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Ciencia

En junio de 1988, tres físicos (Kip Thorne y Michael Morris del Instituto Tecnológico de California, y Ulvi Yurtsever de la Universidad de Michigan) hicieron la primera propuesta seria de una máquina del tiempo. Convencieron a los editores de Physical Review Letters que su obra merecía seria consideración. Durante décadas, montones de propuestas chifladas de viajes en el tiempo habían sido propuestas a las principales revistas de física pero todas habían sido rechazadas porque no se basaban en principios físicos correctos o en las ecuaciones de Einstein. Como científicos experimentados, presentaron sus argumentos en un lenguaje aceptado de teoría de campos y luego explicaron cuidadosamente dónde estaban sus hipótesis más débiles.

Objeciones

Thorne y sus colegas comprendieron que, para superar el escepticismo de la comunidad de la Ciencia, tendrían que rebatir las objeciones estándar a la utilización de agujeros de gusano como máquinas del tiempo.

  1. En primer lugar, el propio Einstein advirtió que las fuerzas gravitatorias en el centro de un agujero negro serían tan enormes que cualquier nave espacial quedaría destrozada. Aunque los agujeros de gusano fueran matemáticamente posibles, en la práctica serían inútiles.
  2. En segundo lugar, los agujeros de gusano podrían ser inestables. Se podría demostrar que pequeñas perturbaciones en los agujeros de gusano provocarían el colapso del puente de Einstein-Rosen. De este modo, la presencia de una nave espacial en el interior de un agujero negro sería suficiente para provocar una perturbación que cerrara la entrada del agujero de gusano.
  3. Tercero, uno tendría que ir a una velocidad mayor que la de la luz para penetrar realmente en el agujero de gusano y llegar al otro lado.
  4. Cuarto, los efectos cuánticos serían tan grandes que el agujero de gusano podría cerrarse por sí mismo. Por ejemplo, la intensa radiación emitida por la entrada del agujero negro no sólo mataría a cualquiera que tratase de entrar en el agujero negro, sino que también podría cerrar la entrada.
  5. Quinto, el tiempo se frena en un agujero de gusano y llega a detenerse completamente en el centro. Así pues, los agujeros de gusano tienen la característica indeseable de que, vistos por alguien en la Tierra, un viajero espacial parece frenarse y llegar a una parada total en el centro del agujero negro. Parece como si el viajero espacial estuviera congelado en el tiempo. En otras palabras, el viajero espacial necesita una cantidad infinita de tiempo para atravesar un agujero de gusano. Suponiendo, por el momento, que uno pudiera de alguna forma llegar a atravesar el centro del agujero de gusano y volver a la Tierra, la distorsión del tiempo seguiría siendo tan grande que podrían haber pasado millones o incluso miles de millones de años en la Tierra. Por todas estas razones, las soluciones de agujero de gusano nunca fueron tomadas en serio.

En el verano de 1985, Carl Sagan envió a Thorne el borrador de su nuevo libro, una novela denominada Contacto, que explora seriamente las cuestiones científicas y políticas que rodean a un suceso que marcaría una época: la entrada en contacto con la primera vida extraterrestre en el espacio exterior. Todo científico que considere la cuestión de la vida en el espacio exterior debe enfrentarse a la cuestión de cómo romper la barrera de la luz. Puesto que la teoría de la relatividad especial de Einstein prohíbe explícitamente viajar a velocidad mayor que la de la luz, puede llevar miles de años el viajar a las estrellas lejanas en una nave espacial convencional, haciendo así impracticable el viaje interestelar. Como Sagan quería hacer su libro tan científicamente preciso como fuera posible, escribió a Thorne preguntando si existía cualquier forma científicamente aceptable de evitar la barrera de la luz.

La solicitud de Sagan picó la curiosidad intelectual de Thorne. Aquí había una petición honesta y científicamente relevante hecha por un científico a otro y que exigía una respuesta seria. Afortunadamente, debido a la naturaleza poco ortodoxa de la petición, Thorne y sus colegas enfocaron la cuestión de una forma muy inusual: trabajaron hacia atrás. Normalmente, los físicos empiezan con cierto objeto astronómico conocido (una estrella de neutrones, un agujero negro, el big bang) y luego resuelven las ecuaciones de Einstein para encontrar la curvatura del espacio circundante. La esencia de las ecuaciones de Einstein, recordémoslo, es que el contenido de materia y energía de un objeto determina la cantidad de curvatura en el espacio y el tiempo circundantes. Procediendo de este modo, tenemos la garantía de encontrar soluciones a las ecuaciones de Einstein para los objetos astronómicamente relevantes que esperamos encontrar en el espacio exterior.

Sin embargo, debido a la extraña petición de Sagan, Thorne y sus colaboradores enfocaron la cuestión hacia atrás. Partieron con una idea cruda de lo que querían encontrar. Buscaban una solución a las ecuaciones de Einstein en la que el viajero espacial no, fuese desgarrado por los efectos de marea del intenso campo gravitatorio. Buscaban un agujero de gusano que fuera estable y que no se cerrara repentinamente a mitad del viaje. Buscaban un agujero de gusano en el que el tiempo que se necesita para un viaje de ida y vuelta se midiera en días, no en millones o miles de millones de años, y así sucesivamente. De hecho, su principio guía consistía en que trataban de que un viajero en el tiempo tuviera un regreso razonablemente confortable a través del tiempo después de entrar en el agujero de gusano. Una vez que decidieron qué aspecto tendría su agujero de gusano, entonces, y sólo entonces, empezaron a calcular la cantidad de energía necesaria para crear un agujero de gusano semejante.

Desde su punto de vista heterodoxo, no se preocuparon en concreto de si los requisitos de energía estaban mucho más allá de la ciencia del siglo XX. Para ellos, el construir realmente la máquina del tiempo era un problema de ingeniería para alguna civilización futura. Querían probar que era científicamente factible, no que lo fuera económicamente o que estuviese dentro de los límites de la ciencia actual en la Tierra:

Normalmente, los físicos teóricos preguntan: «¿Cuáles son las leyes de la física?» y/o «¿Qué predicen dichas leyes acerca del Universo?». Se puede preguntar en su lugar: «¿Qué limitaciones ponen las leyes de la física a las actividades de una civilización arbitrariamente avanzada?». Esto llevará a algunas investigaciones interesantes sobre las propias leyes. Empezamos preguntando si las leyes de la física permiten a una civilización arbitrariamente avanzada construir y mantener agujeros de gusano para viajes interestelares.

La frase clave es, por supuesto, «civilización arbitrariamente avanzada». Las leyes de la física nos dicen lo que es posible, no lo que es práctico. Las leyes de la física son independientes de lo que pudiera costar el verificarlas. De este modo, lo que es teóricamente posible puede superar el producto nacional bruto del planeta Tierra. Thorne y sus colegas fueron cuidadosos en afirmar que esta civilización mítica, que puede dominar el poder de los agujeros de gusano, debe ser «arbitrariamente avanzada»; es decir, capaz de realizar todos los experimentos que son posibles (incluso si no son prácticos para los terrícolas).

Pronto encontraron con notable facilidad una solución muy simple que satisfacía todas sus rígidas condiciones. No era una típica solución de agujero negro en absoluto, de modo que no tuvieron que preocuparse por todos los problemas de ser desgajados por una estrella colapsada. Bautizaron a su solución como el «agujero de gusano practicable», para distinguirlo de las otras soluciones de agujero de gusano que no eran practicables por una nave espacial. Estaban tan excitados por su solución que se la comunicaron a Sagan, quien entonces incorporó algunas de sus ideas en su novela. De hecho, quedaron tan sorprendidos por la simplicidad de su solución que estaban convencidos de que un estudiante que empezase su doctorado en física sería capaz de comprenderla. De hecho, hubieran descubierto que un viaje a través de este agujero de gusano practicable sería tan cómodo como un viaje en avión. Las máximas fuerzas gravitatorias experimentadas por los viajeros no superarían 1 g. En otras palabras, su peso aparente no superaría a su peso en la Tierra. Además, los viajeros nunca tendrían que preocuparse de que la entrada del agujero de gusano se cerrara durante el viaje. El agujero de gusano de Thorne está, de hecho, abierto permanentemente. En lugar de necesitar un millón o mil millones de años, un viaje a través del agujero de gusano practicable sería abordable y «el viaje será completamente cómodo y requerirá un total de unos 200 días», o menos.

Hasta aquí, Thorne advierte que las paradojas del tiempo que uno halla normalmente en las películas no se encuentran: «De la exposición a los guiones de ciencia ficción (por ejemplo, aquellos en los que uno vuelve atrás en el tiempo y se mata a sí mismo) uno podría esperar que las Curvas Cerradas de Tipo Tiempo den lugar a trayectorias iniciales con multiplicidades nulas» (es decir, trayectorias que son imposibles).

Sin embargo, él ha demostrado que las Curvas Cerradas de Tipo Tiempo que aparecen en su agujero de gusano parecen cumplir el pasado, más que cambiarlo o iniciar paradojas temporales.

Finalmente, al presentar estos resultados sorprendentes a la comunidad científica, Thorne escribía: «Se presenta una nueva clase de soluciones de las ecuaciones de campo de Einstein, que describen agujeros de gusano que, en principio, podrían ser atravesados por seres humanos».

Hay, por supuesto, una trampa en todo esto, que es una razón por la que hoy no tenemos máquinas del tiempo. El último paso en el cálculo de Thorne consistía en deducir la naturaleza exacta de la materia y la energía necesarias para crear este maravilloso agujero de gusano practicable. Thorne y sus colegas descubrieron que en el centro del agujero de gusano debe haber una forma de materia «exótica» que tiene propiedades inusuales. Thorne apunta rápidamente que, aunque inusual, esta forma de materia «exótica» no parece violar ninguna de las leyes de la física conocidas. Él advierte que, en algún momento futuro, los científicos pueden demostrar que la materia exótica no existe. Sin embargo, la materia exótica parece ser, por el momento, una forma perfectamente aceptable de materia siempre que uno tenga acceso a una tecnología suficientemente avanzada. Thorne escribe confiadamente que «a partir de un solo agujero de gusano, una civilización arbitrariamente avanzada puede construir una máquina para viajar hacia atrás en el tiempo».

Proyecto para una máquina del tiempo

Time Machine

Cualquiera que haya leído La máquina del tiempo de H. G. Wells, sin embargo, puede sentirse insatisfecho con el proyecto de Thorne para una máquina del tiempo. Usted no se sienta en una silla en su sala de estar, gira unas perillas y presiona unos pocos botones, ve luces parpadeantes, y es testigo del vasto panorama de la historia, incluyendo las guerras mundiales destructivas, el auge y caída de las grandes civilizaciones, o los frutos de las maravillas científicas futuristas.

Una versión de la máquina del tiempo de Thorne consiste en dos cabinas, cada una de las cuales contiene dos placas de metal paralelas. Los intensos campos eléctricos creados entre cada par de placas (mayores que cualquier cosa posible con la tecnología actual) rizan el tejido del espacio-tiempo, creando un agujero en el espacio que une las dos cabinas. Una cabina se coloca entonces en una nave espacial y es acelerada hasta velocidades próximas a la de la luz, mientras que la otra permanece en la Tierra. Puesto que un agujero de gusano puede conectar dos regiones del espacio con tiempos diferentes, un reloj en la primera cabina marcha más despacio que un reloj en la segunda cabina. Debido a que el tiempo transcurriría a diferentes velocidades en los dos extremos del agujero de gusano, cualquiera que entrase en un extremo del agujero de gusano sería instantáneamente lanzado al pasado o al futuro.

Otra máquina del tiempo podría tener el siguiente aspecto. Si puede encontrarse materia exótica y dársele la forma de metal, entonces la forma ideal sería probablemente un cilindro. Un ser humano está situado en el centro del cilindro. La materia exótica distorsiona entonces el espacio y el tiempo a su alrededor, creando un agujero de gusano que se conecta a una parte lejana del universo en un tiempo diferente. En el centro del vórtice está el ser humano, que no experimenta más que 1 g de tensión gravitatoria cuando es absorbido en el agujero de gusano y se encuentra a sí mismo en el otro extremo del universo.

Aparentemente, el razonamiento matemático de Thorne es impecable. Las ecuaciones de Einstein muestran en realidad que las soluciones de agujero de gusano permiten que el tiempo transcurra a diferentes velocidades en cada extremo del agujero de gusano, de modo que en principio el viaje en el tiempo es posible. El truco, por supuesto, consiste en crear el agujero de gusano en primer lugar. Como Thorne y sus colaboradores señalan rápidamente, el principal problema es cómo dominar suficiente energía para crear y mantener un agujero de gusano con materia exótica.

Normalmente, una de las ideas básicas de la física elemental es que todos los objetos tienen energía positiva. Las moléculas vibrantes, los automóviles en movimiento, los pájaros que vuelan y los misiles propulsados tienen todos energía positiva. (Por definición, el espacio vacío tiene energía nula.) Sin embargo, si podemos producir objetos con «energías negativas» (es decir, algo que tiene un contenido de energía menor que el del vacío), entonces podríamos ser capaces de generar configuraciones exóticas de espacio y tiempo en las que el tiempo se curve en un círculo.

Time Machine2

Diagrama del espacio-tiempo para convertir un agujero de gusano en una máquina del tiempo. Morris, Thorne & Yurtsever.

Este concepto más bien simple se conoce con un título que suena complicado: la condición de energía media débil (average weak energy condition). Como Thorne tiene cuidado en señalar, la condición de energía media débil debe ser violada; la energía debe hacerse temporalmente negativa para que el viaje en el tiempo tenga éxito. Sin embargo, la energía negativa ha sido históricamente anatema para los relativistas, que advierten que la energía negativa haría posible la antigravedad y un montón de otros fenómenos que nunca se han visto de manera experimental.[1]

El efecto Casimir

Pero Thorne señala al momento que existe una forma de obtener energía negativa, y esto es a través de la teoría cuántica. En 1948, el físico holandés Henrik Casimir demostró que la teoría cuántica puede crear energía negativa: tomemos simplemente dos grandes placas de metal paralelas y descargadas. Ordinariamente, el sentido común nos dice que estas dos placas, puesto que son eléctricamente neutras, no ejercen ninguna fuerza entre sí. Pero Casimir demostró que, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, en el vacío que separa estas dos placas hay realmente una agitada actividad, con billones de partículas y antipartículas apareciendo y desapareciendo constantemente. Aparecen a partir de la nada y vuelven a desaparecer en el vacío. Puesto que son tan fugaces, son, en su mayoría, inobservables, y no violan ninguna de las leyes de la física. Estas «partículas virtuales» crean una fuerza neta atractiva entre estas dos placas que Casimir predijo que era medible.[2]

Cuando Casimir publicó su artículo, se encontró con un fuerte escepticismo. Después de todo, ¿cómo pueden atraerse dos objetos eléctricamente neutros, violando así las leyes normales de la electricidad clásica? Esto era inaudito. Sin embargo, en 1958 el físico M. J. Sparnaay observó este efecto en el laboratorio, exactamente como había predicho Casimir. Desde entonces, ha sido bautizado como el efecto Casimir.

Una manera de aprovechar el efecto Casimir es colocar dos grandes placas conductoras paralelas en la entrada de cada agujero de gusano, creando así energía negativa en cada extremo. Como concluyen Thorne y sus colegas: «Podría resultar que la condición de energía media débil nunca pueda violarse, en cuyo caso no habría cosas tales como agujeros de gusano practicables, viajes en el tiempo o fallos de causalidad. Es prematuro tratar de cruzar un puente antes de llegar a él».

Conclusión

Por el momento, aún no hay veredicto sobre la máquina del tiempo de Thorne. Todos están de acuerdo en que el factor decisivo es tener una teoría de la gravedad completamente cuantizada para zanjar la cuestión de una vez por todas. Por ejemplo, Stephen Hawking ha señalado que la radiación emitida en la entrada del agujero de gusano sería muy grande y contribuiría a su vez al contenido de materia y energía de las ecuaciones de Einstein. Esta realimentación en las ecuaciones de Einstein distorsionaría la entrada del agujero de gusano, quizá incluso cerrándolo para siempre. Thorne, sin embargo, discrepa en que la radiación sea suficiente para cerrar la entrada.

Aquí es donde interviene la teoría de supercuerdas. Puesto que la teoría de supercuerdas es una teoría completamente mecanocuántica que incluye la teoría de la relatividad general de Einstein como un subconjunto, puede ser utilizada para calcular correcciones a la teoría del agujero de gusano original. En principio, nos permitiría determinar si la condición AWEC es físicamente realizable, y si la entrada del agujero de gusano permanece abierta para que los viajeros del tiempo disfruten de un viaje al pasado.

Hawking ha expresado sus reservas sobre los agujeros de gusano de Thorne. Sin embargo, esto resulta irónico porque el propio Hawking ha propuesto una nueva teoría de agujeros de gusano que es incluso más fantástica. En lugar de conectar el presente con el pasado, Hawking propone utilizar agujeros de gusano ¡para conectar nuestro universo con un número infinito de universos paralelos![3]

Véase también


Referencias y ligas externas

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  1. Michael S. Morris, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition. Phys. Rev. Lett. 61, 1446. (Sep. 1988) DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.1446.
  2. Hendrik Casimir. (1948) On the attraction between two perfectly conducting plates. Proceedings 51, 793-795.
  3. Michio Kaku. Hyperspace: A Scientific Odyssey through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension. Oxford University Press Inc (1994). ISBN 0-19-286189-1
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