La gravedad, el acertijo omnipresente

Al paso del tiempo hemos descubierto que la gravedad es el gran elemento cohesivo del universo, y su comportamiento nos ha permitido investigar toda nuestra realidad… y aún queda mucho por saber.

Albert Einstein en 1921
(Foto de E.O. Hoppe, revista Life
via Wikimedia Commons)

Es un fenómeno evidente e ineludible: saltamos, y la gravedad nos hace volver al suelo. Lanzamos una pelota y cae al suelo. Una fuerza poderosa está en acción, pero distinta de las otras que conocemos: no tiene opuesto, no nos podemos blindar contra ella y pese a ser la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales, es la que mantiene unido el universo.

Una de las primeras teorías sobre la gravedad, su funcionamiento y sus causas, es la que formuló Aristóteles basado en dos creencias ya existente desde tiempos presocráticos: primero, que nuestro mundo estaba en el centro del universo y, segundo, que éste estaba formado por cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego. Cada uno de estos elementos parecía tener su lugar en el universo: la tierra en el centro, sobre ella una capa de agua, sobre ésta el aire y finalmente, en la bóveda celeste, el fuego. En la visión de Aristóteles, la gravedad era únicamente la “naturaleza contenida en cada sustancia” que la llevaba a buscar su lugar en el universo. El aire subía por el agua en forma de burbujas, para ubicarse donde le correspondía, el fuego subía por el aire y la tierra caía por el aire y el agua para llegar al nivel de la tierra.

Otra idea de Aristóteles (en su libro “Física”, escrito alrededor del 330 a.C.) respecto de la forma en que se expresaba esta “naturaleza” era que los objetos caían a velocidades distintas según su peso: una piedra 10 veces más pesada que otra caía 10 veces más rápido.

Por erróneo que fuera el modelo, no cabe duda que era elegante y parecía coherente internamente. Tanto así que fue admitido como real, sin posibilidad de desafío, en Europa y el Cercano Oriente hasta mediados del siglo XVI, cuando Nicolás Copérnico estableció un modelo más sencillo que el derivado de Aristóteles y que explicaba mejor el movimiento de los cuerpos celestes, ubicando al sol en el centro del universo, y que dio a conocer en 1543. Para fines del siglo XVI, Galileo demostró que los objetos de peso distinto caían a la misma velocidad (o, más exactamente, a la misma tasa de aceleración).
Conforme se alcanzaban estos nuevos conocimientos, el modelo aristotélico se desmoronó.

Sobre la base de los trabajos de Copérnico, Galileo y sus contemporáneos, Isaac Newton, nacido exactamente 100 años después de la publicación de Copérnico, logró describir la forma en que actuaba esa fuerza que él llamó “gravedad” en 1686. En el modelo de Newton, la gravedad era una fuerza universal de atracción de los cuerpos que podía expresarse como el producto de las masas de los dos cuerpos dividido por el cuadrado de la distancia que los separa. Y esta ley explicaba por qué las órbitas de los planetas alrededor del Sol son elípticas, por qué la Luna provoca las mareas y por qué los objetos (como la manzana que vio caer en su granja en 1666 y le llevó a preguntarse por qué los objetos caían siempre en forma perpendicular al suelo, poniendo en marcha sus investigaciones sobre la gravedad).

El modelo que Newton dio a conocer en 1687 proporcionó una explicacion matemática muy precisa de la forma en que se mueven los cuerpos en un campo gravitacional, desde por qué cuando lanzamos una pelota describe una parábola hasta cómo se orquestaba el movimiento de todos los cuerpos estelares.
Esto no significa que no hubiera paradojas y contradicciones en el modelo de Newton, sobre todo una que preocupó a los físicos del siglo XIX: ¿cómo sabía cada cuerpo de la existencia del otro para ejercer esa fuerza de atracción? ¿A qué velocidad se transmitía la gravitación (si para entonces ya se conocía la velocidad de la luz)?

En 1907, Einstein se dio cuenta de que una persona en caída libre no experimentaría un campo gravitacional (lo que ocurre precisamente con los astronautas en órbita alrededor de nuestro planeta). Esto le llevó a profundizar en las dudas existentes sobre la gravedad y cómo se relacionaba con la relatividad especial que había formulado un año antes y a enfrentar un problema que desafiaba a los físicos: el punto más cercano de la órbita de Mercurio alrededor del Sol avanzaba lentamente al paso del tiempo, de un modo que no se ajustaba a lo previsto por Newton.

La solución fue la relatividad general, presentada en 1915, en la que Einstein consideraba a la gravedad no como una fuerza del modo que lo es el electromagnetismo, sino como un efecto geométrico de un fenómeno totalmente inesperado: la curvatura del espaciotiempo provocada por la masa de los objetos (a mayor masa de un objeto, mayor curvatura espaciotemporal, provocando una mayor aceleración de los objetos que caen hacia él), del mismo modo en que un objeto sobre una cama elástica provoca una deformación hacia abajo. La gravedad, entonces, no afectaba únicamente a los cuerpos, sino también a la luz, en un fenómeno llamado “lente gravitacional” que se demostró en 1919, durante un eclipse en el cual se pudo observar que la luz de las estrellas que pasaba cerca del sol estaba ligeramente curvada.

Sin embargo, el modelo de Einstein tampoco carece de problemas. El principal es que la relatividad general funciona muy bien a nivel macroscópico, pero no es compatible con la mecánica cuántica, que describe las otras fuerzas o interacciones fundamentales del universo (el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil) a nivel subatómico, de modo que debemos avanzar hacia una nueva teoría de gravedad cuántica. Un candidato a este puesto es la teoría de cuerdas, que postula que las partículas elementales que forman el universo proceden de diminutos objetos que representamos como cuerdas que vibran… y entre esas partículas estaría el “gravitón”, una partícula virtual que nunca ha sido detectada pero que sería la transmisora o la mensajera de la gravedad.

Los físicos siguen trabajando, con desarrollos matemáticos de creciente complejidad que buscan ser un mejor modelo de cómo funciona esa fuerza evidente que nos mantiene “con los pies en el suelo”. Una fuerza que no por evidente ha revelado todos sus secretos.

Las predicciones de Einstein La relatividad general de Einstein se traduce en una serie de predicciones físicas que han sido sólidamente comprobadas a lo largo de casi 100 años. Una que aún está pendiente es que existen “ondas gravitacionales” y se comportan de cierto modo. Dos proyectos, una futura antena orbital llamada LISA actualmente en estudio por la agencia espacial europea y un observatorio terrestre llamado LIGO que entrará en operación en 2013 en Livingston, Nueva Orléans, tienen la misión de encontrar esas ondas gravitacionales.

La ecuación más famosa del mundo

Encontramos E=mc2 en todas partes, desde dibujos animados hasta esculturas. Es la ecuación más famosa, pero... ¿qué significado tiene?

Albert Einstein a los tres años (1882)
(Foto D.P. vía Wikimedia Commons)

Era 1905 cuando el poco conocido físico que trabajaba como examinador de la oficina de patentes de Berna, Suiza, Albert Einstein, presentó cuatro trabajos de física en la reconocida revista científica alemana Annalen der Physik (Anales de la Física).

Estos cuatro trabajos, tan cercanos en el tiempo, son un logro sin paralelo en la ciencia. Los cuatro refundaron la física en los términos en que la entendemos hoy en día, y por ellos se conoce a 1905 como el annus mirabilis o “año maravilloso" de Einstein.

El primero de los artículos decía que la energía se emite en paquetes discretos llamados “cuantos de energía”, lo que explicaba entre otras cosas el efecto fotoeléctrico y sentaba las bases de la mecánica cuántica. El segundo se ocupaba del movimiento browniano de las partículas suspendidas en un líquido. El tercero analizaba la mecánica de los objetos a velocidades cercanas a la de la luz, lo que se conocería después como la “teoría especial de la relatividad”.

El cuarto artículo afirmaba que la materia y la energía eran equivalentes, es decir, que la materia y la energía son dos formas diferentes de lo mismo,.y que esa equivalencia se veía definida por la ecuación E=mc2.

Esta ecuación en apariencia sencilla significa simplemente que el contenido de energía de cualquier trozo de materia es equivalente a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) elevada al cuadrado.

La ecuación E=mc2 no es, como en ocasiones se cree, la ecuación de la teoría de la relatividad. Es un resultado de dicha teoría, ciertamente, pero nada más. Parte de su encanto, muy probablemente, es su simplicidad: cinco símbolos con significado claro que chocan con los encerados pletóricos de símbolos extraños que suelen representar a los matemáticos y a los físicos.

Para entenderlo, veamos primero cómo medimos la energía La medida de la energía son los joules, o julios, denominados así en memoria del físico inglés James Prescott Joule. 1 joule es la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 grado Celsius la temperatura de 1 kilogramo de agua, y se define como 1kg m2/s2, kilogramo por metro al cuadrado entre segundo al cuadrado.

Sabiendo cómo definimos la energía, pensemos ahora qué pasaría si convertimos 1 gramo de materia, un modesto y sencillo gramo de materia, en energía. Es decir, cuánta energía hay contenida en un gramo de cualquier cosa que queramos, un gramo que es igual a 0,001 kg. La energía (E) se obtendría multiplicando 0,001kg por la velocidad de la luz al cuadrado.

La velocidad de la luz es aproximadamente de 300.000 kilómetros por segundo, es decir, 300.000.000 metros por segundo

La operación sería, entonces E=0,001 kg x 300.000.000 m/s x 300.000.000 m/s

Lo que resulta en E=90.000.000.000.000 kg m2/s2 o simplemente joules.

Estos 90 billones de joules equivalen, a su vez, a la explosión de más de 21.000 toneladas de TNT. Para darnos una idea de lo que eso significa, la bomba atómica arrojada sobre Hiroshima liberó una energía explosiva de entre 13 y 18 mil toneladas de TNT, o kilotones.

En la reacción nuclear llevada a cabo en el interior de aquella atroz arma de destrucción masiva, menos de 1 gramo del uranio 235 que la componía se transformó en energía... y ello bastó para arrasar la ciudad y matar a más de 60.000 personas de inmediato. Es decir, la cantidad de energía concentrada en la masa es asombrosamente grande.

Más allá de medir el potencial destructivo, claro, E=mc2 nos dice que si pudiéramos controlar la liberación de energía de un gramo de masa obtendríamos 25.000.000 de kilovatio-horas de energía eléctrica. La energía eléctrica necesaria para encender 25 millones de bombillas de 100 vatios durante 10 horas.

La ecuación de Einstein, por tanto, nos decía que existe una fuente de energía abundantísima en la materia que nos rodea. La pregunta, claro, era cómo obtener esa energía. Desde que Cockroft y Walton ofrecieron la primera confirmación experimental de la equivalencia entre masa y energía, en 1932, gran parte del trabajo técnico se ha orientado a conseguir una buena solución técnica para obtener energía a partir de la masa.

Las centrales nucleares, que utilizan la fisión o división de los núcleos de materiales radiactivos para obtener energía, son una forma de rentabilizar, por así decirlo, la ecuación de Einstein. Pero la gran promesa para resolver las necesidades energéticas de la humanidad se encuentra en la fusión nuclear, el proceso de unión de dos núcleos para formar un elemento más pesado, que también libera una gran cantidad de energía.

El sol es un horno de fusión nuclear. Y es la ecuación E=mc2 la que explica cómo la fusión de átomos de hidrógeno para formar átomos de helio en las estrellas, incluida la nuestra, tiene la capacidad de producir tanta energía. La comprensión científica tanto nuestro sol como de todas las estrellas, e incluso el Big Bang como origen del universo, del espacio y el tiempo, requerían como antecedente fundamental la ecuación de equivalencia de masa y energía de Einstein.

Esta fórmula, además, es clave para explicar uno de los fenómenos más curiosos de la teoría de la relatividad de Einstein, y es el que establece que ningún objeto con masa puede alcanzar la velocidad de la luz: al añadir energía a un objeto, se hace aumentar su masa. Es decir que, por ejemplo, al calentar agua en un microondas, el agua adquiere una cantidad adicional de masa, así sea casi infinitesimal. Y lo mismo ocurre al acelerar cualquier objeto: hacemos crecer su masa.

Si aceleramos un objeto de tal modo que se aproxime a la velocidad de la luz, la aplicación de la energía hará que su masa crezca en consecuencia. A mayor energía, mayor masa y, por tanto, se necesita más energía para seguir acelerando el objeto. Al aproximarse a la velocidad de la luz, la masa de cualquier objeto tiende a infinito.

Dicho de otro modo, si aceleramos cualquier objeto con masa, así sea un grano de café, hasta que llegue a la velocidad de la luz, su masa sería infinita y ocuparía todo el universo.

Así que, aunque podamos buscar la forma de obtener energía abundante, limpia y barata a partir de la ecuación de Einstein, también ella nos dice que los viajes instantáneos por el universo están al parecer condenados a ser, para siempre, cosa de fantasía.

La ecuación y su creador Sobre E=mc2, Einstein dijo: “De la teoría especial de la relatividad se seguía que la masa y la energía no son sino distintas manifestaciones de una misma cosa... un concepto más bien poco corriente para la mente promedio." Hoy, 105 años después de que enunciara la ecuación, quizá la “mente promedio” se haya acercado un poco a la genialidad del físico del peinado imposible.

Einstein en el ascensor

Los frutos de la ciencia aparecen donde menos lo esperamos, y donde muchos ni siquiera lo imaginamos.

Albert Einstein en 1921
(Foto D.P. Ferdinand Schmutzer,
vía Wikimedia Commons)

Los medios de comunicación prestan especial atención a los avances que se suceden en el terreno de la medicina y, en general, a las noticias relacionadas con descubrimientos o invenciones referentes a nuestro cuerpo. Así, conceptos como "identificación por ADN", "ecografía" o "antirretroviral", que hace dos décadas no existían en nuestro idioma, hoy son de uso común.

No ocurre lo mismo, sin embargo, con otras áreas de la actividad científica que resultan más abstrusas, o que los medios cubren con menos atención, o en las que el lenguaje común es el matemático más que el idioma cotidiano, o que simplemente parecen transcurrir lejos de nuestra vida diaria.

La escena es común: una persona se acerca a la puerta de un ascensor que empieza a cerrarse, y alguno de los ocupantes de la caja mueve la mano entre las puertas o trata de interponer entre ellas una bolsa, una cartera o un diario, más o menos a la altura de las rodillas, que es donde suelen colocarse las celdillas fotoeléctricas que impiden que alguien quede atrapado en la puerta de uno de tales artilugios, con consecuencias que serían, obviamente, de enorme gravedad. De hecho, los más viejos recordamos ascensores que tenían unas palancas de goma a lo largo de cada puerta, y que mecánicamente conseguían lo mismo que la celdilla fotoeléctrica.

Nadie, al ver una escena así o al protagonizarla, pensaría en Albert Einstein, y mucho menos en un Premio Nobel.

Pero no fue la teoría de la relatividad la que le dio el nobel al científico judeo-suizo-alemán, sino la explicación matemática que dio del fenómeno fotoeléctrico proponiendo los "cuantos" o "quanta" de luz, que hoy llamamos fotones. Esta aportación de Einstein, realizada en 1905, llamado el annus mirabilis o "año milagroso" en el que el físico revolucionó el conocimiento con una serie de artículos científicos, abriría el camino para que se aceptara la naturaleza doble de la luz (como onda y como serie de paquetes discretos de energía) y se desarrollara la mecánica cuántica, de la que tanto hablan quienes la desconocen del todo. Pero, sin la aportación de Einstein, la celdilla fotoeléctrica del ascensor no sería posible, como no lo serían tampoco las células solares que prometen, algún día, permitirnos utilizar de manera económicamente viable la energía del sol.

Cada vez más, los encargados de los programas espaciales entienden que para enfrentar posibles críticas deben explicar al público en general de manera clara los beneficios que se derivan de la aventura del hombre en el espacio. Y es que numerosas realidades que nos rodean son hijas directas de la ya casi olvidada "carrera espacial", empezando por la microminiaturización gracias a la cual hay ordenadores personales, teléfonos móviles -accionados por baterías de larga duración y potencia surgidas inicialmente de la necesidad de dar a los astronautas herramientas eléctricas sin cables-, comunicaciones por satélite, detectores de humo, navegadores GPS -que obviamente dependen de los satélites de geoposicionamiento- e incluso las antenas parabólicas usadas para recibir transmisiones de televisión, que se benefician de los sistemas de corrección del rastreo desarrollados para mantener comunicación con satélites y naves, tripuladas o no.

Y, en el terreno de la medicina, el programa espacial fue igualmente clave para el desarrollo de los marcapasos programables, las bombas de insulina, el termómetro de oído, los implantes cocleares que permiten oír a muchos sordos y gran cantidad de los elementos de generación de imágenes médicas detalladísimas como los escáneres tomográficos.

A vueltas con el luminol

Los aficionados a las series de televisión de "CSI" seguramente están familiarizados con el luminol, un producto que, de manera aparentemente mágica, revela la presencia de sangre en el escenario de un crimen. El mismo principio funciona en los tubos de plástico que brillan con distintos colores y que son inevitables en conciertos, partidos nocturnos de fútbol, noches de San Juan y otras actividades nocturnas.

La quimioluminiscencia, nacida como fuente de luz fría para el ejército de EE.UU., es resultado de la mezcla de distintas sustancias que producen luz sin calor, hazaña antes reservada a las luciérnagas, los peces abisales y otros animales más o menos extraños. De hecho, el luminol es un material seco y para usarse se mezcla con peróxido de hidrógeno -el mismo que se usa para decolorar cabello- y otras sustancias, mezcla que reacciona en presencia de la hemoglobina produciendo luz. El tubo de colorines de fiesta también usa peróxido de hidrógeno, y un compuesto de fenil oxalato y tintes fluorescentes que le dan sus colores a la luz que se produce cuando se unen ambas sustancias. Actualmente, además, muchas pruebas de laboratorio clínico también usan la quimioluminiscencia para detectar diversas afecciones y sustancias.

Quizá el conocimiento científico está tan presente en nuestra vida que se ha vuelto invisible. Sin embargo, poco conviene perder de vista que cuanto hacen esas personas que hablan en jerga técnica y usan fórmulas ininteligibles es, sí, asunto nuestro, y que, tarde o temprano, tendrá presencia, vigencia y utilidad en nuestras vidas, entendamos o no la jerga técnica y las fórmulas.

De lo que no cabe duda es que al menos tenemos vidas más prolongadas para enterarnos de estas cosas, y que esa expectativa de vida es, también, producto de lo que como especie hacemos para conocer el universo al que pertenecemos.

¿Podría servir para escuchar rock? En lugar de los logros realizados para resolver problemas, hay también los que son "una solución en busca de un problema", como se dijo del rayo láser. De nuevo fue Albert Einstein quien sentó las bases del láser, descubriendo la posibilidad de la "emisión estimulada" de energía electromagnética. Las teorías posteriores de Charles Towne, Aleksandr Prokhorov y Gordon Gould fueron cristalizadas por Theodore H. Maiman 1960, con el primer aparato de láser, siglas en inglés de "amplificación de luz mediante la emisión estimulada de radiación". Alguien temió que fuera un "rayo de la muerte", un arma aterradora. El primer uso de un láser de rubí vendría en 1961, para eliminar un tumor en la retina de un paciente. Para 1962 se hacían los primeros hologramas, y pronto tendríamos espectáculos de rayos láser multicolores, láseres en fibras ópticas de gran pureza para transmitir información telefónica y de datos, discos compactos y DVD, láseres para comprobar la derechura de túneles y estructuras, para quitar tatuajes, para hacer rayos X y para muy diversas tareas quirúrgicas. La extraña solución ha encontrado muchísimos problemas que ha resuelto... excepto como el "rayo de la muerte" de la ciencia ficción.