Ondas Gravitatorias Primigenias

Hoy, día 11 de febrero de 2016, los físicos están de fiesta. Han sido detectadas por el equipo de investigación LIGO ondas gravitatorias primigenias procedentes de la colisión de dos agujeros negros. Veamos un repaso general para ver de qué trata todo esto:

El Big Bang es una teoría de la evolución del Universo. Dado que es un hecho que el Universo está en expansión (demostrado por Edwin Hubble), en algún momento con anterioridad debió ocupar un volumen menor y menor...Así, podemos imaginar que al principio de los tiempos todo "estuviese concentrado en un punto". A partir de ahí surgió la Gran Explosión que originó el Universo actual. ¿Pero por qué esa explosión? 

Fruto del Big Bang, y 300.000 años después de este, los electrones se asociarían con los núcleos atómicos para formar los primeros elementos (hidrógeno, helio, litio...). En esas transiciones electrónicas se emitieron fotones, que hoy en día los detectamos con satélites como el WMAP (localización) o el novísimo Planck.

Debido al Efecto Doppler, detectamos esa radiación en forma de microondas.

Imagen proporcionada por el WMAP

Este mapa inicial del Universo, donde podemos observar que la materia no está uniformemente distribuida, puede ayudarnos a ver dónde se localizan los cúmulos masivos (galaxias, grupos...) de nuestro Universo. Este es un claro argumento a favor de la Teoría del Big Bang. Pero, ¿cómo se formó el Big Bang?

En 1981, Andrei Linde y Alan Guth, dos físicos estadounidenses, presentaron su Teoría de la Inflación. En ella, el Universo comenzó debido a una serie de fluctuaciones cuánticas (aniquilación entre materia y antimateria, clic aquí para saber más). Así, se inició una expansión exponencial llamada inflación. En un intervalo de tiempo lo más diminuto imaginable, el Universo pasó de ser del tamaño de una canica al de una galaxia...

Imaginemos que todo el espacio en expansión es una olla a presión llena de agua hirviendo. Nuestro universo se formaría a partir de burbujas de ese agua hirviendo, es decir, cuando esa inflación se frena y no sabemos por qué. Esa burbuja dejaría de expandirse exponencialmente, y toda la energía liberada en ese proceso se transformaría en la materia actual del Universo, la radiación, materia y energía oscura... A partir de aquí surgen teorías como la de universos múltiples...

En esa creación de energía y materia se producen fluctuaciones. Como nos muestra el WMAP, la distribución de esa materia no es uniforme.

Modelo inflacionario

Imaginemos el Universo como una enorme sábana (el espaciotiempo). Al crearse materia sobre esa sábana, se crean ondulaciones que se propagan por toda la sábana. Esas ondulaciones de la sábana son las ondas gravitatorias, predichas por Einstein hace 100 años. Se propagan a la velocidad de la luz, así que hay cierta relación entre el fondo de microondas y estas ondas. Debido a la gran densidad del universo primitivo, esas ondas eran bastante poderosas. Clic aquí para saber más sobre Relatividad Especial.

Vídeo para móviles

Esos fotones del fondo de microondas poseen una determinada polarización, que depende del último átomo en el que haya rebotado esa luz. Estudiando la polarización del fondo de microondas cósmico, los físicos han determinado que en ese ambiente existían ondas gravitacionales, lo que es un argumento a la teoría de la inflación y a la de la relatividad general.

Hace pocas horas, se ha descubierto la presencia de ondas gravitatorias primigenias, ondas procedentes de los comienzos del Universo. La presencia de estas perturbaciones, meras hipótesis durante más de 30 años, es un argumento a favor de la Teoría de la Inflación. Hoy dejan de ser hipótesis. 

Hoy sabemos un poco más sobre el origen del Universo.

Alan Guth, paul Steinhardt y Andrei Linde

Aquí os dejaré algunos enlaces sobre este magnífico descubrimiento:

Enlace 1

Enlace 2

Enlace 3

Enlace 4

Enlace 5

¿Qué es el Efecto Casimir?

Es probable que nunca hayas oído hablar de tal efecto, pero no por eso pierde su encanto. ¡Veamos en qué consiste!

A comienzos del siglo XX, Max Planck inaguró la Teoría Cuántica. Más tarde, en la década de 1930, el físico alemán Heissenberg propuso el 'Principio de Incertidumbre', pero ¿en qué consiste? 

Básicamente dice que no podemos saber con plena exactitud la posición y la velocidad de una partícula: si sabemos con precisión su velocidad, no podremos decir con exactitud dónde se encuentra, y viceversa.  En realidad la formulación original dice que no podemos conocer con total precisión la posición y el momento lineal (que es proporcional a la velocidad). El propio Heissenberg estableció el límite entre el producto de ambas incertidumbres. Para "observar" esa partícula, necesitamos de ondas con poca longitud, tales como rayos gamma o X. Al usar esos fotones con tanta energía, modificamos y desviamos a la partícula. Simplemente con el hecho de observarla, modificamos su velocidad. Esto es proporcional a la masa de la propia partícula. Como consecuencia, no podemos conocer exactamente ambos parámetros.

Ahora bien, imaginémonos en el espacio. Si estuviese realmente vacío, conoceríamos la velocidad de todas las partículas (0) y su posición (0). ¡Básicamente lo sabríamos porque no están! Esto niega el Principio de Incertidumbre, entonces tiene que haber algo...¿pero qué?

La respuesta es el 'Falso Vacío': pares de partículas y antipartículas que se generan espontáneamente, y que se autodestruyen al instante. Al destruírse, se emite energía (la misma que se necesitó para que surgiesen). ¿Os acordáis de la película Ángeles y Demonios de Tom Hanks? Pues la bomba que buscan está hecha de antimateria, por eso al juntarse con materia explota. Es una comparación con lo que pasa a pequeña escala en el espacio.

Al juntarse materia y antimateria, se autodestruyen liberando energía

Podemos decir que eso está ocurriendo continuamente en el espacio, conque este está repleto de esas ondas. Ahora 'colocaremos' dos placas de metal muy juntas. ¿Qué ocurrirá?

Efecto Casimir

Tal y como vemos en la imagen inferior, la energía que existe dentro y fuera de las placas puede interpretarse como fotones con diferentes longitudes de onda:

Pero dentro no caben todas las longitudes de onda que caben fuera, ya que solo serán posibles aquellas cuya longitud de onda sea divisor de la distancia entre las dos placas (más correctamente, la mitad de la longitud de onda). De esta forma, se crea una presión mayor fuera que dentro, lo que origina una fuerza atractiva entre las placas. Este efecto fue predicho en 1948 por Hendrik Casimir y Dirk Polder.

Como dato curioso, si la distancia entre las placas es de 10 nanómetros (la cienmilésima parte de 1 milímetro), la presión entre las placas sería aproximadamente igual a una atmósfera de presión.

Esto queda muy bonito teóricamente, pero en la práctica también se puede comprobar. Veamos ejemplos:

En el vídeo, a partir del minuto 2:20 aproximadamente, podemos observar un ejemplo de el Efecto Casimir en el agua.

Se cree que esta fuerza es la que pudo ocasionar la rápida expansión inicial del Big Bang. El científico estadounidense Alan Guth dijo: "...por eso, el Universo pudo surgir de la nada, porque es, básicamente, nada". En esta frase, lo que quiere decir es que la suma de todas las energías en el Universo es 0 (porque se considera la gravedad como negativa y la masa y energía positiva, y la suma debe dar 0), por tanto la idea del 'Falso Vacío' puede explicar el origen de nuestro Universo. Las diferencias en la distribución de la materia en el universo originan diferencias en la distribución de este falso vacío. Si fuera de las placas la energía es 0, y dentro es menor, en su interior debe ser negativa, ¿no? Esta energía negativa funcionaría al revés que la materia o la energía convencionales. Como la energía se atrae mutuamente por acción gravitatoria, la energía de vacío tendría carácter antigravitatorio, expandiendo el universo.

¿Por qué se expande nuestro Universo? Aunque esta pregunta necesitaría muchas entradas para ser explicada, nos limitaremos a decir que hay algo que lo expande. Unos lo llaman falso vacío, otros energía oscura, y Einstein llegó a decir que fue la constante cosmológica de sus ecuaciones, lo que creyó que fue el mayor error de su vida. Hasta los genios a veces se equivocan...

Esta energía puede tener aplicaciones increíbles, como la posibilidad de crear atajos en el espacio-tiempo para comunicarnos con otro punto del Universo o con otra época. La NASA está investigando un tipo de motor que funciona con esta energía, motor tipo WARP. Si quieres leer sobre cómo funcionan estos motores, te recomiendo leer esta entrada: Motores WARP

Una última cosa: la energía positiva (luz, materia...) curva el espacio-tiempo hacia "abajo", mientras que esta energía lo curva hacia "arriba". Este sería un escenario ideal para la creación de un agujero de gusano, una especie de atajo espaciotemporal que nos permite viajar a otra coordenada del espaciotiempo. ¿Qué quiere decir esto? Que los viajes en el tiempo a escalas subatómicas están un pasito más cerca...

Los agujeros de gusano fueron teorizados por Albert Einstein y Nathan Rosen, y fueron bautizados como los puentes de Einstein-Rosen. En un reciente artículo, se cree que en unos años seremos capaces de enviar pulsos de luz gracias a puentes estrechos, cuya vida media es muy pequeña. Puedes leer la noticia desde los siguientes enlaces: Enlace 1, Enlace 2 y Enlace 3.

Representación de un motor WARP. Curvan el espacio-tiempo
hacia arriba, de manera que "viajan más rápido que la luz"

Espero que os haya gustado esta entrada, comentad, compartid y muchas gracias. ¿Queréis que hable de los agujeros de gusano relacionándolo con este tema? Si es así, dejadlo en los comentarios.

¡Hasta otra!