Si hubiera masas negativas podríamos construir una máquina del tiempo

El curso académico acaba de empezar en la Universidad de Harvard. Cuando entré en el aula, había muchos estudiantes nuevos. La clase que imparto este semestre es la única obligatoria para todos los estudiantes de posgrado de la facultad de Astronomía de Harvard. Pero había tres veces más alumnos, incluidos estudiantes de licenciatura, así como estudiantes de los departamentos de Química y Física de Harvard y de otras universidades, como el MIT.

La asignatura, titulada Procesos radiativos en astrofísica, abarca los fundamentos del electromagnetismo, esenciales para interpretar los datos que recogemos de las observaciones del universo a través de telescopios. En la última década, los astrónomos han empezado a utilizar un nuevo mensajero no electromagnético procedente del horizonte cósmico: las ondas gravitacionales originadas por las colisiones de agujeros negros.

TE PUEDE INTERESAR

La Tierra estuvo al borde del desastre y no nos enteramos. Ahora puede pasar otra vez

Jesús Díaz

La gravedad nos permite detectar objetos oscuros como agujeros negros o materia oscura. Les revelé a los estudiantes que todo lo que se discutirá en mi clase se aplica solo al 15% del total de la materia cósmica, porque la materia oscura no interactúa con la luz. Los humanos estamos hechos de átomos de materia ordinaria que interactúan electromagnéticamente, por lo que, naturalmente, nos preocupamos más por este sector del total de la masa cósmica. Uno puede imaginar un aula con estudiantes hechos de materia oscura, donde el profesor imparte una clase obligatoria completamente diferente sobre el sector oscuro. Dado que los asistentes a esta clase hipotética representan el 85% de la materia cósmica, merecen más crédito que yo por describir la mayor parte del universo.

Empecé mencionando que la repulsión eléctrica entre protones es 36 órdenes de magnitud mayor que su atracción gravitacional. ¿Por qué entonces la gravedad es tan dominante a escalas cósmicas? La respuesta es simple: los protones y los electrones tienen cargas positivas y negativas que se protegen entre sí, mientras que la gravedad solo proviene de masas positivas. Por cierto, si hubiera masas negativas, podríamos haber construido una máquina del tiempo.

Después de definir la intensidad de la radiación, la densidad de energía y la presión, expliqué que la presión es fuerza por unidad de área. Un cuchillo es simplemente un dispositivo que transmite la fuerza de nuestra mano a una pequeña zona de su filo hasta que la presión supera la resistencia del material que corta.

Luego pasé a mencionar cinco coincidencias sorprendentes:

(i) La presión de un campo de radiación isotrópica es un tercio de la densidad de energía porque vivimos en tres dimensiones espaciales. Si hubiéramos vivido en cuatro dimensiones, la presión de radiación habría sido una cuarta parte de la densidad de energía.

(ii) Nuestros ojos son sensibles a la luz visible porque la supervivencia del más apto implica utilizar los fotones más abundantes que el Sol rocía sobre la Tierra. Si hubiéramos vivido cerca de un agujero negro, la selección natural habría favorecido los ojos de rayos X.

(iii) La sección transversal por unidad de masa para la dispersión de la luz por electrones y protones libres sigue la regla general: es 0,4 centímetros cuadrados por gramo, similar al área por unidad de masa de un pulgar. Por coincidencia, esto también resulta ser el inverso de la masa por unidad de área de materia en todo el universo, hasta el momento en que se formó la primera generación de galaxias. Afortunadamente, el 85% del total de masa cósmica es materia oscura, que no dispersa la luz y permite al telescopio Webb observar las primeras galaxias. Si toda la materia cósmica estuviera compuesta de electrones y protones libres, las imágenes de las primeras galaxias habrían quedado ocultas tras una densa niebla que dispersa la luz. Un gramo por centímetro cuadrado es también la masa crítica por unidad de área necesaria para producir múltiples imágenes mediante lentes gravitacionales a través de distancias cosmológicas. Las partes internas de las galaxias tienen exactamente esta masa por unidad de área, lo que las convierte en lentes gravitacionales.

(iv) La intensidad es constante a lo largo de un rayo de luz. Esta es una manifestación de la conservación de la densidad del espacio de fases, en línea con el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica de Heisenberg, donde el volumen del espacio de fases se discretiza en cubos de tamaño constante de Planck. Los fotones son partículas sociales (bosones) y prefieren ocupar el mismo estado de espacio de fase, como en el caso de un láser. Muchos de ellos con la misma frecuencia y fase forman una onda electromagnética clásica.

(v) Sin el Principio de Heisenberg, los átomos no habrían tenido su tamaño característico. La gravedad newtoniana permite que la Tierra se acerque arbitrariamente al Sol porque reducir el radio orbital de la Tierra en algún factor no aumenta la velocidad de la Tierra en el mismo factor. La Tierra es un objeto clásico con un momento y una extensión espacial cuyo producto es enorme en comparación con la constante de Planck. Por el contrario, un electrón se libera si se localiza en una región más pequeña que el radio de Bohr alrededor de un protón. Este radio define el tamaño de un átomo de hidrógeno.

El estudio del hidrógeno tiene una larga tradición en Harvard. Theodore Lyman IV descubrió en 1906 la serie Lyman de líneas espectrales del átomo de hidrógeno. La tradición continuó con Cecilia Payne-Gaposchkin, que descubrió en su tesis doctoral de 1925 que el elemento químico más abundante en la superficie del Sol (¡y del Universo!) es el hidrógeno. Más tarde, Ed Purcell y George Field sentaron las bases de lo que hoy se denomina "cosmología de 21 centímetros", es decir, el uso de una línea espectral de giro del hidrógeno con una longitud de onda de 21 centímetros para cartografiar la distribución tridimensional de los átomos de hidrógeno en todo el Universo. Ed, junto con Doc Ewen, descubrieron la señal de 21 centímetros de la Vía Láctea desde una ventana del departamento de Física en 1951, y George derivó la física relevante (incluido el papel de los fotones Lyman-alfa en el acoplamiento de la temperatura de espín a la temperatura cinética) en el contexto del medio intergaláctico.

Como último punto de mi clase, derivé la ecuación de transferencia radiativa que es fundamental no solo para la señal de 21 centímetros, sino también para la propagación de la radiación a través de cualquier medio. El Sol, por ejemplo, es un reactor de fusión nuclear que se mantiene unido por la gravedad. Su núcleo produce principalmente rayos X, y la radiación se propaga a la superficie desde donde escapa al espacio. ¿Por qué el Sol emite luz visible, similar a la de una vela, cuando su núcleo emite principalmente rayos X?

La respuesta se puede encontrar resolviendo el radiativo. Ecuación de transferencia. El Sol es opaco y solo podemos ver su piel exterior. La radiación se procesa mediante dispersión y absorción en el interior del Sol, pero desde fuera solo podemos ver su superficie exterior a una temperatura de 5.800 grados Kelvin.

Lo mismo ocurre con la mirada retrospectiva al universo. A medida que miramos más lejos, exploramos el universo cuando era más joven. No podemos ver nada hasta 400.000 años después del Big Bang (o, equivalentemente, un corrimiento al rojo cosmológico superior a 1.100) porque el universo más denso era opaco en épocas anteriores. Por tanto, estamos rodeados por una fotosfera cósmica a 3.000 grados Kelvin, comparable a la temperatura de la fotosfera del Sol o a la llama de una vela. La única diferencia es que la fotosfera cósmica nos rodea en una envoltura esférica, como si estuviéramos incrustados en un útero cósmico. Esto define el volumen finito de espacio que podemos ver. Lo que hay más allá de nuestro horizonte cósmico es cuestión de especulación.

—

Avi Loeb es jefe del proyecto Galileo, director fundador de la Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard, director del Instituto para la Teoría y la Computación del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y autor del bestseller Extraterrestrial: The first sign of intelligent life beyond earth.

Pulsa aquí para ver todas las columnas de Avi Loeb en castellano. También puedes comprar aquí el nuevo libro del profesor Loeb, Interstellar.

Novaceno publica una columna de Avi Loeb con permiso del autor todas las semanas.