El hombre que imaginó los agujeros de gusano y enseñó a Hawking

Kip Thorne revolucionó la física, asesoró en Contact, y estuvo a caballo durante la división de la Guerra Fría.

Kip Thorne

Kip Thorne revolucionó la física, asesoró en Contact, y estuvo a caballo durante la división de la Guerra Fría.

La mayoría de la gente piensa en el espacio como en una vacuidad, la nada abierta entre planetas, estrellas y galaxias. Kip Thorne, Profesor Feynman de Física Teórica en Caltech, ha pasado su vida demostrando otra cosa. El espacio, desde su perspectiva, es el arrugado tejido del espacio-tiempo. Se dobla, estira y estruja conforme los objetos se mueven a través de él y puede incluso doblarse sobre sí mismo cuando lo enfrentamos a entidades extremas conocidas como agujeros negros. Llama a este punto de vista “el lado retorcido del universo”.

Hablando con propiedad, Thorne no se centra en el espacio en absoluto. Piensa en lugar de esto en el espacio-tiempo, la combinación de tres dimensiones espaciales y la dimensión del tiempo descrita por la Relatividad General de Einstein. La gravedad distorsiona tanto aspectos del espacio-tiempo como eventos dinámicos — el suave giro de un planeta o la violenta colisión de dos agujeros negros — envían olas de ondas gravitatorias. Medir la dirección y fuerza de estas ondas podría enseñarnos mucho sobre su origen, permitiéndonos estudiar el inicio explosivo del mismo universo. Para ese fin, Thorne ha encabezado la construcción de LIGO [Observatorio de Ondas Gravitatorias de Interferómetro Láser], un detector de ondas gravitatorias de 365 millones de dólares situado en dos lugares: Louisiana y Washington State. Los instrumentos de LIGO están diseñados para detectar el paso de ondas gravitatorias midiendo minúsculas expansiones y contracciones del espacio-tiempo — curvaturas de una milésima del diámetro de un protón.

A pesar de la seriedad de sus ideas, Thorne también es famoso por sus divertidas apuestas con su viejo amigo Stephen Hawking sobre cuestiones que tratan la naturaleza de su tema favorito, los agujeros negros. Thorne habló con DISCOVER sobre si vida dedicada a la búsqueda de la ciencia, la cual a veces bordea la ciencia-ficción, y ofreció un anticipo de una próxima colaboración con el director Steven Spielberg tque llevará varios aspectos de su mundo retorcido a la gran pantalla.

¿A qué se parece en realidad un agujero negro?

Una idea equivocada es que un agujero negro está hecho de materia que simplemente se ha compactado en un tamaño muy pequeño. Eso no es cierto. Un agujero negro está hecho de espacio y tiempo retorcidos. Puede haberse creado por la implosión de una estrella [donde la gravedad se hace tan concentrada que nada, ni siquiera la luz, puede escapar]. Pero la materia de la estrella se destruyó en el centro del agujero negro, donde el espacio-tiempo está infinitamente retorcido. No queda nada más aparte de espacio-tiempo retorcido. Un agujero negro realmente es un objeto con una estructura muy rica, así como la Tierra tiene una estructura rica en montañas, valles, océanos, etc. Su espacio retorcido gira alrededor de una singularidad central como el aire en un tornado. El tiempo se frena conforme te aproximas al borde del agujero negro, el conocido como horizonte, y dentro del horizonte, el tiempo fluye hacia la singularidad [el punto central de densidad infinita y volumen cero], arrastrando todo lo que hay dentro del horizonte adelante en el tiempo hacia su destrucción. Observando un agujero negro desde el exterior, se vería como los rayos de luz se curvan al pasar cerca del él, y distorsionaría las imágenes del cielo. Verías un punto negro donde nada pasa debido a que los rayos de luz caen en el agujero. Y alrededor verías un anillo brillante de imágenes muy distorsionadas del campo de estrellas o lo que sea que hay detrás de él.

¿Cómo de seguros estamos de este modelo de agujero negro? ¿Podría esta descripción estar equivocada?

Et una firme predicción a partir de las leyes de la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Las ondas gravitatorias nos proporcionarán unos mapas exquisitamente detallados de los agujeros negros – mapas de su espacio-tiempo. Esos mapas dejarán claro si estamos tratando o no con agujeros negros como los descritos en la relatividad general. Es extremadamente improbable que sean de otra forma, pero eso es lo realmente apasionante - nos hemos equivocado antes. Hemos tenido antes un montón de sorpresas.

Einstein pensó en los agujeros negros como curiosidades teóricas. Dado que no se ha observado ninguno, ¿cómo sabemos que los agujeros negros realmente existen?

Vemos pruebas muy convincentes justo en el centro de nuestra propia galaxia. Los astrónomos han visto estrellas masivas caer hacia un objeto centra y girar a su alrededor, como un cometa alrededor del Sol, y volar de vuelta. Han pesado el objeto central midiendo lo fuerte que atrae a las estrellas a su alrededor. Resulta que tiene el mismo tirón gravitatorio que aproximadamente 3 millones de soles, y es muy oscuro — los astrónomos sólo ven allí débiles ondas de radio. Es casi por completo un agujero negro. Y cuando los quásares [objetos compactos extremadamente brillantes en el centro de algunas galaxias] se descubrieron en los inicios de los 60, era obvio que el origen de la energía tenía que ser gravitatoria debido a que incluso la energía nuclear, que alimenta a las estrellas, es demasiado ineficiente. La idea de que los quásares estaban alimentados por la acreción de materia en agujeros negros se propuso unos meses más tarde del descubrimiento de los quásares. Esto fue un cambio enorme en la visión del universo de mucha gente, y sucedió muy rápido. Luego hubo un periodo de rápida investigación, y a mediados de los años 70 empezamos a comprender que los agujeros negros eran objetos dinámicos con un rico conjunto de propiedades. Giran y pueden vibrar.

¿Cuáles son los últimos descubrimientos sobre agujeros negros?

Lo más apasionante para me son las primeras simulaciones por superordenadores de dos agujeros negros que giran en espiral uno sobre el otro y colisionan, disparando salvajes vibraciones de su retorcido espacio-tiempo. Hay una simulación fascinante reciente de un grupo liderado por Manuela Campanelli y Carlos Lousto, que actualmente están en el Instituto Tecnológico Rochester, en el cual dos agujeros negros giraban con sus ejes apuntando en direcciones opuestas en el plano de sus órbitas. Conforme se acercaban, el remolino de espacio alrededor de cada agujero agarraba al del otro y tiraba de él hacia arriba, justo antes de colisionar. El agujero fusionado volaba hacia arriba desde donde tenía lugar la colisión, vibrando salvajemente, y disparando un estallido de ondas gravitatorias en direcciones opuestas para conservar el momento total. Es similar a cómo un anillo de humo se propulsa a sí mismo adelante por el aire.

¿Cuándo veremos pruebas convincentes de ondas gravitatorias procedentes de eventos como agujeros negros en colisión?

LIGO es un proyecto de varias etapas. Mejoramos los detectores para tener cada vez una mayor sensibilidad. Ahora estamos trabajando con nuestros primeros detectores, completando la primera búsqueda larga. Es posible, pero no probable, que ya tengamos algunas ondas gravitatorias en el bote, que veremos cuando completemos el análisis de datos. En LIGO Avanzado, que comenzará su búsqueda a principios de la próxima década, esperamos ver una rica plétora de distintos tipos de ondas, con señales llegando cada día o semana.

¿Puede describir brevemente cómo serán capaces de detectar ondas gravitatorias?

Cuando las ondas gravitatorias alcanzan la Tierra, las ondas estiran y encogen el espacio. Es un tirón y apretón diminuto. Demasiado pequeño para detectarlo con nuestros sentidos humanos comunes. Estamos intentando detectar ondas gravitatorias colgando dos enormes espejos de cables, cada par de espejos está separado unos 4 kilómetros, y conforme pasan las ondas, los espejos sufren ese tirón y apretón del espacio por lo que se separados y unidos de nuevo, atrás y adelante. Monitorizamos la separación de la oscilación entre los espejos usando un rayo láser. Incluso aunque estos son espejos de 12 kilos, sus movimientos son tan exquisitamente pequeños que son perturbados de forma mecánico cuántica mediante nuestra monitorización. Y hemos ideado formas de lograr una señal de onda gravitatoria en estos espejos y a través de ellos, sin que queden contaminados por el movimiento de vibración cuántica de los espejos. Normalmente, sólo ves la vibración mecánico-cuántica cuando observas objetos del tamaño de átomos y moléculas, pero nos estamos moviendo en un dominio donde vemos el centro de masas de la vibración mecánico-cuántica de estos grandes espejos. Pronto mediremos los movimientos de los espejos con una precisión que es casi la misma que la anchura de la función de onda mecánico-cuántica de los espejos, lo cual significa que veremos los espejos comportarse de forma mecánico-cuántica. Veremos estos objetos del tamaño de un humano comportarse como átomos y moléculas, lo cual nunca se ha logrado anteriormente.

¿Cómo es eso posible?

Mis fabulosos colegas experimentalistas son capaces de hacerlo debido a que están haciendo medidas exquisitamente precisas. Los movimientos que son capaces de ver ahora son del nivel de aproximadamente 1/100 000 000 el tamaño de un átomo. Las superficies de los espejos tienen baches y valles que son del tamaño de varios átomos. Y estamos midiéndolos con una precisión de casi una mil millonésima del tamaño de estos baches y valles. Y podrías decir: ¿Cómo es posible medir con ese nivel? La respuesta es que el rayo láser es grande — aproximadamente de unos 10 centímetros de diámetro — y hace la media de descomunales números de baches y valles, y se hace la media con el tiempo. Estamos buscando el movimiento del centro de los espejos conforme se mueven adelante y atrás aproximadamente 100 veces por segundo. Pero los átomos dentro de la superficie del espejo están oscilando térmicamente a aproximadamente un billón de oscilaciones por segundo. Por lo que hacemos la media sobre una enorme cantidad de oscilaciones térmicas y un enorme número de átomos — el rayo láser lo hace automáticamente. Y por tanto podemos ser realmente sensible sólo al movimiento medio exquisitamente sensible de todo el espejo, el llamado centro de masas de movimiento.

Además de los agujeros negros, ¿qué otro tipo de objetos están hechos de espacio-tiempo retorcido y crean ondas gravitatorias?

Bueno, una estrella de neutrones es un ejemplo. Está parcialmente hecha de materia nuclear y parcialmente de espacio-tiempo retorcido. Esperamos ver un agujero negro destrozando a una estrella de neutrones. Veremos el comportamiento dinámico del espacio-tiempo retorcido alrededor de estos dos objetos mientras uno destroza al otro. Otro ejemplo es algo llamado cuerda cósmica. Esto son hipotéticas grietas en el tejido del espacio que se cree que se crearon en los mismos inicios del universo, debido a la expansión inflacionaria de las cuerdas fundamentales — los objetos que según nos dicen los teóricos de cuerdas forman todo. Las cuerdas cósmicas son como grietas en el tejido del espacio. La geometría alrededor de una cuerda no es como una hoja plana de papel. En lugar de esto el espacio se curva en forma cónica; la circunferencia alrededor de la cuerda es menor de pi veces el diámetro. El núcleo de la cuerda está hecho de campos que tienen enormes energías que crean este retorcimiento, y el núcleo tiene una enorme tensión, como la tensión de una cuerda de violín. Si punteas una cuerda de violín, las ondas viajan a través de la misma. De forma similar si una cuerda cósmica es punteada, las oscilaciones viajan a través de la misma a muy alta velocidad — a la velocidad de la luz — y producen ondas gravitatorias conforme viajan.

Las cuerdas cósmicas son una idea controvertida que proviene de la Teoría de Cuerdas, el área más estudiada de la física teórica. Esta área aún está lejos de ser una unificación coherente de la física cuántica y clásica. ¿Cree que la Teoría de Cuerdas es lo bastante apasionante para merecer la cantidad de atención que está obteniendo?

Absolutamente. Creo que no hay ninguna duda. Muestra muchas señales de estar en sobre la pista correcta hacia una correcta Teoría Cuántica de la Gravedad. Ha dado lugar a un número muy importante de ideas que tienen una buena posibilidad de ser correctas, tales como dimensiones superiores, la posibilidad de formar mini-agujeros negros en el LHC [Gran Colisionador de Hadrones, un nuevo acelerador de partículas que puede estar listo y funcionando el próximo año], y por tanto estudiar las dimensiones superiores. La Teoría de Cuerdas está empezando a concretarse, se comprobarán las predicciones observacionales. Las afirmaciones de que son simplemente “pajas mentales” de los teóricos son, según creo, tonterías.

¿Qué pasa con esos mini-agujeros negros que pueden producirse en el LHC?. ¿Cómo se relacionan con los agujeros negros que usted estudia?

Los agujeros negros que estudiamos los astrofísicos son gigantescos, y tienen enormes tirones gravitatorios. Los mini agujeros negros que podrían formarse en el Gran Colisionador de Hadrones son radicalmente distintos de esos enormes agujeros. Es inoportuno que tengan el mismo nombre porque es como llamar a un ser humano y a una ameba como si fueran la misma entidad, y darles el mismo nombre porque son seres vivos hechos de la misma materia. Los agujeros negros que podrían verse en el LHC son en cierto sentido primos lejanos de los enormes agujeros astrofísicos, con propiedades radicalmente distintas. Veremos mini agujeros negros sólo si nuestro universo tiene dimensiones superiores, y sólo si se forman y se evaporan a través de lo que se conoce como radiación de Hawking [un tipo de radiación que se teoriza que escapa justo desde el horizonte de un agujero negro]. Una gran cantidad de productos de evaporación se marchan a las dimensiones superiores, y por eso aquí exploramos unos aspectos muy distintos del lado retorcido del universo, la influencia de las dimensiones superiores. Si se ven las pruebas en el LHC de estos mini agujeros negros, estaré convencido de la existencia de las dimensiones superiores.

¿Cuáles son algunas de las mayores sorpresas con las que se ha encontrado en su vida estudiando la física teórica?

Oh, creo que la mayor sorpresa para mi fue el descubrimiento de la energía oscura; que la mayor parte de la masa del universo esté en forma de energía oscura que se extiende a través de todo el universo, y tiene una enrome tensión como una goma del pelo demasiado estirada. Lo encontré increíble. Y yo y muchos de mis colegas no lo creeremos hasta que no veamos varias piezas completamente independientes de datos observacionales que digan que esto es así.

Desde los años 60 a los años 80, usted colaboró con físicos rusos. ¿Cómo fue este trabajo con ellos durante la Guerra Fría?

Decidí hacer esto en gran parte porque el astrofísico ruso Yakov Zel’dovich me tomó bajo sus alas. Él y Andrei Sakharov habían sido los principales diseñadores de la bomba de hidrógeno en Rusia. John Wheeler, uno de los diseñadores de la bomba de hidrógeno en Estados Unidos, fue mi tutor en la tesis doctoral, por lo que estaba personalmente muy cercano a los diseñadores de bombas de hidrógeno tanto de Rusia como de Estados Unidos. Me movía libremente entre Rusia y los Estados Unidos como un tábano intelectual, portando ideas de astrofísica y relatividad de ida y vuelta y ayudando a dos conjuntos de científicos a comunicarse entre sí.

¿Fue observado y cuestionado por los agentes del gobierno?

Estaba bastante seguro de que la CIA o el FBI tenían pinchado mi teléfono ocasionalmente aquí en los Estados Unidos, pero nunca llegaron hasta mi de forma directa. Después de que abandonase la URSS., mis colegas rusos normalmente daban parte al KGB de lo que había sucedido durante mi visita. La monitorización era mucho más intensa en el lado soviético. El KGB intentó a menudo usar a científicos rusos como espías, y esto fue un tema doloroso que algunos de mis colegas rusos tuvieron que sufrir. La CIA nunca intentó usarme como espía.

Los aficionados a la ciencia-ficción le adoran porque n los años 80 usted sugirió que el viaje en el tiempo podría ser posible pasando a través de una cosa conocida como agujero de gusano. ¿Cómo funcionaría?

Un agujero de gusano en una hipotética torsión del espacio que puede servir como atajo entre dos regiones distintas del universo. Es como si un gusano taladrase un agujero a través de una manzana de un lado a otro. Si fueses una hormiga y vivieses en la superficie de la manzana, habría dos rutas a tomar para ir de un lado a otro de la manzana. Uno es rodeando el exterior, sobre la superficie, lo cual podemos pensar que es como el espacio de nuestro universo suavemente curvado; la otra es a través del agujero de gusano. En el caso del universo, el agujero de gusano sería bastante corto y podríamos llegar, por ejemplo, desde nuestro Sistema Solar al centro de la galaxia. La relatividad general dice que los agujeros de gusano podrían existir. Cuando combinamos la relatividad general con la Teoría Cuántica, encontramos pruebas moderadamente convincentes de que los agujeros de gusano no pueden existir en absoluto — pero aún no estamos seguros.

¿Cómo llevaron los agujeros de gusano a su interés por el viaje en el tiempo?

En la versión original de Carl Sagan sobre su novela Contact, ponía a su heroína a viajar a través de un agujero negro a una zona distante del universo, me preguntó si podía asesorarle. Inmediatamente le dije, “No puedes hacer eso. Los agujeros negros no pueden usarse de esa forma”, le sugerí que en lugar de eso usara un agujero de gusano. Esto me hizo interesarme en el tema de si realmente podría ser que se pudiera viajar a través de agujeros de gusano, y me di cuenta bastante rápido que si existían, no sería muy difícil para una civilización muy avanzada usar un agujero de gusano como una máquina del tiempo. Esto me forzó a enfrentarme a las materias de historias inconsistentes: ¿Podrías volver atrás y matar a tu padre antes de que tú fueras concebido? Y esta cuestión me llevó a darme cuenta de que este tipo de experimentos mentales pueden ser una forma muy potente de estudiar las leyes de la física. Tenía amigos que me preocupaba que se enfadaran cuando escucharon hablar por primera vez sobre esto, pero la mayoría de ellos se entusiasmaron cuando aprendieron los detalles.

¿Podría ser posible viajar hacia atrás en el tiempo?

Es bastante improbable que podamos viajar hacia atrás en el tiempo — aunque ciertamente no está descartado — y puede ser que la naturaleza tenga mecanismos que eviten el viaje hacia atrás en el tiempo. Cuando estudiaba esto, me convencí de que las leyes de la física puede adaptarse fácilmente al viaje hacia atrás en el tiempo sin ninguna serie pérdida de capacidad de predicción y sin auto-inconsistencias. Creo que lo más interesante fue el descubrimiento que hice con un posdoctorado, Sung-Won Kim de Corea, que es que existe un mecanismo universal que siempre tiene lugar: Si cualquier civilización avanzada intenta crear una máquina para viajar hacia atrás en el tiempo, los efectos cuánticos causarán que la máquina empiece a auto-destruirse de forma explosiva en el momento en que la actives. No sabemos su la explosión es lo bastante fuerte para destruir siempre la máquina del tiempo. Tendremos que tener en nuestras manos una Teoría Cuántica de la Gravedad completa [una combinación de la relatividad general y mecánica cuántica, aún no comprendida] pera descubrir la respuesta.

Esta clase de investigaciones ciertamente no han dañado su carrera. Carl Sagan, por otra parte, tuvo que enfrentarse a ciertas reacciones debido a que escribía ficción y pensaba sobre civilizaciones extraterrestres. Usted era su amigo. ¿Estas reacciones dañaron realmente su carrera?

Tuvo algunas reacciones poco agradables con las que trata, pero no creo que esto dañase su carrera entre sus colegas inmediatos. Fue elegido para la Academia Nacional de Ciencias y entonces su elección se desestimó en la reunión final, cuando debería haber entrado. Fue rechazado por la gente que no estaba cercana a su campo. Creo que esto es normalmente cierto, que sus colegas inmediatos – aquellos que trabajaron con él, que conocían su investigación de haber leído sus artículos – tenían un gran respeto por su trabajo científico. Fue la gente que tenía poco conocimiento personal de su investigación los que le causaron los problemas que tuvo.

Existe un rumor sobre que está usted trabajando en un proyecto de ciencia-ficción con Steven Spielberg. ¿Es cierto?

Estoy trabajando en una película de ciencia-ficción con Steven que está basada en un tratado del que fui coautor con la productora Lynda Obst. Seré productor ejecutivo de la película, básicamente centrada en llevar buena ciencia en ella. Espero que no haya nada en la película que viole las leyes físicas fundamentales, y todas las especulaciones salvajes de la misma surgirán de la ciencia. El título del trabajo es Interstellar, pero es improbable que sea en título final. Es una historia en la cual el lado retorcido del universo juega un papel principal.

¿Puede describirnos algunas de las apuestas que ha hecho con Stephen Hawking — y quién ganó?

Nuestra primera apuesta fue sobre Cygnus X-1, el primer candidato fuerte a un agujero negro que nadie había encontrado aún. ¿Es realmente un agujero negro? Hawking caracterizó esa apuesta como su póliza de seguros debido a que había invertido mucho en que resultara ser un agujero negro, por lo que apostó en contra de lo que esperaba. Se imaginó que si resultaba no ser un agujero negro, al menos tendría algo menos de disgusto. La apuesta fue bastante políticamente incorrecta: Me dio una suscripción a la revista Penthouse cuando gané. Teníamos a otro apostante: John Preskill y yo por un lado — Preskill es un físico de Caltech — y Hawking en el otro. La apuesta era sobre si las leyes de la naturaleza permiten una implosión para producir una singularidad desnuda — una singularidad que no está dentro de un agujero negro. Nosotros apostamos que se podía, y Hawking a que no. Tuvo que admitirlo cuando se creó realmente una singularidad desnuda en una implosión ajustada con detalle en una simulación por ordenador. Ahora tenemos una nueva apuesta sobre si una singularidad desnuda podría tener lugar de forma natural en el universo.

¿Qué ganó con la segunda apuesta?

El perdedor tenía que dar al ganador una prenda de ropa para ocultar la desnudez del ganador. Hawking lo admitió en una lectura pública en Caltech, y nos regaló unas camisetas que tenían la imagen de una mujer ocultando su desnudez con una toalla. En la toalla estaba escrito “La naturaleza aborrece las singularidades desnudas”.

También realizó una apuesta sobre una de las ideas más extrañas acerca de los agujeros negros: No sólo se tragan la luz y la materia, sino que incluso destruyen cualquier pista o información sobre el evento. ¿Cuál fue el argumento en este caso?

Si tienes algo que implosiona para crear un agujero negro, lo cual entonces se evapora por completo debido a la radiación de Hawking, ¿la información que entró en el agujero negro vuelve a salir? Los principios fundamentales de la Teoría Cuántica dicen que si, y Preskill tomó esta parte. La Relatividad General parece decir no, y esta fue el bando que tomamos Stephen y yo. Hace unos tres años, Stephen encontró una nueva forma de analizar el proceso de evaporación, una forma que le convenció de que Preskill estaba en lo cierto y la información podría recuperarse, en principio. Hawking lo admitió en una gran ceremonia en una reunión internacional en Dublin donde yo era el presidente. Pero yo aún no lo he admitido.

¿Y esa era la de las enciclopedias?

Eso es. El perdedor tenía que proporcionar al ganador una enciclopedia de información. Por lo que Stephen dio a John, que tiene una fabulosa colección de cromos de béisbol, una enciclopedia de béisbol americano.

Parece que Hawking no hace bien sus apuestas

No ha ganado ninguna de estas apuestas. Creo que caracteriza el hecho de que está listo para arriesgarse y retar a la gente, como una forma de intentar formentar un avance rápido de la ciencia.

¿Aún está en contacto profesional con Hawking?

Él y yo nunca hemos escrito un artículo juntos. Su interés actual es el inicio del universo. El mío es estudiar su lado retorcido. Iré pronto por Cambridge y pasaré un día con él, y charlaremos sobre física y la vida. Él acaba de terminar de escribir un libro para niños llamado George’s Secret Key to the Universe (La llave secreta de George al universo). Estoy impaciente por leerlo. Seguro que contiene tesoros de sabiduría, no sólo para niños, sino para adultos y probablemente también para físicos como yo.

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Autor: Susan Kruglinski
Fecha Original: 9 de noviembre de 2007
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Fuente: Ciencia Kanija