La titánica obra de ingeniería interestelar que puede cambiar nuestra idea de la realidad

Ayer, durante la recepción para el inicio del curso académico, cincuenta miembros del Instituto de Teoría y Computación de Harvard, del cual soy director, se reunieron en el jardín de mi casa.

Mientras presentaba a mis colaboradores, hice notar que Mark Hertzberg colabora conmigo en física de alta energía en el universo temprano, mientras que Stein Jacobsen lo hace en física de baja energía en el universo actual. El primer campo es más arriesgado pero potencialmente más gratificante. Si Mark y yo diseñamos un colisionador de partículas que alcance la energía de Planck, que es 10 quintillones (10 seguido de 19 ceros) veces la energía en reposo del protón, podría ser capaz de crear un universo bebé en el cual Stein y yo podríamos estudiar materiales de muchos más exoplanetas.

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Los aceleradores de partículas actualmente en uso, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, emplean cavidades metálicas para la aceleración que están limitadas por el campo eléctrico que toleran y solo proporcionan un gradiente de aceleración de hasta una décima parte de la energía en reposo de un protón por metro.

Utilizar este método de aceleración tradicional para alcanzar la energía de Planck requeriría una distancia de aceleración de 10.000 años luz, más larga que el grosor del disco de la Vía Láctea. Ese proyecto de ingeniería requiere una megaestructura que sólo podría construirse mediante una colaboración interestelar de muchas civilizaciones, ya que el acelerador tendría que atravesar los territorios de muchos otros sistemas planetarios. Una asociación interestelar de este tipo podría seguir el espíritu de la colaboración internacional que llevó en 1954 a la creación del ‘Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire’ (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear). Requeriría que nuestros físicos colaboren con físicos alienígenas de exoplanetas en un proyecto científico galáctico más grandioso que cualquier cosa concebida en la Tierra.

Mi tesis doctoral hace cuarenta años se dedicó a desarrollar nuevos métodos para la aceleración de partículas a altas energías en plasmas. Una de estas técnicas de aceleración en plasma se está probando actualmente en el CERN como parte del Experimento Avanzado de Aceleración en Plasma impulsado por Protones (AWAKE). Este método tiene el potencial de alcanzar un gradiente de aceleración de unas cuantas veces la energía en reposo de un protón por metro. Esto podría reducir la longitud de un colisionador de Planck en un factor de 30, hasta unos 300 años luz, lo que aún requeriría una colaboración interestelar. Para reducir el acelerador al tamaño de la nube de Oort del sistema solar —de modo que no entremos en el espacio territorial de otras civilizaciones— sería necesario que los aceleradores de plasma fueran cien veces mejores, con gradientes de aceleración de 300 veces la energía en reposo de un protón por metro. Tal hazaña podría ser lograda por nuestra civilización durante este próximo milenio, siempre que no regresemos a la edad de piedra por un enfriamiento global causado por una guerra nuclear o por el calentamiento global debido a las emisiones excesivas de gases de efecto invernadero.

Un desafío aún mayor es tener suficientes partículas en los haces colisionadores opuestos, de modo que haya al menos un evento de colisión durante la duración del experimento. Esto es complicado porque la sección eficaz para colisiones a la escala de energía de Planck es minúscula, del orden de la longitud de Planck al cuadrado, basada en la unitariedad y el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. La sección eficaz de Planck es de 3,3 por 10 elevado a -65 centímetros cuadrados, aproximadamente la superficie de un agujero negro con la masa de Planck, de 20 microgramos. Dada la mucho mayor sección eficaz de las colisiones protón-protón, solo una de cada 10 elevado a 41 colisiones en un colisionador de hadrones explorará la física a la escala de Planck. Como resultado, el consumo total de energía necesario para investigar la física de la escala de Planck sería este factor multiplicado por 20 microgramos, o lo que equivale a mil veces la masa en reposo del Sol. El requerimiento de potencia sería de hasta diez mil millones de veces la luminosidad solar para un experimento que dure un millón de años.

En resumen, crear un universo bebé mediante un colisionador de Planck requiere una colaboración interestelar o incluso intergaláctica. Mi primer libro popular se tituló ‘Extraterrestrial’ y el segundo, ’Interstellar’. Si escribiera el próximo sobre colisionadores de Planck, sería apropiado titularlo ‘Intergalactic’.

A medida que el haz de partículas del colisionador de Planck se extienda desde distancias interestelares hasta intergalácticas, se encontrará con espacios más vacíos. El medio interestelar contiene aproximadamente un protón por centímetro cúbico, alrededor de mil quintillones de veces menos que la densidad de masa del aire. La razón es simple: el aire es denso. ¿Cómo de grande es la separación entre las moléculas de aire en comparación con su tamaño? La respuesta es: un factor de diez. Esto significa que empaquetar las moléculas de aire en un sólido aumentaría la densidad de masa en un factor de mil. La densidad de masa del aire es, de hecho, mil veces menor que la del hielo.

Alejándonos más, el medio interestelar del disco de la Vía Láctea es un millón de veces más denso que la densidad media de la materia ordinaria en el universo. La densidad intergaláctica promedio se traduce en aproximadamente un protón por 3 metros cúbicos. La separación media entre átomos en el espacio intergaláctico es de alrededor de un metro, mil millones de veces mayor que la separación en el aire. Las moléculas de aire colisionan entre sí cada nanosegundo (una milmillonésima de segundo). Sin embargo, debido a la densidad cósmica promedio, los átomos de hidrógeno colisionan entre sí cada mil millones de años. El medio intergaláctico es asombrosamente enrarecido.

La vacuidad del espacio exterior ofrece una gran oportunidad para propagar haces de partículas energéticas a lo largo de vastas distancias. Pero, por ahora, el principal desafío es encontrar civilizaciones ‘socias’ que puedan estar interesadas en colaborar con nosotros en este ambicioso proyecto de construcción. Para diseñar el colisionador de Planck, necesito la experiencia de Mark Hertzberg. Para encontrar a nuestros socios interestelares, necesito la experiencia de Stein Jacobsen. Los logros científicos surgen de colaboraciones, comenzando aquí en la Tierra y culminando entre las estrellas.