ANTIMATERIA Y ANTIUNIVERSOS
La frase más excitante que se puede oír en ciencia, la que anuncia nuevos descubrimientos, no es «Eureka» (¡Lo encontré!) sino «Eso es divertido…».
ISAAC ASIMOV
Si un hombre no cree lo mismo que nosotros, decimos que es un loco, y ahí queda todo. Bueno, eso pasa ahora, porque ahora no podemos quemarlo.
MARK TWAIN
Se puede reconocer a un pionero por las
flechas que lleva en la espalda.BEVERLY RUBIK
En el libro de Dan Brown Ángeles y demonios, el best seller que precedió a El código Da Vinci, una pequeña secta de extremistas, los Illuminati, han urdido un complot para hacer saltar por los aires el Vaticano con una bomba de antimateria robada en el CERN, el laboratorio nuclear a las afueras de Ginebra. Los conspiradores saben que cuando se juntan materia y antimateria el resultado es una explosión monumental, muchísimo más potente que la de una bomba de hidrógeno. Aunque una bomba de antimateria es pura ficción, la antimateria es muy real.
Una bomba atómica, a pesar de su terrible poder, solo tiene una eficiencia de un 1 por ciento. Solo una minúscula fracción del uranio se transforma en energía. Pero si pudiera construirse una bomba de antimateria, convertiría el ciento por ciento de su masa en energía, lo que la haría mucho más eficiente que una bomba nuclear. (Más exactamente, alrededor de un 50 por ciento de la materia en una bomba de antimateria se convertiría en energía explosiva utilizable; el resto saldría en forma de partículas indetectables llamadas neutrinos).
La antimateria es desde hace tiempo el centro de una intensa especulación. Aunque no existe una bomba de antimateria, los físicos han sido capaces de utilizar sus potentes colisionadores de átomos para crear mínimas cantidades de antimateria para su estudio.
A principios del siglo XX los físicos se dieron cuenta de que el átomo consistía en partículas subatómicas cargadas: electrones (con una carga negativa) que daban vueltas alrededor de un núcleo minúsculo (con una carga positiva). El núcleo, a su vez, consistía en protones (que llevaban la carga positiva) y neutrones (que eran eléctricamente neutros).
Por ello, a mediados de los años treinta se produjo una conmoción cuando los físicos se dieron cuenta de que por cada partícula hay una partícula gemela, una antipartícula, pero con carga opuesta. La primera antipartícula que se descubrió fue el antielectrón (llamado positrón), que tiene una carga positiva. El positrón es idéntico al electrón en todo, excepto que lleva la carga opuesta. Fue descubierto inicialmente en fotografías de rayos cósmicos tomadas en una cámara de niebla. (Las trazas de los positrones son bastante fáciles de ver en una cámara de niebla. Cuando se colocan en un potente campo magnético se curvan en dirección opuesta a la de los electrones. De hecho, yo fotografié estas trazas de antimateria mientras estaba en el instituto).
En 1955 el acelerador de partículas de la Universidad de California en Berkeley, el Bevatrón, produjo el primer antiprotón. Como se esperaba, es idéntico al protón salvo que tiene carga negativa. Esto significa que, en principio, se pueden crear antiátomos (en los que positrones dan vueltas en torno a antiprotones). De hecho, antielementos, antiquímica, antipersonas, anti-Tierras, e incluso antiuniversos son teóricamente posibles.
De momento, los gigantescos aceleradores de partículas en el CERN y el Fermilab en las afueras de Chicago han sido capaces de crear minúsculas cantidades de antihidrógeno. (Para ello, un haz de protones de alta energía procedente de un acelerador de partículas se lanza contra un blanco, con lo que se crea un chaparrón de residuos subatómicos. Potentes imanes separan los antiprotones, que luego se frenan hasta velocidades muy bajas y se exponen a antielectrones emitidos de forma natural por átomos de sodio-22. Cuando los antielectrones orbitan en torno a los antiprotones, forman antihidrógeno, puesto que el hidrógeno está formado por un protón y un electrón). En un vacío puro estos antiátomos podrían vivir para siempre. Pero debido a impurezas y colisiones con la pared, estos antiátomos chocan finalmente con átomos ordinarios y se aniquilan, liberando energía.
En 1995 el CERN hizo historia al anunciar que había creado nueve átomos de antihidrógeno. Pronto le siguió Fermilab al producir un centenar de átomos de antihidrógeno. En principio, no hay nada que nos impida crear también antielementos más altos, excepto su enorme coste. Producir siquiera unos pocos gramos de antiátomos llevaría a la bancarrota a cualquier nación. El ritmo actual de producción de antimateria está entre una milmillonésima y diez milmillonésimas de gramo por año. El producto podría aumentar en un factor tres para el año 2020. La economía de la antimateria no es nada rentable. En 2004 al CERN le costó 20 millones de dólares producir varias billonésimas de un gramo de antimateria. ¡A ese ritmo, producir un simple gramo de antimateria costaría 100 trillones de dólares y la factoría de antimateria necesitaría estar activa continuamente durante cien mil millones de años! Esto hace de la antimateria la sustancia más preciada del mundo.
«Si pudiéramos reunir toda la antimateria que hemos hecho en el CERN y aniquilarla con materia —dice un comunicado del CERN—, tendríamos energía suficiente para encender una simple bombilla durante algunos minutos».
Manejar la antimateria plantea extraordinarios problemas, puesto que cualquier contacto entre materia y antimateria es explosivo. Poner antimateria en un contenedor ordinario sería suicida. Cuando la antimateria tocara las paredes, explotaría. Entonces, ¿cómo se maneja la antimateria si es tan volátil? Una manera sería ionizar primero la antimateria para producir un gas de iones, y luego confinarla en una «botella magnética». El campo magnético impediría que la antimateria tocara las paredes de la cámara.
Para construir un motor de antimateria sería necesario introducir una corriente continua de antimateria en una cámara de reacción, donde se combinaría cuidadosamente con materia ordinaria para producir una explosión controlada, similar a la explosión creada por cohetes químicos. Los iones creados por esta explosión serían entonces expulsados por un extremo del cohete de antimateria, y producirían propulsión. Debido a la eficiencia del motor de antimateria para convertir materia en energía, este es, en teoría, uno de los diseños de motor más atractivos para futuras naves estelares. En la serie Star Trek, la antimateria es la fuente de energía del Enterprise: sus motores están alimentados por la colisión controlada de materia y antimateria.
Uno de los principales impulsores del cohete de antimateria es el físico Gerald Smith de la Universidad del Estado de Pensilvania. Él cree que a corto plazo tan solo 4 miligramos de positrones serían suficientes para llevar un cohete de antimateria a Marte en varias semanas. Señala que la energía concentrada en la antimateria es aproximadamente 1000 millones de veces mayor que la concentrada en el combustible de un cohete ordinario.
El primer paso para crear este combustible sería crear haces de antiprotones, mediante un acelerador de partículas, y luego almacenarlos en una «trampa de Penning» que Smith está construyendo.
Cuando esté construida, la trampa de Penning pesará 100 kilos (buena parte de ello en nitrógeno líquido y helio líquido) y almacenará aproximadamente un billón de antiprotones en un campo magnético. (A temperaturas muy bajas, la longitud de onda de los antiprotones es varias veces mayor que la longitud de onda de los átomos en las paredes del contenedor, de modo que los antiprotones se reflejarían en las paredes sin aniquilarse). Él afirma que esta trampa de Penning podría almacenar los antiprotones durante unos cinco días (hasta que al final se aniquilaran cuando se mezclaran con átomos ordinarios). Su trampa de Penning podría almacenar una milmillonésima de gramo de antiprotones. Su objetivo es crear una trampa de Penning que pueda almacenar hasta un microgramo de antiprotones.
Aunque la antimateria es la sustancia más preciada en la Tierra, sus costes siguen cayendo espectacularmente cada año (un gramo costaría unos 62,5 billones de dólares a los precios de hoy). Un nuevo inyector de partículas que se está construyendo en Fermilab, en las afueras de Chicago, podría incrementar la producción de antimateria en un factor 10, de 1,5 a 15 nanogramos por año, lo que debería reducir los precios. Sin embargo, Harold Gerrish, de la NASA, cree que con mejoras adicionales el coste podría reducirse de forma realista hasta 5000 dólares por microgramo. El doctor Steven Howe, de Synergistics Technologies en Los Alamos, Nuevo México, afirma: «Nuestro objetivo es sacar la antimateria del reino lejano de la ciencia ficción y llevarla al reino explotable comercialmente para el transporte y las aplicaciones médicas».[65]
Hasta ahora, los aceleradores de partículas que pueden producir antiprotones no están diseñados específicamente para hacerlo, de modo que son muy poco eficientes. Tales aceleradores de partículas están diseñados principalmente como herramientas de investigación, y no como fábricas de antimateria. Por eso Smith concibe la construcción de un nuevo acelerador de partículas que estaría diseñado de manera específica para producir copiosas cantidades de antiprotones y reducir los costes.
Si los precios de la antimateria pueden rebajarse aún más por mejoras técnicas y producción en masa, Smith imagina una época en que el cohete de antimateria podría convertirse en un caballo de tiro para el viaje interplanetario y posiblemente interestelar. Hasta entonces, sin embargo, los cohetes de antimateria seguirán en las mesas de dibujo.
Si la antimateria es tan difícil de crear en la Tierra, ¿sería más fácil encontrar antimateria en el espacio exterior? Por desgracia, las búsquedas de antimateria en el universo han dado muy poco resultado, lo que es bastante sorprendente para los físicos. El hecho de que nuestro universo esté formado básicamente de materia en lugar de antimateria es difícil de explicar. Uno supondría ingenuamente que en el principio del universo había cantidades iguales y simétricas de materia y de antimateria. Por ello, la falta de antimateria es intrigante.
La solución más probable fue propuesta en un principio por Andréi Sájarov, el hombre que diseñó la bomba de hidrógeno para la Unión Soviética en los años cincuenta. Sájarov teorizó que en el principio del universo había una ligera asimetría entre las cantidades de materia y antimateria en el big bang. Esta minúscula ruptura de simetría se denomina «violación CP». Tal fenómeno es actualmente objeto de una intensa investigación. De hecho, Sájarov teorizó que todos los átomos en el universo actual son los residuos de una cancelación casi perfecta entre materia y antimateria; el big bang produjo una cancelación cósmica entre las dos. La minúscula cantidad de materia restante creó un residuo que forma el universo visible de hoy. Todos los átomos de nuestro cuerpo son residuos de esa titánica colisión de materia y antimateria.
Esta teoría deja abierta la posibilidad de que pequeñas cantidades de antimateria se den de forma natural. Si es así, descubrir dicha fuente reduciría drásticamente el coste de producir antimateria para uso en motores de antimateria. En principio, los depósitos de antimateria que se produzcan de forma natural deberían ser fáciles de detectar.
Cuando se encuentran un electrón y un antielectrón, se aniquilan en rayos gamma con una energía de 1,02 millones de electronvoltios o más. Por ello, se podría encontrar la «huella» de antimateria en forma natural explorando el universo en busca de rayos gamma de esta energía.
De hecho, el doctor William Purcell de la Universidad Northwestern ha encontrado «fuentes» de antimateria en la Vía Láctea, no lejos del centro galáctico. Aparentemente existe una corriente de antimateria que crea esta radiación gamma característica de 1,02 millones de electronvoltios cuando colisiona con el hidrógeno ordinario. Si esta pluma de antimateria existe de forma natural, sería entonces posible que existan en el universo otras bolsas de antimateria que no fueron destruidas en el big bang.
Para buscar de modo más sistemático antimateria en forma natural, en 2006 se puso en órbita el satélite PAMELA (Carga para Exploración Antimateria-Materia y Astrofísica de Núcleos Ligeros). Es una colaboración entre Rusia, Italia, Alemania y Suecia, diseñada para buscar bolsas de antimateria. Se habían realizado misiones anteriores de búsqueda de antimateria utilizando globos a gran altura y la lanzadera espacial, pero solo se recogieron datos durante una semana. PAMELA, por el contrario, permanecerá en órbita durante al menos tres años. «Es el mejor detector construido jamás y lo utilizaremos durante un largo período», declara el miembro del equipo Piergiorgio Picozza, de la Universidad de Roma.
PAMELA está diseñado para detectar rayos cósmicos procedentes de fuentes ordinarias, tales como supernovas, pero también de fuentes inusuales, como estrellas formadas enteramente por antimateria. En concreto, PAMELA buscará la firma del antihelio, que podría producirse en el interior de las antiestrellas. Aunque la mayoría de los físicos creen hoy que el big bang dio como resultado una cancelación casi perfecta entre materia y antimateria, como creía Sájarov, PAMELA se basa en una hipótesis diferente: que regiones enteras del universo de antimateria no experimentaron dicha cancelación, y por ello existen hoy en forma de antiestrellas.
Si existieran cantidades minúsculas de antimateria en el espacio profundo, sería posible «cosechar» algo de dicha antimateria y utilizarla para propulsar una nave estelar. El Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA se toma suficientemente en serio la idea de cosechar antimateria en el espacio y hace poco financió un programa piloto para estudiar esta idea. «Básicamente, queremos crear una red, como si estuviéramos pescando», dice Gerald Jackson, de Hbar Technologies, una de las organizaciones punteras del proyecto.
La cosechadora de antimateria se basa en tres esferas concéntricas, hecha cada una de ellas de una red reticular de cables. La esfera exterior tendría 16 kilómetros de diámetro y estaría cargada positivamente, de modo que repelería a los protones, que tienen carga positiva, pero atraería a los antiprotones, que tienen carga negativa. Los antiprotones serían recogidos por la esfera exterior, luego frenados cuando atravesaran la segunda esfera y finalmente detenidos cuando alcanzaran la esfera más interior, que tendría 100 metros de diámetro. Después los antiprotones serían capturados en una botella magnética y combinados con antielectrones para formar antihidrógeno.
Jackson cree que reacciones controladas de materia-antimateria dentro de una cápsula espacial podrían impulsar un velero espacial hasta Plutón utilizando solamente 30 miligramos de antimateria. Según Jackson, 17 gramos de antimateria serían suficientes para alimentar una nave estelar hasta Alfa Centauri. Jackson afirma que podría haber 80 gramos de antimateria entre las órbitas de Venus y de Marte que podrían ser cosechados por la sonda espacial. No obstante, dadas las complejidades y el coste de lanzar este enorme recogedor de antimateria, probablemente no se realizará hasta finales de este siglo, o más allá.
Algunos científicos han soñado con cosechar antimateria procedente de un meteorito flotante en el espacio exterior. (El cómic Flash Gordon presentó en una ocasión un raro meteorito de antimateria vagando por el espacio, lo que daría lugar a una tremenda explosión si entrara en contacto con cualquier materia).
Si no se encuentra en el espacio antimateria en forma natural, tendremos que esperar décadas o incluso siglos antes de que podamos producir cantidades significativamente grandes de antimateria en la Tierra. Pero suponiendo que puedan resolverse los problemas técnicos de producir antimateria, esto deja abierta la posibilidad de que algún día cohetes de antimateria puedan llevarnos a las estrellas.
Por lo que sabemos hoy de la antimateria, y la evolución previsible de esta tecnología, yo clasificaría una nave con cohete de antimateria como una imposibilidad de clase I.
¿Qué es la antimateria? Parece extraño que la naturaleza duplicara el número de partículas subatómicas en el universo sin una buena razón. En general, la naturaleza es muy ahorradora, pero ahora que conocemos la antimateria, la naturaleza parece extraordinariamente redundante y derrochadora. Y si la antimateria existe, ¿pueden existir también antiuniversos?
Para responder a estas preguntas hay que investigar el origen de la propia antimateria. El descubrimiento de la antimateria se remonta realmente a 1928, con el trabajo pionero de Paul Dirac, uno de los físicos más brillantes del siglo XX. Ocupó la cátedra Lucasiana de la Universidad de Cambridge, la misma que había ocupado Newton, y la que actualmente ocupa Stephen Hawking. Dirac, nacido en 1902, era un hombre alto y delgado que tenía poco más de veinte años cuando estalló la revolución cuántica en 1925. Aunque entonces estaba estudiando ingeniería eléctrica, se vio arrastrado enseguida por el interés que despertó la teoría cuántica.
La teoría cuántica se basaba en la idea de que las partículas como los electrones podían describirse no como partículas puntuales, sino como un tipo de onda, descrita por la famosa ecuación de ondas de Schrodinger. (La onda representa la probabilidad de encontrar la partícula en dicho punto).
Pero Dirac se dio cuenta de que había un defecto en la ecuación de Schrodinger. Esta describía solo electrones que se movían a bajas velocidades. A velocidades más altas la ecuación fallaba, porque no obedecía las leyes de los objetos que se mueven a altas velocidades, es decir, las leyes de la relatividad encontradas por Albert Einstein.
Para el joven Dirac, el desafío estaba en reformular la ecuación de Schrodinger para adaptarla a la teoría de la relatividad. En 1928 Dirac propuso una modificación radical de la ecuación de Schrodinger que obedecía plenamente a la teoría de la relatividad de Einstein. El mundo de la física quedó sorprendido. Dirac encontró su famosa ecuación relativista para el electrón simplemente manipulando unos objetos matemáticos superiores llamados espinores. Una curiosidad matemática se convertía repentinamente en una pieza central del universo entero. (A diferencia de muchos físicos antes de él, que insistían en que los grandes avances en la física estarían firmemente basados en datos experimentales, Dirac siguió la estrategia opuesta. Para él, las matemáticas puras, si eran lo bastante bellas, eran una guía segura para grandes avances. Escribió: «Tener belleza en las ecuaciones es más importante que el hecho de que encajen con los experimentos […] Si uno trabaja pensando en la belleza de las ecuaciones, y si tiene una idea realmente válida, está en una línea de avance segura»).[66]
Al desarrollar su nueva ecuación para el electrón, Dirac comprendió que la famosa ecuación de Einstein E = mc2 no era completamente correcta. Aunque aparece por todas partes, en los anuncios de Madison Avenue, camisetas de niño, dibujos e incluso las vestimentas de los superhéroes, la ecuación de Einstein es solo parcialmente correcta. La ecuación correcta es en realidad E = ±mc2. (Este signo menos aparece porque tenemos que tomar la raíz cuadrada de cierta cantidad. Tomar la raíz cuadrada de una cantidad introduce siempre un más o menos de ambigüedad).
Pero los físicos aborrecen la energía negativa. Hay un axioma de la física que afirma que los objetos tienden siempre al estado de mínima energía (esta es la razón de que el agua busque siempre el nivel más bajo, el nivel del mar). Puesto que la materia siempre cae a su estado de mínima energía, la perspectiva de una energía negativa era potencialmente desastrosa. Significaba que todos los electrones caerían al final en un estado de energía negativa infinita, de modo que la teoría de Dirac sería inestable. Por ello, Dirac inventó el concepto de «mar de Dirac». Imaginó que todos los estados de energía negativa ya estaban llenos, y por ello un electrón no podía caer a energía negativa. Con ello, el universo era estable. Además, un rayo gamma podría colisionar ocasionalmente con un electrón en un estado de energía negativa y lanzarlo a un estado de energía positiva. Entonces veríamos al rayo gamma convertirse en un electrón y un «agujero» creado en el mar de Dirac. Este agujero actuaría como una burbuja en el vacío; es decir, tendría una carga positiva y la misma masa que el electrón original. En otras palabras, el agujero se comportaría como un antielectrón. De modo que, en esta imagen, la antimateria consiste en «burbujas» en el mar de Dirac.
Solo unos años después de que Dirac hiciera esta sorprendente predicción, Carl Anderson descubrió realmente el antielectrón (por el que Dirac ganó el premio Nobel en 1933).
En otras palabras, la antimateria existe porque la ecuación de Dirac tiene dos tipos de soluciones, una para la materia y otra para la antimateria. (Y esto, a su vez, es producto de la relatividad especial).
La ecuación de Dirac no solo predecía la existencia de antimateria; también predecía el «espín» del electrón. Las partículas subatómicas pueden girar, de forma muy similar a una peonza. El espín del electrón, a su vez, es crucial para entender el flujo de electrones en transistores y semiconductores, que forman la base de la electrónica moderna.
Stephen Hawking lamenta que Dirac no patentara su ecuación. «Dirac hubiera hecho una fortuna si hubiese patentado la ecuación de Dirac. Habría tenido una regalía por cada televisor, cada walkman, cada videojuego y cada ordenador», escribe.
Hoy, la famosa ecuación de Dirac está grabada en la piedra de la abadía de Westminster, no lejos de la tumba de Isaac Newton. En todo el mundo, es quizá la única ecuación a la que se le ha dado este honor.
Los historiadores de la ciencia que tratan de entender cómo llegó Dirac a esta ecuación revolucionaria y al concepto de antimateria le han comparado a menudo con Newton. Es curioso que Newton y Dirac compartieran varias similitudes. Ambos tenían poco más de veinte años cuando hicieron su trabajo seminal en la Universidad de Cambridge, ambos eran maestros en las matemáticas, y ambos tenían una característica común: una falta total de habilidades sociales que llegaba a lo patológico. Ambos eran famosos por su incapacidad para entablar una mínima conversación y participar en sencillas actividades sociales. Lacónico en extremo, Dirac nunca decía nada a menos que se le preguntase directamente, y entonces contestaba «sí», o «no», o «no lo sé».
Dirac también era modesto en extremo y detestaba la publicidad. Cuando fue galardonado con el premio Nobel de Física consideró seriamente la idea de rechazarlo por la notoriedad y las molestias que le supondría. Pero cuando se le hizo notar que rechazar el premio Nobel generaría aún más publicidad, decidió aceptarlo.
Se han escrito muchos volúmenes sobre la personalidad peculiar de Newton, con hipótesis que van desde el envenenamiento por mercurio hasta la enfermedad mental. Pero recientemente el psicólogo de Cambridge Simon Baron-Cohen ha propuesto una nueva teoría que podría explicar las extrañas personalidades de Newton y Dirac. Baron-Cohen afirma que probablemente sufrían del síndrome de Asperger, que es afín al autismo, como el idiota sabio en la película Rain Man. Los individuos que sufren de Asperger son tristemente reticentes, socialmente complicados y suelen estar dotados de una gran habilidad para el cálculo, pero, a diferencia de los individuos autistas, son funcionales en sociedad y pueden ocupar puestos productivos. Si esta teoría es cierta, entonces quizá la milagrosa potencia de cálculo de Newton y Dirac tuvo un precio: estar socialmente apartados del resto de la humanidad.
Utilizando la teoría de Dirac, podemos responder ahora a muchas preguntas: ¿cuál es la contrapartida de antimateria para la gravedad? ¿Existen antiuniversos?
Como se ha expuesto, las antipartículas tienen carga opuesta a la de la materia ordinaria. Pero las partículas que no tienen carga (tales como el fotón, una partícula de luz, o el gravitón, que es una partícula de gravedad) pueden ser su propia antipartícula. Vemos que la gravitación es su propia antimateria; en otras palabras, gravedad y antigravedad son lo mismo. Por ello, la antimateria sometida a la gravedad debería caer, no subir. (Esto es lo que creen universalmente los físicos, pero nunca se ha demostrado realmente en el laboratorio).
La teoría de Dirac también responde a las profundas preguntas: ¿Por qué la naturaleza admite antimateria? ¿Significa eso que existen antiuniversos?
En algunas historias de ciencia ficción, el protagonista descubre un nuevo planeta similar a la Tierra en el espacio exterior. En realidad, el nuevo planeta parece idéntico a la Tierra, excepto en que todo está hecho de antimateria. Tenemos gemelos de antimateria en este planeta, con antiniños, que viven en anticiudades. Puesto que las leyes de la antiquímica son las mismas que las leyes de la química, salvo que las cargas están invertidas, la gente que viviera en semejante mundo nunca sabría que estaba hecha de antimateria. (Los físicos llaman a esto un universo con inversión de carga o C-invertido, puesto que todas las cargas están invertidas en este antiuniverso pero todo lo demás permanece igual).
En otras historias de ciencia ficción los científicos descubren un gemelo de la Tierra en el espacio exterior, excepto que es un universo espejo, donde todo está invertido izquierda-derecha. El corazón de todo el mundo está en el lado derecho y la mayoría de la gente es zurda. Viven su vida sin saber que viven en un universo espejo invertido izquierda-derecha. (Los físicos llaman a semejante universo espejo un universo con inversión de paridad o P-invertido).
¿Pueden existir realmente tales universos de antimateria y con inversión de paridad? Los físicos toman muy en serio las preguntas sobre universos gemelos porque las ecuaciones de Newton y de Einstein permanecen iguales cuando simplemente cambiamos las cargas en todas nuestras partículas subatómicas o invertimos la orientación izquierda-derecha. Por ello, los universos C-invertidos y P-invertidos son en principio posibles.
El premio Nobel Richard Feynman planteó una interesante cuestión sobre estos universos. Supongamos que un día entramos en contacto por radio con alienígenas en un planeta lejano pero no podemos verles. ¿Podemos explicarles por radio la diferencia entre «izquierda» y «derecha»?, preguntaba. Si las leyes de la física permiten un universo P-invertido, entonces debería ser imposible transmitir estos conceptos.
Ciertas cosas, razonaba, son fáciles de comunicar, tales como la forma de nuestro cuerpo y el número de nuestros dedos, brazos y piernas. Podríamos incluso explicar a los alienígenas las leyes de la química y la biología. Pero si tratáramos de explicarles el concepto de «izquierda» y «derecha» (o «sentido horario» y «sentido antihorario»), fracasaríamos siempre. Nunca seríamos capaces de explicarles que nuestro corazón está en el lado derecho de nuestro cuerpo, en qué dirección rota la Tierra o la forma en que se retuercen en espiral las moléculas de ADN.
Por eso se produjo una especie de conmoción cuando C. N. Yang y T. D. Lee, ambos entonces en la Universidad de Columbia, refutaron este querido teorema. Al examinar la naturaleza de las partículas subatómicas demostraron que el universo espejo P-invertido no puede existir. Un físico, al saber de este resultado revolucionario, dijo: «Dios debe de haber cometido un error». Por este resultado impresionante, llamado la «violación de la paridad», Yang y Lee ganaron el premio Nobel de Física en 1957.
Para Feynman, esta conclusión significaba que si uno estuviera hablando por radio con los alienígenas, podría diseñar un experimento que le permitiría establecer la diferencia entre universos zurdos y diestros solo por radio. (Por ejemplo, si medimos el espín de los electrones emitidos por el cobalto-60 radiactivo, encontramos que no giran tantos en sentido horario como en sentido antihorario, sino que realmente hay un sentido de giro preferido, lo que rompe la paridad).
Feynman imaginó entonces que al final tiene lugar un encuentro histórico entre los alienígenas y la humanidad. Nosotros decimos a los alienígenas que deben extender la mano derecha cuando nos encontremos por primera vez y nos demos la mano. Si los alienígenas realmente extienden la mano derecha, entonces sabemos que les hemos comunicado con éxito el concepto de «izquierda-derecha» y «horario-antihorario».
Pero Feynman planteó entonces una idea desconcertante. ¿Qué sucede si los alienígenas extienden en su lugar la mano izquierda? Esto significa que hemos cometido un error fatal, que hemos fracasado en comunicar el concepto de «izquierda» y «derecha». Peor aún, significa que el alienígena está hecho realmente de antimateria, y que él realizó todos los experimentos al revés, y con ello mezcló «izquierda» y «derecha». Significa que cuando nos demos la mano, ¡explotaremos!
Esto es lo que sabíamos hasta los años sesenta. Era imposible distinguir nuestro universo de un universo en el que todo estuviera hecho de antimateria y con paridad invertida. Si se cambiaran a la vez la paridad y la carga, el universo resultante obedecería a las leyes de la física. La paridad por sí sola se violaba, pero carga y paridad seguían siendo una buena simetría del universo. Así, un universo CP-invertido seguía siendo posible.
Esto significaba que si estuviéramos hablando con los alienígenas por teléfono, no podríamos decirles la diferencia entre un universo ordinario y uno en el que estuvieran invertidas paridad y carga (es decir, izquierda y derecha están intercambiadas, y toda la materia se ha convertido en antimateria).
Luego, en 1964, los físicos recibieron una segunda conmoción: el universo CP-invertido no puede existir. Analizando las propiedades de partículas subatómicas, sigue siendo posible decir la diferencia entre izquierda-derecha, sentido horario-sentido antihorario, si uno está hablando por radio a otro universo CP-invertido. Por este resultado, James Cronin y Val Fitch ganaron el premio Nobel en 1980.
(Aunque muchos físicos quedaron contrariados cuando se demostró que el universo CP-invertido es incompatible con las leyes de la física, visto en retrospectiva el descubrimiento fue una buena cosa, como discutimos antes. Si el universo CP-invertido fuera posible, entonces el big bang original habría implicado precisamente la misma cantidad de materia y antimateria, y con ello habría tenido lugar una aniquilación del ciento por ciento y nuestro átomos no habrían sido posibles. El hecho de que existimos como un residuo de la aniquilación de cantidades desiguales de materia y antimateria es una prueba de la violación CP).
¿Son posibles antiuniversos invertidos? La respuesta es sí. Incluso si no son posibles universos con paridad invertida y carga invertida, un antiuniverso es aún posible, pero sería extraño. Si invirtiéramos las cargas, la paridad y el sentido del tiempo, entonces el universo resultante obedecería a todas las leyes de la física. El universo CPT-invertido está permitido.
La inversión del tiempo es una simetría extraña. En un universo T-invertido, los huevos fritos saltan del plato, se rehacen en la sartén y luego entran de nuevo en la cascara, sellando las grietas. Los cadáveres reviven, se hacen más jóvenes, se convierten en niños y luego entran en el vientre de la madre.
El sentido común nos dice que el universo T-invertido no es posible. Pero las ecuaciones matemáticas de las partículas subatómicas nos dicen lo contrario. Las leyes de Newton funcionan perfectamente hacia atrás o hacia delante. Imaginemos que estamos viendo un vídeo de una partida de billar. Cada colisión de las bolas obedece a las leyes de movimiento de Newton; pasar hacia atrás la cinta de video produciría un juego extraño, pero está permitido por las leyes de Newton.
En la teoría cuántica las cosas son más complicadas. La T-inversión por sí sola viola las leyes de la mecánica cuántica, pero el universo CPT-invertido está permitido. Esto significa que un universo en el que izquierda y derecha están invertidas, la materia se convierte en antimateria y el tiempo corre hacia atrás es un universo plenamente aceptable que obedece a las leyes de la física.
(Irónicamente, no podemos comunicar con un mundo CPT-invertido semejante. Si el tiempo corre hacia atrás en su planeta, eso significa que todo lo que le digamos por radio será parte de su futuro, de modo que ellos olvidarían todo lo que les dijéramos en cuanto lo hiciéramos. Así, incluso si el universo CPT-invertido está permitido por las leyes de la física, no podemos hablar por radio con ningún alienígena CPT-invertido).
En resumen, los motores de antimateria pueden darnos una posibilidad realista para impulsar una nave estelar en el futuro lejano, si pudiera producirse suficiente antimateria en la Tierra o si se encontrara en el espacio exterior. Hay un ligero desequilibrio entre materia y antimateria debido a la violación CP, y esto puede significar a su vez que aún existen bolsas de antimateria y pueden recogerse.
Pero debido a las dificultades técnicas implicadas en los motores de antimateria, se puede tardar un siglo o más en desarrollar esta tecnología, lo que la hace una imposibilidad de clase I.
Pero abordemos otra pregunta: ¿serán posibles naves estelares más rápidas que la luz a miles de años en el futuro? ¿Hay alguna vía de escape del famoso dictum de Einstein de que «Nada puede ir a más velocidad que la luz»? La respuesta, sorprendentemente, es sí.