MÁS RÁPIDO QUE LA LUZ
Es perfectamente imaginable que [la vida] se difundirá finalmente por la galaxia y más allá. De modo que la vida no puede ser para siempre una modesta traza contaminante del universo, incluso si ahora lo es. De hecho, yo encuentro esto una idea bastante atractiva.
SIR MARTIN REES, astrónomo real
Es imposible viajar a velocidad mayor que la de la luz, y desde luego no es deseable, porque hay que sujetarse el sombrero.
WOODY ALLEN
En La guerra de las galaxias, cuando el Halcón Milenario despega del planeta desierto Tatooine, llevando a nuestros héroes Luke Skywalker y Han Solo, la nave encuentra un escuadrón de amenazadores cruceros imperiales en órbita alrededor del planeta. Los cruceros del Imperio lanzan contra la nave de nuestros héroes una andanada de rayos láser que poco a poco atraviesan sus campos de fuerza. El Halcón Milenario no puede hacerles frente. Intentando defenderse de este fulminante fuego láser, Han Solo grita que su única esperanza es saltar al «hiperespacio». En el momento oportuno los motores de hiperimpulso cobran vida. Todas las estrellas que les rodean implosionan de repente hacia el centro de su pantalla de visión en convergentes y cegadoras ráfagas de luz. Se abre un agujero por el que pasa el Halcón Milenario, que alcanza así el hiperespacio y la libertad.
¿Ciencia ficción? Sin duda. Pero ¿podría estar basada en un hecho científico? Quizá. Viajar más rápido que la luz ha sido siempre un ingrediente de la ciencia ficción, pero recientemente los físicos han reflexionado muy en serio sobre esta posibilidad.
Según Einstein, la velocidad de la luz es el límite último para las velocidades en el universo. Ni siquiera nuestros más potentes colisionadores de átomos, que pueden generar energías que solo se encuentran en el centro de estrellas en explosión o en el propio big bang, pueden lanzar partículas subatómicas a una velocidad mayor que la de la luz. Al parecer, la velocidad de la luz es el último policía de tráfico del universo. Si es así, parece desvanecerse cualquier esperanza de llegar a las galaxias lejanas.
O quizá no…
En 1902 no era ni mucho menos obvio que el joven físico Albert Einstein llegaría a ser aclamado como el físico más grande desde Isaac Newton. De hecho, ese año representó el momento más bajo en su vida. Recién doctorado, fue rechazado para un puesto docente por todas las universidades en las que lo solicitó. (Más tarde descubrió que su profesor Heinrich Weber le había escrito horribles cartas de recomendación, quizá en venganza porque Einstein no había asistido a muchas de sus clases). Además, la madre de Einstein se oponía violentamente a su novia, Mileva Marić, que estaba embarazada. Su primera hija, Lieserl, nacería como hija ilegítima. El joven Einstein también fracasó en los trabajos ocasionales que ocupó. Incluso su trabajo de tutor mal pagado terminó abruptamente cuando fue despedido. En sus deprimentes cartas contemplaba la posibilidad de hacerse viajante para ganarse la vida. Incluso escribió a su familia que quizá habría sido mejor que no hubiera nacido, puesto que era mucha carga para ellos y no tenía ninguna perspectiva de éxito en la vida. Cuando su padre murió, Einstein se sintió avergonzado de que su padre hubiera muerto pensando que su hijo era un fracasado total.
Pero ese mismo año iba a cambiar la suerte de Einstein. Un amigo le consiguió un trabajo como funcionario de la Oficina de Patentes suiza. Desde esa modesta posición, Einstein iba a lanzar la mayor revolución en la historia moderna. Analizaba rápidamente las patentes que llegaban a su mesa de trabajo y luego pasaba horas reflexionando sobre problemas de física que le habían intrigado desde que era un niño.
¿Cuál era el secreto de su genio? Quizá una clave de su genio era su capacidad para pensar en términos de imágenes físicas (por ejemplo, trenes en movimiento, relojes acelerados, tejidos dilatados) en lugar de puras matemáticas. Einstein dijo en cierta ocasión que una teoría es probablemente inútil a menos que pueda ser explicada a un niño; es decir, la esencia de una teoría tiene que ser captada en una imagen física. Por eso muchos físicos se pierden en una maraña de matemáticas que no llevan a ninguna parte. Pero como Newton antes que él, Einstein estaba obsesionado por la imagen física; las matemáticas vendrían más tarde. Para Newton la imagen física fue la manzana que cae y la Luna. ¿Eran las fuerzas que hacían caer una manzana idénticas a las fuerzas que guiaban a la Luna en su órbita? Cuando Newton decidió que la respuesta era sí, creó una arquitectura matemática para el universo que repentinamente desveló el mayor secreto de los cielos, el movimiento de los propios cuerpos celestes.
Albert Einstein propuso su celebrada teoría de la relatividad especial en 1905. En el corazón de su teoría había una imagen que incluso los niños pueden entender. Su teoría fue la culminación de un sueño que había tenido desde los dieciséis años, cuando se planteó la pregunta: ¿qué sucede cuando uno alcanza a un rayo de luz? Cuando era joven, Einstein sabía que la mecánica newtoniana describía el movimiento de objetos en la Tierra y en los cielos, y que la teoría de Maxwell describía la luz. Eran los dos pilares de la física.
La esencia del genio de Einstein era que reconoció que estos dos pilares estaban en conflicto. Uno de ellos debía fallar.
Según Newton, uno siempre puede alcanzar a un rayo de luz, puesto que no hay nada especial en la velocidad de la luz. Esto significaba que el rayo de luz debía parecer estacionario cuando uno corría a su lado. Pero de joven Einstein comprendió que nadie había visto nunca una onda luminosa que fuera totalmente estacionaria, es decir, como una onda congelada. Aquí la teoría de Newton no tenía sentido.
Finalmente, como estudiante universitario en Zurich que estudiaba la teoría de Maxwell, Einstein encontró la respuesta. Descubrió algo que ni siquiera Maxwell sabía: que la velocidad de la luz era una constante, con independencia de lo rápido que uno se moviera. Si uno corre al encuentro de un rayo de luz o alejándose de él, este seguirá viajando a la misma velocidad, pero eso viola el sentido común. Einstein había encontrado la respuesta a la pregunta de su infancia: uno nunca puede correr a la par con un rayo de luz, puesto que este siempre se aleja a velocidad constante, por mucho que uno corra.
Pero la mecánica newtoniana era un sistema con fuertes ligaduras internas: como sucede cuando se tira de un cabo suelto, la teoría entera podía deshacerse si se hacía el más mínimo cambio en sus hipótesis. En la teoría de Newton el tiempo corría a un ritmo uniforme en todo el universo. Un segundo en la Tierra era idéntico a un segundo en Venus o en Marte. Asimismo, varas de medir colocadas en la Tierra tenían la misma longitud que varas de medir colocadas en Plutón. Pero si la velocidad de la luz era siempre constante por muy rápido que uno se moviera, sería necesario un cambio importante en nuestra comprensión del espacio y el tiempo. Tendrían que ocurrir distorsiones profundas del espacio y el tiempo para conservar la constancia de la velocidad de la luz.
Según Einstein, si uno estuviese en una nave a gran velocidad, el paso del tiempo dentro del cohete tendría que frenarse con respecto a alguien en la Tierra. El tiempo late a ritmos diferentes, dependiendo de con qué rapidez se esté uno moviendo. Además, el espacio dentro del cohete se comprimiría, de modo que las varas de medir podrían cambiar de longitud, dependiendo de la velocidad. Y la masa del cohete también aumentaría. Si miráramos el interior del cohete con nuestros telescopios, veríamos que los relojes de su interior marchaban lentamente, la gente se movía con movimiento lento y parecían achatados.
De hecho, si el cohete estuviera viajando a la velocidad de la luz, el tiempo se detendría aparentemente dentro del cohete, este se comprimiría hasta casi desaparecer y la masa del cohete se haría infinita; como ninguna de estas observaciones tiene sentido, Einstein afirmó que nada puede romper la barrera de la luz. (Puesto que un objeto se hace más pesado cuanto más rápido se mueve, esto significa que la energía de movimiento se está convirtiendo en masa. La cantidad exacta de energía que se convierte en masa es fácil de calcular, y llegamos a la celebrada ecuación E = mc2 en solo unas líneas).
Desde que Einstein derivó su famosa ecuación, millones de experimentos, literalmente, han confirmado sus revolucionarias ideas. Por ejemplo, el sistema GPS, que puede localizar la posición en la Tierra con un error de solo unos pocos metros, fallaría a menos que se añadan correcciones debidas a la relatividad. (Puesto que el ejército depende del sistema GPS, incluso los generales del Pentágono tienen que recibir formación por parte de los físicos respecto a la teoría de la relatividad de Einstein). Los relojes en el GPS cambian realmente cuando se aceleran sobre la superficie de la Tierra, como predijo Einstein.
La ilustración más gráfica de este concepto se encuentra en los colisionadores de átomos, en los que los científicos aceleran partículas a velocidades próximas a la de la luz. En el gigantesco acelerador del CERN, el gran colisionador de hadrones, en las afueras de Ginebra en Suiza, los protones se aceleran hasta billones de electronvoltios y se mueven a velocidades muy próximas a la de la luz.
Para un científico que trabaja con cohetes, la barrera de la luz no es todavía un gran problema, ya que los cohetes apenas pueden viajar a más de algunas decenas de miles de kilómetros por hora. Pero en un siglo o dos, cuando los científicos contemplen seriamente la posibilidad de enviar sondas a la estrella más próxima (situada a más de 4 años luz de la Tierra), la barrera de la luz podría llegar a ser un problema.
Durante décadas los físicos han tratado de encontrar escapatorias al lema de Einstein. Se han encontrado algunas vías de escape, pero la mayoría no son muy útiles. Por ejemplo, si se barre el cielo con un haz luminoso, la imagen del haz puede superar la velocidad de la luz. En pocos segundos, la imagen del haz se mueve desde un punto del horizonte al punto opuesto, a una distancia que puede ser de más de centenares de años luz. Pero esto no tiene importancia, porque ninguna información puede transmitirse de este modo más rápida que la luz. La imagen del haz luminoso ha superado la velocidad de la luz, pero la imagen no lleva energía ni información.
Del mismo modo, si tenemos unas tijeras, el punto en el que se cruzan las hojas se mueve más rápido cuanto más alejado está del eje. Si imaginamos tijeras de un año luz de longitud, entonces al cerrar las hojas el punto de cruce puede viajar más rápido que la luz. (De nuevo, esto no es importante puesto que el punto de cruce no lleva energía ni información).
Análogamente, como he mencionado en el capítulo 4, el experimento EPR permite enviar información a velocidades mayores que la velocidad de la luz. (Recordemos que en este experimento dos electrones están vibrando al unísono y entonces son enviados en direcciones opuestas. Puesto que estos electrones son coherentes, puede enviarse información de uno a otro a velocidades mayores que la velocidad de la luz, pero esta información es aleatoria y por lo tanto inútil. Por ello, no pueden utilizarse máquinas EPR para enviar sondas a las estrellas lejanas).
Para un físico la vía de escape más importante procedía del propio Einstein, que creó la teoría de la relatividad general en 1915, una teoría que es más poderosa que la teoría de la relatividad especial. Las semillas de la relatividad general fueron plantadas cuando Einstein consideró un tiovivo de niños. Como hemos visto antes, los objetos se contraen cuando se acercan a la velocidad de la luz. Cuanto más rápido se mueve uno, más se comprime. Pero en un disco giratorio, la circunferencia exterior se mueve más rápida que el centro. (De hecho, el centro está casi estacionario). Esto significa que una regla colocada en el borde debe contraerse, mientras que una regla colocada en el centro permanece casi igual, de modo que la superficie del tiovivo ya no es plana sino que está curvada. Así, la aceleración tiene el efecto de curvar el espacio y el tiempo en el tiovivo.
En la teoría de la relatividad general el espacio-tiempo es un tejido que puede estirarse y contraerse. En ciertas circunstancias el tejido puede estirarse más rápido que la velocidad de la luz. Pensemos en el big bang, por ejemplo, cuando el universo nació en una explosión cósmica hace 13 700 millones de años. Se puede calcular que originalmente el universo se expandía más rápido que la velocidad de la luz. (Esta acción no viola la relatividad especial, puesto que era el espacio vacío —el espacio entre estrellas— el que se estaba expandiendo, no las propias estrellas. Expandir el espacio no lleva ninguna información).
El punto importante es que la relatividad especial solo se aplica localmente, es decir, en la inmediata vecindad. En nuestro entorno local (por ejemplo, el sistema solar), la relatividad especial sigue siendo válida, como confirmamos con nuestras sondas espaciales. Pero globalmente (por ejemplo, a escalas cosmológicas que abarcan el universo) debemos utilizar en su lugar la relatividad general. En relatividad general el espacio-tiempo se convierte en un tejido, y este tejido puede estirarse más rápido que la luz. También permite «agujeros en el espacio» en los que se puedan tomar atajos a través del espacio y el tiempo.
Con estas reservas, quizá un modo de viajar más rápido que la luz es invocar la relatividad general. Puede hacerse de dos maneras:
Como dice el físico Matt Visser de la Universidad de Washington: «La comunidad de la relatividad ha empezado a pensar en lo que sería necesario para hacer algo parecido al impulso de deformación o a los agujeros de gusano y sacarlos del campo de la ciencia ficción».[67]
Sir Martin Rees, astrónomo real de Gran Bretaña, llega a decir: «Agujeros de gusano, dimensiones extra y ordenadores cuánticos abren escenarios especulativos que podrían transformar eventualmente todo nuestro universo en un “cosmos viviente”».[68]
El mejor ejemplo de estirar el espacio es la propulsión Alcubierre, propuesta por el físico Miguel Alcubierre en 1994, que utiliza la teoría de la gravedad de Einstein. Es muy parecido al sistema de propulsión que se muestra en Star Trek. El piloto de una nave estelar semejante estaría sentado dentro de una burbuja (llamada una «burbuja de distorsión») en la que todo parecería normal, incluso cuando la cápsula espacial rompiera la barrera de la luz. De hecho, el piloto pensaría que estaba en reposo. Pero fuera de la burbuja se producirían distorsiones extremas del espacio-tiempo cuando el espacio que hay delante de la burbuja se comprimiera. No habría dilatación temporal, de modo que el tiempo transcurriría normalmente en el interior de la burbuja.
Alcubierre admite que quizá Star Trek haya desempeñado un papel en su forma de llegar a esta solución. «La gente de Star Trek seguía hablando de propulsión por distorsión, la idea de que uno está distorsionando el espacio —dice—. Nosotros ya teníamos una teoría sobre cómo puede distorsionarse el espacio, y esa es la teoría de la relatividad general. Pensé que debería haber una manera de utilizar estos conceptos para ver cómo funcionaría un impulso por distorsión.»[69] Esta es probablemente la primera vez que un programa de televisión inspiró una solución a una de las ecuaciones de Einstein.
Alcubierre cree que un viaje en su propuesta nave espacial se parecería a un viaje a bordo del Halcón Milenario en La guerra de las galaxias. «Mi conjetura es que ellos verían probablemente algo muy parecido a esto. Delante de la nave, las estrellas se convertirían en líneas largas, trazos. Detrás no verían nada —solo oscuridad— porque la luz de las estrellas no podría moverse con rapidez suficiente para alcanzarles», dice.[70]
La clave para la propulsión Alcubierre es la energía necesaria para propulsar la cápsula hacia delante a velocidades mayores que la de la luz. Normalmente los físicos empiezan con una cantidad de energía positiva para propulsar una nave estelar, que siempre viaja más lenta que la luz. Para ir más allá de esta estrategia y poder viajar más rápido que la luz sería necesario cambiar el combustible. Un cálculo directo muestra que se necesitaría «masa negativa» o «energía negativa», quizá las entidades más exóticas del universo, si es que existen. Tradicionalmente los físicos han descartado la energía negativa y la masa negativa como ciencia ficción. Pero ahora vemos que son indispensables para el viaje, y podrían existir realmente.
Los científicos han buscado materia negativa en la naturaleza, pero hasta ahora sin éxito. (Antimateria y materia negativa son dos cosas totalmente diferentes. La primera existe y tiene energía positiva pero carga invertida. La existencia de materia negativa está por demostrar). La materia negativa sería muy peculiar, porque sería más ligera que la nada. De hecho, flotaría. Si existiera materia negativa en el universo primitivo, se habría ido hacia el espacio exterior. A diferencia de los meteoritos que llegan a estrellarse en los planetas, atraídos por la gravedad de un planeta, la materia negativa evitaría los planetas. Sería repelida, y no atraída, por cuerpos grandes tales como estrellas y planetas. Así, aunque pudiera existir la materia negativa, solo esperamos encontrarla en el espacio profundo, y no ciertamente en la Tierra.
Una propuesta para encontrar materia negativa en el espacio exterior implica la utilización de un fenómeno llamado «lentes de Einstein». Cuando la luz pasa junto a una estrella o una galaxia, su trayectoria es curvada por la gravedad, de acuerdo con la relatividad general. En 1912 (antes incluso de que hubiera desarrollado por completo la relatividad general) Einstein predijo que una galaxia podría actuar como la lente de un telescopio. La luz procedente de objetos distantes que pasara cerca de una galaxia próxima convergería cuando rodeara la galaxia, como en una lente, y formaría una figura de anillo característica cuando finalmente llegara a la Tierra. Estos fenómenos se llaman ahora «anillos de Einstein». En 1979 se observó el primero de estos anillos de Einstein en el espacio exterior. Desde entonces, los anillos se han convertido en una herramienta indispensable para la astronomía. (Por ejemplo, en otro tiempo se pensaba que sería imposible localizar «materia oscura» en el espacio exterior. [La materia oscura es una sustancia misteriosa que es invisible pero tiene peso. Rodea a las galaxias y es quizá diez veces más abundante que la materia visible ordinaria en el universo.] Pero científicos de la NASA han sido capaces de construir mapas de materia oscura porque esta curva la luz que la atraviesa, de la misma manera que el vidrio curva la luz).
Por consiguiente, debería ser posible utilizar lentes de Einstein para buscar materia negativa y agujeros de gusano en el espacio exterior. Estos curvarían la luz de una forma peculiar, que debería ser visible con el telescopio espacial Hubble. Hasta ahora las lentes de Einstein no han detectado la imagen de materia negativa o agujeros de gusano en el espacio exterior, pero la búsqueda continúa. Si un día el telescopio espacial Hubble detecta la presencia de materia negativa o de un agujero de gusano mediante lentes de Einstein, podría desencadenar una onda de choque en la física.
La energía negativa difiere de la materia negativa en que realmente existe, aunque solo en cantidades minúsculas. En 1933 Hendrik Casimir hizo una extraña predicción utilizando las leyes de la teoría cuántica. Afirmó que dos placas metálicas paralelas descargadas se atraerían mutuamente, como por arte de magia. Normalmente las placas paralelas están en reposo, puesto que carecen de carga neta. Pero el vacío entre las dos placas paralelas no está vacío, sino lleno de «partículas virtuales» que nacen y desaparecen.
Durante breves períodos de tiempo, pares electrón-antielectrón surgen de la nada para aniquilarse y desaparecer de nuevo en el vacío. Resulta irónico que el espacio vacío, que en otro tiempo se pensaba privado de cualquier cosa, ahora resulta estar agitado con actividad cuántica. Normalmente, minúsculas ráfagas de materia y antimateria parecerían violar la conservación de la energía. Pero debido al principio de incertidumbre, estas minúsculas violaciones tienen una vida increíblemente corta, y la energía se sigue conservando en promedio.
Casimir descubrió que la nube de partículas virtuales crearía una presión neta en el vacío. El espacio entre las dos placas paralelas está confinado, y por ello la presión es baja. Pero la presión fuera de las placas no está confinada y es mayor, y por ello habrá una presión neta que tiende a juntar las placas.
Normalmente, el estado de energía cero ocurre cuando estas dos placas están en reposo y alejadas una de otra. Pero a medida que las placas se aproximan, se puede extraer energía a partir de ellas. Así, puesto que se ha sacado energía cinética de las placas, la energía de las placas es menor que cero.
Esta energía negativa fue medida realmente en el laboratorio en 1948, y los resultados confirmaron la predicción de Casimir. Así pues, la energía negativa y el efecto Casimir ya no son ciencia ficción, sino un hecho establecido. El problema, no obstante, es que el efecto Casimir es muy pequeño; se necesita un equipo de medida muy delicado para detectar esta energía en el laboratorio. (En general, la energía de Casimir es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia de separación entre las placas. Esto significa que cuanto menor es la distancia de separación, mayor es la energía). El efecto Casimir fue medido con precisión en 1996 por Steven Lamoreaux en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, y la fuerza atractiva es 1/30 000 del peso de una hormiga.
Desde que Alcubierre propuso inicialmente su teoría, los físicos han descubierto varias propiedades extrañas. Las personas dentro de la nave estelar están desconectadas causalmente del mundo exterior. Esto significa que no basta con apretar un botón a voluntad para viajar más rápido que la luz. Uno no puede comunicarse a través de la burbuja. Tiene que haber una «autopista» preexistente a través del espacio y el tiempo, como una serie de trenes que pasen con un horario regular. En este sentido, la nave estelar no sería una nave ordinaria que pueda cambiar de dirección y velocidad a voluntad. La nave estelar sería realmente como un coche de pasajeros que cabalga sobre una «onda» preexistente de espacio comprimido, navegando a lo largo de un corredor preexistente de espacio-tiempo distorsionado. Alcubierre especula: «Necesitaríamos una serie de generadores de materia exótica a lo largo del camino, como en una autopista, que manipulen el espacio de una forma sincronizada».[71]
En realidad pueden encontrarse soluciones aún más extrañas a las ecuaciones de Einstein. Sus ecuaciones afirman que dada una cierta cantidad de masa o energía, puede computarse la distorsión de espacio-tiempo que la masa o energía generará (de la misma forma en que si dejamos caer una piedra en un estanque, podemos calcular las ondulaciones que creará). Pero también se pueden seguir las ecuaciones hacia atrás. Podemos empezar con un espacio-tiempo extraño, del tipo que aparece en los episodios de La dimensión desconocida. (En estos universos, por ejemplo, podemos abrir una puerta y encontrarnos en la Luna. Podemos rodear un árbol y encontrarnos en un tiempo anterior y con el corazón al lado derecho del cuerpo). Entonces calculamos la distribución de materia y energía relacionada con ese espacio-tiempo particular. (Esto significa que si se nos da una serie de ondas extrañas en la superficie de un estanque, podemos ir hacia atrás y calcular la distribución de piedras necesaria para producir estas ondas). Así fue, de hecho, como Alcubierre obtuvo sus ecuaciones. Él partió de un espacio-tiempo compatible con ir más rápido que la luz, y luego trabajó hacia atrás y calculó la energía necesaria para producirlo.
Aparte de estirar el espacio, la segunda manera posible de romper la barrera de la luz es rasgar el espacio mediante agujeros de gusano, pasadizos que conectan dos universos. En la ficción, la primera mención de un agujero de gusano se debió al matemático de Oxford Charles Dogson, que escribió A través del espejo bajo el pseudónimo de Lewis Carroll. El espejo de Alicia es el agujero de gusano que conecta la campiña de Oxford con el mundo mágico del País de las Maravillas. Introduciendo su mano en el espejo, Alicia puede transportarse en un instante de un universo al otro. Los matemáticos llaman a esto «espacios múltiplemente conexos».
El concepto de agujeros de gusano en física data de 1916, un año después de que Einstein publicara su histórica teoría de la relatividad general. El físico Karl Schwarzschild, que entonces servía en el ejército del káiser, pudo resolver exactamente las ecuaciones de Einstein para el caso de una única estrella puntual. Lejos de la estrella, su campo gravitatorio era muy similar al de una estrella ordinaria, y de hecho Einstein utilizó la solución de Schwarzschild para calcular la desviación de la luz en torno a una estrella. La solución de Schwarzschild tuvo un impacto inmediato y profundo en astronomía, e incluso hoy es una de las soluciones mejor conocidas de las ecuaciones de Einstein. Durante generaciones los físicos utilizaron el campo gravitatorio alrededor de una estrella puntual como una aproximación al campo alrededor de una estrella real, que tiene un diámetro finito.
Pero si se toma en serio esta solución puntual, entonces acechando en el centro de ella había un monstruoso objeto puntual que ha conmocionado y sorprendido a los físicos durante casi un siglo: un agujero negro. La solución de Schwarzschild para la gravedad de una estrella puntual era como un caballo de Troya. Desde fuera parecía un regalo del cielo, pero en el interior acechaban todo tipo de demonios y fantasmas. Pero si se aceptaba lo uno, había que aceptar lo otro. La solución de Schwarzschild mostraba que a medida que uno se acercaba a esta estrella puntual, sucedían cosas extrañas. Alrededor de la estrella había una esfera invisible (llamada el «horizonte de sucesos») que era un punto de no retorno. Todo entraba, pero nada podía salir, como en un Roach Motel.[72] Una vez que se atravesaba el horizonte de sucesos ya no había vuelta atrás. (Una vez dentro del horizonte de sucesos, uno tenía que viajar más rápido que la luz para escapar al exterior del horizonte de sucesos, y eso sería imposible).
A medida que uno se acercara al horizonte de sucesos sus átomos serían estirados por fuerzas de marea. La gravedad que experimentarían los pies sería mucho mayor que la que experimentaría la cabeza, de modo que uno sería «espaguetificado» y luego desgarrado. Del mismo modo, los átomos del cuerpo también serían estirados y desgarrados por la gravedad.
Para un observador exterior que observase cómo uno se aproximaba al horizonte de sucesos, parecería que uno se estaba frenando en el tiempo. De hecho, cuando uno llegara al horizonte de sucesos, ¡parecería que el tiempo se había detenido!
Además, cuando uno atravesara el horizonte de sucesos vería luz que ha sido atrapada y ha estado dando vueltas alrededor de este agujero negro durante miles de millones de años. Parecería como si uno estuviera observando una película que detallara toda la historia del agujero negro, remontándose hacia atrás hasta su mismo origen.
Y finalmente, si uno pudiera caer recto a través del agujero negro, habría otro universo en el otro lado. Esto se denomina el puente de Einstein-Rosen, introducido por primera vez por Einstein en 1935; ahora se llama un agujero de gusano.
Einstein y otros físicos creían que una estrella nunca podría evolucionar de manera natural hasta un objeto tan monstruoso. De hecho, en 1939 Einstein publicó un artículo en el que demostraba que una masa circulante de gas y polvo nunca se condensaría en tal agujero negro. Por eso, aunque había un agujero de gusano acechando en el centro de un agujero negro, él confiaba en que dicho objeto extraño nunca podría formarse por medios naturales. De hecho, el astrofísico Arthur Eddington dijo en cierta ocasión que «debería haber una ley de la naturaleza que impidiera a una estrella comportarse de esa manera absurda». En otras palabras, el agujero negro era realmente una solución legítima a las ecuaciones de Einstein, pero no había ningún mecanismo conocido que pudiera formar uno por medios naturales.
Todo esto cambió con la aparición de un artículo de J. Robert Oppenheimer y su estudiante Hartland Snyder, escrito ese mismo año, que demostraba que los agujeros negros pueden formarse realmente por medios naturales. Ellos suponían que una estrella moribunda había agotado su combustible nuclear y entonces colapsaba bajo su gravedad, de modo que implosionaba bajo su propio peso. Si la gravedad podía comprimir la estrella hasta que quedase dentro de su horizonte de sucesos, entonces nada conocido por la ciencia podía impedir que la gravedad estrujara la estrella hasta reducirla a una partícula puntual, el agujero negro. (Este método de implosión quizá diera a Oppenheimer la clave para construir la bomba de Nagasaki tan solo unos años después, que depende de la implosión de una esfera de plutonio).
El siguiente avance fundamental llegó en 1963, cuando el matemático neozelandés Roy Kerr examinó el ejemplo quizá más realista de un agujero negro. Los objetos giran más rápidamente cuando se contraen, de la misma forma que los patinadores giran más rápido cuando acercan los brazos al cuerpo. Como resultado, los agujeros negros deberían estar girando a velocidades fantásticas.
Kerr descubrió que un agujero negro en rotación no colapsaría en una estrella puntual, como habría supuesto Schwarzschild, sino que colapsaría a un anillo en rotación. Cualquiera suficientemente desafortunado para chocar con el anillo perecería; pero alguien que cayera en el anillo no moriría, sino que en realidad lo atravesaría. Pero en lugar de acabar en el otro lado del anillo, atravesaría el puente de Einstein-Rosen y acabaría en otro universo. En otras palabras, el agujero negro en rotación es el borde del espejo de Alicia.
Si diera otra vuelta alrededor del anillo en rotación, entraría aún en otro universo. De hecho, entradas repetidas en el anillo en rotación colocarían a una persona en diferentes universos paralelos, algo muy parecido a apretar el botón «subida» en un ascensor. En principió podría haber un número infinito de universos, uno encima de otro. «Atraviesa este anillo mágico y —¡presto!— está usted en un universo completamente diferente donde radio y masa son negativos», escribió Kerr.[73]
Hay un grave inconveniente, sin embargo. Los agujeros negros son ejemplos de «agujeros de gusano no practicables»; es decir, el paso a través del horizonte de sucesos es un viaje de una sola dirección. Una vez que uno atraviesa el horizonte de sucesos y el anillo de Kerr, ya no puede volver atrás a través del anillo y salir a través del horizonte de sucesos.
Pero en 1988 Kip Thorne y sus colegas en el Caltech encontraron un ejemplo de un agujero de gusano practicable, es decir, uno a través del cual se podía pasar libremente de un lado a otro. De hecho, en una solución, el viaje a través de un agujero de gusano no sería peor que ir en un avión.
Normalmente la gravedad estrangularía la garganta del agujero de gusano y destruiría a los astronautas que trataran de llegar al otro lado. Esta es una razón por la que no es posible viajar más rápido que la luz a través de un agujero de gusano. Pero la fuerza repulsiva de la energía negativa o la masa negativa podría mantener la garganta abierta el tiempo suficiente para permitir a los astronautas un paso limpio. En otras palabras, masa o energía negativa es esencial tanto para el propulsor de Alcubierre como para la solución agujero de gusano.
En los últimos años se ha encontrado un número sorprendente de soluciones exactas a las ecuaciones de Einstein que permiten agujeros de gusano. Pero ¿realmente existen agujeros de gusano, o son solo un objeto matemático? Hay varios problemas importantes con los agujeros de gusano.
En primer lugar, para crear las violentas distorsiones de espacio y tiempo necesarias para atravesar un agujero de gusano, se necesitarían cantidades fabulosas de materia positiva y negativa, del orden de una estrella enorme o un agujero negro. Matthew Visser, un físico de la Universidad de Washington, estima que la cantidad de energía negativa que se necesitaría para abrir un agujero de gusano de un metro es comparable a la masa de Júpiter, salvo que tendría que ser negativa. Dice: «Se necesita aproximadamente menos una masa de Júpiter para hacer el trabajo. Manipular una masa de Júpiter de energía positiva ya es bastante inverosímil, mucho más allá de nuestras capacidades en un futuro previsible».[74]
Kip Thorne, del Caltech, especula con que «resultará que las leyes de la física permiten suficiente materia exótica en agujeros de gusano de tamaño humano para mantener abierto el agujero. Pero también resultará que la tecnología para hacer agujeros de gusano y mantenerlos abiertos está inimaginablemente más allá de las capacidades de nuestra civilización humana».[75]
En segundo lugar, no sabemos qué estabilidad tendrían estos agujeros de gusano. La radiación generada por estos agujeros de gusano podría matar a cualquiera que entrara en ellos. O quizá los agujeros de gusano no serían estables en absoluto, y se cerraran en cuanto alguien entrara en ellos.
En tercer lugar, los rayos luminosos que cayeran en el agujero negro serían desplazados hacia el azul; es decir, alcanzarían una energía cada vez mayor a medida que se acercaran al horizonte de sucesos. De hecho, en el propio horizonte de sucesos la luz está infinitamente desplazada hacia el azul, de modo que la radiación procedente de esta energía incidente podría matar a cualquiera a bordo de un cohete.
Discutamos estos problemas con cierto detalle. Un problema está en acumular energía suficiente para rasgar el tejido del espacio y el tiempo. La manera más sencilla de hacerlo es comprimir un objeto hasta que se haga más pequeño que su «horizonte de sucesos». En el caso del Sol, esto significa comprimirlo hasta unos 3 kilómetros de diámetro, momento en el que colapsará en un agujero negro. (La gravedad del Sol es demasiado débil para comprimirlo de forma natural hasta 3 kilómetros, de modo que nuestro Sol nunca se convertirá en un agujero negro. En principio, esto significa que cualquier cosa, incluso usted, podría convertirse en un agujero negro si se comprimiera lo suficiente. Esto significaría comprimir a todos los átomos de su cuerpo a distancias menores que las subatómicas —una hazaña que está más allá de las capacidades de la ciencia moderna).
Una aproximación más práctica sería reunir una batería de rayos láser para disparar un haz intenso a un punto concreto. O construir un enorme colisionador de átomos para crear dos haces, que entonces colisionarían entre sí a energías fantásticas, suficientes para producir un pequeño rasguño en la fábrica del espacio-tiempo.
Se puede calcular la energía necesaria para crear una inestabilidad en el espacio y el tiempo: es del orden de la energía de Planck, o 1028 electrones-voltio. Este es un número inimaginablemente grande, un trillón de veces mayor que la energía alcanzable con la más potente máquina actual, el gran colisionador de hadrones (LHC), situado en las afueras de Ginebra, Suiza. El LHC es capaz de hacer dar vueltas a protones en un gran «donut» hasta que alcanzan energías de billones de electrones-voltio, energías no vistas desde el big bang. Pero incluso esta monstruosa máquina se queda muy lejos de producir energías próximas a la energía de Planck.
El siguiente acelerador de partículas después del LHC será el colisonador lineal internacional (ILC). En lugar de curvar la trayectoria de partículas subatómicas en un círculo, el ILC las lanzará en una trayectoria recta. Se inyectará energía a medida que las partículas se muevan a lo largo de esta trayectoria, hasta que alcancen energías inimaginablemente grandes. Entonces un haz de electrones colisionará con antielectrones, creando una enorme ráfaga de energía. El ILC tendrá de 30 a 40 kilómetros de longitud, o 10 veces la longitud del acelerador lineal de Stanford, actualmente el mayor acelerador lineal. Si todo va bien, el ILC estará terminado en algún momento de la próxima década.
La energía producida por el ILC será de 0,5 a 1,0 billones de electrones-voltio —menos que los 14 billones de electrones-voltio del LHC, pero esto es engañoso. (En el LHC, las colisiones entre los protones tienen lugar entre los quarks constituyentes que forman el protón. Por ello, las colisiones en las que intervienen los quarks son de menos de 14 billones de electrones-voltio. Por esto es por lo que el ILC producirá energías de colisión mayores que las del LHC). Además, puesto que el electrón no tiene constituyentes conocidos, la dinámica de las colisiones entre electrón y antielectrón es más simple y más limpia.
Pero en realidad, también el ILC se queda a mucha distancia de poder abrir un agujero en el espacio-tiempo. Para eso se necesitaría un acelerador un trillón de veces más potente. Para nuestra civilización de tipo 0, que utiliza plantas muertas como combustible (por ejemplo, petróleo y carbón), esta tecnología está mucho más allá de cualquier cosa que podamos imaginar. Pero podría hacerse posible para una civilización tipo III.
Recordemos que una civilización tipo III, que es galáctica en su uso de energía, consume una energía 10 000 millones de veces mayor que una civilización tipo II, cuyo consumo se basa en la energía de una única estrella. Y una civilización tipo II consume, a su vez, una energía 10 000 millones de veces mayor que una civilización tipo I, cuyo consumo se basa en la energía de un único planeta. En cien o doscientos años, nuestra débil civilización tipo 0 alcanzaría un estatus de tipo I.
Dada esta proyección, estamos muy, muy lejos de poder alcanzar la energía de Planck. Muchos físicos creen que a distancias extremadamente minúsculas, a la distancia de Planck de 10−33 centímetros, el espacio no es vacío ni suave sino que se hace «espumoso»; burbujea con minúsculas burbujas que constantemente nacen, colisionan con otras burbujas y desaparecen de nuevo en el vacío. Estas burbujas que nacen y mueren en el vacío son «universos virtuales», muy similares a los pares virtuales de electrones y antielectrones que surgen de repente y luego desaparecen. Normalmente, este espacio-tiempo «espumoso» es del todo invisible para nosotros. Estas burbujas se forman a distancias tan minúsculas que no podemos observarlas. Pero la física cuántica sugiere que si concentramos suficiente energía en un punto, hasta que alcanzamos la energía de Planck, esas burbujas pueden hacerse grandes. Entonces veríamos el espacio-tiempo burbujeando con minúsculas burbujas, cada una de las cuales es un agujero de gusano conectado a un «universo bebé».
En el pasado estos universos bebé se consideraban una curiosidad intelectual, una consecuencia extraña de las puras matemáticas.
Pero ahora los físicos piensan seriamente que nuestro universo podría haber salido originalmente de uno de estos universos bebé.
Dicho pensamiento es una pura especulación, pero las leyes de la física admiten la posibilidad de abrir un agujero en el espacio concentrando suficiente energía en un punto, hasta que accedemos al espacio-tiempo espumoso y emergen agujeros de gusano que conectan nuestro universo con un universo bebé.
Conseguir un agujero en el espacio requeriría, por supuesto, avances importantes en nuestra tecnología, pero una vez más podría ser posible para una civilización tipo III. Por ejemplo, ha habido desarrollos prometedores en algo llamado un «acelerador de mesa Wakefield». Curiosamente, este colisionador de átomos es tan pequeño que puede colocarse encima de una mesa y pese a todo generar miles de millones de electrones-voltio de energía. El acelerador de mesa Wakefield funciona disparando láseres sobre partículas cargadas, que entonces cabalgan sobre la energía de dicho láser. Experimentos hechos en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford, el Laboratorio Rutherford-Appleton en Inglaterra y la École Polytechnique en París muestran que son posibles enormes aceleraciones sobre pequeñas distancias utilizando haces láser y plasma para inyectar energía.
Otro gran avance tuvo lugar en 2007, cuando físicos e ingenieros en el Centro del Acelerador Lineal de Standford, la UCLA y la USC demostraron que se puede duplicar la energía de un enorme acelerador de partículas en tan solo 1 metro. Empezaron disparando un haz de electrones en un tubo de 3 kilómetros de longitud en Stanford, que alcanzaban una energía de 42 000 millones de electrones-voltio. Luego, estos electrones de alta energía se enviaban a través de un «quemador», que consistía en una cámara de plasma de solo 88 centímetros, donde los electrones recogían otros 42 000 millones de electrones-voltio, lo que duplicaba su energía. (La cámara de plasma está llena con litio gaseoso. Cuando los electrones pasan a través del gas producen una onda de plasma que crea una estela. Esta estela, a su vez, fluye hacia la parte trasera del haz de electrones y entonces lo empuja hacia delante, dándole un impulso extra). Con esta impresionante hazaña, los físicos mejoraron en un factor de tres mil el récord anterior de energía por metro con la que podían acelerar un haz electrónico. Añadiendo tales «quemadores» a los aceleradores existentes, en teoría se podría duplicar su energía casi de balde.
Hoy, el récord mundial para un acelerador de mesa Wakefield es de 200 000 millones de electrones-voltio por metro. Hay muchos problemas para extrapolar este resultado a distancias más largas (tales como mantener la estabilidad del haz cuando en él se bombea la energía del láser). Pero suponiendo que pudiéramos mantener un nivel de energía de 200 000 electrones-voltio por metro, esto significa que un acelerador capaz de alcanzar la energía de Planck tendría que tener una longitud de 10 años luz. Esto está dentro de la capacidad de una civilización tipo III.
Agujeros de gusano y espacio estirado pueden proporcionarnos la forma más realista de romper la barrera de la luz. Pero no se sabe si estas tecnologías son estables; si lo son, seguiría siendo necesaria una fabulosa cantidad de energía, positiva o negativa, para hacerlas funcionar.
Quizá una avanzada civilización tipo III podría tener ya esta tecnología. Podrían pasar milenios antes de que podamos pensar siquiera en dominar energía a esta escala. Puesto que todavía hay controversia sobre las leyes fundamentales que gobiernan el tejido del espacio-tiempo en el nivel cuántico, yo clasificaría esto como una imposibilidad de clase II.