Lisa Pathfinder, y el dominio de la Cuarta Fuerza

La fuerza más débil del universo será la que dé el mayor impulso a la humanidad (Yvette Fontenot. Del libro “Las entrañas de Nidavellir”).

Primera parte: la gravedad

Recientemente, la E.S.A. (Agencia Espacial Europea) ha lanzado al espacio una sonda que es sin duda bastante especial. Conocida como LISA Pathfinder, su objetivo es detectar un fenómeno que fue postulado por la teoría general de la relatividad de Einstein: las ondas gravitatorias. Con una energía muy inferior a las ondas electromagnéticas, su presencia y análisis nos permitiría estudiar el mismo origen del universo, cuando se produjo el big bang, y también, nos permitiría, como ya hacen las frecuencias electromagnéticas, analizar fenómenos estelares donde están implicadas masas enormes, y en sucesos tremendamente poderosos, como, por ejemplo, la explosión de una supernova.

Es importante recalcar que esta sonda es solo un ejercicio experimental, un banco de pruebas, para un proyecto mucho más ambicioso que vendrá más adelante, y que permitirá colocar tres sondas en el espacio. Midiendo sus distancias mediante láser con una precisión sin precedentes, estas sondas serían capaces, en teoría, de detectar una onda gravitatoria alterando la masa de sus instrumentos de detección. Algo que se viene intentando en la Tierra desde hace treinta años, sin resultados aparentes.

LISA Pathfinder

La sonda espacial LISA Pathfinder se separa de su módulo de propulsión, al llegar a su órbita de destino, situada en el punto de Lagrange L1

Para esta primera prueba, la posición que debe tomar en el espacio debe ser triangulada con una precisión sin precedentes, concretamente, en el lagrangiano L1 entre el Sol y la Tierra.

Pero ¿qué es eso del lagrangiano? Muy sencillo; son los puntos donde los campos gravitatorios de dos masas se equilibran, es decir, el punto donde ambas fuerzas son iguales en intensidad. En esos puntos, un objeto se mantendrá estable y en una posición fija con respecto al cuerpo menor, en este caso, la Tierra. La sonda LISA Pathfinder tiene como destino el punto L1.

1083px-Lagrange_points2.svg
Los 5 puntos de Lagrange de la pareja Sol-Tierra. LISA Pathfinder se debe colocar en el L1 para poder operar correctamente

¿Por qué es importante colocar la sonda en el punto L1? El Sol es mucho más grande que la Tierra, y por ello genera un campo gravitatorio mucho mayor que ésta. Sin embargo, ese campo gravitatorio desciende conforme se aleja del Sol, a razón del cuadrado de la distancia. Con la Tierra ocurre lo mismo, solo que su campo gravitatorio es menor, y por lo tanto, desciende desde un valor menor. ¿Cuál es el punto donde la gravedad que procede del Sol tiene la misma intensidad que la que procede de la Tierra? Evidentemente, ese punto estará mucho más cerca de la Tierra que del Sol, y ese punto es, precisamente, el lagrangiano L1 entre esas dos masas.

¿Y por qué la la E.S.A. quiere colocar la sonda precisamente en ese punto? ¿Qué tiene de especial? Ah, precisamente, de eso se trata: de colocar la sonda en un punto donde las fuerzas gravitatorias sean prácticamente nulas, o, como suele decirse en física, de valores despreciables.

El problema con la gravedad es que es una fuerza que está en todas partes. Lo invade todo, como diría alguien. Siguiendo con el ejemplo del Sol, la fuerza de su gravedad se reduce según el cuadrado de la distancia, pero nunca llega a cero. Su influencia es infinita. Obviamente, cuando se habla de infinita, hay que entender que hablamos desde un punto de vista matemático. Para poder detectar la ínfima energía de las ondas gravitatorias, la sonda debe estar “colgada” en el espacio, en un lugar donde no la perturbe nada. Ese punto es el lagrangiano L1. Sí, es evidente que el equilibrio nunca será perfecto, y además, se deben tener en cuenta las influencias del resto de planetas y otros cuerpos celestes, además de los campos electromagnéticos del Sol (viento solar) e incluso, la energía de los propios instrumentos de la sonda. Si alguien pensaba que este era un trabajo delicado y de una enorme precisión, estaba en lo cierto.

Hablando el otro día con una persona de este tema, me preguntó “de acuerdo. Y eso ¿para que sirve?” La respuesta es obvia: para conocer. Para saber, para comprender la naturaleza del universo. Pero, en este caso concreto, además nos va a permitir comprender mejor la fuerza más esquiva de la naturaleza, que es la gravedad. Su conocimiento exhaustivo no solo nos va a llevar a poder crear una teoría completa que una la relatividad general y la mecánica cuántica. También nos va a permitir, con el tiempo, desarrollar aplicaciones prácticas, como nuevos motores de plegamiento del espacio-tiempo para el viaje a las estrellas. ¿Un sueño? Es posible, pero la métrica de Alcubierre ya está dando forma a ideas de este tipo. Y no es ciencia ficción; es realidad.

La gravedad es una pesadilla para los físicos. La teoría general de la relatividad nos enseñó que, aunque actúa como una fuerza, en realidad la gravedad es un plegamiento del espacio-tiempo, que curva el tejido mismo del universo, y lo hace mediante una constante universal, llamada G, de tal forma que, cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza de atracción. Y es importante: es una fuerza siempre atractiva, aunque, se sospecha, en ciertos momentos pudo y puede ser repulsiva. Pero vamos a ceñirnos a lo que sabemos, o mejor dicho, a lo poco que sabemos de esta fuerza.

Concretamente, el valor de la constante G, obtenido experimentalmente, es:

G = G=6.67384*(10^-11) m^3/(kg*s^2)

(Las unidades están en el sistema métrico decimal).

¿Qué significa “obtenido experimentalmente”? Significa que estamos limitados. Ciertamente, si tuviésemos a nuestra disposición una teoría completa de la gravedad, podríamos deducir ese valor, en lugar de tener que extrapolarlo con medidas. La otra pregunta que nos viene a la cabeza es: ¿por qué ese valor? Por la estructura concreta de este universo, que en base a su naturaleza produce exactamente los valores constantes que conocemos, como en este caso ocurre con G. Pero de eso hablaremos otro día.

En física, existen dos teorías básicas actualmente: la relatividad general tiene en cuenta la gravedad, pero no las otras tres fuerzas. La mecánica cuántica tiene en cuenta las tres fuerzas restantes, pero no la gravedad. Pero sabemos fehacientemente que, si queremos entender el universo, deberemos crear una teoría nueva, que una a ambas, y que nos permita entender esas cuatro fuerzas de una manera única. Actualmente, existen varias teorías que intentan llevar a cabo. Una de ellas es la famosa teoría de cuerdas, que va perdiendo fuelle rápidamente (aunque nunca se sabe). La otra es, personalmente, mi preferida: la gravedad cuántica de bucles (aunque puedo estar completamente equivocado, pero a la hora de elegir uno es libre).

Pero seguimos con la pregunta: ¿qué es la gravedad? De acuerdo, es una constante que se aplica a cualquier masa, y que indica que esa masa generará una atracción hacia otra masa, en función del cuadrado de sus distancias respectivas, y todo ello multiplicado por G (esa es la famosa fórmula de Newton, que aplicada a los cuerpos celestes permitió entender que las leyes de Kepler eran resultado precisamente de esa ecuación). La ecuación es esta:

formula_gravedad

Donde F es la fuerza resultante de la atracción de dos cuerpos, y es igual a la comentada constante G, multiplicada por las masas de los dos cuerpos, y dividida por d, que es la distancia al cuadrado.

Y ya está. De esta forma tan sencilla Newton nos enseñó que la fuerza que atrae los planetas al Sol y entre sí, o entre la Luna y la Tierra, o el que produce que una manzana caiga al suelo, no son fuerzas separadas, sino la misma.

El universo de la física era caos. Y Dios dijo “Hágase Newton”. Y todo fue orden. Y Satán que lo vio dijo: “hágase Einstein”. Y todo fue caos de nuevo.

Esta frase, que leí en algún lugar hace tiempo, refleja muy bien la situación del problema de la gravedad y el impacto que tuvo la relatividad general. Como suele ocurrir, Newton, y su fórmula, son solo una aproximación a la realidad. Mediante las ecuaciones de Newton no se podían explicar ciertos fenómenos, como la precesión de la órbita de Mercurio. Aquí es donde aparece otro hombre, Albert Einstein, desarrollando su famosa teoría general de la relatividad. ¿Estaba Newton equivocado? Ni mucho menos. Lo que sucede es que, en líneas generales, para fenómenos donde la gravedad y la aceleración son pequeñas, las leyes de Newton son suficientes. Pero, en ciertos casos extremos, debemos usar las ecuaciones de Einstein. Nadie está equivocado, aunque, sin duda, Einstein está más cerca de la verdad que Newton. Más cerca, pero atención, no dio en el blanco él tampoco.

¿Y qué efectos tiene la gravedad en el universo? ¿Por ejemplo, en nuestro sistema solar? Hemos preparado un pequeño vídeo con una simulación de la física del sistema solar para que el amable lector pueda verlo.

Como puede verse en este vídeo, modificar la constante universal G tiene importantes efectos. Aquí los podemos ver a escala del sistema planetario, pero tendría consecuencias enormes en todo el universo. Y esto nos lleva a la siguiente pregunta: ¿es la gravedad la última de las fuerzas?

Esa es una pregunta a debatir más adelante, pero una cosa está clara: sabemos muy poco del universo. De hecho, se estima que conocemos el 5% del universo, con la llamada materia bariónica. El resto estaría formado por la materia oscura, y la energía oscura. Pero no adelantemos acontecimientos. De momento, ya tenemos muchísimo trabajo intentando entender qué es la gravedad. Y puede, solo puede, que entendiendo la naturaleza de la cuarta fuerza del universo, podamos empezar a entender la materia oscura, y la energía oscura. Es una posibilidad. Y hay que intentar explorar todas las posibilidades.

Por ello, el proyecto LISA Pathfinder es una puerta al futuro del conocimiento del universo. Sin duda, se acercan momentos emocionantes en la historia de la física. O eso esperamos.

Seguiremos hablando de todo esto en la segunda parte de este artículo, e imaginaremos las posibilidades de conocer, y dominar por completo, la gravedad. Y recuerde el lector: quien domine la gravedad, también dominará el tiempo. ¿Ciencia ficción? Por supuesto. Pero no lo olvidemos: la ciencia ficción es aquello que imaginamos, y que todavía no se ha hecho realidad.

 

Anuncios

1 comentario en “Lisa Pathfinder, y el dominio de la Cuarta Fuerza”

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s