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La ciencia de Interestellar: de los agujeros de gusano a la quinta dimensión

En Interstellar, gracias al trabajo del Premio Nobel de Física Kip Thorne, es posible ver la aplicabilidad de muchas teorías científicas, veamos cuáles.

Interstellar sigue siendo una de las grandes obras maestras de Christopher Nolan, una película basada en las grandes teorías del Premio Nobel de Física 2017 Kip Thorne. ¿Cuánta ciencia y cuánta ciencia ficción hay en las aventuras de Cooper en sus viajes interestelares?

Al entrar en el universo debemos enfrentar la realidad de los viajes interestelares. Tenemos que ir mucho más allá de nuestra existencia personal. Debemos pensar no como individuos, sino como especie.

Intentar explicar en un artículo qué hay detrás de la película de Christopher Nolan sería al menos una operación compleja, porque ustedes lectores se encontrarían con un tratado lleno de páginas y no con el artículo habitual de unos minutos, y es precisamente para evitar todo esto. que en este estudio en profundidad intentaremos despertar tu curiosidad identificando algunos de los grandes temas abordados por Nolan (asistido por Kip Thorne) y luego aconsejarte sobre los textos adecuados para posiblemente profundizar.

El sueño de directores y científicos, pero también de nosotros los fanáticos de las estrellas y el espacio, siempre ha sido tratar de comprender qué hay más allá de una estrella y si alguna vez seremos capaces de viajar más allá de nuestras estrellas conocidas.

La ambiciosa película Interstellar nos lleva a un viaje de este tipo, pero la suya no es una obra puramente fantástica, o mejor dicho, no del todo. Gracias a los consejos del astrofísico y premio Nobel Kip Thorne , los asombrosos eventos que presenciamos en la película son una representación concreta y científicamente correcta de lo que los humanos podrían enfrentar en un hipotético viaje a través del espacio-tiempo.

Como resultado, parte de la ciencia en la película se conoce como ciencia real, otra parte es una hipótesis bien fundada y otra parte es una mera conjetura . El encuentro entre Nolan y el astrofísico Thorne hizo posible viajar en una línea hipotética con siempre en la base un fondo de verdad científica.

En la película, la humanidad debe encontrar un nuevo  hogar para sobrevivir a una hambruna global. Por tanto, es fundamental escapar de nuestro planeta y encontrar otro habitable por el hombre.

La ciencia interestelar cubre los cuatro campos fundamentales de la cienciagravedad newtonianarelativistacuántica y cuántica.

Como resultado, parte de la ciencia en la película se conoce como ciencia real , otra parte es una hipótesis bien fundada y otra parte es una mera conjetura. El encuentro entre Nolan y el astrofísico Thorne hizo posible viajar en una línea hipotética con siempre en la base un fondo de verdad científica.

En la película, la humanidad debe encontrar un nuevo  hogar para sobrevivir a una hambruna global. Por tanto, es fundamental escapar de nuestro planeta y encontrar otro habitable por el hombre.

¿Pero donde? Hemos estado buscando exoplanetas habitables durante algún tiempo y ya hemos identificado varios candidatos potenciales. El problema es que están  no jarabe de distancia . Necesitamos averiguar cómo llegar allí. Aquí es donde entran en juego los agujeros de gusano en la película. O si lo prefiere, los puentes Einstein-Rosen. 

Es una especie de  túnel (puramente hipotético, por ahora) que conecta diferentes puntos del espacio-tiempo. De los  atajos, de hecho. El viaje a través de los Agujeros de gusano verá a los protagonistas ir y venir en las líneas de tiempo, habrá la posibilidad de hipotetizar los discos de acreción y las anomalías gravitacionales hasta la más fantástica de las teorías sobre la Quinta Dimensión.

John Wheeler fue el creador de la palabra y el concepto de Wormhole. Se inspiró en los agujeros cavados en las manzanas por los gusanos (“agujero de gusano”, de hecho). Para una hormiga que camina sobre una manzana, la superficie de la manzana constituye todo el universo. Si la manzana es atravesada por un agujero de gusano, la hormiga tiene dos opciones para moverse de arriba hacia abajo: dar la vuelta al exterior (a través de su universo) o bajar por el agujero / agujero de gusano que también es el camino más corto.

La parte interior de la manzana, a través de la cual pasa el agujero de gusano, no forma parte del universo de la hormiga: en ciencia es una masa tridimensional o hiperespacio. Se puede pensar en la pared del agujero de gusano como parte de este universo que tiene la misma dimensionalidad y se une al universo (la superficie de la manzana) en la entrada del agujero.

Sin embargo, si lo vemos desde otro punto de vista, la pared del agujero de gusano no es parte del universo de la hormiga: es solo un atajo a través del cual la hormiga puede viajar, a través de la masa, de un punto a otro en su universo.

En 1916, un año después de la ley de la relatividad de Einstein, Ludwig Flamm descubrió una solución a esas ecuaciones que describen un agujero de gusano (aunque tenía otro nombre en ese momento). Las ecuaciones de Einstein predicen diferentes tipos de agujeros de gusano (con diferentes formas y comportamientos), pero solo la ecuación de Flamm describe un agujero de gusano esférico sin materia gravitacional.

Como podemos ver en la imagen, un agujero de gusano Flamm tiene un aspecto más dimensional que uno tridimensional. Imagínate a ti mismo como una criatura bidimensional limitada por movimientos, en la hoja doblada hay dos caminos para viajar desde el punto A al punto B de nuestro universo: el corto que baja por la pared del agujero de gusano, o el largo que pasa a lo largo de la hoja doblada (el equivalente de nuestro universo).

Hasta ahora todo es simple, el problema es que vivimos en un universo tridimensional . Los círculos concéntricos del lado izquierdo de la figura son en realidad las esferas verdes anidadas que se muestran en los círculos de la derecha. Cuando ingresamos al agujero de gusano en el punto A, pasamos por esferas que se hacen cada vez más pequeñas hasta el punto de que no cambiarán de circunferencia. En el momento en que nos preparemos para llegar a la salida, las esferas comenzarán a agrandarse nuevamente.

Esta teoría fue tomada en consideración mucho más tarde, solo en 1935 cuando Albert Einstein y su colega Nathan Rosen, inconscientes del trabajo realizado por Flamm, redescubrieron la solución que encontró, exploraron sus propiedades y adelantaron conjeturas sobre su significado en el mundo. es precisamente por esta razón que más tarde otros físicos comenzaron a llamar al agujero de gusano el “puente Einstein-Rosen“.

Pero, ¿cómo sería un agujero de gusano?

Aún no podemos obtener una respuesta definitiva, pero por ahora las hipótesis son las siguientes. Imagínese tener un agujero de gusano en la Tierra “extendido” a través de la masa desde el centro de Amsterdam hasta el Gran Cañón en Arizona. La distancia a través del agujero de gusano podría ser de unos pocos metros.

Las dos entradas se llaman bocas y si estuvieras sentado junto a la entrada de Ámsterdam mientras tu amigo estaba de pie en el Cañón, ambas se verían como bolas de cristal . Además, cuando miro hacia la entrada de Amsterdam, veo una imagen distorsionada del Gran Cañón (y desde el Gran Cañón se ve Amsterdam distorsionada).

¿Existen los agujeros de gusano o no?

Kip Thorne, en sus estudios, está bastante seguro sobre este tema, existan o no. Las leyes de la física hasta la fecha dan pocas esperanzas de encontrar agujeros de gusano atravesables .

Podría estar equivocado. Si su existencia es posible, dudo mucho que puedan formarse naturalmente en el universo astrofísico. Mi única esperanza con respecto a su formación es que esto pueda ocurrir artificialmente, de la mano de una civilización ultra avanzada.

Sin embargo, no tenemos idea de cómo una civilización así podría lograr esto, lo que parecería una dificultad abrumadora, siempre que permanezca dentro de nuestro universo, incluso para los seres más avanzados. Pero aquí es donde el mundo del cine y una película como Interstellar vienen en nuestra ayuda escribe Kip Thorne en su libro Travelling in SpaceTime .

En Interstellar, el agujero de gusano es creado, mantenido abierto y colocado cerca de Saturno por una civilización que vive en la masa y cuyos miembros tienen, como este último, cuatro dimensiones espaciales.

Continuando con las conjeturas, ya que se trata de una película, Thorne se identificó (en el momento de escribir esta parte de la película) con un ingeniero ultra avanzado. Decidió que los agujeros de gusano estaban permitidos por las leyes de la física, que los constructores de agujeros de gusano tenían toda la materia exótica que necesitaban para mantenerlo abierto y que podían curvar el espacio y el tiempo dentro y alrededor del agujero de gusano como quisieran.

Discos de crecimiento

No es cierto que todo lo que gira en torno a los agujeros negros sea absorbido por ellos. Mucha materia “sale a chorros” después de un fenómeno que involucra al llamado disco de acreción , es decir, ese disco de materiales (plasma y gas) que gira alrededor del agujero negro antes de caer en él.

De hecho, la materia que salpica es incluso mayor, en términos de cantidad, que la que incorpora el propio agujero negro. Estamos hablando, por supuesto, de agujeros negros supermasivos ubicados en el centro de las galaxias, los más fácilmente identificables precisamente porque tienen un disco de acreción brillante a su alrededor.

Entonces, ¿qué es un disco de acreción?

Un disco de acreción no es más que un disco de gas muy caliente , atravesado por un campo magnético, que rodea un agujero negro. En nuestro universo, el gas caliente casi siempre es atravesado por campos magnéticos . Estos campos luego se encuentran atrapados en el gas y los dos deben moverse juntos, de la mano.

Cuando un campo magnético pasa a través de un disco de acreción, se convierte en un catalizador para la conversión de energía gravitacional en calor y luego en luz. El campo proporciona una fricción muy fuerte que ralentiza el movimiento circunferencial del gas, reduciendo la fuerza centrífuga que lo empuja hacia afuera y se opone a la atracción de la gravedad, por lo que el gas comienza a moverse hacia adentro, en dirección al agujero negro. A medida que el gas desciende, la gravedad se acelera: en resumen, la energía gravitacional se convierte en energía cinética . Luego, la fricción magnética transforma la mitad de esa nueva energía cinética en calor y luz, repitiendo el proceso una y otra vez.

Para evitar que los astronautas del Endurance terminaran muy mal, como un disco de acreción con sus chorros emitiría una radiación (rayos X, gamma, ondas de radio y luz) tan intensa como para freír cualquier cosa, Christoper Nolan le dio a Gargantúa un récord extremadamente anémico . En lugar de tener una temperatura de cientos de millones de grados, el disco alcanza solo unos pocos miles de grados. Con este disco “anémico” y en ausencia de chorros, el entorno alrededor de Gargantúa es realmente benigno.

Evidentemente el equipo de Nolan intentó mediar lo más posible entre ciencia y ficción, para la realización de Gargantúa, de modo que hasta el espectador más quisquilloso y obsesionado con la ciencia pueda de alguna manera sentirse satisfecho. Por primera vez en la historia del cine se han representado un agujero negro y su disco como de hecho los veremos cuando pudiéramos hacer nuestro primer viaje interestelar.

En la película Interestelar se potencia el concepto de relatividad , se perfecciona el viaje interestelar y en poco tiempo, en unas pocas décadas, los seres humanos evolucionan para vivir en cinco dimensiones. La clave para abordar la transición de un universo de cuatro dimensiones a un universo de cinco dimensiones es posible gracias a la manipulación de la gravedad.

Y aquí, durante la película, los protagonistas llegan a la quinta dimensión tratando de darle sentido a través del concepto de Amor.

Amor, una fuerza entre dos cuerpos que no tiene límites de propagación como las fuerzas físicas clásicas. ¿Será el amor del padre por sus hijos o la necesidad de encontrar y dejarse abrumar por el amor que realmente nos hace vivir la quinta dimensión?

Dante Alighieri también concluyó su Divina Comedia de esta manera:

“El amor que mueve el sol y las otras estrellas”

Pero, ¿existe realmente la quinta dimensión?

¿Qué es la quinta dimensión? Nuestro universo como lo conocemos y como lo observamos es de cuatro dimensiones , es espacio-tiempo. El espacio-tiempo es característico de la relatividad general, es el lugar donde ocurren todos los fenómenos que obedecen a las leyes de la física y está compuesto por cuatro dimensiones: tres que componen el espacio, definido por longitud , ancho y profundidad , y una que gobierna el tiempo.

La teoría de la relatividad general de Einstein no define una serie de posibles dimensiones del universo, aunque algunas de las leyes que funcionan en un mundo de cuatro dimensiones pueden no ser adecuadas para describir la realidad con más dimensiones.

En la teoría de cuerdas, una rama de la física teórica, hemos llegado a la hipótesis de la existencia de unas once dimensiones , por lo que podrían existir otras dimensiones, pero podrían ser tan largas o pequeñas y curvas que, por lo tanto, son muy difíciles de observar.

Empecemos por el principio intentando entender lo que sabemos de la física clásica que explica los fenómenos que observamos y lo que podemos hipotetizar con la física teórica. Las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad General de Einstein nos permiten explicar los fenómenos físicos que nos rodean y en particular nos permiten comprender el fenómeno de la gravedad.

En la teoría de la relatividad general, la gravedad no es un campo, sino una propiedad, es decir, una característica del espacio mismo y todos los cuerpos masivos curvan el espacio alrededor de sí mismos. La Teoría de la Relatividad ha distorsionado los conceptos de espacio y tiempo al decirnos que la materia es capaz de curvar el espacio-tiempo y esta curvatura determina el fenómeno de la gravedad.

La teoría también plantea la hipótesis de la existencia de un punto en el espacio donde la densidad es infinita y que es observable desde el exterior: esta es una singularidad desnuda donde la gravedad se vuelve tan intensa que el espacio y el tiempo colapsan y las leyes de la física son menores.

Teóricamente, la existencia de una singularidad desnuda implica la posibilidad de observar un objeto colapsando hasta alcanzar una densidad infinita.

Las singularidades existen y son predichas por la teoría, existen en el centro de los agujeros negros rodeados por el horizonte de eventos. Dentro de un agujero negro, la singularidad es ese punto sin retorno que no deja escapar nada, ni siquiera la luz. Y por eso no podemos observar un agujero negro desde el exterior, es lo que se llama  censura cósmica,  las singularidades producidas por el colapso gravitacional ocurren modestamente, solo en lugares donde pueden permanecer ocultas a cualquier observador externo.

Si estas singularidades también aparecieran fuera del horizonte de sucesos, habría una singularidad desnuda, una singularidad observable. La existencia teórica de singularidades desnudas implicaría la posibilidad de observar el colapso de un objeto hasta una densidad infinita.

Aún no se sabe qué implica este efecto, pero si existiera la singularidad desnuda, la teoría de la Relatividad General ya no funcionaría y ya no tendríamos teorías capaces de explicar el universo.

En 2016, un grupo de científicos publicó un estudio en el que demostraron que un agujero negro con una forma curiosa podría derribar la Teoría de la Relatividad General de Einstein: plantearon la hipótesis de un objeto que solo podría existir en un Universo de cinco dimensiones .

Investigadores de la Universidad de Cambridge y la Universidad Queen Mary de Londres han simulado con éxito un agujero negro en forma de anillo muy delgado que da lugar a una serie de  protuberancias conectadas por hilos que se adelgazan con el tiempo. Las cuerdas eventualmente resultan tan delgadas que se convierten en una serie de agujeros negros en miniatura.

La peculiaridad de esta estructura fáctica es que solo puede existir en un espacio que alcanza la quinta dimensión . Estos agujeros negros en forma de anillo ya se habían teorizado en 2002, pero solo con la ayuda de una supercomputadora se pudo simular su dinámica más tarde con éxito.

Entonces, si se formara este tipo de agujero negro, daría lugar a la aparición de una singularidad desnuda, de ahí la ineficacia de las ecuaciones subyacentes a la relatividad general.

El universo de cinco dimensiones

Pero pensar en un Universo de cinco dimensiones conduciría a resolver algunas de las profundas preguntas abiertas en la física de partículas, como la posibilidad de explicar los misteriosos patrones que se ven en las masas de partículas elementales.

No solo eso, nos llevaría por el camino correcto para descubrir pistas sobre la materia oscura.

La materia oscura es algo que no se puede ver porque a diferencia de la materia conocida no emite radiación electromagnética, pero sabemos que la hay porque interactúa con la materia conocida a través de interacciones gravitacionales. Constituye casi el 90% del Universo, pero todavía no sabemos exactamente qué es.

¿Y si la materia oscura nos fuera desconocida porque está ubicada en una dimensión que no conocemos? ¿Cómo entendemos realmente nuestro punto de vista?

Con la teoría de la relatividad general aplicada a un espectro de cuatro dimensiones pudimos explicar los fenómenos que gobiernan el Universo , al menos la mayoría de ellos. Todavía nos falta mucho por entender: ¿y si lo que no entendemos se encuentra en una dimensión superior que no conocemos?

Por ejemplo, comencemos por una situación simple en la que pueden existir seres bidimensionales. Tomamos una tira de papel, la doblamos y la unimos para crear una  tira de Moebius . Si pensamos en un ser bidimensional, este lo recorrería por ambos lados sin darnos cuenta de las curvas y giros. Para el ser bidimensional, el camino sería plano y volvería al punto de partida sin entender por qué. Continuaría asombrado por el giro continuo, como en un bucle, pero no vería nada más que lo que puede observar.

Los seres tridimensionales vemos las curvas y podemos entender por qué el ser bidimensional vuelve al punto de origen, pero nunca podrá entenderlo.

En este momento podríamos ser como ese ser bidimensional. Observamos comportamientos y dinámicas, pero algunos de estos no los podemos explicar o más bien no tenemos los elementos y herramientas para poder comprenderlos.

¿Qué sabemos sobre la Quinta Dimensión y la Materia Oscura?

Investigadores de la Universidad de Granada, España, y la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, Alemania, en una investigación reciente descubrieron que hay partículas fermiónicas subatómicas capaces de viajar a través de portales en una quinta dimensión deformada del Universo.

Aplicando la ecuación de campo (inicialmente teorizada por Einstein en la teoría de la relatividad general) en cinco dimensiones fue posible predecir la existencia de una nueva partícula pesada con propiedades similares al famoso bosón de Higgs , pero con una masa mucho más pesada. Esta nueva partícula sería tan pesada que ni siquiera sería posible reproducirla en los actuales aceleradores de partículas más potentes del mundo, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

Son estas partículas pesadas, los fermiones, las que, al quedar atrapadas entre un pasaje y otro, producen interacciones. Actualmente, estas partículas no son accesibles y observables por los instrumentos de medición actuales y por eso podrían formar parte de la materia oscura .

Con esta teoría, los investigadores encontraron que la partícula propuesta necesariamente mediaría una nueva fuerza entre las partículas elementales conocidas de nuestro universo visible y la misteriosa materia oscura, que es la parte inobservable de la cual vemos los efectos.

De hecho, los mismos investigadores explican que si se asume que la materia oscura está formada por fermiones fundamentales, que viven en una quinta dimensión, entonces esta partícula conecta la materia visible que conocemos con los constituyentes de la materia oscura.

Mediante la presencia de una quinta dimensión, se pueden obtener pistas sobre la física en una etapa muy temprana de la historia de nuestro universo, cuando se produjo por primera vez la materia oscura. Por tanto, se propone un nuevo modelo del universo con una quinta dimensión por la que estas partículas pueden atravesar. Este estudio es solo una teoría, pero es una  nueva física  que algún día podría desentrañar algún misterio sobre estos procesos desconocidos.

Es el primer estudio que utiliza consistentemente la teoría de modelos de Randall-Sundrum que introduce una quinta dimensión deformada del Universo, de momento es imposible de ver pero intuitivo por las rarezas que genera en nuestro plano de realidad. Los propios científicos afirman que esta no es una idea descabellada: la materia ordinaria está hecha de fermiones y, si existe esta quinta dimensión, lo más probable es que se propaguen en ella.

Para probar esta teoría sería necesario tener el tipo correcto de detector de ondas gravitacionales , de momento no existe el correcto, pero no es seguro que no sea posible en el futuro. Una nueva física que contempla nuevas partículas subatómicas y una nueva dimensión que amplía así los horizontes de investigación y ofrece ideas para determinar los constituyentes de la materia oscura y obtener pistas sobre el nacimiento de nuestro Universo.

En conclusión

Estos son solo algunos de los temas que se pueden encontrar en la obra maestra de Christopher Nolan. Intentamos diseccionarlos (no todos por cierto) para intentar hacerte entender cuánta ciencia hay detrás de esta película.

Precisamente por esta razón, Interstellar es una película revolucionaria y única en muchos aspectos, gracias a los consejos del astrofísico Kip Thorne los asombrosos eventos que presenciamos en la película son una representación casi científicamente correcta de lo que los seres humanos podrían enfrentar en un viaje al espacio. -exploración del tiempo.

Una aventura que todavía hoy es una fantasía, pero estamos seguros de que los estudiosos de todo el mundo están acelerando cada vez más el conocimiento y las tecnologías para demostrar estas magníficas teorías en el campo.

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