El premi Nobel premia els científics dels forats negres

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Els forats negres i el secret més fosc de la Via Làctia

Tres guardonats comparteixen el Premi Nobel de Física d’aquest any pels seus descobriments sobre un dels fenòmens més exòtics de l’univers, el forat negre. Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van descobrir que un objecte invisible i extremadament pesat governa les òrbites de les estrelles al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Un forat negre supermassiu és l’única explicació coneguda actualment.

Roger Penrose va inventar mètodes matemàtics enginyosos per explorar la teoria general de la relativitat d’Albert Einstein. Va demostrar que la teoria condueix a la formació de forats negres, aquells monstres en el temps i l’espai que capturen tot el que els entra. Res, ni tan sols la llum, pot escapar.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren cadascun d’ells un grup d’astrònoms que s’han centrat en estudiar una regió al centre de la Via Làctia des de principis dels anys noranta. Amb una precisió creixent, han cartografiat les òrbites de les estrelles més brillants i més properes al centre. Ambdós grups van trobar quelcom que alhora era invisible i pesat, cosa que va obligar aquest remenat d’estrelles a remolinar-se. Aquesta massa invisible té prop de quatre milions de masses solars reunides en una regió no més gran que el nostre sistema solar. Què és el que fa que les estrelles del cor de la Via Làctia giren a velocitats tan sorprenents? Segons la teoria actual de la gravetat, només hi ha un candidat: un forat negre supermassiu.

Un avanç més enllà d’Einstein

Ni tan sols Albert Einstein, el pare de la relativitat general, va pensar que els forats negres podrien existir. Tanmateix, deu anys després de la mort d’Einstein, el teòric britànic Roger Penrose va demostrar que es poden formar forats negres i va descriure les seves propietats. Al fons, els forats negres amaguen una singularitat, una frontera en què es trenquen totes les lleis conegudes de la natura.

Per demostrar que la formació de forats negres és un procés estable, Penrose necessitava ampliar els mètodes utilitzats per estudiar la teoria de la relativitat: abordar els problemes de la teoria amb nous conceptes matemàtics. L’article innovador de Penrose es va publicar el gener de 1965 i encara es considera la contribució més important a la teoria general de la relativitat des d’Einstein.

La gravetat manté l’univers a l’abast

Els forats negres són potser la conseqüència més estranya de la teoria general de la relativitat. Quan Albert Einstein va presentar la seva teoria el novembre de 1915, va renunciar a tots els conceptes anteriors d’espai i temps. La teoria va proporcionar una base completament nova per entendre la gravetat, que configura l’univers a la major escala. Des de llavors, aquesta teoria ha proporcionat la base per a tots els estudis sobre l’univers i també té un ús pràctic en una de les nostres eines de navegació més habituals, el GPS.

La teoria d’Einstein descriu com tot i tothom a l’univers es manté a l’empunyadura de la gravitació. La gravetat ens manté a la Terra, governa les òrbites dels planetes al voltant del Sol i l’òrbita del Sol al voltant del centre de la Via Làctia. Condueix al naixement d’estrelles de núvols interestel·lars i, finalment, a la seua mort en un col·lapse gravitatori. La gravitació dóna forma a l’espai i influeix en el pas del temps. Una massa pesada doblega l’espai i alenteix el temps; una massa extremadament pesada pot fins i tot tallar i encapsular un tros d’espai, formant un forat negre.

La primera descripció teòrica del que ara anomenem forat negre va arribar poques setmanes després de la publicació de la teoria general de la relativitat. Malgrat les equacions matemàtiques extremadament complicades de la teoria, l’astrofísic alemany Karl Schwarzschild va ser capaç de proporcionar a Einstein una solució que descrivia com les masses pesants poden doblegar l’espai i el temps.

Estudis posteriors van demostrar que, un cop s’ha format un forat negre, està envoltat per un horitzó d’esdeveniments que rodeja la massa al centre com un vel. El forat negre roman amagat per sempre dins del seu horitzó d’esdeveniments. Com més gran és la massa, més gran és el forat negre i el seu horitzó. Per a una massa equivalent al Sol, l’horitzó d’esdeveniments té un diàmetre de gairebé tres quilòmetres i, per a una massa com la de la Terra, el seu diàmetre és de només nou mil·límetres.

Una solució més enllà de la perfecció

El concepte de “forat negre” ha trobat un nou significat en moltes formes d’expressió cultural, però, per als físics, els forats negres són el punt final natural de l’evolució de les estrelles gegants. El primer càlcul del dramàtic col·lapse d’una estrella massiva es va fer a finals dels anys 30, pel físic Robert Oppenheimer, que més tard va dirigir el Projecte Manhattan que va construir la primera bomba atòmica. Quan les estrelles gegants, moltes vegades més pesades que el Sol, es queden sense combustible, primer exploten com a supernoves i després s’enfonsen en restes molt denses, tan pesades que la gravetat ho atrau tot, fins i tot la llum.

La idea de les ‘estrelles fosques’ es va considerar ja des de finals del segle XVIII, en les obres del filòsof i matemàtic britànic John Michell i del reconegut científic francès Pierre Simon de Laplace. Tots dos havien raonat que els cossos celestials podrien arribar a ser tan densos que serien invisibles, ni tan sols la velocitat de la llum seria prou ràpida per escapar de la seva gravetat.

Una mica més d’un segle després, quan Albert Einstein va publicar la seva teoria general de la relativitat, algunes de les solucions a les equacions notòriament difícils de la teoria descrivien tan sols estrelles fosques. Fins als anys seixanta, aquestes solucions es consideraven especulacions purament teòriques, que descrivien situacions ideals en què les estrelles i els seus forats negres eren perfectament rodons i simètrics. Però res a l’univers no és perfecte i Roger Penrose va ser el primer a trobar amb èxit una solució realista per a tota la matèria que s’enfonsa, amb els seus forts, clots i imperfeccions naturals.

El misteri dels quàsars

La qüestió de l’existència de forats negres va ressorgir el 1963, amb el descobriment dels quàsars, els objectes més brillants de l’univers. Durant gairebé una dècada, els astrònoms havien estat desconcertats pels raigs de ràdio procedents de fonts misterioses, com el 3C273, a la constel·lació de la Verge. La radiació de la llum visible finalment va revelar la seva autèntica ubicació: el 3C273 està tan lluny que els raigs viatgen cap a la Terra durant més de mil milions d’anys.

Si la font de llum és tan llunyana, ha de tenir una intensitat igual a la llum de diversos centenars de galàxies. Se li va donar el nom de ‘quàsar’. Els astrònoms aviat van trobar quàsars tan distants que havien emès la seva radiació a la primera infància de l’univers. D’on ve aquesta increïble radiació? Només hi ha una manera d’obtenir tanta energia dins del volum limitat d’un quàsar: des de la matèria que cau en un forat negre massiu.

Les superfícies atrapades resolien l’enigma

Una qüestió que va desconcertar Roger Penrose sobre si es podrien formar forats negres en condicions realistes. La resposta, com va recordar més tard, va aparèixer a la tardor de 1964 durant una passejada amb un company a Londres, on Penrose era professor de matemàtiques al Birkbeck College. Quan van deixar de parlar un moment per creuar un carrer lateral, se li va ocórrer una idea. Més tard, aquella tarda, el va buscar a la seua memòria. Aquesta idea, que va anomenar superfícies atrapades, era la clau que havia estat buscant inconscientment, una eina matemàtica crucial necessària per descriure un forat negre.

Una superfície atrapada obliga a tots els raigs a apuntar cap a un centre, independentment de si la superfície es corba cap a fora o cap a dins. Mitjançant superfícies atrapades, Penrose va ser capaç de demostrar que un forat negre sempre amaga una singularitat, un límit on acaben el temps i l’espai. La seva densitat és infinita i, fins ara, no hi ha teoria sobre com abordar aquest fenomen tan estrany de la física.

Les superfícies atrapades es van convertir en un concepte central en la realització de la prova de Penrose del teorema de la singularitat. Els mètodes topològics que va introduir ara són inestimables en l’estudi del nostre univers corbat.

Un carrer de sentit únic fins al final dels temps

Quan la matèria comença a col·lapsar i es forma una superfície atrapada, res no pot impedir que continuï el col·lapse. No hi ha camí enrere, com en la història explicada pel físic i premi Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, des de la seva infància a l’Índia. La història tracta sobre les libèl·lules i la seva larva, que viuen sota l’aigua. Quan una larva està preparada per desplegar les ales, promet que dirà als seus amics com és la vida a l’altra banda de la superfície de l’aigua. Però un cop la larva passa per la superfície i s’allunya com una libèl·lula, no hi ha retorn. Les larves de l’aigua mai no escoltaran la història de la vida de l’altra banda.

Figura 2. Com es forma un forat negre.

De la mateixa manera, tota la matèria només pot travessar l’horitzó d’un esdeveniment d’un forat negre en una direcció. Aleshores, el temps substitueix l’espai i tots els camins possibles apunten cap a l’interior, el flux de temps ho porta tot cap a un final ineludible a la singularitat (figura 2). No sentiràs res si caus per l’horitzó d’esdeveniments d’un forat negre supermassiu. Des de fora, ningú no us pot veure caure i el vostre viatge cap a l’horitzó continua per sempre. Mirar un forat negre no és possible dins de les lleis de la física; els forats negres amaguen tots els seus secrets darrere dels seus horitzons d’esdeveniments.

Els forats negres governen els camins de les estrelles

Tot i que no podem veure el forat negre, és possible establir-ne les propietats observant com la seva colossal gravetat dirigeix ​​els moviments de les estrelles circumdants.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren grups de recerca separats que exploren el centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Amb forma de disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre, està format per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles; una d’aquestes estrelles és el nostre Sol (figura 3). Des del nostre mirador a la Terra, enormes núvols de gas i pols interestel·lar enfosquen la major part de la llum visible que prové del centre de la galàxia. Els telescopis d’infrarojos i la tecnologia de ràdio van ser el que va permetre als astrònoms veure per primera vegada a través del disc de la galàxia i imaginar les estrelles del centre.

Utilitzant les òrbites de les estrelles com a guies, Genzel i Ghez han produït les proves més convincents que hi ha un objecte supermassiu invisible amagat allà. Un forat negre és l’única explicació possible.

Centreu-vos al centre

Durant més de cinquanta anys, els físics sospiten que pot haver-hi un forat negre al centre de la Via Làctia. Des que es van descobrir els quàsars a principis dels anys seixanta, els físics van raonar que es podrien trobar forats negres supermassius dins de la majoria de galàxies grans, inclosa la Via Làctia. Tot i això, actualment ningú no pot explicar com es van formar les galàxies i els seus forats negres, entre uns quants milions i molts milions de masses solars.

Fa cent anys, l’astrònom nord-americà Harlow Shapley va ser el primer a identificar el centre de la Via Làctia, en direcció a la constel·lació de Sagitari. Amb observacions posteriors, els astrònoms hi van trobar una forta font d’ones de ràdio, que va rebre el nom de Sagitari A *. Cap al final dels anys seixanta, es va fer evident que Sagitari A * ocupa el centre de la Via Làctia, al voltant de la qual orbiten totes les estrelles de la galàxia.

No va ser fins a la dècada de 1990 que telescopis més grans i un millor equipament van permetre estudis més sistemàtics de Sagittarius A *. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van iniciar projectes per intentar veure a través dels núvols de pols el cor de la Via Làctia. Juntament amb els seus grups de recerca, van desenvolupar i perfeccionar les seves tècniques, construint instruments únics i apostant per la investigació a llarg termini.
Via Làctea

Figura 3. La Via Làctia, la nostra galàxia, vista des de dalt. Té la forma d’un disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre. Els seus braços espirals estan formats per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles. Una d’aquestes estrelles és el nostre Sol.

Només els telescopis més grans del món seran suficients per contemplar estrelles llunyanes; com més grans millor és absolutament cert en astronomia. L’astrònom alemany Reinhard Genzel i el seu grup van utilitzar inicialment NTT, el telescopi de noves tecnologies a la muntanya de La Silla, a Xile. Finalment, van traslladar les seves observacions a la instal·lació del Very Large Telescope, VLT, a la muntanya Paranal (també a Xile). Amb quatre telescopis gegants el doble que NTT, el VLT té els miralls monolítics més grans del món, cadascun amb un diàmetre de més de 8 metres.

Als Estats Units, Andrea Ghez i el seu equip d’investigació utilitzen l’Observatori Keck, situat a la muntanya hawaiana de Mauna Kea. Els seus miralls tenen gairebé 10 metres de diàmetre i actualment són dels més grans del món. Cada mirall és com un panal, format per 36 segments hexagonals que es poden controlar per separat per enfocar millor la llum de les estrelles.

Les estrelles mostren el camí

Per grans que siguen els telescopis, sempre hi ha un límit en el detall que poden resoldre perquè vivim al fons d’un mar atmosfèric de gairebé 100 quilòmetres de profunditat. Les grans bombolles d’aire sobre el telescopi, més calentes o més fredes que el seu entorn, actuen com a lents i refracten la llum en el seu camí cap al mirall del telescopi, distorsionant les ones de llum. És per això que les estrelles brillen i també les seves imatges es difuminen.

L’aparició de l’òptica adaptativa va ser crucial per millorar les observacions. Ara els telescopis estan equipats amb un prim mirall extra que compensa la turbulència de l’aire i corregeix la imatge distorsionada.

Durant gairebé trenta anys, Reinhard Genzel i Andrea Ghez han seguit les seves estrelles en el llunyà embolic estel·lar al centre de la nostra galàxia. Continuen desenvolupant i perfeccionant la tecnologia, amb sensors de llum digitals més sensibles i una millor òptica adaptativa, de manera que la resolució de la imatge ha millorat més de mil vegades. Ara són capaços de determinar amb més precisió les posicions de les estrelles, seguint-les nit per nit.

Els investigadors fan un seguiment d’una trentena de les estrelles més brillants de la multitud. Les estrelles es mouen més ràpidament en un radi d’un mes llum del centre, dins del qual realitzen una dansa atrafegada com la d’un eixam d’abelles. Les estrelles que es troben fora d’aquesta zona, en canvi, segueixen les seves òrbites el·líptiques d’una manera més ordenada (figura 4).

Una estrella, anomenada S2 o S-O2, completa una òrbita del centre de la galàxia en menys de 16 anys. Aquest és un temps extremadament curt, de manera que els astrònoms van poder cartografiar tota la seva òrbita. Ho podem comparar amb el Sol, que triga més de 200 milions d’anys a completar una volta al centre de la Via Làctia; els dinosaures passejaven per la Terra quan vam començar la nostra volta actual.

Figura 4. Les òrbites de les estrelles van revelar que alguna cosa invisible i pesat governava els seus camins al cor de la Via Làctia.

La teoria i les observacions se succeeixen

L’acord entre les mesures dels dos equips va ser excel·lent, cosa que va portar a la conclusió que el forat negre al centre de la nostra galàxia hauria de ser equivalent a uns 4 milions de masses solars, empaquetades en una regió de la mida del nostre sistema solar.

Aviat podrem veure directament Sagitari A *. Aquest és el següent de la llista perquè, fa poc més d’un any, la xarxa d’astronomia Event Horizon Telescope va aconseguir imaginar l’entorn més proper d’un forat negre supermassiu. El més llunyà de la galàxia coneguda com Messier 87 (M87), a 55 milions d’anys llum de nosaltres, és un ull més negre que negre envoltat per un anell de foc.

El nucli negre de M87 és gegantí, més de mil vegades més pesat que Sagittarius A *. Els forats negres que van causar les ones gravitacionals recentment descobertes eren força més lleugers. Igual que els forats negres, les ones gravitatòries només existien com a càlculs de la teoria general de la relativitat d’Einstein, abans de ser capturades per primera vegada a la tardor del 2015, pel detector LIGO dels EUA (Premi Nobel de Física, 2017).

El que no sabem

Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat, però, en la gravetat infinitament forta de la singularitat, aquesta teoria deixa d’aplicar-se. S’està realitzant un treball intensiu en el camp de la física teòrica per crear una nova teoria de la gravetat quàntica. Això ha d’unir els dos pilars de la física, la teoria de la relativitat i la mecànica quàntica, que es troben a l’exterior de forats negres.

Al mateix temps, les observacions s’acosten als forats negres. El treball pioner de Reinhard Genzel i Andrea Ghez ha obert el camí a noves generacions de proves precises de la teoria general de la relativitat i de les seves prediccions més estranyes. El més probable és que aquestes mesures també puguin proporcionar pistes per a noves idees teòriques. L’univers té molts secrets i sorpreses per descobrir.

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Science Editors: Ulf Danielsson, Ariel Goobar, David Haviland and Gunnar Ingelman, the Nobel Committee for Physics
Text: Joanna Rose
Translator: Clare Barnes
Illustrations: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Editor: Sara Gustavsson
© The Royal Swedish Academy of Sciences

Set lliçons breus de física

Tot el que cal saber sobre física, l’univers i el nostre lloc al món en set lliçons plenes de bellesa que han captivat els lectors italians.

Set lliçons breus de física
Carlo Rovelli

Llibres Anagrama
Traducció: Laia Font i Mateu
Publicació: 02/03/2016
ISBN 978-84-339-1529-0

La ciència ens ensenya com comprendre més bé el món, però també ens mostra com és d’ample allò que encara no sabem.

I és que malgrat els grans avenços del segle XX, i al contrari del que gran part de la societat creu, la ciència moderna no és l’explicació definitiva del món sinó que només pretén ser una aproximació a la realitat. Una realitat que, sobretot en la física contemporània, se’ns presenta fugissera i de vegades incomprensible.

Tot i això, el físic italià Carlo Rovelli, en el petit però dens llibre Set lliçons breus de física, s’endinsa en el difícil camí de fer comprensible, per a un públic no necessàriament de ciències, els fonaments de la física del segle XX, amb els seus èxits fulgurants, els seus fracassos, les seues contradiccions i especialment les conseqüències que se’n deriven per a la tecnologia actual i per al pensament humà.

L’obra, que ha estat un best-seller a Itàlia, explica com un poètic conte, amb sis capítols o lliçons, de manera senzilla però realment profunda, les grans teories que han permès el desenvolupament de la societat moderna: la Relativitat General i la Mecànica Quàntica. Unes teories potents però malauradament contradictòries entre si. La primera, la més bella i exigent de les teories científiques, segons el físic soviètic Lev Landau, ens aboca a un espaitemps continu en què la matèria i l’espai-temps es combinen contínuament, com un continu joc del gat i la rata. La segona ens du a un món estrany en què les partícules només existeixen quan interaccionen i on l’atzar hi juga un paper fonamental. En paraules de l’autor, la realitat sembla ser només interacció. Dues teories que tracten d’explicar el món però que no poden ser veritat al mateix temps. L’espaitemps corbat continu front a l’espai pla dels quàntums, dues maneres de veure el món que funcionen només en el seu àmbit d’aplicació.

Un físic no s’hauria de molestar per aquesta dicotomia. Els conflictes d’aquest tipus entre teories d’èxit són una oportunitat per avançar cap a una nova física. Són els moments en què quelcom ocult trau la poteta però no ens deixa veure gaire més. La natura sempre és tímida en mostrar-nos els secrets. Ara ens cal una teoria que ho unifique tot, com podria ser la Gravitació Quàntica de Llaços en la qual Carlo Rovelli n’és un dels desenvolupadors. Aquesta teoria proposa la quantització de l’espaitemps, en què, a semblança de la quàntica, tot és interacció. I, si un dia s’arriba a trobar un observable, si arriben a reeixir alguns dels experiments proposats, serà una veritable revolució de la física. De moment, però, cal continuar treballant.

I en aquesta nova realitat proposada què hi fem nosaltres com a humans? Quina és la realitat que percebem, quina és la nostra realitat, què és el temps, què és el present? En aquest món de la física contemporània on l’atzar i la interacció són la norma, som realment lliures? Nosaltres som el subjecte que observa aquest món amb el qual interaccionem, però al mateix temps en som part integrant d’aquest. Som fets també per partícules, llums i intercanvis de la mateixa manera que ho són les galàxies i els altres éssers vius de la Terra. Ho veiem des de dins i tractem d’entendre-ho amb la potent però limitada xarxa neuronal del nostre cervell. Carlo Rovelli, en la darrera lliçó, ens explica el seu punt de vista sobre la humanitat, sobre la complexa realitat de què estem fets. En definitiva, ens diu que allò específicament humà no ens separa de la natura, és la nostra natura.

El món que ens envolta, que hem vist per la finestra durant aquests mesos de confinament, ens sembla bell, continu, ordenat i que flueix al ritme de les estacions. Tenim però una visió desenfocada de la realitat. Veiem el llac amb l’aigua tranquil·la, però de lluny no en percebem l’estructura fina, les molècules d’aigua movent-se, trencant-se, els quarks dins dels protons vibrant, i, més subtilment encara, les possibles ínfimes porcions de l’espaitemps.

I acabe amb la mateixa expressió poètica en què acaba el llibre: A la riba del que sabem, en contacte amb l’oceà de tot el que no sabem, brillen el misteri del món, la bellesa del món, i ens deixen sense alè.

Quart llibre del confinament.


Joan Olivares va fer, fa uns mesos, una crònica més llarga i consistent sobre el llibre en Nosaltres La Veu.

‘Set lliçons breus de física’, de Carlo Rovelli

LA LLIBRERIA: CIÈNCIA

per Joan Olivares

100 anys de relativitat

Estatua_de_Einstein._Parque_de_Ciencias_Granada

El 25 de novembre de 1915, Albert Einstein, que ja havia revolucionat la física deu anys abans amb la Teoria de la Relativitat Especial, va presentar a l’Acadèmia Prussiana de les Ciències, a Berlín, l’extensió d’aquesta teoria, la seua Teoria de la Relativitat General. Potser no som conscients de les portes científiques i tecnològiques que aquest treball va obrir al progrés de la humanitat, però sense aquest avanç científic el món en que vivim seria ben diferent.

Einstein no havia quedat del tot satisfet amb la seua teoria de la Relativitat Especial l’any 1905. S’havia eliminat el concepte de simultaneïtat en l’espai: un objecte tenia un temps propi depenent de la seua velocitat. És a dir, el temps d’un objecte mòbil es retarda a mesura que la seua velocitat s’acosta a la velocitat de la llum. No hi ha un temps universal per a tots els observadors com preveu la física clàssica. Tanmateix els objectes reals es mouen en l’espai entre grans masses com les dels planetes, del Sol i de les estrelles. Que passava si s’incorporava la gravetat a la teoria de la relativitat especial? És a dir, calia construir una teoria de la gravitació relativista.

Einstein va trigar uns deu anys en poder contestar aquesta pregunta, enmig de terribles problemes familiars. Però així com en la teoria del 1905 les formules que l’expliquen són ben senzilles i fàcils d’entendre, les equacions de la Relativitat General que va exposar per primera vegada a l’Acadèmia Prussiana de les Ciències són d’una complexitat enorme.

Einstein-equationsPer als lectors d’aquest apunt només ens cal entendre que el que aquestes equacions ens diuen  són l’equivalència entre la matèria-energia de l’Univers i la seua geometria. La part esquerre de la igualtat (on estan les R) ens indica com es comporta l’espai-temps, com es deforma, quin és el camí que segueix la llum, mentre que la part dreta (amb al G, T, c…) ens dóna el contingut matèria i energia de l’Univers. Dit d’una altra manera, la matèria deforma la geometria de l’univers, mentre que la forma de l’espai-temps indica com s’han de moure els objectes. Per tant la Teoria de la Relativitat General és una nova Teoria de la Gravetat, que ha fet més general  la teoria de la Gravitació de Newton.

Parafrasejant John Wheeler, la Teoria de la Relativitat General d’Einstein pot resumir-se d’aquesta manera: l’espai-temps diu a la matèria com ha de moure’s; la matèria diu a l’espai temps com ha de corbar-se.

ch23img3lanvaldfnv

La teoria de la Relativitat General va tindre un enorme èxit des que fou anunciada. Aconseguí explicar el moviment anòmal de Mercuri, que fins aquell moment portava de cap els astrònoms. El periheli del planeta, el punt més pròxim al Sol, no està en un punt fixe en l’espai sinó que va precessant (dibuix dreta). En la marc de la teoria de la Gravetat de Newton l’òrbita ha de ser estable (dibuix esquerra) i, per tant, aquest fenomen no tenia 3cfSAexplicació. Einstein aconseguí explicar-ho com a resultat de la deformació de l’espai-temps causat per la gran massa solar.

L’experiment, però, que confirmà que la teoria d’Einstein era correcta va ser comprovar que el camí que segueix la llum que prové de les estrelles es corba en presència d’una gran massa. Aquest desplaçament de la posició de les estrelles es comprovà en l’observació de l’eclipsi de Sol de 1919. Una vegada amagat el Sol darrere de la Lluna, les estrelles del voltant eren visibles i podien ser fotografiades. Es comprovà que no estaven en la seua posició correcta sinó desplaçades. Per tant la llum es corba en presència d’una massa. Aquesta confirmació de la teoria de la gravetat d’Einstein fou tan espectacular que aparegué en portada dels principals diaris del món. L’experiment s’ha fet múltiples vegades. Una Cassini-science-brprova d’alta precisió de la bondat de la Relativitat General es va realitzar fa uns anys aprofitant l’alineació de la sonda Cassini que està a Saturn, el Sol i la Terra. Els senyals de ràdio enviats entre la Terra i la sonda (ona verda) es va retardar i desviar per la deformació de l’espai-temps (línies blaves), a causa de la massa del Sol.

Però la exactitud de la teoria d’Einstein s’ha confirmat també en el fenomen de les lents gravitacionals. Galàxies massives deformen l’espai temps i fan que la imatge d’altres galàxies més llunyanes apareguen deformades i amplificades.  Moltes vegades aquestes galàxies apareixen com a filaments corbats formant una espècie d’anell de llum.

Una de les prediccions de la Teoria de la Relativitat encara no ha estat totalment confirmada. En principi les masses en moure’s han de provocar unes ones de l’espai-temps. Aquestes encara no han estat observades però diversos experiments estan ja preparats per observar-los abans que s’acabe la dècada, segons ens asseguren els experts. De moment només se les ha detectat de manera indirecta en el moviment d’estels pulsars binaris. Per exemple, només l’existència d’aquestes ones gravitacionals pot explicar el moviment del púlsar binari PSRpulsar B1913+16. Les dues estrelles de neutrons en òrbita estan convergint a poc a poc a causa de la pèrdua d’energia per radiació gravitatòria, cosa que farà que el sistema col·lapse en uns 300 milions d’anys.

La Relativitat General ens ha permés explicar l’Univers com un tot, el seu origen i la seua evolució, el que en diem Cosmologia. Però també ha permés explicar els objectes de gran massa, els objectes compactes com ara els forats negres, els estels de neutrons i la física de la gravetat extrema. A més a més ha tingut un enorme impacte en la societat. Per exemple, l’extrema precisió del GPS no seria possible sense tindre en compte els efectes relativistes. En aquest article també podreu veure uns altres curiosos efectes conseqüència de la relativitat.

Finalment recordar-vos que la pel·lícula Interstellar de Christopher Nolan (2014) utilitza de manera notable i acurada els efectes predits per la Relativitat d’Einstein per desenvolupar la trama. Si no l’heu vista encara no badeu. Seria un bonic homenatge a la grandiosa figura d’Einstein.

Figures:
1.- Estàtua d’Albert Einstein a l’entrada del Parque de las Ciencias de Granada.
2.- Equacions d’Einstein.
3.- Que significa cada terme de les equacions d’Einstein.
4.- Precessió del periheli de Mercuri.
5.- Experiment de la deflacció de la llum realitzat amb la sonda Cassini.
6.- Esquema del pulsar doble PSR B1913+16.

Interstellar: tot el que volies saber

Interstellar01

La pel·lícula de Christopher Nolan que conta la peripècia d’uns astrònoms amb la missió de salvar la humanitat és el film més interessant de l’any 2014 per l’argument, per la reflexió que fa sobre el possible futur de la vida a la Terra però sobretot per l’acurada precisió en l’aplicació de les lleis de la relativitat general d’Einstein. Ja fa temps que tenia pendent parlar d’aquest film en el bloc però, fa uns dies vam estar parlant amb el professor del departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València José Antonio Font Roda, el camp d’investigació del qual és justament relativitat i gravitació.

1. Les freqüents relliscades presents en superproduccions cinematogràfiques, l’escàs rigor amb que la ciència i la tecnologia són il·lustrades en la gran pantalla, la falta de precisió… poden donar la imatge que ciència i cinema són dos mons incompatibles i antagònics. Què n’opina vostè?

És possible que així siga encara que d’altra banda crec que es pot arribar a un tipus de conclusió similar si s’analitza el tractament que altres àrees del coneixement han tingut en el cinema, com per exemple la història, l’antropologia, o les ciències jurídiques. Possiblement si un expert en dret analitza una pel·lícula que tracte sobre judicis i advocats arribe a la mateixa conclusió — dret i cinema són dos mons incompatibles — per no esmentar el que pot arribar a ocórrer en terrenys més relliscosos com és el cas de la història. Minimitzar els errors i augmentar la veracitat de les pel·lícules requereix temps (formació i revisió) i diners (assessorament professional), la qual cosa no té per què ser prioritari en una producció cinematogràfica.

Interstellar022. En les darreres setmanes ha copsat les cartelleres una pel·lícula de ciència ficció, Intestellar, que està tenint gran rebuda tant entre el públic com entre els crítics del cinema. Com a especialista en astrofísica, quina és la seua valoració de la pel·lícula? Malgrat ser una ficció, és realista en termes científics? En definitiva, hi pesa més la ciència o la ficció?

La meua valoració de la pel·lícula “Interstellar” és bastant positiva doncs conté un bon nombre d’aspectes científics que de forma natural la fan molt interessant per als que ens dediquem professionalment a la investigació en relativitat i gravitació. Hi ha aspectes com la representació del forat negre en rotació amb un disc d’acreció al seu voltant o l’ús de la dilatació temporal gravitatòria que són realistes, en el sentit que són el resultat d’aplicar les lleis de la teoria de la relativitat general.

Hi ha altres aspectes relativistes més difícils d’entendre i més especulatius que també poden ser interessants i que sembla que s’han utilitzat implícitament en el desenllaç final de la pel·lícula quan l’astronauta Cooper (interpretat per Matthew McConaughey) es troba atrapat a l’interior del forat negre, en el teseracte. En el nostre espai quadridimensional el temps només flueix en una direcció (cap avant) al contrari del que ocorre en la pel·lícula, la qual cosa és una picada d’ullet a teories de més dimensions com ara les branes de la teoria M.

Interstellar05Malgrat que la ciència té un pes molt important en la pel·lícula, la ficció té, a la meua manera de veure, un pes encara major. Per exemple, la presència d’un forat negre supermassiu en les proximitats de Saturn és pura ficció. De la mateixa forma, la mera existència de forats de cuc a través dels quals es puga viatjar és més que dubtosa (la seua creació comporta un canvi de la topologia espacial de l’espai-temps) i, de fet, la nostra comprensió actual de la natura nega fins i tot la seua existència. Un forat de cuc no és més que un concepte purament matemàtic del que no existeix confirmació observacional, és simplement una solució matemàticament vàlida de les equacions de camp d’Einstein de la teoria de la Relativitat General. Científics notables com Stephen Hawking o Kip Thorne pensen que és possible no solament que existisquen els forats de cuc sinó que es puga viatjar a través d’ells en les dues direccions (d’entrada i eixida), encara que açò requereix l’existència de matèria “exòtica” (en el sentit de no ordinària com la que constitueix la natura) per a estabilitzar aquest tipus de “túnels” de l’espai-temps. Aquesta matèria exòtica es caracteritza per tenir densitats d’energia negatives, l’existència de la qual podria ser viable, almenys teòricament, per un efecte quàntic denominat efecte Casimir. D’altra banda, en algunes teories més recents que modifiquen la Relativitat General incorporant dimensions extres (més de quatre), s’han trobat solucions matemàtiques admissibles de les equacions de camp tipus “forat de cuc” en els quals es pot viatjar sense necessitat d’utilitzar la hipòtesi de matèria exòtica. La validesa real de totes aquestes possibilitats està encara pendent de ser confirmada.

Interstellar043. Explosions i sons a l’espai, viatges a la velocitat de la llum, planetes amb gravetat terrestre… són alguns dels errors i imprecisions més freqüents a les pel·lícules ambientades en l’espai. En el cas d’Interstellar, ha vist alguna errada o incertesa? I quins són els encerts més destacats? Forats negres, forats de cuc, dilatació temporal… està això ben representat a la pel·lícula?

La pel·lícula, en la seua major part, ha tractat de mantenir el rigor científic encara que s’ha permès alguna llicència artística, supose que per dotar a la trama de certa coherència narrativa. Entre aquestes llicències, que no caldria anomenar errors, estan les ja esmentades anteriorment (la presència del forat negre supermassiu en les proximitats de Saturn i l’existència de forats de cuc pels quals poder viatjar) a les quals cal afegir l’esment a les branes en el desenllaç de la pel·lícula, la qual cosa obliga a l’espectador a acceptar com a vàlida la possibilitat que el temps puga fluir en els dos sentits possibles, que és el que li succeeix a l’astronauta Cooper quan es troba atrapat en el teseracte. Potser alguns dels errors més aparents de la pel·lícula siguen l’existència de gel en els núvols de l’atmosfera d’un dels planetes que visiten els astronautes, l’absència de colors en el disc d’acreció del forat negre mostrant el desplaçament Doppler de l’espectre electromagnètic cap al roig i el blau, o la hipotètica presència de planetes “habitables” en les proximitats del disc d’acreció que ha d’emetre radiació electromagnètica de molt alta freqüència (raigs X).

En contrapartida, la pel·lícula té molts encerts científics. Entre aquests podem citar els quatre següents:

a) Creuar l’horitzó d’esdeveniments d’un forat negre. L’horitzó d’esdeveniments o de successos és la superfície que defineix el forat negre, ja que separa causalment el seu interior (d’on res pot escapar ja que seria necessari assolir una velocitat d’escapament superior a la velocitat de la llum) del seu exterior. Creuar l’horitzó (i no morir en l’intent) és viable depenent de la massa del forat en qüestió. Si el forat negre no té rotació l’horitzó està situat a una distància EquationSque és directament proporcional a la massa del forat negre i a la constant de la gravitació de Newton i inversament proporcional al quadrat de la velocitat de la llum. Si el forat negre té una massa igual a la del nostre Sol, el seu horitzó té una grandària d’uns 3 km. Si és un forat negre supermassiu de, diguem, una massa d’1 milió de sols (s’estima que el forat negre central de la Via Làctia té una massa d’uns 4 milions de sols), el seu horitzó té una grandària d’uns 3 milions de km. En el primer cas, les forces gravitacionals de marea que patiria l’astronauta en els seus peus mentre cau cap al centre del forat negre serien moltíssim més intenses que les que patiria el seu cap, de manera que en creuar l’horitzó l’astronauta patiria un procés d'”espaguetització” del que no n’eixiria sa i estalvi. No obstant açò, en el segon suposat, la magnitud de les forces de marea en l’horitzó de successos d’un forat negre supermassiu és similar a les forces que patim en la Terra, per la qual cosa l’astronauta no notaria res especial en creuar l’horitzó.

b) La representació del forat negre supermassiu en rotació. Per a reproduir un forat negre és necessari descriure el moviment de la matèria i de la radiació en l’exterior del seu horitzó de successos, ja que són els observables que podem intentar detectar. Per a açò es pot analitzar el moviment de partícules prova en el camp gravitatori generat pel forat negre. Aquestes partícules segueixen unes corbes denominades geodèsiques, que matemàticament no són més que equacions diferencials ordinàries que poden resoldre’s amb certa facilitat. En funció de les característiques del potencial gravitatori del forat negre i del moment angular de les partícules prova, és fins i tot possible trobar òrbites circulars estables. Aquest tipus d’òrbites són les que presumiblement es mostren en la pel·lícula, en forma d’un disc de matèria al voltant del forat negre. La reproducció ha de ser, sense dubte, fidel donat que no presenta excessives dificultats numèriques ni de visualització amb el tipus de programari del que es disposa en l’actualitat. De fet, ja l’any 1991 es va presentar aquest tipus de visualització realista d’un disc d’acreció al voltant d’un forat negre com a resultat d’un càlcul numèric pioner realitzat pel Prof. Jean-Alain Marck (Observatoire de Paris-Meudon) i que pot trobar-se, per exemple, en el següent vídeo:

Una breu explicació proporcionada pel propi Kip Thorne de la visualització del forat negre d'”Interstellar” pot veure’s en el vídeo:

c) Dilatació temporal gravitatòria. L’efecte de la dilatació temporal gravitatòria va ser predit per la teoria d’Einstein de la Relativitat General i ha sigut confirmat experimentalment situant rellotges atòmics a diferents altures sobre la superfície de la Terra. Bàsicament ve a dir que quan major és el potencial gravitatori, més lentament passa el temps. En la pel·lícula dos dels protagonistes baixen al planeta Miller mentre que un tercer es queda en la nau. Com el potencial gravitatori és inversament proporcional a la distància, el protagonista que es queda en la nau sent un potencial gravitatori menor que els dos que baixen al planeta. Per a saber si els càlculs de la dilatació temporal que cita la pel·lícula són correctes, caldria conèixer a quina altura es troba la nau respecte del planeta i quina és la dependència de l’acceleració de la gravetat amb l’altura en aquest planeta. Possiblement els càlculs siguen correctes ja que no presenten major complicació.

d) Ones gegants. Les ones gegants del planeta Miller són un efecte cridaner que es produeix com a conseqüència de les forces gravitacionals de marea que experimenta el planeta a causa de la proximitat del forat negre. Aquest efecte és anàleg a les ones dels nostres oceans terrestres, originades per les forces de marea de la nostra Lluna (i del Sol). El fet que en el planeta Miller siguen molt més grans que en la Terra es deu al fet que l’efecte gravitatori que origina la presència del forat negre és molt major que la petita pertorbació que el camp gravitatori de la Lluna origina en la Terra.

El lector interessat a aprofundir en l’explicació de tots i cadascun dels conceptes físics que es discuteixen en “Interstellar” està d’enhorabona, ja que  Kip Thorne mateix, assessor científic de la pel·lícula a més de productor executiu, acaba d’editar un llibre de divulgació en el qual es proporcionen totes aquestes explicacions. El llibre es titula “The Science of Interstellar” (WW Norton, 2014) i, a dia d’avui, es troba tan sols disponible en anglès.

Interstellar03

4. Nolan ha treballat colze a colze amb l’astrofísic Kip Thorne, que l’assessorà sobre l’enfocament científic de la pel·lícula, per exemple en temes com la teoria del forat de cuc, o pont Einstein-Rosen. Creu que aquesta col·laboració ha estat clau en el resultat final d’Interstellar? Considera que caldria treballar sempre amb un comitè assessor en les pel·lícules que tracten aspectes científics?

Sens dubte les idees de Thorne (i d’alguns altres) pel que fa a la possibilitat matemàtica de l’existència de forats de cuc pels quals viatjar entre dos universos paral·lels, són essencials en la pel·lícula. La col·laboració entre Thorne i Nolan en aquest aspecte em sembla d’allò més natural doncs uneix el rigor científic del primer en la descripció i visualització de l’espai-temps d’un forat negre amb el domini cinematogràfic del segon en l’ús d’imatges visuals d’impacte i en la forma d’explicar una història. Potser puga interessar al lector saber que totes les idees científiques subjacents als viatges per forats de cuc i les seues potencials implicacions van ser recopilades per Thorne en un llibre de divulgació titulat “Agujeros negros y tiempo curvo: el escandaloso legado de Einstein” editat per Crítica l’any 2000. Sembla ser que aquest llibre va ser, de fet, el punt de partida de la pel·lícula.

Comptar amb un comitè assessor per a realitzar pel·lícules que tracten aspectes científics és sens dubte una bona idea i, en el cas d'”Interstellar”, ha sigut clau per a ajudar a obtenir un resultat final excel·lent ja que la sinergia entre Nolan i Thorne ha d’haver sigut completa. Dit açò, l’assessorament científic no té per què garantir un èxit de taquilla si la pel·lícula no compleix la seua principal missió que és, al meu entendre, la d’entretenir explicant una bona història.

5. Sovint es dóna una imatge del científic en clau masculina i fidel a determinats arquetips: savi boig, aprenent de bruixot, aventurer heroic i màrtir…  En el cas d’Interstellar, com són representats els i les científiques? Hi ha presencia femenina activa, o la dona segueix en el paper d’ajudant servil?

Sí, tots estem familiaritzats amb la imatge estereotipada del geni o del científic brillant. És un clixé que fa temps que ha sigut socialment acceptat i que sens dubte ha de ser atractiu per al gran públic (vegeu, per exemple, el gran èxit de la sèrie de televisió “The Big Bang Theory“, sèrie que potser haja ajudat a atraure a més d’un alumne o alumna a la Facultat de Física). En el cas d'”Interstellar” aquest estereotip no em sembla que haja sigut massa explotat doncs tan sols es pot aplicar a algunes poques escenes com, per exemple, quan es veure al personatge de Michael Caine discutir sobre les seues idees sobre la gravetat a l’interior dels forats negres o quan Murph, la filla de l’astronauta Cooper (interpretada per Jessica Chastain) aconsegueix, aparentment, resoldre el problema d’unificar la mecànica quàntica amb la relativitat general, obtenint una teoria de gravetat quàntica vàlida fins i tot en regions de l’espai-temps amb singularitats de curvatura (gravetat infinita) com ocorre a l’interior dels forats negres. Hi ha un breu clímax en el qual Murph, amb gran alegria, crida Eureka i actua de manera excèntrica llançant al vent els folis amb tots els seus càlculs. Aquesta escena exemplifica el clixé del científic (o científica) boig en tota la seua esplendor.

La presència femenina en la pel·lícula és molt activa, doncs dos dels personatges principals interpretats per actrius són claus en el desenvolupament de la trama i en el seu desenllaç, l’astronauta Amelia Brand (interpretat per Anne Hathaway) i la científica Murph qui, finalment, resol el problema i aconsegueix salvar la humanitat, que és del que es tracta habitualment en les grans superproduccions d’Hollywood.

6. Les comparacions són odioses, però inevitables. La revista Jot Down titulava «2014: Una odisea del espacio». Què té Interstellar que no tinga Apollo 13, Gravity o 2001: Una odisea del espacio? O, pel contrari, creu que alguna d’aquestes produccions (o altra que vostè propose) mereixen millor valoració que Interstellar?

“Gravity” em va encantar, ofereix una representació que imagine molt real del que ha de sentir un astronauta en un passeig espacial, i les imatges són espectaculars. “2001: Una odissea de l’espai” la vaig veure fa molts anys i és òbviament una obra mestra del cinema, fins i tot una pel·lícula de culte. Si be no recorde molts detalls de “2001” ni possiblement haja entès mai el desenllaç, si recorde la inquietud que em va produir Hal, l’ordinador que en un moment donat decideix prendre control de la nau espacial. Una de les escenes que no he oblidat és aquella en la qual el protagonista, l’astronauta Dave Bowman, decideix finalment desconnectar Hal. La recorde com una escena carregada de tensió i que transcorre molt lentament. A mesura que Dave es va acostant a Hal se sent la veu d’aquest sol·licitant repetides vegades a l’astronauta que no ho faça (“Just, what do you think you’re doing Dave?“). És una escena magnífica, rematada amb el toc mestre del geni Kubrick en fer que Hal comence a cantar una melodia poc familiar en el moment en què està sent desconnectat i les seues bateries s’apaguen. Aquesta cançó es titula “Daisy Bell”, i va ser la cançó utilitzada per IBM en 1961 quan programadors d’aquesta companyia van aconseguir fer cantar per primera vegada a un superordenador, concretament al model IBM 7094. Gràcies a Internet podem recordar com sonava aquesta actuació històrica:

I també com la canta Hal, fins a emmudir:

Òbviament les escenes finals de “2001” s’associen també amb un viatge en el temps, i potser es puguen relacionar amb un viatge temporal a través d’un túnel de l’espai-temps, un forat de cuc tal vegada, com en “Interstellar”. No oblidem que “2001” es va estrenar en una època (finals dels anys 60) que, en certa manera, va marcar l’inici de l’època daurada en la investigació en forats negres (tota la dècada dels anys 70) fent que aquests es posaren molt de moda. El propi terme “forat negre” va ser encunyat per John Archibald Wheeler l’any 1967 (un any abans de l’estrena de “2001”) i ràpidament va tenir una gran acceptació no solament entre la comunitat científica sinó també entre el públic en general. Wheeler, per cert, va ser el director de la tesi doctoral de Kip Thorne a la Universitat de Princeton, el famós assessor científic d'”Interstellar”.

Respecte a “Apollo 13” no puc fer cap comentari, doncs no l’he vista.

7. Tornant a la pel·lícula de Nolan, què és allò que més li impressionà en veure-la, allò que voldria destacar? (siga de la trama, dels efectes especials, de la forma de representar l’espai…)

A risc de ser repetitiu, destacaria en general l’ús que es fa de moltes idees i conceptes de la teoria de la Relativitat General i, en particular, del concepte del forat de cuc, concepte central en la trama de la pel·lícula. Des d’un altre punt de vista em va cridar poderosament l’atenció com retrata Nolan les contradiccions de l’espècie humana, com simultaneja la seua grandesa i la seua misèria, no solament per la forma d’actuar, èticament reprotxable, del científic principal encarregat de la missió (interpretat per Michael Caine) sinó, sobretot, per l’escena en la qual l’astronauta interpretat per Matt Damon s’oblida que d’ells depèn el futur de la humanitat i només cerca la seua pròpia salvació intentant acabar amb Cooper. El transfons moral en l’escena de la baralla a mort entre aquests dos “triats” crec que mereix ser destacat.

Dust-storm-Texas-1935s8. Si ens desprenem de l’espectacularitat d’una superproducció, què queda en el fons d’aquesta pel·lícula? Quina tesi planteja aquesta distopia? Amb quin ensenyament moral hem d’eixir del pati de butaques?

Encara que el missatge de la pel·lícula és — com no — optimista, superar les dificultats per a aconseguir l’idíl·lic “final feliç” que ens proposa Nolan sembla un objectiu tan fóra del nostre abast que no puc ser una altra cosa que pessimista sobre aquest tema. En el fons de la pel·lícula hi ha un missatge de profunda preocupació sobre la supervivència de la nostra espècie, unit al fet que aquesta sembla que passa perquè som capaços d’eixir del nostre planeta a la recerca d’altres mons habitables. Aquesta part més filosòfica que tracta la pel·lícula, en el que té a veure amb l’esgotament dels recursos en la Terra, no em sembla en absolut desgavellada. Els recursos del nostre planeta són limitats i la població ve creixent a un ritme exponencial des de finals del segle XVIII. És evident que tal situació és insostenible. D’altra banda, el trasllat massiu dels habitants del nostre planeta a altres mons sembla un assumpte gens trivial. Si la solució passa per que algú — una civilització avançada, un ser superior — col·loque un forat de cuc al nostre abast (a poc més de 8 unitats astronòmiques de distància de la Terra) sembla que el futur és poc encoratjador. En qualsevol cas, estic convençut que si existeix una solució, només la investigació en ciència i tecnologia podrà conduir-nos a ella. Potser aqueixa siga la conclusió més ferma que un haja de portar-se a casa.

Mes informació:

La entrevista d’Íngrid Lafita a José Antonio Font Roda per a Mètode: «Interstellar»: ciència i llicències.

Entrevista a José Antonio Font Roda sobre Interstellar a Ecos del Cosmos, programa d’astronomia de la Ràdio de la Universitat de València. Podcast: Ecos del Cosmos, 12 de desembre 2014

La física de Interstellar, La Ciencia de la Mula Francis.

Imatge:

1-5. Els viatges a través dels forats de cuc per l’univers i els forats negres supermassius són algunes de les meravelles que es poden veure en la pel·lícula “Interstellar.” De ‘Interstellar’ Science: Is Wormhole Travel Possible? Crèdit: Karl Tate, Infographics Artist.

6. Una tempesta de pols s’acosta a Stratford, Texas, en 1935, durant els Dust Bowl (conca de pols), o els Dirty Thirties (els bruts trenta). Tempestes similars a les dels anys 30 són habituals a la Terra en Interstellar. Wikimedia Commons.