previstas, supuso un fuerte espaldarazo a los partidarios de la gran unificación. La teoría para unificar también la fuerza nuclear fuerte está ya muy avanzada, y predice la existencia de otras partículas, las X e Y. Pero al llegar a la gravedad, las sonrisas de los físicos se tuercen en muecas de disgusto.

Las matemáticas para integrar la gravedad a las teorías de la gran unificación son tan complejas que se convierten en intratables. Nadie, ningún científico, ha conseguido hasta la fecha de hoy una teoría medianamente aceptable. Se supone que la gravedad fue la primera de las cuatro fuerzas en separarse después del Big Bang, antes incluso del ya citado tiempo de Planck, el límite hasta el que ha llegado por ahora la especulación teórica más avanzada. La hipotética partícula mensajera de la gravedad, el gravitón, requiere para ser vista en laboratorio tal cantidad de energía que muy pocos creen que pueda llegar a descubrirse algún día. Esta imposibilidad de meter a la gravedad en el mismo saco con las demás fuerzas es la mayor preocupación de los físicos actuales. « Nos desagrada y nos repele sobremanera la simple idea de que la gravedad no pueda en realidad ajustarse a las teorías cuánticas», afirma Jaime Vulve, investigador del Instituto de Estructura de la Materia del CSIC.

La teoría de la mecánica cuántica ha funcionado tan bien hasta los momentos actuales, ha conseguido resolver tantos problemas y responder a tantas preguntas, misterios e incógnitas científicas, que cuesta mucho trabajo pensar que se trate de una teoría equivocada o no del todo universal a nivel subatómico. Sería como decir que un prototipo de automóvil que hubiera corrido a trescientos por hora durante 2.000 kilómetros seguidos y que se estropeara en los últimos cien metros no sirve para nada.

La gravedad es pues el último gran obstáculo a salvar por la física moderna. El célebre y famoso físico británico Stephen Hawking, que ocupa el mismo sillón en el que se sentara en su día el gran Isaac Newton en la Universidad de Cambridge y que está considerado como el sucesor intelectual de Albert Einstein, afirmó una vez durante una entrevista que « dentro de veinticinco años, la física habrá dejado de existir como ciencia, porque ya no quedará nada más por explicar.»

La afirmación de Hawking es una visión muy optimista con la que muchos científicos, no obstante, no están de acuerdo. EI propio Einstein fue el enemigo número uno de la mecánica cuántica, aunque, paradójicamente, recibió el premio Nobel precisamente por su contribución a afirmarla. En cambio, el físico alemán no lo obtuvo por la relatividad. El, enamorado de la idea de un universo estable, regido por leyes inmutables y matemáticamente perfectas, jamás pudo aceptar la irracionalidad y la imprevisibilidad del mundo subatómico. « Dios no juega a los dados», dijo para rechazar la idea de un universo cuántico en el que la probabllidad sustituía a la certeza de sus elegantes ecuaciones matemáticas. Einstein pasó sus últimos treinta años intentando elaborar una teoría unificada en la que, sin renunciar a su elegante visión del universo, quedaran integradas tanto las partículas subatómicas como la curvatura geométrica del espacio-tiempo, debida a la gravedad. Lamentablemente, no lo consiguió. La teoría general de la relatividad también predice la existencia de ondas gravitatorias, que por el momento tampoco han podido ser encontradas. Una vez más, las teorías de Einstein tendrán que enfrentarse a un intento de comprobación que podría arrebatarles ese carisma de irrefutabilidad del que han gozado hasta ahora.

De todo lo dicho se deduce que, por el momento, los resultados del conjunto de las investigaciones relacionadas con la gravedad no son demasiado halagüeños. Hasta que se consiga una teoría unificada que incluya la gravedad, todo resulta imaginable, incluso que la ciencia se encuentre con algo tan imprevisto y extraordinario que sea necesario volver a empezar de cero y cambiar algunos de los supuestos sobre los que se basa nuestro conocimiento del mundo que nos rodea. No nos sorprendería. De momento, no hemos ido más allá de la elaboración de ingeniosas y complìcadísimas teorías matemáticas que, como la de las supercuerdas, empiezan a ser dejadas de lado. Algunos se aferran con uñas y dientes a posibilidades tan remotas como la de una quinta fuerza, cuyos defensores revolucionaron hacepoco tiempo a toda la comunidad científica con estruendosas afirmaciones de haber descubierto una fuerza opuesta a la gravedad. Esta nueva fuerza, conocida con el nombre de hipercarga, tendría un alcance no superior a pocos kilómetros y se manifestaría como una tendencia de la materia a repelerse, dependiendo de la constitución de los núcleos atómicos de los diferentes elementos. Propuesta por Ephraim Fischbach y Samuel Aronson, no cuenta por el momento con ninguna evidencia definitiva, aunque distintos laboratorios en todo el mundo trabajan en su búsqueda. Otro intento de obtener algún resultado concreto es el de los trabajos que en la actualidad se están desarrollando sobre minisuperespacio, cuyas matemáticas si son manejables, aunque a costa de obviar completamente características de la gravitación que podrían ser de la máxima importancia.

La historia contada aunque en otro contexto, por el Nobel de Física soviético Lev Lavidovich Landau sobre el borracho y la farola puede servir para ilustrar con un ejemplo la actual situación de las investigaciones sobre cuantización de la gravedad. En medio de la oscuridad de la noche, en el tenue cerco de luz de una farola, un borracho busca afanosamente por el suelo. Un hombre se le acerca y le pregunta: « ¿Puedo ayudarle en algo? » El borracho le contesta: «Busco una llave que se me ha caído ». Después de un rato, y viendo que en las proximidades no hay nada, el hombre vuelve a preguntar: « ¿Y se le ha caído a usted precisamente debajo de esta farola ? » «No, ¡qué va! -dice el borracho-,se me ha caído por allá », y señala con la mano hacia la oscuridad de la noche. « Pero hombre, ¿ no se da cuenta de que así no la va a encontrar nunca? ¿Por qué sigue buscando su llave precisamente aquí ?. «Porque -sentencia el borracho- éste es el único sitio en el que hay luz ».

Una de las consecuencias de la relatividad de Einstein es la presencia de ondas gravitatorias en el espacio. Aunque aún no se ha podido detectar ninguna, pocos son los que dudan de su existencia. EL problema para poder ver una onda gravitatoria - o su correspondiente partícula, el gravitón -,estriba tanto en su escasísima energía como en su enorme longitud de onda, y por tanto poca frecuencia. Estas características sitúan a esas ondas en el limite mismo del poder de resolución de los instrumentos disponibles.

Ya que no es posible detectar las ondas gravitatorias procedentes de un cuerpo planetario o estelar normal; los científicos se han centrado en la búsqueda de aquellas que son generadas en condiciones especiales. Se supone que la violencia con que se produce el nacimiento y la muerte de las estrellas es capaz de generar una onda gravitatoria de tal fuerza que se expande por todo el universo. Aunque varios laboratorios insisten en haberlas encontrado, no existen en realidad evidencias suficientes para creer que lo que registran los instrumentos sean éllas. Hay una forma indirecta de detectar ondas gravitatorias, que consiste en observar los efectos que éstas producen en los movimientos de un sistema binario de estrellas. En algunos de estos sistemas se ha descubierto una progresiva reducción de la velocidad de rotación, que podría ser producida por ondas de gravedad. Si se consiguiera detectar las del sistema binario y medir su intensidad en la Tierra -para compararla después con la cantidad de pérdida de energía de rotación del sistema-, y ambas magnitudes coincidieran, entonces se habría encontrado una prueba irrefutable de la existencia de dichas ondas.

Las esperanzas se centran hoy en la última generación de detectores, los ínterferómetros por láser, que en teoría deberían ser capaces de detectar oscilaciones tan pequeñas como el diámetro de un átomo. Dos haces de rayos láser son colocados en el interior de dos tubos de varios kilómetros de largo dispuestos en ángulo recto. Por medio de un sistema de espejos suspendidos dentro de los tubos, los rayos son reflejados continuamente. Se supone que la onda de gravedad, al atravesar la Tierra, modificará la distancia de los brazos del detector y alterará la fase de los rayos. Esta variación podrá ser recogida y medida. Se están construyendo varios interferómetros de este tipo -bastante más precisos que los anteriores y basados en la vibración de una barra de aluminio- que se instalarán en diversos lugares de la Tierra. Si una onda gravitatoria es detectada, lo será por lodos los interterómetros a la vez, única manera de estar seguros de que cualquier variación registrada por un sólo aparato no esté producida por otro fenómeno.

Hasta ahora los científicos habían pensado que todos los acontecimientos de la naturaleza podían ser explicados gracias a cuatro fueras fundamentales: la fuerza fuerte -que mantiene unido el núcleo atómico-, la fuerza débil -que causa la desintegración beta de los neutrones-, el electromagnetismo -que nos proporciona luz, calor y microondas- y la gravedad. Las dos primeras operan sólo a escala subatómica. Las dos últimas abarcan desde los protones a las galaxias.

Algunos físicos, no obstante, han anunciado acontecimientos en los que la gravedad parece comportarse de forma distinta a la que predicen las ecuaciones de Newton, lo que les ha llevado a especular sobre la existencia de una quinta fuerza, a la que han llamado hipercarga. Se supone que dos pesos caerán en el vacío a la misma velocidad, independientemente del material de que estén formados. Pero dichos científicos aseguran que esta nueva y sutil fuerza hará caer un peso de hierro más lentamente, aunque muy poco más lentamente, que uno de aluminio, porque el núcleo atómico del hierro está más apretado que el del aluminio.

Esta teoría, que parece desafiar el sentido común, ha sido acogida con escepticismo por otros físicos, que argumentan que las anomalías detectadas pueden ser explicadas por factores conocidos o por algún error en las mediciones. Aunque queda un margen para la incertidumbre. La nueva fuerza, que postulan científicos de la talla de Ephraim Fischbach y Samuel Aronson, parece operar entre objetos que estén a distancias comprendidas entre los 10 m.y los 300 kilómetros. Sería cien veces más débil que la gravedad, que a su vez es billones de veces más débil que las otras tuerzas fundamentales que existen en la naturaleza.

 El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones. Según la teoría formulada por Ephraim Fischbach en 1986, cuanto mayor sea la fuerza con que están ligadas estas partículas, más fuerte sentirá el átomo el efecto de repulsión de la quinta fuerza.

Así el hierro, que posee el núcleo más compacto de todos los elementos -aunque elementos como el uranio tengan más partículas- es empujado hacia arriba con mayor vigor por la quinta fuerza. El porqué esto sucede no se sabe todavía.

La teoría de Fischbach ha estimulado el trabajo de los físicos experimentales, algunos de los cuales aseguran haber encontrado pruebas de una fuerza que se opone a la gravedad. Otros piensan que la llave se esconde en la mecánica cuántica: la gravedad podría ser transportada por partículas, como el gravitón, de la misma manera que el electromagnetismo es transportado por fotones. Dado que estas partículas tendrían diferente momento angular o spin, podrían producir alternativamente atracción o repulsión.