Una breve historia de los agujeros de gusano

21/10/2016 24 comentarios
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O un viaje por los atajos del espacio y el tiempo.

No sé si a ustedes les pasa igual, pero a mí desde niño me han fascinado los viajes en el tiempo. Más adelante, como investigador en Física Teórica he tenido ocasión de pensar mucho en ese tema. Desafortunadamente para los que queríamos ser Marty McFly, poco a poco fui comprendiendo que la posibilidad de viajar en el tiempo está muy relacionada con la imposibilidad de viajar más rápido que la luz. Si lo piensan, el hecho de que exista una velocidad máxima que no depende de quién la mide, garantiza que las cosas que suceden se puedan ordenar desde el punto de vista de las causas y los efectos: es decir, las causas van antes que los efectos y no al revés.

Los inolvidables protagonistas de "Regreso al Futuro" (Back to the future, R. Zemeckis 1985) 

La teoría de la Relatividad Especial de Einstein establece que es imposible acelerar a un objeto físico que tiene una velocidad más pequeña que la de la luz hasta que tenga una velocidad más grande que la de la luz: la energía necesaria simplemente para llegar a la velocidad de la luz es ya infinita, de manera que no es posible superar ese umbral. Este hecho se comprueba todos los días en los aceleradores de partículas como el LHC. Sin embargo, la teoría no prohíbe que existan partículas que viajen siempre a velocidades más altas que la de la luz. Estos son los llamados taquiones. Si aplicamos las bien conocidas y confirmadas experimentalmente ecuaciones de la Relatividad Especial a estas partículas hipotéticas, se puede ver que los taquiones podrían usarse para mandar señales al pasado. ¡El condensador de fluzo, Marty! Bueno, no tan deprisa: conocemos ya muchísimo sobre el comportamiento de las partículas elementales y nunca hemos visto nada ni remotamente parecido a un taquión. Toda la materia que conocemos viaja a velocidades menores o iguales a la de la luz.

¿Aparcamos entonces el DeLorean? Cuando añadimos la fuerza de la gravedad a la relatividad especial, obtenemos la teoría de la Relatividad General de Einstein, una maravilla que entre otras muchas cosas, permite que el GPS pueda guiarme hasta la sala de conferencias de un congreso en cualquier ciudad del mundo, corrigiendo mi tendencia natural a acabar en la otra punta de la ciudad. La Relatividad General admite la existencia de unos objetos fascinantes llamados agujeros de gusano: atajos en el espacio y el tiempo que conectan dos puntos que estarían mucho más lejos si siguiéramos un camino "normal" (es decir, sin agujero de gusano). No hemos visto ninguno de estos objetos en la Naturaleza... pero no es tan sencillo descartar su existencia.

La primera vez aparición de los agujeros de gusano (con otro nombre) en la literatura científica ocurrió en 1935, en un artículo de Einstein y su colaborador Nathan Rosen. Durante décadas, su resultado se consideró una mera curiosidad teórica, especialmente por la propiedad de que estos agujeros no eran atravesables: duraban muy poco, de manera que se destruían antes de que nada, ni siquiera la luz, pudiera viajar por ellos. Esta fue la idea hasta que entraron en escena Kip Thorne y sus colaboradores. Físico fuera de serie, padre teórico del recientemente exitoso detector de ondas gravitacionales LIGO y colaborador científico de Carl Sagan en "Contact" y de Cristopher Nolan en "Interstellar", el gran Thorne y sus colaboradores se dieron cuenta de que existían agujeros de gusano que cumplían con las ecuaciones de la Relatividad General y además eran atravesables, es decir, no se destruían antes de que algo o alguien intentara cruzar por ellos. Fíjense entonces en lo que esto significa: desde el punto de vista de alguien que estuviera en el agujero, no hay nada anómalo en la velocidad de un viajero que lo intenta atravesar; iría más lento, incluso mucho más lento, que un rayo de luz que hubiera caído en el agujero. Sin embargo, a través de este atajo en el espacio y el tiempo, el viajero llegaría antes a su destino que un rayo de luz que viajara entre los mismos puntos por un camino "normal". 

Inmediatamente, Thorne se dio cuenta de que los agujeros de gusano atravesables se podían usar para construir una máquina del tiempo. Hay un artículo técnico dónde lo explica, pero es mucho más divertido ver cómo lo cuenta en su maravilloso libro de divulgación "Agujeros negros y tiempo curvo: el escandoloso legado de Einstein". En él imagina que tiene un agujero de gusano en su propia casa, conectando su despacho con su jardín. Por si esto fuera poco, los Thorne también poseen una sofisticada nave espacial, capaz de viajar a velocidades próximas a la de la luz. Así que Carolee, la mujer de Kip, decide embarcarse en un viaje a una estrella próxima, llevándose con ella la boca del agujero de gusano que da al jardín. Alguna vez ya hemos hablado aquí de la paradoja de los gemelos, así que el paciente lector ya sabrá que el tiempo fluye de distinta manera para el viajero que para el que se queda en Tierra. Así que si observamos la escena siempre desde fuera del agujero, ya sabemos lo que ocurrirá cuando vuelva Carolee: su reloj marcará que ha transcurrido menos tiempo (digamos 1 año) que el reloj de Kip (que marca, digamos 10 años). Hasta aquí todo normal (jajajaja, al menos para el lector acostumbrado a la relatividad especial). Pero el hecho de que Carolee se haya llevado una boca del agujero de gusano añade un ingrediente extra: vista la escena desde dentro de este puente entre dos puntos del espacio-tiempo, no hay ninguna diferencia de tiempos entre las dos bocas. La consecuencia es que cuando Carolee vuelve al jardín familiar, el agujero de gusano se ha transformado en una máquina del tiempo: Kip (para quién han pasado 10 años) puede entrar por la boca del jardín y aparecer en su despacho en un momento en el que sólo ha transcurrido un año desde que se fue Carolee, es decir, un viaje de 9 años al pasado.  

 La máquina del tiempo de Kip y Carolee Thorne ("Agujeros negros y tiempo curvo: el escandoloso legado de Einstein)

No conocemos ningún agujero de gusano en la Naturaleza, y sabemos que si fuera atravesable debería tener una propiedad bastante exótica (densidades de energía negativas). Exótica, pero no imposible: hay ejemplos de cómo conseguir esa propiedad sin violar ninguna ley física, alguno de ellos fue dado por el propio Thorne (e inspiró uno de los pasajes menos comprendidos de la serie "Lost"). Sin embargo, es natural pensar que este tipo de objetos deberían, no sólo ser muy exóticos, sino estar completamente prohibidos por alguna ley de la Naturaleza. Piensen en que una máquina del tiempo llevaría inmediatamente a paradojas que no se resuelven de manera tan sencilla como desvaneciendo una imagen en una fotografía (por más que nos guste esta idea). La más clásica la formularemos en una versión que evita el parricidio: ¿qué ocurre si Kip-10 años dispara a Kip-1 año a través del agujero? ¿Cómo diablos Kip-1 año llega a ser Kip-10 años? La Mecánica Cuántica aporta una especie de solución a esta paradoja, formulada por primera vez por David Deutsch en los años 90: como en la física cuántica lo que sucede es siempre probabilista, podemos imaginar que Kip sólo tiene una probabilidad de existir del 50%. Si existe, se disparará a sí mismo y no existirá, de manera que efectivamente hay una posibilidad del 50 % de que no exista. Esto es consistente y por tanto no hay paradoja, pero ¿a qué no lo entienden? Claro, en nuestra vida macroscópica no estamos regidos por la Física Cuántica, de manera que no sabemos darle sentido a una probabilidad de existir del 50 %. Imaginen que Kip viaja en el tiempo y se encuentra con Abel Martín y le susurra "Es la que perdona Dios". Abel termina su saeta que será después leída por Kip en el futuro. No hay inconsistencia, sin embargo, Abel se queda pensando, con Mairena y Machado: "...Escrito el verso, el poeta/pregunta, ¿quién me dictó?". ¿Quién ha creado el verso?  

 La paradoja del viajero, tal y cómo la cuenta Hawking ("Into the Universe with Stephen Hawking. Episodio 2: Time Travel)

Stephen Hawking es uno de los que piensan que estas paradojas demuestran que las agujeros de gusano y/o las máquinas del tiempo sencillamente no pueden existir. Así, en los años 90 escribió un artículo tećnico en el que postulaba que debería existir una "agencia de protección de cronología" que impedía transformar el agujero de gusano en una máquina del tiempo (algo así como un time lord en "Dr. Who", esa serie que los guionistas de "El Ministerio del Tiempo" dictaron (ejem) a guionistas ingleses cuando viajaron 50 años hacia el pasado). Lo de la agencia era, claro, uno de los famosos chistes de Hawking: el mecanismo físico que él proponía era distinto y estaba parcialmente respaldado por unos cálculos que parecían sugerir que efectivamente algunos efectos cuánticos destruirían el agujero de gusano cuando alguien tratara de usarlo para viajar en el tiempo. Sin embargo, los calculos no son concluyentes, ya que, como sabrá el paciente lector, no disponemos de una teoría completa que unifique a la gravedad y la física cuántica. Desde el artículo de Hawking, los intentos de refutar o demostrar definitivamente su conjetura se han sucedido. 

No sabemos si existe ningún agujero de gusano en el Universo y, en tal caso, no sabemos si podríamos transformarlo en una máquina del tiempo. ¡Pero podemos simularlo en el laboratorio! Recientemente, he publicado un artículo en el que muestro cómo se puede construir con tecnología actual un aparato en el que las microondas se moverían exactamente igual que si estuvieran en un espacio-tiempo en el que existiera un agujero de gusano con un radio de 0.1 mm. Mis resultados sugieren que incluso en este sistema simulado podría aparecer un mecanismo análogo al de Hawking para impedirnos simular un viaje en el tiempo, pero tendría que ser el experimento (mi artículo es sólo una propuesta teórica de experimento) el que determinara qué ocurre de manera concluyente. Empiezo a resignarme a que nunca seré Marty McFly, pero no dejo de intentar imitarle... o tal vez a Doc.