El doctor Néstor Ortiz Madrigal, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), trabaja en la revisión de teorías alternativas a la Relatividad General planteada por Albert Einstein hace más de 100 años.
Recientemente participó en el "Toward inspiral-merger-ringdown gravitational waveforms beyond general relativity", realizado en el Max Planck Institute for Gravitational Physics, en Potsdam, Alemania.
Connecting the Dots tuvo lugar en Potsdam, Alemania
Este evento reunió a mentes brillantes en el área de física gravitacional con el objetivo de revisar las principales teorías alternativas a la Relatividad General, pues, aunque ésta es una teoría tremendamente exitosa, presenta puntos débiles como su incompatibilidad con la física cuántica.
Una mirada a la Relatividad General
Para nuestro físico teórico Ortiz Madrigal, la Relatividad General es "una de las construcciones intelectuales humanas más bellas que se han logrado"; se trata de una teoría que pretende explicar los fenómenos gravitatorios en el universo y lo hace de una manera interesante: "Einstein postuló en su teoría que los fenómenos gravitatorios en la naturaleza pueden entenderse a partir de la deformación del espacio - tiempo, y no necesariamente a partir de la llamada fuerza de gravedad como lo planteó Newton 300 años antes".
Lo que hizo Einstein fue omitir el concepto de fuerza, ya que para él lo importante era la deformación del espacio - tiempo (que es el conjunto de lugares e instantes posibles en todo el universo).
Lo más interesante de la teoría de la Relatividad General es que dice que la presencia de cualquier objeto en el universo (no sólo las estrellas, el sol o los planetas, sino también puede ser el celular o un coche), por el hecho de tener masa y energía deforma el espacio - tiempo a su alrededor.
Aquí en la Tierra, eso es poco perceptible porque las interacciones gravitacionales son débiles, pero cerca de un agujero negro o de una estrella muy compacta el espacio - tiempo se estira, entonces, respecto a nosotros, el tiempo transcurre muy lentamente: "Ese estiramiento, esa distorsión del espacio-tiempo es lo que causa que las cosas se muevan por la influencia gravitacional de las demás. Esto explica por qué la tierra órbita al sol, pues el sol deforma el espacio-tiempo a su alrededor y la tierra está atrapada en esa deformación y no tiene la energía suficiente para escapar".
Esta teoría ha sido tremendamente exitosa porque ha explicado cosas que antes no se entendían, por ejemplo, el movimiento de la órbita de Mercurio. Después, predijo cuánto es que la luz se puede desviar a causa de la deformación del espacio - tiempo generada, como una estrella muy masiva.
En los últimos años, "se ha comprobado la predicción de que los objetos con masa - energía emiten radiación gravitacional cuando se aceleran, o sea que emiten energía en forma de ondas gravitacionales… Esa fue una predicción muy difícil de comprobar experimentalmente, pues tomó varias décadas desarrollar la tecnología necesaria para detectar ondas gravitacionales. Esta es la comprobación quizás más espectacular de la Relatividad General".
Aunque la relatividad general ha sido muy exitosa en sus explicaciones y predicciones, no ofrece una exposición del todo satisfactoria acerca del origen del Universo, además de que es incompatible con la física cuántica. Por ello desde hace varias décadas los científicos están planteando teorías alternativas.
Mas allá de la teoría de Einstein
Néstor Ortiz comenta: "Aunque la Relatividad General es toda una maravilla, hay ciertos detallitos de ésta que no nos satisfacen a algunos físicos. Resulta que, si asumimos que el universo se rige por las ecuaciones de esta teoría es necesario que existan materia y energía oscuras, que no sabemos qué son y nadie las ha detectado en la Tierra".
El Dr. Néstor Ortiz Madrigal, del Departamento de Gravitación y Teoría de Campos del ICN
Si asumimos que la Relatividad General describe correctamente la evolución del Universo, entonces es necesario que exista materia oscura, sin embargo, esta es algo que nadie ha podido detectar: "Hay físicos de distintas disciplinas que llevan muchos años tratando de determinar qué es la materia oscura, sin embargo, aunque cada vez se diseñan experimentos más refinados, nadie ha podido detectar nada. Entonces los científicos nos ponemos ansiosos y pensamos, ¿y si estamos mal en asumir que la Relatividad General describe correctamente la evolución del universo?".
"Hasta hace pocos años, la mayoría de los científicos pensaba que la materia oscura no se detectaba porque no teníamos la tecnología adecuada. Pero creo que ya es razonable abrirnos a la posibilidad de que a las ecuaciones de Einstein les haga falta algo, y hay que intentar modificarlas ligeramente en el régimen donde no aplican, como Einstein mismo lo hizo con la teoría de la gravitación de Newton", y comenta que una de las motivaciones de las teorías alternativas a la Relatividad General es lograr explicar la evolución del universo sin necesidad de tener que inventar que existe la materia y energía oscuras, que nadie ve.
Algunos científicos, entre ellos el doctor Néstor Ortiz, están "buscando indicios de la imprecisión de la teoría de Einstein, a través de ondas gravitacionales emitidas en eventos violentos como choques de agujeros negros o estrellas de neutrones".
Gravitación cuántica
Aunque todo lo observado hasta ahora es congruente con las ecuaciones de Einstein, lo científicos saben que algo no es del todo satisfactorio al explicar nada más y nada menos que el origen y los primeros instantes de la evolución del universo, en donde todo era muy compacto y caliente. En esos instantes debieron ocurrir fenómenos cuánticos y gravitatorios de manera simultánea. Por ello ha surgido un área de estudio denominada gravitación cuántica, en la cual los físicos tratan de formular una teoría que unifique la teoría de la gravitación con la teoría cuántica de campos (que hasta ahora describe las fuerzas fundamentales de la naturaleza excepto la gravedad).
Varias teorías de gravitación cuántica, en su régimen de bajas energías, predicen la existencia de un campo escalar que contribuiría a determinar las interacciones gravitacionales. Este tipo de campos podrían corresponder a cierto tipo de partículas. Entonces, muchos físicos están considerando la posibilidad de que los fenómenos gravitatorios estén determinados por la geometría del espacio - tiempo a su vez influenciada por la presencia de campos escalares.
¿Estamos listos para la física más allá de la Relatividad General?
Durante su participación en el "Toward inspiral - merger - ringdown gravitational waveforms beyond general relativity", realizado en el Max Planck Institute for Gravitational Physics, el doctor Néstor Ortiz, junto con sus colegas Maxence Corman, del Perimeter Institute, y Masaru Shibata, del Max Planck Institute for Gravitational Physics, debatieron sobre la tecnología necesaria para simular fenómenos astrofísicos en el marco de nuevas teorías de gravitación.
Actualmente se cuenta con las herramientas computacionales necesarias para resolver las ecuaciones de Einstein y por lo tanto hacer simulaciones de choques de agujeros negros y de estrellas de neutrones, pero sólo en el contexto de la Relatividad General y no con otras teorías. El desarrollo de herramientas computacionales adecuadas para distintas teorías requiere de formulaciones matemáticas muy específicas y aún en desarrollo.
Cuando se tenga la capacidad de simular colisiones de agujeros negros en el contexto de teorías distintas a la Relatividad General, será posible poner a prueba su validez: "Hay un colega que dice que las teorías alternativas salen como cucarachas porque es fácil proponer una nueva, entonces, entre tanta abundancia de teorías, hay investigadores que tratan de descartar aquellas que tienen rasgos que no son consistentes con la naturaleza… Es trabajo de muchos años ir limpiando el terreno teórico, para después convencer a los astrónomos de que realicen las mediciones necesarias para poner a prueba experimental cierta teoría".
De la fuerza a la geometría, y más preguntas. Puedes descargar esta infografía aquí.
¿Cuál es el impacto social del trabajo teórico?
Para el doctor Néstor Ortiz es gratificante poner "granitos de arena" para comprender mejor el funcionamiento de la naturaleza y propagar ese conocimiento a través de la formación de nuevas generaciones de científicos, así como de charlas divulgativas para todo público: "Me gusta la filosofía de Mike Lazaridis, fundador del Perimeter Institute for Theoretical Physics, donde trabajé como investigador posdoctoral, en Canadá. Lazaridis también era el dueño de la empresa BlackBerry cuando decidió aportar una cantidad impresionante de millones de dólares para fundar un instituto de investigación para hacer exclusivamente ciencia básica, sin aplicaciones industriales forzadas a corto plazo, pero que tal vez darán lugar a nueva tecnología dentro de varias décadas".
Lazaridis contrató a científicas y científicos muy talentosos y les dio completa libertad de explorar aspectos matemáticos y físicos, aunque estuvieran alejados la industria y la tecnología. Su argumento fue que el éxito de BlackBerry fue producto de tecnología derivada de investigaciones básicas de principios del siglo XX, las cuales en ese entonces no tenían la más mínima conexión con la industria de los celulares: "A lo mejor las investigaciones que hago no serán tecnológicamente relevantes por ahora, pero tal vez algún día lo serán", señaló el especialista en física gravitacional, miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1.
Texto y entrevista: Mtra. Verenise Sánchez Correa (UCC-ICN)