La ciencia tras Interestellar

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Pocas veces el cine, sobre todo el cine de ciencia ficción, nos muestras las realidades físicas tal cómo son. En la memoria de todos están las naves espaciales de todo tipo que aceleran a la velocidad de la luz en un instante, aparecen a cientos de años-luz de distancia y vuelven a su lugar de origen –u otro- como si no hubiera pasado nada.

La ciencia ficción “dura”, tal como se ha dado en llamar en el ámbito de los aficionados a los relatos de ciencia ficción, huye de argumentos que no estén ampliamente basados en postulados de la física que conocemos. Y, si entramos en la temática de los viajes espaciales, muy pocas se salvan. Tenemos que remontarnos a los años 50, o quizás muy últimamente, para ver novelas con amplio sentido científico. No hablemos del cine.

2001_a_space_odysseyQuizás la película –y la novela- paradigma por excelencia sea 2001: Una Odisea del Espacio, dirigida por Stanley Kubrick y que se basaba en un cuento corto de Arthur C. Clark, Sentinel. Con el asesoramiento de éste y de Carl Sagan, la película dejó muy poco resquicio a la imaginación, y de hecho, sigue siendo perfectamente válida hoy en día. Memorable las escenas de rescate del astronauta Bowmann, o el vuelo de la Discovery en completo silencio por el espacio.

Tras esta película, vino la Space Opera, las películas en los que la acción, los rayos láser y las explosiones en el espacio lo invadían todo. De indudable calidad técnica y entretenimiento, dejaban totalmente de lado la realidad científica…eso sí, para hacernos pasar excelentes momentos.

Y ahora ha llegado Interestellar, de Christopher Nolan y que cuenta como productor ejecutivo y asesor a Kip Thorne, autor de un manual sobre la Relatividad y los Agujeros Negros en los años 60 que goza de increíble actualidad, y que fue conocido y amigo de Carl Sagan. (De hecho, asesoró a éste en su novela Contact).

¿Qué hace diferente a Interestelar de otras películas de ciencia ficción? Pues, quizás resumiendo en exceso, es un excelente trabajo visual sobre la Relatividad.

Si no has visto la película, es mejor que no sigas leyendo esto. Y si la has visto, espero que te hayas deleitado con varios de los pasajes. Comentaré los meramente astronómicos y físicos, dejando de lado los biológicos referentes a la primera parte del film.

Interestelar plantea un punto de partida: los viajes a la velocidad de la luz son impracticables, pero viajar a otras estrellas –o galaxias- es posible a través de un agujero de gusano. Vayamos por partes.

En el siglo XIX el experimento de Michelson-Morley demostró que la velocidad de la luz es fija (aprox. 300.000 km/s en el vacío) y nada lo puede superar. Einstein, ampliando las consecuencias de este experimento, llegó al postulado de que la velocidad de la luz es una constante física del Universo, e insuperable. NADA puede viajar más rápido que la luz. Es un límite infranqueable.

relatividadMás adelante, en su teoría de la Relatividad General, Einstein dedujo que los cuerpos, debido a sus masas, deforman el espacio-tiempo a su alrededor. Una forma intuitiva de visualizarlo es la clásica imagen de una malla elástica cuadriculada en la que depositamos un peso: éste se hunde y comba la superficie a su alrededor. De forma muy simplificada, esto es lo que hace un objeto, y, cuanto más masivo sea, mayor es la deformación.

 

krasnikov_agujero_gusanoEn la película, nuestros protagonistas realizan un viaje a otra estrella a través de un agujero de gusano. ¿Qué es? Einstein y Rosen dedujeron que, bajo determinadas condiciones, un agujero negro, producto del colapso de una estrella muy masiva, podría conectarse a través de un puente con otro agujero negro situado en otro lugar del universo, y que sería posible transitarlo. Este agujero negro de gusano daría lugar a algunas paradojas interesantes.

No ahondaré en la factibilidad de “construir” un agujero negro de gusano. Sí en sus características: si nos acercáramos a uno de ellos, veríamos el “otro” lado de salida en su interior. Si lo cruzáramos, dejaríamos nuestro espacio-tiempo para surgir en otro lado…con un lapso temporal determinado. Eso es lo que se muestra en la película. Los protagonistas entran en el agujero de gusano y salen a miles, o cientos de miles, o millones de años-luz al otro lado, en otro sistema planetario. Lo que a velocidad luz tardaría cientos o miles de años, se consuma en muy poco tiempo de viaje…aunque nunca nadie lo ha hecho.

Y qué ven nuestros protagonistas al salir: un sistema en el que los planetas orbitan alrededor de un agujero negro. Como hemos indicado, un agujero negro es una estrella que ha colapsado hasta un punto de densidad infinita, denominado singularidad. La gravedad es tan fuerte, que ni siquiera la luz puede salir del mismo. En esa zona donde la luz no escapa, no vemos nada, por lo que es el límite del denominado Horizonte de Sucesos. Una vez este horizonte se cruza, ya no hay retorno.

Pero recordemos que Einstein predice que un cuerpo muy masivo deforma el espacio-tiempo. No sólo el espacio de deforma, también el tiempo. Y en las inmediaciones de un agujero negro, el tiempo también se distorsiona. De hecho, contra más cerca estemos del agujero negro, mayor será la distorsión temporal, creando una serie de paradojas.

Para entenderlo, recordemos de nuevo la malla elástica. Dividamos esta malla en cuadrículas, de 1 segundo de lado (es decir, técnicamente, 1 segundo-luz). Si la malla permanece plana, en cualquier punto del espacio tiempo el tiempo, 1 segundo, es el mismo. ¿Qué ocurre cuando colocamos un objeto masivo, digamos, en el centro? Supongamos que hay un observador A en el borde exterior de la malla, y otro muy cercano B al cuerpo masivo que hemos colocado. El observador A alejado está en una posición del espacio-tiempo (la malla) que no se ha deformado. El observador B que está cerca del cuerpo masivo que se “hunde” en la malla, dónde él ésta sí que se deforma ostensiblemente, pero, y aquí viene el quid, se deforma sólo para el observador exterior A. Para él (B), la malla sigue siendo la misma, porque la deformación espacio-temporal también le afecta a él. Éste es uno de los grandes principios de Einstein: no hay un observador absoluto, la observación depende del espacio-tiempo en el que nos encontremos.

Volvamos a los observadores. ¿Qué observa A? Observa que la malla donde está B se ha estirado. La cuadrícula ya no mide 1 segundo para A, mide más, se ha estirado, pongamos, 2 segundos según su patrón. El cuerpo masivo a deformado la malla y la ha “estirado”, pero sólo para el punto de vista de A. Así, por cada segundo que pasa para A, pasan 2 segundos para B, A ve “acelerado” a B.

Si no os habéis perdido, enhorabuena, ya habéis pasado lo más difícil.

¿Qué ocurre a los exploradores del primer mundo, el más cercano al agujero negro? Precisamente lo que hemos dicho arriba, pero ahora, trasladémonos al observador B (en la película, los dos astronautas del planeta cercano al agujero negro). Bien, según la teoría de la Relatividad, B no ve nada anormal. Su malla sigue midiendo 1 segundo. Recordemos, él está en el espacio-tiempo deformado, por lo tanto, el forma parte de este espacio-tiempo, y no ve ninguna deformación. Para él, 1 segundo sigue siendo 1 segundo…¿pero qué ve cuando mira a A? Ve que su cuadrícula es más pequeña que la suya, por lo tanto el tiempo desde el punto de vista del observador B pasa mucho más deprisa para A. Por efectos de la deformación espacio-tiempo, su patrón (para él el verdadero) es el real, mientras que el de A se ha acortado. Por cada hora que pasa para B, han pasado 3 para A (desde su punto de vista). El tiempo de A se está acelerando.

Esta es la paradoja temporal que ocurre en la película. Cuando los astronautas vuelven después de unas pocas horas –en su marco espacio-temporal- en la nave que se mantiene a distancia han pasado años. Y este desfase temporal es cuanto más intenso cuanto más masivo es el objeto, y más cercano a él se esté.

Hay otro aspecto relacionado con la masa del objeto, y son las enormes olas que se producen en el primer mundo visitado. Aunque puedan parecer espectaculares, son perfectamente posibles desde el punto de vista físico. Si observamos nuestro planeta, la Luna, un cuerpo infinitamente menos masivo que un agujero negro de masa estelar, causa mareas de varios metros de altura….sólo basta imaginar que mareas causaría un objeto tan masivo como un agujero negro. Sólo hace falta una cosa: que el planeta que sufre las mareas rote, gire sobre sí mismo. Un factor que no se tiene en cuenta en la película es que, con el tiempo, un objeto capturado por la inmensa gravedad de un agujero negro –o una estrella- terminará por “paralizar” esta rotación hasta hacerla síncrona con el movimiento de traslación, es decir, el planeta siempre mostrará la misma cara a la estrella o el agujero negro, y las mareas, ya no se producirán. Esto mismo le pasó a la Luna, con respecto a la más masiva Tierra.

gargantua

Hay un aspecto sobresaliente en la película, y es la representación visual del agujero negro con un disco de acreción alrededor. En las proximidades de éste, los ratos de luz, debido a la inmensa gravedad, no logran “escapar” en líneas rectas, recordémoslo. Según la teoría de la Relatividad General, la luz está obligada a seguir la curvatura del espacio-tiempo producida por el objeto masivo. Pero contra más cercanos estén a este objeto, y si este es tan masivo como un agujero negro, puede suceder que, directamente, no sólo no puedan escapar, sino que terminen orbitándolo, a modo de satélites. Tan fuerte es la gravedad de un agujero negro.

Así que, los rayos de luz que emite el disco de acreción al otro lado del agujero negro se vuelven “hacia atrás” y forman el halo que aparece en la imagen de la película, dándole ese áurea tan especial. A la vez, todos los rayos de luz que provengan desde “detrás” del objeto, por ejemplo, estrellas lejanas, sufrirán también una distorsión, a modo de lente, hecho que se aprovecha en astrofísica para observar objetos lejanos y muy tenues.

Para terminar, y quizás la parte más espectacular de la película, es la caída hacia el agujero negro. Nadie ni nada ha entrado en ningún agujero negro. Típicamente, la gravedad sería tan inmensa que cualquier objeto que se aproximara, quedaría estirado como un espagueti debido a la diferencia entre, digamos, los pies y la cabeza de un astronauta…pero esto es un para un agujero negro estelar. Agujeros negros muy masivos permitirían perfectamente acercarse a ellos de forma segura sin sufrir unos efectos gravitacionales tan intensos. Otra cosa es la radiación que baña al agujero negro si éste tiene –como casi todos los descubiertos hasta ahora- un disco de acreción.

Pero la gravedad es el menor de los problemas. La dilatación temporal es tan intensa, que si nos situáramos en la malla espacio-temporal como antes, con nuestros observadores A y B, ¿qué veríamos? Bien, supongamos que somos A, uno de los astronautas a bordo de la nave que se dirige a otro planeta, y soltamos a B sobre el agujero. ¿Qué vería A? Recordemos, en nuestro experimento mental, que la malla espacio-temporal se estira más y más conforme nos acercamos al agujero negro. Bien, veríamos a B caer cada vez más lento, cada vez más y más, a la vez que lo veríamos cada vez más tenue. Los rayos de luz que nos llegan cada vez tiene que luchar más y más contra la gravedad, alargando su longitud de onda y atenuándose….hasta llegar al horizonte de sucesos, entonces, quedaría colgado para la eternidad, sin atravesarlo, y prácticamente desaparecido.

Pero, ¿ha caído B? Por supuesto. Para él, no hay parada. Cae vertiginosamente hacia el agujero. Pero cuando observa a A, o al resto del Universo, ve que el tiempo misteriosamente se acelera cada vez más, y más, hasta que cae en el horizonte de sucesos…y a partir de aquí, ya no sabemos qué más puede ocurrir.

teseractoEsta parte de la película es prácticamente especulativa. Centrémonos al final, cuando nuestro protagonista se haya en el interior del agujero negro, en un Teseracto o un hipercubo. Es necesario aquí explicar el concepto dimensional.
En nuestra vida cotidiana, nos desenvolvemos en un espacio de tres dimensiones: largo, alto y ancho. Bajar de dimensiones es fácil: largo y ancho, eliminando el alto. Una hoja de papel, quitando el grosor del mismo, es bidimensional. Imaginemos una esfera. Ahora, adaptémosla a un espacio de dos dimensiones: la única manera es representarla mediante secciones. Si fuéramos habitantes de un espacio así, y de repente apareciera una esfera, la veríamos primero como un punto, y luego un círculo que iría aumentando de tamaño paulatinamente hasta llegar al ecuador, y de nuevo iría reduciéndose hasta llegar a un punto…un acontecimiento extraño. Sólo si nuestros habitantes bidimensionales “volaran” hacia arriba (la tercera dimensión) no se darían cuenta de que existe un arriba –y un abajo- e incluso podrían mirar dentro de su mundo, como si fuera transparente.

¿Cómo sería pues, la cuarta dimensión? Intuitivamente es muy difícil conceptuarla. Al igual que el círculo es una sombra deformada en un espacio de dos dimensiones de una esfera de tres dimensiones, un Teseracto es la sombra de un hipercubo de cuatro dimensiones en un espacio de tres dimensiones. ¿Y qué es exactamente? Bien, la “sombra” de un hipercubo en un espacio tridimensional es un cubo dentro de otro, cuyos vértices están unidos por líneas. Si estuviéramos en un espacio de cuatro dimensiones, el teseracto constaría de dos cubos exactamente del mismo tamaño, unidos en sus vértices por líneas que forman ángulos rectos exactamente del mismo tamaño que los lados de los cubos. Sí, no intentes imaginarlo, es imposible.

Si estuviéramos en un teseracto tetradimensional, posiblemente podríamos observar sin ningún problema el interior-exterior de nuestro mundo. Es lo que trata de mostrar la película. Es un concepto sumamente interesante.

Para terminar, la manipulación de las ondas gravitatorias para comunicarse, no es nada descabellado –otra cosa bien distinta es cómo hacerlo….- La teoría de la Relatividad predice que dos cuerpos extremadamente masivos en movimiento uno en torno al otro, o sucesos extremadamente violentos, pueden conmocionar la estructura espacio-temporal del mismo modo que una piedra tirada al centro de un lago altera su superficie y provoca ondas concéntricas que se propagan deformando la superficie del agua a su paso.

Las ondas gravitacionales que nos atraviesan –y creedme, lo hacen aunque no podemos detectarlas aún- modifican el tejido espacio temporal de nuestro alrededor –y a nosotros mismos- pero su efecto es tan extremadamente pequeño, que todavía no hemos conseguido medirlo. Cuando una onda gravitatoria para a través de la materia, causa una perturbación parecida a la onda de agua: distiende y contrae el espacio-tiempo, y los átomos se distienden y contraen en sus distancias de igual manera. En teoría, de esta misma manera, podríamos mover objetos o comunicarnos a enormes distancias.

Hay un aspecto en la película que poca gente a reparado: la paradoja temporal del viaje en el tiempo, o bucle temporal. Una vez que un hecho sucede, queda anclado a un bucle temporal causal (recordemos, causa-efecto). Si recordamos la película, el protagonista va a las instalaciones donde se inicia todo porque él mismo, en el futuro, al intentar comunicarse con su hija da esas coordenadas. El suceso causal –el viaje en el futuro y la comunicación hacia el pasado- cierra el efecto produciendo el bucle. El resultado: el mismo, el viaje y todo lo demás se produce. Esta paradoja es quizás la parte más sugerente –quitando la visual- de toda la película, y ahonda en la paradoja de los viajes –en este caso comunicación- temporales en los que no puede romperse la causalidad. Aunque viajara en el tiempo, y decidiera matar a mi padre, algo ocurriría de cualquier modo que hará que mi nacimiento se produzca, aunque la historia vaya o derive por otros caminos: mi nacimiento ocurrirá.

Pero eso será motivo de otro tema más adelante. Espero que a parte de los argumentos científicos, disfrutéis de la película.

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